Anu mana mékanika kuantum sareng kumaha mimitina? Upami Max Planck henteu merhatoskeun salah sahiji nasihat goréng, revolusi dina atomistik moal pernah dimimitian. Momen konci datang dina 1878, nalika Planck ngora dipénta ku salah saurang profesorna naha anjeunna bakal ngiringan karir dina fisika. Profesor Philip von Jolly nyarios ka Planck pikeun milarian padamelan sanés. Sadaya penemuan penting dina fisika disebatkeun parantos didamel, profésor éta ngayakinkeun protege ngora na.

Salaku Planck engké émut, von Jolly ngawartoskeun anjeunna:

"Fisika tiasa neraskeun margina, ku ngajajah atanapi mesen ieu sareng éta, tapi sistem sacara gembleng dilabuhkeun sareng fisika téoritis caket parantos."

Ku ngalaksanakeun salah sahiji hal leutik kana prakték, tétéla anjeunna tungtungna meunang Planck Hadiah Nobel sareng anjeunna lahir mékanika kuantum. Detil anu teu raoseun mangrupikeun hiji kajadian anu biasa pisan: Naha objék mancarkeun cara aranjeunna nalika dipanas? Sadaya bahan, henteu paduli naon bahanna dilakukeun, kalakuanana sami dina paningkatan suhu - aranjeunna ngaluarkeun warna beureum, konéng sareng tungtungna bodas. Teu aya ahli fisika dina abad ka-19 anu tiasa ngajelaskeun prosés anu katingalina saderhana ieu.

Masalahna muncul salaku 'musibah ultraviolet' sabab tiori anu pangsaéna diprediksi yén obyék dipanaskeun dina suhu anu luhur pisan kedah ngaluarkeun énergi panjang gelombang anu paling pondok. Kusabab urang terang yén arus anu kuat moal ngakibatkeun bohlam kana sinar maot anu energetik sapertos kitu, fisika dina abad ka-19 jelas henteu ngagaduhan kecap pamungkas di dieu.

Énergi tiasa nyerep

Planck mendakan jawabanna taun 1900 ku naon anu janten hit modéren. Nyatana, anjeunna mendakan yén énergi ngan ukur tiasa nyerep atanapi dikirimkeun dina quanta diskrit, atanapi jumlah. Éta mangrupikeun angkat anu radikal tina fisika klasik, anu nyatakeun yén énergi ngalir dina aliran anu kontinyu. Dina waktos éta, Planck henteu ngagaduhan pembenaran teoritis pikeun éta, tapi tétéla tiasa dianggo ku cara éta. Kuantumna sacara épéktip ngabatesan jumlah énergi anu obyék anu dipanaskeun tiasa dileupaskeun dina suhuna. Janten tungtungna teu aya sinar ultraviolét anu ngabahayakeun!

Révolusi kuantum

Kitu mimiti révolusi kuantum. Mangrupikeun mangtaun-taun karya teoritis ku Albert Einstein, Werner Heisenberg, Niels Bohr, sareng titans fisika sanésna pikeun ngahirupkeun inspirasi Planck kana téori anu komprehensif, tapi éta ngan ukur awal, sabab teu aya anu ngarti pisan kana kajadian nalika objék.

Téori anu dihasilkeun nyaéta mékanika kuantum, anu ngabahas partikel sareng mindahkeun énergi dina alam partikel pangleutikna, asalna tina pangalaman urang sapopoé sareng sagala rupa anu teu katingali ku aparat indrawi kagok urang. Henteu sadayana leres-leres henteu katingali! Sababaraha épék kuantum disumputkeun tina pandangan, sanaos jelas sareng éndah, sapertos sinar matahari sareng cahaya bintang, sapertos hal anu teu tiasa dipedar sapinuhnya sateuacan mékanika kuantum.

Sakumaha seueur fenomena ti dunya kuantum anu tiasa urang alami dina kahirupan urang sadidinten? Inpormasi naon anu tiasa dipanggihan ku indera urang dina kanyataan kanyataan anu sajati? Barina ogé, sakumaha téori aslina nunjukkeun, fenomena kuantum tiasa ngagolér handapeun irung urang. Nyatana, aranjeunna tiasa lumangsung langsung dina irung urang.

Quantum buntut

Naon anu lumangsung dina irung anjeun nalika anjeun hudang sareng ngambeu kopi atanapi nyiksikan roti dina alat keur manggang roti abadi anjeun? Éta ngan ukur kesan pikeun organ indera ieu dina raray. Salaku Enrico Fermi, anu ngawangun réaktor nuklir anu munggaran di dunya, sakali bawang goreng, nyarios, bakal langkung saé ngartos kumaha organ indrawi urang jalan.

Mékanika Quantum (© Jay Smith)

Janten anjeun nuju ngagolér dina ranjang panginten badé ngadamel roti bakar seger. Molekul wangi ngalir ngalangkungan hawa. Napas anjeun narik sababaraha molekul ieu kana rongga irung antara panon anjeun, pas diluhureun sungut. Molekul nempel kana lapisan mukosa dina permukaan rongga irung sareng kajebak dina reséptor olfaktori. Saraf olfaktori ngagantung dina uteuk sapertos tentakel ubur-ubur, éta mangrupikeun hiji-hijina bagian tina sistim saraf pusat anu terus-terusan kakeunaan dunya luar.

