Wat is het? kwantummechanica en hoe is het begonnen? Als Max Planck één slecht advies negeerde, zou hij nooit een revolutie in het atomisme beginnen. Het belangrijkste moment was 1878 toen de jonge Planck aan een van zijn professoren vroeg of hij een carrière in de natuurkunde wilde nastreven. Professor Philip von Jolly vertelde Planck om een ​​andere baan te vinden. Alle belangrijke ontdekkingen in de natuurkunde zijn al gedaan, verzekerde de professor van zijn jonge beschermer.

Zoals Planck later herinnerde, zei Von Jolly:

"De natuurkunde kan marginaal blijven, dat en dat onderzoeken, of reorganiseren, maar het systeem als geheel is verankerd en de theoretische fysica komt dichterbij het einde."

Door een van die kleine dingen in de praktijk te brengen, bleek uiteindelijk dat hij het had Planck Nobelprijs en zij werd geboren kwantummechanica. Het ongemakkelijke kleine ding ging gepaard met een veel voorkomend fenomeen: Waarom voorwerpen opduiken in de manier waarop ze het doen tijdens het opwarmen? Alle materialen, ongeacht waar ze van gemaakt zijn, gedragen zich hetzelfde bij stijgende temperaturen - ze stralen kleuren rood, geel en uiteindelijk wit uit. Geen natuurkundige bij 19. eeuw kan dit ogenschijnlijk eenvoudige proces niet verklaren.

Het probleem leek "ultraviolette catastrofe" te zijn, omdat de beste theorie voorspelde dat voorwerpen die bij zeer hoge temperaturen worden verwarmd, de kortste golflengte-energie zouden moeten afgeven. Omdat we weten dat een sterke stroom geen gloeilampen in dergelijke energiebundels van de dood brengt, natuurkunde bij 19. Er was duidelijk geen laatste woord hier.

Energie kan worden geabsorbeerd

Planck vond het antwoord al in 1900 met wat een moderne hit werd. In feite dacht hij dat energie alleen in discrete hoeveelheden of hoeveelheden kon worden geabsorbeerd of overgedragen. Het was een radicale afwijking van de klassieke natuurkunde die beweerde dat energie door een continue, continue stroom stroomde. In die tijd had Planck geen theoretische reden, maar het bleek ook te werken. Het kwantum verminderde effectief de hoeveelheid energie die de verwarmde artikelen bij elke temperatuur konden afgeven. Eindelijk geen dodelijke ultraviolette stralen!

Quantum Revolutie

Dat is hoe de kwantumrevolutie begon. Het duurde tientallen jaren van theoretische werk van Albert Einstein, Werner Heisenberg, Niels Bohr en andere titanen van de natuurkunde, dus het veranderde de Planck inspiratie voor een allesomvattende theorie, maar dat was nog maar het begin, want niemand echt begrepen wat er gebeurde met voorwerpen bij verhitting.

De theorie van de kwantummechanica, die zich bezighoudt met deeltjes en energie-uitzendingen in het rijk van de kleinste deeltjes afkomstig van onze dagelijkse ervaring en alles wat onzichtbaar is voor onze onhandige sensorium. Niet alles is totaal onzichtbaar! Sommige quantum effecten zijn verborgen uit het zicht, maar ze zijn helder en mooi als de stralen van de zon en de glitter van de sterren, net als iets anders dat kon niet geheel vóór de komst van de kwantummechanica te verklaren.

Hoeveel fenomenen uit de kwantumwereld kunnen we in ons dagelijks leven ervaren? Welke informatie kunnen onze zintuigen ontdekken in de ware aard van de werkelijkheid? Immers, zoals de oorspronkelijke theorie laat zien, kunnen kwantumverschijnselen precies onder onze neus liggen. In feite kunnen ze recht in onze neus gebeuren.

Quantum bumper

Wat gebeurt er in je neus als je wakker wordt en de geur van koffie of een sneetje brood in je onsterfelijke broodrooster voelt? Voor deze sensorische orgel op het gezicht is het slechts een indruk. Net zoals Enrico Fermi, die de eerste kernreactor ter wereld bouwde, ooit de ui gebakken had, zou het leuk zijn om te begrijpen hoe ons sensorische orgaan werkt.

Quantum Mechanics (© Jay Smith)

Dus u ligt in bed en denkt na over het bereiden van verse geroosterde toast. Geurmoleculen stromen door de lucht. Je ademhaling zal sommige van deze moleculen in de neusholte trekken tussen je ogen net boven de mond. De moleculen zijn gehecht aan de mucosale laag op het oppervlak van de neusholte en gevangen in de reukreceptoren. De reukzenuwen hangen als kwallen aan het brein, zij zijn het enige deel van het centrale zenuwstelsel dat voortdurend wordt blootgesteld aan de buitenwereld.

