Что это такое квантовая механика а как все началось? Если бы Макс Планк не проигнорировал один плохой совет, революция в атомистике никогда бы не началась. Ключевой момент наступил в 1878 году, когда один из профессоров спросил молодого Планка, собирается ли он продолжить карьеру в области физики. Профессор Филип фон Джолли посоветовал Планку найти другую работу. Говорят, что все важные открытия в физике уже сделаны, заверил профессор своего молодого протеже.

Как позже вспоминал Планк, фон Джолли сказал ему:

«Физика может незначительно продолжаться, исследуя или упорядочивая то и это, но система в целом закреплена, и теоретическая физика близится к завершению».

Применив одну из этих мелочей на практике, оказалось, что он наконец ее понял. Планковская Нобелевская премия и она родилась квантовая механика. Неудобная деталь была очень распространенным явлением: Почему предметы излучают так же, как при нагревании? Все материалы, независимо от того, из чего они сделаны, ведут себя одинаково при повышении температуры - они излучают красный, желтый и, наконец, белый цвет. Ни один физик XIX века не мог объяснить этот, казалось бы, простой процесс.

Проблема возникла как «ультрафиолетовая катастрофа», потому что лучшая теория предсказывала, что объекты, нагретые до очень высоких температур, должны излучать самую коротковолновую энергию. Поскольку мы знаем, что сильный ток не приведет лампочки в такие энергичные смертельные лучи, физика 19 века явно не имела здесь последнее слово.

Энергия может быть поглощена

Планк нашел ответ еще в 1900 году, выпустив то, что стало современным хитом. Фактически, он предположил, что энергия может быть поглощена или передана только дискретными квантами или количествами. Это был радикальный отход от классической физики, которая утверждала, что энергия течет непрерывным непрерывным потоком. В то время у Планка не было теоретического обоснования этого, но все же оказалось, что так работает. Его квант эффективно ограничивал количество энергии, которое нагретые объекты могли выделять при любой температуре. Так что в конце концов никаких смертельных ультрафиолетовых лучей!

Квантовая революция

Так началась квантовая революция. Потребовались десятилетия теоретической работы Альберта Эйнштейна, Вернера Гейзенберга, Нильса Бора и других титанов физики, чтобы превратить вдохновение Планка в всеобъемлющую теорию, но это было только начало, потому что никто до конца не понимал, что происходит с объектами, когда они нагреваются.

В результате возникла теория квантовой механики, которая имеет дело с частицами и переносом энергии в сфере мельчайших частиц, полученных из нашего повседневного опыта и всего, что невидимо для нашего неуклюжего сенсорного аппарата. Не все полностью незаметно! Некоторые квантовые эффекты скрыты от глаз, хотя они ясны и красивы, как солнечные лучи и блеск звезд, как нечто, что нельзя было полностью объяснить до появления квантовой механики.

Сколько явлений из квантового мира мы можем испытывать в повседневной жизни? Какую информацию наши чувства могут обнаружить в истинной природе реальности? В конце концов, как показывает первоначальная теория, квантовые явления могут лежать прямо у нас под носом. Фактически, они могут происходить прямо у нас в носу.

Квантовохвостый

Что происходит с вашим носом, когда вы просыпаетесь и чувствуете запах кофе или ломтика хлеба в бессмертном тостере? Это просто отпечаток этого органа чувств на лице. Как заметил Энрико Ферми, который построил первый в мире ядерный реактор, когда-то жаривший лук, было бы неплохо понять, как работает наш орган чувств.

Квантовая механика (© Джей Смит)

Итак, вы лежите в постели и думаете о том, чтобы приготовить свежие тосты. Молекулы ароматизаторов текут по воздуху. Ваше дыхание втягивает некоторые из этих молекул в носовую полость между глазами, чуть выше рта. Молекулы прикрепляются к слизистой оболочке на поверхности носовой полости и захватываются обонятельными рецепторами. Обонятельные нервы свисают с мозга, как щупальца медузы, это единственная часть центральной нервной системы, которая постоянно подвергается воздействию внешнего мира.

Что будет дальше, не совсем понятно. Мы знаем, что молекулы запаха связываются с одним из 400 различных рецепторов на поверхности слизистой оболочки, мы не знаем точно, что и как этот контакт создает наши обонятельные ощущения. Почему так сложно понять запах?

