ميكانيكا الكم تسمح لك بمشاهدة ، والشعور واللمس الجسيمات (جزء 1)

9003x 21. 11. 2018 قارئ 1

ما هو؟ ميكانيكا الكم وكيف بدأت؟ إذا لم يتجاهل ماكس بلانك نصيحة سيئة واحدة ، فإنه لن يبدأ ثورة في الذري. كانت اللحظة الأساسية هي 1878 عندما طلب بلانك من أحد أساتذته أن يتابع مهنة في الفيزياء. وقال البروفيسور فيليب فون جولي لبلانك لإيجاد وظيفة أخرى. وقد تم بالفعل تحقيق جميع الاكتشافات الهامة في الفيزياء ، وأكد لأستاذ حامي الشباب.

وكما أشار بلانك في وقت لاحق ، قال فون جولي ،

"يمكن أن تستمر الفيزياء في أن تكون هامشية أو أن تفحص أو تعيد تنظيم ذلك وذلك ، ولكن النظام ككل يرسخ والفيزياء النظرية تقترب من نهايتها".

من خلال وضع أحد هذه الأشياء الصغيرة موضع التنفيذ ، اتضح أنه حصل عليها في النهاية جائزة بلانك نوبل ولدت ميكانيكا الكم. الأشياء الصغيرة غير المريحة تنطوي على ظاهرة شائعة جدا: لماذا تظهر الأجسام في طريقة عملها أثناء الاحماء؟ جميع المواد ، بغض النظر عن ما هي مصنوعة منها ، تتصرف في درجات الحرارة المرتفعة - فهي تظهر باللون الأحمر والأصفر والأبيض. لا يوجد فيزيائي في 19. القرن لا يمكن أن يفسر هذه العملية التي تبدو بسيطة.

وبدا أن المشكلة هي "كارثة فوق البنفسجية" ، لأن أفضل نظرية تنبأت بأن الأجسام الساخنة في درجات حرارة عالية جدا يجب أن تصدر أشد طاقة موجية قصيرة. نظرًا لأننا نعلم أن تيارًا قويًا لا يجلب المصابيح الكهربائية إلى مثل هذه الحزم من الموت ، فالفيزياء في 19. من الواضح أنه لا توجد كلمة أخيرة هنا.

الطاقة يمكن استيعابها

وجد بلانك الإجابة بالفعل في 1900 مع ما أصبح نجاحًا حديثًا. في الواقع ، كان يعتقد أنه يمكن امتصاص الطاقة أو نقلها فقط بكميات منفصلة ، أو كميات. لقد كان خروجًا جذريًا عن الفيزياء الكلاسيكية التي ادعت الطاقة المتدفقة من خلال تيار مستمر ومستمر. في ذلك الوقت ، لم يكن لدى بلانك أي سبب نظري ، لكنه تبين أنه يعمل أيضًا. خفض الكم على نحو فعال كمية الطاقة التي يمكن أن تطلقها المواد الساخنة في أي درجة حرارة. وأخيرا ، لا الأشعة فوق البنفسجية القاتلة!

ثورة الكم

هكذا بدأت الثورة الكوانتية. استغرق الأمر عقودا من العمل النظري من ألبرت آينشتاين، فيرنر هايزنبرغ، نيلز بور وغيرها من عمالقة الفيزياء، لذلك غيرت إلهام بلانك للنظرية شاملة، ولكن هذا هو مجرد بداية، لأنه لا أحد يفهم حقيقة ما كان يحدث مع الكائنات عند تسخينها.

نظرية ميكانيكا الكم، التي تتعامل مع الجزيئات ونقل الطاقة في مجال أصغر الجزيئات المستمدة من التجربة اليومية لدينا وكل ما هو غير مرئي لدينا محس الخرقاء. ليس كل شيء غير مرئي تمامًا! بعض آثار الكم مخفية عن الأنظار، على الرغم من أنها مشرقة وجميلة كما أشعة الشمس وبريق النجوم، مثل أي شيء آخر لا يمكن تفسيرها تماما قبل ظهور ميكانيكا الكم.