Naon kajadian salajengna henteu lengkep jelas. Urang terang yén molekul bau ngiket kana salah sahiji 400 reséptor anu béda dina permukaan mukosa, urang henteu terang persis naon sareng kumaha kontak ieu nyiptakeun sensasi penciuman urang. Naha hésé pisan ngartos bau na?

Andrew Horsfield, panaliti di Imperial College London, nyarios:

"Sawaréh kusabab kasusah ngalaksanakeun ékspérimén pikeun mariksa naon anu lumangsung di jero reséptor olfaktori."

Kumaha seungitna tiasa dianggo

Katerangan konvensional pikeun kumaha cara seungitna sigana saderhana: reséptor nyandak bentuk molekul anu khusus pisan. Éta ibarat konci anu ngan tiasa dibuka ku konci anu leres. Numutkeun tiori ieu, masing-masing molekul anu lebet kana irung pas kana sét reséptor. Otak napsirkeun kombinasi unik tina reséptor anu diaktipkeun ku molekul, sapertos bau kopi. Kalayan kecap séjén, urang ngaraos bentuk-bentuk molekulna! Nanging, aya masalah mendasar sareng modél 'pembukaan konci'.

Horsfield nyebutkeun:

"Anjeun tiasa ngagaduhan molekul kalayan bentuk sareng komposisi anu bénten pisan, anu sadayana masihan anjeun kesan anu sami."

Sigana mah hal anu langkung ti ngan bentukna kedah dilibetkeun, tapi kumaha? Alternatip anu kontroversial pikeun modél ieu nunjukkeun yén indera urang diaktipkeun henteu ngan ukur ku bentuk molekul, tapi ogé ku cara molekul ieu ngageter. Sadaya molekul teras-terasan ngageter dina frékuénsi anu tangtu, dumasar kana strukturna. Naha irung urang kumaha waé ngungkabkeun bédana dina frékuénsi geter éta? Luca Turin, ahli biofisika di Alexander Fleming's Biomedical Research Center di Yunani, yakin yén aranjeunna tiasa.

Téori geter bau

Turin, anu ogé janten salah sahiji ahli parfum anu kawéntar di dunya, diideuan ku téori getaran wangenan, anu mimiti diusulkeun ku kimiawan Malcolm Dyson taun 1938. Saatos Turin mimiti néwak ideu Dyson dina taun XNUMXan, Turin mimiti milarian molekul anu ngamungkinkeun anjeunna ngalakukeun éta. tés. Anjeunna fokus kana sanyawa walirang anu ngagaduhan bau unik sareng getaran molekular anu unik. Turin teras diperyogikeun pikeun ngaidentipikasi sanyawa anu teu aya hubunganana, kalayan bentuk molekul anu béda tibatan walirang, tapi kalayan frékuénsi geter anu sami, pikeun ningali naha aya hal sapertos walirang pisan. Akhirna anjeunna mendakan hiji, hiji molekul anu ngandung boron. Éta pasti bau sapertos walirang. "Kuring murag di dieu," saur anjeunna, "Sigana mah éta teu janten kabeneran."

Saprak anjeunna mendakan sensasi penciuman ieu, Turin parantos ngempelkeun buktina ékspérimén pikeun ngadukung ideu éta, sareng damel sareng Horsfield kanggo ngerjakeun detil tioritis. Lima taun ka pengker, Turin sareng réncangna ngararancang percobaan anu sababaraha molekul hidrogén dina seungitna diganti ku deuterium, isotop hidrogén sareng neutron dina inti, sareng mendakan yén jalma-jalma tiasa ngaraos bédana. Kusabab hidrogén sareng deuterium ngagaduhan bentuk molekul anu sami tapi frékuénsi geter anu béda, hasilna deui nunjukkeun yén irung urang leres tiasa ngadeteksi geter. Ékspérimén sareng lalat buah parantos nunjukkeun hasil anu sami.

Naha urang ogé ngaraos geter?

Ideu Turin tetep kontropérsial - data ékspérimén na ngabagi komunitas antar disiplin panalungtik olfactory. Tapi upami éta leres, sareng sajaba bentukna, urang ogé raoseun geter, kumaha irung urang ngalakukeun éta? Turin ngaduga yén pangaruh kuantum, anu disebut tunneling, tiasa kalebetkeun. Dina mékanika kuantum, éléktron sareng sadaya partikel sanésna ngagaduhan sipat ganda - masing-masing duanana mangrupakeun partikel sareng gelombang. Ieu kadang ngamungkinkeun éléktron ngalangkungan bahan-bahan sapertos torowongan, ku cara anu dilarang pikeun partikel numutkeun aturan fisika klasik.

Geter molekul tina bau tiasa nyayogikeun énergi ngaluncatan turun énergi anu peryogi éléktron pikeun luncat tina hiji bagéan reséptor bau kana anu sanés. Laju luncat robih sareng molekul anu béda, anu nyababkeun dorongan saraf anu nyiptakeun dina otak persépsi bau anu béda.

Janten irung urang tiasa janten detektor éléktronik anu canggih. Kumaha irung urang tiasa mekar ku cara ieu pikeun ngamangpaatkeun kakhususan kuantum sapertos kitu?

Turin nyarios:

"Saur kami urang nganggap enteng téknologi ieu, janten tiasa nyarios, ku sababaraha urutan gedena. Opat milyar taun panilitian sareng pamekaran kalayan dana anu teu terbatas mangrupikeun waktos anu lami pikeun evolusi. Tapi saur kuring éta hal anu paling saé anu dilakukeun ku kahirupan. "