Вполне возможно, что в будущем эти молекулярные роботы смогут триллионами воспроизводить самих себя из сырья, доступного в окружающей их среде. Таким образом целые армии подобных машин можно будет использовать для выполнения безумного набора задач, от убийства раковых клеток (по одной!) до создания настоящих чудес инженерии и даже производства так называемых «умных материалов».
Хотя до распространения этих технологий остаются еще целые десятилетия, первые шаги в этом направлении уже сделаны. В начале 1990-х годов японские исследователи изучали копоть (полученную при электрическом разряде между двумя углеродными электродами) под просвечивающим электронным микроскопом. Они обнаружили крошечные молекулярные углеродные трубки, которые, как оказалось впоследствии, обладают удивительными свойствами. Эти углеродные нанотрубки представляют собой не что иное, как скрученные отдельные пластинки графита (известные под названием графен) толщиной в один атом. Благодаря свойствам углеродных связей, эти нанотрубки могут использоваться в качестве совершенного высокопрочного волокна, из которого можно в том числе изготавливать наконечники для сканирующих зондовых микроскопов и строить сейсмоустойчивые дома. Сделанные из углеродных нанотрубок автомобили после столкновений будут возвращаться в свою изначальную форму.
Нанотрубки также могут служить молекулярными проводами, которые можно приспособить для использования либо в качестве фантастических электропроводников (по эффективности сравнимых со сверхпроводниками), либо в качестве полупроводников в интегральных схемах. Их можно применять даже для эффективного перемещения атомов и молекул.
Следите за новостями.
Конденсаты Бозе – Эйнштейна
Эд Хиндс, профессор физики, Университет Сассекса
Представьте один атом, запертый в чрезвычайно маленькой чаше. Квантовомеханическая волновая функция описывает поведение атома в ловушке. Волновая функция с разной амплитудой вибрирует в разных местах чаши, и квадрат амплитуды вибрации определяет вероятность обнаружения атома в конкретном месте. Если предположить, что атом не может внедриться в стенку чаши, то волновая функция там будет равняться нулю.
На рисунке выше показаны три самых простых возможных волновых функции с 1, 2 и 3 зонами максимальной вибрации. Чем меньше расстояние между нулями волновой функции, тем выше энергия атома, так что три этих волновых вероятности соответствуют трем низшим энергиям атома в чаше. Различные энергетические состояния обозначаются индексом n = 1, 2, 3 и т. д., называемым квантовым числом. Если в чаше содержится облако атомов, любой из них движется, пребывая в суперпозиции многих различных квантовых состояний. Чем выше температура, тем больше диапазон возможных квантовых состояний. Основное состояние при нормальных условиях занимается редко, поскольку существует слишком много альтернатив.
Но если газ становится достаточно холодным, а плотность атомов – достаточно высокой, может случиться, что основное состояние займут сразу два атома. Если они принадлежат к верному типу атомов (и являются бозонами), результат оказывается довольно примечателен. Волновые функции, описывающие два этих атома, складываются в одну, амплитуда вибрации которой удваивается, а вероятность обнаружения атома в этом месте увеличивается в четыре раза – иными словами, большее количество атомов притягивается в это состояние. Чем больше атомов занимают основное состояние, тем сильнее возрастает амплитуда волновой функции и тем притягательнее это состояние становится для остальных атомов, движущихся в газе. Этот эффект интерференции объясняется конструктивным сложением волн, описывающих каждый атом. В результате возникает лавина, в ходе которой почти все атомы соглашаются занять низшее энергетическое состояние, в то время как остальная энергия в газе распределяется между малым числом оставшихся атомов. Часто они становятся такими высокоэнергетическими, что вылетают из чаши, оставляя едва ли не все атомы в основном состоянии. Этот процесс называется конденсацией Бозе – Эйнштейна, а набор атомов в одном квантовом состоянии носит название конденсата Бозе – Эйнштейна, или бозе-конденсата[72].
Бозе-конденсат обладает интересными свойствами, которые объясняются тем фактом, что все частицы ведут себя одинаково. В жидком гелии около 10 процентов атомов формируют бозе-конденсат, но эта часть жидкости течет без какой-либо вязкости, что делает ее сверхтекучей. Свет лазера представляет собой бозе-конденсат фотонов (фотоны являются бозонами), а это означает, что фотоны в лазерном пучке ведут себя одинаково – этим объясняется и чистый цвет, и прицельность пучка. Конденсация Бозе – Эйнштейна атомного пара впервые была обнаружена в 1995 году в облаках рубидия Эриком Корнеллом и Карлом Уйманом в исследовательском институте JILA и в облаках натрия Вольфгангом Кеттерле в Массачусетском технологическом институте. Подобно лазерному пучку, высвобождаемые из бозе-конденсата атомного пара атомы могут формировать пучок с невероятно точно определенной энергией, направлением и колебательной фазой. Такой пучок называется атомным лазером.
