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

21. 11. 2018
הכנס הבינלאומי החמישי של אקזופוליטיקה, היסטוריה ורוחניות

Co je כדי מכניקה קוונטית ואיך זה התחיל? אם מקס פלאנק לא היה מתעלם מעצה אחת גרועה, המהפכה באטומיסטיקה לעולם לא הייתה מתחילה. רגע המפתח הגיע בשנת 1878, כאשר אחד הפרופסורים שלו שאל את פלאנק הצעיר אם הוא ימשיך בקריירה בפיזיקה. פרופסור פיליפ פון ג'ולי אמר לפלאנק למצוא עבודה אחרת. אומרים כי כל התגליות החשובות בפיזיקה כבר התגלו, הבטיח הפרופסור את בן טיפוחיו הצעיר.

כפי שזכר מאוחר יותר פלנק, פון ג'ולי אמר לו:

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

על ידי הפעלת אחד מאותם דברים קטנים, התברר שהוא סוף סוף השיג אותו פרס נובל לפלאנק והיא נולדה מכניקה קוונטית. הפרט הלא נוח היה תופעה שכיחה מאוד: מדוע חפצים מקרינים כמו שהם מחממים? כל החומרים, לא משנה ממה הם עשויים, מתנהגים אותו הדבר בטמפרטורות הולכות וגוברות - הם פולטים אדום, צהוב ולבסוף לבן. אף פיזיקאי במאה ה -19 לא יכול היה להסביר את התהליך הפשוט לכאורה הזה.

הבעיה הופיעה כ"קטסטרופה אולטרה סגולה "מכיוון שהתיאוריה הטובה ביותר ניבאה כי עצמים המחוממים לטמפרטורות גבוהות מאוד צריכים לפלוט את אנרגיית הגל הקצר ביותר. מכיוון שאנו יודעים שזרם חזק לא יוביל נורות לקרני מוות אנרגטיות כל כך, בפירוש במאה ה -19 לא הייתה כאן את המילה האחרונה.

אנרגיה יכולה להיספג

פלאנק מצא את התשובה עוד בשנת 1900 עם מה שהפך ללהיט מודרני. למעשה, הוא שיער שאנרגיה יכולה להיקלט או להעביר רק בכמויות נפרדות, או בכמויות. זו הייתה סטייה רדיקלית מהפיזיקה הקלאסית, שטענה כי אנרגיה זורמת בזרם רציף ורציף. באותה תקופה לפלאנק לא הייתה שום הצדקה תיאורטית לכך, אך בכל זאת התברר שזה עובד ככה. הקוונטים שלה הגבילו למעשה את כמות האנרגיה שחפצים מחוממים יכולים לשחרר בכל טמפרטורה. אז בסופו של דבר אין קרני אולטרה סגול קטלניות!

מהפכה קוונטית

כך החלה המהפכה הקוונטית. נדרשו עשרות שנים של עבודה תיאורטית של אלברט איינשטיין, ורנר הייזנברג, נילס בוהר וטיטאנים אחרים בפיזיקה כדי להפוך את השראתו של פלאנק לתיאוריה מקיפה, אך זו הייתה רק ההתחלה, משום שאיש לא הבין לגמרי מה קרה לחפצים כשהם התחממו.

התיאוריה המתקבלת היא מכניקת הקוונטים, העוסקת בחלקיקים והעברת אנרגיה בתחום החלקיקים הקטנים ביותר, הנגזרת מהניסיון היומיומי שלנו וכל מה שאינו נראה למנגנון החושי המגושם שלנו. לא הכל בלתי נראה לחלוטין! כמה השפעות קוונטיות מוסתרות מהעין, אף על פי שהן ברורות ויפות, כמו קרני השמש ונצנוץ הכוכבים, כמו משהו שלא ניתן היה להסביר במלואו לפני הופעת מכניקת הקוונטים.

כמה תופעות מעולם הקוונטים נוכל לחוות בחיי היומיום שלנו? איזה מידע חושינו יכולים לגלות בטבעה האמיתי של המציאות? אחרי הכל, כפי שמראה התיאוריה המקורית, תופעות קוונטיות יכולות להיות מונחות ממש מתחת לאף שלנו. למעשה, הם יכולים להתקיים ממש באף שלנו.

זנב קוונטי

מה קורה באף כשאתה מתעורר ומריח את הקפה או פרוסת הלחם בטוסטר האלמותי שלך? זה רק רושם לאיבר החישה הזה על הפנים. כפי שהעיר אנריקו פרמי, שבנה את הכור הגרעיני הראשון בעולם, שהיה פעם בצל מטוגן, זה יהיה נחמד להבין איך איבר החישה שלנו עובד.

מכניקה קוונטית (© Jay Smith)

אז אתה שוכב במיטה וחושב להכין טוסט טרי. מולקולות ריח זורמות באוויר. הנשימה שלך מושכת כמה ממולקולות אלה לחלל האף בין העיניים, ממש מעל הפה. המולקולות מתחברות לשכבת הרירית על פני חלל האף ונלכדות בקולטני הריח. עצבי הריח תלויים על המוח כמו מחושים של מדוזה, הם החלק היחיד של מערכת העצבים המרכזית שנחשף כל הזמן לעולם החיצון.

מה קורה בהמשך לא לגמרי ברור. אנו יודעים שמולקולות ריח נקשרות לאחד מ -400 קולטנים שונים על פני הרירית, איננו יודעים בדיוק מה ואיך מגע זה יוצר את תחושת הריח שלנו. מדוע כל כך קשה להבין את הריח?

