Posted on

A kvantumvilág érdekességei

(Részletek A paleón túl és a Napfény diéta könyvekből)

„Azok, akiket nem sokkol, amikor először találkoznak a kvantummechanikával, valószínűleg
nem értették meg.” (Niels Bohr – Nobel díjas dán fizikus)

A kvantummechanika világa meglehetősen furcsa és okoz egy kis fejtörést a kézzelfogható dolgokat szerető agyunknak. Ott kezdeném, hogy Einstein óta ismerjük a fény kettős természetét, tehát részecskeként (foton) és hullámként is viselkedhet. Most akkor „megfoghatjuk” vagy nem, egy kis golyóról van-e szó vagy csak egy rezgésről? És ez még csak a belépő az elektronok, fotonok bizarr tulajdonságaihoz. Persze ezek alapvetően a mikrovilágban működnek, emberi mérettartományban nem ilyen egyszerű a helyzet, de ha jobban belegondolunk, akkor minket is ilyen apró részecskék alkotnak, és ma már vannak kutatások, amelyek segítenek a biológiát is leírni ezen a nyelven (Al-Khalili, 2014).

Létezik a Heisenberg féle határozatlansági elv, amely kimondja, hogy nem tudjuk egyszerre megmondani pl. az elektron pontos helyzetét és az impulzusát. Tehát vagy azt tudjuk, hogy hol van (azt is közelítéssel, csak valószínűség alapján) vagy pedig azt, hogy merre, milyen sebességgel halad. Minél pontosabban tudjuk az egyik paramétert, annál pontatlanabb lesz a másik.

Bizonyára az olvasónál is előfordult már, hogy jó lett volna egyszerre két (vagy mégtöbb) helyen lenni. Nos, a kvantumvilágban, ez lehetséges, sőt az elektronok egy térrészen belül mindenhol vannak egyszerre (kvantum szuperpozíció), valószínűségi hullámfüggvénnyel írható le a helyzetük, és csak a mérés aktusával derül ki, hogy hol vannak pontosan, ekkor „összeomlik” a hullámfügvény. A mérés eredménye nem független a megfigyelőtől, ez is nagyon érdekes!

A választásaink (döntéseink) befolyásolják a realitást, amit kapni fogunk. Ebben talán nincs is semmi hókusz-pókusz.

Ide tartozik az osztrák Nobel díjas fizikusról elnevezett Schrödinger macskája gondoltakísérlet is, amikor a szegény dobozba zárt állat egyszerre lehet élő és halott is a hullámfüggvény szerint, egészen addig, amíg ki nem nyitjuk a dobozt.

És egy igazi biológiai érdekesség a kvantum koherencia szemléltetésére: a fotoszintézis kezdő lépésekor a fény energiáját fogja be a klorofill molekula. Ehhez a napfény fotonjának el kell valahogy jutnia az un. reakciócentrumba, ám ehhez a klorofill molekulák sűrű eredején keresztül vezet az út. Az ügyes kis foton valahogy mindig megtalálja a legrövidebb utat. Mi a trükkje? Nem részecskeként bolyong ide-oda, hogy véletlenszerűen rátaláljon valahogy a leggyorsabb járatra, hanem hullámként szétszóródik és egyszerre letesztel minden lehetséges variációt, amelyből már könnyű kiválasztani a legrövidebbet (Collini, 2010)

Hogyan kommunikálhatunk azonnal akár az univerzum másik végébe, a fénysebességnél is gyorsabban? Az apró részecskék erre is tudják a választ: a kvantum összefonódás (entanglement) segítségével. Ilyenkor a két vagy több részecske mintha rejtélyesen össze lenne kapcsolódva és egyik kvantumállapotának változása, azonnali változást hoz létre a másikban is. A rendszer állapotfüggvénye nem írható le egyszerűen a részeinek összegzésével. Ezt a trükköt használja a vörösbegy és más vándormadarak is, ennek segítségével tudják érzékelni a Föld mágneses mezejének apró eltéréseit, mintegy GPS-ként használva a hosszú repülőútjuk során. A legnagyobb távolság, amit kísérletileg igazoltak 2012-ben 143 km volt a Kanári-szigetek két távoli pontján, Tenerife és La Palma szigetek között.