كم عدد الظواهر من العالم الكمي الذي يمكن أن نختبره في حياتنا اليومية؟ ما هي المعلومات التي يمكن أن تكتشفها حواسنا في الطبيعة الحقيقية للواقع؟ بعد كل شيء ، كما تظهر النظرية الأصلية ، يمكن أن تقع الظواهر الكمومية تحت أنفنا. في الواقع ، يمكن أن يحدث في أنوفنا.

الوفير الكمومي

ماذا يحدث في أنفك عندما تستيقظ وتشعر برائحة القهوة أو شريحة من الخبز في محمصة الخالد؟ لهذا العضو الحسي على الوجه ، إنه مجرد انطباع. وكما كان إنريكو فيرمي ، الذي قام ببناء أول مفاعل نووي في العالم ، يخلط البصل مرة واحدة ، سيكون من اللطيف أن نفهم كيف يعمل جهازنا الحسي.

ميكانيكا الكم (© جاي سميث)

لذلك كنت تكمن في السرير والتفكير في إعداد الخبز المحمص المحمص الطازج. تتدفق جزيئات العطر عبر الهواء. سوف يسحب تنفسك بعض هذه الجزيئات إلى التجويف الأنفي بين عينيك فوق الفم مباشرةً. يتم إرفاق الجزيئات إلى طبقة الغشاء المخاطي على سطح التجويف الأنفي ومحاصرين في المستقبلات الشمية. الأعصاب الشمية تتدلى من الدماغ مثل قنديل البحر ، فهي الجزء الوحيد من الجهاز العصبي المركزي الذي يتعرض باستمرار للعالم الخارجي.

ما يحدث بعد ذلك ليس واضحًا تمامًا. نحن نعلم أن جزيئات العطر ترتبط بأي من المستقبلات المختلفة لـ 400 على سطح الغشاء المخاطي ، ولا نعرف بالضبط كيف وكيف يخلق هذا الاتصال حاسة الشم لدينا. لماذا يصعب فهم الرائحة؟

يقول أندرو هورسفيلد ، وهو عالم في إمبريال كوليدج لندن:

"ويرجع ذلك جزئيا إلى صعوبة إجراء تجارب لاختبار ما يحدث داخل المستقبلات الشمية."

كيف تعمل الرائحة

التفسيرات التقليدية لكيفية عمل العطور تبدو بسيطة: تقبل المستقبلات أشكال جزيئية محددة للغاية. فهي مثل الأقفال التي لا يمكن فتحها إلا باستخدام المفاتيح المناسبة. كل من الجزيئات التي تدخل إلى الأنف تتناسب مع مجموعة من المستقبلات وفقا لهذه النظرية. يفسر الدماغ توليفة فريدة من جزيئات المستقبلات المنشطة ، على سبيل المثال رائحة القهوة. وبعبارة أخرى ، نشعر بأشكال الجزيئات! ومع ذلك ، هناك مشكلة أساسية في نموذج الافتتاح الرئيسي.

يقول هورسفيلد:

"يمكن أن يكون لديك جزيئات بأشكال وتركيبات مختلفة جدًا والتي تعطيك الشعور نفسه."

يبدو أن شيئًا أكثر من مجرد شكل يجب أن يشارك هنا ، ولكن ماذا؟ يشير بديل مثير للجدل لهذا النموذج إلى أن حسنا لا يتم تفعيله فقط من خلال شكل الجزيئات ولكن أيضًا عن طريق اهتزاز هذه الجزيئات. تتذبذب جميع الجزيئات باستمرار عند تردد معين ، بناءً على هيكلها. هل يمكن أن يكشف أنفنا بطريقة ما الاختلافات في تلك الترددات الاهتزازية؟ يعتقد لوكا تورين ، عالم بيوفيزيائي في مركز أبحاث العلوم الطبية الحيوية ، ألكساندر فليمينج ، في اليونان ، أن بإمكانه ذلك.

