Jag hade varit i telefon med fysikprofessorn, författaren och TV-presentatören Jim Al-Khalili i sju minuter och åtta sekunder innan jag insåg att jag var monstruöst ur mitt djup. Detta var ett problem, eftersom jag hade ytterligare 18 minuter kvar. ”Så om du ser en effekt som beror på kvanttunneling och ersätter väte med deuterium,” förklarar han, ”kan du avgöra om kvanttunnelering är vad som händer eller inte eftersom du kommer att se effekten minska när du fördubblar massan av partikel.”
Stäng inte sidan! Allt kommer att bli vettigt med tiden – det här är Al-Khalilis specialitet. Med hans egna ord gillar han att ”ge folk huvudvärk” innan han ser människor ha ett mini-Eureka-ögonblick inom hans valda expertområde: kvantfysik.
Så låt oss backa upp. Al-Khalili talar om kvantbiologi: ett fascinerande vetenskapsområde som av otaliga skäl är svårt att forska i. Innan samtalet – en förkort intervju inför sitt föredrag kl Ny Scientist Live – Jag såg hans TED Talk från två år sedan om kvantbiologi. Jag har bäddat in videon nedan om du vill ha genomgången med hans egna ord, men det viktigaste är detta: galna saker som händer på subatomär nivå – partiklar som finns på mer än en plats samtidigt (superpositioner) eller att kunna passera genom en ogenomtränglig barriär (kvanttunnelering) – verkar ske inom våra celler. Kvant är med andra ord inte bara något för fysiker att oroa sig för längre: det är också biologernas problem.
För att ge tre exempel från talet ovan, kvanttunnelering verkar spela en roll i DNA-mutationer; fotoner följa flera vägar i fotosyntes med kvantkoherens; och även Robins sägs använda kvantintrassling i näthinnan för att navigera, baserat på jordens magnetfält.
”Al-Khalilis påstående är att det här är värt att kämpa för. Eller så är det kanske inte – du kan ta mannen ur kvantfysiken, men du kan inte ta kvantfysiken ur mannen.”
Människor har vetat att detta är en möjlighet i årtionden, men framstegen går långsamt av ett antal anledningar: främst bland dessa är det faktum att kvantfysikexperiment är notoriskt svåra att göra. De kan, som Al-Khalili förklarar, ”förstöras helt enkelt genom att titta på dem”, och det är i en enormt kontrollerad miljö, utan den smutsiga röran som levande celler för med sig till rättegången. ”Den stora frågan nu är att förstå hur livet kan upprätthålla dessa kvanteffekter för biologiska tidsskalor när allt är så bullrigt och turbulent och varmt och komplext inuti en levande cell”, förklarar han.
”Fysiker arbetar mycket hårt för att försöka isolera dessa kvanteffekter, gör sina experiment i ett vakuum vid noll grader, isolerar sina instrument från omgivningen, och fortfarande är det ganska svårfångat.”
Nästa fråga är att dessa frågor nästan helt och hållet har varit fysikers förbehåll under det senaste århundradet. Det kräver ett samarbete över discipliner vilket är en minst sagt utmaning.
”Fysikerna kommer att säga dig ’varför bry dig om att ge dig ut i biologins röriga värld när, om det var så enkelt, vi skulle ha byggt kvantdatorer vid det här laget? Vi jobbar verkligen hårt på att kontrollera allt, och vi tycker fortfarande att kvanteffekter är illusoriska”, säger Al-Khalili. ”Och biologerna kommer att säga ’kvantmekanik? Inte i mitt labb, kompis tack så mycket.’ Och kemisterna kommer att säga ’Vad handlar det om? Allt är kvant, allt är kemi ändå, vad blir du upphetsad över?’”
Det är dock biologernas motstånd som är den största barriären att övervinna, menar Al-Khalili. ”De kommer att motstå det. De kommer att säga ’vi har inte behövt använda kvantfysik sedan genetikens och molekylärbiologins födelse, säg inte till oss nu att vi måste lära oss allt det här nonsens om katter i lådor och vad som helst.’” Jag kan inte säga det. att jag skyller på dem.
Al-Khalilis påstående är att detta är värt att kämpa för. Eller så är det kanske inte – du kan ta mannen ur kvantfysiken, men du kan inte ta kvantfysiken ur mannen.
Varför spelar kvantbiologi roll?
”En del av problemet är att inte ens de av oss som jobbar här är hundra procent”, säger han. ”Vi predikar inte evangeliskt att detta är nästa stora genombrott inom vetenskapen – det kanske det inte är.
”Det kan mycket väl bli en röd sill. Men det är tillräckligt intressant och spännande att hur spekulativt det än är, är det värt att fortsätta – till och med för att utesluta det. På grund av att återbetalningen om den är sann är stor.”