Wat er daarna gebeurt, is niet helemaal duidelijk. We weten dat geurmoleculen binden aan elk van de verschillende receptoren van 400 op het oppervlak van het slijmvlies, we weten niet precies hoe en hoe dit contact ons reukvermogen creëert. Waarom is het zo moeilijk om de geur te begrijpen?

Andrew Horsfield, een wetenschapper aan het Imperial College in Londen, zegt:

"Deels omdat het moeilijk is om experimenten uit te voeren om te controleren wat er zich in de reukreceptoren afspeelt."

Hoe de geur werkt

De conventionele verklaring voor hoe geur werkt lijkt eenvoudig: receptoren nemen zeer specifieke vormen van moleculen aan. Het zijn als sloten die alleen met de juiste sleutels te openen zijn. Volgens deze theorie past elk van de moleculen die de neus binnenkomen in een reeks receptoren. De hersenen interpreteren een unieke combinatie van door moleculen geactiveerde receptoren, zoals de geur van koffie. Met andere woorden, we voelen de vormen van de moleculen! Er is echter een fundamenteel probleem met het 'key opening'-model.'

Horsfield zegt:

"Je kunt moleculen hebben met heel verschillende vormen en composities die je allemaal hetzelfde gevoel geven."

Het lijkt erop dat er meer bij komt kijken dan alleen vorm, maar wat? Een controversieel alternatief voor dit model suggereert dat ons zintuig niet alleen wordt geactiveerd door de vorm van de moleculen, maar ook door de manier waarop deze moleculen trillen. Alle moleculen trillen constant met een bepaalde frequentie, gebaseerd op hun structuur. Zou onze neus op de een of andere manier de verschillen in die trillingsfrequenties kunnen onthullen? Luca Turin, een biofysicus bij het Biomedical Research Center van Alexander Fleming in Griekenland, gelooft van wel.

Trillingtheorie van de geur

Turijn, die ook werd een van 's werelds toonaangevende experts op parfum is geïnspireerd trillingen theorie geur, voor het eerst voorgesteld chemicus Malcolm Dyson in 1938. Nadat Torino voor het eerst het idee van Dyson in de jaren negentig had vastgelegd, begon hij naar moleculen te zoeken om deze theorie te testen. Hij concentreerde zich op zwavelverbindingen met een unieke geur en karakteristieke moleculaire trillingen. Turin dan nodig volledig los zo verbindingen met verschillende moleculaire vormen dan de zwavel, maar met dezelfde trillingsfrequentie te bepalen of er iets zwavel. Uiteindelijk vond men een boorbevattend molecuul. Zeker rook hij naar zwavel. "Hier doe ik het", zegt hij, "Ik denk dat het geen toeval kan zijn."

Sinds hij deze reukzin ontdekte, had Turijn experimenteel bewijs verzameld om het idee te ondersteunen en werkte hij samen met Horsfield om theoretische details uit te werken. Vijf jaar geleden ontwierpen Turijn en zijn collega's een experiment waarbij sommige waterstofmoleculen in een geur werden vervangen door deuterium, een isotoop van waterstof met een neutron in de kern, en ontdekten dat mensen het verschil konden voelen. Omdat waterstof en deuterium dezelfde moleculaire vormen hebben maar verschillende trillingsfrequenties, suggereren de resultaten opnieuw dat onze neuzen trillingen kunnen detecteren. Experimenten met fruitvliegjes hebben vergelijkbare resultaten opgeleverd.

Voelen we ook vibratie?

Het idee van Turijn blijft controversieel - zijn experimentele gegevens verdeelden de interdisciplinaire gemeenschap van olfactorische onderzoekers. Maar als ze gelijk hebben, en naast de vormen, voelen we ook de vibraties, hoe doen onze neuzen het? Turijn speculeerde dat een kwantumeffect, tunneling genaamd, hier zou kunnen worden opgenomen. In de kwantummechanica hebben elektronen en alle andere deeltjes een tweevoudig karakter - elk van hen is zowel een deeltje als een golf. Dit laat soms de beweging toe van elektronen door materialen zoals een tunnel, op een manier die zou worden verbannen door deeltjes volgens de regels van de klassieke fysica.

De moleculaire trilling van de geur kan zorgen voor een energiesprong langs de energie die elektronen nodig hebben om van het ene deel van de geurreceptor naar het andere te springen. De snelheid van de sprong verandert met verschillende moleculen, wat zenuwimpulsen veroorzaakt die in de hersenen de waarneming van verschillende geuren creëren.

Onze neus kan dus een geavanceerde elektronische detector zijn. Hoe konden onze neuzen evolueren om te profiteren van dergelijke kwantum eigenaardigheden?

Turijn zegt:

"Ik denk dat we deze technologie onderschatten, om een ​​paar regels te zeggen. Vier miljard jaar onderzoek en ontwikkeling met onbeperkte financiering is lang voor de evolutie. Maar ik denk niet dat het het meest verbazingwekkende is dat het leven doet. '