Űrkémia

Kvantummechanikával lehetséges a "lehetetlen" űrkémia

A kvantummechanika furcsaságai olyan molekulát hozhatnak létre az űrben, ami a kémia klasszikus törvényei szerint nem is létezhetne. Amennyiben a csillagközi űr valóban egyfajta kvantum-kémiai labor, az magyarázatot adhatna a világűrben észlelt szerves molekulákra.

urkemia1.jpg
 
A csillagközi űr túl hideg a kémiai reakciók többségének, mivel az alacsony hőmérséklet megnehezíti az űrben sodródó molekulák számára a kötéseik felbontásához szükséges energia megszerzését. "Van egy alapszabály, ami kimondja, minél alacsonyabb a hőmérséklet, annál lassabb a reakciók sebessége" - magyarázta Dwayne Heard, a brit Leeds Egyetem kutatója. Ennek ellenére szép számmal akadnak összetett szerves molekulák az űrben. Egyes reakciók végbemehetnek akkor, amikor a molekulák a kozmikus porszemcsék felszínéhez tapadnak, ez elegendő időt adhat nekik a reakcióhoz szükséges energia beszerzéséhez. Nem minden reakció magyarázható azonban ezzel a lehetőséggel.

Tavaly a Földtől 600 fényévre húzódó Perseus molekuláris felhőben csillagászok metoxi molekulákat fedeztek fel, melyek szenet, hidrogént és oxigént tartalmaznak. A kutatóknak azonban nem sikerült ezt a molekulát előállítani az űrbeli körülményeket szimuláló laboratórium kísérletekben, ami nyitva hagyta a kialakulásukról szóló kérdést. A metoxihoz más módon is eljuthatunk, méghozzá egy hidroxilgyök metanol gázzal keverésével. Az elemek jelen vannak ugyan az űrben, ehhez a reakcióhoz azonban le kell küzdeni egy jelentős energia akadályt, amihez ugyancsak kevés az űr hideg közegéből beszerezhető energia.

Heard és munkatársai kíváncsiak voltak, vajon megtalálhatják-e a választ a kvantummechanikában, a kvantum alagút-effektus elnevezésű jelenség, melynek lényege, hogy egy részecske bizonyos valószínűséggel képes áthatolni egy olyan fékező erőtéren, melynek leküzdéséhez a klasszikus fizika szerint nincs elegendő energiája ugyanis elvileg adhat némi esélyt a hidroxilgyöknek, hogy átvágja magát ezen az akadályon. Ezen felbuzdulva a kutatócsoport egy újabb kísérletben 63 Kelvin fokra hűtött gáznemű hidroxilt és metanolt, melyben a metoxi létrejött. Az elv szerint az alacsony hőmérsékleten a molekulák lelassulnak, megnövelve az alagutazás valószínűségét. "Normál hőmérsékleten csupán lepattannak egymásról, de amikor lecsökkentjük a hőfokot elég hosszan elszórakoznak egymással" - mondta Heard.

A csapat azt is megfigyelte, hogy a reakció ötvenszer gyorsabban megy végbe a kvantumalagutazással, mint hagyományosan szobahőmérsékleten. Az űr sokkal hidegebb a kutatók által előidézett 63 Kelvinnél, azonban a csillagok közelében található porfelhők elérhetik ezt a hőmérsékletet, tette hozzá Heard. "Bemutattuk, hogy léteznek szerves kémiai reakciók ott, ahol nem is feltételeztük" - összegzett Heard. Ez azt jelenti, hogy a világűr kémiája gazdagabb lehet, mint azt eddig képzeltük. Mindazonáltal, csak azért mert ezek a molekulák létrejöhetnek az űrben, nem jelenti azt, hogy a Földön megtalálható megfelelőik is űrbeli eredettel rendelkeznek. "Ezzel kapcsolatban még nem törhetünk pálcát" - kommentálta az eredményeket Helen Fraser a Strathclyde Egyetem kutatója, aki nem vett részt a tanulmányban.

urkemia2.jpg

Mi a kvantummechanika?
A kvantummechanika a természet, a fizikai rendszerek jelenleg érvényesnek gondolt elmélete, amelyik túllépett a klasszikus fizika fogalmain. Jóslatai a klasszikus fizikáétól főleg kis méretek, energiák és hőmérsékletek esetén különböznek. Így a kvantummechanika főleg az elemi részecskék fizikájának elmélete vagy például az olyan alacsony hőmérsékletű makrojelenségeké, mint a szuperfolyékonyság és a szupravezetés. A kvantummechanika néhány alapelvből származtatott matematikai apparátusa kísérletileg ellenőrizhető jóslatokat szolgáltat olyan jelenségekre, amikre a klasszikus mechanika és a klasszikus elektrodinamika nem képes. Ilyenek a kvantálás, a hullám-részecske kettősség, a határozatlansági elv és a kvantum-összefonódás.

