Mechanika kwantowa pozwala zobaczyć, poczuć i dotknąć cząstki (część 1)

21. 11. 2018
V międzynarodowa konferencja egzopolityki, historii i duchowości

Co to jest? mechanika kwantowa i jak to się zaczęło? Gdyby Max Planck nie zignorował jednej złej rady, nigdy nie rozpocząłby rewolucji w atomizmie. Kluczowym momentem było 1878, kiedy młody Planck poprosił jednego z profesorów, czy chce rozpocząć karierę w fizyce. Profesor Philip von Jolly polecił Planckowi znaleźć inną pracę. Wszystkie ważne odkrycia w fizyce już zostały dokonane, zapewnił profesor jego młodego obrońcy.

Jak wspomniał później Planck, von Jolly powiedział:

„Fizyki może być trwały nawet w niewielkim stopniu, śledzenia lub wprowadzenie do celu i tamtoho, ale system jako całość jest umocowana i fizyka teoretycznych znacznie ukończeniu”.

Wprowadzając jedną z tych małych rzeczy w praktykę, okazało się, że w końcu ją dostał Planck Nobel Prize i urodziła się mechanika kwantowa. Ta niewygodna mała rzecz dotyczyła bardzo powszechnego zjawiska: Dlaczego obiekty pojawiają się w taki sposób, jak robią to podczas rozgrzewki? Wszystkie materiały, niezależnie od tego, z jakiego są wykonane, zachowują się tak samo w wyższych temperaturach - pojawiają się na czerwono, żółto iw końcu na biało. Brak fizyka w 19. wiek nie mógł wyjaśnić tego pozornie prostego procesu.

Problem okazał się "katastrofą ultrafioletową", ponieważ najlepsza teoria przewiduje, że obiekty ogrzewane w bardzo wysokich temperaturach powinny emitować energię o najkrótszej długości fali. Ponieważ wiemy, że silny prąd nie wnosi żarówek do takich wiązek energii śmierci, fizyki w 19. Najwyraźniej nie było tu ostatniego słowa.

Energia może zostać wchłonięta

Planck znalazł odpowiedź już w 1900 z tym, co stało się współczesnym hitem. W rzeczywistości myślał, że energia może być absorbowana lub przesyłana tylko w dyskretnych ilościach lub ilościach. Było to radykalne odejście od klasycznej fizyki, która twierdziła, że ​​energia płynie przez ciągły, ciągły strumień. W tym czasie Planck nie miał teoretycznego powodu, ale okazało się, że działa. Jego kwant efektywnie zmniejszał ilość energii, którą ogrzewane artykuły mogły uwolnić w dowolnej temperaturze. Wreszcie nie ma śmiertelnych promieni ultrafioletowych!

Rewolucja kwantowa

Tak rozpoczęła się rewolucja kwantowa. Zajęło dekady teoretycznej pracy Alberta Einsteina, Werner Heisenberg, Niels Bohr i innych tytanów fizyki, więc zmienił inspiracji Plancka kompleksowej teorii, ale to dopiero początek, bo nikt tak naprawdę nie rozumie, co się dzieje z obiektami po podgrzaniu.

które jest niewidoczne dla naszych niezdarny sensorium cała teoria mechaniki kwantowej, która zajmuje się cząstek i transmisji energii w dziedzinie najmniejszych cząstek pochodzących z naszego codziennego doświadczenia i. Nie wszystko jest całkowicie niewidoczne! Niektóre efekty kwantowe są ukryte w zasięgu wzroku, chociaż są jasne i piękne, jak promienie słońca i gwiazdy świecące, jako coś, czego nie można wyjaśnić w pełni przed przybyciem mechaniki kwantowej.

Ile zjawisk ze świata kwantowego możemy doświadczyć w naszym codziennym życiu? Jakie informacje mogą odkryć nasze zmysły w prawdziwej naturze rzeczywistości? W końcu, jak pokazuje oryginalna teoria, zjawiska kwantowe mogą leżeć tuż pod naszym nosem. W rzeczywistości mogą się zdarzyć bezpośrednio w naszym nosie.

Zderzak kwantowy

Co dzieje się w twoim nosie, kiedy budzisz się i czujesz zapach kawy lub kromkę chleba w swoim nieśmiertelnym tosterze? Dla tego zmysłowego narządu na twarzy, to tylko wrażenie. Podobnie jak Enrico Fermi, który zbudował pierwszy reaktor jądrowy na świecie, po usmażeniu cebuli, byłoby miło zrozumieć, jak działa nasz narząd zmysłów.

Mechanika kwantowa (© Jay Smith)

Więc leżysz w łóżku i myślisz o przygotowaniu świeżego opiekanego tosta. Cząsteczki zapachów przepływają przez powietrze. Twój oddech spowoduje wciągnięcie niektórych z tych cząsteczek do jamy nosowej pomiędzy oczami tuż nad ustami. Cząsteczki są przyczepione do warstwy błony śluzowej na powierzchni jamy nosowej i uwięzione w receptorze węchowym. Nerwy węchowe zwisają z mózgu jak meduzy, są jedyną częścią ośrodkowego układu nerwowego, która jest stale eksponowana na świat zewnętrzny.

