Nó là gì cơ lượng tử và nó bắt đầu như thế nào? Nếu Max Planck không bỏ qua một lời khuyên tồi tệ, cuộc cách mạng về nguyên tử học sẽ không bao giờ bắt đầu. Thời điểm quan trọng đến vào năm 1878, khi Planck trẻ tuổi được một trong những giáo sư của ông hỏi liệu ông có theo đuổi sự nghiệp vật lý hay không. Giáo sư Philip von Jolly nói với Planck hãy tìm một công việc khác. Tất cả những khám phá quan trọng trong vật lý được cho là đã được thực hiện, vị giáo sư đảm bảo với người bảo trợ trẻ tuổi của mình.

Sau này Planck nhớ lại, von Jolly nói với anh ta:

"Vật lý có thể tiếp tục một cách nhẹ nhàng, bằng cách khám phá hoặc sắp xếp thứ này và thứ kia, nhưng toàn bộ hệ thống là cố định và vật lý lý thuyết đang gần hoàn thành."

Bằng cách áp dụng một trong những điều nhỏ nhặt đó vào thực tế, hóa ra cuối cùng anh ấy đã làm được Giải Nobel Planck và cô ấy được sinh ra cơ lượng tử. Chi tiết khó chịu là một hiện tượng rất phổ biến: Tại sao các vật tỏa nhiệt như khi chúng bị đốt nóng? Tất cả các vật liệu, bất kể chúng được làm bằng gì, hoạt động như nhau ở nhiệt độ tăng dần - chúng phát ra màu đỏ, vàng và cuối cùng là màu trắng. Không có nhà vật lý nào trong thế kỷ 19 có thể giải thích quá trình tưởng như đơn giản này.

Vấn đề nổi lên như một 'thảm họa tia cực tím' vì lý thuyết tốt nhất dự đoán rằng các vật thể bị nung nóng đến nhiệt độ rất cao sẽ phát ra năng lượng có bước sóng ngắn nhất. Vì chúng ta biết rằng một dòng điện mạnh sẽ không dẫn bóng đèn thành những tia tử thần tràn đầy năng lượng như vậy, nên vật lý học ở thế kỷ 19 rõ ràng không có từ cuối cùng ở đây.

Năng lượng có thể được hấp thụ

Planck đã tìm ra câu trả lời vào năm 1900 với thứ đã trở thành một hit hiện đại. Trên thực tế, ông đoán rằng năng lượng chỉ có thể được hấp thụ hoặc truyền đi dưới dạng lượng tử, hoặc đại lượng rời rạc. Đó là một sự khác biệt hoàn toàn so với vật lý cổ điển, vốn cho rằng năng lượng chảy trong một dòng liên tục, liên tục. Vào thời điểm đó, Planck không có lý thuyết nào biện minh cho nó, nhưng hóa ra nó vẫn hoạt động theo cách đó. Lượng tử của nó giới hạn hiệu quả lượng năng lượng mà các vật thể bị nung nóng có thể giải phóng ở bất kỳ nhiệt độ nào. Vì vậy, cuối cùng không có tia cực tím chết người!

Cuộc cách mạng lượng tử

Do đó đã bắt đầu cuộc cách mạng lượng tử. Phải mất hàng thập kỷ nghiên cứu lý thuyết của Albert Einstein, Werner Heisenberg, Niels Bohr và những người khổng lồ về vật lý khác để biến nguồn cảm hứng của Planck thành một lý thuyết tổng thể, nhưng đó mới chỉ là khởi đầu, bởi vì không ai hiểu đầy đủ điều gì đã xảy ra với các vật thể khi chúng nóng lên.

Lý thuyết kết quả là cơ học lượng tử, xử lý các hạt và sự chuyển giao năng lượng trong lĩnh vực của các hạt nhỏ nhất, xuất phát từ kinh nghiệm hàng ngày của chúng ta và mọi thứ không nhìn thấy được trong bộ máy cảm giác vụng về của chúng ta. Không phải mọi thứ đều hoàn toàn vô hình! Một số hiệu ứng lượng tử bị che khuất khỏi tầm nhìn, mặc dù chúng rõ ràng và đẹp đẽ, giống như tia nắng mặt trời và ánh sáng lấp lánh của các ngôi sao, giống như điều gì đó chưa thể giải thích đầy đủ trước khi cơ học lượng tử ra đời.

