Hva er det kvantemekanikk og hvordan startet det? Hvis Max Planck ikke hadde ignorert ett dårlig råd, ville revolusjonen innen atomistikk aldri ha startet. Nøkkeløyeblikket kom i 1878, da unge Planck ble spurt av en av professorene sine om han ville følge en karriere innen fysikk. Professor Philip von Jolly ba Planck finne en annen jobb. Det sies at alle viktige funn i fysikken allerede er gjort, forsikret professoren sin unge protegé.

Som Planck senere husket, fortalte von Jolly ham:

"Fysikk kan fortsette marginalt ved å utforske eller bestille dette og det, men systemet som helhet er forankret og teoretisk fysikk nærmer seg fullføring."

Ved å sette en av de små tingene i praksis viste det seg at han endelig fikk den Planck Nobelpris og hun ble født kvantemekanikk. Den ubehagelige detaljen var et veldig vanlig fenomen: Hvorfor gjenstander utstråler slik de blir oppvarmet? Alle materialer, uansett hva de er laget av, oppfører seg likt ved økende temperaturer - de avgir rødt, gult og til slutt hvitt. Ingen fysiker på 19-tallet kunne forklare denne tilsynelatende enkle prosessen.

Problemet dukket opp som en 'ultrafiolett katastrofe' fordi den beste teorien forutsa at gjenstander oppvarmet til svært høye temperaturer skulle avgi den mest korte bølgelengdenergien. Siden vi vet at en sterk strøm ikke vil føre lyspærer til slike energiske dødsstråler, hadde fysikk på 19-tallet tydeligvis ikke det siste ordet her.

Energi kan absorberes

Planck fant svaret tilbake i 1900 med det som ble en moderne hit. Faktisk gjettet han at energi bare kan absorberes eller overføres i diskrete kvanta, eller mengder. Det var en radikal avvik fra klassisk fysikk, som hevdet at energi strømmer i en kontinuerlig, kontinuerlig strøm. På den tiden hadde Planck ingen teoretisk begrunnelse for det, men det viste seg likevel å fungere slik. Dens kvante begrenset effektivt mengden energi som oppvarmede gjenstander kan frigjøre ved hvilken som helst temperatur. Så til slutt ingen dødelige ultrafiolette stråler!

Quantum revolusjon

Dermed begynte kvanterevolusjonen. Det tok flere tiår med teoretisk arbeid av Albert Einstein, Werner Heisenberg, Niels Bohr og andre fysikatitaner for å gjøre Plancks inspirasjon til en omfattende teori, men det var bare begynnelsen, fordi ingen helt forsto hva som skjedde med gjenstander da de varmet opp.

Den resulterende teorien er kvantemekanikk, som omhandler partikler og energioverføringer i riket av de minste partiklene, avledet av vår hverdagsopplevelse og alt som er usynlig for vårt klønete sensoriske apparat. Ikke alt er helt usynlig! Noen kvanteeffekter er skjult fra synet, selv om de er klare og vakre, som solstrålene og stjernens glitter, som noe som ikke kunne forklares fullstendig før kvantemekanikken kom.

Hvor mange fenomener fra kvanteverdenen kan vi oppleve i vårt daglige liv? Hvilken informasjon kan sansene våre oppdage i virkeligheten? Når alt kommer til alt, som den opprinnelige teorien viser, kan kvantefenomener ligge rett under nesen vår. Faktisk kan de finne sted rett i nesa.

Quantum tailed

Hva skjer i nesen når du våkner og lukter kaffen eller brødskiva i den udødelige brødristeren? Det er bare et inntrykk for dette sanseorganet i ansiktet. Som Enrico Fermi, som bygde verdens første atomreaktor, en gang stekt løk, bemerket, ville det være hyggelig å forstå hvordan sanseorganet vårt fungerer.

Kvantemekanikk (© Jay Smith)

Så du ligger i sengen og tenker på å lage fersk skål. Duftmolekyler strømmer gjennom luften. Pusten din trekker noen av disse molekylene inn i nesehulen mellom øynene dine, rett over munnen. Molekylene fester seg til slimhinnelaget på overflaten av nesehulen og er fanget i luktreseptorene. Olfaktoriske nerver henger fra hjernen som tentakler av en manet, de er den eneste delen av sentralnervesystemet som stadig blir utsatt for omverdenen.

Hva som skjer videre er ikke helt klart. Vi vet at luktmolekyler binder seg til en av 400 forskjellige reseptorer på overflaten av slimhinnen, vi vet ikke nøyaktig hva og hvordan denne kontakten skaper vår olfaktoriske følelse. Hvorfor er det så vanskelig å forstå lukten?

