Kvantna mehanika vam omogućava da vidite, osjetite i dodirnete čestice (1. dio)

21. 11. 2018
6. međunarodna konferencija egzopolitike, istorije i duhovnosti

Šta je kvantna mehanika i kako je počelo? Da Max Planck nije zanemario jedan loš savjet, revolucija u atomistici nikada ne bi započela. Ključni trenutak dogodio se 1878. godine, kada je jedan od njegovih profesora pitao mladog Plancka da li će nastaviti karijeru u fizici. Profesor Philip von Jolly rekao je Plancku da nađe drugi posao. Kaže se da su sva važna otkrića u fizici već napravljena, uvjeravao je profesor svog mladog štićenika.

Kao što se Planck kasnije prisjetio, von Jolly mu je rekao:

"Fizika može nastaviti marginalno, istražujući ili naređujući to i to, ali sistem u cjelini je usidren i teorijska fizika je pri kraju."

Primjenjujući jednu od tih sitnica u praksi, ispostavilo se da ju je napokon i dobio Planckova Nobelova nagrada i ona je rođena kvantna mehanika. Neugodan detalj bio je vrlo čest fenomen: Zašto predmeti zrače onako kako zrače kada se zagrijavaju? Svi materijali, bez obzira od čega su napravljeni, ponašaju se isto pri povišenim temperaturama - emitiraju crvenu, žutu i na kraju bijelu. Nijedan fizičar u 19. stoljeću nije mogao objasniti ovaj naizgled jednostavan postupak.

Problem se pojavio kao „ultraljubičasta katastrofa“ jer je najbolja teorija predviđala da bi objekti zagrijani na vrlo visoke temperature trebali emitirati najviše energije kratkih valova. Budući da znamo da jaka struja neće dovesti sijalice u tako energetske zrake smrti, fizika u 19. stoljeću ovdje očito nije imala zadnju riječ.

Energija se može apsorbirati

Planck je odgovor pronašao davne 1900. godine onim što je postalo moderni hit. U stvari, pretpostavio je da se energija može apsorbirati ili prenijeti samo u diskretnim kvantima ili količinama. Bio je to radikalan odmak od klasične fizike, koja je tvrdila da energija teče u kontinuiranom, neprekidnom toku. U to vrijeme Planck za to nije imao teoretskog opravdanja, ali ispostavilo se da je to tako i uspjelo. Njegov kvant je efikasno ograničio količinu energije koju zagrijani predmeti mogu osloboditi na bilo kojoj temperaturi. Tako da na kraju nema smrtonosnih ultraljubičastih zraka!

Kvantna revolucija

Tako je započela kvantna revolucija. Trebale su desetljeća teoretskog rada Alberta Einsteina, Wernera Heisenberga, Nielsa Bohra i drugih titana fizike da Planckovu inspiraciju pretvore u holističku teoriju, ali to je bio tek početak, jer nitko nije u potpunosti razumio što se dogodilo s objektima kad su se zagrijali.

Teorija kvantne mehanike, koja se bavi čestica i energije prenose u domenu najsitnije čestice izveden iz našeg svakodnevnog iskustva i sve ono što je nevidljiva našim nespretnim senzorijum. Nije sve potpuno nevidljivo! Neki kvantni efekti su skriveni od pogleda, iako su svijetle i lijepe kao sunčeve zrake i sjaj zvezda, kao i sve ostalo što se ne može u potpunosti objasniti pre pojave kvantne mehanike.

Koliko fenomena iz kvantnog svijeta možemo iskusiti u svom svakodnevnom životu? Koje informacije naša čula mogu otkriti u pravoj prirodi stvarnosti? Napokon, kako pokazuje originalna teorija, kvantni fenomeni mogu nam ležati pod nosom. Zapravo, mogu se odvijati točno u našem nosu.

Quantum tailed

Šta vam se dogodi u nosu kada se probudite i osjetite miris kafe ili kriške hljeba u svom besmrtnom tosteru? To je samo utisak za ovaj senzorni organ na licu. Kao što je primijetio Enrico Fermi, koji je izgradio prvi svjetski nuklearni reaktor, nekada prženi luk, bilo bi lijepo razumjeti kako funkcionira naš osjetni organ.

Kvantna mehanika (© Jay Smith)

Dakle, ležite u krevetu i razmišljate o svježem tostu. Molekuli mirisa struje zrakom. Vaše disanje uvlači neke od ovih molekula u nosnu šupljinu između očiju, tik iznad usta. Molekule se vežu za sloj sluznice na površini nosne šupljine i zarobljavaju se u njušnim receptorima. Njušni živci vise iz mozga poput pipaka meduze, oni su jedini dio središnjeg živčanog sustava koji je stalno izložen vanjskom svijetu.