Chúng ta có thể trải nghiệm bao nhiêu hiện tượng từ thế giới lượng tử trong cuộc sống hàng ngày? Các giác quan của chúng ta có thể khám phá thông tin nào về bản chất thực của thực tế? Rốt cuộc, như lý thuyết ban đầu cho thấy, các hiện tượng lượng tử có thể nằm ngay dưới mũi chúng ta. Trên thực tế, chúng có thể diễn ra ngay trong mũi chúng ta.

Đuôi lượng tử

Điều gì xảy ra trong mũi bạn khi bạn thức dậy và ngửi thấy mùi cà phê hoặc một lát bánh mì trong máy nướng bánh mì bất tử của bạn? Nó chỉ là một ấn tượng cho cơ quan cảm giác này trên khuôn mặt. Như Enrico Fermi, người đã xây dựng lò phản ứng hạt nhân đầu tiên trên thế giới, từng được chiên hành tây, nhận xét, sẽ rất tuyệt nếu hiểu cơ quan giác quan của chúng ta hoạt động như thế nào.

Cơ học lượng tử (© Jay Smith)

Vì vậy, bạn đang nằm trên giường và suy nghĩ về việc làm bánh mì nướng mới. Các phân tử hương thơm bay trong không khí. Hơi thở của bạn kéo một số phân tử này vào khoang mũi giữa hai mắt, ngay phía trên miệng. Các phân tử gắn vào lớp niêm mạc trên bề mặt của khoang mũi và bị giữ lại trong các thụ thể khứu giác. Các dây thần kinh khứu giác treo trên não giống như các xúc tu của sứa, chúng là phần duy nhất của hệ thần kinh trung ương thường xuyên tiếp xúc với thế giới bên ngoài.

Điều gì xảy ra tiếp theo không hoàn toàn rõ ràng. Chúng ta biết rằng các phân tử mùi liên kết với một trong 400 thụ thể khác nhau trên bề mặt niêm mạc, chúng ta không biết chính xác sự tiếp xúc này tạo ra cảm giác khứu giác của chúng ta như thế nào và bằng cách nào. Tại sao nó lại khó hiểu về mùi?

Andrew Horsfield, một nhà nghiên cứu tại Imperial College London, nói:

"Một phần là do khó khăn khi tiến hành các thí nghiệm để kiểm tra những gì đang diễn ra bên trong các thụ thể khứu giác."

Cách thức hoạt động của mùi hương

Cách giải thích thông thường cho cách hoạt động của mùi hương có vẻ đơn giản: các thụ thể có hình dạng rất cụ thể của các phân tử. Chúng giống như ổ khóa chỉ có thể mở bằng chìa khóa phù hợp. Theo lý thuyết này, mỗi phân tử đi vào mũi sẽ phù hợp với một tập hợp các thụ thể. Bộ não diễn giải sự kết hợp độc đáo của các thụ thể được kích hoạt bằng phân tử, chẳng hạn như mùi cà phê. Nói cách khác, chúng ta cảm nhận được hình dạng của các phân tử! Tuy nhiên, có một vấn đề cơ bản với mô hình 'chìa khóa mở cửa'. '

Horsfield nói:

"Bạn có thể có các phân tử với hình dạng và thành phần rất khác nhau, tất cả đều mang lại cho bạn ấn tượng giống nhau."

Có vẻ như một cái gì đó không chỉ là hình dạng phải có liên quan, nhưng cái gì? Một giải pháp thay thế gây tranh cãi cho mô hình này gợi ý rằng giác quan của chúng ta được kích hoạt không chỉ bởi hình dạng của các phân tử, mà còn bởi cách các phân tử này rung động. Tất cả các phân tử liên tục dao động ở một tần số nhất định, dựa trên cấu trúc của chúng. Liệu mũi của chúng ta có thể tiết lộ sự khác biệt trong các tần số dao động không? Luca Turin, một nhà lý sinh tại Trung tâm Nghiên cứu Y sinh Alexander Fleming ở Hy Lạp, tin rằng họ có thể làm được.

