Джон Гриббин – В поисках кота Шредингера. Квантовая физика и реальность (страница 31)

Это является основой генной инженерии. Фрагменты генетического материала - ДНК - могут быть созданы совмещением химических и биологических техник, и микроорганизмы, подобные бактериям, можно заставить взять эту ДНК из химического бульона вокруг них и внести ее в собственный генетический код. Если в штамм бактерии добавить закодированную информацию о том, как необходимо производить инсулин, ее собственные биологические механизмы сделают это, создав именно то, что требуется диабетикам для ведения нормальной жизни. Близка к реальности мечта об изменении человеческого генетического материала, с тем чтобы в первую очередь устранить дефекты, создающие проблемы вроде диабета, и нет теоретической причины не добиться этого результата. Мы уже способны использовать методы генной инженерии на примере других животных и растений, создавая устойчивые штаммы для производства пищи и удовлетворения других нужд человека.

Подробности опять-таки можно найти в других книгах44. Важным является то, что мы

Изначальное использование того же понятия («ядро») для центральной части атома было умышленным подражанием уже существующей биологической терминологии.

«Первый шимпанзе» в соавторстве с Джереми Черфасом.

Например, «Жизнь, созданная человеком» Джереми Черфаса.

все слышали о генной инженерии, читали о ее многообещающем будущем и об опасностях, которые она таит. Однако очень немногие осознают, что понимание молекул жизни, которое делает возможным генную инженерию, зависит от нашего современного понимания квантовой механики, без которой мы не были бы способны интерпретировать данные рентгеновской дифрактометрии, не говоря уже обо всем остальном. Чтобы понять, как конструировать или разбирать на фрагменты гены, мы должны понимать, как и почему атомы образуют лишь определенные конфигурации на определенных расстояниях друг от друга и имеют химические связи определенной силы. Это понимание является даром квантовой физики химии и молекулярной биологии.

Я рассказал об этом несколько больше, чем мог бы, исключительно из-за одного члена Университетского колледжа Уэльса. В марте 1983 года в опубликованном в журнале New Scientist отзыве я вскользь упомянул, что «без квантовой теории не было бы ни генной инженерии, ни твердотельных компьютеров, ни атомных электростанций (или бомб)». В ответ на мой отзыв корреспондент из этого уважаемого научного учреждения написал жалобу, заявив, что он сыт по горло тем, что генную инженерию упоминают для красного словца везде, где надо и где не надо, и что Джон Гриббин не имеет права на такие грубые замечания. Какая вообще связь, даже тонкая, может быть между квантовой теорией и генетикой? Надеюсь, в этот раз связь очевидна. На каком-то уровне приятно понимать, что обращение Крика к биофизике было явно спровоцировано Шрёдингером и что работа, которая привела к открытию двойной спирали ДНК, велась под формальным, хоть порой и неохотным, руководством Лоуренса Брэгга. На более глубоком уровне, конечно, становится понятно, что интерес пионеров вроде Брэгга и Шрёдингера, а также следующего поколения физиков, включая Кендрю, Перуца, Уилкинса и Франклин, к биологическим проблемам был обусловлен тем, что проблемы эти, как заметил Шрёдингер, были просто другим типом физики, который занимался огромным количеством атомов в крупных молекулах.

Совершенно не отказываясь от своего замечания в New Scientist, я готов лучше обосновать его. Если попросить умного и начитанного, но при этом далекого от науки человека перечислить важнейшие достижения науки, которые внесли существенный вклад в нашу жизнь, и предположить, какие возможные выгоды и опасности принесет научный прогресс в ближайшем будущем, он точно включит в список компьютерные технологии (автоматизация, безработица, развлечения, роботы), атомную энергию (бомба, крылатые ракеты, электростанции), генную инженерию (новые лекарства, клонирование, угроза созданных человеком заболеваний, повышение урожайности) и лазеры (голография, лучи смерти, микрохирургия, коммуникации). Вероятно, большая часть опрошенных людей будут знать о теории относительности, не оказывающей влияния на повседневную жизнь, но вряд ли хоть один заметит, что каждое достижение из списка уходит корнями в квантовую механику - направление науки, о котором они, возможно, никогда не слышали и которое наверняка не понимают.

Они не одиноки. Все эти достижения стали возможны благодаря квантовой кулинарии, использующей законы, которые кажутся работоспособными, хотя никто в действительности не понимает, почему они работают. Несмотря на достижения последних восьмидесяти лет, вряд ли хоть кто-то понимает, почему работают квантовые рецепты. Остаток этой книги посвящен исследованию ряда самых глубоких тайн, которые зачастую так и остаются покрытыми мраком, а также обзору некоторых возможностей и парадоксов.

Часть третья ...И не только

Лучше обсудить вопрос без урегулирования, нежели урегулировать его без обсуждения.

