После всего, что мы с вами уже обсудили на страницах книги, вполне уместно спросить: хорошо, мы понимаем, что физики поглощены идеей унификации математических принципов, управляющих природными процессами, тем самым отдавая должное вечному стремлению человечества понять Вселенную, – а дальше-то что? Уж конечно, подумаете вы, открытие бозона Хиггса не может иметь никакого непосредственного влияния на нашу реальную жизнь, да и долгожданная теория квантовой гравитации не покончит с бедностью и болезнями. Но так рассуждать неверно. Удовлетворение нашего научного любопытства в рамках фундаментальной науки уже неоднократно приводило к революционным технологическим прорывам. Большинство исследователей, особенно те, кто работает в академической науке, обычно мотивированы не потенциальной возможностью приложения своих результатов. Если обратиться к знаменитым научным открытиям, которые позже принесли большую практическую пользу, вы увидите, что причиной многих из них было исключительно горячее желание исследователей понять наш мир и удовлетворить свою любознательность ученого.
Давайте сравним физику и инженерное проектирование. Будущий инженер-механик или электротехник изучает многие из тех предметов, что и студент-физик: механику Ньютона, электромагнетизм, вычислительную технику и математику, необходимую для решения определенного типа уравнений, которые постоянно применяются в их области. Действительно, многие прикладные физики в конце концов приходят на работу в инженерные отрасли, что еще больше размывает границы между этими двумя сферами деятельности. Однако физики задают вопрос «почему?» или «как?» с целью обнаружить принципы, управляющие природными процессами, а инженер опирается на эти принципы и старается использовать свои знания для того, чтобы улучшить наш мир. И физики, и инженеры решают свои задачи, но мотивы у них различные.
Приведу конкретный пример: блестящее техническое достижение – спутниковые навигационные системы (из них важнейшая за последние десятилетия – американская GPS) отлично демонстрируют роль фундаментальной физики, открытия которой легли в основу технических разработок. Системы GPS стали неотъемлемой частью нашей жизни. Теперь само собой разумеется, что мы не заблудимся в незнакомой местности. Более того, GPS помогла нам увидеть планету сверху и картографировать ее в мельчайших деталях; мы получили возможность наблюдать, как изменяется климат Земли, и прогнозировать естественные явления природы, что помогает нам избежать катастроф. В будущем спутники глобального позиционирования объединятся с системой искусственного интеллекта, что приведет к изменению транспорта, сельского хозяйства и других отраслей. Однако без знаний, полученных на основании фундаментальных физических исследований, создание GPS было бы невозможно. Например, атомные часы на борту спутников, которые нужны для того, чтобы обеспечить точное определение нашего местоположения на Земле, работают только потому, что инженеры поняли, как учесть квантовую природу атомных вибраций наряду с релятивистскими корректировками скорости течения времени, а ведь эти знания следуют из теории Эйнштейна.
Есть множество других примеров того, как на стыке физики и инженерного проектирования возникают новые отрасли, которые позволяют изменять наш мир. Причем инженеры не единственные, с кем физики давно и тесно сотрудничают. Сегодня мы работаем совместно с учеными из самых разнообразных отраслей, таких как медицина, нейробиология, информатика, биоинженерия, геология, экология и космическая наука. А еще физики применяют свое знание логики и математики и навыки решения задач за пределами физической науки в самых разных сферах, от политики до финансов.
Когда физика, химия и биология встречаются друг с другом
В течение всего развития науки наблюдалось пересечение физики и родственной дисциплины – химии. И правда, некоторые величайшие ученые своего времени, включая Майкла Фарадея, занимались обеими науками. И это касается не только химии; значительна роль физики и в развитии, например, биологии. Физики проявляют интерес к широкому спектру биологических проблем; в результате возникла необычайно увлекательная научная область под названием «биофизика». Но является ли биофизика отраслью физики или это частный случай применения физических методов к биологии? И имеет ли это различие какое-либо значение? Если физика в конечном счете лежит в основе химии и химических процессов, а явления, происходящие внутри организма, и сами представляют собой химические процессы, только более сложного уровня, то из этого, безусловно, следует, что и в основе биологии лежит все та же физика. В конце концов, все сущее, живое и неживое, состоит из атомов и подчиняется законам физики.
