מכניקת הקוונטים מאפשרת לך לראות, להרגיש ולגעת בחלקיקים (חלק 1)

7331x 21. 11. 2018 1 Reader

Co je כדי מכניקה קוונטית ואיך זה התחיל? אם מקס פלאנק לא התעלם מעצה רעה אחת, הוא לעולם לא יפתח מהפכה באטומיזם. רגע המפתח היה 1878 כאשר פלאנק הצעיר שאל את אחד הפרופסורים שלו אם להמשיך בקריירה בפיסיקה. פרופסור פיליפ פון ג'ולי אמר לפלאנק למצוא עבודה אחרת. כל התגליות החשובות בפיזיקה כבר נעשו, הבטיח הפרופסור למגן הצעיר שלו.

כפי שציין פלאנק מאוחר יותר, אמר פון ג'ולי,

"הפיזיקה יכולה להמשיך להיות שולית, לבחון או לארגן מחדש את זה ואת זה, אבל המערכת כולה מעוגנת והפיזיקה התיאורטית מתקרבת לסופה".

על ידי הצבת אחד הדברים הקטנים האלה בפועל, התברר שהוא בסופו של דבר קיבל את זה פרס נובל פלנק והיא נולדה מכניקה קוונטית. הקטע הלא נוח היה מעורב בתופעה נפוצה מאוד: מדוע חפצים מופיעים באופן שבו הם עושים זאת במהלך החימום? כל החומרים, ללא קשר למה הם עשויים, מתנהגים באותו טמפרטורות גבוהות - הם מופיעים אדום, צהוב ולבסוף לבן. אין פיסיקאי ב- 19. לא יכול להסביר את התהליך הפשוט לכאורה.

הבעיה נראתה "קטסטרופה אולטרה סגולה", כי התיאוריה הטובה ביותר חזה כי אובייקטים מחומם בטמפרטורות גבוהות מאוד צריך לפלוט את האנרגיה באורך גל קצר ביותר. מכיוון שאנו יודעים כי זרם חזק אינו מביא נורות אל תוך קורות אנרגיה כאלה של מוות, פיזיקה ב- 19. ברור שאין כאן מלה אחרונה.

אנרגיה יכולה להיספג

פלאנק מצא את התשובה כבר 1900 עם מה הפך להיט מודרני. למעשה, הוא חשב שאנרגיה יכולה להיספג או להעביר רק בכמויות נפרדות, או בכמויות. זו היתה יציאה קיצונית מהפיזיקה הקלאסית שטענה שהאנרגיה זרמה דרך זרם מתמשך ומתמשך. באותו זמן, פלאנק לא היתה שום סיבה תיאורטית, אבל זה גם התברר להיות עובד. הקוונטים שלה ביעילות הפחית את כמות האנרגיה מאמרים מחומם יכול לשחרר בכל טמפרטורה. לבסוף, אין קרניים אולטרה סגול קטלני!

מהפכת הקוונטים

כך החלה המהפכה הקוונטית. זה לקח עשרות שנים של עבודה תיאורטית של אלברט איינשטיין, ורנר הייזנברג, נילס בוהר ו הטיטאנים אחרים של הפיסיקה, ולכן שינו את ההשראה פלנק תיאוריה מקיפה, אבל זה היה רק ​​ההתחלה, כי אף אחד לא באמת הבין מה קורה עם חפצים כאשר מחומם.

התאוריה של מכניקת קוונטים, העוסקת חלקיקים והעברות אנרגיה בתחום החלקיקים הקטנים ביותר נגזרים מהניסיון היומיומי שלנו וכל מה נסתר החושים המגושמים שלנו. לא הכל בלתי נראה לחלוטין! כמה תופעות קוונטיות מוסתרים מהעין, אם כי הם בהירים ויפים כפי שקרני השמש ונצנוץ הכוכבים, כמו כל דבר אחר לא יכול להיות מוסבר לחלוטין לפני כניסתו של מכניקת הקוונטים.

כמה תופעות מן העולם הקוונטי אנו יכולים לחוות בחיי היומיום שלנו? איזה מידע יכולים החושים שלנו לגלות בטבע האמיתי של המציאות? אחרי הכל, כפי שהתיאוריה המקורית מראה, תופעות קוונטיות יכולות לשכב ממש מתחת לאף שלנו. למעשה, הם יכולים לקרות ממש באף שלנו.

פגוש קוונטי

מה קורה באף כשאתה מתעורר ומרגיש את ריח הקפה או פרוסת לחם במצחך האלמותי שלך? בשביל זה איבר חושני על הפנים, זה רק רושם. בדיוק כמו אנריקו פרמי, שבנה את הכור הגרעיני הראשון בעולם, פעם מטוגן את הבצל, זה יהיה נחמד להבין איך עובד האיבר החושי שלנו.

מכניקה קוונטית (© Jay Smith)

אז אתה שוכב במיטה וחושב על הכנת טוסט קלוי טוסט. מולקולות ריח זורמות באוויר. הנשימה שלך תמשוך כמה מן המולקולות האלה לתוך חלל האף בין העיניים שלך ממש מעל הפה. המולקולות מחוברות לשכבת הרירית על פני חלל האף ונלכדות בקולטני הריח. עצבי חוש הריח תלויים מן המוח כמו מדוזה, הם החלק היחיד של מערכת העצבים המרכזית שנחשף כל הזמן לעולם החיצון.

