مکانیک کوانتومی به شما امکان می دهد ذرات را ببینید، احساس کنید و لمس کنید (قسمت 1)

8802x 21. 11. 2018 خوانندگان 2

شرکت JE به مکانیک کوانتومی و چگونه آن را آغاز کرد؟ اگر حداکثر پلانک یک توصیه بد را نادیده بگیرد، او هرگز یک انقلاب در اتمیزم را آغاز نخواهد کرد. لحظه ی کلیدی 1878 بود زمانی که پلانک جوان یکی از استادانش را پرسید که آیا در فیزیک کار کند. پروفسور فیلیپ فون جولی به پلانک گفت که کار دیگری را پیدا کند. تمام اکتشافات مهم در فیزیک در حال حاضر ساخته شده است، استاد محافظ جوان خود را اطمینان داد.

همانطور که پلانک بعدا خاطرنشان کرد، فون جولی گفت:

"فیزیک را می توان حتی در حاشیه ادامه داد، بررسی و یا قرار دادن به نظم و tamtoho از آن، اما سیستم به عنوان یک کل متصل شده و فیزیک نظری به میزان قابل توجهی نزدیک شدن به اتمام."

با قرار دادن یکی از آن چیزهای کوچک در عمل، معلوم شد او در نهایت آن را دریافت کرد جایزه پلانک نوبل و او متولد شد مکانیک کوانتومی. چیزی کم ناراحت کننده پدیده بسیار رایج را در بر می گیرد: چرا اشیا در طریقه گرم کردن ظاهر می شوند؟ همه مواد، صرف نظر از آنچه که از آنها ساخته شده است، در دمای بالا، همانند قرمز، زرد و در نهایت سفید، ظاهر می شوند. هیچ فیزیکدان در 19 وجود ندارد. قرن نمی توانست این فرآیند ظاهرا ساده را توضیح دهد.

به نظر می رسد مشکل "فاجعه ی ماوراء بنفش" بود، زیرا بهترین تئوری پیش بینی کرد که اشیا ی که در دماهای بسیار بالا گرم می شوند، کوتاه ترین انرژی طول موج را منتشر می کنند. از آنجایی که ما میدانیم که جریان قوی لامپهای لامپ را به چنین پرتوهایی از مرگ، فیزیک در 19 نمیدهد. به وضوح هیچ کلمه ای در اینجا وجود ندارد.

انرژی می تواند جذب شود

پلانک در 1900 با آن چه که به لحاظ مدرن تبدیل شد، پاسخی را یافت. در حقیقت، او تصور می کرد که انرژی تنها می تواند در مقادیر گوناگون یا مقادیر قابل جذب یا انتقال باشد. این یک انحراف رادیکال از فیزیک کلاسیک بود که انرژی را از طریق جریان مداوم و مداوم جریان داد. در آن زمان، پلانک دلیلی نظری نداشت، اما همچنین معلوم شد که کار می کند. کوانتوم آن به طور موثر مقدار انرژی را که مواد گرم شده در هر دما می تواند آزاد کند کاهش می دهد. در نهایت، هیچ اشعه ماوراء بنفش مرگبار!

انقلاب کوانتومی

این که چگونه انقلاب کوانتوم آغاز شد. این دهه از کار تئوریک آلبرت اینشتین، هایزنبرگ، نیلز بور و دیگر غول های فیزیک، پس از آن الهام پلانک برای یک تئوری جامع تغییر داد، اما این فقط آغاز بود، چرا که هیچ کس واقعا درک آنچه با اشیاء اتفاق می افتد هنگامی که حرارت داده.

نظریه مکانیک کوانتومی، می پردازد که با ذرات و انتقال انرژی در قلمرو کوچکترین ذرات به دست آمده از تجربه روزمره ما و همه این است که نامرئی به حسی دست و پا چلفتی است. نه همه چیز کاملا نامرئی است! برخی از اثرات کوانتومی از دید پنهان، هر چند آنها روشن و زیبا به عنوان اشعه خورشید و زرق و برق از ستاره هستند، مثل هر چیز دیگری که می تواند به طور کامل قبل از ظهور مکانیک کوانتومی توضیح داده نشده.