В попытке найти и сформулировать фундаментальные принципы, управляющие биологическими процессами, физики, как это им свойственно, задались вопросом, что же отличает живое от неживого, учитывая, что и то и другое состоит из одинаковых элементов. Ответ кроется собственно в самой физике: жизнь обладает способностью поддерживать себя в состоянии низкой энтропии, далекой от теплового равновесия, а также сохранять и обрабатывать информацию. Таким образом, создается ощущение, что понимание того, что особенного есть в жизни, должно прийти из фундаментальной физики. Когда я пишу эти слова, я легко представляю себе, как мои коллеги-химики и биологи закатывают глаза от возмущения перед этим свидетельством типичного для физиков чувства собственной значимости. С другой стороны, верно и то, что многие открытия в биологии и генетике принадлежат физикам, включая Лео Силарда, Макса Дельбрюка и Фрэнсиса Крика. В частности, на Крика, который вместе с Джеймсом Уотсоном и Розалиндой Франклин открыл двухспиральную структуру ДНК, оказал большое влияние физик Эрвин Шредингер, замечательная книга которого «Что такое жизнь?», выпущенная в 1944 году, и сейчас весьма актуальна.
С прикладной точки зрения физики активно участвовали в разработке многих технологий, которые применяются для исследования живой материи, начиная с рентгеновской дифракции и кончая МРТ. Даже скромный микроскоп, без которого не смогла бы обойтись ни одна лаборатория, был изобретен в XVII веке после сотен лет исследования природы света и того, как его можно преломлять и фокусировать посредством линз. Причем оба изобретателя, Антуан ван Левенгук и Роберт Гук, использовали микроскоп для изучения живых организмов. И правда, если проанализировать огромный вклад в науку, сделанный Гуком, то обнаружится, что согласно нынешним взглядам он скорее был физиком, чем биологом.
В последние 20 лет мой интерес вызывает одна новейшая область исследования, которая называется квантовой биологией. Как мы уже говорили, вся материя в конечном счете состоит из атомов, а следовательно, на глубинном уровне подчиняется законам квантового мира, как и все остальное во Вселенной. Это, конечно, само собой разумеется. Но квантовая биология скорее касается последних исследований в области теоретической физики, экспериментальной биологии и биохимии, которые заставляют предположить, что некоторые из самых парадоксальных идей квантовой механики, таких как туннелирование, суперпозиция и запутанность, могут играть важную роль в функционировании живой клетки. Для объяснения ключевых результатов экспериментов в области функционирования ферментов или процесса фотосинтеза, по-видимому, требуется обращение к квантовой механике. Для многих ученых это стало огромным сюрпризом; они отказываются верить, что жизненные процессы могут зависеть от таких неуловимых и непредсказуемых факторов, и многие из этих идей все еще подвергаются тщательному анализу. Однако не будем забывать, что у жизни на Земле было почти четыре миллиарда лет, чтобы найти пути развития, дающие ей какие-то преимущества. Если квантовая механика может сделать определенный биохимический процесс или механизм более эффективным, то эволюционная биология им обязательно воспользуется. И это не волшебство, это… ну да, это просто физика.
Квантовая революция продолжается
В XX веке (и в начале XXI столетия) у нас уже нет сомнений в том, что квантовая механика играет огромную роль в нашей жизни, хотя она оперирует масштабами гораздо меньшими, чем могут уловить наши органы чувств. Поскольку она так успешно объясняет явления субатомного мира, эта наука стала основой не только физики и химии, но и современной электроники. Например, понимание квантовых законов, объясняющих, как электроны ведут себя в полупроводниках, заложило основы мира современных технологий. Без полупроводников мы не создали бы транзистор, а позже – микрочип и компьютер. А миниатюрный суперкомпьютер, который мы всюду носим с собой (наш смартфон) и без которого многие чувствуют себя совершенно потерянными, просто набит электронными чудесами, и все это невозможно без квантовой механики. То же относится к давно знакомым нам приборам вроде современных светодиодов и датчиков дыма, ну и, конечно, интернета. И действительно, вся телекоммуникационная промышленность основана на технологическом применении квантовой механики в таких приборах, как лазер и оптический усилитель. И ни одна современная больница не обойдется без МРТ, ПЭТ и КТ, а также лазерной хирургии.
А ведь квантовая революция еще только началась. В ближайшие десятилетия мы увидим море технологических чудес, разработанных на основе современных достижений квантовой физики, таких как умные и топологические материалы. Возьмем графен, например: один-единственный слой атомов углерода с шестиугольной кристаллической структурой. В зависимости от того, какой он формы и что с ним делают, графен работает то как изолятор, то как проводник, а иногда даже как полупроводник.
