Отправляясь в далекий перелет, птицы собираются в своры. Сейчас уже можно считать доказанным, что ориентируются в пространстве они по силовым линиям геомагнитного поля.
Фото (Creative Commons license): Kris de Curtis
С давнешних времен птицы поражали и обвораживали людей. Их способность к полету в протяжении многих веков побуждала тех, кто возлагал надежды обучить летать и человека.
Но если эта загадка была с течением времени разрешена, и на данный момент уже нет ничего загадочного в механике полета как такого, ничего схожего нельзя сказать о другой загадке, также давно известной людям. Птицы могут совершать перелеты за тыщи км, а позже безошибочно ворачиваться в начальную точку.
Искусством навигации люди тоже уже обуяли. Но для этого им приходится воспользоваться достаточно сложными инструментами, позволяющими с ювелирной точностью определять и время, и положение определенных астрономических объектов. В последние десятилетия навигационные задачки удачно решаются благодаря созданию целой околоземной инфраструктуры радиомаяков. У птиц ничего этого нет. Они ориентируются в пространстве, пользуясь какими-то существенно более ординарными средствами. Какими же конкретно? На этот вопрос пока конкретного ответа нет. Но есть несколько гипотез.
Примерно 40 годов назад в очах птиц были обнаружены так именуемые криптохромы (cryptochrome) — белки-флавопротеины, ответственные за восприятие птицами коротковолновой составляющей видимого света, другими словами голубых и фиолетовых лучей. Надлежащие опыты не один раз демонстрировали, что птицы ориентировались в пространстве в присутствии сине-голубого света и показывали полную дезориентацию в присутствии света огромных длин волн. В итоге огромное распространение получила точка зрения, согласно которой благодаря все этим же криптохромам птицы способны визуально принимать и земное магнитное поле. Хотя как конкретно это происходит, длительно оставалось непонятным.
Хотя голубей никак нельзя считать перелетной птицей, их способность ориентироваться в полете общеизвестна. Фото: Андрей Чупров
С течением времени появлялись и другие теории. К примеру, в 2004 году в клювах голубей были обнаружены маленькие количества минерала магнетита. Было установлено, что в присутствии маленького магнита способность голубей реагировать на земное магнитное поле понижалась и, как следствие, голуби показывали дезориентацию в пространстве. Невзирая на то, что эта новенькая догадка заполучила неких приверженцев, догадки, основанные на криптохромах, остаются доминирующими. Но работать с ними очень тяжело, так как их фактически нереально выделить в чистом виде. Тут значимого прогресса удалось достигнуть исследовательской группе, возглавляемой доктором Питером Хором (Peter Hore) из Оксфордского института (University of Oxford). Они стали работать с близкими к криптохромам по своим хим свойствам синтетическими молекулами. Поместив раствор таких молекул в магнитное поле, его сразу осветили сине-голубым светом. Действие магнитного поля проявилось при всем этом очень ясно — концентрации положительных и отрицательно заряженных ионов в различных частях раствора оказались различными.
Наличие обратно заряженных ионов позволяет выстроить теорию, опирающуюся на наличие молекулярных комплексов, вроде теории фотосинтеза, когда в хлорофилле образуются устойчивые ион-радиальные пары. Но в этом случае расчеты демонстрируют, что такие комплексы оказываются очень неуравновешенными: скорость рекомбинации ионов очень высочайшая. В некий момент казалось, что теория наткнулась на неодолимое препятствие. Но не тут-то было: природа предугадала надежный механизм замедления обоюдного слияния ионов. При этом этот механизм был известен ещё старым грекам.
Стрела и черепаха
Школа элеатов появилась более 2-ух с половиной тыщ годов назад благодаря философу Пармениду (Παρμενίδης, V в. до н.э.), учившему, что движение — это иллюзия. По воззрению современного философа Карла Поппера (Sir Karl Popper, 1902–1994), это одна из самых влиятельных и долгоживущих философских мыслях. Соперничать с ней способна только прямо обратная ей мысль, что нет ничего, не считая передвигающихся в пустоте атомов. Воздействие Парменида можно узреть в стремлении физиков везде искать сохраняющиеся величины (так именуемые инварианты), а конструктивным выражением его философии можно считать очень пользующийся популярностью афоризм, что выигрыш одних значит (равный количественно) проигрыш других.
