კვანტური მექანიკა საშუალებას გაძლევთ დაინახოთ, იგრძნოთ და შეეხეთ ნაწილაკებს (ნაწილი 1)

21. 11. 2018
ეგზოპოლიტიკის, ისტორიისა და სულიერების მე-6 საერთაშორისო კონფერენცია

Რა არის ეს კვანტური მექანიკა და როგორ დაიწყო ეს? მაქს პლანკს რომ არ გაეთვალისწინებინა ერთი ცუდი რჩევა, რევოლუცია ატომისტიკაში არასოდეს დაიწყებოდა. მთავარი მომენტი 1878 წელს მოხდა, როდესაც მისმა ერთ-ერთმა პროფესორმა ახალგაზრდა პლანკს ჰკითხა, აპირებდა თუ არა ფიზიკის კარიერას. პროფესორმა ფილიპ ფონ ჯოლიმ პლანკს სხვა სამუშაოს მოძებნა უთხრა. როგორც ამბობენ, ფიზიკაში ყველა მნიშვნელოვანი აღმოჩენა უკვე გაკეთებულია, დაარწმუნა პროფესორმა თავის ახალგაზრდა პროტეჟეს.

როგორც მოგვიანებით პლანკმა გაიხსენა, ფონ ჯოლიმ უთხრა მას:

”ფიზიკა შეიძლება გაგრძელდეს მარგინალურად, ამა თუ იმ საკითხის გამოკვლევით ან შეკვეთით, მაგრამ სისტემა მთლიანობაში დგას და თეორიული ფიზიკა დასასრულს უახლოვდება.”

ერთ-ერთი წვრილმანის პრაქტიკაში გამოყენებით, აღმოჩნდა, რომ მან ეს საბოლოოდ მიიღო პლანკის ნობელის პრემია და იგი დაიბადა კვანტური მექანიკა. არასასიამოვნო დეტალი ძალიან გავრცელებული მოვლენა იყო: რატომ ასხივებენ ობიექტები ისე, როგორც თბება? ყველა მასალა, რაც არ უნდა იყოს დამზადებული, ტემპერატურის მატებასთან ერთად ერთნაირად იქცევიან - ისინი ასხივებენ წითელს, ყვითელს და ბოლოს თეთრს. XIX საუკუნის არცერთ ფიზიკოსს არ შეეძლო აეხსნა ეს ერთი შეხედვით მარტივი პროცესი.

პრობლემა გაჩნდა როგორც "ულტრაიისფერი კატასტროფა", რადგან საუკეთესო თეორია იწინასწარმეტყველა, რომ ძალიან მაღალ ტემპერატურაზე გახურებულმა ობიექტებმა უნდა გამოაქვეყნონ ყველაზე მოკლე ენერგიის ტალღის სიგრძე. მას შემდეგ, რაც ვიცით, რომ ძლიერი დინება ნათურებით არ მიიყვანს სიკვდილის ასეთ ენერგიულ სხივებს, XIX საუკუნის ფიზიკას აქ ბოლო სიტყვა არ აქვს.

ენერგიის ათვისება შესაძლებელია

პლანკმა პასუხი 1900 წელს იპოვა, რაც თანამედროვე ჰიტად იქცა. სინამდვილეში, მან გამოიცნო, რომ ენერგია მხოლოდ შთანთქავს ან გადადის დისკრეტული კვანტებით, ან რაოდენობით. ეს იყო რადიკალური დაშორება კლასიკური ფიზიკისგან, რომელიც ამტკიცებდა, რომ ენერგია მიედინება უწყვეტ, უწყვეტ ნაკადში. იმ დროს პლანკს ამის თეორიული დასაბუთება არ ჰქონდა, მაგრამ მაინც ასე მუშაობდა. მისმა კვანტურმა ეფექტურად შეზღუდა ენერგიის რაოდენობა, რომელსაც გაცხელებული ობიექტები ნებისმიერ ტემპერატურაზე გამოყოფდნენ. ასე რომ, ბოლოს და ბოლოს არავითარი მომაკვდინებელი ულტრაიისფერი სხივი არ არის!