چگونه بسیاری از پدیده های جهان کوانتومی را می توان در زندگی روزمره ما تجربه کرد؟ چه اطلاعاتی می تواند حواس ما را در ماهیت واقعی واقعیت کشف کند؟ پس از همه، به عنوان نظریه اصلی نشان می دهد، پدیده های کوانتومی می تواند در زیر بینی ما دروغ باشد. در حقیقت، آنها می توانند به درستی در بینی ما اتفاق بیفتند.

سپر کوانتومی

هنگام بیدار شدن در بینی خود چه اتفاقی می افتد و بوی قهوه یا نیمی از نان را در توستر جاویدان خود احساس می کنید؟ برای این ارگان حسی روی صورت، این فقط یک تصور است. همانطور که Enrico Fermi، که اولین راکتور هسته ای در جهان را ساخته بود، یک بار پیاز را سرخ کرد، بسیار خوب است که بدانیم که چگونه بدن حسی ما کار می کند.

مکانیک کوانتومی (© جی اسمیت)

بنابراین شما در رختخواب دروغ می گویید و درباره تهیه نان تست نان تازه فکر کنید. مولکول های عطر از طریق هوا جریان می یابند. تنفس شما برخی از این مولکول ها را به داخل حفره بینی بین چشم های شما نزدیک دهان می اندازد. مولکول ها به لایه مخاطی بر روی سطح حفره بینی متصل شده و در گیرنده های بویایی گیر می کنند. اعصاب بویایی از مغز مانند چتر دریایی آویزان هستند، آنها تنها بخشی از سیستم عصبی مرکزی است که به طور مداوم در معرض دنیای بیرون است.

چه اتفاقی می افتد، کاملا مشخص نیست. ما می دانیم که مولکول های عطر به هر گیرنده های مختلف 400 بر روی مخاط مخاطب متصل هستند، ما دقیقا نمی دانیم که چگونه و چگونه این تماس بوی خود را ایجاد می کند. چرا بوی آن دشوار است؟

اندرو هورسفیلد، دانشمند کالج امپریال کالج لندن، می گوید:

"این امر تا حدی به دلیل مشکل انجام آزمایش ها برای آزمایش آنچه اتفاق می افتد در گیرنده های بویایی است."

چگونه بوی کار می کند

توضیحات متعارف در مورد چگونگی عملکرد عطر به نظر ساده می رسد: گیرنده ها شکل های مولکولی بسیار خاصی را می پذیرند. آنها مانند قفل هستند که فقط با کلیدهای مناسب باز می شود. هر یک از مولکول هایی که به داخل بینی نفوذ می کنند، مطابق با این نظریه به مجموعه ای از گیرنده ها متصل می شوند. مغز یک ترکیبی منحصر به فرد از مولکول های گیرنده های فعال را، به عنوان مثال به عنوان یک بوسه قهوه، تفسیر می کند. به عبارت دیگر، شکل های مولکول ها را احساس می کنیم! با این حال، یک مشکل اساسی در مدل باز کردن کلید وجود دارد.

هورفیلد می گوید:

"شما می توانید مولکول هایی با اشکال و ترکیبات بسیار متفاوت داشته باشید که همه به شما یک احساس را می دهند."

به نظر می رسد چیزی بیش از شکل فقط باید در اینجا دخیل باشد، اما چه؟ جایگزین بحث برانگیز برای این مدل نشان می دهد که حس ما فقط به شکل مولکول ها بلکه با این که مولکول ها آن را ارتعاش می دهند، فعال می شود. تمام مولکول ها به صورت فرکانس مشخصی بر اساس ساختار آنها بطور دائم ارتعاش می یابند. آیا بینی ما به نوعی تفاوت در این فرکانس ارتعاشی را نشان می دهد؟ لوکا تورین، یک متخصص بیوفیزیک در مرکز تحقیقاتی علوم زیست پزشکی، الکساندر فلمینگ، در یونان معتقد است که می تواند.

