Wat ass et Quantemechanik a wéi huet et ugefaang? Wann de Max Planck ee Stéck schlecht Rot net ignoréiert hätt, wier déi atomistesch Revolutioun ni ugefaangen. E wichtege Moment koum 1878, wéi de jonke Planck vun engem vu senge Proffen gefrot gouf, ob hien eng Karriär an der Physik géif maachen. Professer Philip von Jolly sot Planck eng aner Aarbecht ze fannen. All déi wichteg Entdeckungen an der Physik ware scho gemaach, huet de Professer säi jonke Protégé verséchert.

Wéi de Planck spéider erënnert huet, huet de von Jolly him gesot:

"Physik kann nach ëmmer marginal weidergoen, dëst an dat z'ënnersichen oder ze fixéieren, awer de System als Ganzt ass verankert, an d'theoretesch Physik ass gutt no bei senger Conclusioun."

Andeems hien ee vun deenen Täter an d'Praxis ëmgesat huet, huet sech erausgestallt datt hien endlech gewonnen huet Planck Nobelpräis a si gouf gebuer Quantemechanik. Eng onbequem Zäitbit am Zesummenhang mat engem ganz allgemenge Phänomen: Firwat strahlen d'Objete wéi se maachen wann se erhëtzt ginn?? All Material, egal aus wat se gemaach gi sinn, behuelen d'selwecht wéi d'Temperatur eropgeet - si emittéieren rout, giel a schliisslech wäiss. Kee Physiker am 19. Joerhonnert konnt dëse scheinbar einfache Prozess erklären.

De Problem ass entstanen als "ultraviolet Katastroph" well déi bescht Theorie virausgesot huet datt Objeten, déi op ganz héich Temperaturen erhëtzt ginn, déi meeschte Kuerzwellelängtenergie ausstoen. Well mir wëssen, datt e staarke Stroum d'Knollen net zu esou Energie Doudesstrahlen féiert, huet d'Physik vum 19. Joerhonnert kloer net dat lescht Wuert hei.

Energie kann absorbéiert ginn

De Planck huet d'Äntwert am Joer 1900 fonnt mat deem wat e modernen Hit gouf. Tatsächlech huet hien ugeholl datt d'Energie nëmmen an diskrete Quanten oder Quantitéite absorbéiert oder emittéiert ka ginn. Dëst war e radikalen Depart vun der klassescher Physik, déi behaapt huet datt d'Energie an engem kontinuéierleche kontinuéierleche Stroum fléisst. Deemools hat de Planck keng theoretesch Begrënnung dofir, mä et huet sech trotzdeem erausgestallt. Seng Quante limitéiert effektiv d'Quantitéit un Energie déi erhëtzt Objete bei all gegebene Temperatur fräiginn. Also endlech keng déidlech ultraviolet Strahlen!

D'Quanterevolutioun

Sou huet d'Quanterevolutioun ugefaangen. Et huet Joerzéngte vun theoretescher Aarbecht vum Albert Einstein, Werner Heisenberg, Niels Bohr an aner Titanen vun der Physik gedauert fir dem Planck seng Inspiratioun an eng kohärent Theorie ëmzewandelen, awer dat war nëmmen den Ufank, well kee ganz verstan huet wat mat Objete geschitt wann se erwiermen.

Déi resultéierend Theorie ass d'Quantemechanik, déi sech mat Partikelen an Energietransferen am Räich vun de klengste Partikelen beschäftegt, ofgeleet vun eiser alldeeglecher Erfarung an alles wat fir eise knaschtege Sensorapparat onsichtbar ass. Net alles ass komplett onsichtbar! E puer Quanteeffekter verstoppen sech an der Siicht, obwuel si hell a schéin sinn, wéi d'Sonnestrahlen an d'Stären, wéi soss eppes, wat virum Optriede vun der Quantemechanik net komplett erkläert ka ginn.

Wéi vill Phenomener aus der Quantewelt kënne mir an eisem Alldag erliewen? Wéi eng Informatioun kënnen eis Sënner iwwer déi richteg Natur vun der Realitéit entdecken? No allem, wéi déi ursprénglech Theorie weist, kënne Quantephenomener direkt ënnert eis Nues sinn. Tatsächlech kënne se direkt ënnert eis Nues geschéien.

Quantefreak

Wat geschitt an Ärer Nues wann Dir mam Geroch vu Kaffi oder engem Stéck Brout an Ärem net fatale Toaster erwächt? Fir dëst sensibelt Uergel am Gesiicht ass et just en Androck. Wéi den Enrico Fermi, deen den éischten Atomreakter vun der Welt gebaut huet, emol beim Fritten vun engem Zwiebel bemierkt huet, wier et flott ze verstoen, wéi eis Sinnorgan funktionéiert.

Quantemechanik (©Jay Smith)

Also leis du am Bett an denkt drun e frëschen Toast ze maachen. Doftmoleküle fléissen duerch d'Loft. Är Atmung zitt e puer vun dëse Molekülen an d'Nueshall tëscht Ären Aen, just iwwer d'Mëndöffnung. D'Moleküle befestigen sech un der Schleimhaut op der Uewerfläch vum Nasenhaut a ginn an den Olfaktoresche Rezeptoren ageholl. D'Olknerven hänken aus dem Gehir wéi Jellyfish-Tentakelen, si sinn deen eenzegen Deel vum Zentralnervensystem, dee stänneg no baussen ausgesat ass.

Wat duerno geschitt ass net ganz kloer. Mir wëssen datt Gerochmoleküle un ee vun 400 verschiddene Rezeptoren op der Uewerfläch vun der Schleimhaut binden, awer mir wësse net genau wéi eng a wéi dëse Kontakt eis olfaktoresch Sensatioun entsteet. Firwat ass de Geroch sou schwéier ze verstoen?

