Kaj je to? kvantna mehanika in kako se je začelo? Če Max Planck ne bi prezrl enega slabega nasveta, v atomizmu nikoli ne bi prišlo do revolucije. Ključni trenutek se je zgodil v 1878-u, ko je eden od njegovih profesorjev mladega Plancka vprašal, ali bo nadaljeval kariero v fiziki. Profesor Philip von Jolly je Plancku rekel, naj poišče drugo službo. Vsa pomembna odkritja v fiziki so bila opravljena, je zagotovil profesor, ki je bil mladi varovanec.

Kot je pozneje spomnil Planck, mu je von Jolly rekel:

"Fizika se lahko nadaljuje malo, z raziskovanjem ali popravljanjem tega in tega, vendar je sistem kot celota zasidran in teoretična fizika se že dobro približuje koncu."

Izvedba ene od teh malenkosti se je izkazala, da je na koncu zmagal Planckova Nobelova nagrada in se je rodil kvantna mehanika. Neprijetna malenkost se je nanašala na zelo pogost pojav: Zakaj predmeti sevajo tako, kot se ogrevajo? Vsi materiali, ne glede na to, iz česa so, se ob naraščajočih temperaturah obnašajo enako - oddajajo rdečo, rumeno in končno belo. Noben fizik v 19. stoletju ni mogel razložiti tega na videz preprostega postopka.

Težava se je pokazala kot "ultravijolična katastrofa", ker je najboljša teorija predvidevala, da morajo predmeti, segreti na zelo visoke temperature, oddajati največ energije na kratki valovni dolžini. Ker vemo, da močan tok ne vodi žarnic v take energijske žarke smrti, fizika v 19. stoletja očitno tu niso imeli zadnje besede.

Energija se lahko absorbira

Planck je odgovor našel v 1900-u s tistim, kar je postalo sodoben hit. Pravzaprav je uganil, da se energija lahko absorbira ali prenaša le v diskretnih količinah ali količinah. To je bil radikalen odmik od klasične fizike, ki je trdila, da energija teče v neprekinjenem, neprekinjenem toku. Takrat Planck zanj ni imel teoretične utemeljitve, vendar se je izkazalo, da deluje. Njen kvant je učinkovito zmanjšal količino energije, ki jo lahko segreti predmeti sprostijo pri kateri koli temperaturi. Na koncu nobenih smrtonosnih ultravijoličnih žarkov!

Kvantna revolucija

Tako se je začela kvantna revolucija. Desetletja teoretičnega dela Alberta Einsteina, Wernerja Heisenberga, Nielsa Bohra in drugih fizikalnih titanov so Planckov navdih spremenili v popolno teorijo, vendar je bil to šele začetek, saj nihče ni popolnoma razumel, kaj se dogaja s predmeti, ko so se segrevali.

Izhajajoča teorija je kvantna mehanika, ki se ukvarja z delci in prenosom energije v kraljestvu najmanjših delcev, izhaja iz naše vsakdanje izkušnje in vsega, kar je nevidno za naš neroden čutni aparat. Ni vse povsem nevidno! Nekateri kvantni učinki se skrivajo pred očmi, čeprav so svetli in lepi, kot sončni žarki in bleščice zvezd, nekaj drugega, česar pred nastopom kvantne mehanike ni bilo mogoče popolnoma razložiti.

Koliko pojavov iz kvantnega sveta lahko doživimo v vsakdanjem življenju? Katere podatke lahko naša čutila odkrijejo v resničnosti resničnosti? Konec koncev, kot kaže originalna teorija, lahko kvantni pojavi ležijo neposredno pod našim nosom. Pravzaprav se lahko odvijajo neposredno v naših nosovih.

Quantum frňák

Kaj se vam zgodi v nosu, ko se zbudite in v svojem nesmrtnem toasterju začutite vonj kave ali rezine kruha? To je samo vtis za ta čutni organ na obrazu. Kot je ugotovil Enrico Fermi, ki je zgradil prvi jedrski reaktor na svetu, ko je čebulo cvrlo, bi bilo lepo razumeti, kako deluje naš čutilni organ.

Kvantna mehanika (© Jay Smith)

Torej ležite v postelji in razmišljate, kako bi naredili svež toast. Molekule vonja tečejo po zraku. Vaše dihanje pritegne nekaj teh molekul v nosno votlino med očmi, tik nad usti. Molekule se pritrdijo na plast sluznice na površini nosne votline in se ujamejo v vonjave. Nosilci živcev, kot so meduze v obliki meduze, visijo iz možganov, so edini del osrednjega živčnega sistema, ki je nenehno izpostavljen zunanjemu svetu.

