Co je nach Quantenmechanik und wie hat es angefangen? Wenn Max Planck einen schlechten Rat nicht ignorierte, würde er niemals eine Revolution im Atomismus beginnen. Der entscheidende Moment war 1878, als der junge Planck einen seiner Professoren fragte, ob er eine Karriere in der Physik anstrebe. Professor Philip von Jolly sagte Planck, er solle einen anderen Job finden. Alle wichtigen Entdeckungen in der Physik seien bereits gemacht worden, versicherte der Professor seines jungen Beschützers.

Wie Planck später erinnerte, sagte von Jolly:

"Die Physik kann weiterhin marginal sein und das oder jenes untersuchen oder neu organisieren, aber das System als Ganzes ist angedockt und die theoretische Physik nähert sich ihrem Ende."

Bei der Umsetzung eines dieser kleinen Dinge stellte sich heraus, dass er es schließlich bekam Planck-Nobelpreis und sie wurde geboren Quantenmechanik. Das unbequeme kleine Ding war ein sehr häufiges Phänomen: Warum Objekte so entstehen, wie sie es beim Aufwärmen machen? Alle Materialien, unabhängig davon, woraus sie bestehen, verhalten sich bei steigenden Temperaturen gleich - sie erscheinen rot, gelb und schließlich weiß. Kein Physiker in 19. Jahrhundert konnte diesen scheinbar einfachen Prozess nicht erklären.

Das Problem schien eine "ultraviolette Katastrophe" zu sein, da die beste Theorie voraussagte, dass Objekte, die bei sehr hohen Temperaturen erhitzt werden, die Energie mit der kürzesten Wellenlänge abgeben sollten. Da wir wissen, dass ein starker Strom Glühlampen nicht in solche Energiestrahlen des Todes bringt, ist die Physik bei 19. Hier gab es eindeutig kein letztes Wort.

Energie kann aufgenommen werden

Die Antwort fand Planck bereits in 1900 mit einem modernen Hit. Tatsächlich dachte er, dass Energie nur in diskreten Mengen oder Mengen absorbiert oder übertragen werden kann. Es war eine radikale Abkehr von der klassischen Physik, die behauptete, dass Energie durch einen kontinuierlichen, kontinuierlichen Strom fließt. Zu dieser Zeit hatte Planck keinen theoretischen Grund, aber es stellte sich auch heraus, dass er funktionierte. Ihr Quantum reduzierte effektiv die Energiemenge, die die erhitzten Gegenstände bei jeder Temperatur freisetzen könnten. Endlich keine tödlichen ultravioletten Strahlen!

Quantenrevolution

So begann die Quantenrevolution. Es war Alberto Einstein, Werner Heisenberg, Niels Bohr und anderen Physik-Titanen notwendig, um die Inspiration von Planck in eine kohärente Theorie umzuwandeln, aber es war nur der Anfang, denn niemand verstand, was mit den Objekten beim Aufwärmen vor sich ging.

Die ultimative Theorie ist die Quantenmechanik, die sich mit Teilchen- und Energieübertragung auf kleinstem Raum befasst, abgeleitet aus unserer Alltagserfahrung und allem, was für unseren unbeholfenen Sinnesapparat unsichtbar ist. Nicht alles ist total unsichtbar! Einige Quanteneffekte sind in Sichtweite verborgen, obwohl sie hell und wunderschön sind, wie Sonnenstrahlen und Glitzersterne, als etwas anderes, das vor der Ankunft der Quantenmechanik nicht vollständig erklärt werden konnte.

Wie viele Phänomene aus der Quantenwelt können wir im Alltag erleben? Welche Informationen können unsere Sinne in der Realität der Realität entdecken? Wie die ursprüngliche Theorie zeigt, können Quantenphänomene direkt vor unserer Nase liegen. In der Tat können sie direkt in unserer Nase passieren.

Quantum Stoßfänger

Was passiert in Ihrer Nase, wenn Sie aufwachen und den Geruch von Kaffee oder einer Scheibe Brot in Ihrem unsterblichen Toaster wahrnehmen? Für dieses Sinnesorgan im Gesicht ist es nur ein Eindruck. Genauso wie Enrico Fermi, der den ersten Atomreaktor der Welt gebaut hat, die Zwiebel gebraten hat, wäre es schön zu verstehen, wie unser Sinnesorgan funktioniert.

Quantenmechanik (© Jay Smith)

Du liegst also im Bett und denkst darüber nach, frisch gerösteten Toast zuzubereiten. Duftmoleküle fließen durch die Luft. Ihre Atmung zieht einige dieser Moleküle in die Nasenhöhle zwischen den Augen direkt über dem Mund. Die Moleküle werden an die Schleimhautschicht auf der Oberfläche der Nasenhöhle gebunden und in den Riechrezeptoren eingeschlossen. Die Riechnerven hängen wie Quallen vom Gehirn, sie sind der einzige Teil des zentralen Nervensystems, der ständig der Außenwelt ausgesetzt ist.

Was als nächstes passiert, ist nicht ganz klar. Wir wissen, dass Duftmoleküle an die verschiedenen Rezeptoren von 400 auf der Oberfläche der Schleimhaut binden. Wir wissen nicht genau, wie und wie dieser Kontakt unseren Geruchssinn erzeugt. Warum ist es so schwierig, den Geruch zu verstehen?

