Τα σώματά μας κινούνται πάντα, ακόμη και όταν δεν το συνειδητοποιούμε. Μεταφέρουμε ένα ηλιακό σύστημα σε έναν πλανήτη, στέκεται στην μετατόπιση των τεκτονικών πλακών και την άνοδο και την πτώση και την εκτόξευση και γυρίζετε όλη την ημέρα και τη νύχτα σε μια συμφωνία των αυτόνομων και σωματικών λειτουργιών. Αν και αυτό μπορεί να φανεί, η ζωή είναι πάντα σε κίνηση, ακριβώς κάτω από τα θεμελιώδη δομικά της στοιχεία – μόρια.
Τα μόρια μπορούν να θεωρηθούν ως άτομα που μοιράζονται ηλεκτρόνια. Δημιουργούν ηλεκτρονικούς δεσμούς που μπορούν να απεικονιστούν σαν πηγές και να ζαλίζουν γύρω από ένα ρυθμό που αντιστοιχεί με τη θερμική ενέργεια στην οποία είναι εκτεθειμένοι. Παρόλο που τα μόρια δεν είναι ούτε ζωντανά ούτε νεκρά, ποτέ δεν παύουν να κινούνται, ακόμη και όταν οι επιστήμονες προσπαθούν να τους χυθούν για την ενέργεια. Για να αποσυμπιέσουμε γιατί τα μόρια δεν σταματούν ποτέ να κινούνται και πριν χάσουμε τη θεμελιώδη περίεργη της κβαντικής μηχανικής, πρέπει πρώτα να διευκρινίσουμε κάτι λίγο πιο απλό: τι είναι η θερμοκρασία;
Στην καθημερινή ζωή, ο θορυβώδης καιρός μπορεί να σας χαλαρώσει στο οστό και ένα φλιτζάνι τσάι θα μπορούσε να ζεσταθεί τα χείλη σας. Όταν μιλάμε για τη θερμοκρασία, το κάνουμε συχνά σε σχέση με το δικό μας επίπεδο άνεσης, τη θερμορύθμιση του σώματος ή την αλλαγή του κλίματος. Αλλά σε υπομικροσκοπικό επίπεδο, η θερμοκρασία μετρά τη μέση κινητική ενέργεια των μορίων ή των σωματιδίων σε ένα αντικείμενο ή ουσία. Όσο πιο καυτά παίρνουν, τόσο περισσότερο κινούνται. Ως εκ τούτου, για να τους “σταματήσουμε”, θα έπρεπε απλώς να αφαιρέσουμε όλη τη θερμότητα τους για να επιτύχουμε το απόλυτο μηδέν, ή 0 Kelvin – σωστά;
Μόνο, “δεν μπορείτε ποτέ να απομονώσετε εντελώς ένα μόριο από το περιβάλλον του”, είπε Justin CaramΑναπληρωτής Καθηγητής Χημείας στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνιας του Λος Άντζελες, σε μια κλήση με Δημοφιλής επιστήμη. «Είτε χτυπάει σε άλλα μόρια στον αέρα – είτε σε άτομα ή οτιδήποτε άλλο – ή απορροφά το φως και το φως του φωτός, πάντα αλληλεπιδρά με το περιβάλλον του». Ο Caram πρόσθεσε: “Μπορείτε να δροσίσετε προσωρινά τα πράγματα έτσι ώστε να κινούνται πολύ, πολύ, πολύ λίγα – και έτσι ορίζουμε μια πολύ χαμηλή θερμοκρασία, σωστά;
Αλλά … γιατί;
Ας ξεκινήσουμε με έναν κλασικά γνωστό παράγοντα στο παιχνίδι εδώ: το φαινόμενο παρατηρητή. Σε αυτή την περίπτωση, η απλή προσπάθεια μέτρησης της θερμοκρασίας του κάτι μπορεί να επηρεάσει τη θερμοκρασία του, επειδή “το μόριο μπορεί να αλληλεπιδράσει με άλλα πράγματα, συμπεριλαμβανομένης της συσκευής μέτρησης”, εξήγησε Afj Leviμηχανικός, φυσική και καθηγητής αστρονομίας στο Πανεπιστήμιο της Νότιας Καλιφόρνιας, σε ένα ηλεκτρονικό ταχυδρομείο Δημοφιλής επιστήμη. Αλλά τα πράγματα γίνονται πολύ πιο περίεργα στην κβαντική μηχανική, όπου το Αρχή αβεβαιότητας εισέρχεται στην εικόνα, ανά Levi – ο οποίος, παρεμπιπτόντως, κάλεσε την ευρύτερη ερώτηση μας σχετικά με τη μοριακή κίνηση “παραπλανητικά απλή”.
