«« »»

Kvantová mechanika umožňuje vidět, cítit a dotknout se částic (1. díl)

1. díl seriálu: Kvantová mechanika. Doposud vyšlo 2 dílů.

Co je to kvantová mechanika a jak započala? Pokud by Max Planck neignoroval jednu špatnou radu, nikdy by nezačala revoluce v atomistice. Klíčový moment se stal v roce 1878, když se mladého Plancka zeptal jeden z jeho profesorů, zda bude pokračovat v kariéře ve fyzice. Profesor Philip von Jolly řekl Planckovi, aby si raději našel jinou práci. Veškeré důležité objevy ve fyzice prý již byly učiněny, ujišťoval profesor svého mladého chráněnce.

Jak to později Planck připomněl, von Jolly mu řekl:

„Fyzika může pokračovat ještě okrajově, zkoumáním nebo uvedením do pořádku tamtoho i onoho, ale systém jako celek je ukotven a teoretická fyzika se výrazně se blíží ke svému zakončení.“

Uvedením jedné z těch drobností do praxe se ukázalo, že nakonec získal Planck Nobelovu cenu a zrodila se kvantová mechanika. Nepohodlná maličkost se týkala velmi běžného jevu: Proč objekty vyzařují tím způsobem, jakým to dělají při zahřátí? Všechny materiály, bez ohledu na to, z čeho jsou vyrobeny, se chovají stejně při rostoucí teplotě – vyzařují barvy červenou, žlutou a nakonec bílou. Žádný fyzik v 19. století nemohl vysvětlit tento zdánlivě jednoduchý proces.

Problém se objevil jako ‚ultrafialová katastrofa‘, protože nejlepší teorie předpovídala, že objekty zahřáté na velmi vysoké teploty by měly vyzařovat nejvíce energie s krátkou vlnovou délkou. Jelikož víme, že silný proud neuvede žárovky do takových energetických paprsků smrti, fyzika v 19. století zde jasně neměla poslední slovo.

Energie může být absorbován

Planck nalezl odpověď již v roce 1900 s tím, co se stalo moderním hitem. Ve skutečnosti uhádl, že energie může být absorbována nebo vysílána pouze v diskrétních kvantech, neboli množství. Jednalo se o radikální odklon od klasické fyziky, která tvrdila, že energie proudí spojitým, nepřetržitým proudem. V té době pro to neměl Planck žádné teoretické zdůvodnění, ale stejně se ukázalo, že to tak funguje. Jeho kvanta účinně omezila množství energie, kterou mohly vyhřívané předměty uvolňovat při jakékoliv teplotě. Tedy nakonec žádné smrtící ultrafialové paprsky!

Kvantová revoluce

Tak začala kvantová revoluce. Trvalo celá desetiletí teoretické práce Alberta Einsteina, Wernera Heisenberga, Nielse Bohra a dalších titánů fyziky, aby to změnilo Planckovu inspiraci na ucelenou teorii, ale to byl jen začátek, protože nikdo zcela nepochopil, co se děje s objekty, když se zahřívají.

Výsledná teorie je kvantová mechanika, která se zabývá částicemi a přenosy energie v říši nejmenších částic, odvozené z naší každodenní zkušenosti a vším, co je neviditelné pro náš neohrabaný senzorický aparát. Ne všechno je zcela neviditelné! Některé kvantové efekty se skrývají před zrakem, ač jsou jasné a krásné, jako sluneční paprsky a třpyt hvězd, jako něco dalšího, co nebylo možné zcela vysvětlit před příchodem kvantové mechaniky.

Kolik jevů z kvantového světa můžeme zažít v našem každodenním životě? Jaké informace mohou naše smysly objevit ve skutečné povaze reality? Koneckonců, jak ukazuje původní teorie, kvantové jevy nám mohou ležet přímo pod nosem. Ve skutečnosti se mohou odehrávat přímo v našich nosech.

Kvantový frňák

Co se děje ve vašem nosu, když se probudíte a cítíte vůni kávy nebo plátku chleba ve vašem nesmrtonosném opékači? Pro tento senzorický orgán ve tváři je to jen pouhý dojem. Stejně jak poznamenal Enrico Fermi, který postavil první jaderný reaktor na světě, jednou při smažení cibule, by bylo hezké pochopit, jak náš smyslový orgán funguje.

Kvantová mechanika (©Jay Smith)

Takže ležíš v posteli a přemýšlíš o přípravě čerstvého opečeného toastu. Molekuly vůně plynou vzduchem. Vaše dýchání přitáhne některé z těchto molekul do nosní dutiny mezi vašima očima, těsně nad ústním otvorem. Molekuly se přichytí na vrstvu sliznice na povrchu nosní dutiny a zachytí se v čichových receptorech. Z mozku visí čichové nervy jako chapadla medúzy, jsou jedinou součástí centrálního nervového systému, který je neustále vystaven vnějšímu světu.

Co se stane dále, není zcela jasné. Víme, že molekuly vůně se vážou na některý ze 400 různých receptorů na povrchu sliznice, nevíme přesně na jaký a jak tento kontakt vytváří náš čichový vjem. Proč je tak obtížné pochopit vůni?

