С точки зрения классической физики окружающий мир считался огромной упорядоченной машиной, где можно предсказать направление и скорость движения каждой частицы в любой момент. Другими словами, они существуют в определенное время в определенном месте. Однако законы и теории основывались на наблюдениях за макроскопическими явлениями, такими как движение звезд, планет и материальных объектов на Земле. В XIX и XX веках технические достижения позволили ученым изучать явления в микроскопическом масштабе. Эксперименты, сформировавшие основы квантовой механики, показали, что элементарные частицы являются основой всего. Оказалось, что в микромире материя ведет себя довольно странно, иногда демонстрируя свойства материальных частиц, а иногда проявляясь в виде нематериальных волн энергии. Ученые обнаружили и такие странные явления, что, например, электроны существуют не всегда, а только тогда, когда за ними наблюдают или, лучше сказать, когда они взаимодействуют с чем-то еще. Они материализуются в пространстве, когда с чем-либо сталкиваются. Вселенная работает по квантовым правилам, и нас окружает множество знакомых, повседневных явлений, которые следуют этим законам.

Квантовый мир странный и загадочный. Он построен на вероятности и случайности, где частицы могут непредсказуемо или с предельной точностью телепортироваться из одной точки пространства в другую. Что еще более удивительно — пары основополагающих частиц, которые содержат заряд, не определяются ни как положительные, ни как отрицательные, пока за ними не наблюдают. В квантовом мире частицы могут быть многозадачными и находиться в двух местах одновременно — это парадоксальное явление, известное как суперпозиция. Они способны, как призраки, проходить сквозь твердый объект — процесс, названный квантовым туннелированием. В дополнение ко всему, две частицы могут «запутаться», мгновенно обмениваясь информацией на расстоянии одного дюйма или тысячи световых лет. При этом, просто наблюдение одной частицы изменит заряд другой, независимо от того, где она находится во Вселенной в это время. Альберт Эйнштейн называл это явление «жутким действием на расстоянии». Уравнения квантовой физики доказывают существование так называемого поля нулевой точки — океана микроскопических колебаний в пространстве между ядрами атомов. Наша Вселенная, которая, кажется, полна темной пустоты, на самом деле является огромным полем энергии, где субатомные частицы продолжают появляться и исчезать из реальности. Принцип неопределенности Гейзенберга и знаменитое уравнение Эйнштейна E = mc2, связывающее энергию с массой, показали, как все элементарные частицы взаимодействуют друг с другом, обмениваясь энергией через виртуальные частицы, которые, как считается, возникают как будто бы из «ниоткуда». И существуют они только во время этого обмена — время «неопределенности». Энергия, которая создается в ходе каждого обмена, составляет всего около 0,5 Вт, но сумма всех взаимодействий, которые происходят постоянно, представляет собой огромный ее источник, который может обеспечить чистой и бесконечной энергией до конца времен. Эта постоянная фоновая активность происходит даже при температурах абсолютного нуля — минимально возможного энергетического состояния — так появился термин «поле нулевой точки». Мы окружены и являемся частью этого моря энергии — одного огромного квантового поля. Все связано со всем, как невидимая сеть. Сам Эйнштейн сказал, что «поле является единственной реальностью». Хотя многое еще предстоит объяснить, квантовая теория поля стала основой современной теоретической физики. Переходя к самому глубокому уровню, известному в настоящее время, теория суперструн пытается объяснить все частицы и фундаментальные силы природы в одной концепции (теория всего), описывая их как колебания крошечных суперсимметричных струн. Опять же мы обнаруживаем, что все во Вселенной вибрирует.

Возможно, самым известным примером загадочности квантовых процессов является «кот Шредингера» — мысленный эксперимент, разработанный Эрвином Шредингером в 1935 году. Австрийский физик-теоретик представил, как кот, помещенный в коробку с потенциально смертельным радиоактивным веществом, может существовать в суперпозиции — быть мертвым и живым одновременно — по крайней мере, до тех пор, пока коробка не откроется, и мы не увидим ее содержимое. Концепция была экспериментально подтверждена бесчисленное количество раз на квантовом уровне. Было открыто, что частицы действительно могут в одно и тоже время находиться в двух разных состояниях: как частица и волна. Однако, в масштабах нашего, казалось бы, более простого  макроскопического мира все меняется: квантовые эффекты имеют тенденцию исчезать на уровне целых атомов и молекул. Никто никогда не видел звезду, планету или кошку в суперпозиции или состоянии квантовой запутанности. Но с момента первоначальной формулировки теории в начале ХХ века ученые задались вопросом, где именно пересекаются микроскопические и макроскопические миры. Насколько велико может быть влияние квантовых явлений, и могут ли они когда-нибудь быть достаточными, чтобы их самые странные аспекты могли воздействовать на живые существа? Что если вам скажут, что один протон или электрон может влиять на поведение всей биологической молекулы? Вы бы усмехнулись или серьезно задумались? Такие физики, как Эрвин Шредингер, Нильс Бор и Альберт Эйнштейн не игнорировали квантовую сферу, и, как выясняется — не должны и мы. Существуют убедительные доказательства того, что странные, недолговечные процессы квантовой физики напрямую и значимо влияют на вещи в физиологическом масштабе. Среди примеров — способность человеческого глаза воспринимать отдельные фотоны света, телепортация частиц в молекулах ферментов, чувство осязания в результате взаимодействия электронов молекул нашего тела и объектов, с которыми мы сталкиваемся. Одно из последних исследований показало возможность ощущать различия между небольшими квантовыми изменениями в молекулах благодаря рецепторам в нашем носу.

