جيم الخليلي يتحدث عن سبب أهمية علم الأحياء الكمومي: "العائد إذا كان صحيحًا فهو ضخم"

كنت أتحدث على الهاتف مع أستاذ الفيزياء والمؤلف والمقدم التلفزيوني جيم الخليلي لمدة سبع دقائق وثماني ثوانٍ قبل أن أدرك أنني كنت خارج أعماقي بشكل رهيب. كانت هذه مشكلة ، حيث كان لدي 18 دقيقة أخرى للذهاب. ويشرح قائلاً: "إذا رأيت تأثيرًا ناتجًا عن النفق الكمومي واستبدلت الهيدروجين بالديوتيريوم ، فيمكنك تحديد ما إذا كان النفق الكمي هو ما يحدث أم لا حيث سترى التأثير ينخفض ​​عندما تضاعف كتلة الجسيم ".

لا تغلق الصفحة! سيكون كل شيء منطقيًا في الوقت المناسب - هذا هو تخصص الخليلي. بكلماته الخاصة ، يحب أن "يصيب الناس بالصداع" قبل أن يرى الناس يمرون بلحظة إوريكا المصغرة في مجال خبرته المختار: فيزياء الكم.

لذلك دعونا نعود إلى الوراء. يتحدث الخليلي عن علم الأحياء الكمومي: مجال علمي رائع يصعب البحث فيه لأسباب عديدة. قبل المكالمة - مقابلة موجزة قبل حديثه في نيو ساينتست لايف - لقد شاهدت حديثه في TED منذ عامين حول علم الأحياء الكمومي. لقد قمت بتضمين الفيديو أدناه إذا كنت تريد الإيجاز بكلماته الخاصة ، ولكن أهم الأشياء هو هذا: الأشياء المجنونة التي تحدث في المستوى دون الذري - الجسيمات موجود في أكثر من مكان في نفس الوقت (التراكبات) أو القدرة على المرور عبر حاجز لا يمكن اختراقه (النفق الكمي) - يبدو أنه يحدث داخل منطقتنا الخلايا. بعبارة أخرى ، لم يعد الكم أمرًا يدعو الفيزيائيين للقلق بعد الآن: إنه مشكلة علماء الأحياء أيضًا.

لإعطاء ثلاثة أمثلة من الحديث أعلاه ، يبدو أن النفق الكمي يلعب دورًا في طفرات الحمض النووي; الفوتونات اتبع طرقًا متعددة في التمثيل الضوئي مع التماسك الكمي; وحتى يقال أن روبينز يستخدم التشابك الكمي داخل شبكية العين للتنقل، على أساس المجال المغناطيسي للأرض.

لقد عرف الناس أن هذا احتمال لعقود ، لكن التقدم بطيء لعدد من الأسباب: من بينها بشكل رئيسي حقيقة أن تجارب فيزياء الكم معروفة بصعوبة القيام بها. يمكن ، كما يشرح الخليلي ، "تدميرهم بمجرد النظر إليهم" ، وهذا في بيئة يتم التحكم فيها بشكل كبير ، بدون الفوضى الإسفنجية التي تجلبها الخلايا الحية الإجراءات. السؤال الكبير الآن هو فهم كيف يمكن للحياة أن تحافظ على هذه التأثيرات الكمومية للبيولوجيا الجداول الزمنية عندما يكون كل شيء صاخبًا ومضطربًا ودافئًا ومعقدًا داخل خلية حية " يشرح.

"يعمل الفيزيائيون بجد لمحاولة عزل هذه التأثيرات الكمومية ، وإجراء تجاربهم في أ تفريغ عند درجة الصفر ، مع عزل أدواتهم عن البيئة المحيطة ، ولا يزال الأمر كذلك صعبة المنال."

المسألة التالية هي أن هذه الأسئلة كانت بالكامل تقريبًا حكراً على علماء الفيزياء خلال القرن الماضي. إنه يتطلب تعاونًا عبر التخصصات وهو تحدٍ ، على أقل تقدير.

