Крилатите господари на квантовата механика

Денят е 23 февруари 1942 г. Последната надежда на четирима пилоти от Британските военновъздушни сили да оцелеят след падането на бомбардировача им в Северно море е поверена на пощенски гълъб на име Уинки. Не се знаело дали тя изобщо ще може да се справи с 200-километровия полет до дома, но въпреки покритите й с масло криле и ужаса от катастрофата Уинки стига до стопанина си няколко часа по-късно. Военните са уведомени моментално. Те успяват да изчислят позицията на падналия самолет, използвайки времевата разлика между загубата на връзка с бомбардировача и пристигането на Уинки, взимайки под внимание и силата на вятъра и количеството масло върху перата на птицата, причинило й известно забавяне.

Автор: Вирджиния Кирова

Четиримата пилоти са спасени. Уинки получава медал за заслуги към Британската армия. Голе­мият въпрос обаче е как изобщо е успяла да се прибере у дома, когато не е знаела къде се намира? 74 години по-късно вече имаме отговор. Или поне научно защитима теория. Птиците са усвоили до съвършенство похватите на квантовата механика.

През 1943–1949 г. 32 гълъба получават медали за заслуги към Британската армия

Хипотетично-физично

Даниел Нитинг, изследовател от Департамента по химия в Оксфорд, и неговият екип са последните, изследващи т.нар. птичи компас, измъчвал съзнанията на хиляди биолози досега. Според Нитинг птиците разпознават пътя си, уповавайки се на физичен феномен, който бащата на квантовата теория Ървин Шрьодингер през 1935 г. нарича „квантово свързване“. При него два електрона, създадени по едно и също време, се заплитат един в друг и каквото се случва на единия електрон, се отразява и на другия. Единственият начин, по който хората могат да разпознаят свързването между двата електрона, е да се опитат да ги измерят. Това предизвиква едновременно въртене в тях и позволява разпознаването им.

Фотохимичен процес предизвиква изграждането на виртуална карта на земното магнитно поле

Нитинг нарича тези електрони „двойки радикали“ и основава изследването си на характеристиката за перманентното им свързване дори когато са отделени на огромно разстояние един от друг. Птиците навигират, като разпознават автоматично тази квантова връзка. Процесът се извършва чрез предизвикана от светлинна интеракция химична реакция в окото на птицата. Taм светлината възбужда два електрона в молекула, премествайки един от електроните на друга молекула, без да прекъсва връзката между тях. Магнитното поле на Земята тогава започва въздействието си върху равнението на въртене на електроните. Това съответно довежда до промяна в химичните свойства на молекулите. Физици от цял свят спекулират, че тази реакция оставя вариращи по концентрация химикали в окото, вероятно изграждащи „виртуална“ карта на планетарното магнитно поле пред погледа на птиците, позволяваща им да се ориентират безпроблемно.

Ключовият криптохром

Идеята за „птичия компас“ е представена за първи път от Клаус Шултен през 1978 г. Тогава той изразява предположението, че за изграждането на виртуална карта на планетарното магнитно поле на птиците им е нужна синя и зелена светлина за предизвикване на светлинната реакция. През 2000 г. той доказва твърдението си с изследване върху намиращия се в птичата ретина протеин, наречен криптохром, благодарение на който се осъществява нужната фотохимия.

Теорията обаче продължава да среща скептицизъм. Криптохромът доказва единствено че птиците вероятно имат способите да се възползват от принципите на квантовата механика за навигация. Не е изяснено дали те реално изграждат виртуална карта на магнитното поле, как изглежда тя и на какъв принцип боравят с нея? Каква трябва да е силата на магнитното поле, за да бъде засечено то от крилатите създания? И колко отдалечени могат да бъдат електроните от двойката радикали, преди разчитането на въртенето им да стане невъзможно? В търсене на тези отговори се впускат Торстен Риц и Волфганг и Росвита Вилтшко.

Квантовата червеношийка

Експериментът на Риц и съпрузите Вилтшко представлява диагностичен тест за нивото на участие на квантово свързани електрони в разчитането на магнитно поле. За целта те поставят група червеношийки в клетка и ги прекарват през времево-зависими магнитни полета, за да проверят дали способността им да разчитат планетарното магнитно поле може да бъде нарушена. Идеята се появява, след като предишен експеримент на екипа разкрива, че „танцът“ между два заплетени електрона може да бъде нарушен чрез поставяне на трептящо в подходяща радио­честота магнитно поле.

Риц и колегите му откриват, че когато червеношийките са поставени в радиочестотно магнитно поле, трептящо на честота 1.3 MHz (около 3 хил. пъти по-слабо от честотата на планетарното магнитно поле), те губят способността да се ориентират по магнетизма. Причината е, че на двойките радикали им е нужно време, за да започнат интер­акция с магнитното поле. Колкото по-слабо е полето, толкова повече време е нужно за постигането на нужния ефект.

В търсене на крилати отговори

Защо е нужно да знаем кога птиците не могат да използват естествения си компас? Защото, ако той наистина се гради на базата на квантовата връзка между двойка електрони и способност­та за разчитане на въртенето им се губи при трептене на полето с честота 1.3 MHZ, то използването на тези знания в изграждането на квантово-базирани компют­ри например ще доведе до бум в развитието на квантовата механика изобщо. Ще знаем къде са границите на възможностите на квантово-свързаните частици, засичането им ще стане в пъти по-лесно и ще подобрим собствените си методи за навигация и разбиране на земния магнетизъм.

Това отражение върху модерната квантова теория вече се вижда. Хипотезата е основен пример за фундаментален квантово-биологичен процес, който не може да се проява чрез традиционно приетия химически механизъм, какъвто виждаме при термалната енергия например. Навигация­та по магнитно поле чрез засичане на двойки радикали ще е в основата на развиващото се в момента научно поле, наречено квантова биология.