Чтобы понять, как квантовая запутанность связана с биологией, мы должны объединить две идеи. Первая идея — это наличие мгновенной связи между двумя частицами через пространство (запутанности). Вторая — способность одиночной квантовой частицы быть в суперпозиции в двух или более различных состояниях сразу: например, электрон может вращаться в обоих направлениях сразу, тогда мы говорим, что он в суперпозиции состояний по полю и против поля. Мы объединяем эти две идеи, когда имеем два запутанных электрона в атоме, каждый — в суперпозиции двух спиновых состояний. Хотя ни один электрон не имеет определенного направления спина, он влияет на спин второго электрона и сам испытывает обратное влияние. Но надо помнить, что пары электронов в одном атоме всегда находятся в синглетном состоянии, а это означает, что они должны иметь противоположные спины в любой момент времени: один должен быть по полю, а другой — против поля. Таким образом, хотя оба электрона находятся в суперпозиции, находясь одновременно в состоянии по полю и против поля, в странном квантовом мире они должны в любой момент времени иметь противоположные спины.
Теперь давайте разделим два запутанных электрона, чтобы они больше не находились в одном атоме. Если мы затем решим измерить спиновое состояние одного электрона, мы заставим его выбрать, в какую сторону вращаться. Скажем, мы измерили, что это спин по полю. Поскольку электроны были в запутанном синглетном спиновом состоянии, это означает, что другой электрон должен теперь иметь спин против поля. Но вспомните, что перед измерением они оба были в суперпозиции двух состояний. После измерения оба имеют различные состояния: один из них по полю, другой — против. Таким образом, второй электрон мгновенно и дистанционно изменил свое физическое состояние с суперпозиции на вращение в одном направлении (по полю) без контакта. Все, что мы сделали, — это измерили состояние его «напарника». И, в принципе, не имеет значения, как далеко находится второй электрон — он может быть на другом конце Вселенной, и эффект будет тот же: измерение лишь одного из пары запутанных электронов сразу же разрушит суперпозицию второго, как бы далеко он ни находился.
Вот вам полезная аналогия, которая может помочь в понимании того, о чем мы тут говорим (хоть немножко!). Представьте себе пару перчаток, каждая из которых находится в запечатанной коробке, а расстояние между коробками — многие километры. В вашем распоряжении оказывается одна из этих коробок, и, прежде чем вы ее откроете, вы не узнаете, какая именно перчатка там лежит — левая или правая. Как только вы откроете коробку и узнаете, что там, например, правая перчатка, вы тут же поймете, что в другой коробке — левая, независимо от того, как далеко другая коробка находится. Здесь важно то, что не изменилось ничего, кроме ваших знаний. Во второй коробке всегда лежала левая перчатка, это не зависит от того, решились вы открыть свою коробку или нет.
Квантовая запутанность сильно отличается от описанной ситуации. Перед измерением ни один электрон не имеет определенного направления вращения. Только сам акт измерения (любой из запутанных частиц) заставляет оба электрона изменять свое состояние квантовой суперпозиции на какое-либо одно — по полю или против поля. С перчатками же все было иначе: вы просто не знали, какая из них была во второй коробке (но она там всегда была). Мало того, что квантовое измерение одного электрона заставляет его «выбрать», вращаться ему по полю или против поля, этот «выбор» мгновенно заставляет его «напарника» тоже определиться с состоянием — независимо от того, как далеко он находится.
Существует еще одна тонкость, о которой нужно помнить. Как мы уже говорили, два электрона находятся в синглетном состоянии, когда они соединены вместе и вращаются в противоположных направлениях, и в триплетном состоянии, когда они вращаются в одном направлении. Если один электрон из синглетной пары, находящейся в одном атоме, перескакивает в соседний атом, его спин может перевернуться, то есть он будет вращаться в том же направлении, что и его парный электрон, оставшийся «дома», тем самым переходя в триплетное состояние. Однако, несмотря на нахождение в текущий момент в разных атомах, пара может по-прежнему поддерживать свою запутанность, в которой они остаются квантово-механически соединенными вместе.