Имя 1-го из учеников Парменида Зенона Элейского (Ζήνων ο Ελεάτης) понятно сейчас лучше имени учителя. А все из-за того, что Зенон показал невозможность движения с помощью бессчетных парадоксов, к которым приводит само это понятие. Самый узнаваемый из их — это феномен об Ахилле и черепахе. Ахилл гонится за черепахой, но никак не может её догнать, так как всякий раз времени, нужного Ахиллу, чтоб поравняться с черепахой, хватает черепахе, чтоб от Ахилла малость удалиться. А раз нет различия меж резвым движением и неспешным — означает, движение и совсем менее чем иллюзия.
Парадоксы Зенона большинству людей кажутся неприемлимым умствованием: ну как можно колебаться, что выпущенная из лука стрела поразит цель! Фото (Creative Commons license): Matt Gibson
Наименее известен другой феномен, получивший заглавие феномена стрелы. В каждый момент времени, когда бы мы не поглядели на стрелу, она лежит в определенном месте. Как следует, она не движется. Очень броско, что этот феномен в Средние века был более известен и много дискуссировался логиками-схоластами. Им казалось интуитивно понятным, что корень трудности в свойствах континуума: даже если поглядеть на стрелу нескончаемое количество раз, огромное количество «взглядов» будет счетным, а количество мест, в каких «побывала» стрела за время собственного движения, несчетно. А вот обосновать несчетность континуума удалось исключительно в конце XIX века. Сделанная стараниями Георга Кантора (Georg Cantor, 1845–1918) и его последователей аналитическая теория множеств совсем и окончательно разрешила все парадоксы Зенона в рамках традиционной механики.
Как на грех, сначала ХХ века появилась новенькая, принципно дискретная, неклассическая физика. В ней парадоксы Зенона обрели достойное место.
Метафизика наблюдения
Подробное описание квантового эффекта Зенона в первый раз было представлено в 1978 году в статье американских физиков Байдианата Мизры (Baidyanath Misra) и Эннакала Сударшана (Ennakal Chandy George Sudarshan). А на теоретическую возможность такового эффекта указал ещё в конце 1950-х годов русский физик Леонид Халфин.
Сущность эффекта в последующем. В квантовой механике, как понятно, очень принципиальным является понятие квантового состояния микрообъекта — к примеру, атома. В первый раз его использовал Нильс Бор (Niels Bohr, 1885–1962), постулаты которого ввели в физику представление о «разрешенных состояниях» атома и, соответственно, о «разрешенных значениях» энергии этого атома. Квантовое состояние микрообъекта может быть размеренным, а может быть и метастабильным — с высочайшей вероятностью перехода из этого состояния в какое-либо другое. Оказалось, что «время жизни» метастабильного квантового состояния находится в прямой зависимости от того, как нередко мы это состояние измеряем. В этом, фактически, и состоит «квантовый эффект Зенона». Если за нестабильной квантовой частичкой вести непрерывное наблюдение (другими словами, нескончаемо нередко определять её состояние), то её распад становится неосуществимым.
Наверняка, средневековых схоластов, ну и самого Зенона, очень бы порадовало, что в отличие от стрелы, которая пролетает отмеренное расстояние независимо от того, глядит на нее кто-либо либо нет, зависимость распада радиоактивного изотопа от критерий наблюдений можно проверить экспериментально. В предельном же случае, когда наблюдение осуществляется безпрерывно (другими словами продукты радиоактивного распада немедля регистрируются за пределами ядра), распад вообщем становится неосуществимым. Конкретно это событие имеют в виду, когда именуют квантовый эффект Зенона «эффектом незакипающего чайника». Как пишет в Соросовском образовательном журнальчике русский физик-теоретик Р. Ведринский, «наблюдения за частичкой во наружной области, дающие плохой результат, локализуют частичку снутри распадающейся системы, что понижает скорость распада».