Человеческий нос может обнаружить более одного триллиона различных запахов. Наш геном довольно удивителен, но не настолько, чтобы синтезировать один триллион отдельных рецепторных белков для каждого запаха. Так как же нам насладиться ароматом маргаритки или почувствовать зловоние того блюда, которое мы забыли съесть вчера? Предполагается, что рецепторы в нашем носу могут ощущать различия между небольшими квантовыми изменениями, например, в молекулах, которые содержат атом водорода, и в молекулах, содержащих атом дейтерия (атом водорода с дополнительным нейтроном). Несколько лет назад биофизик и научный сотрудник отделения нейробиологии НИИ Александра Флеминга в Греции Лука Турин и его коллеги разработали эксперимент, в котором некоторые молекулы водорода в аромате мускуса были заменены дейтерием. Они обнаружили, что люди могут почувствовать разницу. Поскольку водород и дейтерий имеют одинаковую форму, но разные вибрационные частоты, результаты показывают, что наши носы могут обнаруживать вибрации. Лука Турин предполагает, что может быть задействован эффект квантового туннелирования (прохождение частицей барьера насквозь).

Эффект туннелирования был замечен и в молекуле ДНК. Идея, что потенциально вызывающие рак мутации в дезоксирибонуклеиновой кислоте могут порождаться квантовыми событиями, несколько пугающая: она заключается в том, что водородные связи, удерживающие пары оснований ДНК вместе на противоположных цепях двойной спирали, могут подвергаться квантовому туннелированию. Например, атом водорода на аденине может полностью перепрыгнуть к молекуле тимина на противоположной цепи. Затем, когда нити ДНК разделяются во время репликации (синтеза дочерней молекулы ДНК), этот дополнительный атом может препятствовать репликационному механизму. Это означает, что связи между парами оснований могут скопироваться или воспроизвестись неправильно, что приведет к мутации, потенциально способной вызвать заболевание.

Как выяснилось, эффект туннелирования может возникать не только на уровне электрона, но и на уровне целого атома. За прошедшие годы американский химик из Калифорнийского института количественных биологических наук Джудит Клинман с коллегами показали, что в ферментах происходит водородное туннелирование. Тот факт, что эта способность присуща электронам, не вызывает сомнений. Однако, атом водорода — другое дело. Он в 2000 раз тяжелее электрона. Ученые показали, что в биологических молекулах при комнатной температуре происходит туннелирование водорода: он, подобно элементарной частице, пролетает сквозь энергетический барьер, величина которого превышает его энергию. Таким образом ферментам предоставляется быстрый и эффективный способ реорганизации молекул для поддержания реакций, которые, в свою очередь, являются основой обмена веществ в организме.

В дополнение к вышеупомянутым работам, есть также несколько теорий, исследующих, как функционируют мозг и сознание и как реальность, которую мы наблюдаем каждый день, является следствием квантовых событий. Мэтью Фишер, физик из Калифорнийского университета, недавно предположил, что атомы фосфора могут функционировать как простые «кубиты» (квантовые биты информации) в мозге. В квантовом состоянии частицы находятся в суперпозиции (она же квантовая когерентность), но когда наблюдатель смотрит на них, они «выбирают» одно состояние из множества. Вот как кубиты работают в квантовом компьютере. Обычный бит либо включен, либо выключен, но кубиты существуют в нескольких состояниях. За пять лет поисков Фишер определил только одного подходящего кандидата на хранение квантовой информации в мозге: атомы фосфора — единственные распространенные биологические элементы, кроме водорода, способные достаточно долго существовать в состоянии суперпозиции. Однако, чтобы кубиты оставались стабильными долгое время и сохраняли квантовые свойства, атомы фосфора должны быть связаны с ионами кальция. Внеклеточная жидкость мозга может быть заполнена ими и, оказавшись внутри нейронов, эти молекулы могут изменять способ, которым клетки сигнализируют и отвечают, формируя мысли и воспоминания. Но для гипотезы Фишера есть одно препятствие — квантовая декогеренция (разрушение состояний суперпозиции). Квантовые биты весьма хрупки. Их нужно тщательно ограждать от любого воздействия окружающей среды. Один фотон, столкнувшийся с кубитом, нарушит согласованность (когерентность) работы всей системы, уничтожит запутанность и разрушит квантовые свойства.