אנדרו הורספילד, חוקר באימפריאל קולג 'בלונדון, אומר:

"בין השאר בגלל הקושי לערוך ניסויים כדי לבדוק מה קורה בתוך קולטני הריח."

איך הריח עובד

ההסבר הקונבנציונאלי לאופן שבו ריח עובד נראה פשוט: קולטנים לובשים צורות ספציפיות מאוד של מולקולות. הם כמו מנעולים שניתן לפתוח רק בעזרת המקשים הנכונים. על פי תיאוריה זו, כל אחת מהמולקולות שנכנסות לאף משתלבות בקבוצת קולטנים. המוח מפרש שילוב ייחודי של קולטנים המופעלים על ידי מולקולות, כמו ריח הקפה. במילים אחרות, אנו חשים את צורות המולקולות! עם זאת, קיימת בעיה מהותית במודל 'פתיחת מפתח'. '

הורספילד אומר:

"יכולות להיות לך מולקולות עם צורות וקומפוזיציות שונות מאוד, שכולן נותנות לך את אותו הרושם."

נראה שמשהו יותר מסתם צורה חייב להיות מעורב, אבל מה? אלטרנטיבה שנויה במחלוקת למודל זה מעידה על כך שהחוש שלנו מופעל לא רק על ידי צורת המולקולות, אלא גם על ידי האופן שבו מולקולות אלה רוטטות. כל המולקולות רוטטות כל הזמן בתדירות מסוימת, בהתבסס על המבנה שלהן. האם האף שלנו יכול היה איכשהו לחשוף את ההבדלים בתדרי הרטט האלה? לוקה טורינו, ביופיסיקאי במרכז המחקר הביו-רפואי של אלכסנדר פלמינג ביוון, מאמין שהם יכולים.

תורת הרטט של ריח

טורינו, שהפך גם לאחד ממומחי הבשמים המובילים בעולם, קיבל את השראתו מתורת הניחוח הרטטנית, שהוצעה לראשונה על ידי הכימאי מלקולם דייסון בשנת 1938. לאחר שטורינו קלט לראשונה את רעיון דייסון בשנות התשעים, טורינו החל לחפש מולקולות שיאפשרו לו לעשות זאת. מִבְחָן. הוא התמקד בתרכובות גופרית בעלות ריח ייחודי ותנודות מולקולריות אופייניות. טורינו נאלצה אז לזהות תרכובת שאינה קשורה לחלוטין, עם צורה מולקולרית שונה מזו של גופרית, אך עם אותה תדר רטט, כדי לראות אם בכלל יש דבר כזה גופרית. בסופו של דבר הוא מצא אחת, מולקולה המכילה בורון. זה בהחלט הריח כמו גופרית. "נפלתי על זה כאן", הוא אומר, "אני לא חושב שזה יכול להיות צירוף מקרים."

מאז שגילה את תחושת הריח הזו, אסף טורינו עדויות ניסיוניות לתמיכה ברעיון, ועבד עם הורספילד על מנת לעבד פרטים תיאורטיים. לפני חמש שנים תכננו טורינו ועמיתיו ניסוי שבו חלק ממולקולות המימן שבניחוח הוחלפו בדאוטריום, איזוטופ של מימן עם נויטרון בגרעין, ומצאו שבני אדם יכולים להרגיש את ההבדל. מכיוון שלמימן ודאוטריום יש צורות מולקולריות זהות אך תדרים רטטיים שונים, התוצאות מצביעות שוב על כך שאף שלנו יכול לזהות רעידות. ניסויים עם זבובי פירות הראו תוצאות דומות.

האם אנו מרגישים גם רעידות?

הרעיון של טורינו נותר שנוי במחלוקת - נתוני הניסוי שלו חילקו קהילה בין תחומית של חוקרי הריח. אבל אם הם צודקים, ובנוסף לצורות, אנחנו מרגישים גם רעידות, איך האף שלנו עושה את זה? טורינו שיערה כי ניתן לכלול אפקט קוונטי, מה שנקרא מנהור. במכניקת הקוונטים, לאלקטרונים ולכל החלקיקים האחרים יש אופי כפול - כל אחד מהם הוא גם חלקיק וגם גל. לפעמים זה מאפשר לאלקטרונים לנוע דרך חומרים כמו מנהרה, באופן שאסור לחלקיקים על פי כללי הפיזיקה הקלאסית.

הרטט המולקולרי של הריח יכול לספק קפיצה אנרגטית במורד האנרגיה הדרושה לאלקטרונים כדי לקפוץ מחלק אחד של קולטן הריח לאחר. מהירות הקפיצה משתנה עם מולקולות שונות, מה שגורם לדחפים עצביים שיוצרים במוח את תפיסת הריחות השונים.

אז האף שלנו יכול להיות גלאי אלקטרוני מתוחכם. כיצד יכול האף שלנו להתפתח בצורה זו כדי לנצל את המוזרויות הקוונטיות הללו?

טורינו אומר:

"אני חושב שאנחנו מזלזלים בטכנולוגיה הזו, כביכול, בכמה סדרי גודל. ארבעה מיליארד שנות מחקר ופיתוח במימון בלתי מוגבל הם זמן רב להתפתחות. אבל אני לא חושב שזה הדבר הכי מדהים שהחיים עושים. "

מכניקה קוואנטית

חלקים אחרים מהסדרה