Η κβαντομηχανική σάς επιτρέπει να βλέπετε, να αισθάνεστε και να αγγίζετε τα σωματίδια (τμήμα 1)

21. 11. 2018
6ο διεθνές συνέδριο εξωπολιτικής, ιστορίας και πνευματικότητας

Co je να κβαντική μηχανική και πώς ξεκίνησε; Αν ο Max Planck δεν αγνοήσει μια κακή συμβουλή, δεν θα ξεκινούσε ποτέ μια επανάσταση στον ατομισμό. Η βασική στιγμή ήταν το 1878 όταν ο νέος Planck ζήτησε από έναν από τους καθηγητές του να ακολουθήσει μια καριέρα στη φυσική. Ο καθηγητής Philip von Jolly είπε στον Planck να βρει άλλη δουλειά. Όλες οι σημαντικές ανακαλύψεις στη φυσική έχουν ήδη γίνει, διαβεβαίωσε ο καθηγητής του νέου προστάτη του.

Όπως υπενθύμισε ο Πλανκ αργότερα, ο von Jolly είπε:

"Η φυσική μπορεί να συνεχίσει να είναι περιθωριακή, εξετάζοντας ή αναδιοργανώνοντας αυτό και αυτό, αλλά το σύστημα στο σύνολό του είναι αγκυροβολημένο και η θεωρητική φυσική πλησιάζει στο τέλος του".

Κάνοντας ένα από αυτά τα μικρά πράγματα στην πράξη, αποδείχθηκε ότι τελικά το πήρε Planck Nobel Prize και γεννήθηκε κβαντική μηχανική. Το δυσάρεστο μικρό πράγμα είχε ένα πολύ κοινό φαινόμενο: Γιατί αναδύονται αντικείμενα με τον τρόπο που το κάνουν κατά τη διάρκεια της προθέρμανσης; Όλα τα υλικά, ανεξάρτητα από το τι είναι φτιαγμένα από αυτά, συμπεριφέρονται τα ίδια σε αυξανόμενες θερμοκρασίες - ακτινοβολούν τα χρώματα κόκκινο, κίτρινο και τελικά λευκό. Δεν υπάρχει φυσικός στο 19. αιώνα δεν μπορούσε να εξηγήσει αυτή τη φαινομενικά απλή διαδικασία.

Το πρόβλημα φαίνεται να είναι "υπεριώδης καταστροφή", επειδή η καλύτερη θεωρία προέβλεπε ότι τα αντικείμενα που θερμαίνονται σε πολύ υψηλές θερμοκρασίες πρέπει να εκπέμπουν την πιο σύντομη ενέργεια μήκους κύματος. Δεδομένου ότι γνωρίζουμε ότι ένα ισχυρό ρεύμα δεν φέρνει τους λαμπτήρες σε τέτοιες ενεργειακές δέσμες θανάτου, τη φυσική στο 19. Δεν υπήρχε σαφώς καμία τελευταία λέξη εδώ.

Η ενέργεια μπορεί να απορροφηθεί

Ο Πλανκ βρήκε την απάντηση ήδη στο 1900 με αυτό που έγινε ένα σύγχρονο χτύπημα. Στην πραγματικότητα, σκέφτηκε ότι η ενέργεια θα μπορούσε να απορροφηθεί ή να μεταδοθεί μόνο σε διακριτές ποσότητες ή ποσότητες. Ήταν μια ριζική απομάκρυνση από την κλασική φυσική που ισχυριζόταν ότι η ενέργεια έρευε μέσα από ένα συνεχές, συνεχές ρεύμα. Εκείνη την εποχή, ο Planck δεν είχε θεωρητικό λόγο, αλλά αποδείχθηκε επίσης ότι δούλευε. Το κβαντικό της μειώνει αποτελεσματικά την ποσότητα ενέργειας που μπορεί να απελευθερώσει τα θερμαινόμενα αντικείμενα σε οποιαδήποτε θερμοκρασία. Τέλος, δεν θανατηφόρες υπεριώδεις ακτίνες!

Κβαντική Επανάσταση

Έτσι ξεκίνησε η κβαντική επανάσταση. Χρειάστηκαν δεκαετίες θεωρητική εργασία του Άλμπερτ Αϊνστάιν, ο Werner Heisenberg, Niels Bohr και άλλους τιτάνες της φυσικής, έτσι ώστε να αλλάξει την έμπνευση Planck για μια ολοκληρωμένη θεωρία, αλλά αυτό ήταν μόνο η αρχή, γιατί κανείς δεν κατάλαβε τι συνέβαινε με τα αντικείμενα όταν θερμαίνεται.

Η θεωρία της κβαντικής μηχανικής, η οποία ασχολείται με σωματίδια και ενέργεια μεταδόσεις στο χώρο των μικρότερων σωματιδίων που προέρχονται από την καθημερινή μας εμπειρία και όλα αυτά που είναι αόρατα με αδέξια αισθήσεων μας. Δεν είναι όλα αόρατα! Μερικά κβαντικά φαινόμενα κρυμμένο από τα μάτια μας, αν και είναι φωτεινό και όμορφο, όπως οι ακτίνες του ήλιου και τη λάμψη των άστρων, όπως και οτιδήποτε άλλο που δεν θα μπορούσε να εξηγηθεί εξ ολοκλήρου πριν από την έλευση της κβαντικής μηχανικής.

