Mae mecaneg Quantum yn eich galluogi i weld, teimlo a chyffwrdd y gronynnau (rhan 1)

7597x 21. 11. 2018 Darllenydd 1

Beth ydyw? mecaneg cwantwm a sut y dechreuodd? Pe na bai Max Planck yn anwybyddu un cyngor gwael, ni fyddai byth yn dechrau chwyldro mewn atomiaeth. Y momentyn allweddol oedd 1878 pan ofynnodd i Gynllun ifanc ifanc un o'i athrawon a ddylai ddilyn gyrfa mewn ffiseg. Dywedodd yr Athro Philip von Jolly wrth Planck i ddod o hyd i swydd arall. Mae'r holl ddarganfyddiadau pwysig mewn ffiseg eisoes wedi'u gwneud, sicrhaodd athro ei amddiffynwr ifanc.

Fel y cofiodd Planck yn ddiweddarach, dywedodd von Jolly,

"Gall Ffiseg barhau hyd yn oed ychydig, ymchwilio neu roi mewn trefn a tamtoho o hynny, ond mae'r system yn ei chyfanrwydd yn cael ei angori a ffiseg ddamcaniaethol ar fin eu cwblhau yn sylweddol."

Trwy roi un o'r pethau bach hynny i mewn i ymarfer, mae'n troi allan ei fod yn ei gael yn y pen draw Gwobr Planck Nobel a chafodd ei eni mecaneg cwantwm. Roedd y peth bach anghyfforddus yn ymwneud â ffenomen gyffredin iawn: Pam mae gwrthrychau yn dod i'r amlwg yn y ffordd y maent yn ei wneud wrth gynhesu? Mae'r holl ddeunyddiau, waeth beth maent yn cael eu gwneud o, yn ymddwyn yr un fath â thymereddau cynyddol - maent yn dod i ben coch, melyn, ac yn olaf gwyn. Dim ffisegydd yn 19. ni allai'r ganrif esbonio'r broses syml hon.

Ymddengys bod y broblem yn "trychineb uwchfioled," oherwydd bod y theori orau yn rhagweld y dylai gwrthrychau a gynhesu ar dymheredd uchel iawn allyrru'r ynni tonfa mwyaf byr. Gan ein bod ni'n gwybod nad yw cyflenwad cryf yn dod â bylbiau golau i mewn i'r trawstiau marwolaeth o'r fath, ffiseg yn 19. Roedd yn amlwg nad oes gair olaf yma.

Gellir amsugno ynni

Canfu Planck yr ateb eisoes yn 1900 gyda'r hyn a ddaeth yn daro modern. Mewn gwirionedd, roedd o'r farn y gellid amsugno neu drosglwyddo ynni yn unig mewn symiau ar wahân, neu feintiau. Roedd yn ymadawiad radical o ffiseg clasurol a honnodd fod ynni'n llifo trwy ffrwd barhaus, parhaus. Ar y pryd, nid oedd gan Planck unrhyw reswm damcaniaethol, ond roedd hefyd yn troi allan i fod yn gweithio. Fe'i cwantwm yn lleihau faint o ynni y gallai erthyglau gwresog ei ryddhau ar unrhyw dymheredd yn effeithiol. Yn olaf, dim pelydrau ultrafioled marwol!

Chwyldro Quantum

Dyna sut y dechreuodd y chwyldro cwantwm. Cymerodd degawdau o waith damcaniaethol Albert Einstein, Werner Heisenberg, Niels Bohr a Titans eraill o ffiseg, felly mae'n newid y ysbrydoliaeth Planck ar gyfer theori cynhwysfawr, ond dyna oedd dim ond y dechrau, oherwydd does neb yn deall beth oedd yn digwydd gyda gwrthrychau wrth gael eu gwresogi.

Mae damcaniaeth mecaneg cwantwm, sy'n ymdrin â gronynnau a throsglwyddiadau ynni yn y deyrnas y gronynnau lleiaf sy'n deillio o'n profiad bob dydd a'r cyfan sydd anweledig i'n sensorium trwsgl. Nid yw popeth yn hollol anweledig! Mae rhai effeithiau cwantwm yn cael eu cuddio o'r golwg, er eu bod yn llachar ac yn hardd fel belydrau'r haul a gliter o sêr, fel unrhyw beth arall na ellid ei esbonio yn gyfan gwbl cyn dyfodiad mecaneg cwantwm.