Чайник, за которым пристально смотрят, будет закипать подольше. Как ни удивительно, конкретно из-за этого птицы находят дорогу домой. Фото (Creative Commons license): Chris Kennedy
Итак, в процессе наблюдения установлено, что за пределами радиоактивного ядра товаров радиоактивного распада нет, и, как следует, распад не произошел. При всем этом реального взаимодействия измерительного прибора с возникающей в процессе распада частичкой не происходило, и не полностью понятно, как в данном случае процесс измерения мог воздействовать на процесс радиоактивного распада. Тут, но, очевидно неприменим обычный нам язык традиционной физики: в квантовой физике оказывать влияние на ход событий могут даже виртуальные взаимодействия частички с окружающей средой, в каких-то реальных конфигурациях в этой среде не проявляющиеся.
Квантовое зрение
О том, что конкретно квантовый эффект Зенона обеспечивает нужное время для формирования ион-радикальных пар в очах птиц, писал в собственной статье доктор Янис Коминис (Iannis Kominis) из института Крита (University of Crete) в Ираклионе. Его мысль состоит в последующем. Так как входящий в пару радикал электрически нейтрален, его взаимодействие с ионом имеет магнитную природу. В простом случае и у радикала, и у иона на наружной орбитали по одному электрону, а вся система может находиться в одном из 2-ух квантовых состояний: в одном спины электронов ориентированы в обратные стороны, в другом — параллельны друг дружке. Состояния именуют соответственно синглетным и триплетным, но при наличии наружного магнитного поля (в этом случае магнитного поля Земли), ни то, ни другое не может быть устойчивым. Устойчивым будет так называемое когерентное состояние, являющееся суперпозицией синглетного и триплетного состояний (стоит упомянуть, что в первый раз такие состояние практически 40 годов назад также обрисовал в собственных работах Сударшан). Благодаря формированию ион-радикальных пар в когерентных состояниях и происходит, по воззрению доктора Коминиса, визуализация магнитного поля Земли в сетчатке птичьего глаза. Главное, чтоб состояние выдержало довольно длительно.
Рекомбинация ионов, разрушая пару, а совместно с ней и когерентное состояние молекулярного комплекса, производит «выбор» 1-го из 2-ух квантовых состояний электронов во наружных оболочках — или триплетного, или синглетного. В этом смысле процесс рекомбинации эквивалентен процессу измерения. Высочайшая частота рекомбинаций значит, что измерение осуществляется очень нередко, и потому, из-за квантового эффекта Зенона, частота рекомбинаций падает, а время жизни квантовой когерентности, напротив, вырастает. И магнитному полю Земли хватает времени для того, чтоб сориентировать спины и, в итоге, позволить «проявить себя» на уровне хим реакций. Сам Коминис именует такую ситуацию «противоречащей интуиции». Вправду, разрушая квантовую когерентность, рекомбинация ионов феноминальным образом увеличивает в то же время её устойчивость.
Проведенные Коминисом расчеты в рамках его теории позволили разъяснить издавна известные орнитологам особенности ориентации птиц в пространстве: ошибки при определении направления магнитного поля, также и завышенную чувствительность «магнитного компаса» птиц в определенном спектре интенсивностей магнитного поля. Так, наблюдения за поведением птичьих свор демонстрируют, 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, прямо за Янисом Коминисом, гласить об «очень неплохом согласовании с измеренными значениями».
В собственной статье доктор Коминис подчеркивает необычность проведенного исследования: полностью макроскопическая способность птиц «чувствовать» магнитное поле определяется эффектом, который, как числилось до сего времени, обрисовывает только поведение микроскопичных квантовых объектов. Выполненное греческим физиком исследование делает очень животрепещущим ещё один принципиальный вопрос: как и когда птицы «научились» использовать принципы квантовой физики для ориентации в магнитном поле. Заполучили они это «умение» случаем, либо оно стало следствием некоторых неизвестных нам эволюционных процессов? Ответить на этот вопрос — задачка грядущего.
Борис Булюбаш
