Pinapayagan ka ng mekanika ng kuwantum na makita mo, pakiramdam at hawakan ang mga particle (bahagi 1)

6762x 21. 11. 2018 1 Reader

Ano ito? quantum mechanics at paano ito nagsimula? Kung hindi sinunod ni Max Planck ang isang masamang payo, hindi siya magsisimula ng rebolusyon sa atomismo. Ang pangunahing sandali ay 1878 nang tinanong ng kabataang Planck ang isa sa kanyang mga propesor kung magpatuloy sa karera sa pisika. Sinabi ni Professor Philip von Jolly sa Planck upang makahanap ng ibang trabaho. Ang lahat ng mahahalagang tuklas sa physics ay ginawa na, tiniyak ang propesor ng kanyang batang tagapagtanggol.

Bilang Planck recalled mamaya, von Jolly sinabi,

"Physics ay maaaring patuloy na kahit marginally, sinisiyasat o paglalagay sa order at tamtoho ng iyon, ngunit ang sistema bilang isang buo ay naka-angkla at panteorya physics ay makabuluhang papalapit sa pagkumpleto."

Sa pamamagitan ng paglalagay ng isa sa mga maliit na bagay sa pagsasanay, ito ay naka-out siya sa wakas nakuha ito Planck Nobel Prize at siya ay ipinanganak quantum mechanics. Ang hindi komportable maliit na bagay na kasangkot sa isang napaka-pangkaraniwang kababalaghan: Bakit lumabas ang mga bagay sa paraan ng ginagawa nila nito habang nagpainit? Ang lahat ng mga materyales, kahit na ano ang mga ito ay ginawa ng, kumilos ang parehong sa isang pagtaas ng temperatura - sila radiate ang mga kulay pula, dilaw at sa wakas puti. Walang pisisista sa 19. siglo ay hindi maaaring ipaliwanag ito tila baga simpleng proseso.

Ang problema ay lumitaw bilang 'ultraviolet sakuna' bilang ang pinakamahusay na teorya hinuhulaan na ang mga bagay na pinainit sa napakataas na temperatura ay dapat radiate magkano ang enerhiya na may maikling wavelength. Dahil alam namin na ang isang malakas na kasalukuyang ay hindi nagdadala ng mga ilaw na bombilya sa naturang enerhiya beam ng kamatayan, pisika sa 19. May malinaw na walang huling salita dito.

Ang enerhiya ay maaaring masipsip

Natagpuan ni Planck ang sagot na nasa 1900 sa kung ano ang naging isang modernong hit. Sa katunayan, naisip niya na ang enerhiya ay maaaring masustansya o ipinapadala lamang sa discrete dami, o mga dami. Ito ay isang radikal na pag-alis mula sa klasikal na pisika na sinabing ang enerhiya ay dumadaloy sa pamamagitan ng tuloy-tuloy, tuluy-tuloy na stream. Sa oras na iyon, Planck ay walang teoretikong dahilan, ngunit ito rin ay naka-out na nagtatrabaho. Ang kabuuan nito ay epektibong nagbawas ng dami ng enerhiya na maaaring palabasin ng pinainitang mga artikulo sa anumang temperatura. Sa wakas, walang nakamamatay na ultraviolet ray!

Quantum Revolution

Ganiyan ang pagsisimula ng rebolusyong kabuuan. Kinuha ito ng mga dekada ng panteorya trabaho ng Albert Einstein, Werner Heisenberg, Niels Bohr at iba pang mga titans ng pisika, kaya nagbago ang Planck inspirasyon para sa isang komprehensibong teorya, ngunit iyon ay isa lamang sa simula, dahil walang sinuman ang talagang naiintindihan kung ano ang nangyayari sa mga bagay kapag nainitan.

Ang teorya ng quantum mechanics, na deal sa mga particle at enerhiya transmissions sa larangan ng ang pinakamaliit na particle na nakuha mula sa aming araw-araw na karanasan at ang lahat ng iyon ay hindi nakikita ng ating clumsy Sensorium. Hindi lahat ay ganap na hindi nakikita! Ang ilang mga epekto kabuuan ay nakatago mula sa paningin, kahit na ang mga ito ay maliwanag at maganda bilang rays ng araw at ang kinang ng mga bituin, tulad ng anumang bagay na hindi ma-ganap na ipinaliwanag bago ang pagdating ng quantum mechanics.