Andrew Horsfield, Fuerscher um Imperial College London seet:

"Dëst ass deelweis wéinst der Schwieregkeet Experimenter ze maachen fir z'ënnersichen wat an den Olfaktoresche Rezeptoren lass ass."

Wéi Parfum funktionnéiert

Déi konventionell Erklärung wéi Geroch funktionnéiert schéngt einfach: Rezeptoren akzeptéieren ganz spezifesch Forme vu Molekülen. Si si wéi Schleisen déi nëmme mat de richtege Schlësselen opgemaach kënne ginn. No dëser Theorie passt all Molekül, déi an d'Nues erakënnt, an e bestëmmte Set vu Rezeptoren. D'Gehir interpretéiert eng eenzegaarteg Kombinatioun vu Molekül-aktivéierte Rezeptoren, zum Beispill, wéi de Geroch vu Kaffi. An anere Wierder, mir spieren d'Forme vu Molekülle! Wéi och ëmmer, et gëtt e fundamentale Problem mam 'Schlëssel fir opzemaachen' Modell.

Horsfield seet:

"Dir kënnt Moleküle mat ganz verschiddene Formen a Kompositioune hunn, déi Iech all déiselwecht Sensatioun ginn."

Et schéngt wéi wann et méi muss involvéiert sinn wéi just Form, awer wat also? Eng kontrovers Alternativ zu dësem Modell suggeréiert datt eise Sënn net nëmmen duerch d'Form vu Molekülle aktivéiert gëtt, awer och duerch wéi dës Moleküle vibréieren. All Moleküle vibréiere stänneg mat enger gewësser Frequenz baséiert op hirer Struktur. Konnt eis Nues iergendwéi Differenzen an deene Schwéngungsfrequenzen entdecken? De Luca Turin, e Biophysiker am Alexander Fleming Research Center fir Biomedizinesch Wëssenschaften a Griicheland, mengt se kënnen.

D'Vibratiounstheorie vum Parfum

Turin, deen och ee vun de weltgréisste Parfumexperten ginn ass, gouf vun der Schwéngungstheorie vum Doft inspiréiert, fir d'éischt vum Chemiker Malcolm Dyson am Joer 1938 proposéiert. den Theorietest aktivéieren. Hien konzentréiert sech op Schwefelverbindungen déi eenzegaarteg Gerécher a charakteristesch molekulare Schwéngungen hunn. Turin huet dunn eng komplett onrelatéiert Verbindung ze identifizéieren, mat enger anerer molekulare Form wéi Schwefel awer mat der selwechter Schwéngungsfrequenz, fir ze bestëmmen ob et iwwerhaapt sou eppes wéi Schwefel gëtt. Endlech huet hien een fonnt, e Molekül mat Bor. Si huet definitiv wéi Schwefel geroch. "Dëst ass wou ech drop gefall sinn", seet hien, "Ech denken net datt et en Zoufall ka sinn."

Vun deem Moment un huet hien dës olfaktoresch Sensatioun entdeckt, Turin huet experimentell Beweiser gesammelt fir d'Iddi z'ënnerstëtzen a mat Horsfield geschafft fir déi theoretesch Detailer auszeschaffen. Virun 5 Joer hunn Turin a seng Kollegen en Experiment entworf, an deem e puer vun de Waasserstoffmoleküle am Parfum duerch Deuterium ersat goufen, en Isotop vu Waasserstoff mat engem Neutron am Kär, a fonnt hunn, datt d'Leit den Ënnerscheed richen. Well Waasserstoff an Deuterium déiselwecht molekulare Formen awer ënnerschiddlech Schwéngungsfrequenzen hunn, suggeréieren d'Resultater erëm datt eis Nues wierklech Schwéngungen erkennen kënnen. Experimenter mat Fruuchtmécken hunn ähnlech Resultater gewisen.

Mir fille och Schwéngungen?

Dem Turin seng Iddi bleift kontrovers - seng experimentell Donnéeën hunn d'interdisziplinär Gemeinschaft vun de olfaktoresche Fuerscher opgedeelt. Awer wann se richteg sinn, an nieft Formen spiere mir och Schwéngungen, wéi maachen eis Nues dat? Turin spekuléiert datt e Quanteneffekt, genannt Tunneling, involvéiert wier. An der Quantemechanik hunn Elektronen an all aner Partikel eng duebel Natur - jidderee ass souwuel e Partikel wéi och eng Welle. Dëst erlaabt heiansdo Elektronen duerch Materialien wéi en Tunnel ze beweegen, op eng Manéier déi Partikele verbuede wier duerch d'Regele vun der klassescher Physik.

D'molekulare Schwéngung vun engem Geroch kann en Energiesprang erof d'Energie ubidden, déi néideg ass fir Elektronen fir vun engem Deel vum Gerochrezeptor an en aneren ze sprangen. Den Taux vum Hoppen variéiert mat verschiddene Molekülen, wat Nerve Impulser ausléist, déi d'Wahrnehmung vu verschiddene Gerécher am Gehir erstallt.

Also eis Nues kann e sophistikéierten elektroneschen Detektor sinn. Wéi konnten eis Nues evoluéiert hunn, fir vun esou Quantekompetenzen ze profitéieren?

Turin seet:

"Ech mengen, mir ënnerschätzen dës Technologie mat e puer Uerderen, souzesoen. Véier Milliarde Joer Fuerschung an Entwécklung mat onlimitéierter Finanzéierung ass eng laang Zäit fir Evolutioun. Awer ech mengen net dat wonnerbarst wat d'Liewen mécht.'