Kaj se bo zgodilo, ni povsem jasno. Vemo, da se molekule dišave vežejo na nekatere 400 različne receptorje na površini sluznice, ne vemo natančno, kaj in kako ta stik ustvari naš vonj. Zakaj je tako težko razumeti vonj?

Andrew Horsfield, raziskovalec na Imperial College v Londonu, pravi:

"Delno zaradi težav pri izvajanju poskusov za preverjanje dogajanja znotraj vohalnih receptorjev."

Kako dišava deluje

Običajna razlaga, kako vonj deluje, se zdi preprosta: receptorji dobijo zelo specifične oblike molekul. So kot ključavnice, ki jih je mogoče odpreti samo s pravimi tipkami. Po tej teoriji se vsaka od molekul, ki vstopi v nos, prilega naboru receptorjev. Možgani razlagajo edinstveno kombinacijo molekulsko aktiviranih receptorjev, kot je vonj po kavi. Z drugimi besedami, občutimo oblike molekul! Vendar je pri modelu „odpiranja ključev“ temeljna težava.

Horsfield pravi:

"Lahko imate molekule z zelo različnimi oblikami in sestavki, ki vam dajejo enak občutek."

Zdi se, da mora biti vključeno nekaj več kot le oblika, ampak kaj? Kontroverzna alternativa temu modelu nakazuje, da se naš čut ne aktivira samo zaradi oblike molekul, temveč tudi zaradi načina, kako te molekule vibrirajo. Vse molekule nenehno vibrirajo z določeno frekvenco, odvisno od njihove strukture. Bi lahko naš nos nekako razkril razlike v teh vibracijskih frekvencah? Luca Turin, biofizik iz Biomedicinskega raziskovalnega centra Aleksandra Fleminga v Grčiji, meni, da lahko.

Teorija vibracij dišave

Torino, ki je postal tudi eden vodilnih svetovnih parfumskih strokovnjakov, je navdihnila vibracijska teorija dišav, ki jo je v 1938 prvi predlagal kemik Malcolm Dyson. Potem ko je v devetdesetih prvič zajel Dysonovo idejo, je Torin začel iskati molekule, da bi preizkusil to teorijo. Osredotočil se je na žveplove spojine, ki imajo edinstven vonj in značilne molekularne vibracije. Torino je nato moral identificirati popolnoma nepovezano spojino z molekulsko obliko, ki ni žveplo, vendar z enako frekvenco vibracij, da bi ugotovil, ali sploh obstaja kaj takega kot žveplo. Končno je našel eno, molekulo bora. Gotovo je dišala po žveplu. "Tu sem ga dobil," pravi, "mislim, da ne more biti naključje."

Od trenutka, ko je odkril to vohalno senzacijo, je Torino zbral eksperimentalne dokaze, ki podpirajo to idejo, in sodeloval s Horsfieldom pri izdelavi teoretičnih podrobnosti. Pred petimi leti je Torino s sodelavci zasnoval eksperiment, v katerem je nekatere molekule vodika v dišavi nadomestil devterij, izotop vodika z nevtronom v jedru, in ugotovil, da lahko ljudje občutijo razliko. Ker imata vodik in devterij enake molekularne oblike, vendar različno frekvenco nihanja, rezultati spet kažejo, da lahko naši nosovi dejansko zaznavajo vibracije. Poskusi s sadnimi muhami so pokazali podobne rezultate.

Ali čutimo tudi vibracije?

Torinova ideja ostaja kontroverzna - njegovi eksperimentalni podatki so razdelili interdisciplinarno skupnost raziskovalcev voha. Če pa imajo prav in poleg oblik čutimo tudi vibracije, kako to počnejo naši nosovi? Torino je domneval, da bi lahko vključili kvantni učinek, tako imenovano tuneliranje. V kvantni mehaniki imajo elektroni in vsi drugi delci dvojno naravo - vsak je tako delček kot val. To včasih omogoča, da se elektroni premikajo skozi materiale, kot je predor, na način, ki bi bil delcem prepovedan v skladu s pravili klasične fizike.

Molekularne vibracije vonja lahko zagotovijo skok energije navzdol po energiji, ki jo potrebujejo elektroni, da preskočijo z enega dela receptorja vonja na drugega. Hitrost skoka se spreminja z različnimi molekulami, kar povzroča živčne impulze, ki v možganih ustvarjajo zaznavanje različnih vonjav.

Naš nos je tako lahko izpopolnjen elektronski detektor. Kako bi se lahko naši nos razvili, da bi izkoristili take kvantne lastnosti?

Torino pravi:

"Mislim, da podcenjujemo to tehnologijo, tako rekoč, z nekaj naročili. Štiri milijarde let raziskav in razvoja z neomejenim financiranjem je dolg čas za razvoj. Ampak mislim, da to ni najbolj kul stvar v življenju. "