Co je to kvantu mehānika un kā tas sākās? Ja Max Planck neanalizētu vienu sliktu padomu, viņš nekad neiesāktu revolūciju atomizmā. Galvenais brīdis bija 1878, kad jaunais Planck jautāja kādam no viņa profesoriem, vai turpināt karjeru fizikā. Profesors Philip von Jolly teica Planckam, ka viņš atradīs citu darbu. Visi svarīgie atklājumi fizikā jau ir veikti, apliecināja viņa jaunā aizsargs profesors.

Kā plāns atcerējās vēlāk, von Jolly teica:

"Fizika var turpināt vēl nedaudz, izmeklēt vai sakārtošanas un tamtoho no tā, bet sistēma kopumā ir noenkurots un teorētiskā fizika ievērojami tuvojas noslēgumam."

Ievietojot vienu no šīm mazajām lietām praksē, izrādījās, ka viņš beidzot dabūja to Planka Nobela prēmija un viņa piedzima kvantu mehānika. Neērtā mazā lieta bija ļoti izplatīta parādība: Kāpēc objekti parādās tā, kā viņi to sasilda? Visi materiāli, neatkarīgi no tā, kas no tiem ir izgatavoti, izturas vienādi temperatūras paaugstināšanās apstākļos - tie parādās sarkanā, dzeltenā un visbeidzot balta. Nav fizikistu 19. gadsimts nevarēja izskaidrot šo šķietami vienkāršo procesu.

Problēma, šķiet, bija "ultravioleta katastrofa", jo labākā teorija paredzēja, ka ļoti augstās temperatūrās sasildītiem priekšmetiem jāizstājas visvienkāršākā viļņu garuma enerģija. Tā kā mēs zinām, ka spēcīga strāva nenodod gaismas spuldzes šādās enerģiju starojumu nāves gadījumā, fizika pie 19. Šeit nebija nekāda pēdējā vārda.

Enerģiju var absorbēt

Planck atrada atbildi jau 1900 ar to, kas kļuva par modernu hit. Patiesībā viņš domāja, ka enerģija varētu tikt absorbēta vai pārraidīta tikai atsevišķos daudzumos vai daudzumos. Tas bija radikāls novirze no klasiskās fizikas, kas apgalvoja, ka enerģija plūst caur nepārtrauktu, nepārtrauktu plūsmu. Tajā laikā Planckam nebija teorētiska iemesla, bet tas arī izrādījās darba. Tās kvantu skaits efektīvi samazināja siltuma daudzumu, kādus var sildīt priekšā jebkurā temperatūrā. Visbeidzot, nāvējoši ultravioletie stari!

Kvantu revolūcija

Tā sākās kvantu revolūcija. Pagāja desmitgadēs teorētiskā darba Alberts Einšteins, Verners Heizenbergs, Niels Bohr un citiem titāniem fizikā, tāpēc tas mainīts Planck iedvesmu visaptverošu teoriju, bet tas bija tikai sākums, jo neviens īsti nevarēja saprast, kas notiek ar priekšmetiem, kad tiek sasildīta.

Teorija kvantu mehānikas, kas nodarbojas ar daļiņām un enerģijas transmisijām valstība mazākajām daļiņām, kas iegūti no mūsu ikdienas pieredzes, un visu, kas ir neredzams, lai mūsu neveiklu sensorium. Ne viss ir pilnīgi neredzams! Daži kvantu efektus slēpta no redzesloka, lai gan tie ir spilgti un skaisti, kā saules stari un mirdzēt zvaigznēm, tāpat kā kaut kas cits, ka nevar pilnībā paskaidrots pirms Advent kvantu mehānikā.

Cik daudz parādību no kvantu pasaules varam piedzīvot mūsu ikdienas dzīvē? Kāda informācija mūsu jūtām var atklāt patiesības dabā? Galu galā, kā liecina sākotnējā teorija, kvantu parādības var būt tieši zem deguna. Faktiski tie var notikt tieši mūsu degunā.

Kvantu buferis

Kas notiek degunā, kad pamostāties un sajūtat kafijas smaržu vai maizes šķēli savā nemirstīgajā tosterī? Par šo sensoro orgānu uz sejas tas ir tikai iespaids. Tieši tāpat kā Enrico Fermi, kurš uzbūvēja pirmo kodolreaktoru pasaulē, pēc tam, kad sīpoli bija pagatavojuši, būtu patīkami saprast, kā darbojas mūsu maņu orgāns.

Kvantu mehānika (© Jay Smith)

Tātad jūs guļat gultā un padomājiet par svaigu grauzdēta grauzdiņa sagatavošanu. Smaržas molekulas plūst caur gaisu. Jūsu elpošana pavels dažas no šīm molekulām deguna dobumā starp acīm virs muti. Molekulas tiek piestiprinātas gļotādas slānim uz deguna dobuma virsmas un iesprostotas olšūnu receptoros. No smadzenēm, piemēram, medūzā, karājas nervozi, tie ir vienīgā centrālās nervu sistēmas daļa, kas pastāvīgi tiek pakļauta ārējai pasaulei.

Kas notiks tālāk, nav pilnīgi skaidrs. Mēs zinām, ka smaržas molekulas saistās ar kādu no 400 dažādiem receptoriem uz gļotādas virsmas, mēs nezinām precīzi, kā un kā šis kontakts rada mūsu smakas. Kāpēc ir tik grūti izprast smaržu?