Gaano karaming mga phenomena mula sa kabuuan mundo maaari naming karanasan sa aming araw-araw na buhay? Anong impormasyon ang matutuklasan ng ating mga pandama sa tunay na katangian ng katotohanan? Pagkatapos ng lahat, tulad ng ipinakita ng orihinal na teorya, ang phenomena ng quantum ay maaaring magsinungaling sa ilalim ng ating ilong. Sa katunayan, maaari silang mangyari sa ating ilong.

Quantum bumper

Ano ang nangyayari sa iyong ilong kapag gisingin mo at naramdaman ang amoy ng kape o isang slice of bread sa iyong immortal toaster? Para sa nakagagaling na organ na ito sa mukha, ito ay isang impression lamang. Tulad ng Enrico Fermi, na nagtayo ng unang nuclear reactor sa mundo, sa sandaling pinirito ang sibuyas, magiging maayang maintindihan kung paano gumagana ang aming organang pandama.

Quantum Mechanics (© Jay Smith)

Kaya nakahiga ka sa kama at isipin ang paghahanda ng sariwang toasted toast. Ang mga pabango ng halimuyak ay dumadaloy sa hangin. Ang iyong paghinga ay kukunin ang ilan sa mga molecule na ito sa ilong ng ilong sa pagitan ng iyong mga mata sa itaas ng bibig. Ang mga molecule ay nakakabit sa mucosal layer sa ibabaw ng ilong ng ilong at nakulong sa mga receptor ng olpaktoryo. Ito hangs mula sa utak olfactory nerbiyos tentacles dikya, ay lamang ng bahagi ng gitnang nervous system, na kung saan ay patuloy na nailantad sa labas ng mundo.

Ano ang susunod na mangyayari ay hindi ganap na malinaw. Alam namin na ang mga pabango ng halimuyak ay nakagapos sa alinman sa iba't ibang mga receptor ng 400 sa ibabaw ng mucosa, hindi namin alam nang eksakto kung paano at kung paano ang kontak na ito ay lumilikha ng amoy. Bakit napakahirap maintindihan ang amoy?

Si Andrew Horsfield, isang siyentipiko sa Imperial College London, ay nagsabi:

"Ito ay bahagyang dahil sa kahirapan sa pagsasagawa ng mga eksperimento upang masubukan kung ano ang nangyayari sa loob ng mga receptor ng olpaktoryo."

Paano gumagana ang amoy

Ang maginoo na paliwanag kung paano mukhang simple ang halimuyak: ang mga receptor ay tumatanggap ng mga tiyak na mga molekular na hugis. Sila ay tulad ng mga kandado na maaari lamang mabuksan gamit ang mga tamang key. Ang bawat isa sa mga molecule na pumasok sa ilong ay umaangkop sa isang hanay ng mga receptor ayon sa teorya na ito. Binibigyang kahulugan ng utak ang isang natatanging kumbinasyon ng mga molecule ng mga naka-activate na receptor, halimbawa bilang isang amoy ng kape. Sa madaling salita, nararamdaman namin ang mga hugis ng mga molecule! Gayunpaman, may isang pangunahing problema sa modelo ng pagbubukas ng susi. '

Sinabi ni Horsfield:

"Maaari kang magkaroon ng mga molecule na may iba't ibang mga hugis at komposisyon na nagbibigay sa iyo ng parehong damdamin."

Tila na ang isang bagay na higit pa sa hugis ay dapat na kasangkot dito, ngunit ano? Ang isang kontrobersiyal na alternatibo sa modelong ito ay nagpapahiwatig na ang ating pakiramdam ay isinasagawa hindi lamang sa pamamagitan ng anyo ng mga molecule kundi pati sa kung paano ang mga molecule na ito ay gumagalaw. Ang lahat ng mga molecule ay patuloy na vibrating sa isang tiyak na dalas, batay sa kanilang istraktura. Puwede bang ibunyag ng aming ilong ang mga pagkakaiba sa mga frequency ng vibrational na ito? Naniniwala si Luca Turin, isang biophysicist sa sentro ng pananaliksik para sa mga biomedical science, si Alexandr Fleming, sa Greece.

