Квантна механика вам омогућава да видите, осетите и додирнете честице (1. део)

КСНУМКС. КСНУМКС. КСНУМКС
6. међународна конференција егзополитике, историје и духовности

Шта је то квантна механика и како је почело? Да Мак Планцк није игнорисао један лош савет, револуција у атомистици никада не би започела. Кључни тренутак догодио се 1878. године, када је једног од његових професора младог Планцка питао да ли ће наставити каријеру у физици. Професор Пхилип вон Јолли рекао је Планцку да нађе други посао. Каже се да су сва важна открића у физици већ направљена, уверавао је професор свог младог штићеника.

Као што се Планцк касније присетио, вон Јолли му је рекао:

„Физика може да настави маргинално, истражујући или наређујући ово и оно, али систем у целини је усидрен и теоријска физика је при крају.“

Спровођењем једне од тих ситница у пракси испоставило се да ју је коначно и добио Планцк Нобелова награда и она се родила квантна механика. Неугодан детаљ био је врло чест феномен: Зашто предмети зраче онако како зраче када се загревају? Сви материјали, без обзира од чега су направљени, понашају се исто при повећаним температурама - емитују црвену, жуту и ​​на крају белу боју. Ниједан физичар у 19. веку није могао објаснити овај наизглед једноставан процес.

Проблем се појавио као „ултраљубичаста катастрофа“ јер је најбоља теорија предвиђала да би предмети загрејани на врло високе температуре требали емитирати највише енергије кратких таласа. Пошто знамо да јака струја неће довести сијалице у тако енергетске зраке смрти, физика у 19. веку овде очигледно није имала последњу реч.

Енергија се може апсорбовати

Планцк је одговор пронашао давне 1900. године оним што је постало модерни хит. У ствари, претпоставио је да се енергија може апсорбовати или преносити само у дискретним квантима или количинама. Био је то радикалан одмак од класичне физике, која је тврдила да енергија тече у непрекидном, непрекидном току. У то време Планцк није имао теоретског оправдања за то, али се ипак показало да тако функционише. Његов квант је ефикасно ограничио количину енергије коју загрејани предмети могу да ослободе на било којој температури. Тако да на крају нема смртоносних ултраљубичастих зрака!

Квантна револуција

Тако је започела квантна револуција. Требале су деценије теоретског рада Алберта Ајнштајна, Вернера Хајзенберга, Ниелса Бор-а и других титана физике да Планкову инспирацију претворе у холистичку теорију, али то је био тек почетак, јер нико није у потпуности разумео шта се догодило са објектима када су се загрејали.

Резултат теорије је квантна механика која се бави честицама и преносима енергије у царству најмањих честица, изведених из нашег свакодневног искуства и свега што је невидљиво за наш неспретни чулни апарат. Није све потпуно невидљиво! Неки квантни ефекти су скривени од погледа, иако су јасни и лепи, попут сунчевих зрака и сјаја звезда, попут нечега што се није могло објаснити у потпуности пре појаве квантне механике.

Колико феномена из квантног света можемо доживети у свом свакодневном животу? Које информације наша чула могу открити у правој природи стварности? Напокон, како показује оригинална теорија, квантни феномени могу нам лежати под носом. У ствари, они се могу одвијати у нашем носу.

Куантум таилед

Шта вам се догоди у носу када се пробудите и у свом бесмртном тостеру нањушите кафу или парче хлеба? То је само утисак за овај сензорни орган на лицу. Као што је приметио Енрицо Ферми, који је изградио први нуклеарни реактор на свету, некада пржени лук, било би лепо разумети како функционише наш сензорни орган.

Квантна механика (© Јаи Смитх)

Дакле, лежите у кревету и размишљате о прављењу свежег тоста. Молекули мириса струје ваздухом. Ваше дисање увлачи неке од ових молекула у носну шупљину између очију, одмах изнад уста. Молекули се вежу за слој слузокоже на површини носне шупљине и заробљавају се у мирисним рецепторима. Њушни нерви висе из мозга попут пипака медузе, они су једини део централног нервног система који је стално изложен спољном свету.