Квантовая механика и биология
Джонджо Мак-Фадден, профессор микробиологии, Университет Суррея
Прошло более 50 лет, с тех пор как Эрвин Шрёдингер сделал поразительное предположение, что жизнь покоится на квантово-механических принципах. И все же большинство его аргументов справедливо и сегодня. Шрёдингер заметил, что все классические законы имеют статистический характер и верны для наборов из миллиардов атомов или молекул, но неприменимы на уровне отдельных частиц. Жизнь, утверждал он, основана на динамике отдельных частиц, а следовательно, подчиняется квантовым законам.
Для 1944 года, когда считалось, что внутри клетки находится аморфная субстанция, именуемая протоплазмой, его предсказание было весьма примечательным. Но когда молекулярные биологи лучше изучили работу клеток, они увидели их строение на всех уровнях. Ширина двойной спирали ДНК составляет всего два нанометра (две миллионных доли миллиметра) – это не слишком выбивается из атомных масштабов, – и вместе с белками и другими клеточными составляющими спираль ДНК имеет структуру размером менее одной десятой этой величины. Динамика внутри этих биомолекул представляет собой исключительно движение отдельных частиц. Представьте ферментную ротационную машину F1-АТФазу, которая производит АТФ (химическое топливо для клеток). Ширина этого крошечного биологического устройства составляет всего десять нанометров. Фермент находится на клеточной мембране, где его ротация поддерживается потоком протонов, идущим через центральную пору. Но как ротационное движение в таком масштабе преобразуется в химическую энергию – по-прежнему загадка. Здесь явно не обходится без квантовой механики.
Считается, что в огромное количество биохимических процессов, включая фотосинтез, дыхание, мутацию и сворачивание белка, вовлечено квантовое туннелирование. К примеру, ученые полагают, что ферменты, которые формируют протонный градиент, подталкивающий F1-АТФазу, используют электронное туннелирование, чтобы связать процесс переноса протонов с белками дыхательной цепи. Действительно, многие полагают, что и электронное, и протонное туннелирование представляют собой недостающие ингредиенты, которые объясняют, каким образом ферменты могут массово ускорять химические реакции. Квантовое туннелирование также может участвовать в сворачивании белка – процессе, в ходе которого молекула белка просматривает миллиарды возможных структур, чтобы найти свою активную форму. Кроме того, квантовое туннелирование может быть фундаментальным для эволюционного развития жизни на Земле. Уотсон и Крик первыми предположили, что таутомерия – химический эвфемизм протонного туннелирования – ДНК-базы внутри двойной спирали отвечает за мутации. Мы с Джимом Аль-Халили внимательнее изучили этот механизм и предположили, что в некоторых типах мутации также может быть задействована квантовая когерентность.
Живая клетка – это нанотехнология природы. Подобно тому как работающие в наномасштабе инженеры и физики должны использовать в своих моделях квантовую механику, продолжающаяся более трех миллиардов лет эволюция точно включила в себя квантовую динамику. Скорее всего, квантовая механика столь же фундаментальна для жизни, как и вода. Недавние эксперименты и симуляции действительно показали, что участвующие в водородных связях в воде протоны в высокой степени делокализованы (то есть находятся в суперпозиции пребывания в двух разных местах). Образование водородных связей, возможно, представляет собой самое фундаментальное биохимическое взаимодействие, участвующее в процессе образования базовых ДНК-пар, ферментном катализе, сворачивании белка, дыхании и фотосинтезе. Если в основе этого феномена лежит квантовая делокализация, значит, она критически важна для жизни. И правда, несколько исследователей (включая меня и Пола Дэвиса) предположили, что в квантовой механике, возможно, таится решение главной биологической загадки – вопроса о происхождении жизни.
Глава 10. В новое тысячелетие
Мы увидели, какую роль квантовая механика сыграла в столь многих областях физики и химии и какое влияние она оказала на них, а также узнали, насколько важной она стала для технологического прогресса прошедшего века, поспособствовав появлению таких технологий, как лазер, полупроводник и ядерный реактор. В последней главе нам пора вернуться к основным идеям, включая суперпозицию, запутанность и декогеренцию, и посмотреть, какую роль они могут сыграть в технологиях XXI века.
Умные эксперименты
Интересно, как бы Нильс Бор поступил с целым рядом невероятных экспериментальных прорывов в области атомной физики и квантовой оптики, произошедших за последнее десятилетие? Пионеры квантовой мысли настаивали, что предсказания квантовой механики имеют смысл только при ее применении к большому количеству (или скоплению) идентичных квантовых систем. Кроме того, они утверждали, что между микроскопическим миром, где действуют квантовые законы, и макроскопическим миром измерительных приборов, подчиняющихся законам классической физики, должна проходить четкая граница.