"سيخبرك الفيزيائيون" لماذا تهتم بالمغامرة في عالم الأحياء الفوضوي عندما ، إذا كان الأمر بهذه السهولة ، لكنا قد بنينا حواسيب كمومية الآن؟ يقول الخليلي: "نحن نعمل بجد للسيطرة على كل شيء ، وما زلنا نجد التأثيرات الكمومية خادعة". وسيقول علماء الأحياء "ميكانيكا الكم؟ ليس في مختبري ، يا صديقي شكرًا جزيلاً. "وسيقول الكيميائيون" ما كل هذا العناء؟ كل شيء كمي ، كل شيء كيمياء على أي حال ، ما الذي يثير حماستك؟ "

ويعتقد الخليلي أنها مقاومة علماء الأحياء ، وهي أكبر عائق للتغلب عليها. سوف يقاومونه. سيقولون "لم نضطر لاستخدام فيزياء الكم منذ ولادة علم الوراثة والبيولوجيا الجزيئية ، لا أخبرنا الآن أننا يجب أن نتعلم كل هذا الهراء عن القطط في الصناديق وأي شيء آخر. "لا أستطيع أن أقول إنني ألوم هم.

ويرى الخليلي أن هذا الأمر يستحق القتال من أجله. أو قد لا يكون كذلك - يمكنك إخراج الرجل من فيزياء الكم ، لكن لا يمكنك إخراج فيزياء الكم من الرجل.

لماذا تعتبر بيولوجيا الكم مهمة؟

يقول: "جزء من المشكلة هو أنه حتى أولئك الذين يعملون هنا ليسوا 100٪". "نحن لا نعظ إنجيليًا بأن هذا هو الاختراق الكبير التالي في العلم - قد لا يكون كذلك.

"قد يتحول إلى ذريعة حمراء. لكنها مثيرة للاهتمام ومثيرة بدرجة كافية لدرجة أنه مهما كانت التكهنات ، فإنها تستحق المتابعة - حتى لاستبعادها. بسبب المردود إذا كان هذا صحيحًا فهو كبير ".

كم حجم؟ للخليلي سببان رئيسيان يفسران سبب تكريسه الكثير من حياته لنشر هذه القضية. أولاً ، لأنه يعني أن بعض الإجابات الكبيرة لفيزياء الكم قد تكون حرفياً تحت أنوفنا. "إذا كنا نطور أجهزة استشعار وتقنيات كمومية جديدة - نحاول بناء جهاز كمبيوتر كمي. حسنًا ، إذا حلت الحياة هذه المشكلات ، فربما هناك شيء يمكننا تعلمه سيساعدنا ".

ولكن ربما الأهم من ذلك ، أنه قد يمنحنا نظرة ثاقبة لا يمكن تصورها حتى الآن حول ما يجعل الحياة مميزة: شيء تخميني للغاية بحيث يصعب معرفة إمكاناته النهائية. ويشرح قائلاً: "حتى الآن ، لم نتمكن من إنشاء حياة اصطناعية - الطريقة الوحيدة لصنع الحياة هي من خلال الحياة الأخرى". "ما الذي يميز نظامًا حيًا عن نظام غير حي له نفس التعقيد؟ كيف يحافظ نظام المعيشة على هذا المستوى العالي من النظام للاستمرار؟ "

ولكن إذا كانت تجارب الكم صعبة بما يكفي في معمل الفيزياء ، فكيف تبدأ في معالجة الأشياء باستخدام أدواتنا البيولوجية؟ خذ روبينز المذكورة أعلاه: كيف يمكنك معرفة ما إذا كانت شبكية العين تقوم بالفعل بتفاعلات كمية أم لا؟ يقول الخليلي: "لا أعتقد أنه مستحيل ، لكن علينا أن نكون أكثر إبداعًا". "لا يمكننا معرفة المزيد عن التشابك الكمي عن طريق وضع طائر في المختبر... يمكننا اختبار ما إذا كان الطائر حساسًا للمجال المغناطيسي ، لكننا لا تعلم أي شيء عن كيفية استخدام هذه البوصلة الكيميائية - لذلك ربما يتعين علينا عزل البروتين ودراسته بشكل منفصل خارج طائر. وبالطبع ، يصبح من الصعب جدًا أن نقول بشكل قاطع "نعم ، هذا ما يحدث عندما يكون داخل شبكية عين الطائر".