Теория английского физика и математика Роджера Пенроуза и нейробиолога Стюарта Хамероффа описывает, что сознание возникает внутри микротрубочек нейронов. В основе их концепции  лежит утверждение о том, что сознательные процессы осуществляются не на уровне связей между нейронами, а гораздо глубже — в микротрубочках их цитоскелета. Микротрубочки — это нити белка тубулина, составляющие опорную структуру нейронов и способные хранить и обрабатывать информацию и память. Белковые волокна могут находиться в двух разных формах: расширенных или сжатых — и в процессе колебания принимают состояние квантовой суперпозиции. Чтобы процессы квантовой когерентности работали, микротрубочки должны оставаться в достаточной степени изолированными от внешней среды, и, по мнению авторов, они выполняют это условие.

Квантовая механика поставила под сомнение материальные основы мира, показав, что атомы и субатомные частицы не являются действительно твердыми объектами: они существуют не в определенных точках пространства и времени, а в виде поля вероятностей. Что наиболее важно, было обнаружено, что частицы и наблюдатель связаны между собой. Это означает, что умственная деятельность, человеческий разум, внимание и намерение, заставляют физическую материю действовать определенным образом. Классический пример, иллюстрирующий, как факторы, связанные с сознанием, напрямую взаимодействуют с физическим миром, взят из «эксперимента с двумя щелями». Было замечено, что в зависимости от наличия или отсутствия наблюдателя субатомные объекты, такие как электроны и фотоны, ведут себя как частицы или как волны. Когда мы пытаемся зафиксировать их поведение с помощью измерительных приборов, они ведут себя как частицы. Но в отсутствие наблюдателя, они ведут себя как волны, то есть они, кажется, не существуют ни в одной конкретной точке пространства в любой момент времени. Они теоретически находятся в суперпозиции — диапазоне всех мест, в которых могут появиться, когда их увидят — и буквально зависят от присутствия наблюдателя. Когда этот «эффект наблюдателя» был впервые замечен первыми пионерами квантовой теории, ученые были глубоко обеспокоены. Казалось, это подрывает основополагающее предположение, стоящее за всей наукой: существует объективный мир вне зависимости от нас. Если то, как он себя ведет себя, зависит от того, как мы на него смотрим, что на самом деле может означать «реальность»? Возможная интерпретация заключается в том, что физический мир существует в своем конкретном состоянии, только когда мы вовлечены в него. Или что возможны разные его версии — может быть, параллельные вселенные. Сознание определяет и создает порядок, а порядок формирует окружающую действительность. Аналогично, тогда без присутствия человеческого разума Вселенная может существовать в некой суперпозиции — бесконечном диапазоне возможных способов возникновения. То есть она не существует физически, если не присутствует человеческий разум, и все элементы реальности, в лучшем случае, находятся в неопределенном состоянии и представляют собой вероятностные волны. Связь между сознанием (мыслями, чувствами, эмоциями) и физическим миром поразительна. Именно поэтому почти все отцы-основатели квантовой физики были так озабочены ее изучением. Например, физик-теоретик Макс Планк рассматривал сознание как «фундаментальное», а материю как «производную от сознания».

Квантовая механика давно доказала свою ценность в понимании таких явлений, как поведение и взаимодействие субатомных частиц. Но в последние годы теоретики все чаще отмечают, что квантовые процессы вполне реальны и в макромире, где мы живем. Многие явления на самом деле постоянно проявляются внутри нашего организма. Все больше ученых пытаются объяснить наш мир с точки зрения не только физики, а целого комплекса наук, включая биологию. И многие из них считают, что представление о теле как о машине, управляемой посредством ДНК и химических реакций, и с мозгом как центральной координирующей единицей, устарело. Эта модель не может объяснить быстрые и миллионные передачи, которые происходят в теле все время. Существуют теории, что взаимодействия между клетками, контроль ДНК, наши мыслительные и когнитивные процессы, чувства — все это функционирует посредством обмена информацией на квантовом уровне. И если мы можем мысленно воздействовать на физические частицы, а следовательно — на наши биологические тела и окружающий мир, то насколько далеко расширяются границы наших сознательных возможностей?