La meccanica quantistica ti consente di vedere, sentire e toccare le particelle (parte 1)

21. 11. 2018
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Che cos'è meccanica quantistica e come è iniziato? Se Max Planck non avesse ignorato un cattivo consiglio, la rivoluzione nell'atomistica non sarebbe mai iniziata. Il momento chiave arrivò nel 1878, quando al giovane Planck fu chiesto da uno dei suoi professori se intendeva intraprendere una carriera nel campo della fisica. Il professor Philip von Jolly ha detto a Planck di trovare un altro lavoro. Si dice che tutte le scoperte importanti nel campo della fisica siano già state fatte, assicurò il professore al suo giovane protetto.

Come ricordò in seguito Planck, von Jolly gli disse:

"La fisica può continuare marginalmente, esplorando o ordinando questo e quello, ma il sistema nel suo insieme è ancorato e la fisica teorica si sta avvicinando al completamento."

Mettendo in pratica una di quelle piccole cose, si è scoperto che finalmente l'ha capito Premio Nobel Planck e lei è nata meccanica quantistica. Il dettaglio scomodo era un fenomeno molto comune: Perché gli oggetti si irradiano come quando vengono riscaldati? Tutti i materiali, indipendentemente da cosa siano fatti, si comportano allo stesso modo a temperature crescenti: emettono rosso, giallo e infine bianco. Nessun fisico del XIX secolo potrebbe spiegare questo processo apparentemente semplice.

Il problema è emerso come una "catastrofe ultravioletta" perché la migliore teoria prevedeva che gli oggetti riscaldati a temperature molto elevate avrebbero dovuto emettere l'energia a lunghezza d'onda più corta. Poiché sappiamo che una forte corrente non condurrà le lampadine a raggi di morte così energetici, la fisica del XIX secolo chiaramente non aveva l'ultima parola qui.

L'energia può essere assorbita

Planck trovò la risposta nel 1900 con quello che divenne un successo moderno. In effetti, ha intuito che l'energia può essere assorbita o trasmessa solo in quanti o quantità discreti. Fu un allontanamento radicale dalla fisica classica, che sosteneva che l'energia fluisce in un flusso continuo e continuo. A quel tempo, Planck non aveva alcuna giustificazione teorica per questo, ma si è comunque rivelato funzionare in quel modo. Il suo quantum ha effettivamente limitato la quantità di energia che gli oggetti riscaldati potevano rilasciare a qualsiasi temperatura. Quindi alla fine niente raggi ultravioletti mortali!

Rivoluzione quantistica

Inizia così la rivoluzione quantistica. Ci sono voluti decenni di lavoro teorico di Albert Einstein, Werner Heisenberg, Niels Bohr e altri titani della fisica per trasformare l'ispirazione di Planck in una teoria olistica, ma quello era solo l'inizio, perché nessuno capiva appieno cosa fosse successo agli oggetti quando si riscaldavano.

La teoria risultante è la meccanica quantistica, che si occupa di particelle e trasferimenti di energia nel regno delle particelle più piccole, derivate dalla nostra esperienza quotidiana e da tutto ciò che è invisibile al nostro goffo apparato sensoriale. Non tutto è completamente invisibile! Alcuni effetti quantistici sono nascosti alla vista, sebbene siano chiari e belli, come i raggi del sole e lo scintillio delle stelle, come qualcosa che non poteva essere completamente spiegato prima dell'avvento della meccanica quantistica.

Quanti fenomeni del mondo quantistico possiamo sperimentare nella nostra vita quotidiana? Quali informazioni possono scoprire i nostri sensi nella vera natura della realtà? Dopo tutto, come mostra la teoria originale, i fenomeni quantistici possono trovarsi proprio sotto i nostri nasi. In effetti, possono avvenire proprio nel nostro naso.

Coda quantistica

Cosa succede nel tuo naso quando ti svegli e senti odore di caffè o di una fetta di pane nel tuo tostapane immortale? È solo un'impressione per questo organo sensoriale sul viso. Come ha osservato Enrico Fermi, che ha costruito il primo reattore nucleare al mondo, una volta fritte le cipolle, sarebbe bello capire come funziona il nostro organo sensoriale.

Meccanica quantistica (© Jay Smith)

Quindi sei sdraiato a letto pensando di fare un toast fresco. Le molecole di fragranza scorrono nell'aria. Il tuo respiro attira alcune di queste molecole nella cavità nasale tra i tuoi occhi, appena sopra la bocca. Le molecole si attaccano allo strato mucoso sulla superficie della cavità nasale e sono intrappolate nei recettori olfattivi. I nervi olfattivi pendono dal cervello come i tentacoli di una medusa, sono l'unica parte del sistema nervoso centrale costantemente esposta al mondo esterno.

