Kā kvantu fizika gatavojas mainīt bioķīmiju

Viena no dīvainajām kvantu mehānikas sekām ir neatšķiramības fenomens — divas kvantu daļiņas pat principā nav iespējams atšķirt. Tas notiek daļēji tāpēc, ka nav iespējams noteikt precīzu kvantu daļiņu atrašanās vietu. Tātad, kad divas daļiņas mijiedarbojas vienā un tajā pašā vietā, nav iespējams zināt, kura ir kura.

Tas izraisa zināmu eksotisku uzvedību, jo īpaši zemā temperatūrā, kad liels skaits daļiņu var izturēties vienādi. Fotonu neatšķiramība padara iespējamus lāzerus, hēlija-4 kodolu neatšķiramība zemā temperatūrā izraisa superfluiditāti, un citu kodolu, piemēram, rubīdija, neatšķiramība izraisa Bozes-Einšteina kondensātus. Neatšķiramība ir bagāta ar noslēpumainām parādībām.

Bet dažas kvantu daļiņas šādā veidā nav atšķiramas. Piemēram, elektroniem ir aizliegts koplietot to pašu stāvokli ar likumu, kas pazīstams kā Pauli izslēgšanas princips. Un tas noved pie cita veida fizikas. Elektronu mijiedarbību, ko regulē šis Pauli izslēgšanas princips, sauc par ķīmiju, un tā ir vienlīdz bagāta ar eksotisku uzvedību.

Ķīmijas un neatšķiramās fizikas pasaules jau sen tiek uzskatītas par pilnīgi atsevišķām. Neatšķiramība parasti notiek zemā temperatūrā, savukārt ķīmijai ir nepieciešama salīdzinoši augsta temperatūra, kur objekti mēdz zaudēt savas kvantu īpašības. Tā rezultātā ķīmiķi jau sen ir jutušies pārliecināti, ignorējot kvantu neatšķiramības sekas.

Šodien Metjū Fišers un Leo Radžihovskis no Kalifornijas universitātes Santabarbarā saka, ka šī pārliecība ir nevietā. Tie pirmo reizi parāda, ka kvantu neatšķiramībai ir jābūt nozīmīgai lomai dažos ķīmiskos procesos pat parastā temperatūrā. Un viņi saka, ka šī ietekme noved pie pilnīgi jaunas ķīmiskas parādības, piemēram, izotopu atdalīšanas, kā arī varētu izskaidrot iepriekš noslēpumainu parādību, piemēram, reaktīvo skābekļa sugu pastiprināto ķīmisko aktivitāti.

Saistīts stāsts

Saistīts stāsts Pētnieki Ķīnā ir teleportējuši fotonu no zemes uz satelītu, kas riņķo vairāk nekā 500 kilometru augstumā.

Īsāk sakot, Fišers un Radžihovskis griež ķīmiju uz galvas.

Šīs jaunās domāšanas galvenais jautājums ir, vai kvantu īpašības patiešām var ignorēt lielākajā daļā ķīmisko reakciju. Fišers un Radžihovskis saka, ka, lai gan kopumā var būt taisnība, ka kvantu īpašības tiek zaudētas augstā temperatūrā, dažas kvantu parādības pastāv.

Tie jo īpaši norāda uz atomu kodolu kvantu saskaņotību. Fiziķi jau sen ir zinājuši, ka kodolu griešanās var palikt saskaņota dažu minūšu vai stundu laikā. Patiešām, viņi izmanto šo parādību plašā kvantu skaitļošanas eksperimentu klāstā, kas balstās uz kodola griezieniem, lai uzglabātu kvantu informāciju.

Ir viegli domāt, ka kodola spiniem nav būtiskas ietekmes uz veidu, kā elektroni mijiedarbojas viens ar otru ķīmiskās reakcijās.

