Хронограф
18152229
29162330
310172431
4111825
5121926
6132027
7142128

<декабрь>

Путеводители

Увидеть магнитное поле и улететь

Способность птиц возвращаться домой из дальних странствий — это макроскопическое проявление одного из эффектов квантовой механики

Отправляясь в дальний перелет, птицы собираются в стаи. Теперь уже можно считать доказанным, что ориентируются в пространстве они по силовым линиям геомагнитного поля.
Фото (Creative Commons license): Kris de Curtis

С давних времен птицы удивляли и очаровывали людей. Их способность к полету на протяжении многих столетий вдохновляла тех, кто надеялся научить летать и человека. Но если эта загадка была со временем разрешена, и сейчас уже нет ничего таинственного в механике полета как такового, ничего похожего нельзя сказать о другой загадке, также издавна известной людям. Птицы могут совершать перелеты за тысячи километров, а потом безошибочно возвращаться в исходную точку.

Искусством навигации люди тоже уже овладели. Но для этого им приходится пользоваться довольно сложными инструментами, позволяющими очень точно измерять и время, и положение определенных астрономических объектов. В последние десятилетия навигационные задачи успешно решаются благодаря созданию целой околоземной инфраструктуры радиомаяков. У птиц ничего этого нет. Они ориентируются в пространстве, пользуясь какими-то значительно более простыми средствами. Какими же именно? На этот вопрос пока однозначного ответа нет. Но есть несколько гипотез.

Приблизительно сорок лет назад в глазах птиц были обнаружены так называемые криптохромы (cryptochrome) — белки-флавопротеины, ответственные за восприятие птицами коротковолновой составляющей видимого света, то есть синих и фиолетовых лучей. Соответствующие эксперименты неоднократно показывали, что птицы ориентировались в пространстве в присутствии сине-голубого света и демонстрировали полную дезориентацию в присутствии света больших длин волн. В результате большое распространение получила точка зрения, согласно которой благодаря все тем же криптохромам птицы способны зрительно воспринимать и земное магнитное поле. Хотя как именно это происходит, долго оставалось непонятным.

Хотя голубей никак нельзя считать перелетной птицей, их способность ориентироваться в полете общеизвестна. Фото: Андрей Чупров

Со временем появлялись и другие теории. Например, в 2004 году в клювах голубей были обнаружены небольшие количества минерала магнетита. Было установлено, что в присутствии небольшого магнита способность голубей реагировать на земное магнитное поле снижалась и, как следствие, голуби демонстрировали дезориентацию в пространстве. Несмотря на то, что эта новая гипотеза приобрела некоторых сторонников, гипотезы, основанные на криптохромах, остаются доминирующими. Но работать с ними очень трудно, поскольку их практически невозможно выделить в чистом виде. В этом отношении значительного прогресса удалось добиться исследовательской группе, возглавляемой профессором Питером Хором (Peter Hore) из Оксфордского университета (University of Oxford). Они стали работать с близкими к криптохромам по своим химическим свойствам синтетическими молекулами. Поместив раствор таких молекул в магнитное поле, его одновременно осветили сине-голубым светом. Действие магнитного поля проявилось при этом весьма отчетливо — концентрации положительных и отрицательных ионов в разных частях раствора оказались разными.

Наличие противоположно заряженных ионов позволяет построить теорию, опирающуюся на наличие молекулярных комплексов, вроде теории фотосинтеза, когда в хлорофилле образуются устойчивые ион-радиальные пары. Но в данном случае расчеты показывают, что такие комплексы оказываются очень неустойчивыми: скорость рекомбинации ионов слишком высокая. В какой-то момент казалось, что теория натолкнулась на непреодолимое препятствие. Но не тут-то было: природа предусмотрела надежный механизм замедления взаимного слияния ионов. Причем этот механизм был известен ещё древним грекам.

