Эксперименты, которые проводятся в физических лабораториях, должны будут привнести в жизнь людей высокоэффективные солнечные элементы, квантовые компьютеры, сверхскоростные поезда на магнитных подушках, но реализовать эти проекты пока невозможно, потому что квантово-механические явления можно наблюдать только в вакууме и при сверхнизких температурах. Квантовые проявления в обычном мире играют важную роль в человеческой жизни, возможно, что ученым удастся научиться использовать квантовую физику за пределами лаборатории.

Сначала может показаться, что квантовый и обычный мир никак не пересекаются. Квантовый мир существует на наноуровне, в условиях лабораторий, в которых физические параметры строго контролируются. Обычный мир – макрообласть, в природе нет контролируемых физических параметров. Любой физик с полной уверенностью скажет, что квантовая когерентность или квантовая сцепленность не просуществует в живой среде и доли секунды.

Но, на самом деле, исследования, которые проводились в последние годы, показывают, что природа использует квантовые процессы в обычном живом мире. Например, птицы способны совершать длительные перелеты, ориентируясь на линии магнитного поля Земли, фотосинтез – одна из самых важных реакций в биохимии. Ученые начинают думать о том, что скоро появится новый раздел в науке – квантовая биология.

Чудо квантовой механики

Необычность квантовых явлений, когда у системы может одновременно быть два состояния, можно показать на примере, который называется «кот Шредингера».

Если не проводить наблюдения за процессом, то радиоактивное ядро будет описываться суперпозицией двух состояний: не распавшегося и распавшегося. Если ядро распадается, то детектор радиоактивного излучения, должен выпустить ядовитый газ, который убьет кота. Но, если ядро не распадется, то детектор не сработает. Поэтому, можно ли утверждать, что в помещении одновременно находится живой и мертвый кот. Одной из теорий квантовой механики является существование параллельных миров, например, в одном мире кот умирает, а во втором продолжает жить.

Ученые давно знают, что в явление фотосинтеза присутствует необычное квантовое явление. Световой поток представляет собой фотоны, которые хаотично двигаются, но он перестает быть хаотичным, как только его поглощают хлоропласты, находящиеся в клетках растений. А также, когда он оказывается внутри бактерий, которые способны использовать световую энергию.

Поток световой энергии используется растениями и некоторыми бактериями для того, чтобы поглощать из атмосферы углекислый газ и превращать его в сахара.

Еще в 30 годах прошлого столетия ученые выяснили, что такую трансформацию световой энергии следует описывать с точки зрения квантовой механики. Электроны обладают еще и свойствами волны. Молекулы хлорофилла, которые активно поглощают фотоны, выполняют роль «антенн». Фотоны вызывают всплески возбуждения, которые передаются в виде экситонов – квазичастиц. Экситоны перемещаются в мембране растения от одного «приемника» к другому, пока не найдут реакционный центр, выбирая оптимальный к нему путь. Случайно ли экситоны попадают в реакционные центры? Исследователи считают, что экситоны могут быть когерентными в квантовом смысле, если возбуждение – это волна, то получается, что она сама выбирает себе оптимальный путь.

Гипотеза получила подтверждение, ученые из Беркли использовали в опыте лазерную технику и, при помощи нее показали, что экситоны действительно когерентны, когда путешествуют в мембранах бактерий. Однако им пришлось охладить бактерии до температуры сжижения газа. Но через некоторое время, эти же ученые повторили эксперимент уже в обычных условиях и экситоны повели себя также. Этим самым им удалось доказать, что когерентность экситонов – естественное явление в природе. Позже когерентность мембран была обнаружена у водорослей.

Но как получается, что такое явление как квантовая когерентность присутствует в условиях, которые очень далеки от лабораторных. Ведь ученым-физикам ни разу еще не удавалось создать такие условия искусственно. Ллойд и его коллеги открыли неожиданную вещь, «шум окружения, который является прямым следствием подвижности системы и высокой температуры, способствует тому, чтобы экситоны передвигались в мембранах, а не застревали.

Птичий компас

Квантовые феномены помогли наконец ученым понять, как птицы могут совершать длинные перелеты и при этом ориентироваться по сторонам света, воспринимая линии магнитного поля Земли. Сетчатка глаза птицы поглощает фотоны, затем образуются свободные радикалы (реакционноспособные молекулы), каждая молекула несет неспаренный электрон. У каждого электрона есть свой магнитный момент (спин), который улавливает внешнее магнитное поле. Когда радикалы отдаляются друг от друга, спин одного электрона остается у атомного ядра, а второй ориентируется на магнитное поле Земли. Разница магнитных полей вызывает у радикалов различные энергетические состояния, которые отличаются и химическими свойствами.

Основная гипотеза – соединение может образовываться и не образовываться при различном положении линий магнитного поля. Различие концентраций, в этом случае, определяет положение магнитного поля Земли. Гипотезу проверяли на искусственной фотохимической реакции, где использовали магнитные поля, оказывающие влияние на продолжительность существования пары радикалов. Предположение было таким, два неспаренных электрона, которые существуют в паре, являются порождением действия фотона. Фотон в это время находится в состоянии квантовой сцепленности, во время которого спины двух радикалов находятся во взаимосвязи, вне зависимости от расстояния между ними.

Как уже говорилось, квантовая сцепленность неустойчивое состояние, но расчеты ученых показали, что в сетчатке глаза птицы феномен может существовать десятки микросекунд. Не исключается, что «магнитное квантовое чувство» присутствует только у птиц, насекомые тоже могут воспринимать земное магнитное поле. Осталось выяснить, сформировалась ли эта способность у живых существ в результате эволюции или это получилось случайно, может быть эта способность «побочный эффект» скопления молекул-антенн.

Если человек сможет добиться квантовой когерентности в искусственных условиях, то возможности наши станут безграничными. Вряд ли кто сомневается в том, что через некоторое время человечеству придется искать альтернативные источники энергии. Солнечную энергию Земля получает в большом количестве, и она абсолютно ничего не стоит, но солнечные элементы, которые существуют на сегодняшний день являются малоэффективными и достаточно дорогими. Искусственное получение квантовой когерентности может поспособствовать появлению нового поколения фотонных систем, например, антенны на квантовых точках. Такие изобретения дадут жизнь энергетике будущего. Физики давно мечтают манипулировать кубитами – квантовыми битами, которые являются состояниями атомного ядра или электрона. Кубиты могут принимать значения 0 и 1 одновременно. Если будет существовать квантовый компьютер, то с его помощью можно будет решить любую задачу, просто запутав между собой кубиты и измерив состояние системы.

Но сегодня квантовые алгоритмы применяются только для решения простых задач, например, в криптографии – это распределитель секретного ключа или генератор случайных чисел. Но природа смогла добиться того, чего не могут сделать ученые, фотосинтетическая мембрана не что иное, как квантовый компьютер, который способен вычислять оптимальный пут к реакционному центру, причем процесс происходит динамический. Природа станет для человека лучшим учителем и, возможно, скоро откроет дверь в квантовый мир.