Sedem minút a osem sekúnd som telefonoval s profesorom fyziky, autorom a televíznym moderátorom Jimom Al-Khalilim, kým som si uvedomil, že som strašne mimo. To bol problém, keďže som mal do konca ešte 18 minút. „Ak teda uvidíte efekt, ktorý je spôsobený kvantovým tunelovaním a nahradíte vodík deutériom,“ vysvetľuje, „môžete určiť či kvantové tunelovanie je to, čo sa deje alebo nie, ako uvidíte, že efekt klesá, keď zdvojnásobíte hmotnosť častica.”
Nezatvárajte stránku! Časom to všetko dá zmysel – to je špecialita Al-Khalili. Podľa vlastných slov rád „rozbolí ľudí hlava“ predtým, ako uvidí, že ľudia majú mini-heuréku v oblasti jeho vybranej odbornosti: kvantovej fyziky.
Vráťme sa teda. Al-Khalili hovorí o kvantovej biológii: fascinujúcej oblasti vedy, ktorú je z nespočetných dôvodov ťažké skúmať. Pred hovorom – krátky rozhovor pred jeho prednáškou na adrese Nový vedec naživo – Sledoval som jeho TED Talk spred dvoch rokov o kvantovej biológii. Vložil som video nižšie, ak chcete brífing jeho vlastnými slovami, ale hlavným cieľom vecí je toto: šialené veci, ktoré sa dejú na subatomárnej úrovni – častice existujúci na viacerých miestach súčasne (superpozície) alebo schopnosť prejsť cez nepreniknuteľnú bariéru (kvantové tunelovanie) – zdá sa, že sa odohráva v našom bunky. Inými slovami, kvantum už nie je len niečo, o čo by sa fyzici mali starať: je to aj problém biológov.
Aby som uviedol tri príklady z vyššie uvedenej prednášky, Zdá sa, že kvantové tunelovanie hrá úlohu v mutáciách DNA; fotóny sledovať viacero ciest fotosyntézy s kvantovou koherenciou; a dokonca hovorí sa, že červienky používajú na navigáciu kvantové zapletenie v sietnicina základe magnetického poľa Zeme.
„Al-Khaliliho tvrdenie je, že za to stojí za to bojovať. Alebo to tak nemusí byť – môžete človeka vyňať z kvantovej fyziky, ale kvantovú fyziku vyňať z človeka.“
Ľudia vedia, že je to možnosť už desaťročia, ale pokrok je pomalý z niekoľkých dôvodov: medzi nimi je najmä skutočnosť, že experimenty s kvantovou fyzikou sú notoricky náročné. Môžu byť, ako vysvetľuje Al-Khalili, „zničené jednoducho tým, že sa na ne pozrieme“, a to je v ohromne kontrolované prostredie, bez šmrncovného neporiadku, ktorý živé bunky prinášajú konania. „Veľkou otázkou je teraz pochopiť, ako si život môže zachovať tieto kvantové efekty pre biologické časové mierky, keď je všetko v živej bunke také hlučné a turbulentné, teplé a zložité,“ povedal vysvetľuje.
"Fyzici veľmi tvrdo pracujú na tom, aby sa pokúsili izolovať tieto kvantové efekty, pričom robia svoje experimenty v a vákuum pri nula stupňoch, čím izolujú svoje prístroje od okolia, a stále je to celkom dosť nepolapiteľný.“
Ďalším problémom je, že tieto otázky boli v minulom storočí takmer výlučne výhradou fyzikov. Vyžaduje si to spoluprácu naprieč disciplínami, čo je prinajmenšom výzva.
„Fyzici vám povedia, prečo sa púšťať do chaotického sveta biológie, keď keby to bolo také jednoduché, už by sme postavili kvantové počítače? Naozaj tvrdo pracujeme na kontrole všetkého a stále považujeme kvantové efekty za iluzívne,“ hovorí Al-Khalili. „A biológovia povedia ‚kvantová mechanika? Nie v mojom laboratóriu, kámo, ďakujem ti veľmi pekne.‘ A chemici povedia ‚Čo je tu ten rozruch? Všetko je kvantum, všetko je aj tak chémia, čo ťa vzrušuje?‘“
Je to však odpor biológov, ktorý je najväčšou prekážkou, ktorú treba prekonať, počíta Al-Khalili. "Budú sa tomu brániť. Povedia, že sme nemuseli používať kvantovú fyziku od zrodu genetiky a molekulárnej biológie, nie povedz nám, že sa musíme naučiť všetky tie nezmysly o mačkách v škatuliach a podobne.“ Nemôžem povedať, že by som ich.
Al-Khalili tvrdí, že za to stojí za to bojovať. Alebo to tak nemusí byť – môžete človeka vyňať z kvantovej fyziky, ale kvantovú fyziku vyňať z človeka.
Prečo záleží na kvantovej biológii?
„Časť problému je v tom, že ani tí z nás, ktorí tu pracujú, nie sú 100 %,“ hovorí. „Evanjelicky nekážeme, že toto je ďalší veľký prelom vo vede – možno nie.
"Mohol by sa z toho stať červený sleď." Ale je to dosť zaujímavé a vzrušujúce, že akokoľvek špekulatívne by to mohlo byť, stojí za to pokračovať – dokonca to vylúčiť. Kvôli odplate, ak je to pravda, je veľká."
