Mis see on kvantmehaanika ja kuidas see algas? Kui Max Planck poleks ignoreerinud üht halba nõu, poleks atomistika revolutsioon kunagi alanud. Peamine hetk saabus 1878. aastal, kui üks tema professoritest küsis noorelt Planckilt, kas ta jätkab füüsikukarjääri. Professor Philip von Jolly käskis Planckil leida teine ​​töökoht. Väidetavalt on kõik olulised avastused füüsikas juba tehtud, kinnitas professor oma noorele kaitsealusele.

Nagu Planck hiljem meenutas, ütles von Jolly talle:

"Füüsika võib jätkuda marginaalselt, uurides või tellides seda ja teist, kuid süsteem tervikuna on ankurdatud ja teoreetiline füüsika on lõpusirgel."

Ühe neist pisiasjadest ellu viies selgus, et ta sai selle lõpuks kätte Plancki Nobeli preemia ja ta sündis kvantmehaanika. Ebamugav detail oli väga levinud nähtus: Miks esemed kiirgavad kuumutamise viisi? Kõik materjalid, olenemata sellest, millest need on valmistatud, käituvad suurenevatel temperatuuridel samamoodi - nad eraldavad punast, kollast ja lõpuks valget. Ükski 19. sajandi füüsik ei suutnud seda pealtnäha lihtsat protsessi selgitada.

Probleem ilmnes ultraviolettkatastroofina, kuna parim teooria ennustas, et väga kõrgel temperatuuril kuumutatud objektid peaksid kiirgama kõige rohkem lühilainepikkust energiat. Kuna me teame, et tugev vool ei vii lambipirne nii energeetilistesse surmakiirtesse, ei olnud 19. sajandi füüsikal selgelt siin viimast sõna.

Energiat saab neelata

Planck leidis vastuse juba 1900. aastal sellest, millest sai moodne hitt. Tegelikult arvas ta, et energiat saab neelata või edastada ainult diskreetsete kvantide või kogustena. See oli radikaalne lahkumine klassikalisest füüsikast, mis väitis, et energia voolab pidevas pidevas voos. Sel ajal polnud Planckil sellele mingit teoreetilist põhjendust, kuid see osutus siiski selliseks. Selle kvant piiras tõhusalt energiakogust, mida kuumutatud objektid said vabastada mis tahes temperatuuril. Nii et lõpuks pole ühtegi surmavat ultraviolettkiirt!

Kvantrevolutsioon

Nii algas kvantrevolutsioon. Plancki inspiratsiooni terviklikuks teooriaks muutmiseks kulus Albert Einsteini, Werner Heisenbergi, Niels Bohri ja teiste füüsikatitaanide aastakümnete pikkune teoreetiline töö, kuid see oli alles algus, sest keegi ei saanud täielikult aru, mis esemetega soojenedes juhtus.

Tulemuseks olev teooria on kvantmehaanika, mis käsitleb osakesi ja energiaülekandeid väikseimate osakeste vallas, mis on tuletatud meie igapäevasest kogemusest ja kõigest, mis on meie kohmakale sensoorsele aparaadile nähtamatu. Kõik pole täiesti nähtamatu! Mõned kvantefektid on pilgu eest varjatud, ehkki need on selged ja kaunid, nagu päikesekiired ja tähesära, nagu midagi, mida ei olnud võimalik enne kvantmehaanika tulekut täielikult seletada.

Kui palju nähtusi kvantmaailmast võime oma igapäevases elus kogeda? Millist teavet saavad meie meeled reaalsuse tegelikus olemuses avastada? Lõppude lõpuks, nagu näitab algne teooria, võivad kvantnähtused asuda otse meie nina all. Tegelikult võivad need toimuda otse meie ninas.

Kvant saba

Mis juhtub teie ninas, kui ärkate ja tunnete surematus rösteris kohvi või leivaviilu lõhna? See on lihtsalt mulje selle meeleelundi näol. Nagu märkis kunagi maailma esimese tuumareaktori ehitanud Enrico Fermi sibulaid praadides, oleks tore mõista, kuidas meie meeleelund töötab.

Kvantmehaanika (© Jay Smith)

Nii et valetate voodis ja mõtlete värske röstsaia valmistamisele. Lõhna molekulid voolavad läbi õhu. Teie hingamine tõmbab mõned neist molekulidest silma vahele, otse suu kohale, ninaõõnde. Molekulid kinnituvad ninaõõne pinnal olevale limaskestakihile ja jäävad haistmisretseptoritesse kinni. Haistmisnärvid rippuvad ajust nagu millimallika kombitsad, need on ainsad kesknärvisüsteemi osad, mis pidevalt välismaailmaga kokku puutuvad.

Mis edasi saab, pole päris selge. Me teame, et lõhnamolekulid seonduvad limaskesta pinnal asuva 400 erineva retseptoriga, me ei tea täpselt, mida ja kuidas see kontakt meie haistmistunde tekitab. Miks on lõhnast nii raske aru saada?