Шта се даље дешава није потпуно јасно. Знамо да се молекули мириса везују за један од 400 различитих рецептора на површини слузнице, не знамо тачно шта и како овај контакт ствара нашу олфакторну сензацију. Зашто је тако тешко разумети мирис?

Андрев Хорсфиелд, истраживач са Империал Цоллеге Лондон, каже:

„Делимично због потешкоћа у спровођењу експеримената како би се проверило шта се дешава унутар мирисних рецептора.“

Како делује мирис

Уобичајено објашњење како мирис делује делује једноставно: рецептори попримају врло специфичне облике молекула. Они су попут брава које се могу отворити само правим тастерима. Према овој теорији, сваки од молекула који улази у нос уклапа се у скуп рецептора. Мозак тумачи јединствену комбинацију молекула активираних рецептора, попут мириса кафе. Другим речима, осећамо облике молекула! Међутим, постоји основни проблем са моделом „отварања кључа“.

Хорсфиелд каже:

„Можете имати молекуле врло различитих облика и састава, који сви остављају исти утисак.“

Чини се да мора бити укључено нешто више од самог облика, али шта? Контроверзна алтернатива овом моделу сугерише да се наш осећај активира не само обликом молекула, већ и начином на који ови молекули вибрирају. Сви молекули стално вибрирају на одређеној фреквенцији, на основу њихове структуре. Да ли би наш нос могао некако да открије разлике у тим вибрационим фреквенцијама? Луца Турин, биофизичар из Центра за биомедицинска истраживања Александра Флеминга у Грчкој, верује да могу.

Теорија вибрација мириса

Торино, који је такође постао један од водећих светских стручњака за парфеме, инспирисан је вибрационом теоријом мириса, коју је први предложио хемичар Малцолм Дисон 1938. Након што је Торино деведесетих први пут схватио Дајсонову идеју, Торино је почео да тражи молекуле који ће му то омогућити. тест. Усредсредио се на сумпорна једињења која имају јединствени мирис и карактеристичне молекуларне вибрације. Торино је тада требало да идентификује потпуно неповезано једињење, различитог молекуларног облика од сумпора, али са истом фреквенцијом вибрација, да би видело да ли уопште постоји нешто попут сумпора. На крају је пронашао један, молекул који садржи бор. Дефинитивно је мирисао на сумпор. „Напао сам се овде", каже он, „мислим да то не може бити случајност."

Откад је открио ову мирисну сензацију, Торино је прикупио експерименталне доказе који подупиру ту идеју и сарађивао је са Хорсфиелдом на теоријским детаљима. Пре пет година, Торино и његове колеге осмислили су експеримент у којем су неки од молекула водоника у мирису замењени деутеријумом, изотопом водоника са неутроном у језгру, и открили да људи могу да осете такву разлику. Будући да водоник и деутеријум имају исти молекуларни облик, али различите фреквенције вибрација, резултати поново сугеришу да наш нос заиста може да детектује вибрације. Експерименти са воћним мушицама показали су сличне резултате.

Да ли и ми осећамо вибрације?

Торинова идеја остаје контроверзна - његови експериментални подаци поделили су интердисциплинарну заједницу истраживача мириса. Али ако су у праву, а поред облика осећамо и вибрације, како то раде наши носови? Торино је претпостављао да би могао бити укључен и квантни ефекат, такозвано тунелирање. У квантној механици, електрони и све остале честице имају двојаку природу - свака је и честица и талас. То понекад омогућава електронима да се крећу кроз материјале попут тунела, на начин који би био забрањен честицама према правилима класичне физике.

Молекуларне вибрације мириса могу да обезбеде енергетски скок низ енергију која је потребна електронима да би прескочили са једног дела рецептора мириса на други. Брзина скока се мења код различитих молекула, што узрокује нервне импулсе који стварају у мозгу перцепцију различитих мириса.

Дакле, наш нос може бити софистицирани електронски детектор. Како би нам нос могао еволуирати на овај начин да искористи такве квантне особености?

Торино каже:

„Мислим да потцењујемо ову технологију, да тако кажем, за неколико редова величине. Четири милијарде година истраживања и развоја са неограниченим финансирањем дуго је време за еволуцију. Али мислим да то није нешто невероватно што живот чини “.

Квантна механика

Остали делови из серије