Ako veľký? Al-Khalili má dva hlavné dôvody, prečo zasvätil toľko svojho života popularizácii tejto veci. Po prvé, pretože to znamená, že niektoré z veľkých odpovedí kvantovej fyziky môžeme mať takmer doslova pod nosom. „Ak vyvíjame senzory a nové kvantové technológie – pokúšame sa postaviť kvantový počítač. No, ak život vyriešil tieto problémy, možno je tu niečo, čo sa môžeme naučiť, čo nám pomôže.“
Ale možno ešte dôležitejšie je, že nám môže poskytnúť doteraz nepredstaviteľný pohľad na to, čo robí život výnimočným: niečo také špekulatívne, že je ťažké poznať jeho konečný potenciál. "Zatiaľ sme neboli schopní vytvoriť umelý život - jediný spôsob, ako vytvoriť život, je cez iný život," vysvetľuje. „Čo odlišuje živý systém od neživého systému rovnakej zložitosti? Ako si živý systém udržiava túto vysokú úroveň poriadku, aby mohol pokračovať?"
Ale ak sú kvantové experimenty vo fyzikálnom laboratóriu dostatočne náročné, ako začať riešiť veci pomocou našich biologických nástrojov? Vezmite si vyššie spomenuté červienky: ako môžete zistiť, či sietnica skutočne vykonáva kvantové reakcie alebo nie? "Nemyslím si, že je to nemožné, ale musíme byť nápaditejší," hovorí Al-Khalili. "Nemôžeme sa dozvedieť viac o kvantovom prepletení umiestnením vtáka do laboratória... môžeme otestovať, či je vták citlivý na magnetické pole, ale nie dozvedieť sa niečo o tom, ako používa tento chemický kompas – na to by sme pravdepodobne museli izolovať proteín a študovať ho oddelene mimo vták. A samozrejme, potom je oveľa ťažšie povedať definitívne ‚áno, toto sa deje, keď je to vo vnútri sietnice vtáka‘.“
Aby verejnosť milovala fyziku
Ak sa toto všetko zdá mätúce: dobre. Malo by to stačiť. Al-Khalili rád cituje Nielsa Bohra, otca kvantovej mechaniky kto raz povedal: "Ak si myslíte, že môžete hovoriť o kvantovej teórii bez toho, aby sa vám točila hlava, nepochopili ste na nej prvú vec."
Ale Al-Khalili je vzdelaním kvantový fyzik. Pýtam sa, ako zistil, že sa musí zaoberať biológiou. „Výzva,“ odpovedá. „Mojím pozadím je jadrová fyzika, takže keď hovorím o kvantovom tunelovaní, myslím na alfa rozpad, alfa rádioaktivitu, alfa častice tunelujúce z atómového jadra. Ale rovnice sú rovnaké a budú rovnaké pre kvantové tunelovanie v DNA.
„Ale všetko to okolie, infraštruktúra, prostredia, čísla, ktoré ste zadali, to všetko – biochémia je pre mňa úplne nová. Dospel som k záveru, že biochémia je najťažšia vedecká disciplína. Je to vrstva za vrstvou „toto, pretože toto, preto“ – ako funguje enzým alebo proces fotosyntézy alebo metabolizmu. Je to také zložité, že kvantová mechanika vyzerá v porovnaní s tým jednoducho!“
"Dospel som k záveru, že biochémia je najťažšia disciplína vo vede."
Pravdepodobne je to presne to, na čo sú ľudia zvyknutí, a Al-Khalili strávil posledných 25 rokov tým, že kvantovú fyziku (väčšie) sprístupnil verejnosti. Ako sa mu to podarilo? Čiastočne to pripisuje prirodzenej intelektuálnej zvedavosti ľudí, ktorí vyhľadávajú jeho rozhovory a televízne vystúpenia. „Spätná väzba, ktorú dostávam, je, že diváci mojich programov na BBC Four budú mať pocit, že som múdry. Chcú niečo ťažko pochopiteľné a ľudia oceňujú, že bez rokov štúdia nepochopia všetky jemnosti, ale to je v poriadku. Chcú byť vyzvaní a natiahnutí za hranice všednosti: je to magické a tajomné.“
Niekedy to samozrejme znamená nájsť analógie, ktoré by ste vo vedeckej učebnici nikdy nenašli. "Keď hovorím o kvantovom tunelovaní, keď častice miznú na jednom mieste a znova sa objavujú niekde inde, nedáva to zmysel," hovorí.
„Ale ak poviem, že je to ako fantóm, ktorý dokáže prejsť cez pevnú stenu, ľudia to začnú chápať. Nie je to presne tak, ale viac-menej sa to deje. Častica je tiež vlna a vlna môže unikať cez nepreniknuteľné bariéry tak, ako pevná častica nemôže. Takže podobne ako keď hádžete loptičku na stenu a tá sa nikdy nedokáže dostať na druhú stranu, môže cez ňu preniknúť duch.“
Pozri súvisiace
Hľadanie analógií, ktoré kliknú, je niečo ako moment Eureka, ktorý môžete získať v laboratóriu. "Pri živom publiku môžete rečou tela povedať, že niečo zasiahlo strunu, a to je všetko: stáva sa súčasťou mojej zbrojnice, ktorú môžem použiť pri písaní, rozhovoroch a v televízii."
Možnosti skryté v živých bunkách si môžu vyžadovať úplne nový súbor analógií a pravidiel na vysvetlenie laik, ale niet pochýb o tom, že Al-Khalili by si užíval príležitosť preložiť, čo sa deje na. Aj keď to znamená, že to zistíme počas nášho života.
New Scientist Live potrvá do nedele v ExCeL Centre v Londýne. Vstupenky sú dostupné tu.