Londoni Imperial College'i teadlane Andrew Horsfield ütleb:

"Osaliselt on see tingitud katsete läbiviimise keerukusest, et kontrollida, mis haistmisretseptorite sees toimub."

Kuidas lõhn töötab

Lõhna toimimise tavapärane seletus tundub lihtne: retseptorid omandavad molekulide väga spetsiifilise kuju. Need on nagu lukud, mida saab avada ainult õigete klahvide abil. Selle teooria kohaselt sobib iga ninasse sisenev molekul retseptorite hulka. Aju tõlgendab ainulaadset molekuli abil aktiveeritud retseptorite kombinatsiooni, näiteks kohvilõhna. Teisisõnu, me tunneme molekulide kuju! Kuid võtme avamise mudeli puhul on põhimõtteline probleem.

Horsfield ütleb:

"Teil võib olla väga erineva kuju ja koostisega molekule, mis kõik jätavad teile sama mulje."

Tundub, et kaasata peab midagi muud kui lihtsalt kuju, aga mis? Selle mudeli vastuoluline alternatiiv viitab sellele, et meie meelt ei aktiveeri mitte ainult molekulide kuju, vaid ka see, kuidas need molekulid vibreerivad. Kõik molekulid vibreerivad pidevalt oma struktuuri põhjal teatud sagedusel. Kas meie nina saaks kuidagi näidata nende vibratsioonisageduste erinevusi? Alexander Flemingi Kreekas asuva biomeditsiinilise uurimiskeskuse biofüüsik Luca Turin usub, et suudab.

Lõhna vibratsiooniteooria

Torino, kellest sai ka üks maailma juhtivaid parfüümieksperte, sai inspiratsiooni aroomi vibratsiooniteooriast, mille esmakordselt pakkus välja keemik Malcolm Dyson 1938. aastal. Pärast seda, kui Torino XNUMX. aastatel esimest korda Dysoni ideest aru sai, hakkas Torino otsima molekule, mis võimaldaksid tal seda teha. test. Ta keskendus väävliühenditele, millel on ainulaadne lõhn ja iseloomulikud molekulaarsed vibratsioonid. Seejärel pidi Torino tuvastama täiesti mitteseotud ühendi, mille molekulaarne kuju oleks erinev kui väävel, kuid sama vibratsioonisagedusega, et näha, kas väävlit üldse on. Lõpuks leidis ta ühe, boori sisaldava molekuli. See lõhnas kindlasti väävli järgi. "Ma kukkusin siin järele," ütleb ta, "ma ei usu, et see võiks olla juhus."

Sellest ajast peale, kui ta selle lõhnatunde avastas, oli Torino idee toetuseks kogunud eksperimentaalseid tõendeid ja töötas koos Horsfieldiga teoreetiliste detailide väljatöötamiseks. Viis aastat tagasi kavandasid Torino ja tema kolleegid katse, kus mõned lõhnaaines sisalduvad vesiniku molekulid asendati tuumaga neutroniga vesiniku isotoopiga deuteeriumiga ja leidsid, et inimesed tunnevad sellist erinevust. Kuna vesinikul ja deuteeriumil on sama molekulaarne kuju, kuid erinev vibratsioonisagedus, viitavad tulemused jällegi sellele, et meie nina suudab vibratsiooni tegelikult tuvastada. Katsed puuviljakärbestega on näidanud sarnaseid tulemusi.

Kas tunneme ka vibratsioone?

Torino idee on endiselt vaieldav - tema eksperimentaalsed andmed lõhestasid haistmisuuringute läbiviijat interdistsiplinaarselt. Aga kui neil on õigus ja lisaks vormidele tunneme ka vibratsioone, kuidas meie nina seda teeb? Torino spekuleeris, et sinna võiks lisada kvantefekti, nn tunnelite. Kvantmehaanikas on elektronidel ja kõigil teistel osakestel kahetine olemus - kumbki on nii osake kui ka laine. See võimaldab mõnikord elektronidel liikuda materjalide kaudu nagu tunnel viisil, mis oleks klassikalise füüsika reeglite kohaselt osakestele keelatud.

Lõhna molekulaarne vibratsioon võib anda energiahüppe alla energia, mida elektronid vajavad, et hüpata lõhna retseptori ühest osast teise. Hüppekiirus muutub erinevate molekulide korral, mis põhjustab närviimpulsse, mis loovad ajus erinevate lõhnade tajumise.

Nii et meie nina võib olla keeruline elektrooniline detektor. Kuidas saaks meie nina sellisel viisil areneda, et selliseid kvantseid iseärasusi ära kasutada?

Torino ütleb:

"Ma arvan, et me alahindame seda tehnoloogiat nii-öelda mõne suurusjärgu võrra. Neli miljardit aastat piiramatu rahastusega teadus- ja arendustegevust on evolutsiooniks pikk aeg. Kuid ma ei arva, et see on kõige hämmastavam asi, mida elu teeb. "