Стрела и черепаха

Школа элеатов возникла более двух с половиной тысяч лет назад благодаря философу Пармениду (Παρμενίδης, V в. до н.э.), учившему, что движение — это иллюзия. По мнению современного философа Карла Поппера (Sir Karl Popper, 1902–1994), это одна из самых влиятельных и долгоживущих философских идей. Конкурировать с ней способна только прямо противоположная ей идея, что нет ничего, кроме движущихся в пустоте атомов. Влияние Парменида можно увидеть в стремлении физиков всюду отыскивать сохраняющиеся величины (так называемые инварианты), а радикальным выражением его философии можно считать весьма популярный афоризм, что выигрыш одних означает (равный количественно) проигрыш других.

Имя одного из учеников Парменида Зенона Элейского (Ζήνων ο Ελεάτης) известно теперь лучше имени учителя. А все из-за того, что Зенон продемонстрировал невозможность движения при помощи многочисленных парадоксов, к которым приводит само это понятие. Самый известный из них — это парадокс об Ахилле и черепахе. Ахилл гонится за черепахой, но никак не может её догнать, потому что каждый раз времени, необходимого Ахиллу, чтобы поравняться с черепахой, хватает черепахе, чтобы от Ахилла немного удалиться. А раз нет разницы между быстрым движением и медленным — значит, движение и вовсе не более чем иллюзия.

Парадоксы Зенона большинству людей кажутся неуместным умствованием: ну как можно сомневаться, что выпущенная из лука стрела поразит цель! Фото (Creative Commons license): Matt Gibson

Менее известен другой парадокс, получивший название парадокса стрелы. В каждый момент времени, когда бы мы не посмотрели на стрелу, она покоится в определенном месте. Следовательно, она не движется. Весьма примечательно, что этот парадокс в Средние века был более известен и много обсуждался логиками-схоластами. Им казалось интуитивно понятным, что корень проблемы в свойствах континуума: даже если посмотреть на стрелу бесконечное количество раз, множество «взглядов» будет счетным, а количество мест, в которых «побывала» стрела за время своего движения, несчетно. А вот доказать несчетность континуума удалось только в конце XIX века. Созданная стараниями Георга Кантора (Georg Cantor, 1845–1918) и его последователей аналитическая теория множеств окончательно и бесповоротно разрешила все парадоксы Зенона в рамках классической механики.

Как на грех, в начале ХХ века появилась новая, принципиально дискретная, неклассическая физика. В ней парадоксы Зенона обрели достойное место.

Метафизика наблюдения

Подробное описание квантового эффекта Зенона впервые было представлено в 1978 году в статье американских физиков Байдианата Мизры (Baidyanath Misra) и Эннакала Сударшана (Ennakal Chandy George Sudarshan). А на теоретическую возможность такого эффекта указал ещё в конце 1950-х годов советский физик Леонид Халфин.

Суть эффекта в следующем. В квантовой механике, как известно, весьма важным является понятие квантового состояния микрообъекта — например, атома. Впервые его использовал Нильс Бор (Niels Bohr, 1885–1962), постулаты которого ввели в физику представление о «разрешенных состояниях» атома и, соответственно, о «разрешенных значениях» энергии этого атома. Квантовое состояние микрообъекта может быть стабильным, а может быть и метастабильным — с высокой вероятностью перехода из этого состояния в какое-либо иное. Оказалось, что «время жизни» метастабильного квантового состояния находится в прямой зависимости от того, насколько часто мы это состояние измеряем. В этом, собственно, и состоит «квантовый эффект Зенона». Если за нестабильной квантовой частицей вести непрерывное наблюдение (иными словами, бесконечно часто измерять её состояние), то её распад становится невозможным.

Наверное, средневековых схоластов, да и самого Зенона, очень бы порадовало, что в отличие от стрелы, которая пролетает отмеренное расстояние независимо от того, смотрит на нее кто-нибудь или нет, зависимость распада радиоактивного изотопа от условий наблюдений можно проверить экспериментально. В предельном же случае, когда наблюдение осуществляется непрерывно (то есть продукты радиоактивного распада немедленно регистрируются за пределами ядра), распад вообще становится невозможным. Именно это обстоятельство имеют в виду, когда называют квантовый эффект Зенона «эффектом незакипающего чайника». Как пишет в Соросовском образовательном журнале российский физик-теоретик Р. Ведринский, «наблюдения за частицей во внешней области, дающие отрицательный результат, локализуют частицу внутри распадающейся системы, что понижает скорость распада».

