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.
|
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
Приблизительно сорок лет назад в глазах птиц были обнаружены так называемые криптохромы (
![]() |
![]() 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
Наличие противоположно заряженных ионов позволяет построить теорию, опирающуюся на наличие молекулярных комплексов, вроде теории фотосинтеза, когда в
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 (
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 (
|
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
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 (
Суть эффекта в следующем. В квантовой механике, как известно, весьма важным является понятие квантового состояния микрообъекта — например, атома. Впервые его использовал Нильс Бор (
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
![]() Чайник, за которым внимательно следят, будет закипать дольше. Как ни странно, именно из-за этого птицы находят дорогу домой. Фото (
|
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 (
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