Kaip kvantinė fizika ketina pakeisti biochemiją

Viena iš keistų kvantinės mechanikos pasekmių yra neatskiriamumo reiškinys – dviejų kvantinių dalelių neįmanoma atskirti net iš esmės. Taip nutinka iš dalies todėl, kad neįmanoma nustatyti tikslios kvantinių dalelių padėties. Taigi, kai dvi dalelės sąveikauja toje pačioje vietoje, nėra jokio būdo žinoti, kuri yra kuri.

Tai sukelia tam tikrą egzotišką elgesį, ypač esant žemai temperatūrai, kai daug dalelių gali elgtis taip pat. Dėl fotonų neatskiriamumo galima naudoti lazerius, helio-4 branduolių neatskiriamumas žemoje temperatūroje sukelia superskystį, o kitų branduolių, tokių kaip rubidžio, neatskiriamumas sukelia Bose-Einstein kondensatus. Neišsiskiriamybėje gausu paslaptingų reiškinių.

Tačiau kai kurios kvantinės dalelės tokiu būdu nėra neatskiriamos. Pavyzdžiui, elektronams draudžiama turėti tą pačią būseną pagal įstatymą, žinomą kaip Pauli išskyrimo principas. Ir tai veda į kitokią fiziką. Elektronų sąveika, valdoma pagal šį Pauli išskyrimo principą, vadinama chemija ir yra vienodai turtinga egzotiško elgesio.

Chemijos ir neatskiriamos fizikos pasauliai ilgą laiką buvo laikomi visiškai atskirais. Neatskiriamumas paprastai atsiranda esant žemai temperatūrai, o chemijai reikia palyginti aukštų temperatūrų, kai objektai linkę prarasti savo kvantines savybes. Dėl to chemikai jau seniai buvo įsitikinę, kad nepaiso kvantinio neatskyrimo padarinių.

Šiandien Matthew Fisheris ir Leo Radzihovsky iš Kalifornijos universiteto Santa Barbaroje sako, kad šis pasitikėjimas yra netinkamas. Jie pirmą kartą parodo, kad kai kuriuose cheminiuose procesuose net esant įprastoms temperatūroms kvantinis neatskiramumas turi vaidinti svarbų vaidmenį. Ir jie sako, kad ši įtaka sukelia visiškai naują cheminį reiškinį, pvz., izotopų atskyrimą, ir taip pat gali paaiškinti anksčiau paslaptingą reiškinį, pavyzdžiui, padidėjusį reaktyviųjų deguonies rūšių cheminį aktyvumą.

Susijusi istorija

Susijusi istorija Kinijos mokslininkai nuteleportavo fotoną iš žemės į palydovą, skriejantį daugiau nei 500 kilometrų aukščiau.

Trumpai tariant, Fisheris ir Radzihovskis apverčia chemiją ant galvos.

Pagrindinis šio naujo mąstymo klausimas yra tai, ar daugumoje cheminių reakcijų kvantines savybes tikrai galima ignoruoti. Fisheris ir Radzihovskis teigia, kad nors apskritai gali būti tiesa, kad kvantinės savybės prarandamos aukštoje temperatūroje, tam tikri kvantiniai reiškiniai išlieka.

Jie ypač atkreipia dėmesį į atomų branduolių kvantinę darną. Fizikai jau seniai žinojo, kad branduolių sukimai gali išlikti nuoseklūs per kelias minutes ar valandas. Iš tiesų, jie išnaudoja šį reiškinį įvairiuose kvantinio skaičiavimo eksperimentuose, kurie remiasi branduoliniais sukimais, kad būtų saugoma kvantinė informacija.

Nesunku manyti, kad branduoliniai sukiniai neturi reikšmingos įtakos elektronų tarpusavio sąveikai cheminėse reakcijose.

Bet taip nėra, sako Fisheris ir Radzihovskis. Branduoliniai sukimai gali būti lengvai susieti su kitomis fizinėmis būsenomis, pavyzdžiui, molekulės vibracijos būdu. Kai taip atsitinka, neatskiriamumo savybės, kurios paprastai apsiriboja branduoliais, nutekėja ir daro įtaką visai molekulei.

Fisheris ir Radzihovskis teigia, kad tai ypač stipriai veikia mažas simetriškas molekules, tokias kaip vanduo ar vandenilis. Priežastis ta, kad kai dviejų branduolių sukiniai sąveikauja, simetrija lemia, kad jie gali įgyti tam tikras konfigūracijas, bet ne kitas.

Kai ta simetrija patenka į cheminį pasaulį, tai reiškia, kad molekulė gali sąveikauti tik situacijose, kuriose sukimosi simetrija yra panaši.

Pavyzdžiui, vandenilio arba vandens molekulėje yra du vandenilio branduoliai, kurie gali suktis ta pačia kryptimi, tokiu atveju molekulė žinoma kaip orto-vanduo, arba priešingomis kryptimis, tokiu atveju molekulė vadinama para-vandeniu. Šie skirtingi tos pačios molekulės išdėstymai yra žinomi kaip sukimosi izomerai.

Tai turi įtakos tam, kaip molekulės sąveikauja viena su kita. Daugelyje cheminių reakcijų svarbu, kaip molekulės užsifiksuoja. Jei molekulės negali tilpti kartu kaip raktas spynoje, reakcija negali įvykti.

Susijusi istorija

Susijusi istorija Paieškos milžinas planuoja pasiekti reikšmingą skaičiavimo istorijos etapą dar nepasibaigus metams.

Fisheris ir Radzihovskis rodo, kad kvantinis neatskiramumas daro įtaką molekulių derinimui, nes neleidžia sąveikai, kuri neatitinka branduolių simetrijos.

Tyrėjai toliau įrodė, kad dėl šio poveikio paramolekulės yra žymiai reaktyvesnės nei orto molekulės, nes jų simetrija sutampa su kitų molekulių simetrija.

Viena sritis, kurioje tai gali atlikti svarbų vaidmenį, yra fermentinė katalizė. Daugelis fermentų savo darbą atlieka vandeniliu. Dabar Fisheris ir Radzihovskis rodo, kad kvantinis neatskiriamumas turi turėti didelės įtakos šiam procesui.

Išbandyti šią prognozę bus sudėtinga. Akivaizdus būdas yra išmatuoti tos pačios reakcijos, atliktos su molekulių orto ir para versijomis, rezultatą. Bet tai lengviau pasakyti nei padaryti. Tos pačios molekulės orto ir para versijas sunku atskirti. Pirmą kartą chemikai tai pasiekė tik 2014 m.

Cheminis vandens ir vandenilio elgesys yra tik pradžia. Fisheris ir Radzihovskis pateikia daugybę kitų cheminių procesų, kuriems taip pat turėtų turėti įtakos kvantinis neatskiriamumas, pavyzdžių. Tai apima izotopų frakcionavimą, kurio kvantinis neatskiramumas suteikia naują mechanizmą, reiškinys taip pat paaiškina padidėjusį reaktyviųjų deguonies rūšių cheminį aktyvumą ir suteikia galimybę branduolių sukimuisi paveikti biochemines molekules apskritai.

Čia galima tyrinėti daugybę egzotiško elgesio. Išbandyti šias idėjas bus sunku, tačiau atlygis – geresnis kai kurių subtiliausių ir svarbiausių chemijos biologinių reiškinių supratimas – suteiks didelę motyvaciją. Tikėkitės išgirsti daugiau.

Nuoroda: arxiv.org/abs/1707.05320 : Kvantinis neatskiramumas cheminėse reakcijose

paslėpti