Чайник, за которым внимательно следят, будет закипать дольше. Как ни странно, именно из-за этого птицы находят дорогу домой. Фото (Creative Commons license): Chris Kennedy

Итак, в ходе наблюдения установлено, что за пределами радиоактивного ядра продуктов радиоактивного распада нет, и, следовательно, распад не произошел. При этом реального взаимодействия измерительного прибора с возникающей в ходе распада частицей не происходило, и не вполне понятно, как в этом случае процесс измерения мог повлиять на процесс радиоактивного распада. Здесь, однако, явно неприменим привычный нам язык классической физики: в квантовой физике влиять на ход событий могут даже виртуальные взаимодействия частицы с окружающей средой, в каких-либо реальных изменениях в этой среде не проявляющиеся.

Квантовое зрение

О том, что именно квантовый эффект Зенона обеспечивает необходимое время для формирования ион-радикальных пар в глазах птиц, писал в своей статье профессор Янис Коминис (Iannis Kominis) из университета Крита (University of Crete) в Ираклионе. Его идея состоит в следующем. Поскольку входящий в пару радикал электрически нейтрален, его взаимодействие с ионом имеет магнитную природу. В простейшем случае и у радикала, и у иона на внешней орбитали по одному электрону, а вся система может находиться в одном из двух квантовых состояний: в одном спины электронов направлены в противоположные стороны, в другом — параллельны друг другу. Состояния называют соответственно синглетным и триплетным, однако при наличии внешнего магнитного поля (в данном случае магнитного поля Земли), ни то, ни другое не может быть устойчивым. Устойчивым будет так называемое когерентное состояние, являющееся суперпозицией синглетного и триплетного состояний (стоит упомянуть, что впервые такие состояние почти сорок лет назад также описал в своих работах Сударшан). Благодаря формированию ион-радикальных пар в когерентных состояниях и происходит, по мнению профессора Коминиса, визуализация магнитного поля Земли в сетчатке птичьего глаза. Главное, чтобы состояние продержалось достаточно долго.

Рекомбинация ионов, разрушая пару, а вместе с ней и когерентное состояние молекулярного комплекса, осуществляет «выбор» одного из двух квантовых состояний электронов во внешних оболочках — либо триплетного, либо синглетного. В этом смысле процесс рекомбинации эквивалентен процессу измерения. Высокая частота рекомбинаций означает, что измерение осуществляется очень часто, и поэтому, из-за квантового эффекта Зенона, частота рекомбинаций падает, а время жизни квантовой когерентности, наоборот, растет. И магнитному полю Земли хватает времени для того, чтобы сориентировать спины и, в конечном итоге, позволить «проявить себя» на уровне химических реакций. Сам Коминис называет такую ситуацию «противоречащей интуиции». Действительно, разрушая квантовую когерентность, рекомбинация ионов парадоксальным образом повышает в то же время её устойчивость.

Проведенные Коминисом расчеты в рамках его теории позволили объяснить давно известные орнитологам особенности ориентации птиц в пространстве: ошибки при определении направления магнитного поля, а также и повышенную чувствительность «магнитного компаса» птиц в определенном диапазоне интенсивностей магнитного поля. Так, наблюдения за поведением птичьих стай показывают, что ошибка в определении направления магнитного поля в среднем равна 15°. По расчетам же эта ошибка должна составлять 18°, и мы с полным основанием можем, вслед за Янисом Коминисом, говорить об «очень хорошем соответствии с измеренными значениями».

В своей статье профессор Коминис подчеркивает необычность проведенного исследования: вполне макроскопическая способность птиц «чувствовать» магнитное поле определяется эффектом, который, как считалось до сих пор, описывает исключительно поведение микроскопических квантовых объектов. Выполненное греческим физиком исследование делает весьма актуальным ещё один важный вопрос: как и когда птицы «научились» использовать принципы квантовой физики для ориентации в магнитном поле. Приобрели они это «умение» случайно, или оно стало следствием неких неведомых нам эволюционных процессов? Ответить на этот вопрос — задача будущего.

Борис Булюбаш, 26.06.2008

 

Новости партнёров