Faint o ffenomenau o'r byd cwantwm y gallwn ni eu profi yn ein bywyd bob dydd? Pa wybodaeth y gall ein synhwyrau ddod o hyd i natur go iawn realiti? Wedi'r cyfan, fel y mae'r theori wreiddiol yn dangos, gall ffenomenau cwantwm gorwedd o dan ein trwyn. Mewn gwirionedd, gallant ddigwydd yn iawn yn ein trwyn.

Bumper Quantum

Beth sy'n digwydd yn eich trwyn pan fyddwch chi'n deffro ac yn teimlo arogl coffi neu slice o fara yn eich tostiwr anfarwol? Ar gyfer yr organ synhwyraidd hwn ar yr wyneb, dim ond argraff ydyw. Yn union fel yr oedd Enrico Fermi, a adeiladodd yr adweithydd niwclear cyntaf yn y byd, wedi ffrio'r nionyn, byddai'n braf deall sut mae ein organ synhwyraidd yn gweithio.

Mecaneg Quantum (© Jay Smith)

Felly, rydych chi'n gorwedd yn y gwely ac yn meddwl am baratoi tost tost newydd. Mae moleciwlau persawr yn llifo drwy'r awyr. Bydd eich anadlu yn tynnu rhai o'r moleciwlau hyn i'r cawod trwynol rhwng eich llygaid ychydig uwchben y geg. Mae'r moleciwlau ynghlwm wrth yr haen mwcosol ar wyneb y ceudod trwynol ac wedi'i gipio yn y derbynyddion olfactory. Mae'r nerfau tymhorol yn hongian o'r ymennydd fel môr sglodod, hwy yw'r unig ran o'r system nerfol ganolog sy'n agored i'r byd y tu allan.

Nid yw'r hyn sy'n digwydd nesaf yn gwbl glir. Gwyddom fod moleciwlau persawr yn rhwymo unrhyw un o dderbynyddion amrywiol 400 ar wyneb y mwcosa, nid ydym yn gwybod yn union sut a sut mae'r cyswllt hwn yn creu ein synnwyr o arogli. Pam ei bod mor anodd deall yr arogli?

Meddai Andrew Horsfield, gwyddonydd yn Imperial College London:

"Mae hyn yn rhannol oherwydd yr anhawster o gynnal arbrofion i brofi beth sy'n digwydd y tu mewn i dderbynyddion olfactory."

Sut mae'r arogl yn gweithio

Mae esboniadau confensiynol o sut mae persawr yn gweithio'n syml: mae derbynyddion yn derbyn siapiau moleciwlaidd penodol iawn. Maent fel cloeon y gellir eu hagor ond gyda'r allweddi cywir. Mae pob un o'r moleciwlau sy'n treiddio i'r trwyn yn cyd-fynd â set o dderbynyddion yn ôl y theori hon. Mae'r ymennydd yn dehongli cyfuniad unigryw o moleciwlau o dderbynyddion actifad, er enghraifft fel aroglau coffi. Mewn geiriau eraill, teimlwn fod siapiau moleciwlau! Fodd bynnag, mae problem sylfaenol gyda'r model agoriadol allweddol. '

Horsfield yn dweud:

"Fe allwch chi gael moleciwlau gyda siapiau a chyfansoddiadau gwahanol iawn sydd oll yn rhoi'r un teimlad i chi."

Mae'n ymddangos bod rhaid i rywbeth mwy na dim ond siâp fod yn rhan yma, ond beth? Mae dewis dadleuol i'r model hwn yn awgrymu bod ein synnwyr yn cael ei weithredu nid yn unig trwy ffurf moleciwlau ond hefyd trwy sut y mae'r moleciwlau hyn yn dirywio. Mae pob moleciw yn gyson yn dirgrynu ar amlder penodol, yn seiliedig ar eu strwythur. A allai ein trwyn rywsut ddatgelu y gwahaniaethau yn yr amleddau dirgrynol hynny? Mae Luca Turin, biffisegydd yn y ganolfan ymchwil ar gyfer gwyddorau biofeddygol, Alexandr Fleming, yng Ngwlad Groeg, yn credu y gallant.

