Kas tai kvantinė mechanika ir kaip tai prasidėjo? Jei Maxas Planckas nebūtų ignoravęs vieno blogo patarimo, atomistikos revoliucija niekada nebūtų prasidėjusi. Pagrindinis momentas buvo 1878 m., Kai vienas iš jo profesorių paklausė jauno Plancko, ar jis tęs fizikos karjerą. Profesorius Philipas von Jolly'is liepė Planckui susirasti kitą darbą. Teigiama, kad visi svarbūs fizikos atradimai jau padaryti, - profesorius patikino savo jauną globotinį.

Kaip vėliau prisiminė Planckas, von Jolly jam pasakė:

"Fizika gali tęstis nežymiai, tyrinėdama ar užsakydama šį bei tą, tačiau visa sistema yra įtvirtinta ir teorinė fizika artėja prie pabaigos."

Pritaikius vieną iš tų smulkmenų praktiškai paaiškėjo, kad jis pagaliau ją gavo Plancko Nobelio premija ir ji gimė kvantinė mechanika. Nepatogi detalė buvo labai dažnas reiškinys: Kodėl objektai spinduliuoja taip, kaip jie kaitinami? Visos medžiagos, nesvarbu iš ko jos būtų pagamintos, didėjančioje temperatūroje elgiasi vienodai - jos skleidžia raudoną, geltoną ir galiausiai baltą spalvą. Nė vienas XIX amžiaus fizikas negalėjo paaiškinti šio, atrodytų, paprasto proceso.

Problema atsirado kaip „ultravioletinių spindulių nelaimė“, nes geriausia teorija numatė, kad objektai, įkaitę iki labai aukštos temperatūros, turėtų išskirti daugiausia trumpojo bangos ilgio energiją. Kadangi mes žinome, kad dėl stiprios srovės lemputės nepateks į tokius energetinius mirties spindulius, fizika XIX amžiuje akivaizdžiai čia neturėjo paskutinio žodžio.

Energija gali būti absorbuota

Planckas atsakymą rado dar 1900 m., Kuris tapo šiuolaikiniu hitu. Tiesą sakant, jis spėjo, kad energija gali būti absorbuojama ar perduodama tik atskirais kiekiais arba kiekiais. Tai buvo radikalus nukrypimas nuo klasikinės fizikos, kuris teigė, kad energija teka nenutrūkstama, nenutrūkstama srove. Tuo metu Planckas neturėjo jokio teorinio pagrindimo, tačiau vis tiek pasirodė, kad taip veikia. Jo kvantas efektyviai apribojo energijos kiekį, kurį įkaitę daiktai galėjo išleisti bet kurioje temperatūroje. Taigi galų gale nėra mirtinų ultravioletinių spindulių!

Kvantinė revoliucija

Taip prasidėjo kvantinė revoliucija. Prireikė dešimtmečių Alberto Einšteino, Wernerio Heisenbergo, Nielso Bohro ir kitų fizikos titanų teorinių darbų, kad Plancko įkvėpimas taptų holistine teorija, tačiau tai buvo tik pradžia, nes niekas iki galo nesuprato, kas atsitiko sušilus daiktams.

Gauta teorija yra kvantinė mechanika, nagrinėjanti daleles ir energijos perdavimą mažiausių dalelių srityje, gaunama iš mūsų kasdienės patirties ir visko, kas nematoma mūsų nerangiam jutimo aparatui. Ne viskas yra visiškai nematoma! Kai kurie kvantiniai efektai nėra matomi, nors jie yra aiškūs ir gražūs, pavyzdžiui, saulės spinduliai ir žvaigždžių spindesys, panašūs į tai, ko iki kvantinės mechanikos atsiradimo nebuvo galima iki galo paaiškinti.

Kiek reiškinių iš kvantinio pasaulio galime patirti kasdieniame gyvenime? Kokią informaciją mūsų jutimai gali atrasti tikrojoje tikrovės prigimtyje? Galų gale, kaip rodo pirminė teorija, kvantiniai reiškiniai gali gulėti tiesiai mums po nosimi. Tiesą sakant, jie gali vykti tiesiai mums į nosį.

Kvantinė uodega

Kas nutinka nosyje, kai pabundi ir nemarštame skrudintuve užuodi kavą ar duonos riekę? Tai tiesiog įspūdis šiam jutimo organui ant veido. Kaip pastebėjo kadaise keptas svogūnas Enrico Fermi, kuris pastatė pirmąjį pasaulyje branduolinį reaktorių, būtų malonu suprasti, kaip veikia mūsų jutimo organas.

Kvantinė mechanika (© Jay Smith)

Taigi jūs gulite lovoje ir galvojate apie šviežių skrebučių gaminimą. Kvapo molekulės teka oru. Jūsų kvėpavimas įtraukia kai kurias iš šių molekulių į nosies ertmę tarp jūsų akių, tiesiai virš burnos. Molekulės prisitvirtina prie nosies ertmės paviršiaus esančio gleivinės sluoksnio ir yra įstrigusios uoslės receptoriuose. Uoslės nervai kabo nuo smegenų kaip medūzos čiuptuvai, jie yra vienintelė centrinės nervų sistemos dalis, nuolat veikiama išorinio pasaulio.