კვანტური რევოლუცია

ასე დაიწყო კვანტური რევოლუცია. ათწლეულების განმავლობაში დასჭირდა ალბერტ აინშტაინის, ვერნერ ჰაიზენბერგის, ნილს ბორისა და ფიზიკის სხვა ტიტანების თეორიული მუშაობა, რომ პლანკის შთაგონება შეესრულებინა ყოვლისმომცველ თეორიად, მაგრამ ეს მხოლოდ დასაწყისი იყო, რადგან ვერავინ გააცნობიერა რა დაემთხვა ობიექტებს გათბობის დროს.

შედეგად მიღებული თეორია არის კვანტური მექანიკა, რომელიც ეხება ნაწილაკებსა და ენერგიის გადაცემას ყველაზე მცირე ნაწილაკების სფეროში, რაც გამომდინარეობს ჩვენი ყოველდღიური გამოცდილებიდან და ყველაფრიდან, რაც უხილავია ჩვენი მოუხერხებელი სენსორული აპარატისთვის. ყველაფერი სულაც არ ჩანს. ზოგიერთი კვანტური ეფექტი დაფარულია თვალთახედვიდან, თუმცა ისინი მკაფიო და ლამაზია, როგორც მზის სხივები და ვარსკვლავების ბრწყინვალება, ისეთი რამ, რაც სრულად ვერ აიხსნება კვანტური მექანიკის დადგომამდე.

რამდენი მოვლენა შეიძლება განვიცადოთ კვანტური სამყაროდან ჩვენს ყოველდღიურ ცხოვრებაში? რა ინფორმაციის აღმოჩენა შეუძლიათ ჩვენს გრძნობებს რეალობის ჭეშმარიტ ბუნებაში? როგორც ორიგინალური თეორია გვიჩვენებს, კვანტური მოვლენები შეიძლება ცხვირის ქვეშ იყოს. სინამდვილეში, მათ შეუძლიათ ადგილი ჰქონდეთ ჩვენს ცხვირში.

კვანტური კუდიანი

რა ხდება თქვენს ცხვირში, როდესაც იღვიძებთ და ყავის ან ნაჭერი პურის სუნს გრძნობთ თქვენს უკვდავ ტოსტერში? ეს მხოლოდ შთაბეჭდილებაა ამ სენსორული ორგანოსთვის სახეზე. როგორც ენრიკო ფერმი, რომელმაც ააშენა მსოფლიოში პირველი ბირთვული რეაქტორი, ერთხელ შემწვარი ხახვი შენიშნა, კარგი იქნება იმის გაგება, თუ როგორ მუშაობს ჩვენი სენსორული ორგანო.

კვანტური მექანიკა (© ჯეი სმიტი)

ასე რომ, თქვენ საწოლში იწექით და ფიქრობთ ახალი სადღეგრძელოს დამზადებაზე. სუნამოს მოლეკულები ჰაერში მიედინება. თქვენი სუნთქვა ამ მოლეკულების ნაწილს მიჰყავს ცხვირის ღრუს თვალებს შორის, პირის ღრუს ზემოთ. მოლეკულები ემაგრება ლორწოვან შრეს ცხვირის ღრუს ზედაპირზე და იკავებენ სუნის რეცეპტორებში. ყნოსვის ნერვები მედუზას საცეცებივით ეკიდება ტვინს, ისინი ცენტრალური ნერვული სისტემის ერთადერთი ნაწილია, რომელიც მუდმივად ექვემდებარება გარე სამყაროს.

რა მოხდება შემდეგ, ბოლომდე არ არის ნათელი. ჩვენ ვიცით, რომ სუნის მოლეკულები უკავშირდება ლორწოვანი გარსის ზედაპირის 400 სხვადასხვა რეცეპტორს, ზუსტად არ ვიცით რა და როგორ ქმნის ეს კონტაქტი ჩვენს სუნის შეგრძნებას. რატომ არის ძნელი სუნის გაგება?

