Почему молекулы никогда не перестают двигаться?
Наше тело постоянно находится в движении, даже когда мы этого не осознаем. Мы вращаемся в Солнечной системе на колеблющейся планете, стоим на сдвигающихся тектонических плитах, поднимаемся и опускаемся, кувыркаемся и переворачиваемся день и ночь в симфонии вегетативных и соматических функций. Как бы головокружительно это ни казалось, жизнь всегда находится в движении, вплоть до ее фундаментальных строительных блоков - молекул.
Молекулы можно представить как атомы с общими электронами. Они образуют электронные связи, которые можно представить как пружины, и покачиваются со скоростью, соответствующей тепловой энергии, которой они подвергаются. Хотя молекулы не живые и не мертвые, они никогда не перестают двигаться, даже когда ученые изо всех сил пытаются лишить их энергии. Чтобы понять, почему молекулы никогда не перестают двигаться, и прежде чем мы погрязнем в фундаментальных странностях квантовой механики, мы должны сначала прояснить кое-что более простое: Что такое температура?
В повседневной жизни бурная погода может пробрать вас до костей, а чашка чая - согреть ваши губы. Когда мы говорим о температуре, мы часто имеем в виду наш собственный уровень комфорта, терморегуляцию организма или изменение климата. Но на субмикроскопическом уровне температура измеряет среднюю кинетическую энергию молекул или частиц в объекте или веществе. Чем горячее они становятся, тем больше движутся; следовательно, чтобы «остановить» их, нам нужно просто забрать всю их тепловую энергию, чтобы достичь абсолютного нуля, или 0 Кельвинов - верно?
Только вот «никогда нельзя полностью изолировать молекулу от окружающей среды», - сказал Джастин Кэрэм, доцент кафедры химии Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе, в беседе с корреспондентом Popular Science. «Неважно, сталкивается ли она с другими молекулами в воздухе - или атомами, или чем-то еще - или поглощает свет и переизлучает его, она всегда взаимодействует со своим окружением». Карам добавил: «Вы можете временно охладить вещи так, чтобы они двигались очень, очень, очень мало - и именно так мы определяем очень низкую температуру, верно? Но согласно принципам квантовой механики, вы никогда не сможете полностью устранить все движение в системе».
Но... почему?
Начнем с классически знакомого фактора: эффекта наблюдателя. В этом случае простая попытка измерить температуру чего-либо может повлиять на температуру, потому что «молекула может взаимодействовать с другими вещами, включая измерительный прибор», - объяснил А. Ф. Дж. Леви, профессор инженерии, физики и астрономии из Университета Южной Калифорнии, в своем электронном письме в Popular Science. Но все становится гораздо более странным в квантовой механике, где в дело вступает принцип неопределенности, по словам Леви, который, кстати, назвал наш более широкий вопрос о движении молекул «обманчиво простым».
Когда мы говорим о том, как движутся молекулы, это движение «можно разделить на движение центра масс и относительное движение между атомами», - объяснил Леви. Поскольку молекула состоит из атомов, связанных между собой, предполагается существование по крайней мере одного связанного состояния с самой низкой энергией (идея о существовании «основного состояния» с самой низкой энергией является очень важным предположением, подтвержденным экспериментом)».
Леви продолжил: «Математику квантовой механики можно представить как линейную алгебру некоммутирующих операторов, и это напрямую приводит к принципу неопределенности, который не позволяет низшему энергетическому связанному состоянию молекулы одновременно иметь нулевой импульс и определенное, точно измеренное положение. Физически невозможно точно измерить положение молекулы, не придав ей импульс».
Ответ Леви поначалу затуманил мне мозги, поэтому я позвонил Кэрэму во второй раз, чтобы обсудить этот вопрос подробнее. Тогда он предложил объяснение принципа неопределенности Гейзенберга на уровне химии 101.
«Принцип неопределенности просто говорит, что положение и импульс не - ладно, это математический термин. Они говорят, что не коммутируют. Но на самом деле это означает, что вы не можете измерить их одновременно». Более точный способ выразить это, по мнению Кэрэма, имеет меньше отношения к измерениям. По сути, объясняет он, «объект не может обладать обоими свойствами одновременно».
Это происходит потому, что квантовая теория говорит нам, что все является волной, включая частицы, если присмотреться.
Когда я по телефону начинаю экзистенциально рассуждать о дуализме волны и частицы, Карам предлагает несколько слов утешения: «Это просто одна из фундаментальных, действительно расстраивающих странностей квантовой механики», - говорит Кэрэм. «[Нам] приходится описывать материю как волны. Это странная вещь; она не имеет особого значения для вас или меня, если просто подумать об этом, но математика и наблюдения работают».
Я спрашиваю Кэрэма, задумывается ли он когда-нибудь о постоянном движении, происходящем внутри нашего тела на молекулярном и макроуровнях, и он отвечает, что старается не думать об этом. «Немного тревожно думать обо всем, что делают наши тела. Да, я не знаю. Я не знаю, как на это ответить, кроме как сказать: Мне нравится не думать об этом так много, потому что иногда я беспокоюсь: «А вдруг это просто прекратится?»».
Ладно! Хватит! Помимо философских вопросов, молекулярное движение также связано с иногда неясной сферой квантовых вычислений.
В Калифорнийском университете Карам сказал, что «одно из направлений наших исследований связано с разработкой молекул, которые двигаются как можно меньше». Он продолжил: «Очевидно, что, как я уже сказал, на это есть ограничения - фундаментальные ограничения, - но чем больше вы замедляете эти молекулы и контролируете их состояния, тем больше вы можете сделать квантовых алгоритмов и заставить квантовые компьютеры работать лучше».
Хотя люди не могут полностью остановить движение молекул, у нас хорошо получается замедлять их движение. На самом деле, «на Земле мы достигли более холодных мест, чем в глубоком космосе», - говорит Кэрэм, - «потому что глубокий космос всегда пронизан так называемым микроволновым фоновым излучением, и поэтому у него есть температура». (Эта температура составляет около 2,7 Кельвина).
Сравните это с самой холодной температурой, зарегистрированной в лаборатории на сегодняшний день, которая составляет 38 триллионных долей Кельвина - или около -273,15 градуса Цельсия. Немецкие ученые достигли этого в 2021 году, когда на пару секунд заперли атомы рубидия в вакууме и имитировали нулевую гравитацию на башне для падения в Бременском университете.
Пока люди пытаются расширить границы холода, сама Вселенная охлаждается. Она «родилась с определенным количеством энергии» во всевозможных формах - кинетической, химической, ядерной, какой угодно», - говорит Кэрэм, ссылаясь на теорию Большого взрыва и процесс обмена теплом с окружающей средой, называемый термолизацией. Потакая мне, Кэрэм сказал, что его «очень философское» мнение заключается в том, что «в бесконечном, бесконечном временном масштабе, знаете ли, по мере расширения Вселенной, мы все как бы медленно движемся к некоторому времени, когда все движется все меньше и меньше».
По словам Кэрэма, «на самом деле мы наблюдаем некую экстремальную флуктуацию, когда все движется еще немного, чтобы возникла сложность», а затем все просто разваливается на части. «Но движение никогда не прекратится полностью, потому что, как я уже сказал, вы никогда не сможете прекратить движение».