Но это квантовый мир, и то, что электрон, выпрыгнувший из атома, теперь может поменять свой спин, не означает, что он обязательно должен это сделать. Каждый из двух электронов будет по-прежнему находиться в суперпозиции, вращаясь в обоих направлениях сразу; а как таковая пара электронов будет существовать в суперпозиции, находясь в синглетном и триплетном состоянии одновременно: вращаясь в одном и том же или в противоположных направлениях одновременно!
Так что теперь, когда вы подготовлены, хотя, вероятно, и пребываете в легком замешательстве, самое время представить самую странную и в то же время самую замечательную идею в области квантовой биологии.
Радикальное чувство направления
В начале этой главы мы обсуждали проблему, как может что-то столь слабое, как магнитное поле Земли, обеспечить достаточную энергию для того, чтобы изменить ход химической реакции и тем самым генерировать биологический сигнал, который будет сообщать, например, малиновке, в каком направлении она должна лететь. Оксфордский химик Питер Хор провел отличную аналогию, поясняя, как такая крайняя чувствительность может быть возможной: «Представьте, что у нас есть гранитный блок весом один килограмм. Сможет ли муха его опрокинуть? Здравый смысл подсказывает, что ответ, безусловно, „нет“. Но предположим, камень балансирует на одном ребре. Очевидно, что он не будет стабильным в таком положении и будет иметь тенденцию к падению влево или вправо. Теперь предположим, что в то время, как блок балансирует таким образом, муха приземляется на его правую сторону. Даже несмотря на то, что энергия, переданная мухой, будет крошечной, этого может быть достаточно, чтобы блок упал вправо, а не влево»[103].
Мораль заключается в том, что крошечные энергии могут иметь значительные последствия, но только если система, в которой они работают, очень тонко сбалансирована между двумя различными состояниями. Так, чтобы обнаружить влияние очень слабого магнитного поля Земли, нам нужен химический эквивалент балансирующего на одном ребре гранитного блока — так, чтобы на него могли значительно влиять малейшие внешние воздействия, подобные слабому магнитному полю.
А теперь мы возвращаемся к Клаусу Шультену и его быстрым триплетным реакциям. Вы можете помнить, что электронные связи между атомами часто образуются в результате разделения пары электронов. Электроны этой пары всегда являются запутанными и почти всегда находятся в синглетном спиновом состоянии, то есть электроны имеют противоположные спины. Тем не менее надо отметить, что два электрона могут оставаться запутанными даже после того, как связь между атомами нарушена. Разделенные атомы, которые теперь называются свободными радикалами, могут расходиться, делая возможным изменение направления спина одного из запутанных электронов — сейчас уже находящихся в разных атомах, — тогда электроны оказываются в суперпозиции синглетного и триплетного состояний, как в описанной Шультеном быстрой триплетной реакции.
Важной особенностью этой квантовой суперпозиции является то, что она не обязательно равновесно сбалансирована: вероятности «поймать» пару запутанных электронов в синглетном или триплетном состоянии не равны. И самое главное, баланс между этими двумя вероятностями чувствителен к любым внешним магнитным полям. На самом деле угол магнитного поля по отношению к ориентации разделенной пары сильно влияет на вероятность обнаружить его в синглетном или триплетном состоянии.
Пары радикалов имеют тенденцию к крайней нестабильности, поэтому их электроны часто рекомбинируют с образованием продуктов химической реакции. Но точный химический характер продукта будет зависеть от синглет-триплетного баланса, высокочувствительного к магнитным полям. Чтобы понять, как это работает, мы можем думать о свободных радикалах как о промежуточной стадии реакции, как в метафоре с балансирующим гранитным блоком. В этом состоянии реакция настолько чувствительна к изменениям, что даже слабое магнитное поле — вспомним метафору с мухой — с индукцией менее 100 микротесла, подобное земному, является достаточным, чтобы повлиять на способ выпадения синглет-триплетного «жребия» и на появление определенных продуктов химической реакции[104]. Наконец мы объяснили механизм, посредством которого магнитные поля могут влиять на химические реакции, и, как утверждал Шультен, обеспечивать работу птичьего магнитного компаса.