Πόσα φαινόμενα από τον κβαντικό κόσμο μπορούμε να βιώσουμε στην καθημερινότητά μας; Ποιες πληροφορίες μπορούν να ανακαλύψουν οι αισθήσεις μας στην πραγματική φύση της πραγματικότητας; Εξάλλου, όπως δείχνει η αρχική θεωρία, τα κβαντικά φαινόμενα μπορούν να βρίσκονται ακριβώς κάτω από τη μύτη μας. Στην πραγματικότητα, μπορούν να συμβούν ακριβώς στη μύτη μας.

Κβαντικό προφυλακτήρα

Τι συμβαίνει στη μύτη σας όταν ξυπνάτε και αισθάνεστε τη μυρωδιά του καφέ ή μια φέτα ψωμιού στην αθάνατη τοστιέρα σας; Για αυτό το αισθητήριο όργανο στο πρόσωπο, είναι απλά μια εντύπωση. Όπως ο Enrico Fermi, ο οποίος δημιούργησε τον πρώτο πυρηνικό αντιδραστήρα στον κόσμο, κάποτε το τηγανισμένο κρεμμύδι, θα ήταν ωραίο να κατανοήσουμε πώς λειτουργεί το αισθητικό μας όργανο.

Κβαντική Μηχανική (© Jay Smith)

Έτσι, ξαπλώνετε στο κρεβάτι και σκεφτείτε να προετοιμάσετε φρέσκο ​​φρυγανισμένο τοστ. Τα μόρια αρώματος ρέουν στον αέρα. Η αναπνοή σας θα τραβήξει μερικά από αυτά τα μόρια στη ρινική κοιλότητα ανάμεσα στα μάτια σας ακριβώς πάνω από το στόμα. Τα μόρια συνδέονται με το βλεννογόνο στρώμα στην επιφάνεια της ρινικής κοιλότητας και παγιδεύονται στους οσφρητικούς υποδοχείς. Τα οσφρητικά νεύρα κρέμονται από τον εγκέφαλο σαν μέδουσες, είναι το μόνο μέρος του κεντρικού νευρικού συστήματος που εκτίθεται συνεχώς στον έξω κόσμο.

Αυτό που συμβαίνει στη συνέχεια δεν είναι απολύτως σαφές. Γνωρίζουμε ότι τα μόρια των αρωματικών ουσιών δεσμεύονται σε οποιονδήποτε από τους διάφορους υποδοχείς του 400 στην επιφάνεια του βλεννογόνου, δεν γνωρίζουμε ακριβώς πώς και πώς αυτή η επαφή δημιουργεί την αίσθηση της όσφρησης. Γιατί είναι τόσο δύσκολο να κατανοήσουμε τη μυρωδιά;

Ο Andrew Horsfield, ένας επιστήμονας στο Imperial College London, λέει:

"Αυτό οφείλεται εν μέρει στη δυσκολία διεξαγωγής πειραμάτων για να ερευνήσουμε τι συμβαίνει μέσα στους υποδοχείς του οσφρητικού συστήματος".

Πώς λειτουργεί η οσμή

Η συμβατική εξήγηση για το πώς λειτουργεί το άρωμα φαίνεται απλή: οι υποδοχείς παίρνουν πολύ συγκεκριμένα σχήματα μορίων. Είναι σαν κλειδαριές που μπορούν να ανοίξουν μόνο με τα σωστά πλήκτρα. Σύμφωνα με αυτήν τη θεωρία, καθένα από τα μόρια που εισέρχονται στη μύτη ταιριάζει σε ένα σύνολο υποδοχέων. Ο εγκέφαλος ερμηνεύει έναν μοναδικό συνδυασμό υποδοχέων ενεργοποιημένων μορίων, όπως η μυρωδιά του καφέ. Με άλλα λόγια, νιώθουμε τα σχήματα των μορίων! Ωστόσο, υπάρχει ένα θεμελιώδες πρόβλημα με το μοντέλο «κλειδιού ανοίγματος».

Horsfield λέει:

"Μπορείτε να έχετε μόρια με πολύ διαφορετικά σχήματα και συνθέσεις που σας δίνουν το ίδιο συναίσθημα."

Φαίνεται ότι κάτι περισσότερο από απλώς το σχήμα πρέπει να εμπλέκεται, αλλά τι; Μια αμφιλεγόμενη εναλλακτική λύση σε αυτό το μοντέλο υποδηλώνει ότι η αίσθηση μας ενεργοποιείται όχι μόνο από το σχήμα των μορίων, αλλά και από τον τρόπο που δονείται αυτά τα μόρια. Όλα τα μόρια δονούνται συνεχώς με μια συγκεκριμένη συχνότητα, με βάση τη δομή τους. Θα μπορούσε η μύτη μας να αποκαλύψει κάπως τις διαφορές σε αυτές τις συχνότητες δόνησης; Ο Luca Turin, βιοφυσικός στο Κέντρο Βιοϊατρικής Έρευνας του Alexander Fleming στην Ελλάδα, πιστεύει ότι μπορεί.

