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

8273x 21. 11. 2018 1 Reader

Co je to meccanica quantistica e come è iniziato? Se Max Planck non avesse ignorato un cattivo consiglio, non avrebbe mai avviato una rivoluzione nell'atomismo. Il momento chiave fu 1878 quando il giovane Planck chiese a uno dei suoi professori se intraprendere una carriera in fisica. Il professor Philip von Jolly disse a Planck di trovare un altro lavoro. Tutte le scoperte importanti in fisica sono già state fatte, ha assicurato il professore del suo giovane protettore.

Come ricordò Planck più tardi, von Jolly disse:

"Fisica può essere continuato anche marginalmente, indagare o la messa in ordine e tamtoho di questo, ma il sistema nel suo complesso è ancorato e fisica teorica sono in fase di completamento significativamente."

Mettendo in pratica una di quelle piccole cose, si è scoperto che alla fine l'ha ottenuto Premio Nobel di Planck e lei è nata meccanica quantistica. La piccola cosa scomoda ha coinvolto un fenomeno molto comune: Perché gli oggetti emergono nel modo in cui lo fanno durante il riscaldamento? Tutti i materiali, indipendentemente da come sono fatti, si comportano allo stesso modo a temperature crescenti: emergono rosso, giallo e infine bianco. Nessun fisico in 19. il secolo non potrebbe spiegare questo processo apparentemente semplice.

Il problema sembrava essere "catastrofe ultravioletta", perché la teoria migliore prevedeva che gli oggetti riscaldati a temperature molto elevate dovessero emettere la più corta lunghezza d'onda. Poiché sappiamo che una forte corrente non porta i fasci di luce in questi fasci di energia, la fisica di 19. Non c'era chiaramente l'ultima parola qui.

L'energia può essere assorbita

Planck trovò la risposta già in 1900 con quello che divenne un successo moderno. Infatti, pensava che l'energia potesse essere assorbita o trasmessa solo in quantità o quantità discrete. Fu una svolta radicale dalla fisica classica che sosteneva che l'energia scorreva attraverso un flusso continuo e continuo. A quel tempo, Planck non aveva alcun motivo teorico, ma si rivelò anche che funzionava. Il suo quanto efficacemente riduce la quantità di energia che gli articoli riscaldati potrebbero rilasciare a qualsiasi temperatura. Infine, nessun raggio ultravioletto mortale!

Rivoluzione quantica

È così che è iniziata la rivoluzione quantistica. Ci sono voluti decenni di lavoro teorico di Albert Einstein, Werner Heisenberg, Niels Bohr e altri titani della fisica, quindi ha cambiato l'ispirazione Planck per una teoria completa, ma che era solo l'inizio, perché nessuno veramente capito quello che stava accadendo con oggetti quando riscaldato.

La teoria della meccanica quantistica, che si occupa di particelle e trasmissioni di energia nel regno delle particelle più piccole derivate dalla nostra esperienza quotidiana e tutto ciò che è invisibile al nostro sensorio goffo. Non tutto è totalmente invisibile! Alcuni effetti quantistici sono nascosti alla vista, anche se sono luminoso e bello, come i raggi del sole e lo scintillio delle stelle, come qualsiasi altra cosa che non poteva essere del tutto spiegato prima dell'avvento della meccanica quantistica.

Quanti fenomeni del mondo quantico possiamo sperimentare nella nostra vita quotidiana? Quali informazioni possono scoprire i nostri sensi nella vera natura della realtà? Dopotutto, come mostra la teoria originale, i fenomeni quantistici possono trovarsi proprio sotto il nostro naso. In realtà, possono accadere proprio nel nostro naso.

Paraurti quantistico

Cosa succede nel tuo naso quando ti svegli e senti l'odore del caffè o una fetta di pane nel tuo tostapane immortale? Per questo organo sensoriale sul viso, è solo un'impressione. Proprio come Enrico Fermi, che ha costruito il primo reattore nucleare al mondo, una volta fritto la cipolla, sarebbe bello capire come funziona il nostro organo sensoriale.

Meccanica quantistica (© Jay Smith)

Quindi stai a letto e pensa a preparare toast appena tostati. Le molecole di fragranza fluiscono attraverso l'aria. Il tuo respiro attirerà alcune di queste molecole nella cavità nasale tra i tuoi occhi appena sopra la bocca. Le molecole sono attaccate allo strato mucoso sulla superficie della cavità nasale e intrappolate nei recettori olfattivi. I nervi olfattivi pendono dal cervello come meduse, sono l'unica parte del sistema nervoso centrale che è costantemente esposta al mondo esterno.