Theori toriad y arogl

Mae Turin, sydd hefyd wedi dod yn un o arbenigwyr persawr blaenllaw'r byd, wedi cael ei ysbrydoli gan y ddamcaniaeth fregus dirgrynol a gynigiwyd gyntaf gan y fferyllydd Malcolm Dyson yn 1938. Ar ôl i Torino ddal syniad Dyson gyntaf yn y nawdegau, dechreuodd chwilio am moleciwlau i brofi'r theori hon. Canolbwyntiodd ar gyfansoddion sylffwr sydd â arogl unigryw a dirgryniadau moleciwlaidd nodweddiadol. Yna, roedd angen i Turin nodi cyfansawdd cwbl nad yw'n gysylltiedig, gyda siâp moleciwlaidd heblaw sylffwr, ond gyda'r un amlder dirgrynol i weld a oedd unrhyw beth fel sylffwr. Yn y diwedd, darganfu un moleciwl sy'n cynnwys boron. Mae'n rhaid iddi fod wedi arogl fel sylffwr. "Yma dwi'n ei wneud," meddai, "rwy'n credu na all fod yn gyd-ddigwyddiad."

O'r eiliad honno, datgelodd y Turin arogleuol casglu tystiolaeth arbrofol i ategu syniad hwn, ac wedi gweithio gyda Horsfield prosesu manylion damcaniaethol. Bum mlynedd yn ôl, Turin a'i gydweithwyr cynllunio arbrawf lle mae rhai o'r moleciwl hydrogen yn y sylwedd fragrance wedi cael eu disodli gyda dewteriwm, un o isotopau hydrogen gyda niwtronau yn y niwclews a dod o hyd y gall pobl yn teimlo'n llawer o wahaniaeth. Oherwydd y ffaith bod hydrogen a dewteriwm moleciwlau yn cael yr un siâp ond yn wahanol amleddau dirgrynol, mae'r canlyniadau eto yn dangos y gall ein trwynau mewn gwirionedd canfod dirgryniadau. canlyniadau tebyg yn dangos arbrofion gyda phryfed ffrwythau.

Ydyn ni hefyd yn teimlo dirgryniad?

Mae syniad Turin yn dal yn ddadleuol - rhannwyd ei ddata arbrofol gan gymuned rhyngddisgyblaethol o ymchwilwyr olfactory. Ond os ydynt yn iawn, ac ar wahân i siapiau, rydym hefyd yn teimlo'r dirgryniad, sut mae ein trwynau'n ei wneud? Soniodd Turin y gellid cynnwys effaith cwantwm yma, o'r enw twnelu. Mewn mecaneg cwantwm, mae gan electronau a phob gronyn arall ddeuol - mae pob un yn gronynnau a donnau. Mae hyn weithiau'n caniatáu symud electronau trwy ddeunyddiau fel twnnel, mewn ffordd a fyddai'n cael ei wahardd gan ronynnau yn ôl rheolau ffiseg clasurol.

Gall dirgryniad moleciwlaidd y arogl ddarparu egni i lawr i lawr yr egni y mae angen i'r electronau ei neidio o un rhan o'r derbynnydd arogl i'r llall. Mae cyfradd y newidiadau neidio â moleciwlau gwahanol, sy'n achosi'r ysgogiadau nerfus sy'n creu canfyddiad o arogleuon amrywiol yn yr ymennydd.

Felly gall ein trwyn fod yn synhwyrydd electronig soffistigedig. Sut y gallai ein trwynau esblygu er mwyn manteisio ar yr hynodion cwantwm o'r fath?

Meddai Turin:

"Rwy'n credu ein bod yn tanbrisio'r dechnoleg hon, i ddweud ychydig o linellau. Mae pedair biliwn o flynyddoedd o ymchwil a datblygu gydag arian diderfyn yn amser hir ar gyfer esblygiad. Ond dwi ddim yn meddwl mai'r peth mwyaf anhygoel y mae bywyd yn ei wneud. "

Mecaneg meintiol

Mwy o rannau o'r gyfres

Ad a Ateb