گیاهان شاهکارهای مکانیک کوانتومی را انجام می دهند که دانشمندان فقط در دماهای فوق سرد می توانند انجام دهند
گیاهان شاهکارهای مکانیک کوانتومی را انجام می دهند که دانشمندان فقط در دماهای فوق سرد می توانند انجام دهند
گیاهان در دمای اتاق خواصی را نشان می دهند که ما فقط نزدیک به صفر مطلق دیده بودیم.
چگالش بوز-اینشتین که به عنوان حالت پنجم ماده نیز شناخته می شود، زمانی است که بوزون ها همان حالت کوانتومی را اشغال می کنند و اساسا به عنوان یک اتم عمل می کنند. الکترون های برانگیخته و فضاهایی که در پشت خود باقی می گذارند، به نام حفره ها، می توانند با هم به عنوان بوزون عمل کنند و چگالش اکسایتون ایجاد کنند. ممکن است ارتباطی بین میعانات اکسایتون و فتوسنتز وجود داشته باشد که می تواند توضیح دهد که چرا گیاهان در تبدیل نور به غذا بسیار موثر هستند.
اکنون در نیمکره شمالی بهار است و جهان اطراف ما سبز شده است. بیرون پنجره ام، درختان پر از برگ هایی هستند که مانند کارخانه های مینیاتوری عمل می کنند و نور خورشید را جمع آوری کرده و به غذا تبدیل می کنند. ما می دانیم که این معامله اساسی انجام می شود، اما واقعا فتوسنتز چگونه اتفاق می افتد؟
در طول فتوسنتز، گیاهان از فرآیندهای مکانیکی کوانتومی استفاده می کنند. دانشمندان دانشگاه شیکاگو در تلاش برای درک چگونگی انجام این کار توسط گیاهان، اخیرا عملکرد برگ ها را در سطح مولکولی مدل سازی کردند. آنها از آنچه دیدند متحیر شدند. به نظر می رسد که گیاهان مانند حالت پنجم عجیب و غریب ماده عمل می کنند که به عنوان میعانات بوز-انیشتین شناخته می شود. عجیب تر این است که این میعانات معمولا در دمای نزدیک به صفر مطلق یافت می شوند. این واقعیت که آنها در یک روز معمولی و معتدل بهاری در اطراف ما هستند یک شگفتی واقعی است.
حالت های کم انرژی
سه حالت رایج ماده عبارتند از جامد، مایع و گاز. هنگامی که فشار یا گرما اضافه یا حذف می شود، یک ماده می تواند بین این حالت ها جابجا شود. اغلب می شنویم که پلاسما حالت چهارم ماده است. در پلاسما، اتم ها به سوپ یون های با بار مثبت و الکترون های با بار منفی تجزیه می شوند. این معمولا زمانی رخ می دهد که یک ماده فوق العاده گرم شود. برای مثال، خورشید عمدتا یک توپ بزرگ از پلاسمای فوق داغ است.
اگر بتوان ماده را فوق گرم کرد، می توان آن را نیز فوق سرد کرد و باعث می شود ذرات به حالت های بسیار کم انرژی بیفتند. درک آنچه بعدا اتفاق می افتد نیازمند دانش فیزیک ذرات است.
دو نوع اصلی ذرات وجود دارد، بوزون ها و فرمیون ها، و چیزی که آن ها را متمایز می کند خاصیتی به نام اسپین است – یک مشخصه مکانیکی کوانتومی عجیب و غریب که به تکانه زاویه ای ذره مربوط می شود. بوزون ها ذرات با اسپین عدد صحیح (0، 1، 2، و غیره) هستند، در حالی که فرمیون ها دارای یک اسپین نیمه صحیح (1/2، 3/2، و غیره) هستند. این ویژگی با قضیه آمار اسپین توصیف می شود ، و به این معنی است که اگر دو بوزون را مبادله کنید، همان تابع موج را حفظ خواهید کرد. شما نمی توانید همین کار را برای فرمیون ها انجام دهید.
در میعانات بوز-انیشتین ، بوزون های درون یک ماده آنقدر انرژی کم دارند که همگی یک حالت را اشغال می کنند و به عنوان یک ذره عمل می کنند. این اجازه می دهد تا ویژگی های کوانتومی در مقیاس ماکروسکوپی دیده شود. میعانات بوز-انیشتین برای اولین بار در سال 1995 در آزمایشگاه در دمای 170 نانوکلوین ساخته شد.
