Опрос

Какие рубрики вам наиболее интересны?

View Results

Loading ... Loading ...

Наши партнеры

  • .

Последние комментарии

ЗАГАДКИ ФОТОСИНТЕЗА

Опубликовал Сергей 10 января 2011 в рубрике Наука.

Автор статьи широко использует радиотехнический язык. Я много лет работал в радиотехническом НИИ и занимался созданием устройств сантиметрового и дециметрового диапазона. Так что этот язык тоже люблю, но аналогия между радиотехникой и оптикой все-таки ограничена. Радиотехника умеет генерировать когерентные сигналы, в которых много фотонов одинаковой фазы. Оптика научилась это делать сравнительно недавно — когда появились лазеры. В оптике привычные источники света — тепловые, фотонов много, но все они имеют разные и при этом случайные фазы. Сумматор может сложить амплитуды сигналов с известной фазой, для шумовых сигналов это сделать нельзя.

Обсуждение механизма фотосинтеза затрагивает основы современной физики — интерпретацию квантовой механики. Споры по этому вопросу продолжаются до настоящего времени. Квантовый объект обладает двумя явно несовместимыми свойствами — с одной стороны это частица, с другой стороны — волна. Как примирить эти свойства, явно противоречащие друг другу? Волна может занимать большой объем пространства и одновременно проходить через различные отверстия в экране, что дает интерференцию двух или многих лучей. Частица локализована и может пройти только через одно отверстие, она вызывает потемнение только одного зерна фотоэмульсии. Как совместить эти свойства?

Это физическое противоречие в основах теории не давало возможность физикам конструктивно работать дальше. Н. Бор считал, что причина противоречия — теория познания и язык, которые выработаны на опыте макромира и поэтому не годятся для микромира. С этим был согласен и В. Гейзенберг. Такая интерпретация была предложена в конце 1920-х гг. и получила название «Копенгагенская». Она успокоила физиков и дала им возможность конструктивно работать. К тому времени была закончена только «Классическая квантовая механика фиксированного числа частиц». Квантовая электродинамика (КЭД) была завершена значительно позднее, ее современный язык — диаграммы Фейнмана — был сформулирован в 1948 г.

Квантовая частица — фотон — либо поглощается полностью, либо вообще не регистрируется. Аналогом диаграмм графа. Как пишет сам Фейнман, строгое изложение квантовой электродинамики излишне сложно и сам он излагает ее значительно проще. Я попытаюсь это сделать популярно: читатель сам убедится, что проще рисовать диаграммы и графы прямо на чертеже устройства и пользоваться ими, чем прочитать всю ученую литературу, которая о них написана! К тому же, «строгое» математическое изложение не вызывает доверия, пока используются искусственные методы выбрасывания бесконечных слагаемых. Я уже писал, что учет поляризации вакуума позволяет изменить уравнения так, что бесконечные слагаемые просто не возникают.

В технике первой половины XX в. использовались либо частицы — их корпускулярные свойства, либо волны. И только незадолго до Второй мировой войны появилась импульсная радиолокация, в которой, по существу, используются волновые пакеты и измеряются их корпускулярные свойства — например время движения пакета. По этим величинам можно определить координаты цели. Передатчик излучает импульс — «классическую электромагнитную волну» — волновое поле, диаграмма направленности формируется всей антенной — большим зеркалом. Работает все зеркало, а не небольшая часть его. Волновой пакет облучает цель, например самолет. Небольшая часть энергии отражается обратно и попадает в антенну, к которой в момент возвращения волнового пакета подключен приемник.

Поскольку используются корпускулярные свойства волновых пакетов, то дуализм волна — частица должен проявляться и в этих технических устройствах, как подсказывает нам интерпретация квантовой механики.

Прежде всего, следует отметить, что при чувствительном приеме существуют внутренние шумы, в результате возникают ошибки при приеме сигнала — возможен пропуск импульса и прием ложного сигнала. Приемник «принимает решение» о наличии импульса, когда на входе приемника его не было. Терминология здесь такая же, как и в теории измерений в квантовой механике — возникают возможности, приемник «принимает решения». И это происходит в самом приемнике без участия оператора — «наблюдателя». Поэтому мы думаем, что и квантовая теория измерений может быть изложена без привлечения сознания наблюдателя. Таким образом, в классической задаче о приеме радиосигнала возникает вероятностное описание. К этому в радиотехнике все привыкли, а ранее при возникновении квантовой механики это обстоятельство вызывало споры.

Чтобы атом или молекула взаимодействовали со светом, должен быть электрический дипольный момент, его ориентация и определяет поляризацию. Взаимодействие — резонансное. Иными словами, молекула является и антенной, и приемником, и частотным фильтром.

Если квантовая система поглощает квант, то ее энергия увеличивается — она переходит на более высокий энергетический уровень. При взаимодействии с квантом той же или более высокой частоты она может вновь перейти на низкий уровень. Процесс поглощения кванта происходит быстро — за время менее 1012 с. Время поглощения определить просто — это единица, деленная на полосу поглощаемых частот. А полоса поглощения широкая! Для фотосинтеза нужно, чтобы энергия запасалась и долго хранилась — урожай должен храниться годы, а семена не должны потерять всхожесть. Напомним, что 1 год = 3x107 с. Времена отличаются сильно — почти в 10го раз — требования противоречивы и поэтому процесс фотосинтеза поневоле оказывается сложным. Я бы не стал упрекать исследователей фотосинтеза в скудности мышления — скованности определенной парадигмой, как это делает автор. Дело в сложности задачи! Я бы не взялся за задачу синтеза радиотехнической цепи на аналоговых элементах с таким отношением времен! Механизм фотосинтеза был выработан в процессе эволюции, причем состав атмосферы менялся. Менялся и конкретный механизм фотосинтеза!

