Ученые доказали воздействие квантовой физики на биохимию

В квантовой механике существует феномен неразличимости — когда две квантовых частицы невозможно отличить друг от друга, даже в принципе. Это происходит отчасти из-за невозможности определить точное положение квантовых частиц. Так что когда две частицы взаимодействуют в одной локации, невозможно понять, кто из них какая.

Благодаря этому феномену возможны лазеры, неразличимость ядер гелия-4 при низкой температуре приводит к сверхпроводимости, а неразличимость других ядер, например, рубидия, приводит к появлению конденсатов Бозе — Эйнштейна.

Однако, некоторые квантовые частицы не являются неразличимыми. Электроны, например, не могут находиться в одном состоянии, следуя принципу запрета Паули. Взаимодействия электронов, управляемые этим принципом, называются химией и также богаты на всевозможные феномены. Однако мир химии и мир неразличимых частиц долго считались полностью отделенными друг от друга. Неразличимость обычно случается при низкой температуре, тогда как химия требует относительно высоких, при которых объекты обычно теряют свои квантовые свойства. В результате химики долгое время с полным правом игнорировали эффекты квантовой неразличимости.

Но сейчас ученые из университета Санта-Барбары Мэтью Фишер и Лео Радзиховски перевернули химию с ног на голову, заявив, что некоторые квантовые свойства сохраняются и при высоких температурах. В частности, они указывают на квантовую когерентность атомных ядер. Физики знают, что спины ядер могут оставаться когерентными в течение минут или даже часов. Считается, что они не оказывают влияния на взаимодействие электронов в химических реакциях. Но это не так, утверждают ученые. Ядерные спины могут легко стать связанными с другими физическими свойствами, например, с тем, как вибрирует молекула. Когда так происходит, свойства неразличимости воздействуют на всю молекулу целиком. Особенно сильный эффект это явление оказывает на маленькие симметричные молекулы, такие как вода или водород.

Это открытие может играть важную роль, например, в ферментативном катализе, поскольку многие ферменты зависят от водорода, или в фракционировании изотопов. Также этот феномен может объяснить повышенную химическую активность реактивных видов кислорода и открывает для спинов ядер возможность воздействовать на биохимические молекулы в целом, пишет MIT Technology Review.

Год назад ученые того же университета обнаружили ранее неизвестную взаимосвязь между квантовой и классической физикой, а точнее, между классическим хаосом и квантовой запутанностью. Таким образом, с помощью квантовых систем можно будет изучать фундаментальные свойства природы.