Όταν μιλάμε για το πώς κινούνται τα μόρια, αυτή η κίνηση “μπορεί να χωριστεί στο κέντρο της μάζας και της σχετικής κίνησης μεταξύ των ατόμων”, εξήγησε ο Levi. “Επειδή το μόριο αποτελείται από άτομα που συνδέονται μαζί, τουλάχιστον μια κατάσταση με χαμηλότερη ενέργεια, θεωρείται ότι υπάρχει (η ιδέα ότι υπάρχει μια χαμηλότερη ενεργειακή« κατάσταση εδάφους »είναι μια πολύ σημαντική υπόθεση που δικαιολογείται από το πείραμα)».
Ο Levi συνέχισε: “Τα μαθηματικά της κβαντικής μηχανικής μπορούν να θεωρηθούν ως η γραμμική άλγεβρα των μη μεταφορικών χειριστών, και αυτό οδηγεί άμεσα στην αρχή της αβεβαιότητας, η οποία δεν επιτρέπει τη χαμηλότερη ενεργειακή κατάσταση ενός μορίου για να έχει ταυτόχρονα μηδενική ορμή και μια σαφή, με ακρίβεια, τη φυσική θέση.
Η απάντηση του Levi έκανε αρχικά τον εγκέφαλό μου ασαφή, οπότε πήρα το Caram στο τηλέφωνο για δεύτερη φορά για να συζητήσω το θέμα λίγο περισσότερο. Τότε πρόσφερε μια εξήγηση της χημείας 101 του Heisenberg Αρχή αβεβαιότητας.
“Η αρχή της αβεβαιότητας λέει απλώς ότι η θέση και η ορμή δεν το κάνουν – εντάξει, υπάρχει ένας μαθηματικός όρος, λένε ότι δεν μετακινούνται, αλλά αυτό που πραγματικά σημαίνει είναι ότι δεν μπορείτε να τα μετρήσετε ταυτόχρονα”. Ένας ακριβέστερος τρόπος για να το θέσουμε, ανά Caram, έχει λιγότερη σχέση με τη μέτρηση. Βασικά, εξήγησε: “Ένα αντικείμενο δεν μπορεί να έχει και τις δύο ιδιότητες ταυτόχρονα.”
Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι μας λέει η κβαντική θεωρία Όλα είναι ένα κύμασυμπεριλαμβανομένων των σωματιδίων, όταν κοιτάζετε αρκετά προσεκτικά.
Καθώς αρχίζω να είμαι υπαρξιακός δυαδικότητα κυμάτων Στο τηλέφωνο, ο Caram προσφέρει μερικές λέξεις άνεσης: “Αυτό είναι μόνο ένα από αυτά τα θεμελιώδη, πραγματικά αναστατωμένα παράξενα για την κβαντική μηχανική”, δήλωσε ο Caram. «[We] πρέπει να περιγράψουν την ύλη ως κύματα. Όπως, αυτό είναι ένα περίεργο πράγμα. Δεν έχει πολύ νόημα σε εσάς ή εμένα απλά να το σκεφτόμαστε, αλλά τα μαθηματικά και οι παρατηρήσεις λειτουργούν. “
Ζητώ από τον Caram αν σκέφτεται ποτέ για τη συνεχή κίνηση που συμβαίνει μέσα στο σώμα μας, σε μοριακά και μακροοικονομικά επίπεδα, και μου λέει ότι προσπαθεί να μην το σκεφτεί. “Είναι λίγο ανησυχητικό να σκεφτόμαστε όλα τα πράγματα που κάνουν τα σώματά μας.
Καλά! Αρκετά! Πέρα από τη φιλοσοφική, η μοριακή κίνηση συνδέεται επίσης με το μερικές φορές βιολογικό τομέα της κβαντικής πληροφορικής.
