Kvantemekanik giver dig mulighed for at se, føle og røre partiklerne (1-del)

21. 11. 2018
6. internationale konference om exopolitik, historie og spiritualitet

Hvad er det? kvantemekanik og hvordan begyndte det? Hvis Max Planck ikke ignorerede et dårligt råd, ville han aldrig starte en revolution i atomismen. Nøglepunktet var 1878, da ung Planck spurgte en af ​​hans professorer om at forfølge en karriere inden for fysik. Professor Philip von Jolly fortalte Planck at finde et andet job. Alle de vigtige opdagelser i fysik er allerede blevet lavet, forsikret professoren i hans unge protektor.

Som Planck tilbagekaldte senere, sagde von Jolly,

"Physics kan fortsættes, selv marginalt, undersøge eller ibrugtagning orden og tamtoho af det, men systemet som helhed er forankret og teoretisk fysik betydeligt ved at være afsluttet."

Ved at sætte en af ​​disse små ting i praksis viste det sig, at han til sidst fik det Planck Nobelprisen og hun blev født kvantemekanik. Den ubehagelige lille ting involverede et meget almindeligt fænomen: Hvorfor genstande opstår som de gør under opvarmning? Alle materialer, uanset hvad de er lavet af, opfører sig det samme ved stigende temperaturer - de udstråler farver rød, gul og endelig hvid. Ingen fysiker i 19. århundrede kunne ikke forklare denne tilsyneladende enkle proces.

Problemet syntes at være "ultraviolet katastrofe", fordi den bedste teori forudsagde, at genstande opvarmet til meget høje temperaturer skulle udlede den mest korte bølgelængde energi. Da vi ved, at en stærk strøm ikke bringer lyspærer ind i sådanne energi stråler af døden, fysik ved 19. Der var tydeligvis ikke noget sidste ord her.

Energi kan absorberes

Planck fandt svaret allerede i 1900 med det, der blev et moderne hit. Faktisk troede han, at energi kun kunne absorberes eller overføres i diskrete mængder eller mængder. Det var en radikal afgang fra den klassiske fysik, der hævdede energi gennemstrømmet gennem en kontinuerlig, kontinuerlig strøm. På det tidspunkt havde Planck ingen teoretisk grund, men det viste sig også at fungere. Dens kvante reducerede effektivt mængden af ​​energi, de opvarmede genstande kunne frigive ved enhver temperatur. Endelig ingen døde ultraviolette stråler!

Quantum Revolution

Sådan begyndte kvanterevolutionen. Det tog årtiers teoretiske arbejde af Albert Einstein, Werner Heisenberg, Niels Bohr og andre titaner i fysik, så det ændret Planck inspiration til en omfattende teori, men det var kun begyndelsen, fordi ingen rigtig forstod, hvad der foregik med genstande, når det opvarmes.

Teorien om kvantemekanik, der beskæftiger sig med partikler og energi transmissioner i realm af de mindste partikler, der stammer fra vores daglige erfaring og alt, hvad der er usynligt for vores klodset sensorium. Ikke alt er helt usynligt! Nogle kvantevirkningerne er skjult af syne, selvom de er lyse og smukke som solens stråler og glitter af stjernerne, ligesom alt andet, der kunne ikke helt forklaret før indførelsen af ​​kvantemekanikken.

Hvor mange fænomener fra kvanteverdenen kan vi opleve i vores hverdag? Hvilke oplysninger kan vores sanser opdage i virkeligheden af ​​virkeligheden? Når alt kommer til alt, som den oprindelige teori viser, kan kvantefænomener ligge lige under vores næse. Faktisk kan de ske lige i vores næse.

Quantum kofanger

Hvad sker der i din næse, når du vågner op og føler duften af ​​kaffe eller et stykke brød i din udødelige brødrister? For dette sensoriske organ på ansigtet er det bare et indtryk. Ligesom Enrico Fermi, der byggede den første atomreaktor i verden, en gang stegte løg, ville det være rart at forstå, hvordan vores sensoriske organ fungerer.

Kvantemekanik (© Jay Smith)

Så du ligger i sengen og tænker på at forberede frisk ristet skål. Duftmolekyler strømmer gennem luften. Din vejrtrækning trækker nogle af disse molekyler ind i næsehulen mellem dine øjne lige over munden. Molekylerne er fastgjort til mucosallaget på overfladen af ​​næsehulen og fanget i de olfaktoriske receptorer. De lugtende nerver hænger fra hjernen som maneter, de er den eneste del af det centrale nervesystem, som hele tiden udsættes for omverdenen.