Lý thuyết rung động của mùi

Turin, người cũng trở thành một trong những chuyên gia nước hoa hàng đầu thế giới, được truyền cảm hứng từ lý thuyết dao động của hương thơm, do nhà hóa học Malcolm Dyson đề xuất lần đầu tiên vào năm 1938. Sau khi Turin lần đầu tiên nắm bắt được ý tưởng của Dyson vào những năm XNUMX, Turin bắt đầu tìm kiếm các phân tử có thể cho phép ông làm như vậy. kiểm tra. Ông tập trung vào các hợp chất lưu huỳnh có mùi độc đáo và các rung động phân tử đặc trưng. Sau đó, Turin cần xác định một hợp chất hoàn toàn không liên quan, có hình dạng phân tử khác với lưu huỳnh, nhưng có cùng tần số dao động, để xem liệu có một thứ nào đó giống như lưu huỳnh hay không. Cuối cùng, ông đã tìm thấy một, một phân tử có chứa boron. Nó chắc chắn có mùi như lưu huỳnh. "Tôi đã yêu nó ở đây," anh ấy nói, "Tôi không nghĩ đó có thể là một sự trùng hợp."

Ngay từ khi phát hiện ra cảm giác khứu giác này, Turin đã thu thập bằng chứng thực nghiệm để hỗ trợ cho ý tưởng và đã làm việc với Horsfield để tìm ra các chi tiết lý thuyết. Năm năm trước, Turin và các đồng nghiệp của ông đã thiết kế một thí nghiệm trong đó một số phân tử hydro trong nước hoa được thay thế bằng deuterium, một đồng vị của hydro với neutron trong hạt nhân, và nhận thấy rằng con người có thể cảm nhận được sự khác biệt. Bởi vì hydro và đơteri có hình dạng phân tử giống nhau nhưng tần số dao động khác nhau, kết quả một lần nữa cho thấy rằng mũi của chúng ta thực sự có thể phát hiện ra dao động. Thí nghiệm với ruồi giấm cũng cho kết quả tương tự.

Chúng ta cũng cảm thấy rung động?

Ý tưởng của Turin vẫn còn gây tranh cãi - dữ liệu thử nghiệm của ông đã chia rẽ một cộng đồng liên ngành gồm các nhà nghiên cứu khứu giác. Nhưng nếu chúng đúng, và ngoài hình dạng, chúng ta còn cảm thấy rung động, thì mũi chúng ta làm thế nào? Turin suy đoán rằng một hiệu ứng lượng tử, cái gọi là đường hầm, có thể được đưa vào. Trong cơ học lượng tử, electron và tất cả các hạt khác đều có bản chất kép - mỗi hạt vừa là hạt vừa là sóng. Điều này đôi khi cho phép các electron di chuyển qua các vật liệu giống như một đường hầm, theo cách mà các hạt cấm theo các quy tắc vật lý cổ điển.

Sự rung động phân tử của mùi có thể cung cấp một năng lượng nhảy xuống năng lượng mà các điện tử cần để nhảy từ phần này sang phần khác của cơ quan nhận mùi. Tốc độ của bước nhảy thay đổi theo các phân tử khác nhau, điều này gây ra các xung thần kinh tạo ra trong não nhận thức về các mùi khác nhau.

Vì vậy, mũi của chúng ta có thể là một máy dò điện tử tinh vi. Làm thế nào mà mũi của chúng ta có thể phát triển theo cách này để tận dụng các đặc thù lượng tử như vậy?

Turin nói:

"Tôi nghĩ rằng chúng ta đang đánh giá thấp công nghệ này, có thể nói, theo một vài mức độ. Bốn tỷ năm nghiên cứu và phát triển với kinh phí không giới hạn là một khoảng thời gian dài cho sự tiến hóa. Nhưng tôi không nghĩ đó là điều tuyệt vời nhất mà cuộc sống làm được. "