Andrew Horsfield, vědecký pracovník na Imperial College v Londýně říká:

„Částečně je to pro obtížnost provádění experimentů s cílem prověřit, co se děje uvnitř čichových receptorů.“

Jak funguje vůně

Konvenční vysvětlení, jak funguje vůně, se zdá být jednoduché: receptory přijímají velmi specifické tvary molekul. Jsou jako zámky, které lze otevřít pouze pravými klíči. Každá z molekul, co vnikne do nosu, zapadá podle této teorie do určité sady receptorů. Mozek interpretuje jedinečnou kombinaci molekulami aktivovaných receptorů, např. jako zápach kávy. Jinými slovy, my cítíme tvary molekul! Existuje však zásadní problém s modelem ‚otevírání klíčem.‘

Horsfield říká:

„Můžete mít molekuly s velmi odlišným tvarem a složením, které vám všechny dávají stejný vjem.“

Zdá se, že zde musí být zapojeno něco víc než jen tvar, ale co? Kontroverzní alternativa k tomuto modelu naznačuje, že náš smysl je aktivován nejen podobou molekul, ale také tím, jak tyto molekuly vibrují. Všechny molekuly neustále vibrují jistou frekvencí, založenou na jejich struktuře. Mohl by náš nos nějak odhalovat rozdíly v těch vibračních frekvencích? Luca Turin, biofyzik ve výzkumném středisku pro výzkum biomedicínských věd Alexandra Fleminga v Řecku, se domnívá, že mohou.

Vibrační teorie vůně

Turin, který se také stal jedním z předních světových odborníků na parfémy, byl inspirován vibrační teorií vůně, poprvé navrhovanou chemikem Malcolmem Dysonem v roce 1938. Poté, co Turin v devadesátých letech poprvé podchytil Dysonovu myšlenku, začal hledat molekuly, které mu umožní tuto teorii testovat. Zaměřil se na sloučeniny síry, které mají jedinečný zápach a charakteristické molekulové vibrace. Turin pak potřeboval identifikovat zcela nesouvisející sloučeninu, s jiným molekulárním tvarem než má síra, ale se stejnou vibrační frekvencí, aby zjistil, zda vůbec existuje něco jako síra. Nakonec jednu našel, molekulu obsahující bór. Zcela určitě páchla jako síra. „Zde jsem na to kápl,“ říká, „myslím si, že to nemůže být náhoda.“

Od té chvíle, kdy odhalil tento čichový vjem, Turin shromažďoval experimentální důkazy na podporu této myšlenky, a spolupracoval s Horsfieldem na zpracování teoretických detailů. Před pěti lety, Turin a jeho kolegové navrhli experiment, ve kterém některé molekuly vodíku ve vonné látce byly nahrazeny deuteriem,  izotopem vodíku s neutronem v jádře a zjistili, že lidé mohou takový rozdíl cítit. Vzhledem k tomu, že vodík a deuterium mají stejné tvary molekul, ale různé vibrační frekvence, výsledky opět naznačují, že naše nosy mohou skutečně detekovat vibrace. Podobné výsledky prokazovaly experimenty s ovocnými muškami.

Cítíme také vibrace?

Turinova myšlenka zůstává sporná – jeho experimentální údaje rozdělily mezioborovou komunitu čichových badatelů. Ale jestli mají pravdu, a kromě tvarů cítíme také vibrace, jak to naše nosy dělají? Turin spekuloval, že by zde mohl být zahrnut kvantový efekt, tzv. tunelování. V kvantové mechanice mají elektrony a všechny ostatní částice duální povahu – každá je jak částice, tak i vlna. To někdy dovoluje pohyb elektronů prostřednictvím materiálů jako tunelem, způsobem, který by byl zakázán částicím podle pravidel klasické fyziky.

Molekulární vibrace vůně může poskytovat energetický přeskok dolů o energii, kterou elektrony potřebují k přeskoku z jedné části pachového receptoru na druhý. Rychlost přeskoku se mění s různými molekulami, což vyvolá nervové impulsy, které vytvářejí v mozku vnímání různých zápachů.

Náš nos tedy může být důmyslným elektronickým detektorem. Jak se naše nosy mohly takto vyvinout, aby využily takové kvantové zvláštnosti?

Turín říká:

„Myslím, že podhodnocujeme tuto technologii, abych tak řekl, o pár řádů. Čtyři miliardy let výzkumu a vývoje s neomezeným financováním je pro evoluci dlouhá doba. Já si ale nemyslím, že je to ta nejúžasnější věc, kterou život dělá.“

Pokračování: Kvantová mechanika umožňuje vidět, cítit a dotknout se částic (2. díl) [2965x]

Líbí se vám článek? Podpořte, prosím, překladatele v další práci a nastavte trvalý příkaz na transparentní účet: 2900794933/2010. Platby ze zahraničí IBAN: CZ8920100000002900794933, SWITFT: FIOBCZPP. Do zprávy pro příjemce uveďte prosím "DAR" a název článku nebo vyplňte VS: 28568 a SS: 100.

Napsat komentář