A kvantummechanika lehetővé teszi részecskék látását, tapintását és megérintését (1. rész)

21. 11. 2018

Mi az kvantummechanika és hogy kezdődött? Ha Max Planck nem hagyott volna figyelmen kívül egy rossz tanácsot, az atomisztika forradalma soha nem kezdődött volna meg. A kulcsfontosságú pillanat 1878-ban következett be, amikor egyik professzora megkérdezte a fiatal Planckot, hogy folytatná-e a fizikai karriert. Philip von Jolly professzor azt mondta Plancknak, hogy találjon más munkát. Állítólag minden fontos felfedezés a fizikában már megtörtént - biztosította a professzor fiatal pártfogoltját.

Mint Planck később felidézte, von Jolly azt mondta neki:

"A fizika marginálisan folytatódhat, ennek vagy annak feltárásával vagy megrendelésével, de a rendszer egésze lehorgonyzott, és az elméleti fizika a befejezéshez közeledik."

Azzal, hogy az egyik ilyen apróságot a gyakorlatba ültette, kiderült, hogy végre megkapta Planck Nobel-díj és megszületett kvantummechanika. A kényelmetlen részlet nagyon gyakori jelenség volt: Miért sugározzák a tárgyak úgy, ahogy melegítik?? Minden anyag, függetlenül attól, hogy milyen anyagból készült, növekvő hőmérsékleten ugyanúgy viselkedik - vörös, sárga és végül fehér színt bocsát ki. A 19. században egyetlen fizikus sem tudta megmagyarázni ezt a látszólag egyszerű folyamatot.

A probléma „ultraibolya katasztrófaként” jelent meg, mert a legjobb elmélet azt jósolta, hogy a nagyon magas hőmérsékletre melegített tárgyaknak a legtöbb rövidhullámú energiát kell kibocsátaniuk. Mivel tudjuk, hogy az erős áram nem vezeti a villanykörtéket ilyen energikus halálsugarakba, a 19. századi fizika nyilvánvalóan nem itt mondta ki az utolsó szót.

Az energia felszívódhat

Planck még 1900-ban megtalálta a választ azzal, ami modern sláger lett. Valójában sejtette, hogy az energiát csak diszkrét kvantumokban, vagy mennyiségekben lehet felvenni vagy továbbadni. Gyökeres eltérés volt a klasszikus fizikától, amely azt állította, hogy az energia folyamatos, folyamatos áramban áramlik. Abban az időben Plancknak ​​nem volt elméleti igazolása, de mégis így alakult. Kvantuma hatékonyan korlátozta az energiamennyiséget, amelyet a fűtött tárgyak bármilyen hőmérsékleten felszabadíthatnak. Így végül nincsenek halálos ultraibolya sugarak!

Kvantumforradalom

Így kezdődött a kvantumforradalom. Albert Einstein, Werner Heisenberg, Niels Bohr és más fizikai titánok évtizedes elméleti munkája kellett ahhoz, hogy Planck inspirációja holisztikus elméletté váljon, de ez csak a kezdet volt, mert senki sem értette teljesen, mi történt a tárgyakkal, amikor bemelegítettek.

Az eredményül kapott elmélet a kvantummechanika, amely részecskékkel és energiaátadásokkal foglalkozik a legkisebb részecskék területén, mindennapi tapasztalatainkból és mindabból, ami láthatatlan esetlen érzékszervi apparátusunk számára. Nem minden teljesen láthatatlan! Néhány kvantumhatás el van rejtve a szem elől, bár világosak és gyönyörűek, például a napsugarak és a csillagok csillogása, olyan, mint amit a kvantummechanika megjelenése előtt nem lehetett teljesen megmagyarázni.

Hány jelenséget tapasztalhatunk meg a mindennapi életünkben a kvantumvilágból? Milyen információkat fedezhetnek fel érzékeink a valóság valódi természetében? Végül is, ahogy az eredeti elmélet mutatja, a kvantumjelenségek közvetlenül az orrunk alatt fekszenek. Valójában közvetlenül az orrunkban játszódhatnak le.

Kvantfarkú

Mi történik az orrodban, amikor felébredsz és kávé vagy szelet kenyérszagot érsz a halhatatlan kenyérpirítóban? Csak egy benyomás ez az érzékszerv az arcon. Ahogyan a világ első atomreaktorát építő Enrico Fermi egykor hagymát sült, megjegyezte, jó lenne megérteni érzékszervünk működését.

Kvantummechanika (© Jay Smith)

Tehát az ágyban fekszik és azon gondolkodik, hogy friss pirítóst készítsen. Illatmolekulák áramlanak a levegőn. Légzésed e molekulák egy részét behúzza a szemed közötti orrüregbe, közvetlenül a száj fölé. A molekulák az orrüreg felszínén lévő nyálkahártyaréteghez kapcsolódnak, és beszorulnak a szagló receptorokba. A szaglóidegek úgy lógnak az agyból, mint a medúza csápjai, ezek a központi idegrendszer egyetlen része, amely folyamatosan ki van téve a külvilágnak.