Более того, последние исследования позволяют предположить, что два слоя графена, развернутые под определенным углом друг к другу, могут при определенных условиях, при низкой температуре и слабом электрическом поле, вести себя как суперпроводник, по которому ток идет практически без всякого сопротивления, – еще один поразительный квантовый феномен. Эта технология, известная как твистроника, как считается, даст толчок развитию целого ряда электронных приборов.
И это еще не все. Сейчас разрабатываются проборы и технологии нового поколения, которые получат широкое распространение еще при нашей жизни, – приборы, которые смогут создавать необычные состояния материи и манипулировать ими неким новым образом за счет применения разных квантовых ухищрений. Успехи в таких областях, как квантовая информационная теория, квантовая оптика и нанотехнологии, позволят создать целый ряд таких приборов. Например, высокоточный квантовый гравиметр позволит регистрировать мельчайшие изменения гравитационного поля Земли, так что геологам будет проще обнаружить залежи полезных ископаемых, а инженерам – точно установить местоположение трубопровода под дорожным полотном: копать не придется! Квантовые камеры, снабженные датчиками, дадут нам возможность увидеть, что находится позади препятствий; квантовая визуализация даст неинтрузивное отображение мозговой деятельности, что позволит лечить, например, деменцию. Квантовая ключевая дистрибуция (ККД) позволит безопасно обмениваться информацией между различными локациями. Квантовые технологии также помогут создать искусственные молекулярные машины, способные выполнять самые разнообразные задачи.
Медицина – прекрасный пример той области, где в ближайшее время будут применены открытия квантового уровня. В масштабах более мелких, чем живая клетка, мы разрабатываем целый ряд потрясающих новых технологий, например, на основе наночастиц с уникальными квантовыми свойствами, которые позволяют им прикрепляться к антителам, чтобы бороться с инфекциями, или дадут возможность «запрограммировать» их на реплицирование только внутри клеток опухолей или даже получать изображения клетки изнутри. Кроме того, квантовые датчики позволят нам производить гораздо более точные измерения и получать изображения отдельных биомолекул. А с помощью квантовых компьютеров, о которых мы поговорим в следующей главе, мы сможем секвенировать ДНК гораздо быстрее, чем теперь, а также решать некоторые задачи, предполагающие использование больших данных, касающихся всех аспектов состояния нашего здоровья, вплоть до молекулярного уровня.
А на самом деле их тысячи – примеров технологических и инженерных прорывов в области коммуникаций, медицины, энергетики, транспорта, визуализации и сенсорных технологий, которые появятся благодаря физике. Однако одна область заслуживает отдельного рассмотрения.
Квантовые компьютеры и наука XXI века
Если вас впечатлила квантовая революция XX века, то что же вы скажете, когда увидите, что нам готовит век XXI? Мы не только получили возможность создать более умные игрушки, которые, как считают некоторые, только усложняют нашу жизнь; они помогут нам решить некоторые важнейшие проблемы человечества и совершенно потрясающе трансформировать наш мир. Одним из самых интересных примеров применения открытий в физике, несомненно, является квантовый компьютер. Он будет совершенно иным, нежели наш обычный компьютер, и позволит решить множество задач, которые сейчас недостижимы даже с помощью самых мощных суперкомпьютеров. Квантовые компьютеры, как ожидается, помогут человечеству совершить прорыв в науке, особенно в паре с искусственным интеллектом.
Квантовые компьютеры используют самые парадоксальные особенности квантового мира. Классическая вычислительная техника основана на том, что информация хранится и обрабатывается в виде битов (обозначающих бинарный код). Один бит информации может иметь два значения: ноль или единицу. Сочетания электронных переключателей, соответствующих биту информации, где каждый или включен, или выключен, используются для создания логических вентилей – строительных блоков логических схем. В отличие от них квантовые компьютеры оперируют так называемыми квантовыми битами, то есть кубитами, которые не ограничены одним из этих бинарных состояний. Кубит может находиться в квантовой суперпозиции, которая включает одновременно и ноль, и единицу и, таким образом, может хранить гораздо больше информации.
Простейшим примером кубита является электрон, квантовый спин которого может быть направлен либо параллельно (верхний спин) либо антипараллельно (нижний спин) приложенному магнитному полю. Если затем дать дополнительный электромагнитный импульс, он превратит спин электрона из параллельного (0) в антипараллельный (1). Однако, поскольку электрон является квантовой частицей, электромагнитный импульс может отправить его в состояние суперпозиции верхнего (0) и нижнего (1) спина одновременно. Два запутанных электрона могут оказаться в суперпозиции четырех возможных состояний одновременно – 00, 01, 10 и 11. Если кубитов много, можно разработать сложнейшую квантовую логику.