Andrew Horsfield, Londonas Imperiālās universitātes zinātnieks, saka:

"Daļēji tāpēc, ka ir grūti veikt eksperimentus, lai pārbaudītu, kas notiek ožas receptoru iekšienē."

Kā smarža darbojas

Parastais izskaidrojums tam, kā darbojas smarža, šķiet vienkāršs: receptori iegūst ļoti specifiskas molekulu formas. Tās ir kā slēdzenes, kuras var atvērt tikai ar pareizajiem taustiņiem. Saskaņā ar šo teoriju katra no molekulām, kas nonāk degunā, iekļaujas receptoru komplektā. Smadzenes interpretē unikālu molekulu aktivētu receptoru kombināciju, piemēram, kafijas smaržu. Citiem vārdiem sakot, mēs jūtam molekulu formas! Tomēr „atslēgas atvēršanas” modelim ir būtiska problēma.

Horsfīlds saka:

"Jums var būt molekulas ar ļoti dažādām formām un kompozīcijām, kas visiem jums piešķir tādu pašu sajūtu."

Šķiet, ka jāiesaista kaut kas vairāk nekā tikai forma, bet kas? Pretrunīgi vērtēta alternatīva šim modelim liek domāt, ka mūsu sajūtu aktivizē ne tikai molekulu forma, bet arī tas, kā šīs molekulas vibrē. Visas molekulas pastāvīgi vibrē noteiktā frekvencē, pamatojoties uz to struktūru. Vai mūsu deguns kaut kā varētu atklāt atšķirības šajās vibrācijas frekvencēs? Aleksandra Fleminga Biomedicīnas pētījumu centra Grieķijā biofiziķe Luka Turīna uzskata, ka viņi to var.

Smaržas vibrācijas teorija

Turīna, kas arī kļuva par vienu no pasaules vadošajiem ekspertiem par smaržu iedvesmoja vibrācija teorija smaržas, vispirms ierosināja ķīmiķis Malcolm Dyson in 1938. Pēc Turīnas deviņdesmitajos gados pirmo reizi Dyson nozvejotas šo ideju, viņš sāka meklē molekulas, kas ļaus viņam pārbaudītu šo teoriju. Vērsta uz sēra savienojumus, kas ir unikāla smaržu un raksturīgo molekulāro vibrāciju. Turīna tad vajadzēja identificēt pilnīgi nesaistīti savienojumus ar dažādu molekulāro formu nekā sēra, bet ar tādu pašu vibrāciju frekvenci, lai noteiktu, vai ir kaut kas līdzīgs sēra. Visbeidzot, viens atrada boru saturošu molekulu. Viņai vajadzēja smirdēt kā sēru. "Te es esmu šajā kapela," viņš saka, "Es domāju, ka tas nevar būt nejaušība."

Kopš brīža, kad viņš atklāja šo ožas sajūtu, Turīna bija apkopojis eksperimentālus pierādījumus idejas atbalstam un strādājis kopā ar Horsfīldu, lai izstrādātu teorētiskas detaļas. Pirms pieciem gadiem Turīna un viņa kolēģi izstrādāja eksperimentu, kurā dažas aromāta ūdeņraža molekulas aizstāja ar deitēriju, ūdeņraža izotopu ar kodolā esošo neitronu, un atklāja, ka cilvēki var sajust atšķirību. Tā kā ūdeņradim un deitērijam ir vienādas molekulārās formas, bet atšķirīgas vibrācijas frekvences, rezultāti atkal liek domāt, ka mūsu deguns faktiski var noteikt vibrācijas. Eksperimenti ar augļu mušām ir parādījuši līdzīgus rezultātus.

Vai arī mēs jūtam vibrāciju?

Turīnas ideja joprojām ir pretrunīga - viņa eksperimentālos datus dalījās starpdisciplināra ožu pētnieku kopiena. Bet, ja viņiem ir taisnība, un bez formām, mēs arī izjūtam vibrāciju, kā mēs darām mūsu degunus? Turīnā bija domāts, ka šeit var iekļaut kvantu efektu, ko sauc par tunelēšanu. Kvantu mehānikā elektroniem un visām pārējām daļiņām ir divējāds raksturs - katra ir gan daļēja, gan viļņa forma. Tas dažreiz ļauj elektronu kustību caur materiāliem, piemēram, tuneli, tādā veidā, ka tos varētu aizliegt daļiņas saskaņā ar klasiskās fizikas noteikumiem.

Smaržas molekulārā vibrācija var nodrošināt enerģijas lēcienu uz leju enerģijai, kas elektroniem nepieciešama, lai pārietu no vienas smakas receptora daļas uz otru. Lēciena ātrums mainās ar dažādām molekulām, kas izraisa nervu impulsus, kas smadzenēs rada dažādu smaku uztveri.

Tātad mūsu deguns var būt izsmalcināts elektroniskais detektors. Kā mūsu deguna formas varētu attīstīties, lai izmantotu šādas kvantu īpatnības?

Turīns saka:

"Es domāju, ka mēs šo tehnoloģiju nenovērtējam, sakot dažas rindiņas. Četru miljardu gadu ilga pētniecība un attīstība ar neierobežotu finansējumu ir ilgs laiks attīstībai. Bet es nedomāju, ka tas ir visvairāk apbrīnojamo lietu, ko dzīvo. "