Skammtafræði gerir þér kleift að sjá, finna og snerta agnir (1. hluti)

21. 11. 2018
6. alþjóðleg ráðstefna um exopolitics, history and spirituality

Hvað er það skammtafræði og hvernig byrjaði það? Ef Max Planck hefði ekki hunsað eitt slæmt ráð, þá hefði byltingin í atómískri þróun aldrei hafist. Lykilatriðið kom árið 1878 þegar ungur Planck var spurður af einum prófessorum sínum hvort hann myndi stunda feril í eðlisfræði. Prófessor Philip von Jolly sagði Planck að finna sér annað starf. Sagt er að allar mikilvægar uppgötvanir í eðlisfræði hafi þegar verið gerðar, fullvissaði prófessorinn ungan skjólstæðing sinn.

Eins og Planck rifjaði upp síðar sagði von Jolly honum:

"Eðlisfræðin getur haldið áfram lítillega, með því að kanna eða panta hitt og þetta, en kerfið í heild er akkerisbundið og fræðileg eðlisfræði er að ljúka."

Með því að koma einum af þessum litlu hlutum í framkvæmd kom í ljós að hann fékk það loksins Planck Nóbelsverðlaun og hún fæddist skammtafræði. Óþægileg smáatriðin voru mjög algengt fyrirbæri: Hvers vegna hlutir geisla eins og þeir gera þegar þeir eru hitaðir? Öll efni, sama úr hverju þau eru gerð, haga sér eins við vaxandi hitastig - þau gefa frá sér rautt, gult og að lokum hvítt. Enginn eðlisfræðingur á 19. öld gat útskýrt þetta að því er virðist einfalda ferli.

Vandamálið kom fram sem „útfjólublátt stórslys“ vegna þess að besta kenningin spáði því að hlutir sem hitaðir voru í mjög háum hita ættu að gefa frá sér orku með stuttri bylgjulengd. Þar sem við vitum að sterkur straumur mun ekki leiða ljósaperur í svo ötula geisla dauðans átti eðlisfræði á 19. öld greinilega ekki síðasta orðið hér.

Orka getur frásogast

Planck fann svarið árið 1900 við það sem varð nútímalegt högg. Reyndar giskaði hann á að orka geti aðeins frásogast eða borist í stakri magni eða magni. Það var róttæk frávik frá klassískri eðlisfræði, sem fullyrti að orka streymi í samfelldan, stöðugan straum. Á þeim tíma hafði Planck engan fræðilegan rökstuðning fyrir því en það reyndist samt virka þannig. Skammtinn hans takmarkaði í raun magn orkunnar sem upphitaðir hlutir gætu losað við hvaða hitastig sem er. Svo að lokum engir banvænir útfjólubláir geislar!

Skammtabylting

Þannig hófst skammtabyltingin. Það þurfti áratuga fræðilega vinnu eftir Albert Einstein, Werner Heisenberg, Niels Bohr og fleiri eðlisfræðitítana til að gera innblástur Plancks að alhliða kenningu, en það var bara byrjunin, því enginn skildi fullkomlega hvað varð um hluti þegar þeir hituðu upp.

Kenningin sem myndast er skammtafræði, sem fjallar um agnir og orkuflutninga á svið smæstu agnanna, fengin af hversdagslegri reynslu okkar og öllu því sem er ósýnilegt fyrir okkar klaufalegu skynrænu tæki. Ekki er allt með öllu ósýnilegt! Sum skammtaáhrif eru falin fyrir sjón, þó að þau séu skýr og falleg, eins og sólargeislar og glitri stjarna, eins og eitthvað sem ekki var hægt að útskýra að fullu fyrir tilkomu skammtafræðinnar.

Hve mörg fyrirbæri úr skammtafjöldanum getum við upplifað í daglegu lífi okkar? Hvaða upplýsingar geta skynfæri okkar uppgötvað í raunverulegu eðli veruleikans? Þegar öllu er á botninn hvolft, eins og upphaflega kenningin sýnir, geta skammtafyrirbæri legið rétt undir nefinu á okkur. Reyndar geta þeir átt sér stað í nefinu á okkur.

Fjöldi hali

Hvað gerist í nefinu þegar þú vaknar og finnur lykt af kaffi eða brauðsneið í ódauðlegu brauðristinni þinni? Það er bara áhrif fyrir þetta skynfæra líffæri. Eins og Enrico Fermi, sem smíðaði fyrsta kjarnakljúfa heims, einu sinni steiktan lauk, sagði, væri gaman að skilja hvernig skynfæra líffæri okkar virkar.

Skammtafræði (© Jay Smith)

Svo þú liggur í rúminu og hugsar um að búa til ferskt ristað brauð. Ilmseindir renna um loftið. Öndun þín dregur sumar af þessum sameindum inn í nefholið á milli augna, rétt fyrir ofan munninn. Sameindirnar festast við slímhúðina á yfirborði nefholsins og eru fastar í lyktarviðtökunum. Lyktar taugarnar hanga í heilanum eins og tentacles marglyttu, þær eru eini hluti miðtaugakerfisins sem stöðugt verður fyrir umheiminum.