מה שקורה אחר כך לא לגמרי ברור. אנו יודעים כי מולקולות ניחוח להיקשר לכל קולטנים שונים של 400 על פני השטח של הרירית, אנחנו לא יודעים בדיוק איך ואיך יוצר קשר זה חוש הריח שלנו. למה זה כל כך קשה להבין את הריח?

אנדרו Horsfield, מדען אימפריאל קולג 'בלונדון, אומר:

"זה בחלקו בגלל הקושי לערוך ניסויים כדי לבדוק מה קורה בתוך קולטני הריח."

איך עובד הריח

הסברים קונבנציונליים של איך ניחוחות נראה פשוט: קולטנים לקבל צורות מולקולריות ספציפיות מאוד. הם כמו מנעולים כי ניתן לפתוח רק עם המפתחות הנכונים. כל אחת מהמולקולות החודרות לתוך האף נכנסת למערכת של קולטנים על פי תיאוריה זו. המוח מפרש שילוב ייחודי של מולקולות של קולטנים מופעלים, למשל כמו ריח קפה. במילים אחרות, אנו מרגישים את צורות המולקולות! עם זאת, יש בעיה בסיסית עם מודל פתיחת המפתח.

Horsfield אומר:

"אתה יכול לקבל מולקולות עם צורות שונות מאוד קומפוזיציות כי כל לתת לך את אותה תחושה."

נראה שמשהו יותר מסתם צורה צריך להיות מעורב כאן, אבל מה? חלופה שנויה במחלוקת למודל זה מעידה על כך שהחושים שלנו מופעלים לא רק על ידי צורת המולקולות אלא גם על ידי האופן שבו המולקולות הללו רוטטות. כל מולקולות כל הזמן רוטט בתדר מסוים, על פי המבנה שלהם. האף שלנו יכול לחשוף איכשהו את ההבדלים באותם תדרים vibrational? לוקה טורינו, ביופיסיקאי במרכז המחקר של מדעי הביו-רפואה, אלכסנדר פלמינג, ביוון, מאמין שהם יכולים.

תורת הרטט של הריח

טורינו, שהפך גם לאחד המומחים הבושמים המובילים בעולם, קיבל השראה מתורת הניחוח הרטט שהציעה לראשונה הכימאי מלקולם דייסון ב 1938. אחרי שטורינו תפס לראשונה את הרעיון של דייסון בשנות התשעים, הוא החל לחפש מולקולות כדי לבחון את התיאוריה הזאת. הוא התמקד בתרכובות גופרית בעלות ריח ייחודי ורטט מולקולרי אופייני. טורינו היה צריך לזהות תרכובת שאינה קשורה לחלוטין, עם צורה מולקולארית מלבד גופרית, אבל עם אותה תדר רטט כדי לראות אם יש משהו כמו גופרית. בסופו של דבר אחד מצא מולקולה המכילה בורון. היא בטח הריחה כמו גופרית. "הנה אני עושה את זה", הוא אומר, "אני חושב שזה לא יכול להיות צירוף מקרים."

מאותו הרגע הוא חשף את טורינו ההרחה לאסוף ראיות ניסיוניות כדי לתמוך ברעיון הזה, ועבד עם Horsfield מעבד את פרטים תיאורטי. לפני חמש שנים, טורינו ועמיתיו תוכננו ניסוי שבו חלק מולקולת מימן חומר הניחוח הוחלף דאוטריום, איזוטופ של מימן עם ניטרונים בגרעין ומצאו כי אנשים יכולים להרגיש הרבה הבדל. בשל העובדה כי מולקולות מימן דאוטריום יש צורה זהה אך תדירויות תנודות שונות, התוצאות מצביעות על כך שוב לאפינו יכול לזהות תנודות למעשה. תוצאות דומות להפגין ניסויים עם זבובי פירות.

האם אנחנו גם מרגישים רטט?

הרעיון של טורינו נשאר שנוי במחלוקת - נתוני הניסוי שלו היו משותפים על ידי קהילת אינטרדיסיפלינרי של חוקרים חוש הריח. אבל אם הם צודקים, וחוץ לצורות, גם אנחנו מרגישים את הרטט, איך עושים האף שלנו? טורין העריך כי ניתן לכלול כאן השפעה קוונטית, הנקראת מנהור. במכניקת הקוונטים, האלקטרונים וכל שאר החלקיקים בעלי אופי כפול - כל אחד מהם הוא חלקיק וגם גל. זה לפעמים מאפשר תנועה של אלקטרונים באמצעות חומרים כמו מנהרה, באופן זה יהיה מוחרם על ידי חלקיקים על פי הכללים של הפיזיקה הקלאסית.

רטט מולקולרי של הריח יכול לספק אנרגיה downshift למטה האנרגיה האלקטרונים צריכים לקפוץ מחלק אחד של קולטן הריח לאחרת. קצב הקפיצה משתנה עם מולקולות שונות, מה שגורם לדחפים עצביים היוצרים את התפיסה של ריחות שונים במוח.

אז האף שלנו יכול להיות גלאי אלקטרוני מתוחכם. כיצד יכולים אפינו להתפתח כדי לנצל את המוזרויות הקוונטיות?

טורינו אומר:

"אני חושב שאנחנו לזלזל בטכנולוגיה הזאת, לומר כמה שורות. ארבעה מיליארד שנים של מחקר ופיתוח עם מימון בלתי מוגבל הוא זמן רב עבור האבולוציה. אבל אני לא חושב שזה הדבר הכי מדהים שהחיים עושים ".

מכניקה קוונטית

עוד חלקים מהסדרה

השאירו תגובה