Quello che succede dopo non è del tutto chiaro. Sappiamo che le molecole di fragranza si legano a uno dei vari recettori di 400 sulla superficie della mucosa, non sappiamo esattamente come e come questo contatto crea il nostro senso dell'olfatto. Perché è così difficile capire l'odore?

Andrew Horsfield, uno scienziato dell'Imperial College di Londra, dice:

"Ciò è in parte dovuto alla difficoltà di condurre esperimenti per testare cosa sta accadendo all'interno dei recettori olfattivi."

Come funziona l'odore

Le spiegazioni convenzionali di come la fragranza funziona sembrano semplici: i recettori accettano forme molecolari molto specifiche. Sono come serrature che possono essere aperte solo con i tasti giusti. Ciascuna delle molecole che penetra nel naso si inserisce in una serie di recettori secondo questa teoria. Il cervello interpreta una combinazione unica di molecole di recettori attivati, ad esempio come odore di caffè. In altre parole, sentiamo le forme delle molecole! Tuttavia, c'è un problema fondamentale con il modello di apertura delle chiavi ".

Horsfield dice:

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

Sembra che qualcosa di più della semplice forma debba essere coinvolto qui, ma cosa? Un'alternativa controversa a questo modello suggerisce che il nostro senso è attivato non solo dalla forma delle molecole, ma anche da come queste molecole vibrano. Tutte le molecole vibrano costantemente ad una certa frequenza, in base alla loro struttura. Potrebbe il nostro naso rivelare in qualche modo le differenze in quelle frequenze vibratorie? Luca Turin, un biofisico del centro di ricerca per le scienze biomediche, Alexandr Fleming, in Grecia, ritiene di poterlo fare.

Teoria delle vibrazioni del profumo

Torino, che è diventato anche uno dei maggiori esperti mondiali di profumo è stato ispirato fragranza teoria delle vibrazioni, proposto per primo chimico Malcolm Dyson in 1938. Dopo Torino negli anni novanta per la prima volta Dyson catturato questa idea, ha iniziato a cercare molecole che gli permetteranno di verificare questa teoria. Si è concentrato su composti solforati che hanno un odore unico e vibrazioni molecolari caratteristiche. Torino quindi aveva bisogno di identificare i composti del tutto estranei di forma molecolare diverso da quello di zolfo, ma con la stessa frequenza vibrazionale per determinare se v'è qualcosa di simile zolfo. Alla fine uno ha trovato una molecola contenente boro. Di certo odore di zolfo. "Qui lo sto facendo", dice, "Penso che non possa essere una coincidenza."

Da quel momento ha rivelato la olfattiva Torino raccogliere prove sperimentali a sostegno di questa idea, e ha lavorato con Horsfield elaborazione dettagli teorici. Cinque anni fa, Torino ed i suoi colleghi hanno progettato un esperimento in cui alcuni dei molecola di idrogeno nella sostanza fragranza sono stati sostituiti con deuterio, un isotopo dell'idrogeno con neutroni nel nucleo e ha scoperto che le persone possono sentirsi molta differenza. A causa del fatto che le molecole di idrogeno e deuterio hanno la stessa forma ma diverse frequenze vibrazionali, i risultati indicano nuovamente che il naso può effettivamente rilevare le vibrazioni. Risultati simili sono stati dimostrati da esperimenti con moscerini della frutta.

Sentiamo anche le vibrazioni?

L'idea di Torino rimane controversa: i suoi dati sperimentali sono stati condivisi da una comunità interdisciplinare di ricercatori olfattivi. Ma se hanno ragione, e oltre alle forme, sentiamo anche la vibrazione, come fanno i nostri nasi? Torino ipotizzò che un effetto quantistico potesse essere incluso qui, chiamato tunneling. Nella meccanica quantistica, gli elettroni e tutte le altre particelle hanno una duplice natura: ciascuno è sia particella che onda. Questo a volte permette il movimento di elettroni attraverso materiali come un tunnel, in un modo che sarebbe vietato dalle particelle secondo le regole della fisica classica.

La vibrazione molecolare del profumo può fornire un'energia che riduce l'energia che gli elettroni hanno bisogno per passare da una parte del recettore dell'odore all'altra. Il tasso di salto cambia con diverse molecole, che provoca gli impulsi nervosi che creano la percezione di vari odori nel cervello.

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

Torino dice:

"Penso che sottovalutiamo questa tecnologia, per dire poche righe. Quattro miliardi di anni di ricerca e sviluppo con finanziamenti illimitati sono tempi lunghi per l'evoluzione. Ma non penso che sia la cosa più sorprendente che la vita faccia. "

Meccanica quantistica

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