Στην UCLA, ο Caram δήλωσε ότι “ένας από τους ερευνητικούς τομείς στους οποίους εργαζόμαστε σχετίζεται με την ανάπτυξη μορίων που κινούνται όσο το δυνατόν λιγότερο”. Συνέχισε: “Προφανώς, όπως είπα, υπάρχουν όρια σε αυτό – τα θεμελιώδη όρια – αλλά όσο περισσότερο επιβραδύνετε αυτά τα μόρια και ελέγχετε τα κράτη τους, τόσο περισσότερο μπορείτε να κάνετε κβαντικούς αλγόριθμους και να κάνετε τους κβαντικούς υπολογιστές να λειτουργούν καλύτερα”.
Ενώ οι άνθρωποι δεν μπορούν να σταματήσουν τα μόρια από το να κινούνται συνολικά, είμαστε καλοί στην επιβράδυνση τους κάτω. Στην πραγματικότητα, “έχουμε επιτύχει ψυχρότερα μέρη στη γη από οπουδήποτε σε βαθύ χώρο”, σύμφωνα με τον Caram, “επειδή ο βαθύς χώρος είναι πάντα διαπεραμένος με κάτι που ονομάζεται ακτινοβολία φόντου μικροκυμάτων και έτσι έχει θερμοκρασία”. (Αυτή η θερμοκρασία είναι περίπου 2.7 Κέλβιν.)
Συγκρίνετε αυτό με την πιο κρύα θερμοκρασία που καταγράφεται σε εργαστήριο μέχρι σήμερα, που είναι 38 τρισεκατομμύρια ενός Kelvin -ή περίπου -273.15 βαθμοί Κελσίου. Οι γερμανοί επιστήμονες πέτυχαν αυτό το κατόρθωμα το 2021 μόνο για μερικά δευτερόλεπτα, όταν παγιδεύτηκαν άτομα ρουβιδίου σε κενό και μιμούνται μηδενική βαρύτητα σε πύργο πτώσης στο Πανεπιστήμιο της Βρέμης.
Καθώς οι άνθρωποι πηγαίνουν σε μεγάλο βαθμό για να ωθήσουν τα όρια του κρύου, το ίδιο το σύμπαν ψύχεται. Ήταν “γεννημένος με μια δεδομένη ποσότητα ενέργειας” σε όλα τα είδη των μορφών, “κινητικό, χημικό, πυρηνικό, οτιδήποτε”, δήλωσε ο Caram, αναφέροντας τη θεωρία του Big Bang και τη διαδικασία με την οποία τα πράγματα ανταλλάσσουν θερμότητα με το περιβάλλον τους, γνωστή ως θερμοκρασία. Με απολαμβάνοντας, ο Caram είπε ότι η «πολύ φιλοσοφική» άποψή του είναι ότι «στο ατελείωτο, άπειρο χρονικό διάστημα, ξέρετε, καθώς το σύμπαν επεκτείνεται – θα προχωρήσουμε αργά σε κάποιο χρονικό διάστημα, όπου τα πράγματα κινούνται όλο και λιγότερο. Ακόμα, η ιδέα ότι όλα έχουν εξαπλωθεί από το “αρχικό λάκτισμα” του Big Bang υποδηλώνει ότι οι ζωές μας στη γη είναι βαθιά και μοναδικά ενεργά. (Εκτός αν ξεκινά το σύμπαν, uh… συμβαλλόμενος κάπως.)
“Αυτό που πραγματικά κάνουμε είναι ένα είδος ακραίας διακύμανσης, όπου τα πράγματα τυχαίνει να κινούνται λίγο περισσότερο για να δημιουργήσουν πολυπλοκότητα” πριν τα πάντα απλά καταρρέουν, είπε ο Caram. “Αλλά δεν θα σταματήσει ποτέ να κινείται εντελώς, γιατί, όπως είπα, δεν μπορείτε ποτέ να σταματήσετε να κινείστε”.
Αυτή η ιστορία είναι μέρος της λαϊκής επιστήμης Ρωτήστε μας οτιδήποτε σειράόπου απαντάμε στις πιο εξωφρενικές σας ερωτήσεις, από το συνηθισμένο έως το εκτός τοίχο. Έχετε κάτι που πάντα θέλατε να μάθετε; Ρωτήστε μας.
Περισσότερες προσφορές, κριτικές και οδηγοί αγοράς
VIA: popsci.com