Δοκιμαστική δόνηση της μυρωδιάς

Το Τορίνο, που έγινε επίσης ένας από τους κορυφαίους ειδικούς στο χώρο του αρωματοποιίας, εμπνεύστηκε από τη θεωρία των δονητικών αρωμάτων που προτάθηκε αρχικά από τον χημικό Malcolm Dyson στο 1938. Αφού ο Τορίνος κατέλαβε για πρώτη φορά την ιδέα του Dyson στη δεκαετία του 1990, άρχισε να ψάχνει μόρια για να δοκιμάσει αυτή τη θεωρία. Έχει επικεντρωθεί σε ενώσεις θείου που έχουν μοναδική οσμή και χαρακτηριστικές μοριακές δονήσεις. Το Τορίνο χρειάστηκε τότε να αναγνωρίσει μια εντελώς ανεξάρτητη ένωση, με μοριακό σχήμα διαφορετικό από το θείο, αλλά με την ίδια δόνηση συχνότητα για να δει αν υπήρχε κάτι σαν θείο. Τέλος, βρέθηκε ένα μόριο που περιέχει βόριο. Πρέπει να έχει μυρίσει σαν θείο. «Εδώ το κάνω», λέει, «νομίζω ότι δεν μπορεί να είναι σύμπτωση».

Από τότε που ανακάλυψε αυτή την οσφρητική αίσθηση, ο Τορίνος είχε συγκεντρώσει πειραματικά στοιχεία για να υποστηρίξει την ιδέα και συνεργάστηκε με τον Χόρσφιλντ για να επεξεργαστεί θεωρητικές λεπτομέρειες. Πριν από πέντε χρόνια, ο Τορίνος και οι συνάδελφοί του σχεδίασαν ένα πείραμα στο οποίο μερικά από τα μόρια υδρογόνου σε ένα άρωμα αντικαταστάθηκαν από δευτέριο, ένα ισότοπο υδρογόνου με ένα νετρόνιο στον πυρήνα και διαπίστωσαν ότι οι άνθρωποι μπορούσαν να αισθανθούν τη διαφορά. Επειδή το υδρογόνο και το δευτέριο έχουν τα ίδια μοριακά σχήματα αλλά διαφορετικές συχνότητες δόνησης, τα αποτελέσματα υποδηλώνουν και πάλι ότι οι μύτες μας μπορούν πραγματικά να ανιχνεύσουν δονήσεις. Πειράματα με μύγες φρούτων έχουν δείξει παρόμοια αποτελέσματα.

Νιώθουμε επίσης κραδασμούς;

Η ιδέα του Τορίνου παραμένει αμφιλεγόμενη - τα πειραματικά δεδομένα της διεύρυναν την διεπιστημονική κοινότητα των οσφρητικών ερευνητών. Αλλά αν έχουν δίκιο και εκτός από τα σχήματα, αισθανόμαστε επίσης τις δονήσεις, πώς κάνουν οι μύτες μας; Το Τορίνο σκέφτηκε ότι θα μπορούσε να συμπεριληφθεί εδώ ένα κβαντικό αποτέλεσμα, που ονομάζεται σήραγγα. Στην κβαντική μηχανική, τα ηλεκτρόνια και όλα τα άλλα σωματίδια έχουν διπλή φύση - καθένα από αυτά είναι σωματίδια και κύματα. Αυτό μερικές φορές επιτρέπει την κίνηση ηλεκτρονίων μέσω υλικών όπως μια σήραγγα, με τρόπο που θα απαγορευόταν από σωματίδια σύμφωνα με τους κανόνες της κλασικής φυσικής.

Η μοριακή δόνηση της οσμής μπορεί να παρέχει ένα ενεργειακό άλμα προς την ενέργεια που τα ηλεκτρόνια πρέπει να πηδούν από το ένα μέρος του υποδοχέα οσμής στο άλλο. Η ταχύτητα του άλματος αλλάζει με διαφορετικά μόρια, γεγονός που προκαλεί νευρικές παρορμήσεις που δημιουργούν στον εγκέφαλο την αντίληψη για διαφορετικές οσμές.

Έτσι η μύτη μας μπορεί να είναι ένας εξελιγμένος ηλεκτρονικός ανιχνευτής. Πώς θα μπορούσαν οι μύτες μας να εξελιχθούν για να εκμεταλλευτούν αυτές τις κβαντικές ιδιαιτερότητες;

Το Τορίνο λέει:

"Νομίζω ότι υποτιμούμε αυτή την τεχνολογία, για να πούμε μερικές γραμμές. Τέσσερα δισεκατομμύρια χρόνια έρευνας και ανάπτυξης με απεριόριστη χρηματοδότηση είναι πολύς χρόνος για την εξέλιξη. Αλλά δεν νομίζω ότι είναι το πιο εκπληκτικό πράγμα που κάνει η ζωή. "

Κβαντομηχανική

Περισσότερα μέρη από τη σειρά