Мир физики и физика мира. Простые законы мироздания - Джим Аль-Халили

В течение всего развития науки наблюдалось пересечение физики и родственной дисциплины – химии. И правда, некоторые величайшие ученые своего времени, включая Майкла Фарадея, занимались обеими науками. И это касается не только химии; значительна роль физики и в развитии, например, биологии. Физики проявляют интерес к широкому спектру биологических проблем; в результате возникла необычайно увлекательная научная область под названием «биофизика». Но является ли биофизика отраслью физики или это частный случай применения физических методов к биологии? И имеет ли это различие какое-либо значение? Если физика в конечном счете лежит в основе химии и химических процессов, а явления, происходящие внутри организма, и сами представляют собой химические процессы, только более сложного уровня, то из этого, безусловно, следует, что и в основе биологии лежит все та же физика. В конце концов, все сущее, живое и неживое, состоит из атомов и подчиняется законам физики.

В попытке найти и сформулировать фундаментальные принципы, управляющие биологическими процессами, физики, как это им свойственно, задались вопросом, что же отличает живое от неживого, учитывая, что и то и другое состоит из одинаковых элементов. Ответ кроется собственно в самой физике: жизнь обладает способностью поддерживать себя в состоянии низкой энтропии, далекой от теплового равновесия, а также сохранять и обрабатывать информацию. Таким образом, создается ощущение, что понимание того, что особенного есть в жизни, должно прийти из фундаментальной физики. Когда я пишу эти слова, я легко представляю себе, как мои коллеги-химики и биологи закатывают глаза от возмущения перед этим свидетельством типичного для физиков чувства собственной значимости. С другой стороны, верно и то, что многие открытия в биологии и генетике принадлежат физикам, включая Лео Силарда, Макса Дельбрюка и Фрэнсиса Крика. В частности, на Крика, который вместе с Джеймсом Уотсоном и Розалиндой Франклин открыл двухспиральную структуру ДНК, оказал большое влияние физик Эрвин Шредингер, замечательная книга которого «Что такое жизнь?», выпущенная в 1944 году, и сейчас весьма актуальна.

С прикладной точки зрения физики активно участвовали в разработке многих технологий, которые применяются для исследования живой материи, начиная с рентгеновской дифракции и кончая МРТ. Даже скромный микроскоп, без которого не смогла бы обойтись ни одна лаборатория, был изобретен в XVII веке после сотен лет исследования природы света и того, как его можно преломлять и фокусировать посредством линз. Причем оба изобретателя, Антуан ван Левенгук и Роберт Гук, использовали микроскоп для изучения живых организмов. И правда, если проанализировать огромный вклад в науку, сделанный Гуком, то обнаружится, что согласно нынешним взглядам он скорее был физиком, чем биологом.

В последние 20 лет мой интерес вызывает одна новейшая область исследования, которая называется квантовой биологией. Как мы уже говорили, вся материя в конечном счете состоит из атомов, а следовательно, на глубинном уровне подчиняется законам квантового мира, как и все остальное во Вселенной. Это, конечно, само собой разумеется. Но квантовая биология скорее касается последних исследований в области теоретической физики, экспериментальной биологии и биохимии, которые заставляют предположить, что некоторые из самых парадоксальных идей квантовой механики, таких как туннелирование, суперпозиция и запутанность, могут играть важную роль в функционировании живой клетки. Для объяснения ключевых результатов экспериментов в области функционирования ферментов или процесса фотосинтеза, по-видимому, требуется обращение к квантовой механике. Для многих ученых это стало огромным сюрпризом; они отказываются верить, что жизненные процессы могут зависеть от таких неуловимых и непредсказуемых факторов, и многие из этих идей все еще подвергаются тщательному анализу. Однако не будем забывать, что у жизни на Земле было почти четыре миллиарда лет, чтобы найти пути развития, дающие ей какие-то преимущества. Если квантовая механика может сделать определенный биохимический процесс или механизм более эффективным, то эволюционная биология им обязательно воспользуется. И это не волшебство, это… ну да, это просто физика.

Квантовая революция продолжается

В XX веке (и в начале XXI столетия) у нас уже нет сомнений в том, что квантовая механика играет огромную роль в нашей жизни, хотя она оперирует масштабами гораздо меньшими, чем могут уловить наши органы чувств. Поскольку она так успешно объясняет явления субатомного мира, эта наука стала основой не только физики и химии, но и современной электроники. Например, понимание квантовых законов, объясняющих, как электроны ведут себя в полупроводниках, заложило основы мира современных технологий. Без полупроводников мы не создали бы транзистор, а позже – микрочип и компьютер. А миниатюрный суперкомпьютер, который мы всюду носим с собой (наш смартфон) и без которого многие чувствуют себя совершенно потерянными, просто набит электронными чудесами, и все это невозможно без квантовой механики. То же относится к давно знакомым нам приборам вроде современных светодиодов и датчиков дыма, ну и, конечно, интернета. И действительно, вся телекоммуникационная промышленность основана на технологическом применении квантовой механики в таких приборах, как лазер и оптический усилитель. И ни одна современная больница не обойдется без МРТ, ПЭТ и КТ, а также лазерной хирургии.

А ведь квантовая революция еще только началась. В ближайшие десятилетия мы увидим море технологических чудес, разработанных на основе современных достижений квантовой физики, таких как умные и топологические материалы. Возьмем графен, например: один-единственный слой атомов углерода с шестиугольной кристаллической структурой. В зависимости от того, какой он формы и что с ним делают, графен работает то как изолятор, то как проводник, а иногда даже как полупроводник.

Более того, последние исследования позволяют предположить, что два слоя графена, развернутые под определенным углом друг к другу, могут при определенных условиях, при низкой температуре и слабом электрическом поле, вести себя как суперпроводник, по которому ток идет практически без всякого сопротивления, – еще один поразительный квантовый феномен. Эта технология, известная как твистроника, как считается, даст толчок развитию целого ряда электронных приборов.

И это еще не все. Сейчас разрабатываются проборы и технологии нового поколения, которые получат широкое распространение еще при нашей жизни, – приборы, которые смогут создавать необычные состояния материи и манипулировать ими неким новым образом за счет применения разных квантовых ухищрений. Успехи в таких областях, как квантовая информационная теория, квантовая оптика и нанотехнологии, позволят создать целый ряд таких приборов. Например, высокоточный квантовый гравиметр позволит регистрировать мельчайшие изменения гравитационного поля Земли, так что геологам будет проще обнаружить залежи полезных ископаемых, а инженерам – точно установить местоположение трубопровода под дорожным полотном: копать