Kvanttimekaniikan avulla voit nähdä, tuntea ja koskettaa hiukkasia (1-osa)

21. 11. 2018
6. kansainvälinen eksopolitiikan, historian ja henkisyyden konferenssi

Mikä se on? kvanttimekaniikka ja miten se alkoi? Jos Max Planck ei jättänyt huomiotta yhtä huonoa neuvontaa, hän ei koskaan käynnistäisi vallankumousta atomismissa. Keskeinen hetki oli 1878, kun nuori Planck pyysi erästä professoriaan harjoittaessaan uraa fysiikassa. Professori Philip von Jolly kertoi Planckille löytää toisen työpaikan. Kaikki tärkeät fysiikan löydöt on jo tehty, vakuutti nuoren suojelijansa professori.

Kuten Planck muistutti myöhemmin, von Jolly sanoi,

"Physics voidaan jatkaa vielä marginaalisesti, tutkimiseen ja laittoi järjestykseen ja tamtoho tuon, mutta järjestelmä kokonaisuutena pysyy paikallaan ja teoreettisen fysiikan merkittävästi loppusuoralla."

Asettamalla yksi niistä pienistä asioista käytännössä, kävi ilmi, että hän lopulta sai sen Planck Nobel-palkinto ja hän syntyi kvanttimekaniikka. Epämiellyttävä pieni asia oli hyvin yleinen ilmiö: Miksi esineet syntyvät tavassa, jolla he suorittavat sen lämpenemisen aikana? Kaikki materiaalit, riippumatta siitä, mitä ne on valmistettu, käyttäytyvät samoin nousevissa lämpötiloissa - ne säteilevät värejä punaisia, keltaisia ​​ja lopulta valkoisia. 19illa ei ole fyysistä. vuosisata ei voinut selittää tätä näennäisen yksinkertaista prosessia.

Ongelma näytti olevan "ultraviolettisäiliö", koska paras teoria ennusti, että erittäin korkeissa lämpötiloissa lämmitettävät esineet saisivat lyhyimmän aallonpituuden energian. Koska tiedämme, että voimakas virta ei tuota hehkulamppuja tällaisiin kuoleman energialähteisiin, fysiikka 19: ssä. Täällä ei selvästikään ollut viimeistä sanaa.

Energia voi imeytyä

Planck löysi vastauksen jo 1900: ssä, josta tuli moderni osuma. Itse asiassa hän ajatteli, että energiaa voitaisiin absorboida tai välittää vain erillisinä määrinä tai määrinä. Se oli radikaali poikkeama klassisesta fysiikasta, joka väitti, että energia kulki jatkuvan jatkuvan virtauksen läpi. Tuolloin Planckilla ei ollut teoreettista syytä, mutta se osoittautui myös toimivaksi. Sen kvantti vähentää tehokkaasti energian määrää, joka lämmitetyt esineet voisivat vapautua missä tahansa lämpötilassa. Lopuksi, ei ole tappavia ultraviolettisäteitä!

Quantum Revolution

Näin kvanttimuutos alkoi. Kesti vuosikymmeniä teoreettisesta työstä Albert Einstein, Werner Heisenberg, Niels Bohr ja muut titaanien fysiikan, joten se muutti Planck inspiraation kattavaa teoriaa, mutta se oli vasta alkua, koska kukaan ei oikein ymmärtänyt, mitä oli tapahtumassa esineitä kuumennettaessa.

Teoria kvanttimekaniikka, joka käsittelee hiukkasten ja energialähetysten valtakunnassa pienimpien hiukkasten peräisin jokapäiväisessä kokemus ja kaikki on näkymätön meidän kömpelö sensorium. Kaikki ei ole täysin näkymätön! Jotkut kvantti-ilmiöiden on piilotettu näkyvistä, vaikka ne ovat valoisia ja kaunis kuin auringon säteet ja glitter tähdet, kuin mitään muuta, jota ei voitu täysin selittää ennen kynnyksellä kvanttimekaniikka.

Kuinka monta kvanttimaailman ilmiötä voimme kokea jokapäiväisessä elämässä? Mitä tietoa aistit löytävät todellisen todellisuuden luonteesta? Loppujen lopuksi, kuten alkuperäinen teoria osoittaa, kvantti-ilmiöt voivat olla aivan nenän alla. Itse asiassa ne voivat tapahtua juuri nenämme.

Quantum puskurin

Mitä tapahtuu nenänne, kun heräät ja tunsit tuoksun kahvia tai viipaleita leipää kuolemattomaan leivänpaahtimeen? Tämä aistien urut kasvoille, se on vain vaikutelma. Aivan kuten Enrico Fermi, joka rakensi ensimmäisen ydinreaktorin maailmalle, paisti kerran sipulia, olisi mukavaa ymmärtää, miten aistinvaraiset orgasmi toimivat.

Quantum Mechanics (© Jay Smith)

Joten valehtelet sängyssä ja ajattele tuoreen paahdetun paahtoleivän valmistelusta. Tuoksumolekyylit virtaavat ilmasta. Hengitys vetää joitain näistä molekyyleistä nenän onteloon silmiesi välissä juuri suun yläpuolella. Molekyypit kiinnittyvät nenäkammion pinnalle limakalvokerrokseen ja jäävät olfaktorireseptoreihin. Hajusteen hermot riippuvat aivojen kaltaisista meduusoista, ne ovat ainoa osa keskushermostoa, joka on jatkuvasti alttiina ulkomaaille.

