Вирус можно сделать одновременно живым и мертвым

Уже давно никого не удивляет, что электроны могут одновременно находиться в двух разных местах, атомы имеют сразу несколько значений энергии, а микроскопические волчки крутятся сразу в двух направлениях -- например, по часовой стрелке и против нее одновременно. Худо-бедно большинство людей, интересующихся наукой, привыкли и к мысли, что даже привычный электрический ток может течь по цепи одновременно в обе стороны, хотя реально это явление можно увидеть лишь в сверхпроводниках.

Все это очевидное-невероятное возможно благодаря принципу суперпозиции, согласно которому, если квантовый объект может быть либо таким, либо эдаким, то он может оказаться и произвольной смесью такового и эдакого. Принцип работает, хотя с точки зрения здравого смысла идти одновременно влево и вправо нельзя, а находиться одновременно в Москве и Магадане не удавалось ни Эмилю Кио, ни Гудини с Копперфильдом. Создать какой-то осмысленный аналог квантовой механики без принципа суперпозиции, по-видимому, нельзя, и физикам, похоже, придется и дальше мириться с этой шизофренией.

Коты, носы и мозги

Чтобы раз и навсегда доказать, что в микро- и макромире действуют разные законы, один из основателей квантовой механики Эрвин Шредингер в начале 1930-х годов, когда только-только осознал всю суть явления квантовой запутанности, придумал своего знаменитого кота. Это мысленный эксперимент, в котором животное было одновременно и живым и мертвым.

Шредингер предложил взять большой ящик, изолированный от внешнего мира, и засунуть туда кота. В ящик положить ампулу с синильной кислотой, молоточек, который срабатывает от счетчика Гейгера, и кроху радиоактивного вещества. Когда нестабильный атом распадется, альфа-частица пролетит через счетчик Гейгера, молоточек разобьет ампулу, а кот сдохнет. Пока атом не распался -- кот живой. Беда в том, что, если верить квантовой механике, состояние атома (до момента измерения, см. ниже) представляет собой смесь распавшегося и нераспавшегося состояний: смесь, в которой доля распавшегося состояния все время увеличивается, а нераспавшегося -- падает. Но ведь жизнь кота жестко связана с атомом. Он что тогда, тоже одновременно живой и мертвый?

Если верить стандартной, копенгагенской интерпретации квантовой механики, то ответ положительный. Открыв ящик, мы всегда найдем кота либо живым, либо дохлым -- но это связано уже непосредственно с нашим измерением. Пока ящик закрыт, имеет место суперпозиция состояний. Когда открыли -- происходит, как говорят физики, «коллапс» волновой функции к одному из двух состояний, которые различает наш измерительный аппарат (глаза, уши, нос и так далее, плюс извилины).

Будь мы устроены по-другому, мы могли бы найти кота в более примечательных состояниях -- например «жив плюс мертв» или «мертв минус жив». Почему мы устроены именно так, что отличаем именно классические живое и мертвое, и могли бы мы быть устроены по-другому -- отдельный вопрос, ответы на который один любопытнее другого. Как конкретно происходит коллапс -- другой предмет ожесточенных диспутов. Однако в реальности существования суперпозиции сомневаться не стоит.

Квантовый карантин

Сам Шредингер, который никогда в жизни полуживых котов не видел, считал, что его умозрительная конструкция доказывает реальность физической границы между квантовым и классическим мирами. Один из отцов квантовой механики был совершенно уверен, что в природе должен существовать закон, который запрещает квантовым явлениям проявляться в классическом мире.

Сейчас подобную точку зрения разделяет меньшинство физиков. Однако никто из большинства пока не продемонстрировал эксперимента с полуживым котом. И дело не в сострадании к животным: просто кот с точки зрения физики -- безумно сложная система, изолировать которую от внешних воздействий невозможно. А эти воздействия заставляют волновую функцию сколлапсировать в одно из классических состояний гораздо быстрее, чем мы наберемся смелости, предусмотрительно зажмем носы и вскроем ящик.

Пока абсолютное большинство экспериментов, изучающих суперпозицию состояний, касается сугубо квантовых объектов, и большинство из них – только сугубо квантовых свойств этих объектов, у которых нет классических аналогов. Лишь совсем недавно впервые удалось продемонстрировать квантовое запутывание состояний механического движения двух ионов. Оно не могло бы иметь места, не будь каждая из частиц в состоянии одновременно и покоя и движения -- притом в четких, заранее заданных пропорциях.

Вирус в ловушке

Теперь ситуация может измениться. Группа немецких и испанских физиков под руководством Ориоля Ромеро-Исарта из Института квантовой оптики германского Общества имени Макса Планка придумала способ провести аналогичный эксперимент с вирусами. Если их идея воплотится в жизнь, можно будет получить твердые доказательства, что эти создания находятся в состоянии квантовой суперпозиции двух классических состояний -- того же движения и покоя.

Физики (пока лишь теоретически) показали, как можно удерживать микроскопические, но достаточно крупные прозрачные объекты в световых ловушках, а главное -- как связать состояние движения -- например амплитуду колебаний -- этих объектов со свойствами квантов света, фотонов. После этого достаточно запустить в ловушку фотон, находящийся в состоянии суперпозиции двух классических состояний, и можно быть уверенным: в соответствующей суперпозиции находится и наш объект. Проверить, как движется объект, можно, обратив процесс (измерять состояние фотонов, в отличие от микроскопических колебаний, физики хорошо умеют).

Прелесть в том, что на роль таких объектов вполне подходят многие вирусы. По подсчетам ученых, под эти требования подходят знакомый всем вирус гриппа и даже очень крупный вирус табачной мозаики -- первый известный науке вирус, который еще в конце XIX века открыл наш соотечественник Дмитрий Иосифович Ивановский.

С более крупными организмами трюк пока не проходит -- объекты в ловушке должны быть меньше, чем длина волны лазера, который ее запитывает (а также обладать определенными оптическими свойствами). Тем не менее, по словам авторов статьи, с которой можно ознакомиться в Архиве электронных препринтов Корнельского университета, у них уже есть соображения насчет распространения методики и на более крупные организмы. В их числе упоминаются даже небольшие беспозвоночные -- тихоходки, которые способны выжить после нескольких дней в открытом космосе.

О сознании

По мнению Ромеро-Исарты и его коллег, реальная демонстрация квантовых свойств «живых» вирусов могла бы стать серьезным прорывом для понимания квантовой механики и проверки ее копенгагенской интерпретации. Перед авторами работы замаячили фундаментальные вопросы о взаимоотношении физики и жизни и роли сознания в квантовой механике.

Впрочем, чем крохотные дрожания вирусов (а речь идет об амплитудах существенно меньших, чем размеры самих вирусов) отличаются от движения ионов, немцы и испанцы не уточняют. Не совсем понятно, и какое отношение все это имеет к жизни. Даже биологи между собой до сих пор не могут договориться, считать ли вирусы живыми организмами или нет. Какое уж тут сознание.