جعل الجمهور يحب الفيزياء

إذا كان كل هذا يبدو محيرًا: جيد. يجب أن تفعل. الخليلي مغرم بالنقل عن نيلز بور ، والد ميكانيكا الكم الذي قال ذات مرة: "إذا كنت تعتقد أنه يمكنك التحدث عن نظرية الكم دون الشعور بالدوار ، فأنت لم تفهم أول شيء عنها."

لكن الخليلي فيزيائي كمي بالتدريب. سألته كيف وجد أنه يجب أن يدور حول علم الأحياء. يجيب: "تحد". "خلفيتي هي الفيزياء النووية ، لذلك عندما أتحدث عن النفق الكمي ، أفكر في تحلل ألفا ، والنشاط الإشعاعي ألفا ، وجسيمات ألفا التي تخرج نفقا من نواة الذرة. لكن المعادلات هي نفسها ، وستكون هي نفسها في نفق الكم في الحمض النووي.

"لكن كل المناطق المحيطة ، والبنية التحتية ، والبيئات والأرقام التي تضعها ، كل ذلك - الكيمياء الحيوية جديدة تمامًا بالنسبة لي. لقد توصلت إلى استنتاج مفاده أن الكيمياء الحيوية هي أصعب تخصص في العلوم. إنها طبقات فوق طبقة من "هذا ، لأن هذا ، بسبب هذا" - كيف يعمل الإنزيم ، أو عملية التمثيل الضوئي أو التمثيل الغذائي. إنه معقد للغاية ، يجعل ميكانيكا الكم تبدو سهلة بالمقارنة! "

ربما يكون هذا هو بالضبط ما اعتاد الناس على تصوره ، وقد أمضى الخليلي السنوات الـ 25 الماضية في جعل فيزياء الكم (أكثر) مفهومة للجمهور. كيف تمكن من إدارتها؟ ويرجع ذلك جزئيًا إلى الفضول الفكري الطبيعي للأشخاص الذين يسعون وراء محادثاته وظهوره التلفزيوني. "التعليقات التي أحصل عليها هي أن مشاهدي برامجي على بي بي سي فور" يجعلونني أشعر بالذكاء ". إنهم يريدون شيئًا يصعب فهمه ، ويقدر الناس أنهم لن يفهموا كل التفاصيل الدقيقة دون سنوات من الدراسة ، لكن هذا جيد. إنهم يريدون أن يتم تحديهم وأن يمتدوا إلى ما هو أبعد من المعتاد: إنه سحري وغامض ".

يتضمن ذلك أحيانًا إيجاد تشابهات لن تجدها أبدًا في كتاب علمي بالطبع. يقول: "عندما أتحدث عن النفق الكمي ، مع اختفاء الجسيمات في مكان ما والعودة إلى الظهور في مكان آخر ، فإن هذا لا معنى له".

"ولكن إذا قلت أنه مثل الشبح الذي يمكنه المشي عبر جدار صلب ، يبدأ الناس في فهم ذلك. ليس هذا بالضبط ، ولكن هذا ما يحدث بشكل أو بآخر. الجسيم هو أيضًا موجة ، ويمكن للموجة أن تتسرب عبر حواجز لا يمكن اختراقها بطريقة لا يستطيع الجسيم الصلب القيام بها. لذا بدلاً من رمي الكرة على الحائط وعدم قدرتها على الوصول إلى الجانب الآخر ، يمكن لشبح أن يتسرب من خلاله ".

إن العثور على المقارنات التي يتم النقر عليها يشبه إلى حد ما لحظة يوريكا التي قد تحصل عليها في المختبر. "مع جمهور مباشر ، يمكنك أن تقول بلغة الجسد أن شيئًا ما قد أصاب على وتر حساس ، وهذا كل شيء: يصبح جزءًا من مستودع الأسلحة الخاص بي لاستخدامه في الكتابة والمحادثات وعلى التلفزيون."

قد تتطلب الاحتمالات المخفية في الخلايا الحية مجموعة جديدة كاملة من التشبيهات والقواعد لشرحها الشخص العادي ، ولكن ليس هناك شك في أن الخليلي سيستمتع بفرصة ترجمة ما يجري على. على الرغم من أن هذا ينطوي على اكتشافنا خلال حياتنا.

يستمر برنامج New Scientist Live حتى يوم الأحد في مركز ExCeL في لندن. التذاكر متوفرة هنا.