Quello che succede dopo non è del tutto chiaro. Sappiamo che le molecole di odore si legano a uno dei 400 diversi recettori sulla superficie della mucosa, non sappiamo esattamente cosa e come questo contatto crea la nostra sensazione olfattiva. Perché è così difficile capire l'odore?

Andrew Horsfield, ricercatore presso l'Imperial College di Londra, afferma:

"In parte a causa della difficoltà di condurre esperimenti per verificare cosa sta succedendo all'interno dei recettori olfattivi".

Come funziona il profumo

La spiegazione convenzionale di come funziona il profumo sembra semplice: i recettori assumono forme di molecole molto specifiche. Sono come serrature che possono essere aperte solo con le chiavi giuste. Secondo questa teoria, ciascuna delle molecole che entra nel naso si inserisce in un insieme di recettori. Il cervello interpreta una combinazione unica di recettori attivati ​​da molecole, come l'odore del caffè. In altre parole, sentiamo le forme delle molecole! Tuttavia, c'è un problema fondamentale con il modello di "apertura delle chiavi".

Horsfield ha detto:

"Puoi avere molecole con forme e composizioni molto diverse, che ti danno tutte la stessa impressione".

Sembra che ci debba essere qualcosa di più della semplice forma, ma cosa? Un'alternativa controversa a questo modello suggerisce che il nostro senso è attivato non solo dalla forma delle molecole, ma anche dal modo in cui queste molecole vibrano. Tutte le molecole vibrano costantemente a una certa frequenza, in base alla loro struttura. Il nostro naso potrebbe in qualche modo rivelare le differenze in quelle frequenze vibrazionali? Luca Turin, biofisico presso il Centro di ricerca biomedica di Alexander Fleming in Grecia, crede di poterlo fare.

Teoria delle vibrazioni dell'odore

Torino, che divenne anche uno dei massimi esperti mondiali di profumi, si ispirò alla teoria vibrazionale della fragranza, proposta per la prima volta dal chimico Malcolm Dyson nel 1938. Dopo aver afferrato per la prima volta l'idea di Dyson negli anni 'XNUMX, Torino iniziò a cercare molecole che gli permettessero di farlo. test. Si è concentrato sui composti di zolfo che hanno un odore unico e vibrazioni molecolari caratteristiche. Torino aveva quindi bisogno di identificare un composto completamente non correlato, con una forma molecolare diversa dallo zolfo, ma con la stessa frequenza vibrazionale, per vedere se esisteva qualcosa come lo zolfo. Alla fine ne trovò una, una molecola contenente boro. Sicuramente odorava di zolfo. "Ci sono cascato qui", dice, "non credo che possa essere una coincidenza".

Da quando aveva scoperto questa sensazione olfattiva, Turin aveva raccolto prove sperimentali a sostegno dell'idea e aveva lavorato con Horsfield per elaborare dettagli teorici. Cinque anni fa, Torino ei suoi colleghi hanno progettato un esperimento in cui alcune delle molecole di idrogeno in una fragranza sono state sostituite dal deuterio, un isotopo dell'idrogeno con un neutrone nel nucleo, e hanno scoperto che gli esseri umani potevano sentire la differenza. Poiché l'idrogeno e il deuterio hanno le stesse forme molecolari ma frequenze vibrazionali diverse, i risultati suggeriscono ancora una volta che i nostri nasi possono effettivamente rilevare le vibrazioni. Gli esperimenti con i moscerini della frutta hanno mostrato risultati simili.

Sentiamo anche vibrazioni?

L'idea di Torino rimane controversa: i suoi dati sperimentali dividevano una comunità interdisciplinare di ricercatori olfattivi. Ma se hanno ragione, e oltre alle forme sentiamo anche le vibrazioni, come fanno il nostro naso? Torino ipotizzava che potesse essere incluso un effetto quantistico, il cosiddetto tunneling. Nella meccanica quantistica, gli elettroni e tutte le altre particelle hanno una doppia natura: ognuno è sia una particella che un'onda. Questo a volte consente agli elettroni di muoversi attraverso i materiali come un tunnel, in un modo che sarebbe vietato alle particelle secondo le regole della fisica classica.

La vibrazione molecolare dell'odore può fornire un salto di energia verso il basso dell'energia di cui gli elettroni hanno bisogno per saltare da una parte all'altra del recettore dell'odore. La velocità del salto cambia con diverse molecole, il che provoca impulsi nervosi che creano nel cervello la percezione di diversi odori.

Quindi il nostro naso può essere un sofisticato rilevatore elettronico. Come potrebbero i nostri nasi evolversi in questo modo per trarre vantaggio da tali peculiarità quantistiche?

Torino dice:

"Penso che stiamo sottovalutando questa tecnologia, per così dire, di pochi ordini di grandezza. Quattro miliardi di anni di ricerca e sviluppo con finanziamenti illimitati sono un lungo periodo di evoluzione. Ma non credo che sia la cosa più sorprendente che la vita faccia ".

Meccanica quantistica

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