Kas bus toliau, nėra visiškai aišku. Mes žinome, kad kvapo molekulės jungiasi prie vieno iš 400 skirtingų receptorių, esančių gleivinės paviršiuje, tiksliai nežinome, kas ir kaip šis kontaktas sukuria mūsų uoslės pojūtį. Kodėl taip sunku suprasti kvapą?

Londono imperatoriškojo koledžo tyrėjas Andrew Horsfieldas sako:

- Iš dalies dėl to, kad sunku atlikti eksperimentus norint patikrinti, kas vyksta uoslės receptorių viduje.

Kaip veikia kvapas

Įprastas kvapo veikimo paaiškinimas atrodo paprastas: receptoriai įgauna labai specifines molekulių formas. Jie yra tarsi spynos, kurias galima atidaryti tik naudojant reikiamus klavišus. Pagal šią teoriją kiekviena iš nosies patekusių molekulių telpa į receptorių rinkinį. Smegenys interpretuoja unikalų molekulių suaktyvintų receptorių derinį, pavyzdžiui, kavos kvapą. Kitaip tariant, mes jaučiame molekulių formas! Tačiau yra pagrindinė „rakto atidarymo“ modelio problema.

Horsfieldas sako:

"Jūs galite turėti labai skirtingų formų ir kompozicijų molekules, kurios visos jums suteikia tą patį įspūdį."

Atrodo, kad reikia įtraukti ne tik formą, bet ką? Prieštaringa šio modelio alternatyva rodo, kad mūsų jausmą aktyvina ne tik molekulių forma, bet ir tai, kaip šios molekulės vibruoja. Visos molekulės nuolat vibruoja tam tikru dažniu, atsižvelgiant į jų struktūrą. Ar mūsų nosis galėtų kaip nors atskleisti tų vibracijos dažnių skirtumus? Aleksandra Flemingo Biomedicinos tyrimų centro Graikijoje biofizikė Luca Turin mano, kad jie gali.

Kvapo vibracijos teorija

Turiną, kuris taip pat tapo vienu iš pagrindinių kvepalų ekspertų pasaulyje, įkvėpė vibracinė kvapų teorija, kurią 1938 m. Pirmą kartą pasiūlė chemikas Malcolmas Dysonas. Po to, kai XNUMX m. Turinas pirmą kartą suvokė Dysono idėją, Turinas pradėjo ieškoti molekulių, kurios jam tai leistų. testas. Jis sutelkė dėmesį į sieros junginius, turinčius unikalų kvapą ir būdingą molekulinę vibraciją. Tada Turinui reikėjo nustatyti visiškai nesusijusį junginį, kurio molekulinė forma būtų kitokia nei sieros, tačiau kurio vibracijos dažnis būtų toks, kad būtų galima sužinoti, ar apskritai yra siera. Galų gale jis rado vieną molekulę su boru. Tai tikrai kvepėjo siera. - Aš čia užkritau, - sako jis, - nemanau, kad tai gali būti sutapimas.

Nuo tada, kai jis atrado šį uoslės pojūtį, Turinas surinko eksperimentinius įrodymus, patvirtinančius idėją, ir dirbo su Horsfieldu, kad nustatytų teorines detales. Prieš penkerius metus Turinas ir jo kolegos sukūrė eksperimentą, kurio metu kai kurias kvapo vandenilio molekules pakeitė deuteris, vandenilio izotopas, kurio branduolyje yra neutronas, ir nustatė, kad žmonės gali jausti skirtumą. Kadangi vandenilis ir deuteris turi tas pačias molekulines formas, tačiau skirtingus vibracijos dažnius, rezultatai vėl rodo, kad mūsų nosis iš tikrųjų gali aptikti vibracijas. Eksperimentai su vaisinėmis muselėmis parodė panašius rezultatus.

Ar mes taip pat jaučiame vibracijas?

Turino idėja išlieka prieštaringa - jo eksperimentiniai duomenys padalijo tarpdisciplininę uoslės tyrinėtojų bendruomenę. Bet jei jie teisūs, be formų, mes jaučiame ir vibracijas, kaip tai daro mūsų nosis? Turinas spėjo, kad galima įtraukti kvantinį efektą, vadinamąjį tuneliavimą. Kvantinėje mechanikoje elektronai ir visos kitos dalelės turi dvejopą prigimtį - kiekviena yra ir dalelė, ir banga. Tai kartais leidžia elektronams judėti medžiagomis kaip tuneliu taip, kad dalelėms būtų draudžiama pagal klasikinės fizikos taisykles.

Kvapo molekulinė vibracija gali sukelti energijos šuolį žemyn energijos, kurios elektronams reikia peršokti iš vienos kvapo receptoriaus dalies į kitą. Šuolio greitis kinta priklausomai nuo skirtingų molekulių, o tai sukelia nervinius impulsus, kurie sukuria smegenyse skirtingų kvapų suvokimą.

Taigi mūsų nosis gali būti modernus elektroninis detektorius. Kaip tokiu būdu galėjo vystytis mūsų nosis, kad būtų galima pasinaudoti tokiais kvantiniais ypatumais?

Turinas sako:

„Manau, kad mes, taip sakant, nuvertiname šią technologiją keliais dydžiais. Keturių milijardų metų moksliniai tyrimai ir plėtra be neriboto finansavimo yra ilgas evoliucijos laikas. Bet nemanau, kad tai yra pats nuostabiausias dalykas, kurį daro gyvenimas “.