Ce este mecanica cuantică și cum a început? Dacă Max Planck nu ar fi ignorat un sfat rău, revoluția în atomistică nu ar fi început niciodată. Momentul cheie a venit în 1878, când tânărul Planck a fost întrebat de unul dintre profesorii săi dacă va urma o carieră în fizică. Profesorul Philip von Jolly i-a spus lui Planck să găsească un alt loc de muncă. Se spune că toate descoperirile importante din fizică au fost deja făcute, și-a asigurat profesorul tânărul protejat.

După cum și-a amintit mai târziu Planck, von Jolly i-a spus:

„Fizica poate continua marginal, explorând sau ordonând acest lucru și altul, dar sistemul în ansamblu este ancorat și fizica teoretică se apropie de finalizare”.

Punând în practică unul dintre acele lucruri mărunte, s-a dovedit că în cele din urmă a obținut-o Premiul Nobel Planck și s-a născut mecanica cuantică. Detaliile incomode au fost un fenomen foarte frecvent: De ce obiectele radiază așa cum fac atunci când sunt încălzite? Toate materialele, indiferent din ce sunt făcute, se comportă la fel la temperaturi în creștere - emit roșu, galben și, în cele din urmă, alb. Niciun fizician din secolul al XIX-lea nu a putut explica acest proces aparent simplu.

Problema a apărut ca o „catastrofă ultravioletă”, deoarece cea mai bună teorie a prezis că obiectele încălzite la temperaturi foarte ridicate ar trebui să emită cea mai scurtă energie cu lungime de undă. Din moment ce știm că un curent puternic nu va duce becurile la astfel de raze energetice de moarte, fizica din secolul al XIX-lea nu a avut în mod clar ultimul cuvânt aici.

Energia poate fi absorbită

Planck a găsit răspunsul în 1900 cu ceea ce a devenit un succes modern. De fapt, el a ghicit că energia poate fi absorbită sau transmisă numai în cantități sau cantități discrete. A fost o abatere radicală de la fizica clasică, care susținea că energia curge într-un flux continuu și continuu. La acea vreme, Planck nu avea nicio justificare teoretică pentru aceasta, dar s-a dovedit a funcționa în acest fel. Cuanticul său a limitat efectiv cantitatea de energie pe care obiectele încălzite o pot elibera la orice temperatură. Deci, în cele din urmă, nu există raze ultraviolete mortale!

Revoluția cuantică

Astfel a început revoluția cuantică. A fost nevoie de decenii de muncă teoretică a lui Albert Einstein, Werner Heisenberg, Niels Bohr și alți titani ai fizicii pentru a transforma inspirația lui Planck într-o teorie holistică, dar acesta a fost doar începutul, deoarece nimeni nu a înțeles pe deplin ce s-a întâmplat cu obiectele atunci când s-au încălzit.

Teoria rezultată este mecanica cuantică, care se ocupă cu particulele și transferurile de energie în tărâmul celor mai mici particule, derivate din experiența noastră de zi cu zi și din tot ceea ce este invizibil aparatului nostru senzorial neîndemânatic. Nu totul este complet invizibil! Unele efecte cuantice sunt ascunse vederii, deși sunt clare și frumoase, cum ar fi razele soarelui și sclipirea stelelor, ca ceva care nu putea fi explicat pe deplin înainte de apariția mecanicii cuantice.

Câte fenomene din lumea cuantică putem experimenta în viața noastră de zi cu zi? Ce informații pot descoperi simțurile noastre în adevărata natură a realității? La urma urmei, așa cum arată teoria originală, fenomenele cuantice pot sta chiar sub nasul nostru. De fapt, ele pot avea loc chiar în nasul nostru.

Cuantică cuantică

Ce se întâmplă în nas când te trezești și mirosi cafeaua sau felia de pâine din prăjitorul tău nemuritor? Este doar o impresie pentru acest organ senzorial de pe față. După cum a remarcat Enrico Fermi, care a construit primul reactor nuclear din lume, odată ce a prăjit ceapa, ar fi bine să înțelegem cum funcționează organul nostru senzorial.

Mecanica cuantică (© Jay Smith)

Așa că te culci în pat cu gândul să faci pâine prăjită proaspătă. Moleculele de parfum curg prin aer. Respirația dvs. atrage unele dintre aceste molecule în cavitatea nazală dintre ochi, chiar deasupra gurii. Moleculele se atașează la stratul de mucoasă de pe suprafața cavității nazale și sunt prinse în receptorii olfactivi. Nervii olfactivi atârnă de creier ca tentaculele unei meduze, sunt singura parte a sistemului nervos central care este expusă constant lumii exterioare.