Ez egyelőre csak feltételezés, de segít megmagyarázni azt a hétköznapi jelenséget, amikor azt mondjuk két emberre, hogy „egy hullámhosszon vannak”. Mintha az elektronjaik sokasága, egyszerre ugyanabban az állapotban lenne. Szeretjük is az ilyen helyzeteket, beszélgetéseket, ösztönösen érezzük, hogy jó helyen vagyunk, ezt kell csinálnunk… Ismerős ez az érzés?

Keresztülmenni a falon, mint Harry Potter a 9 és ¾-ik vágánynál? Ez sem probléma elektronéknál… Ez az alagúteffektus vagy tunnelling jelensége. Egyes enzimreakcióknál már sikerült nyakoncsípni a protonokat, amint átmennek a „falon”, így tudják jelentős mértékben felgyorsítani a kémiai reakciókat (Cha, 1989).

Kvantummechanika nélkül nem érthetnénk mi is az anyag, hogy működnek a félvezetők (okostelefon, számítógép!), elektromos készülékek és ma már számtalan gyakorlati alkalmazása van pl. az MRI- nél is. A jövő biológiája ennek az irányvonalnak a még mélyebb megértésében rejlik.

Vajon hol a határ a kvantum és a „normál” világ között? Nagyon jó a kérdés! A válasz, hogy ez változó és talán létezik egy konkrét határ. Amiről eddig hallottam, hogy a 60 szénatomból álló fullerén molekulával is meg tudták valósítani az un. két-réses kísérletet! Ugyanazokat a kvantum jelenségeket mutatta, mint egy szem foton!

A szuperpozició határára egy jó példa, hogy egy izom nem lehet egyszerre befeszülve és elernyedve is, tehát itt már átlépünk a hétköznapi, szabad szemmel is látható valóságba. Hogy miért nem tudjuk megfigyelni a laboratóriumi körülmények között már egyértelműen bizonyított kvantum-jelenséget makroszkopikus körülmények között (ahol a szemünk által látható világ is van), arra szintén a Planck féle konstans és a Heisenberg féle határozatlansági elv adhat magyarázatot. Nagyszámú részecskét vizsgálva, pl. az emberi testet nézve, un. dekoherencia lép fel, a sok részecske valószinűsége nem engedi ezt a fajta egyértelmű megfigyelést. A dekoherencia magyarázatot adhat rá (de nem az egyetlen, mindenre kiterjedőt), hogy a valóság, amit megfigyelük az miért „normális” és miért nem látjuk pl. a szuperpozíciót.

A kvantumjelenségek tehát folyamatosan zajlanak bennünk, de nem tudjuk ezt nagyban is megfigyelni. A kvantum eseményeknek nincs kiváltó oka, hogy a párhuzamos lehetőségek közül melyik realizálódik (ez egy kis fejtörést okozhat, ha az ok-okozat törvényét nézzük), hanem csak úgy spontán megtörténnek. Az összefonódás jelensége is alaposan beszól az ok-okozat törvényének.

Hogy mégjobban megkavarjam a fejeket, mi történne akkor, ha egyszer a kvantummechanika törvényeit felülírnánk valami jobb elmélettel? Ha a kvantummechanika bizarr volt, akkor a valóság leírása még furcsább lehet!

Bővebben a kvantum-biológiáról A paleón túl és a Napfény diéta könyvekben!

Fitness tábor Fuerteventura SunnyFitness 2024

Csatlakozz a következő SunnyFitness táborokba, ahol lesz szó a táplálkozásról, életmódról, sportról a kvantum-biológia szempontjából.

Hivatkozások

Jim Al-Khalili: Life on the Edge: The Coming of Age of Quantum Biology. Bantam Press, 2014

E. Collini, C. Y. Wong, K. E. Wilk, P. M. Curmi, P. Brumer and G. D. Scholes, “Coherently wired light-harvesting in photosynthetic marine algae at ambient temperature,” Nature, vol. 463: 7281 (2010), pp. 644–7.

Yuan Cha, Christopher J. Murray and Judith Klinman, “Hydrogen tunneling in enzyme reactions,” Science, vol. 243: 3896 (1989), pp. 1325–30.