Andrew Horsfield, forsker ved Imperial College London, sier:

"Delvis på grunn av vanskeligheter med å gjennomføre eksperimenter for å sjekke hva som skjer inne i luktreseptorene."

Hvordan duften fungerer

Den konvensjonelle forklaringen på hvordan duft fungerer virker enkel: reseptorer får veldig spesifikke former for molekyler. De er som låser som bare kan åpnes med de riktige nøklene. I henhold til denne teorien passer hvert av molekylene som kommer inn i nesen i et sett med reseptorer. Hjernen tolker en unik kombinasjon av molekylaktiverte reseptorer, for eksempel lukten av kaffe. Med andre ord føler vi formene på molekylene! Imidlertid er det et grunnleggende problem med 'nøkkelåpningsmodellen.'

Horsfield sier:

"Du kan ha molekyler med veldig forskjellige former og sammensetninger, som alle gir deg det samme inntrykket."

Det ser ut til at noe mer enn bare form må være involvert, men hva? Et kontroversielt alternativ til denne modellen antyder at sansen vår ikke bare aktiveres av formen til molekylene, men også av måten disse molekylene vibrerer på. Alle molekyler vibrerer konstant med en viss frekvens, basert på strukturen. Kan nesen vår på en eller annen måte avsløre forskjellene i disse vibrasjonsfrekvensene? Luca Turin, biofysiker ved Alexander Flemings biomedisinske forskningssenter i Hellas, tror de kan.

Vibrasjonsteori om lukt

Torino, som også ble en av verdens ledende parfymeeksperter, ble inspirert av den vibrasjonelle teorien om duft, som først ble foreslått av kjemikeren Malcolm Dyson i 1938. Etter at Torino først fattet Dysons idé på XNUMX-tallet, begynte Torino å lete etter molekyler som ville tillate ham å gjøre det. test. Han fokuserte på svovelforbindelser som har en unik lukt og karakteristiske molekylære vibrasjoner. Torino trengte da å identifisere en helt ubeslektet forbindelse, med en annen molekylær form enn svovel, men med samme vibrasjonsfrekvens, for å se om det i det hele tatt var noe som svovel. Til slutt fant han et, et molekyl som inneholder bor. Det luktet definitivt svovel. "Jeg falt for det her," sier han, "jeg tror ikke det er tilfeldig."

Fra det øyeblikket han oppdaget denne olfaktoriske følelsen, hadde Torino samlet eksperimentelle bevis for å støtte ideen, og hadde jobbet med Horsfield for å utarbeide teoretiske detaljer. For fem år siden designet Torino og kollegene et eksperiment der noen av hydrogenmolekylene i en duft ble erstattet av deuterium, en isotop av hydrogen med et nøytron i kjernen, og fant at mennesker kunne føle forskjellen. Fordi hydrogen og deuterium har samme molekylære former, men forskjellige vibrasjonsfrekvenser, antyder resultatene igjen at nesen vår faktisk kan oppdage vibrasjoner. Eksperimenter med fruktfluer har vist lignende resultater.

Føler vi også vibrasjoner?

Torins idé er fortsatt kontroversiell - hans eksperimentelle data delte et tverrfaglig fellesskap av lukteforskere. Men hvis de har rett, og i tillegg til former, føler vi også vibrasjoner, hvordan gjør nesen vår det? Torino spekulerte i at en kvanteeffekt, såkalt tunneling, kunne være inkludert. I kvantemekanikk har elektroner og alle andre partikler en dobbel natur - hver er både en partikkel og en bølge. Noen ganger lar elektroner bevege seg gjennom materialer som en tunnel, på en måte som ville være forbudt for partikler i henhold til reglene for klassisk fysikk.

Den molekylære vibrasjonen i lukten kan gi et energihopp nedover energien elektronene trenger for å hoppe fra en del av luktreseptoren til en annen. Hoppets hastighet endres med forskjellige molekyler, noe som forårsaker nerveimpulser som skaper i hjernen oppfatningen av forskjellige lukt.

Så nesen vår kan være en sofistikert elektronisk detektor. Hvordan kunne nesen vår utvikle seg på denne måten for å dra nytte av slike kvanteegenskaper?

Torino sier:

"Jeg tror vi undervurderer denne teknologien så å si med noen få størrelsesordener. Fire milliarder år med forskning og utvikling med ubegrenset finansiering er lang tid for evolusjon. Men jeg synes ikke det er det mest fantastiske som livet gjør. "