Kā Ņūtona fotonu šūpulis varētu atklāt fotosintēzes noslēpumus

Stefans Šteinbauers Atbrīvojieties no šļakatām

Viena no populārām ierīcēm enerģijas un impulsa saglabāšanas demonstrēšanai ir Ņūtona šūpulis — virkne piekārtu bumbiņu, kas saskaras viena ar otru. Ierīce tās modernajā formā, iespējams, tika izstrādāta 1960. gados un pēc tam pārdota kā biroja rotaļlieta. Taču Ņūtons un dažādi citi 17. gadsimtā labi pārzināja tās fiziku.

Šie principi ir universāli pielietojami. Tie attiecas tikpat labi gan kosmoloģiskajā mērogā, gan cilvēka mērogā. Tie attiecas arī uz atomu un subatomisko mērogu, kaut arī tos modificē dīvainie kvantu mehānikas likumi.

Un tas rada interesantu jautājumu: vai ir iespējams izveidot Ņūtona šūpuļa kvantu ekvivalentu, izmantojot subatomiskās daļiņas, piemēram, fotonus?

Šodien mēs saņemam atbildi, pateicoties Zhen Feng darbam Šanhajas Jiao Tong universitātē Ķīnā un kolēģu grupai. Šie fiziķi ir izveidojuši Ņūtona šūpuli no fotoniem un saka, ka iesaistītā fizika varētu palīdzēt izskaidrot virkni slikti izprotamu enerģijas pārneses procesu dabā, piemēram, fotosintēzi un smaku uztveršanu.

Ņūtona šūpulis ir vienkārša ierīce. Demonstrācija sākas, paceļot un nometot bumbu vienā apturētās sērijas galā. Kad šī bumba saduras ar nākamo rindā, tā nodod savu enerģiju un impulsu. Pēc tam otrā bumbiņa nodod savu enerģiju un impulsu nākamajai bumbiņai un tā tālāk, līdz pēdējā bumbiņa tiek izstumta gaisā. Tas šūpojas prom un tad atpakaļ, un šajā brīdī enerģijas un impulsa pārneses process atkārtojas pretējā virzienā.

Ierīces skaistums ir tāds, ka enerģijas un impulsa pārnešana nav jākontrolē katrā solī. Tā vietā ierīce ir izstrādāta tā, lai nodrošinātu, ka pārsūtīšana notiek pati par sevi. Vienīgā ietekme, ko eksperimentētājs var ietekmēt, ir robežnosacījums — augstums, kādā tiek pacelta pirmā bumbiņa.

Jautājums, ko Džens un citi pēta, ir par to, vai līdzīgu sistēmu var konstruēt darbam ar fotoniem. To šūpuļa ekvivalents ir virkne viļņvadu, kas izgrebti fotoniskā mikroshēmā. Fotons iekļūst pirmajā viļņvadā, pēc tam pāriet uz nākamo un tā tālāk, līdz tas parādās no pēdējā viļņvada. Kopumā šajā ķēdē ir 23 viļņvadi.

Būtiski, ka katra lēciena laikā fotonam jāsaglabā sava kvantu identitāte. Tātad nevar būt nekādas dekoherences: fotonam, kas parādās, ir jāatpazīst tas pats, kas iekļuva aparātā.

Galvenais faktors ir savienojums starp viļņvadiem. Tas nosaka, vai fotons var veiksmīgi veikt lēcienu, vai tas tiek atspoguļots vai absorbēts.

Tāpēc fotoniskās mikroshēmas projektēšanas veidam ir izšķiroša nozīme. Patiešām, Džens un citi pilnveidoja savu dizainu, tāpēc nav nepieciešams kontrolēt katru lēcienu — tas vienkārši notiek tāpat kā enerģijas pārnešana no bumbas uz bumbu Ņūtona šūpulī. Ķēde spēj pārnest enerģiju starp divām attālām vietām ar tādu pašu enerģijas apmaiņas veidu un mijiedarbības mehāniku kā Ņūtona šūpulim, saka Džens un citi.

Komanda arī ievieš troksni šūpulī, lai redzētu, kā tas samazina pārsūtīšanas efektivitāti. Viņi to dara, pievienojot papildu viļņvadu — salas vietu — blakus ķēdei. Tas šķiet kā strupceļš fotoniem un, šķiet, kavē vai samazina enerģijas pārnesi. Pētnieki saka, ka nesen pievienoto salas vietu var uzskatīt par troksni, defektu vai vidi sākotnējā robežkontroles ķēdē.

Bet pretēji intuitīvi notiek pretējais. Zhen un co parāda, ka pastāv plašs apstākļu klāsts, kādos šis troksnis uzlabo pārraides efektivitāti, nevis samazina to: Mēs varam iegūt pieaugumu par 8% no 77% (bez defekta) līdz 85% (ar defektu).

Tam ir dažas līdzības ar novērojumiem par enerģijas pārnesi dzīvās būtnēs. Izrādās, ka fotosintēzes sistēmas uzvedas līdzīgi. Dažādas pētniecības grupas ir pamanījušas, ka defekti, šķiet, uzlabo enerģijas pārnesi pa milzu molekulārajām struktūrām, kas iesaistītas fotosintēzē. Līdzīgs efekts rodas smakas uztverē, ko plaši uzskata par kvantu parādību.

Spēja reproducēt šo mulsinošo efektu mākslīgā sistēmā ļaus pētniekiem to izpētīt sīkāk. Patiešām, fotoniskais Ņūtona šūpulis ir paredzēts, lai kļūtu par noderīgu modeli, lai labāk izprastu dzīves procesus. Ņūtons būtu pārsteigts.

Atsauce: arxiv.org/abs/1901.07574 : fotoniskais Ņūtona šūpulis attālai enerģijas transportēšanai

paslēpties