نظرية الاهتزاز للرائحة

تورينو، الذي أصبح واحدا من كبار الخبراء في العالم على العطور واستلهم العطر نظرية الاهتزاز، أولا الكيميائي المقترحة مالكولم دايسون في 1938. بعد أن استولت تورينو على فكرة دايسون لأول مرة في التسعينيات ، بدأ في البحث عن جزيئات لاختبار هذه النظرية. ركز على مركبات الكبريت التي لها رائحة فريدة وذات اهتزازات جزيئية مميزة. ثم احتاجت تورينو إلى تحديد مركب غير مرتبط تماما ، مع شكل جزيئي غير الكبريت ، ولكن مع نفس التردد الاهتزازي لترى ما إذا كان هناك أي شيء مثل الكبريت. في نهاية المطاف وجدت واحدة جزيء يحتوي على البورون. يجب أن تكون رائحتها مثل الكبريت. "هنا أفعل ذلك" ، يقول ، "أعتقد أنه لا يمكن أن يكون من قبيل المصادفة".

من تلك اللحظة أنه كشف عن تورينو حاسة الشم جمع الأدلة التجريبية لدعم هذه الفكرة، وعملت مع Horsfield معالجة تفاصيل النظرية. قبل خمس سنوات، مصممة تورينو وزملاؤه تجربة التي تم استبدال بعض من جزيء الهيدروجين في جوهر العطر مع الديوتريوم وهو أحد نظائر الهيدروجين مع النيوترونات في النواة، ووجدت أن الناس يمكن أن يشعر الكثير من الفرق. يرجع ذلك إلى حقيقة أن الهيدروجين والديوتريوم جزيئات لها نفس الشكل ولكن ترددات الذبذبات المختلفة، فإن النتائج تشير مرة أخرى أن أنوفنا يمكن الكشف عن الواقع الاهتزازات. وقد أظهرت نتائج مماثلة من التجارب مع ذباب الفاكهة.

هل نشعر بالاهتزاز أيضًا؟

لا تزال فكرة تورينو مثيرة للجدل - فبياناته التجريبية تشاركها مجموعة متعددة التخصصات من الباحثين الشميين. ولكن إذا كانوا على حق ، وبجانب الأشكال ، فإننا نشعر بالاهتزاز ، كيف تفعل أنوفنا؟ وتوقعت تورينو أنه يمكن تضمين تأثير كمي هنا ، يسمى الأنفاق. في ميكانيكا الكم ، تكون الإلكترونات وكل الجزيئات الأخرى ذات طبيعة مزدوجة - كل منها جسيم وموجة. وهذا يسمح أحيانًا بحركة الإلكترونات عبر مواد مثل النفق ، بطريقة تمنعها الجسيمات وفقًا لقواعد الفيزياء الكلاسيكية.

يمكن أن يوفر الاهتزاز الجزيئي للرائحة انزياحًا في الطاقة إلى أسفل الطاقة التي تحتاج إليها الإلكترونات للقفز من جزء واحد من مستقبلات الرائحة إلى الأخرى. يتغير معدل القفزة مع جزيئات مختلفة ، والتي تسبب النبضات العصبية التي تخلق إدراك الروائح المختلفة في الدماغ.

لذا يمكن أن يكون أنفنا جهاز كشف إلكتروني متطور. كيف يمكن أن تتطور أنوفنا للاستفادة من هذه الخصوصيات الكوانتية؟

تورين تقول:

"أعتقد أننا لا نقلل من شأن هذه التكنولوجيا ، لنقول بضعة أسطر. أربعة مليارات سنة من البحث والتطوير بتمويل غير محدود هو وقت طويل للتطور. لكنني لا أعتقد أنه أكثر شيء مدهش في الحياة.

ميكانيكا الكم

المزيد من أجزاء من هذه السلسلة

اترك تعليق