Seuraava tapaus ei ole täysin selvä. Tiedämme, että tuoksumolekyylit sitoutuvat mihin tahansa 400: n erilaisiin reseptoreihin limakalvon pinnalla, emme tiedä tarkkaan, miten ja miten tämä yhteys aiheuttaa hajuhaitamme. Miksi haju on niin vaikea ymmärtää?

Andrew Horsfield, tutkija Imperial College Lontoossa, sanoo:

"Tämä johtuu osittain kokeiden suorittamisen vaikeudesta hajureseptoreiden sisällä tapahtuvan tutkimiseksi."

Kuinka haju toimii

Tavanomainen selitys tuoksun toiminnalle näyttää yksinkertaiselta: reseptorit ottavat molekyylien hyvin erityisiä muotoja. Ne ovat kuin lukot, jotka voidaan avata vain oikeilla näppäimillä. Tämän teorian mukaan kukin nenään tuleva molekyyli sopii joukkoihin reseptoreita. Aivot tulkitsevat ainutlaatuisen yhdistelmän molekyyliaktivoituja reseptoreita, kuten kahvihaju. Toisin sanoen tunnemme molekyylien muodot! Avaimen avaamismallissa on kuitenkin perustavanlaatuinen ongelma.

Horsfield sanoo:

"Sinulla voi olla molekyylejä, joilla on hyvin erilaisia ​​muotoja ja sävellyksiä, jotka kaikki antavat sinulle saman tunteen."

Näyttää siltä, ​​että mukana on oltava jotain muutakin kuin pelkkä muoto, mutta mitä? Kiistanalainen vaihtoehto tälle mallille viittaa siihen, että aistimme aktivoituu paitsi molekyylien muodon lisäksi myös näiden molekyylien värähtelyn avulla. Kaikki molekyylit värisevät jatkuvasti tietyllä taajuudella rakenteensa perusteella. Voisiko nenämme jotenkin paljastaa näiden värähtelytaajuuksien erot? Alexander Flemingin Kreikan biolääketieteellisen tutkimuskeskuksen biofyysikko Luca Turin uskoo pystyvänsä.

Tuoksun värähtelyteoria

Torino, joka myös tuli yksi maailman johtavista asiantuntijoista hajuvesi innostui tärinä teoria tuoksu, ehdotti ensimmäisenä kemisti Malcolm Dyson 1938. Jälkeen Torinon luvun ensimmäisen kerran Dyson kiinni ajatuksesta, hän alkoi etsiä molekyylejä, joiden avulla hän voi testata tätä teoriaa. Keskittynyt rikkiyhdisteiden, joka on ainutlaatuinen tuoksu ja ominaisuus molekyyli- tärinää. Turin sitten tunnistamiseksi tarvittavat liity mitenkään yhdisteitä, joilla on erilaiset moolimassat muoto kuin rikki, mutta sama värähtelyjen taajuuden määrittämiseksi, onko jotain rikki. Lopulta löydettiin booripitoinen molekyyli. Hän on hajuinen kuin rikki. "Tässä olen tässä kappelissa", hän sanoo, "Mielestäni se ei voi olla sattumaa."

Siitä lähtien, kun hän löysi tämän hajuaistin, Torino oli kerännyt kokeellisia todisteita ajatuksen tueksi ja työskennellyt Horsfieldin kanssa teoreettisten yksityiskohtien selvittämiseksi. Viisi vuotta sitten Torino ja hänen kollegansa suunnittelivat kokeen, jossa osa tuoksussa olevista vetymolekyyleistä korvattiin deuteriumilla, vedyn isotoopilla, jonka ytimessä oli neutroni, ja havaitsivat, että ihmiset voisivat tuntea eron. Koska vedyllä ja deuteriumilla on samat molekyylimuodot, mutta erilaiset värähtelytaajuudet, tulokset viittaavat jälleen siihen, että nenämme pystyy todella havaitsemaan tärinää. Hedelmäkärpästen kokeet ovat osoittaneet samanlaisia ​​tuloksia.

Tunseko myös tärinää?

Torinon ajatus on edelleen kiistanalainen - hänen kokeilutietonsa jakautuivat haju-tutkijoiden välitieteelliseen yhteisöön. Mutta jos he ovat oikeassa, ja muotojen lisäksi tunnemme myös tärinät, miten nenämme tekevät sen? Torino arveli, että tähän voidaan sisällyttää kvanttivaikutus, tunnelointi. Kvanttimekaniikassa elektronit ja kaikki muut hiukkaset ovat luonteeltaan kaksijakoisia - kukin niistä on sekä hiukkasia että aaltoja. Tämä mahdollistaa toisinaan elektronien liikkumisen materiaalien kaltaisilla materiaaleilla kuten tunnelilla tavalla, joka olisi kielletty hiukkasilla klassisen fysiikan sääntöjen mukaisesti.

Hajun molekyylivärinä voi antaa energian hypätä alas energiaan, jonka elektronien on siirryttävä hajureseptorin yhdestä osasta toiseen. Hyppynopeus muuttuu eri molekyylien kanssa, mikä aiheuttaa hermoimpulsseja, jotka luovat aivoihin käsityksen erilaisista hajuista.

Niin nenämme voi olla hienostunut elektroninen ilmaisin. Miten meidän nenät kehittyisivät hyödyntämään tällaisia ​​kvanttiominaisuuksia?

Turin sanoo:

"Uskon, että aliarvioimme tätä tekniikkaa, sanomme muutaman rivin. Neljä miljardia vuotta tutkimusta ja kehitystä rajoittamattoman rahoituksen kanssa on pitkä aika evoluutiolle. Mutta en usko, että se on hämmästyttävin asia elämässä. "

Kvanttimekaniikka

Lisää osia sarjasta