Hvað gerist næst er ekki alveg ljóst. Við vitum að lyktarsameindir bindast einum af 400 mismunandi viðtökum á yfirborði slímhúðarinnar, við vitum ekki nákvæmlega hvað og hvernig þessi snerting skapar lyktarskyn okkar. Af hverju er svona erfitt að skilja lyktina?

Andrew Horsfield, vísindamaður við Imperial College í London, segir:

„Að hluta til er það vegna erfiðleika við að gera tilraunir til að athuga hvað er að gerast inni í lyktarviðtökunum.“

Hvernig lyktin virkar

Hefðbundin skýring á því hvernig lykt virkar virðist einföld: viðtakar taka á sig mjög sérstök form sameinda. Þeir eru eins og læsingar sem aðeins er hægt að opna með réttum lyklum. Samkvæmt þessari kenningu passa allar sameindirnar sem berast inn í nefið í hóp viðtaka. Heilinn túlkar einstaka samsetningu sameinda-virkjaðra viðtaka, svo sem kaffilykt. Með öðrum orðum, við finnum fyrir formum sameindanna! Hins vegar er grundvallarvandamál með „lykilopnun“ líkanið.

Horsfield segir:

"Þú getur haft sameindir með mjög mismunandi lögun og samsetningu, sem allar gefa þér sömu tilfinningu."

Svo virðist sem eitthvað meira en bara lögun hljóti að vera með, en hvað? Umdeildur valkostur við þetta líkan bendir til þess að vit okkar sé ekki aðeins virkjað með lögun sameindanna, heldur einnig með því hvernig þessar sameindir titra. Allar sameindir titra stöðugt á ákveðinni tíðni, byggt á uppbyggingu þeirra. Gæti nef okkar einhvern veginn leitt í ljós muninn á þessum titringstíðni? Luca Turin, lífeðlisfræðingur við Biomedical Research Center í Alexander Fleming í Grikklandi, telur að þeir geti það.

Titringur um lykt

Tórínó, sem einnig varð einn fremsti ilmvatnssérfræðingur heims, var innblásinn af titringskenningunni um ilm, sem fyrst var kynnt af efnafræðingnum Malcolm Dyson árið 1938. Eftir að Tórínó greip fyrst hugmynd Dysons á tíunda áratug síðustu aldar byrjaði Tórínó að leita að sameindum sem gerðu honum kleift að gera það. próf. Hann lagði áherslu á brennisteinssambönd sem hafa einstaka lykt og einkennandi sameindatitring. Tórínó þurfti þá að bera kennsl á fullkomlega ótengt efnasamband, með aðra sameindalögun en brennistein, en með sömu titringstíðni, til að sjá hvort það væri yfirleitt eitthvað sem heitir brennisteinn. Að lokum fann hann eina, sameind sem innihélt bór. Það lyktaði örugglega eins og brennisteinn. „Ég féll fyrir því hér,“ segir hann, „ég held að það gæti ekki verið tilviljun.“

Allt frá því að hann uppgötvaði þessa lyktarskynjun hafði Tórínó safnað tilraunagögnum til að styðja hugmyndina og hafði unnið með Horsfield að því að vinna fræðileg smáatriði. Fyrir fimm árum hönnuðu Tórínó og samstarfsmenn hans tilraun þar sem skipt var um vetnisameindir í ilmi fyrir deuterium, samsæta af vetni með nifteind í kjarnanum, og komist að því að menn gætu fundið fyrir muninum. Vegna þess að vetni og deuterium hafa sömu sameindaform en mismunandi titringstíðni, benda niðurstöðurnar aftur til þess að nef okkar geti raunverulega greint titring. Tilraunir með ávaxtaflugur hafa sýnt svipaðar niðurstöður.

Finnum við líka fyrir titringi?

Hugmynd Tórínó er enn umdeild - tilraunagögn hans skiptu þverfaglegu samfélagi lyktarfræðinga. En ef þau eru rétt og auk formanna finnum við fyrir titringi, hvernig gera nef okkar það? Tórínó giskaði á að skammtaáhrif, svokölluð göng, gætu verið með. Í skammtafræði hafa rafeindir og allar aðrar agnir tvöfalt eðli - hver er bæði agna og bylgja. Þetta gerir rafeindum stundum kleift að fara um efni eins og göng, á þann hátt að agnir væru bannaðir samkvæmt reglum klassískrar eðlisfræði.

Sameindartitringur lyktarinnar getur veitt orkustökk niður orkuna sem rafeindir þurfa til að stökkva frá einum hluta lyktarviðtakans í annan. Hraði stökksins breytist með mismunandi sameindum sem valda taugaboðum sem skapa í heilanum skynjun á mismunandi lykt.

Svo nefið okkar getur verið vandaður rafrænn skynjari. Hvernig gat nef okkar þróast á þennan hátt til að nýta okkur svona skammtafræðilega sérkenni?

Tórínó segir:

„Ég held að við séum að vanmeta þessa tækni, ef svo má segja, með nokkrum stærðargráðum. Fjórir milljarða ára rannsóknir og þróun með ótakmörkuðu fjármagni er langur tími fyrir þróun. En mér finnst það ekki það ótrúlegasta sem lífið gerir. “

Skammtafræði

Aðrir hlutar úr seríunni