Эндрю Хорсфилд, исследователь Имперского колледжа Лондона, говорит:

«Отчасти это из-за сложности проведения экспериментов по проверке того, что происходит внутри обонятельных рецепторов».

Как работает аромат

Традиционное объяснение того, как работает запах, кажется простым: рецепторы принимают очень специфические формы молекул. Они похожи на замки, которые можно открыть только правильными ключами. Согласно этой теории, каждая из молекул, попадающих в нос, входит в набор рецепторов. Мозг интерпретирует уникальную комбинацию рецепторов, активируемых молекулами, например запах кофе. Другими словами, мы чувствуем формы молекул! Однако есть фундаментальная проблема с моделью «открытия ключа».

Хорсфилд говорит:

«У вас могут быть молекулы самых разных форм и составов, которые производят одинаковое впечатление».

Кажется, здесь нужно нечто большее, чем просто форма, но что? Противоречивая альтернатива этой модели предполагает, что наши чувства активируются не только формой молекул, но и тем, как эти молекулы колеблются. Все молекулы постоянно колеблются с определенной частотой в зависимости от их структуры. Может ли наш нос каким-то образом выявить различия в этих частотах колебаний? Лука Турин, биофизик из Центра биомедицинских исследований Александра Флеминга в Греции, считает, что они могут.

Вибрационная теория запаха

Турин, который также стал одним из ведущих мировых экспертов по парфюмерии, был вдохновлен вибрационной теорией аромата, впервые предложенной химиком Малкольмом Дайсоном в 1938 году. После того, как Турин впервые уловил идею Дайсона в XNUMX-х годах, Турин начал искать молекулы, которые позволили бы ему это сделать. контрольная работа. Он сосредоточился на соединениях серы, которые имеют уникальный запах и характерные молекулярные колебания. Затем Турину нужно было идентифицировать совершенно не родственное соединение, с другой молекулярной формой, чем у серы, но с той же частотой колебаний, чтобы увидеть, существует ли вообще такая вещь, как сера. В конце концов он нашел одну, молекулу, содержащую бор. Это определенно пахло серой. «Я попался на это здесь, - говорит он, - я не думаю, что это совпадение».

С тех пор, как он обнаружил это обонятельное ощущение, Турин собрал экспериментальные данные, подтверждающие эту идею, и работал с Хорсфилдом над теоретическими деталями. Пять лет назад Турин и его коллеги разработали эксперимент, в котором некоторые молекулы водорода в аромате были заменены дейтерием, изотопом водорода с нейтроном в ядре, и обнаружили, что люди могут почувствовать разницу. Поскольку водород и дейтерий имеют одинаковую молекулярную форму, но разные частоты колебаний, результаты снова показывают, что наш нос действительно может обнаруживать колебания. Аналогичные результаты показали эксперименты с плодовыми мушками.

Мы тоже чувствуем вибрации?

Идея Турина остается спорной - его экспериментальные данные разделены междисциплинарное сообщество обонятельных исследователей. Но если они правы, и мы чувствуем не только формы, но и вибрации, то как наши носы это делают? Турин предположил, что может быть включен квантовый эффект, так называемое туннелирование. В квантовой механике электроны и все другие частицы имеют двойную природу - каждая из них является и частицей, и волной. Иногда это позволяет электронам перемещаться через материалы, как туннель, способом, который был бы запрещен для частиц согласно правилам классической физики.

Молекулярные колебания запаха могут обеспечить скачок энергии, необходимой электронам для перехода от одной части рецептора запаха к другой. Скорость прыжка изменяется в зависимости от молекулы, что вызывает нервные импульсы, создающие в мозгу восприятие различных запахов.

Итак, наш нос может быть сложным электронным детектором. Как могли наши носы развиваться таким образом, чтобы воспользоваться такими квантовыми особенностями?

Турин говорит:

«Я думаю, что мы недооцениваем эту технологию, так сказать, на несколько порядков. Четыре миллиарда лет исследований и разработок при неограниченном финансировании - это долгий срок для эволюции. Но я не думаю, что это самое удивительное, что делает жизнь ».