Как птицы видят линии магнитного поля Земли

Перелетные птицы посрамили физиков

Недавно немецкие ученые выяснили, что птицам под силу то, что не могут уже много лет сделать все выдающиеся физики мира. Нет, мы говорим вовсе не о полете. Пернатые, оказывается, могут достаточно долго удерживать электроны своих фоторецепторов в состоянии квантовой запутанности. И эта способность позволяет им видеть линии магнитного поля Земли.

Фото:

До сих пор наука знала только одно животное, способное вести себя в соответствии с законами квантовой механики — и то, честно говоря, оно было вымышленное. Я думаю, вы сразу поняли, что речь идет о многострадальном коте Шредингера, который уже более полувека является и мертвым, и живым одновременно. Выдающийся австрийский физик Эрвин Шредингер придумал этот забавный эксперимент с котом еще в 1935 году — и, по счастью, с тех пор никто не осуществил его на практике.

Вот как описывал эксперимент сам ученый: "Некий кот заперт в стальной камере вместе со следующей адской машиной (которая должна быть защищена от прямого вмешательства кота): внутри счетчика Гейгера находится крохотное количество радиоактивного вещества, столь небольшое, что в течение часа может распасться только один атом, но с такой же вероятностью может и не распасться; если же это случится, считывающая трубка разряжается и срабатывает реле, спускающее молот, который разбивает колбочку с синильной кислотой.

Если на час предоставить всю эту систему самой себе, то можно сказать, что кот будет жив по истечении этого времени, коль скоро распада атома не произойдет. Первый же распад атома отравил бы кота. Пси-функция (то есть волновая функция, описывающая состояние частицы в конкретный момент времени. — Ред.) системы в целом будет выражать это, смешивая в себе или размазывая живого и мертвого кота (простите за выражение) в равных долях".

Если выполнить этот эксперимент, то получается, что до тех пор, пока наблюдатель не откроет крышку, он не сможет с уверенностью сказать, является этот несчастный кот живым или мертвым. То есть приходится признать, что до вскрытия камеры кот является как бы живым и мертвым одновременно. Следует заметить, что Эрвин Шредингер придумал этот эксперимент вовсе не для того, чтобы замучить кота (он сам любил кошек), а для того, чтобы наглядно показать невозможность описания сразу всех состояний частицы в конкретный момент времени — для того, чтобы описать одно состояние, нужно пожертвовать описанием другого (то есть открыть камеру).

Тем не менее, ученые долгое время считали, что особенности взаимодействия частиц, описываемые квантовой механикой, непосредственно живые существа ощущать не могут. Все-таки эти взаимодействия характерны для очень мелких объектов — по сравнению с ними даже малюсенький вирус покажется настоящим великаном. А все животные, растения и прочие обитатели нашего мира испытывают на себе лишь взаимодействия материальных объектов, описываемые классической ньютоновской физикой.

Однако недавно немецкие ученые доказали, что это не так. Профессор Захари Уолтерс из Института физики сложных систем общества Макса Планка (Германия) и его коллеги утверждают, что птицы способны воспринимать квантовые взаимодействия частиц. И, более того, им это жизненно необходимо — иначе они не смогут ориентироваться при дальних перелетах.

Интересно, что каждый раз при приближении осени и, соответственно, времени птичьих перелетов ученые вновь возвращаются к одному и тому же вопросу — каким образом они ориентируются в пространстве, преодолевая большие расстояния? Два года назад совместные исследования американских и немецких биофизиков доказали, что пернатые путешественники способны видеть линии магнитного поля Земли. Соответственно, ориентируясь на их наклон, они понимают, на какой именно широте находятся(ибоэтотсамыйнаклонзависитименноотшироты).

Однако все-таки, каким образом птицы их могут видеть? На этот счет высказывались разные гипотезы, но ни одна из них не была принята безоговорочно — всегда находилось что-то, что разрушало стройную картину теоретических построений. Поэтому поиски продолжались, и за это время было представлено множество версий, некоторые из которых поражают своей оригинальностью.

Именно таковым и является объяснение группы Уолтерса. Ученые считают, что все дело тут в состоянии квантовой запутанности (о том, что это такое, читайте в статье "Ученые на пикосекунду "запутали" алмаз"), характерной для пары электронов молекулы фоторецептора птичьего глаза. Дело в том, что свет, взаимодействующий с теми самыми фоточувствительными рецепторами в глазу птиц, приводит к появлению двух молекул с неспаренными электронами. И вот что интересно — спины этих электронов связаны между собой квантовой запутанностью.

В то же время, давно известно, что если взаимное расположение спинов подвержено влиянию земного магнитного поля, эта пара неспаренных электронов может вызвать химические изменения в птичьем глазу. И эти изменения птица может ощутить, то есть увидеть вышеупомянутые линии. Сложность состояла лишь в том, что долгое время ученые считали, что пернатые путешественники смогут сделать это лишь тогда, когда состояние квантовой запутанности длится как минимум 100 микросекунд. А подобного временного интервала пока что не удавалось достичь ни в одной физической лаборатории мира (так показало исследование оксфордских физиков, проведенное в 2009 году). Пока же обычно время сохранения такого состояния измеряется в нескольких пикосекундах.

Однако исследователи из группы Уолтерса выяснили, что клетки глазной жидкости пернатых могут увеличивать этот временной интервал до тех самых необходимых ста микросекунд. Построенная исследователями модель показала, что взаимодействие между клетками глазной жидкости и парой электронов молекул фоторецептора помогает последним оставаться в запутанном состоянии достаточно долго при помощи затухающего колебания.

Ученые проиллюстрировали это на примере, который известен многим автолюбителям: известно, что автомобиль с амортизаторами может растягивать удар подвески о неровность дороги и тем самым смягчать его, несколько продлевая колебательные движения. Действуя по такому же принципу, сигнал от пары электронов, взаимодействуя с элементами живой клетки, затухает постепенно, и небольшие колебания остаются (десятки микросекунд) в клетке даже после того, как сама квантовая запутанность вышеупомянутой пары уже давно (по квантовым меркам) закончилась.

Итак, Уолтерс и его коллеги утверждают, что именно способность достаточно долго сохранять неспаренные электроны фоторецепторов в запутанном состоянии и приводит к тому, что птицы могут видеть линии магнитного поля. Скорее всего, не только они одни — возможно, внутренний компас многих насекомых, мигрирующих рыб и даже некоторых млекопитающих тоже работает по такому же принципу. Правда, Захари Уолтерс подчеркивает, что все это пока лишь гипотеза, основанная только на моделировании. Без всякого сомнения, она нуждается в экспериментальной проверке.

Тем не менее, если гипотеза группы Уолтерса подтвердится, нам в очередной раз придется снять перед нашими пернатыми друзьями шляпу. Поскольку они каждый день с легкостью проделывают то, что еще не под силу ни одному физику нашей планеты…

Читайте самое интересное в рубрике "Наука и техника"