Литий, фосфор, крысы и кошка Шредингера

На прошлой неделе у нас был очень интересный физический коллоквиум. Это лекция для general physics audience, ее приходят послушать все: студенты и профессора, матфизики и биофизики. Лекция называлась Quantum crystals, quantum computing, and quantum cognition и оказалась  необычной. Докладывал Мэтт Фишер из Санта Барбары, весьма известный теоретик, работавший в разных областях физики твердого тела, но особенно известный за работы по квантовым фазовым переходам и спиновым жидкостям. Началось все довольно невинно: Больцман, Планк, фононы, электроны, принцип Паули. Потом: запутанные состояния, Питер Шор и квантовые компьютеры. Внезапно: Роджер Пенроуз и его книга "Новое сознание короля", где Пенроуз предложил, что наш мозг использует работает на существенно квантовых принципах. Но: наш мозг слишком "теплый", все степени свободы ведут себя классически. Or do they? Единственное исключение: ядерные спины. Спин атомных ядер очень слабо взаимодействуют с другими степенями свободы, и их эффективная температура может быть намного ниже, чем комнатная. Точнее, это относится к ядрам спина 1/2, потому что у них нет электрического квадрупольного момента (упражнение для слушателей: почему?) и поэтому они не взаимодействуют с атомными электрическими полями. Типичное время релаксации ядерного спина (для ядер спина 1/2) может быть порядка секунды (измеряется методом ядерного магнитного резонанса). Т.е.зацепленное состояние ядерных спинов может оставаться зацепленным довольно долго.

Лирическое отступление: литий давно используют как средство для лечения мании и биполярного расстройства. Как он работает - непонятно, но он работает. У ядра лития спин 1/2. Точнее говоря, такой спин у лития-7, который составляет 92.5% лития в природе. Время релаксации ядерного спина лития 7 около 10 сек. У лития-6 спин 1, но квадрупольный момент у его ядра аномально маленький. Время релаксации в водном растворе целых 5 минут! Может ли психотропный эффект лития зависеть от изотопного состава? Такой эксперимент был проведен в 1986 году на беременных крысах. Те крысы, которым давали естественный литий или чистый литий-7  проявляли меньшую активность (по сравнению с контролем), меньше заботились о новорожденных крысятах (реже их кормили и облизывали) и о себе. (Людей обычный литий тоже "успокаивает" или даже вгоняет в депрессию). А те, кто получил литий-6, наоборот проявили большую, чем у контроля, чувствительность к стимулам, чаще обычного кормили и облизывали крысят. Как сказал Фишер, крысы на литии-7 would chill out and watch TV, в то время как крысы на литии-6 would do your dishes for you.

В человеческом организме литий почти отсутствует. Единственный "органический" элемент, кроме водорода, который имеет ядерный спин 1/2 - это фосфор-31. Фишер предложил сценарий, как зацепленные состояния ядер фосфора могли бы генерироваться и использоваться для вычислений. Важную роль в этом сценарии играет молекула Познера. Далее см. статью Фишера на арХиве. Сам доклад (записанный в другом месте) можно посмотреть здесь.