Квантовий світ - дивовижний. У теорії і певною мірою на практиці з його законів випливає, що частинка може існувати в двох місцях одночасно (цей парадоксальний феномен називається суперпозицією), а також що дві частинки можуть перебувати в т. зв. «заплутаному» стані, передаючи інформацію на яку завгодно відстань за допомогою якогось досі невідомого механізму.

Можливо, найвідоміший експеримент, який ілюструє дивні закони квантового світу, - це уявний дослід з котом Шредінгера, котрий описав Ервін Шредінгер у 1935 році. Уявіть кота, поміщеного в коробку з радіоактивною речовиною, яка, згідно із законами квантової механіки, існує в суперпозиції з двох станів, один з яких смертельний для кота. Як наслідок, кіт у коробці також повинен існувати в двох станах між життям і смертю, допоки хтось не відчинить коробку й не визначить, чи кіт живий.

Кіт, однак, - це макроскопічна система. У макроскопічному світі існують, здавалось би, простіші і зрозуміліші закони. Ніхто досі не бачив зорі, планети чи кота в квантових станах заплутаності чи суперпозиції. Але відколи сформулювали основні принципи квантової механіки на початку ХХ ст., вчених постійно цікавить питання, де ж проходить межа, що відділяє мікроскопічний світ з його квантовими законами від макроскопічного, в якому діють звичні для нас закони Ньютона. Чи може квантова реальність колись стати достатньо великою, щоби впливати на живі організми? Вже майже двадцять років на це питання намагається відповісти молода наука, що називається квантовою біологією. Вчені, що працюють у цій сфері, ставлять експерименти на живих організмах, які можуть випробувати межі квантової теорії.

Результати цих досліджень неймовірні, але ще досі непевні. На початку року, наприклад, дослідники продемонстрували, що фотосинтез - процес, під час якого рослини продукують глюкозу з вуглекислого газу і води за участі сонячного світла - може містити окремі квантові ефекти. Те, як птахи орієнтуються у просторі або ми відчуваємо запах, також може відбуватися за участі квантових ефектів, що діють незвичним способом всередині живих істот. Але ці явища зачіпають лише поверхню квантової реальності. Досі ще ніхто не спостерігав жодного живого організму - навіть одноклітинної бактерії - у станах заплутаності чи суперпозиції.

Саме тому нова стаття від групи дослідників з Оксфордського університету викликала неабиякий подив, адже автори у ній стверджують, що успішно досягнули стану квантової заплутаності бактерії з фотонами - частинками світла. Дослідження, яке очолила фізик К'яра Марлетто, опубліковане в журналі Journal of Physical Communications та є аналізом попереднього експерименту, проведеного у 2016 р. Девідом Коулзом з Шеффілдського університету. У цьому експерименті Коулз з колегами помістили кілька сотень зелених фотосинтезуючих сірчаних бактерій між двох дзеркал, між якими поступово зменшували відстань лишень до кількох сотень нанометрів, що менше, ніж товщина людської волосинки. Відбиваючи світлові промені між дзеркалами, дослідники сподівалися, що їм вдасться поєднати - чи взаємодіяти - фотосинтезуючі молекули всередині бактерій із дзеркальною порожниною навпроти них, оскільки бактерій повинні були постійно поглинати, емітувати і знову поглинати фотони. Експеримент пройшов успішно: принаймні, шість бактерій справді почали поводитися так, як сподівалися дослідники.

Але Марлетто стверджує, що під час експерименту виявилися значно цікавіші явища. Вона доводить, що те, як бактерії поглинали й емітували енергію, співмірне зі станом квантової заплутаності між фотосинтезуючими системами бактерій і світлом всередині дзеркальної порожнини. Адже виглядає на те, що деякі фотони одночасно потрапляли і не потрапляли на рецептори бактерій, що є ознакою квантової заплутаності.

Співавтор дослідження Трістан Ферроу з Оксфордського університету стверджує, що науковцям вперше в історії вдалося спостерегти квантові ефекти в живому організмі. «Якщо це можна так назвати, то ми рухаємося шляхом до «бактерії Шредінгера», - каже учений. Дослідження також наводить на думку, що квантові ефекти могли зіграти роль у процесі еволюції. Зелені сірчані бактерії живуть у глибокому океані. Квантові ефекти могли компенсувати нестачу світла і прискорити фотосинтез.

Однак, результати експерименту ще не є зовсім однозначними. По-перше, доказ заплутаності у ньому непрямий і залежить від того, як інтерпретувати світло, що проходить крізь бактерії. Марлетто погоджується, що «напівкласична» модель на основі законів Ньютона для бактерії і квантової фізики для фотонів також може пояснювати його результати. По-друге, енергію бактерій та фотонів виміряли спільно, а не незалежно. За словами фізика Саймона Ґрьоблехера з Делфтського університету в Нідерландах, який не брав участь у дослідженні, це є деяким обмеженням. «Виглядає на те, що відбувається якесь квантове явище, - каже він, - але, як правило, якщо ви хочете продемонструвати заплутаність, ви повинні виміряти всі елементи системи незалежно».

Попри ці непевності, багато експертів переконані, що перехід квантової біології від теоретичної мрії до реальності є питанням «коли», а не «якщо». Як поодинці, так і колективно молекули, які входять до складу живих організмів, уже демонстрували квантові ефекти за їх межами. Тож пошук таких самих ефектів всередині живих істот має багато сенсу.

У людей та інших великих багатоклітинних організмів квантові ефекти повинні бути зведені до мінімуму. Але їхні прояви цілком можуть бути значущими всередині невеликих бактерій. «Ці дивовижні результати мене глибоко вразили», - каже Ґрьоблехер. Декілька дослідницьких груп, зокрема, групи на чолі з Ґрьоблехером та Ферроу, сподіваються, що їм вдасться розвинути ці ідеї далі. Ґрьоблехер запропонував ідею експерименту, який має помістити мініатюрну морську тварину, яку називають тихоходом, у стан суперпозиції. А Ферроу протягом наступних десяти років сподівається помістити дві бактерії в стан заплутаності світлом, утім не поокремо, як в експерименті Коулза, а разом. «Ці довготермінові цілі можуть мати фундаментальне значення, - каже Ферроу. - Воно стосується розуміння природи реальності і того, чи квантові ефекти відіграють роль у біологічних функціях. Зрештою, в основі природи усе є квантовим».

Слід зазначити, що дослідження квантових явищ поступово рухають до макрорівня. Недавно вчені провели експеримент, у якому їм вдалося заплутати між собою одразу мільйони атомів. Доведення, що молекули, з яких складаються живі істоти, також мають квантові властивості, може бути наступним кроком. Вивчаючи кордон між мікро- та макрорівневим світом, учені, можливо, колись зможуть відповісти на одну з найбільших таємниць природи: чи можуть квантові ефекти розповсюджуватися на звичні для нас макрорівневі об'єкти?

Автор: By Jonathan O'Callaghan

Джерело: Scientific American

Зреферував Є. Л., «Збруч»