Hur stor? Al-Khalili har två huvudorsaker till varför han ägnat så mycket av sitt liv åt att popularisera denna sak. För det första för att det betyder att några av kvantfysikens stora svar kan vara nästan bokstavligen bakom näsan på oss. ”Om vi utvecklar sensorer och ny kvantteknologi – försöker bygga en kvantdator. Tja, om livet har löst de här problemen, kanske det finns något vi kan lära oss som kan hjälpa oss.”
Men kanske ännu viktigare, det kan ge oss en hittills ofattbar inblick i vad som gör livet speciellt: något så spekulativt att det är svårt att veta dess ultimata potential. ”Än så länge har vi inte kunnat skapa konstgjort liv – det enda sättet att skapa liv är genom annat liv”, förklarar han. ”Vad är det som skiljer ett levande system från ett livlöst system med motsvarande komplexitet? Hur upprätthåller det levande systemet denna höga ordningsnivå för att fortsätta?”
Men om kvantexperiment är tillräckligt svårt i fysiklabbet, hur börjar man ta itu med saker med våra biologiverktyg? Ta rödhakarna som nämns ovan: hur kan du avgöra om näthinnan faktiskt utför kvantreaktioner eller inte? ”Jag tror inte att det är omöjligt, men vi måste vara mer fantasifulla,” säger Al-Khalili. ”Vi kan inte lära oss mer om kvantintrassling genom att sätta en fågel i ett labb… vi kan testa om en fågel är känslig för ett magnetfält, men vi lär oss ingenting om hur den använder denna kemiska kompass – för det vi” d förmodligen måste isolera proteinet och studera det separat utanför fågeln. Och visst, då blir det mycket svårare att definitivt säga ’ja, det här är vad som händer när det är inne i fågelns näthinna’.”
Att få allmänheten att älska fysik
Om allt detta verkar förvirrande: bra. Det borde göra. Al-Khalili är förtjust i att citera Niels Bohr, kvantmekanikens fader vem sa en gång: ”Om du tror att du kan prata om kvantteori utan att känna dig yr, har du inte förstått det första om det.”
Men Al-Khalili är kvantfysiker av utbildning. Jag frågar hur han har funnit att han måste ta sig an biologin. ”En utmaning”, svarar han. ”Min bakgrund är kärnfysik, så när jag pratar om kvanttunnel, tänker jag på alfasönderfall, alfaradioaktivitet, alfapartiklar som tunnlar ut ur en atomkärna. Men ekvationerna är desamma, och de kommer att vara desamma för kvanttunnelering i DNA.
”Men alla omgivningar, infrastrukturen, miljöerna siffrorna man lägger in, allt det där – biokemin är helt ny för mig. Jag har kommit fram till att biokemi är den svåraste disciplinen inom vetenskap. Det är lager på lager av ”det här, för det här, på grund av detta” – hur ett enzym fungerar, eller processen för fotosyntes eller metabolism. Det är så komplext att det får kvantmekaniken att se lätt ut i jämförelse!”
”Jag har kommit till slutsatsen att biokemi är den svåraste disciplinen inom vetenskap.”
Det är nog precis vad folk är vana vid, antar jag, och Al-Khalili har ägnat de senaste 25 åren åt att göra kvantfysiken (mer) begriplig för allmänheten. Hur har han klarat det? Delvis förklarar han detta till den naturliga intellektuella nyfikenheten hos de människor som söker upp hans föredrag och TV-framträdanden. ”Feedbacken jag får är att tittare av mina program på BBC Four kommer att ”få mig att känna mig smart”. De vill ha något svårt att förstå, och folk uppskattar att de inte kommer att förstå alla finesser utan år av studier, men det är bra. De vill utmanas och sträckas bortom det vardagliga: det är magiskt och mystiskt.”
Ibland handlar det förstås om att hitta analogier som du aldrig skulle hitta i en naturvetenskaplig lärobok. ”När jag pratar om kvanttunnel, med partiklar som försvinner på ett ställe och dyker upp igen någon annanstans, är det inte vettigt”, säger han.
”Men om jag säger att det är som en fantom som kan gå genom en solid vägg, börjar folk förstå. Det är inte precis det, men det är mer eller mindre vad som händer. En partikel är också en våg, och en våg kan läcka genom ogenomträngliga barriärer på ett sätt som en fast partikel inte kan. Så snarare som att kasta en boll mot en vägg och att den aldrig kan ta sig igenom till andra sidan, ett spöke kan läcka igenom.”
Att hitta analogier som klickar är ungefär som Eureka-ögonblicket du kan få i labbet. ”Med en livepublik kan du med kroppsspråket se att något har slagit igenom, och det är det: det blir en del av mitt arsenal att använda i skrift, samtal och på TV.”
Möjligheterna gömda i levande celler kan kräva en helt ny uppsättning analogier och regler för att förklara för lekmannen, men det råder ingen tvekan om att Al-Khalili skulle uppskatta möjligheten att översätta vad som händer. Även om det innebär att vi tar reda på det inom våra liv.
New Scientist Live pågår fram till söndag på ExCeL Centre i London. Biljetter finns här.