ენდრიუ ჰორსფილდი, ლონდონის საიმპერატორო კოლეჯის მკვლევარი, ამბობს:

”ნაწილობრივ ექსპერიმენტების ჩატარების სირთულის გამო, რათა შეამოწმონ რა ხდება სუნის რეცეპტორების შიგნით.”

როგორ მუშაობს სურნელი

ჩვეულებრივი ახსნა იმის შესახებ, თუ როგორ მუშაობს სურნელი, მარტივია: რეცეპტორები იღებენ ძალიან სპეციფიკურ ფორმებს მოლეკულებისგან. ისინი ჰგავს საკეტებს, რომელთა გახსნა მხოლოდ სწორი კლავიშებით არის შესაძლებელი. ამ თეორიის თანახმად, თითოეული მოლეკულა, რომელიც ცხვირში შედის, რეცეპტორების ერთობაშია. ტვინი ახდენს მოლეკულების აქტივირებული რეცეპტორების უნიკალურ კომბინაციას, მაგალითად, ყავის სუნი. სხვა სიტყვებით რომ ვთქვათ, ჩვენ ვგრძნობთ მოლეკულების ფორმებს! ამასთან, არსებითი პრობლემაა ”გასაღების გახსნის” მოდელთან დაკავშირებით.

ჰორსფილდი ამბობს:

”თქვენ შეგიძლიათ გქონდეთ ძალიან განსხვავებული ფორმისა და კომპოზიციის მქონე მოლეკულები, რაც ერთსა და იმავე შთაბეჭდილებას გიქმნით.”

როგორც ჩანს, რაღაც უბრალოდ ფორმა უნდა იყოს ჩართული, მაგრამ რა? ამ მოდელის სადავო ალტერნატივა მიგვითითებს იმაზე, რომ ჩვენი გრძნობა აქტიურდება არა მხოლოდ მოლეკულების ფორმის, არამედ ამ მოლეკულების ვიბრაციის გზით. ყველა მოლეკულა მუდმივად ვიბრირებს გარკვეულ სიხშირეზე, მათი სტრუქტურის საფუძველზე. შეიძლება ჩვენს ცხვირს როგორმე გამოავლინოს ამ ვიბრაციული სიხშირეების განსხვავებები? ალექსანდრე ფლემინგის საბერძნეთის ბიოსამედიცინო კვლევის ცენტრის ბიოფიზიკოსი ლუკა ტურინი თვლის, რომ მათ ეს შეუძლიათ.

ვიბრაციის სუნი სუნი

ტურინმა, რომელიც ასევე მსოფლიოს პარფიუმერიის ერთ-ერთი წამყვანი ექსპერტი გახდა, შთააგონა სუნამოს ვიბრაციულმა თეორიამ, რომელიც პირველად შემოიტანა ქიმიკოსმა მალკოლმ დისონმა 1938 წელს. მას შემდეგ, რაც ტურინმა პირველად გაითავისა დისონის იდეა XNUMX-იან წლებში, ტურინმა დაიწყო მოლეკულების ძებნა, რაც მას ამის საშუალებას მისცემდა. ტესტი. მან ყურადღება გაამახვილა გოგირდის ნაერთებზე, რომლებსაც აქვთ უნიკალური სუნი და დამახასიათებელი მოლეკულური ვიბრაციები. ამის შემდეგ ტურინს სჭირდებოდა აბსოლუტურად დაუკავშირებელი ნაერთის იდენტიფიცირება, გოგირდისგან განსხვავებული მოლეკულური ფორმის, მაგრამ იგივე ვიბრაციული სიხშირით, რომ ენახა საერთოდ გოგირდის მსგავსი რამ. საბოლოოდ მან იპოვა ერთი, ბორის შემცველი მოლეკულა. მას ნამდვილად გოგირდის სუნი ჰქონდა. ”მე მას აქეთ მოვეკიდე,” - ამბობს ის, ”” არა მგონია, ეს დამთხვევა იყოს ”.