Ami ezután történik, nem teljesen világos. Tudjuk, hogy a szagmolekulák a nyálkahártya felszínén található 400 különböző receptor egyikéhez kötődnek, nem tudjuk pontosan, mi és hogyan teremti meg a szaglásunkat ez az érintkezés. Miért olyan nehéz megérteni a szagot?

Andrew Horsfield, a londoni Imperial College kutatója azt mondja:

"Részben annak köszönhető, hogy nehéz kísérleteket végrehajtani annak ellenőrzésére, hogy mi történik a szagló receptorokon belül."

Hogyan működik az illat

Az illat működésének hagyományos magyarázata egyszerűnek tűnik: a receptorok a molekulák nagyon meghatározott alakját öltenek. Olyanok, mint a zárak, amelyeket csak megfelelő gombokkal lehet kinyitni. Ezen elmélet szerint az orrba kerülő molekulák mindegyike beilleszkedik egy receptorkészletbe. Az agy a molekulával aktivált receptorok egyedülálló kombinációját értelmezi, például a kávé illatát. Más szavakkal, érezzük a molekulák alakját! Van azonban egy alapvető probléma a „kulcsnyitás” modellel.

Horsfield szerint:

"Nagyon különböző formájú és összetételű molekulái lehetnek, amelyek mindegyike ugyanazt a benyomást kelti."

Úgy tűnik, hogy nemcsak formának kell lennie valamiben, de mi van? E modell ellentmondásos alternatívája arra utal, hogy érzékünket nemcsak a molekulák alakja aktiválja, hanem az is, hogy ezek a molekulák rezegnek. Minden molekula szerkezetük alapján állandóan rezeg egy bizonyos frekvencián. Meg tudná-e valahogy mutatni az orrunk a rezgési frekvenciák különbségeit? Luca Turin, az Alexander Fleming görög Orvosbiológiai Kutatóközpont biofizikusa úgy véli, hogy képesek rá.

A szag rezgéselmélete

Torinót, aki a világ egyik vezető parfümszakértőjévé is vált, az illat rezgéselmélete ihlette, amelyet először Malcolm Dyson kémikus javasolt 1938-ban. Miután Torino az XNUMX-es években először felfogta Dyson ötletét, Torino olyan molekulákat kezdett keresni, amelyek lehetővé tennék számára ezt. teszt. A kénvegyületekre összpontosított, amelyek egyedi szaggal és jellegzetes molekuláris rezgésekkel rendelkeznek. Torinónak akkor egy teljesen független vegyületet kellett azonosítania, amelynek molekulája más, mint a kéné, de ugyanolyan rezgési frekvenciával rendelkezik, hogy lássa, létezik-e egyáltalán kén. Végül talált egyet, egy bórt tartalmazó molekulát. Határozottan kénszagú volt. - Itt estem neki - mondja -, nem hiszem, hogy ez véletlen lehet.

Attól a pillanattól kezdve, hogy felfedezte ezt a szaglást, Torino kísérleti bizonyítékokat gyűjtött össze az ötlet alátámasztására, és Horsfielddel együtt dolgozott elméleti részletek kidolgozásán. Öt évvel ezelőtt Torino és munkatársai egy kísérletet készítettek, amelynek során egy illatban található hidrogénmolekulák egy részét deutérium, a hidrogén izotópja helyettesítette, a neutronban a magban, és megállapították, hogy az emberek ilyen különbséget érezhetnek. Mivel a hidrogénnek és a deutériumnak ugyanaz a molekuláris alakja, de eltérő a rezgési frekvenciája, az eredmények ismét arra utalnak, hogy az orrunk valóban képes észlelni a rezgéseket. A gyümölcslegyekkel végzett kísérletek hasonló eredményeket mutattak.

Érezünk rezgéseket is?

Torino ötlete továbbra is ellentmondásos - kísérleti adatai megosztották a szagláskutatók interdiszciplináris közösségét. De ha igazuk van, és a formák mellett rezgéseket is érzünk, az orrunk hogyan csinálja? Torino feltételezte, hogy kvantumhatás, úgynevezett alagútépítés is beilleszthető. A kvantummechanikában az elektronoknak és az összes többi részecskének kettős természete van - mindegyik részecske és hullám is. Ez időnként lehetővé teszi az elektronok számára, hogy az anyagok egy alagúton keresztül mozogjanak, oly módon, amely a klasszikus fizika szabályai szerint tilos lenne a részecskék számára.

A szag molekuláris rezgése olyan energiaugrást eredményezhet, amelyre az elektronoknak a szagreceptor egyik részéről a másikra kell ugraniuk. Az ugrás sebessége különböző molekuláknál változik, ami idegi impulzusokat okoz, amelyek az agyban különböző szagok észlelését keltik.

Tehát az orrunk kifinomult elektronikus detektor lehet. Hogyan fejlődhetett az orrunk ilyen módon, hogy kihasználja az ilyen kvantum sajátosságokat?

Torino azt mondja:

"Azt hiszem, ezt a technológiát, úgymond, néhány nagyságrenddel alábecsüljük. Négy milliárd éves, korlátlan finanszírozású kutatás és fejlesztés hosszú idő az evolúció számára. De nem hiszem, hogy ez a legcsodálatosabb dolog, amit az élet tesz. "

Kvantummechanika

A sorozat egyéb részei