فتوسنتز کوانتومی
حالا بیایید ببینیم در طول فتوسنتز در یک برگ معمولی چه اتفاقی می افتد.
گیاهان برای تهیه غذای خود به سه ماده اصلی نیاز دارند: دی اکسید کربن، آب و نور. رنگدانه ای به نام کلروفیل انرژی نور را در طول موج های قرمز و آبی جذب می کند . نور را در طول موج های دیگر منعکس می کند که باعث سبز به نظر رسیدن گیاه می شود.
در سطح مولکولی، همه چیز جالب تر می شود. نور جذب شده یک الکترون را در کروموفور تحریک می کند، بخشی از یک مولکول که بازتاب یا جذب نور را تعیین می کند. این یک سری واکنش های زنجیره ای را آغاز می کند که در نهایت منجر به تولید قند برای گیاه می شود. محققان دانشگاه شیکاگو با استفاده از مدل سازی کامپیوتری آنچه را که در باکتری های گوگرد سبز، یک میکروب فتوسنتزی، رخ می دهد، بررسی کردند.
نور یک الکترون را تحریک می کند. اکنون الکترون و فضای خالی که پشت سر گذاشته و حفره نامیده می شود، با هم به عنوان بوزون عمل می کنند. این جفت الکترون-حفره اکسایتون نامیده می شود. اکسایتون برای رساندن انرژی به مکان دیگری حرکت می کند، جایی که قند برای ارگانیسم ایجاد می شود.
کروموفورها می توانند انرژی بین خود را به شکل اکسیتون ها به یک مرکز واکنش منتقل کنند که در آن انرژی می تواند استفاده شود، به نوعی مانند گروهی از مردم که توپ را به دروازه ارسال می کنند.
دانشمندان کشف کردند که مسیرهای اکسیتون ها در نواحی موضعی شبیه مسیرهایی است که در داخل میعانات اکسایتون دیده می شود - میعانات بوز-انیشتین ساخته شده از اکسیتون هاست. چالش چگالش های اکسایتون این است که الکترون ها و یون ها تمایل دارند به سرعت دوباره ترکیب شوند. هنگامی که این اتفاق می افتد، اکسایتون ناپدید می شود، اغلب قبل از اینکه یک میعان تشکیل شود.
ایجاد این میعانات در آزمایشگاه بسیار دشوار است، اما در اینجا، درست در مقابل چشمان دانشمندان، در یک ارگانیسم در دمای اتاق قرار داشتند. با تشکیل یک میعان، اکسایتون ها یک حالت کوانتومی واحد را تشکیل دادند. در اصل، آنها مانند یک ذره عمل می کردند. این یک ابر سیال تشکیل می دهد - سیالی با ویسکوزیته صفر و اصطکاک صفر - که به انرژی اجازه می دهد آزادانه بین کروموفورها جریان یابد.
در شرایط ناموزون اکسایتون ها معمولا به سرعت تجزیه می شوند و وقتی این کار را انجام می دهند، دیگر نمی توانند انرژی را انتقال دهند. برای اینکه طول عمر بیشتری داشته باشند، معمولا باید بسیار سرد باشند. در واقع، میعانات اکسایتون هرگز بالاتر از دمای 100 کلوین ، که یک دمای منفی 173 درجه سانتیگراد است، دیده نشده است . به همین دلیل است که دیدن این رفتار در یک سیستم درهم و برهم و دنیای واقعی در دمای معمولی بسیار شگفت انگیز است.
پس اینجا چه خبر است؟ فقط راه دیگری که طبیعت مدام ما را غافلگیر می کند.
شوتن می گوید: «فتوسنتز در دمای معمولی کار می کند، زیرا طبیعت برای زنده ماندن باید در دمای معمولی کار کند، بنابراین این فرآیند برای انجام این کار تکامل یافته است.
در آینده، میعانات بوز-اینشتین در دمای اتاق ممکن است کاربردهای عملی داشته باشند. از آنجایی که آنها به عنوان یک اتم عمل می کنند، میعانات بوز-انیشتین ممکن است بینشی در مورد ویژگی های کوانتومی که مشاهده آنها در سطح اتمی دشوار است به ما بدهد. آنها همچنین کاربردهایی برای ژیروسکوپ ، لیزر اتمی ، سنسورهای با دقت بالا از زمان، گرانش یا مغناطیس و سطوح بالاتری از بهره وری و انتقال انرژی دارند .