Šta se dalje dešava nije potpuno jasno. Znamo da se molekuli mirisa vežu za jedan od 400 različitih receptora na površini sluznice, ne znamo tačno šta i kako taj kontakt stvara našu mirisnu senzaciju. Zašto je tako teško razumjeti miris?

Andrew Horsfield, istraživač na Imperial College London, kaže:

"Dijelom zbog poteškoća u provođenju eksperimenata kako bi se provjerilo što se događa unutar mirisnih receptora."

Kako miris djeluje

Uobičajeno objašnjenje kako miris djeluje izgleda jednostavno: receptori poprimaju vrlo specifične oblike molekula. Oni su poput brava koje se mogu otvoriti samo pravim tipkama. Prema ovoj teoriji, svaki od molekula koji ulazi u nos uklapa se u skup receptora. Mozak tumači jedinstvenu kombinaciju molekularno aktiviranih receptora, poput mirisa kafe. Drugim riječima, osjećamo oblike molekula! Međutim, postoji osnovni problem s modelom „otvaranja ključa“.

Horsfield kaže:

"Možete imati molekule vrlo različitih oblika i sastava, koji svi ostavljaju isti dojam."

Čini se da mora biti uključeno nešto više od samog oblika, ali šta? Kontroverzna alternativa ovom modelu sugerira da je naš osjećaj aktiviran ne samo oblikom molekula, već i načinom na koji ti molekuli vibriraju. Svi molekuli stalno vibriraju na određenoj frekvenciji, na osnovu njihove strukture. Može li naš nos nekako otkriti razlike u tim vibracijskim frekvencijama? Luca Turin, biofizičar iz Centra za biomedicinska istraživanja Aleksandra Fleminga u Grčkoj, vjeruje da mogu.

Teorija vibracija mirisa

Torino, koji je također postao jedan od vodećih svjetskih stručnjaka za parfeme, nadahnut je vibracijskom teorijom mirisa, koju je prvi predložio kemičar Malcolm Dyson 1938. Nakon što je Torino prvi put uhvatio Dysonovu ideju devedesetih, Torino je počeo tražiti molekule koji će mu to omogućiti. test. Fokusirao se na sumporne spojeve koji imaju jedinstveni miris i karakteristične molekularne vibracije. Torino je tada trebalo identificirati potpuno nepovezano jedinjenje, različitog molekularnog oblika od sumpora, ali s istom frekvencijom vibracija, kako bi utvrdio postoji li sumnja uopće. Na kraju je pronašao jedan, molekul koji sadrži bor. Definitivno je mirisao na sumpor. "Napao sam se ovdje", kaže on, "mislim da to ne bi mogla biti slučajnost."

Otkad je otkrio ovu mirisnu senzaciju, Torino je prikupio eksperimentalne dokaze koji podupiru tu ideju i surađivao s Horsfieldom na razradi teorijskih detalja. Prije pet godina Torino i njegove kolege osmislili su eksperiment u kojem su neke molekule vodonika u mirisu zamijenili deuterij, izotop vodonika s neutronom u jezgri, i otkrili da ljudi mogu osjetiti razliku. Budući da vodonik i deuterij imaju iste molekularne oblike, ali različite frekvencije vibracija, rezultati opet sugeriraju da naš nos zapravo može detektirati vibracije. Eksperimenti sa voćnim mušicama pokazali su slične rezultate.

Osjećamo li i vibracije?

Torinova ideja ostaje kontroverzna - njegovi eksperimentalni podaci podijelili su interdisciplinarnu zajednicu istraživača mirisa. Ali ako su u pravu, a osim oblika, osjećamo i vibracije, kako to rade naši nosovi? Torino je pretpostavio da bi mogao biti uključen kvantni efekt, takozvano tuneliranje. U kvantnoj mehanici, elektroni i sve ostale čestice imaju dvojaku prirodu - svaka je i čestica i talas. To ponekad omogućava elektronima da se kreću kroz materijale poput tunela, na način koji bi bio zabranjen česticama prema pravilima klasične fizike.

Molekularne vibracije mirisa mogu osigurati energetski skok prema dolje energiji koja je potrebna da elektroni preskoče s jednog dijela receptora mirisa na drugi. Brzina skoka se mijenja kod različitih molekula, što uzrokuje nervne impulse koji stvaraju u mozgu percepciju različitih mirisa.

Dakle, naš nos može biti sofisticirani elektronički detektor. Kako bi nam se nos mogao razvijati na ovaj način da iskoristi takve kvantne osobenosti?

Torino kaže:

"Mislim da potcjenjujemo ovu tehnologiju, da tako kažem, za nekoliko redova veličine. Četiri milijarde godina istraživanja i razvoja s neograničenim finansiranjem dugo je vrijeme za evoluciju. Ali mislim da to nije najnevjerovatnija stvar koju život čini. "

Kvantna mehanika

Ostali dijelovi iz serije