Ученые Оксфордского университета утверждают, что им удалось успешно запутать бактерий с фотонами — частицами света. Исследование, проведенное квантовым физиком Кьярой Марлетто, опубликовано в Journal of Physics Communications. Оно представляет собой анализ эксперимента, проведенного в 2016 году Дэвидом Коулсом из Университета Шеффилда и его коллегами, пишет издание Scientific American.
Квантовый мир весьма необычен. Его принципы требуют, чтобы частица могла оказываться в двух местах одновременно (это парадоксальное явление называется суперпозиция) и чтобы две частицы могли «запутываться», обмениваясь информацией через сколь угодно большие расстояния. Как именно — никто в точности не знает. Самым известным примером странности квантового мира можно назвать кота Шредингера, мысленный эксперимент, проведенный Эрвином Шредингером в 1935 году.
Австрийский физик мысленно поместил кота в ящик с потенциально смертельным радиоактивным веществом. Странные законы квантовой механики позволяли коту существовать в суперпозиции двух состояний, одновременно живому и мертвому, по крайней мере до тех пор, пока ящик не будет вскрыт и его содержимое — обнаружено.
При всей странности, эта концепция была экспериментально подтверждена бесчисленное количество раз в квантовых масштабах. Но при масштабировании до макроскопического мира эффект терялся. Никто пока не видел звезду, планету или кота в суперпозиции или в состоянии квантовой запутанности. Но с тех пор, как в начале XX века квантовая теория была впервые сформулирована, ученые задавались вопросом: где именно пересекаются микроскопический и макроскопический миры? Насколько большой может быть квантовая реальность и будет ли она когда-нибудь достаточно большой, чтобы ее самые странные аспекты можно было тесно увязать с живыми существами? Ответы на эти вопросы ищет квантовая биология — наука, развивающаяся последние два десятилетия. Проводятся эксперименты над живыми организмами, которые могли бы помочь нащупать пределы квантовой теории.
Эти эксперименты уже принесли интересные, но неубедительные результаты. В начале этого года, например, ученые показали, что процесс фотосинтеза — когда организмы производят пищу, используя свет, — может включать некоторые квантовые эффекты. Навигация птиц или наше обоняние также говорят о том, что квантовые эффекты могут проявляться у живых существ самым необычным образом. Но это лишь самая верхушка айсберга квантового мира. До сих пор никому не удавалось заставить целый живой организм — даже не одноклеточную бактерию — проявить квантовые эффекты, такие как запутанность или суперпозиция.
И вот новый анализ эксперимента Дэвида Коулса. В своем эксперименте Коулс с коллегами разместил несколько сотен фотосинтезирующих зеленых серных бактерий между двумя зеркалами, постепенно сокращая промежуток между зеркалами до нескольких сотен нанометров — это меньше ширины человеческого волоса. Пропуская белый свет через зеркала, ученые надеялись, что фотосинтетические молекулы в бактериях образуют пары — или будут взаимодействовать — с пустотой, то есть бактерии будут непрерывно поглощать, испускать и заново абсорбировать прыгающие фотоны. Эксперимент был успешным. Около шести бактерий образовали пары по этому признаку.
Марлетто и ее коллеги утверждают, что бактерии не только образовали пару с полостью. В своем анализе они продемонстрировали, что энергетические сигнатуры, полученные в ходе эксперимента, могут быть совместимы с фотосинтезирующими системами бактерий, запутанных со светом в полости. По сути, кажется, что некоторые фотоны одновременно поражали и пропускали фотосинтетические молекулы внутри бактерий — это было отличительным признаком запутывания.
«Наши модели показывают, что это явление можно считать сигнатурой запутанности между светом и определенными степенями свободы внутри бактерий», — говорит Марлетто.
По словам соавтора исследования Тристана Фарроу, это явление было замечено в живом организме впервые. «Это определенно ключ к доказательству того, что мы каким-то образом движемся в сторону идеи, так сказать, “бактерий Шредингера”», — говорит ученый. И это похоже на другой случай возможного проявления квантовой биологии в естественной среде: зеленые серобактерии обитают в глубинах океана, где дефицит живительного света может стимулировать квантово-механические эволюционные адаптации для разгона и поддержания фотосинтеза.
У таких спорных заявлений есть, впрочем, множество уязвимых мест. Прежде всего, доказательство запутывания в таком эксперименте будет косвенным, зависящим от того, как наблюдатель решает интерпретировать свет, протекающий сквозь ограниченные полостью бактерии и вытекающий из них. Марлетто и ее коллеги признают, что классическая модель, свободная от квантовых эффектов, также могла бы объяснить результаты этого эксперимента. Но, конечно, фотоны вовсе не являются классическими — они квантовые. И все же более реалистичная «полуклассическая» модель, использующая законы Ньютона для бактерий и квантовые законы для фотонов, не может воспроизвести результаты, полученные Коулсом и его коллегами в лаборатории. Это указывает на то, что квантовые эффекты проявляются как для света, так и для бактерий.
Еще одна возможная нестыковка: энергии бактерий и фотона измерялись совместно, а не по отдельности. Это, по словам Саймона Греблахера из Технологического университета Делфта в Нидерландах, который не принимал участия в исследовании, является некоторым ограничением. «Может показаться, что происходит что-то на квантовом уровне, — говорит он. — Но обычно, когда мы демонстрируем запутанность, мы измеряем две системы независимо, чтобы подтвердить, что любые квантовые корреляции между ними — подлинные».
Несмотря на эти неопределенности, для многих экспертов квантово-биологический переход от теоретической мечты к реальности, которую можно пощупать, это не вопрос возможности — это вопрос времени. По отдельности и коллективно молекулы за пределами биологических систем уже проявили квантовые эффекты в лабораторных экспериментах, проведенных за десятки лет, поэтому поиск этих эффектов среди молекул внутри бактерий или вообще наших тел не лишен смысла. В организмах людей и других многоклеточных существ, впрочем, такие молекулярные квантовые эффекты было бы трудно заметить, но у крошечных бактерий — почему бы и нет? «Это приятное открытие, хоть и ожидаемое, — говорит Греблахер. — Но оно определенно будет сюрпризом, если продемонстрировать его на примере реальной биологической системы».
Несколько исследовательских групп, возглавляемых в том числе Греблахером и Фарроу, надеются развить эти идеи. Греблахер придумал эксперимент: поместить крошечное животное — тихоходку — в состояние суперпозиции. Из-за сравнительно большого размера тихоходок это будет намного сложнее, чем запутывание бактерий со светом. Фарроу рассматривает способы улучшить эксперимент с бактериями: в будущем году он и его коллеги надеются запутать две бактерии вместе, не прибегая к свету
По информации https://stimul.online/news/kota-shredingera-umenshili-do-bakterii/
Обозрение "Terra & Comp".