იმ მომენტიდან, როდესაც მან აღმოაჩინა ეს ყნოსვითი სენსაცია, ტურინმა ექსპერიმენტული მტკიცებულებები მოაგროვა იდეის დასადასტურებლად და მუშაობდა ჰორსფილდთან თეორიული დეტალების შესამუშავებლად. ხუთი წლის წინ ტურინმა და მისმა კოლეგებმა შეიმუშავეს ექსპერიმენტი, რომლის დროსაც წყალბადის ზოგიერთი მოლეკულა შეიცვალა დეიტერიუმით, წყალბადის იზოტოპით, ბირთვში ნეიტრონით და აღმოაჩინეს, რომ ადამიანები გრძნობენ განსხვავებას. იმის გამო, რომ წყალბადსა და დეიტერიუმს ერთი და იგივე მოლეკულური ფორმა აქვთ, მაგრამ განსხვავებული ვიბრაციული სიხშირეები, შედეგები კვლავ გვაჩვენებს, რომ ჩვენს ცხვირს შეუძლია რეალურად გამოავლინოს ვიბრაცია. ექსპერიმენტებმა ხილის ბუზებზე მსგავსი შედეგები აჩვენა.

ვიბრაციებსაც ვგრძნობთ?

ტურინის იდეა საკამათო რჩება - მისმა ექსპერიმენტულმა მონაცემებმა გაანაწილა სუნის შემცველი მკვლევარების ინტერდისციპლინარული საზოგადოება. მაგრამ თუ ისინი მართლები არიან და ფორმების გარდა, ვიბრაციებსაც ვგრძნობთ, როგორ ხდება ეს ცხვირი? ტურინის ვარაუდით, შეიძლება კვანტური ეფექტის, ე.წ. გვირაბის შეტანა. კვანტურ მექანიკაში ელექტრონებსა და ყველა დანარჩენ ნაწილაკს ორმაგი ბუნება აქვთ - თითოეული მათგანი ნაწილაკიცაა და ტალღაც. ეს ზოგჯერ ელექტრონებს საშუალებას აძლევს გვირაბის მსგავსად გადაადგილდნენ მასალებში, ისე, რომ აკრძალული იქნება ნაწილაკების კლასიკური ფიზიკის წესების შესაბამისად.

სუნის მოლეკულურ ვიბრაციას შეუძლია უზრუნველყოს ენერგიის ნახტომი ენერგიით, რაც ელექტრონებს სჭირდებათ სუნის რეცეპტორის ერთი ნაწილიდან მეორეზე გადასასვლელად. ნახტომის სიჩქარე იცვლება სხვადასხვა მოლეკულასთან, რაც იწვევს ნერვულ იმპულსებს, რომლებიც ტვინში ქმნიან სხვადასხვა სუნის აღქმას.

ასე რომ, ჩვენი ცხვირი შეიძლება იყოს დახვეწილი ელექტრონული დეტექტორი. როგორ შეიძლება ჩვენი ცხვირი ასე განვითარდეს, რომ ისარგებლოს ასეთი კვანტური თავისებურებებით?

ტურინი ამბობს:

”მე ვფიქრობ, რომ ამ ტექნოლოგიას, ასე ვთქვათ, ვაფასებთ რამდენიმე რიგის სიდიდის მიხედვით. ოთხი მილიარდი წლის კვლევა და განვითარება შეუზღუდავი დაფინანსებით, დიდი დროა ევოლუციისთვის. მაგრამ მე არ ვფიქრობ, რომ ეს ყველაზე საოცარი რამეა, რასაც ცხოვრება აკეთებს ”.

Კვანტური მექანიკა

სერიის სხვა ნაწილები