Co je to kvantmekanik och hur började det? Om Max Planck inte ignorerade ett dåligt råd, skulle han aldrig börja en revolution i atomismen. Det viktigaste ögonblicket var 1878 när unga Planck frågade en av sina professorer om man skulle bedriva karriär inom fysik. Professor Philip von Jolly berättade för Planck att hitta ett annat jobb. Alla viktiga upptäckter i fysiken har redan gjorts, försäkrat professorn i hans unga protektor.

Som Planck återkallade senare, sade von Jolly,

"Fysik kan fortsätta även marginellt, undersöka eller tas i ordning och tamtoho av det, men systemet som helhet är förankrad och teoretisk fysik är signifikant att slutföras."

Genom att sätta en av de små sakerna i praktiken visade det sig att han så småningom fick det Planck Nobelpriset och hon föddes kvantmekanik. Den obekväma lilla saken involverade ett mycket vanligt fenomen: Varför föremål dyker fram i hur de gör det under uppvärmning? Alla material, oavsett vad de är gjorda av, bete sig detsamma vid stigande temperaturer - de utstrålar färgerna röda, gula och äntligen vita. Ingen fysiker vid 19. århundradet kunde inte förklara denna till synes enkla process.

Problemet tycktes vara "ultraviolett katastrof", eftersom den bästa teorin förutsagde att föremål uppvärmda vid mycket höga temperaturer skulle avge den kortaste våglängdsenergin. Eftersom vi vet att en stark ström inte tar med glödlampor i sådana energibaljor av döden, fysik vid 19. Det var klart inget sista ord här.

Energi kan absorberas

Planck hittade svaret redan i 1900 med det som blev en modern hit. Han trodde faktiskt att energi kunde absorberas eller överföras endast i diskreta mängder eller kvantiteter. Det var en radikal avvikelse från klassisk fysik som hävdade att energi strömmade genom en kontinuerlig kontinuerlig ström. Vid den tiden hade Planck ingen teoretisk anledning, men det visade sig också fungera. Kvantiteten reducerade effektivt mängden energi som de upphettade föremålen kunde släppa vid vilken temperatur som helst. Slutligen inga dödliga ultravioletta strålar!

Quantum Revolution

Så började kvantrevolutionen. Det tog decennier av teoretiska arbete Albert Einstein, Werner Heisenberg, Niels Bohr och andra jättar i fysik, så det ändrade Planck inspiration för en omfattande teori, men det var bara början, eftersom ingen riktigt förstått vad som hände med föremål vid upphettning.

Teorin om kvantmekanik, som behandlar partiklar och energiöverföringar i sfären av de minsta partiklarna som härrör från vår vardag och allt som är osynligt för våra klumpiga sensorium. Inte allt är helt osynligt! Vissa kvanteffekter är dolda ur sikte, även om de är ljusa och vackra som solens strålar och glitter av stjärnorna, som allt annat som inte kunde vara helt förklaras före tillkomsten av kvantmekaniken.

Hur många fenomen från kvantvärlden kan vi uppleva i vårt vardag? Vilken information kan våra sinnen upptäcka i verklighetens verkliga natur? När allt kommer omkring, som den ursprungliga teorin visar, kan kvantfenomen ligga rätt under näsan. Faktum är att de kan hända rätt i näsan.

Quantum bumper

Vad händer i näsan när du vaknar och känner lukten av kaffe eller en skiva bröd i din odödliga brödrost? För detta sensoriska organ på ansiktet är det bara ett intryck. Precis som Enrico Fermi, som byggde den första kärnreaktorn i världen, en gång stekt löken, skulle det vara trevligt att förstå hur vårt sensoriska organ fungerar.

Kvantmekanik (© Jay Smith)

Så du ligger i sängen och tänker på att förbereda färsk rostad rostat bröd. Doftmolekyler flyter genom luften. Din andning kommer att dra några av dessa molekyler i näshålan mellan ögonen strax ovanför munnen. Molekylerna är fästa vid slemhinneskiktet på näshålans yta och fångade i de olfaktoriska receptorerna. De olfaktiva nerverna hänger sig från hjärnan som maneter, de är den enda delen av det centrala nervsystemet som ständigt utsätts för omvärlden.