Ce se întâmplă în continuare nu este complet clar. Știm că moleculele de miros se leagă de unul dintre cei 400 de receptori diferiți de pe suprafața mucoasei, nu știm exact ce și cum acest contact creează senzația noastră olfactivă. De ce este atât de dificil să înțelegi mirosul?

Andrew Horsfield, cercetător la Imperial College London, spune:

In parte din cauza dificultatii de a efectua experimente pentru a verifica ce se intampla in interiorul receptorilor olfactivi.

Cum funcționează parfumul

Explicația convențională a modului în care funcționează parfumul pare simplă: receptorii iau forme foarte specifice ale moleculelor. Sunt ca niște încuietori care pot fi deschise doar cu tastele potrivite. Conform acestei teorii, fiecare dintre moleculele care intră în nas se încadrează într-un set de receptori. Creierul interpretează o combinație unică de receptori activați cu molecule, cum ar fi mirosul de cafea. Cu alte cuvinte, simțim formele moleculelor! Cu toate acestea, există o problemă fundamentală cu modelul „deschiderii cheii”. ”

Horsfield spune:

„Puteți avea molecule cu forme și compoziții foarte diferite, toate care vă dau aceeași impresie.”

Se pare că trebuie implicat ceva mai mult decât simpla formă, dar ce? O alternativă controversată la acest model sugerează că simțul nostru este activat nu numai de forma moleculelor, ci și de modul în care aceste molecule vibrează. Toate moleculele vibrează constant la o anumită frecvență, pe baza structurii lor. Ar putea nasul nostru să dezvăluie cumva diferențele dintre aceste frecvențe vibraționale? Luca Turin, biofizician la Centrul de Cercetări Biomedicale al lui Alexander Fleming din Grecia, crede că pot.

Teoria vibrațiilor mirosului

Torino, care a devenit și unul dintre cei mai mari experți mondiali în domeniul parfumurilor, a fost inspirat de teoria vibrațională a parfumului, propusă pentru prima dată de chimistul Malcolm Dyson în 1938. După ce Torino a înțeles pentru prima dată ideea lui Dyson în anii XNUMX, Torino a început să caute molecule care să-i permită să facă acest lucru. Test. El sa concentrat asupra compușilor de sulf care au un miros unic și vibrații moleculare caracteristice. Torino a trebuit atunci să identifice un compus complet lipsit de legătură, cu o formă moleculară diferită de cea a sulfului, dar cu aceeași frecvență vibrațională, pentru a vedea dacă a existat așa ceva precum sulful. În cele din urmă a găsit una, o moleculă care conține bor. Cu siguranță mirosea a sulf. „Am căzut pentru asta aici”, spune el, „nu cred că este o coincidență”.

Din momentul în care a descoperit această senzație olfactivă, Torino a adunat dovezi experimentale pentru a susține ideea și a lucrat cu Horsfield pentru a elabora detalii teoretice. În urmă cu cinci ani, Torino și colegii săi au proiectat un experiment în care unele dintre moleculele de hidrogen dintr-un parfum au fost înlocuite cu deuteriu, un izotop de hidrogen cu un neutron în nucleu și au descoperit că oamenii ar putea simți diferența. Deoarece hidrogenul și deuteriul au aceleași forme moleculare, dar frecvențe vibraționale diferite, rezultatele sugerează din nou că nasul nostru poate detecta efectiv vibrațiile. Experimentele cu muștele fructelor au arătat rezultate similare.

Simțim și vibrații?

Ideea lui Torino rămâne controversată - datele sale experimentale au împărțit o comunitate interdisciplinară de cercetători olfactivi. Dar dacă au dreptate și, pe lângă forme, simțim și vibrații, cum o fac nasurile noastre? Torino a speculat că ar putea fi inclus un efect cuantic, așa-numitul tunel. În mecanica cuantică, electronii și toate celelalte particule au o natură duală - fiecare este atât o particulă, cât și o undă. Acest lucru permite uneori electronii să se deplaseze prin materiale precum un tunel, într-un mod care ar fi interzis particulelor conform regulilor fizicii clasice.

Vibrația moleculară a mirosului poate oferi un salt de energie în jos de energia de care au nevoie electronii pentru a sări dintr-o parte a receptorului mirosului în alta. Viteza saltului se schimbă cu diferite molecule, ceea ce determină impulsuri nervoase care creează în creier percepția diferitelor mirosuri.

Deci nasul nostru poate fi un detector electronic sofisticat. Cum ar putea evolua nasul nostru în acest mod pentru a profita de astfel de particularități cuantice?

Torino spune:

„Cred că subestimăm această tehnologie, ca să spunem așa, cu câteva ordine de mărime. Patru miliarde de ani de cercetare și dezvoltare cu finanțare nelimitată reprezintă mult timp pentru evoluție. Dar nu cred că este cel mai uimitor lucru pe care îl face viața ".