To, co dzieje się dalej, nie jest całkowicie jasne. Wiemy, że cząsteczki zapachowe wiążą się z dowolnym z różnych receptorów 400 na powierzchni błony śluzowej, nie wiemy dokładnie, w jaki sposób i w jaki sposób kontakt ten tworzy nasz zmysł węchu. Dlaczego tak trudno jest zrozumieć ten zapach?

Andrew Horsfield, naukowiec z Imperial College London, mówi:

„Jest to częściowo spowodowane trudnością prowadzenia eksperymentów w celu zbadania tego, co dzieje się wewnątrz receptorów węchowych”.

Jak działa ten zapach

Konwencjonalne wyjaśnienie działania zapachu wydaje się proste: receptory przyjmują bardzo specyficzne kształty cząsteczek. Są jak zamki, które można otworzyć tylko odpowiednimi kluczami. Zgodnie z tą teorią każda z cząsteczek, które dostają się do nosa, pasuje do zestawu receptorów. Mózg interpretuje unikalną kombinację receptorów aktywowanych molekułami, na przykład zapach kawy. Innymi słowy, czujemy kształty cząsteczek! Istnieje jednak fundamentalny problem z modelem „otwierania klucza”.

Horsfield mówi:

"Możesz mieć cząsteczki o bardzo różnych kształtach i kompozycjach, które dają ci to samo uczucie."

Wydaje się, że w grę wchodzi coś więcej niż tylko kształt, ale co? Kontrowersyjna alternatywa dla tego modelu sugeruje, że nasz zmysł aktywuje nie tylko kształt cząsteczek, ale także sposób ich wibracji. Wszystkie cząsteczki nieustannie wibrują z określoną częstotliwością, w zależności od ich struktury. Czy nasz nos mógłby w jakiś sposób ujawnić różnice w tych częstotliwościach wibracji? Luca Turin, biofizyk z Centrum Badań Biomedycznych Alexandra Fleminga w Grecji, uważa, że ​​tak.

Teoria wibracji zapachu

Turyn, który również stał się jednym z wiodących światowych ekspertów w dziedzinie perfum była inspirowana teorii drgań zapach, pierwszy zaproponował chemik Malcolm Dyson 1938. Po tym, jak Torino po raz pierwszy uchwycił ideę Dysona w latach dziewięćdziesiątych, zaczął szukać cząsteczek, aby przetestować tę teorię. Skoncentrował się na związkach siarki, które mają unikalny zapach i charakterystyczne wibracje molekularne. Wtedy Turin musiał zidentyfikować całkowicie niezwiązany związek, o kształcie cząsteczkowym innym niż siarka, ale z tą samą częstotliwością wibracji, aby zobaczyć, czy jest coś takiego jak siarka. Ostatecznie znaleziono cząsteczkę zawierającą bor. Musiała pachnieć jak siarka. "Tutaj robię to", mówi, "Myślę, że to nie może być zbieg okoliczności".

Odkąd odkrył to wrażenie węchowe, Turin zebrał eksperymentalne dowody na poparcie tego pomysłu i współpracował z Horsfieldem nad opracowaniem teoretycznych szczegółów. Pięć lat temu Turyn i jego koledzy zaprojektowali eksperyment, w którym niektóre cząsteczki wodoru w zapachu zostały zastąpione deuterem, izotopem wodoru z neutronem w jądrze i odkryli, że ludzie mogą poczuć różnicę. Ponieważ wodór i deuter mają te same kształty cząsteczkowe, ale różne częstotliwości wibracji, wyniki ponownie sugerują, że nasze nosy mogą faktycznie wykrywać wibracje. Eksperymenty z muszkami owocowymi dały podobne wyniki.

Czy odczuwamy również wibracje?

Idea Turyn pozostaje kontrowersyjna - jego dane eksperymentalne podzieliła interdyscyplinarna społeczność badaczy węchu. Ale jeśli mają rację, a oprócz kształtów, odczuwamy również wibracje, jak radzą sobie nasze nosy? Turin spekulował, że można tu zawrzeć efekt kwantowy, zwany tunelowaniem. W mechanice kwantowej elektrony i wszystkie inne cząstki mają podwójną naturę - każda jest zarówno cząstką, jak i falą. To czasami umożliwia ruch elektronów przez materiały takie jak tunel, w sposób, który byłby zabroniony przez cząsteczki zgodnie z zasadami klasycznej fizyki.

Wibracje molekularne zapachu mogą zapewnić skok energii w dół energii potrzebnej elektronom, aby przeskoczyć z jednej części receptora zapachu do drugiej. Szybkość skoku zmienia się wraz z różnymi cząsteczkami, co powoduje impulsy nerwowe, które powodują w mózgu percepcję różnych zapachów.

Więc nasz nos może być wyrafinowanym wykrywaczem elektronicznym. W jaki sposób nasze nosy ewoluują, aby wykorzystać takie kwantowe osobliwości?

Turyn mówi:

"Myślę, że nie doceniamy tej technologii, aby powiedzieć kilka linii. Cztery miliardy lat badań i rozwoju z nieograniczonym finansowaniem to długi czas na ewolucję. Ale nie sądzę, że to jest najbardziej niezwykła rzecz w życiu. "

Mechanika kwantowa

Więcej części z serii