Жозеф Жубер 1754-1824

Глава восьмая Случайность и неопределенность

Сегодня принцип неопределенности Гейзенберга считается одним из главных элементов - а возможно, и самым главным элементом - квантовой теории. Его сразу подхватили коллеги ученого, но своего величия он достиг лишь спустя почти десять лет. С 1930-х годов, однако, его величие, вероятно, слегка переоценивается.

Идея родилась после посещения Шрёдингером Копенгагена в сентябре 1926 года, когда он, как известно, заявил Бору о «проклятых квантовых скачках». Гейзенберг понял, что главной причиной, по которой Бор и Шрёдингер порой казались настоящими болванами, заключалась в конфликте концепций. Идеи вроде «положения» и «скорости» (или «спина», который появился позже) просто имели различное значение в мире микрофизики и в обычном мире. Так что они значили, и как можно объединить эти два мира? Гейзенберг вернулся к фундаментальному уравнению квантовой механики:

qp - pq = h/i ,

доказав на его основании, что результат неопределенности в положении (Aq) и импульсе (Ар) должен всегда быть больше, чем h. Тот же самый принцип неопределенности применим к любой паре так называемых сопряженных переменных, которые перемножаются, давая в результате действие, например h. Действие имеет размерность энергия х время, и другой очень важной парой подобных переменных являются энергия (Е) и время (t ). Гейзенберг утверждал, что классические понятия повседневного мира все еще существовали в микромире, но применять их можно было только в ограниченном виде, обусловленном принципом неопределенности. Чем более точно мы знаем положение частицы, тем менее точно мы знаем ее импульс - и наоборот.

Смысл неопределенности

В 1927 году эти поразительные выводы были опубликованы в Zeitschrift fur Physik, однако, хотя теоретики вроде Дирака и Бора, уже знакомые с новыми уравнениями квантовой механики, сразу же осознали их значение, для многих экспериментаторов утверждение Гейзенберга стало стимулом к дальнейшим исследованиям. Они думали, что он подразумевал, будто их эксперименты недостаточно хороши, чтобы измерить одновременно и положение частицы, и ее импульс, а потому старались разработать опыты, которые доказали бы его заблуждение. Однако все было тщетно, поскольку Гейзенберг имел в виду совершенно иное.

Это недопонимание возникает и сегодня - частично из-за того, как зачастую преподается идея о неопределенности. Сам Гейзенберг, выражая мысль, использовал идею о наблюдении за электроном. Мы можем видеть вещи, лишь смотря на них, что требует отражения от них фотонов света, которые затем попадают в наши глаза. Фотон не сильно воздействует на объект вроде дома, поэтому мы не ожидаем, что окажем на дом какое-либо воздействие, если будем смотреть на него. Однако в случае с электроном все обстоит иначе. Во-первых, поскольку электрон невероятно мал, чтобы хотя бы увидеть его, мы вынуждены использовать коротковолновую электромагнитную энергию (с помощью экспериментального оборудования). Такие гамма-лучи обладают очень большой энергией, и любой отражающийся от электрона фотон гамма-излучения, который может быть зарегистрирован нашим экспериментальным оборудованием, значительно изменяет положение и импульс электрона - если электрон находится в атоме, то одно лишь наблюдение за ним с использованием микроскопа на гамма-лучах способно выбить его из атома.

Все это верно и дает общее представление о невозможности точного измерения одновременно и положения электрона, и его импульса. В соответствии с фундаментальным уравнением квантовой механики принцип неопределенности показывает нам, что не существует такого объекта, как электрон, обладающий определенным импульсом и определенным положением.

Это имеет далекоидущие последствия. Как написал Гейзенберг в конце своей статьи в Zeitschrift : «Мы в принципе не можем знать во всех деталях настоящее». Именно здесь квантовая теория отрывается от детерминизма классической физики. С точки зрения Ньютона, было бы возможно предсказать будущее, если бы мы знали положение и импульс каждой частицы во Вселенной. Для современного физика идея о таком точном предсказании бессмысленна, поскольку мы не можем в точности знать и положение, и импульс даже одной частицы. Такой же вывод можно сделать из любой другой версии уравнений - из волновой механики, из матриц Г ейзенберга, Борна и Йордана и чисел q Дирака, - хотя подход Дирака, который тщательно избегает любых физических параллелей с обычным миром, кажется наиболее адекватным. И правда, Дирак едва не открыл принцип неопределенности раньше Гейзенберга. В работе для Proceedings of the Royal Society, опубликованной в декабре 1926 года, он указал, что в квантовой теории невозможно ответить на любой вопрос, который предполагает использование численных значений и q, и р, хотя «ожидается, однако, что возможно ответить на вопросы, в которых численные значения присваиваются либо q, либо р».