В поисках кота Шредингера. Квантовая физика и реальность

Объединяться, создавая псевдобозоны, нарушающие при низких температурах обычные законы физики, могут не только электроны. Атомы гелия проделывают схожий трюк, который лежит в основе свойства жидкого гелия, называемого сверхтекучестью. Когда вы размешиваете кофе, а затем останавливаетесь, кружение жидкости постепенно замедляется и в итоге прекращается из-за сил трения и вязкости в жидкости. Если попробовать сделать то же самое с гелием, охлажденным до 2,17 градуса Кельвина, вращение не прекратится никогда. Даже если оставить сверхтекучий гелий сам по себе, он может выползти из сосуда через край, и, вместо того чтобы с трудом течь по узкой трубке, сверхтекучий гелий течет тем легче, чем уже трубка, в которую он заключен. Это странное поведение может быть объяснено статистикой Бозе – Эйнштейна, и хотя опять же необходимость столь сильного охлаждения не дает возможности найти практическое применение этому явлению, поведение атомов при столь низких температурах, как и поведение электронов при сверхпроводимости, дает возможность увидеть квантовый мир в действии. Если поместить немного сверхтекучего гелия в крошечное ведерко диаметром около 2 мм и начать раскручивать его, то первое время гелий останется в покое. По мере увеличения скорости вращения ведерка при некотором критическом угловом моменте весь гелий начнет вращаться, перейдя из одного квантового состояния в другое. Квантовые законы запрещают существование промежуточного состояния, соответствующего промежуточному значению углового момента, и можно наблюдать, как все атомы гелия, которые содержатся в видимом объеме (гораздо большем, чем атом или частицы квантового мира), ведут себя в соответствии с квантовыми законами. Как мы увидим позже, сверхпроводимость может применяться и к объектам человеческого, а не только атомного масштаба. Однако квантовая теория не ограничивается миром физики или даже физических наук. Стоит вспомнить, что вся химия сегодня понимается в терминах основных квантовых законов. Химия – это наука о молекулах, а не об индивидуальных атомах или субатомных частицах, и есть молекулы, которые крайне важны для нас, – молекулы жизни, в том числе ДНК. Наше современное понимание жизни само по себе неразрывно связано с квантовой теорией.

Сама жизнь

Помимо научной важности квантовой теории для химии жизни, существуют прямые личные связи между некоторыми ведущими учеными из квантовой области и открытием двойной спирали ДНК – молекулы жизни. Законы, описывающие дифракцию рентгеновских лучей на кристаллах, были открыты Лоренсом Брэггом и его отцом Уильямом, работавшими в Кавендишской лаборатории, за несколько лет до Первой мировой войны. За работу они получили совместную Нобелевскую премию, при этом Лоренс был настолько молод (в 1915 году он служил офицером по Франции), что был еще жив (несмотря на то что служил во Франции в Первую мировую), когда праздновался 50-летний юбилей этого события. Брэгг-старший изначально завоевал репутацию, работая над изучением альфа-, бета– и гамма-излучений, и в последние годы первого десятилетия

XX века показал, что и гамма-излучение, и рентгеновские лучи в некоторых аспектах ведут себя, как частицы. Однако закон Брэгга о рентгеновской дифракции, ставший ключом к раскрытию тайн структуры кристаллов, основывается на волновых свойствах рентгеновских лучей, отраженных от атомов кристалла. Получающиеся в результате картины интерференции зависят от расстояния между атомами в кристалле и длины волны рентгеновского излучения, и в умелых руках этот инструмент позволил показать расположение индивидуальных атомов в даже самых сложных кристаллических структурах.

Идея, которая привела к закону Брэгга, появилась в 1912 году, в основном благодаря Лоренсу Брэггу. К концу 1930-х годов он занимал должность Кавендишского профессора физики в Кембридже (вслед за Резерфордом после его смерти в 1937 году) и среди прочего все еще активно занимался работой над рентгеновскими лучами. Именно в то десятилетие начала развиваться новая наука – биофизика. Новаторская работа Дж. Д. Бернала по определению структуры и состава биологических молекул посредством рентгеновской дифрактометрии стала началом подробных исследований сложных белковых молекул, определяющих многие функции жизни. Исследователи Макс Перуц и Джон Кендрю в 1962 году получили Нобелевскую премию по химии за определение структуры гемоглобина (молекула крови, которая переносит кислород) и миоглобина (мышечный белок), что стало результатом исследования, начатого в Кембридже до Второй мировой войны.