Эволюция была направлена на выполнение целого ряда требований, которые сегодня сформулировать трудно. Требование максимальной эффективности и требование максимального поглощения в зеленой области спектра могут не совпадать. И еще одно обстоятельство — гипотеза автора о преобразовании энергии света в энергию постоянного тока путем электролиза на остриях мне лично ненравится. Процесс мало эффективен, имеет низкий КПД. Автором он не доказан. Для передачи информации по нерву сигнал кодируется числом импульсов, а не постоянным током. Равным образом мне не нравится война автора со вторым началом термодинамики. Он должен написать подробнее, обосновать свою позицию, тогда можно будет спорить. Однако считаю, что выдвинутая проблема очень актуальная, она связана с энергетическим кризисом и глобальным потеплением.

Детерминированное классическое поле в КЭД называется пропагатором (рис.1), на диаграммах он изображается линией. Говоря о классических полях, мы говорим о электромагнитном поле (фотоны) и звуке (фононы), многие биологические процессы происходят в среде. Для пропагатора есть теорема существования и единственности. Приемник «принимает решение» — был импульс или нет. В приемнике принципиально есть внутренние шумы — случайные напряжения в зависимости от амплитуды принятого сигнала и мгновенной амплитуды шума. При сдвиге фаз между сигналом и шумом могут возникать ошибки при принятии решения.

Взаимодействие фотона с веществом описывается вершиной (рис. 2) диаграммы Фейнмана. Таким образом, пропагатор детерминирован, а вершина содержит элемент случайности: «Бог играет в кости на вершинах».

Минимальная мощность шумов линейного приемника равна


где В — полоса частот, Т — температура, hw — энергия кванта. Формула выводится из первых принципов КЭД. Нулевые и тепловые флуктуации возникают только при наличии реальных частиц, и в любой конкретной задаче можно сказать, откуда они берутся.Структура электромагнитного поля меняется на проводящих поверхностях — касательное к поверхности электрическое поле обращается в нуль. Это приводит к тому, что две металлические пластины при малом зазоре между ними притягиваются (так называемый эффект Казимира). Эффект был рассчитан и измерен. В биологии речь идет не об электромагнитных волнах, а о звуковых, длина волны которых значительно меньше. Поэтому точность «стыковки» выше, чем при использовании электромагнитных нулевых колебаний.

Этот эффект позволяет посадить молекулу фермента точно на нужное место. Думаю, что он важен при формировании зародыша организма. Думаю также, что для регистрации запаха нужно точно посадить молекулу с запахом на нужное место клетки-рецептора. А это делает эффект Казимира на звуковых нулевых колебаниях. Поэтому словесные рассуждения автора о нулевых колебаниях просто неправильны.

Значительно более интересен тот факт, что радиотехническая аналогия позволяет сформулировать нетрадиционную интерпретацию квантовой механики. Для линейного приемника сложение сигнала и шума можно описать векторной диаграммой (рис. 3). Uc амплитуда сигнала, U ш— амплитуда шума, их сумма зависит от разности фаз между сигналом и шумом.

В простейшем случае окружность радиуса Uo определяет принятие решения о наличии или отсутствии импульса. Напряжение Uo называется порогом, если

то импульс регистрируется, и наоборот, если

импульса. Возможны ошибки, выброс шумов может быть интерпретирован как ложный импульс, или импульс может быть пропущен. Фотоны при h-»0 образуют классическое поле, что и обосновывает рассмотрение смеси сигнала и шума.

Здесь есть философский вопрос — шумы случайны по существу или только потому, что мы их не знаем. В первом случае — это в значительной степени вопрос веры, во втором случае шумы детерминированы, но нам неизвестны. Поэтому детерминирован и выбор альтернатив, и сознание человека, все заранее предписано. Против детерминированности шумов в каждой вершине есть физическое возражение — это колоссальный объем информации. И нужна колоссальная энергия для передачи такого объема информации. Однако если вопрос касается веры, физические аргументы не действуют. Вопрос явно выходит за рамки физики.

Для работы сознания необходим вероятностный характер многих квантовых процессов, происходящих в нервной системе. При обработке информации по детерминированным программам новой информации не возникает, если же в познании возникает новая информация, то есть элемент случайности. Пример — Ньютон связал падение яблока с всемирным тяготением, о чем раньше он не задумывался. Появилась случайная связь, он ее запомнил и проверил.

Химические реакции в нерве, которые приводят к генерации нового импульса, описываются сложной диаграммой, в которой есть вершины, содержащие свободные фотонные и фононные линии. Фотонов в проводящей среде может и не быть, а фононы будут. Каждой свободной фононной линии соответствуют шумы, так что элементы случайности есть.

Таким образом, не квантовая механика есть следствие работы сознания, а наоборот — для работы сознания нужны квантовые вероятностные процессы. Вероятностная трактовка квантовой механики была предложена М. Борном. Исходя из Борновского приближения (на современном языке — диаграмм Фейнмана первого порядка), думаю, что вероятностная интерпретация может быть обоснована без использования теории возмущений. Понятие пропагатора справедливо для сколь угодно сложной системы, распад которой запрещен. Поэтому все диаграммы можно понимать как диаграммы с точными решениями, параметры которых определены из эксперимента. При любом измерении должно быть взаимодействие с другой физической системой: появляются диаграммы типа вершины.

Автор статьи: М. Герценштейн.

Читайте также:

КАЧЕСТВО ЖИЗНИ И ВНЕДРЕНИЕ - ИЗОБРЕТЕНИИ.
ПОЖИРАТЕЛИ ОЗОНА
Этническая бомба
Вся правда о биополе.


Написать комментарий

RSS

rss Подпишитесь на RSS для получения обновлений.