Andrew Horsfield, Wissenschaftler am Imperial College London, sagt:

"Dies ist teilweise auf die Schwierigkeit zurückzuführen, Experimente durchzuführen, um zu untersuchen, was in den Geruchsrezeptoren geschieht."

Wie der Geruch funktioniert

Die konventionelle Erklärung für die Wirkungsweise von Duft scheint einfach: Rezeptoren nehmen sehr spezifische Formen von Molekülen an. Sie sind wie Schlösser, die nur mit den richtigen Schlüsseln geöffnet werden können. Nach dieser Theorie passt jedes der Moleküle, die in die Nase gelangen, in eine Reihe von Rezeptoren. Das Gehirn interpretiert eine einzigartige Kombination von molekularaktivierten Rezeptoren wie den Geruch von Kaffee. Mit anderen Worten, wir fühlen die Formen der Moleküle! Es gibt jedoch ein grundlegendes Problem mit dem Modell der Schlüsselöffnung.

Horsfield sagt:

"Sie können Moleküle mit sehr unterschiedlichen Formen und Zusammensetzungen haben, die alle dasselbe Gefühl vermitteln."

Es scheint, dass etwas mehr als nur Form involviert sein muss, aber was? Eine kontroverse Alternative zu diesem Modell legt nahe, dass unser Sinn nicht nur durch die Form der Moleküle, sondern auch durch die Art und Weise, wie diese Moleküle schwingen, aktiviert wird. Alle Moleküle schwingen aufgrund ihrer Struktur ständig mit einer bestimmten Frequenz. Könnte unsere Nase irgendwie die Unterschiede in diesen Schwingungsfrequenzen offenbaren? Luca Turin, Biophysiker am biomedizinischen Forschungszentrum von Alexander Fleming in Griechenland, glaubt, dass dies möglich ist.

Schwingungstheorie des Duftes

Turin, der sich zu einem der weltweit führenden Parfumspezialisten entwickelt hat, wurde von der Vibrationsduftentheorie inspiriert, die der Chemiker Malcolm Dyson erstmals in 1938 vorgeschlagen hatte. Nachdem Torino Dysons Idee in den neunziger Jahren zum ersten Mal eingefangen hatte, begann er nach Molekülen zu suchen, um diese Theorie zu testen. Er konzentrierte sich auf Schwefelverbindungen, die einen einzigartigen Geruch und charakteristische molekulare Schwingungen aufweisen. Turin musste dann eine völlig unzusammenhängende Verbindung mit einer molekularen Form außer Schwefel identifizieren, jedoch mit der gleichen Schwingungsfrequenz, um zu sehen, ob es so etwas wie Schwefel gab. Schließlich fand man ein Bor enthaltendes Molekül. Sie muss nach Schwefel gerochen haben. "Hier mache ich es", sagt er, "ich denke, es kann kein Zufall sein."

Von dem Moment an, als er dieses olfaktorische Gefühl entdeckte, hatte Turin experimentelle Beweise gesammelt, um die Idee zu stützen, und mit Horsfield zusammengearbeitet, um theoretische Details zu erarbeiten. Vor fünf Jahren entwarfen Turin und seine Kollegen ein Experiment, bei dem einige der Wasserstoffmoleküle in einem Duftstoff durch Deuterium ersetzt wurden, ein Wasserstoffisotop mit einem Neutron im Kern, und stellten fest, dass Menschen den Unterschied spüren konnten. Da Wasserstoff und Deuterium die gleichen Molekülformen, aber unterschiedliche Schwingungsfrequenzen haben, deuten die Ergebnisse erneut darauf hin, dass unsere Nasen tatsächlich Schwingungen erfassen können. Experimente mit Fruchtfliegen haben ähnliche Ergebnisse gezeigt.

Fühlen wir auch Vibration?

Turins Idee bleibt umstritten - seine experimentellen Daten wurden von einer interdisziplinären Gemeinschaft von Riechforschern geteilt. Wenn sie aber recht haben und neben Formen auch die Schwingung spüren, wie funktionieren unsere Nasen? Turin spekulierte, dass hier ein Quanteneffekt, Tunneling, einbezogen werden könnte. In der Quantenmechanik haben Elektronen und alle anderen Teilchen eine doppelte Natur - beide sind sowohl Teilchen als auch Wellen. Dies ermöglicht manchmal die Bewegung von Elektronen durch Materialien wie einen Tunnel, so dass sie nach den Regeln der klassischen Physik von Partikeln gebannt werden könnten.

Die molekulare Schwingung des Geruchs kann einen Energiesprung zur Energie liefern, die Elektronen benötigen, um von einem Teil des Geruchsrezeptors zum anderen zu springen. Die Geschwindigkeit des Sprunges ändert sich mit verschiedenen Molekülen, was Nervenimpulse verursacht, die im Gehirn die Wahrnehmung verschiedener Gerüche erzeugen.

So kann unsere Nase ein hochentwickelter elektronischer Detektor sein. Wie können sich unsere Nasen entwickeln, um solche Quantenmerkmale zu nutzen?

Turin sagt:

"Ich denke, wir unterschätzen diese Technologie, um ein paar Zeilen zu sagen. Vier Milliarden Jahre Forschung und Entwicklung mit unbegrenzter Finanzierung sind eine lange Entwicklungszeit. Aber ich denke nicht, dass es das Erstaunlichste ist, was das Leben tut.