نظریه ارتعاش از عطر

تورین، که او نیز یکی از کارشناسان پیشرو در جهان در عطر عطر شد تئوری ارتعاش، اولین شیمیدان پیشنهاد مالکوم Dyson در 1938 الهام گرفته شده بود. پس از تورین در دهه نود برای اولین بار دایسون گرفتار این ایده، او شروع به دنبال مولکول هایی است که اجازه می دهد او را به آزمایش این تئوری. با تمرکز بر ترکیبات سولفور است که دارای بوی منحصر به فرد و ارتعاش مولکولی مشخصه. تورین و سپس مورد نیاز برای شناسایی ترکیبات کاملا نامربوط با شکل مولکولی متفاوت از سولفور، اما با فرکانس ارتعاشی همان برای تعیین اینکه آیا چیزی شبیه به گوگرد وجود دارد. در نهایت یک مولکول حاوی بور یافت شد. او باید مثل گوگرد بنوشد. "در اینجا من در این کلیسای کوچک،" او می گوید: "من فکر می کنم می توان آن را تصادفی نیست."

از آن لحظه او را نشان داد بویایی تورین شواهد تجربی حمایت از این ایده جمع آوری، و با Horsfield پردازش جزئیات نظری کار کرده است. پنج سال پیش، تورین و همکارانش با نوترون در هسته طراحی یک آزمایش که در آن برخی از مولکول هیدروژن در ماده عطر با دوتریوم جایگزین شده است، یک ایزوتوپ هیدروژن و پیدا شده که مردم می توانند تفاوت های زیادی را احساس می کنم. با توجه به این واقعیت است که هیدروژن و دوتریوم در مولکولها همان شکل اما فرکانس های مختلف ارتعاشی، نتایج نشان می دهد که دوباره بینی ما در واقع می تواند تشخیص ارتعاشات. نتایج مشابهی با آزمایش های مگس میوه نشان داده شده است.

آیا ما نیز احساس ارتعاش می کنیم؟

ایده تورین هنوز بحث برانگیز است - داده های تجربی آن توسط یک جامعه بین رشته ای از محققان بویایی به اشتراک گذاشته شده است. اما اگر آنها درست باشند و علاوه بر شکل، ما نیز ارتعاش را احساس می کنیم، چگونه بینی ما انجام می شود؟ تورین گمان می کند که یک اثر کوانتومی می تواند در اینجا شامل می شود، به نام تونل زنی. در مکانیک کوانتومی، الکترونها و تمام ذرات دیگر دارای طبیعت دوگانه هستند - هر دو ذره و موج هستند. این گاه به حرکت الکترونها از طریق مواد مانند یک تونل اجازه می دهد به نحوی که با توجه به قوانین فیزیک کلاسیک ذرات ممنوع شود.

لرزش مولکولی این عطر می تواند انرژی را به سمت پایین حرکت دهد تا انرژی که الکترون ها از یک قسمت از گیرنده بوی به سوی دیگر بروند. میزان تغییرات پرش با مولکول های مختلف باعث ایجاد تحریکات عصبی می شود که باعث بوجود آمدن بوی های مختلف در مغز می شود.

بنابراین بینی ما می تواند یک آشکارساز الکترونیکی پیشرفته باشد. چطور می توانیم افسانه های ما را به استفاده از چنین ویژگی های کوانتومی تبدیل کنیم؟

تورین می گوید:

"من فکر می کنم ما این تکنولوژی را دست کم گرفته ایم و می گوئیم چند خط. چهار میلیارد سال تحقیق و توسعه با بودجه نامحدود، زمان زیادی برای تکامل است. اما فکر نمی کنم چیزی شگفت انگیز است که زندگی می کند. "

مکانیک کوانتومی

قطعات بیشتر از سری

پاسخ دهید