Bet tas tā nav, saka Fišers un Radžihovskis. Kodolenerģijas griezieni var viegli tikt saistīti ar citiem fiziskajiem stāvokļiem, piemēram, molekulas vibrācijas veidu. Kad tas notiek, neatšķiramības īpašības, kas parasti aprobežojas ar kodoliem, izplūst un ietekmē molekulu kopumā.

Fišers un Radžihovskis saka, ka tas īpaši spēcīgi ietekmē mazas simetriskas molekulas, piemēram, ūdeni vai ūdeņradi. Iemesls ir tāds, ka tad, kad divu kodolu spini mijiedarbojas, simetrija nosaka, ka tie var iegūt noteiktas konfigurācijas, bet ne citas.

Kad šī simetrija nonāk ķīmiskajā pasaulē, tas nozīmē, ka molekula var mijiedarboties tikai situācijās ar līdzīgu griešanās simetriju.

Piemēram, ūdeņraža vai ūdens molekulā ir divi ūdeņraža kodoli, kas var vai nu griezties vienā virzienā, un tādā gadījumā molekula ir pazīstama kā ortoūdens, vai pretējos virzienos, un tādā gadījumā molekula ir pazīstama kā paraūdens. Šīs dažādas vienas molekulas izkārtojumi ir pazīstami kā spin-izomēri.

Tas ietekmē veidu, kā molekulas mijiedarbojas viena ar otru. Daudzās ķīmiskajās reakcijās svarīgs ir veids, kā molekulas saslēdzas kopā. Ja molekulas nevar savietoties kopā kā atslēga slēdzenē, reakcija nevar notikt.

Saistīts stāsts

Saistīts stāsts Meklēšanas gigants plāno sasniegt pavērsiena punktu skaitļošanas vēsturē pirms gada beigām.

Fišers un Radžihovskis parāda, ka kvantu neatšķiramība ietekmē veidu, kā molekulas sader kopā, jo tas novērš mijiedarbību, kas neatbilst kodolu simetrijai.

Pētnieki turpina parādīt, ka šis efekts izraisa to, ka paramolekulas ir ievērojami reaktīvākas nekā orto molekulas, jo to simetrija sakrīt ar plašāku citu molekulu klāstu.

Viena no jomām, kurā tam var būt svarīga loma, ir fermentatīvā katalīze. Daudzi fermenti savu darbu paļaujas uz ūdeņradi. Tagad Fišers un Radžihovskis parāda, ka kvantu neatšķiramībai ir jābūt nozīmīgai ietekmei uz šo procesu.

Šīs prognozes pārbaude būs sarežģīta. Acīmredzams veids ir izmērīt tās pašas reakcijas iznākumu, kas veikta ar molekulu orto- un para-versijām. Bet to ir vieglāk pateikt nekā izdarīt. Vienas un tās pašas molekulas orto un para versijas ir grūti atdalīt. Ūdenim ķīmiķi to pirmo reizi panāca tikai 2014. gadā.

Ūdens un ūdeņraža ķīmiskā uzvedība ir tikai sākums. Fišers un Radžihovskis sniedz daudzus piemērus citiem ķīmiskiem procesiem, kurus arī vajadzētu ietekmēt kvantu neatšķiramībai. Tie ietver izotopu frakcionēšanu, kurai kvantu neatšķiramība nodrošina jaunu mehānismu, šī parādība arī izskaidro reaktīvo skābekļa sugu pastiprināto ķīmisko aktivitāti un nodrošina veidu, kā kodolu spini kopumā ietekmē bioķīmiskās molekulas.

Šeit ir daudz eksotisku uzvedību, ko pētīt. Šo ideju pārbaude būs grūta, taču ieguvumi — labāka izpratne par dažām ķīmijas smalkākajām un svarīgākajām bioloģiskajām parādībām — sniegs būtisku motivāciju. Gaidiet dzirdēt vairāk.

Atsauce: arxiv.org/abs/1707.05320 : Kvantu neatšķiramība ķīmiskajās reakcijās

paslēpties