Teorya ng panginginig ng aroma

Turin, na rin ay naging isa sa mga nangungunang eksperto sa mundo sa pabango ay inspirasyon vibration theory halimuyak, unang iminungkahi botika Malcolm Dyson sa 1938. Matapos kunin ni Torino ang ideya ni Dyson sa mga siyamnapu hanggang sa siyamnapu hanggang sa siyamnapu hanggang sa siyamnaput siyam, sinimulan niya ang paghahanap ng mga molecule upang subukan ang teorya. Nakatuon siya sa mga compound ng asupre na may natatanging amoy at katangian ng molecular vibrations. Turin at pagkatapos ay kailangan upang makilala ang mga ganap na walang-kaugnayang compounds na may iba't ibang mga molecular na hugis kaysa sa sulfur, ngunit may parehong vibrational dalas upang matukoy kung mayroong isang bagay na tulad ng sulfur. Sa paglaon ay natagpuan ng isang molekula na naglalaman ng boron. Siya ay maaaring nakaririnig tulad ng asupre. "Dito ginagawa ko ito," sabi niya, "Sa palagay ko hindi ito isang pagkakataon."

Mula sa sandaling natuklasan niya ang pagdiriang ito ng olpaktoryo, nakolekta ni Turin ang eksperimento na katibayan upang suportahan ang ideyang ito, at nagtrabaho sa Horsfield upang maiproseso ang mga detalye ng teoretikal. Limang taon na ang nakakaraan, Turin at ang kanyang mga kasamahan na dinisenyo ng isang eksperimento kung saan ang ilan sa mga hydrogen Molekyul sa halimuyak na substansiya ay napalitan ng deuterium, isang isotope ng hydrogen na may neutrons sa nucleus at natagpuan na ang mga tao ay maaaring sa tingin magkano ang pagkakaiba. Dahil ang hydrogen at deuterium ay may parehong molekular na hugis ngunit iba't ibang mga frequency vibration, ang mga resulta ay muling iminumungkahi na ang aming mga noses ay maaaring aktwal na makakita ng mga vibrations. Ang mga katulad na resulta ay ipinakita ng mga eksperimento na may mga lilipad na prutas.

Nadarama ba natin ang pag-vibrate?

Ang ideya ni Turin ay nananatiling kontrobersyal - ang kanyang pang-eksperimentong data ay ibinahagi ng isang interdisciplinary community ng olfactory researchers. Ngunit kung tama ang mga ito, at bukod sa mga hugis, nararamdaman din namin ang panginginig ng boses, ano ang ginagawa ng aming mga ilong? Tinutukoy ng Turin na ang isang kabuuan ng epekto ay maaaring kasama dito, na tinatawag na tunneling. Sa mekanika ng quantum, ang mga electron at lahat ng iba pang mga particle ay may kambal na katangian - ang bawat isa ay parehong particle at alon. Kung minsan, pinapayagan nito ang paggalaw ng mga electron sa pamamagitan ng mga materyal tulad ng isang tunel, sa isang paraan na pinagbawalan ng mga particle ayon sa mga patakaran ng klasikal na pisika.

Ang molekular na vibration ng pabango ay maaaring magbigay ng isang downshift enerhiya down ang enerhiya ang mga electron na kailangan upang tumalon mula sa isang bahagi ng receptor ng amoy sa iba pang. Ang rate ng paglipat ng mga pagbabago na may iba't ibang mga molecule, na nagiging sanhi ng nervous impulses na lumikha ng pang-unawa ng iba't ibang odors sa utak.

Kaya ang aming ilong ay maaaring maging isang sopistikadong electronic detector. Paano lumago ang aming mga ilong upang samantalahin ang gayong mga kakaibang kabuuan?

Sinabi ni Turin:

"Sa palagay ko namimighati namin ang teknolohiyang ito, upang sabihin ang ilang mga linya. Ang apat na bilyong taon ng pananaliksik at pag-unlad na may walang limitasyong pagpopondo ay isang mahabang panahon para sa ebolusyon. Ngunit sa palagay ko hindi ito ang pinaka-kahanga-hangang bagay na ginagawa ng buhay. "

Quantum mechanics

Higit pang mga bahagi mula sa serye

Mag-iwan ng Sagot