Vad som händer nästa är inte helt klart. Vi vet att doftmolekyler binder till någon av 400s olika receptorer på ytan av slemhinnor, vi vet inte exakt hur och hur denna kontakt skapar luktsinne. Varför är det så svårt att förstå lukten?

Andrew Horsfield, en forskare vid Imperial College London, säger:

"Detta beror delvis på svårigheten att genomföra experiment för att undersöka vad som händer inne i luktreceptorerna."

Hur lukten fungerar

Den konventionella förklaringen till hur doften fungerar verkar enkel: receptorer har mycket specifika former av molekyler. De är som lås som bara kan öppnas med rätt nycklar. Enligt denna teori passar var och en av molekylerna som kommer in i näsan i en uppsättning receptorer. Hjärnan tolkar en unik kombination av molekylaktiverade receptorer, som lukten av kaffe. Med andra ord känner vi molekylernas former! Det finns dock ett grundläggande problem med "nyckelöppningsmodellen".

Horsfield säger:

"Du kan ha molekyler med mycket olika former och kompositioner som alla ger dig samma känsla."

Det verkar som om något mer än bara form måste vara involverat, men vad? Ett kontroversiellt alternativ till den här modellen antyder att vår känsla aktiveras inte bara av molekylernas form utan också av hur dessa molekyler vibrerar. Alla molekyler vibrerar ständigt vid en viss frekvens, baserat på deras struktur. Kan vår näsa på något sätt avslöja skillnaderna i dessa vibrationsfrekvenser? Luca Turin, biofysiker vid Alexander Flemings biomedicinska forskningscenter i Grekland, tror att de kan.

Duftens teori för vibrationer

Turin, som också blev en av världens ledande experter på parfym inspirerades vibrationsteori doft, först föreslogs kemist Malcolm Dyson i 1938. Efter att Torino först tagit Dysons idé i nittiotalet började han söka molekyler för att testa denna teori. Han fokuserade på svavelföreningar som har en unik lukt och karakteristiska molekylvibrationer. Turin behövde då identifiera en helt obelegrad förening, med en annan molekylform än svavel, men med samma vibrationsfrekvens för att se om det fanns något som svavel. Slutligen fann man en borhaltig molekyl. Hon måste ha luktade som svavel. "Här gör jag det," säger han, "jag tror att det inte kan vara en slump."

Från det ögonblick han upptäckte denna olfaktoriska känsla hade Turin samlat experimentella bevis för att stödja idén och arbetat med Horsfield för att ta fram teoretiska detaljer. För fem år sedan utformade Turin och hans kollegor ett experiment där några av vätemolekylerna i en doft ersattes av deuterium, en isotop av väte med en neutron i kärnan, och fann att människor kunde känna skillnaden. Eftersom väte och deuterium har samma molekylära former men olika vibrationsfrekvenser, tyder resultaten återigen på att våra näsor faktiskt kan upptäcka vibrationer. Experiment med fruktflugor har visat liknande resultat.

Känner vi också vibrationer?

Turins idé är fortfarande kontroversiell - hans experimentella uppgifter delade tvärvetenskapliga samfundet av olfaktoriska forskare. Men om de har rätt, och förutom formerna känner vi också vibrationerna, hur gör våra näsor det? Turin spekulerade att en kvant effekt, kallad tunneling, skulle kunna ingå här. I kvantmekanik har elektroner och alla andra partiklar dubbla natur - var och en av dem är både partikel och våg. Detta tillåter ibland rörelsen av elektroner genom material som en tunnel, på ett sätt som skulle förbjudas av partiklar enligt klassiska fysikens regler.

Luktens molekylära vibrationer kan ge ett energihopp nedåt den energi som elektroner behöver för att hoppa från en del av luktreceptorn till en annan. Hoppets hastighet ändras med olika molekyler, vilket orsakar nervimpulser som skapar uppfattningen av olika lukt i hjärnan.

Så vår näsa kan vara en sofistikerad elektronisk detektor. Hur kan våra näsor utvecklas för att dra nytta av sådana kvantspecifika egenskaper?

Turin säger:

"Jag tror att vi underskattar denna teknik, för att säga några rader. Fyra miljarder år med forskning och utveckling med obegränsad finansiering är lång tid för utveckling. Men jag tror inte att det är det mest fantastiska som livet gör. "