Hvad der sker næste er ikke helt klart. Vi ved, at duftmolekyler binder til nogen af ​​400s forskellige receptorer på overfladen af ​​slimhinden, vi ved ikke præcis hvordan og hvordan denne kontakt skaber vores lugtesans. Hvorfor er det så svært at forstå lugten?

Andrew Horsfield, en videnskabsmand ved Imperial College London, siger:

"Dette er delvis på grund af vanskeligheden ved at udføre eksperimenter for at undersøge, hvad der sker inde i luftreceptorerne."

Hvordan lugten virker

Den konventionelle forklaring på, hvordan duft fungerer, virker enkel: receptorer antager meget specifikke former for molekyler. De er som låse, der kun kan åbnes med de rigtige nøgler. Ifølge denne teori passer hvert af molekylerne, der kommer ind i næsen, i et sæt receptorer. Hjernen fortolker en unik kombination af molekyle-aktiverede receptorer, såsom lugt af kaffe. Med andre ord føler vi molekylernes former! Der er dog et grundlæggende problem med 'nøgleåbningsmodellen'.

Horsfield siger:

"Du kan have molekyler med meget forskellige former og kompositioner, som alle giver dig den samme følelse."

Det ser ud til, at noget mere end bare form skal være involveret, men hvad? Et kontroversielt alternativ til denne model antyder, at vores sans ikke kun aktiveres af molekylernes form, men også af den måde, disse molekyler vibrerer på. Alle molekyler vibrerer konstant med en bestemt frekvens baseret på deres struktur. Kunne vores næse på en eller anden måde afsløre forskellene i disse vibrationsfrekvenser? Luca Turin, en biofysiker ved Alexander Flemings biomedicinske forskningscenter i Grækenland, tror, ​​de kan.

Vibrationsteori af duften

Torino, som også blev en af ​​verdens førende eksperter på parfume blev inspireret vibrationer teori duft, først foreslået kemiker Malcolm Dyson i 1938. Efter at Torino først fangede Dysons idé i 90'erne, begyndte han at søge efter molekyler for at teste denne teori. Han fokuserede på svovlforbindelser, som har en unik lugt og karakteristiske molekylære vibrationer. Torino skulle derefter identificere en helt uafhængig forbindelse med en anden molekylform end svovl, men med den samme vibrationsfrekvens for at se, om der var noget som svovl. Endelig fandt man et borholdigt molekyle. Hun må have lugtede som svovl. "Her gør jeg det," siger han, "jeg synes det ikke kan være et tilfælde."

Lige siden han opdagede denne olfaktoriske fornemmelse, havde Torino samlet eksperimentelle beviser til støtte for ideen og havde arbejdet med Horsfield for at udarbejde teoretiske detaljer. For fem år siden designede Turin og hans kolleger et eksperiment, hvor nogle af brintmolekylerne i en duft blev erstattet af deuterium, en isotop af brint med en neutron i kernen, og fandt ud af, at mennesker kunne mærke forskellen. Fordi brint og deuterium har de samme molekylære former, men forskellige vibrationsfrekvenser, antyder resultaterne igen, at vores næser faktisk kan registrere vibrationer. Eksperimenter med frugtfluer har vist lignende resultater.

Føler vi også vibrationer?

Turins idé forbliver kontroversiel - hans eksperimentelle data opdelte det tværfaglige samfund af olfaktoriske forskere. Men hvis de har det rigtige, og foruden formerne, føler vi også vibrationerne, hvordan gør vores næse det? Torino spekulerede på, at en kvanteffekt, kaldet tunneling, kunne medtages her. I kvantemekanik har elektroner og alle andre partikler dobbelt karakter - hver af dem er både partikel og bølge. Dette tillader undertiden bevægelsen af ​​elektroner gennem materialer som en tunnel på en måde, der ville blive forbudt af partikler i overensstemmelse med klassiske fysikers regler.

Lugtens molekylære vibrationer kan give et energihop nedad til den energi, som elektroner har brug for for at hoppe fra en del af lugtreceptoren til en anden. Springets hastighed ændres med forskellige molekyler, hvilket forårsager nerveimpulser, der skaber opfattelsen af ​​forskellige lugte i hjernen.

Så vores næse kan være en sofistikeret elektronisk detektor. Hvordan kunne vores næse udvikle sig for at udnytte sådanne kvante egenskaber?

Torino siger:

"Jeg tror, ​​at vi undervurderer denne teknologi, for at sige et par linjer. Fire milliarder års forskning og udvikling med ubegrænset finansiering er lang tid for udvikling. Men jeg tror ikke, det er det mest fantastiske, som livet gør. "

Kvantemekanik

Flere dele fra serien