A kvantummechanika egy rendszer pillanatnyi állapotát a hullámfüggvénnyel ábrázolja, ami a mérhető tulajdonságok – másképpen megfigyelhető mennyiségek – valószínűségi eloszlását írja le. Megfigyelhető mennyiség például az energia, térbeli helyzet (a nem relativisztikus elméletben), impulzus, impulzusmomentum stb. A kvantummechanika általában nem rendel határozott értékeket a megfigyelhető mennyiségekhez, hanem becsléseket ad a valószínűségi eloszlásukra. Egyes eloszlások csak diszkrét értékeit engedik meg a megfigyelhető mennyiségeknek, az ilyen mennyiségeket kvantáltnak nevezzük.
A hullámfüggvény az időben változhat. Például az üres térben mozgó részecske ábrázolható egy átlagos helyzet körül nem eltűnő hullámcsomaggal. Az idő múlásával ez az átlagos pozíció eltolódhat a térben, ahogy a hullámcsomag változik, és a részecskét nagy valószínűséggel máshol fogjuk megtalálni, mint annak előtte. Másrészt vannak olyan hullámfüggvények, amelyekhez időben állandó valószínűség-eloszlás tartozik. Sok rendszer, amit a klasszikus fizika dinamikusan ír le, a kvantummechanikában ilyen statikus hullámfüggvénnyel írható le. Például a klasszikus kép szerint a nem gerjesztett atomban az elektron kering az atommag körül, míg a kvantummechanikában az elektront egy középpontos szimmetriával rendelkező valószínűségi függvény („elektronfelhő”) írja le.

Egy megfigyelhető mennyiség tényleges megmérése megváltoztatja a rendszert és a hullámfüggvényét. Közvetlenül a mérés után a hullámfüggvény teljesen kompatibilis a méréssel, azaz olyan, amelyik 100% valószínűséget ad az éppen kapott eredményre. Ez a jelenség a hullámfüggvény összeomlása. Egy adott hullámfüggvénybe való összeomlás valószínűsége függ a mérés típusától és kiszámolható a mérés előtti hullámfüggvényből. Nézzük az üres térben mozgó részecske fenti példáját. Ha megmérjük a részecske helyzetét, véletlenszerű eredményt kapunk. Általában lehetetlen megjósolni a kapott x értéket, bár valószínű, hogy a hullámcsomag centrumához – ahol a hullámfüggvény amplitúdója nagy – közeli értéket kapunk. Közvetlenül a mérés után a hullámfüggvény egy olyan hullámfüggvénybe omlik össze, ami élesen a mért x érték körül összpontosul. A részecske sebességének a mérése egy teljesen más hullámfüggvényhez vezetne.

A hullámfüggvény időbeli változása determinisztikus abban az értelemben, hogy adott időben, adott hullámfüggvényből kiindulva határozott becslést kapunk arra, hogy bármely későbbi időben milyen lesz a hullámfüggvény. Nem relativisztikus esetben ezt a folytonos időfüggést írja le a Schrödinger-egyenlet, amit relativisztikus esetben a Dirac-egyenlettel kell helyettesítenünk. Mérés közben a hullámfüggvény változása viszont valószínűségi, nem determinisztikus. A kvantummechanika valószínűségi jellege tehát a mérés folyamatában rejlik.

Mint a bevezetés is említi, több olyan jelenség van a kvantummechanikában, aminek nincs klasszikus megfelelője. Ezeket gyakran kvantumeffektusoknak hívjuk. Az egyik kvantumeffektus bizonyos mennyiségek kvantálása. Láttuk, hogy bizonyos megfigyelhető mennyiségek a kvantummechanikában diszkrét értékeket vesznek fel, mint például az impulzusmomentum, vagy egy kötött állapot energiája vagy adott frekvenciájú elektromágneses sugárzás energiája, bár nem minden kvantummechanikában előforduló mennyiség kvantált.

Egy másik kvantumeffektus a határozatlansági elv. Bizonyos mennyiségpárok egyidejű (szimultán) mérése elvi hibahatáron kívül lehetséges csak. Ilyen pár például egy részecske helyzete és impulzusa. Hasonló reláció érvényes az energiára és az időre is olyan értelemben, hogy két egymást követő energiamérés hibája nő, ha a két mérés közötti idő csökken. Az ilyen mennyiségpárok a klasszikus fizikában egymás kanonikus konjugáltjai.

Egy másik kvantumeffektus a hullám-részecske kettősség. Erre példa az, hogy bizonyos kísérleti körülmények között az elektronok részecskeszerű (például szórás), mások között hullámszerű (például interferencia) viselkedést tanúsítanak.

Egy másik kvantumeffektus a kvantum-korreláció, vagy más néven kvantum-összefonódás. Bizonyos esetekben egy összetett rendszer hullámfüggvénye nem szeparálható az elemek független hullámfüggvényeire. Az így összefonódott részecskék klasszikus szempontból rendkívül furcsa viselkedést mutathatnak. Például az egymástól egyébként távoli részecskéken végzett helyi mérések eredményeinek korrelációi a megszokott klasszikus statisztikákkal nem egyeztethetők össze. Az ilyen jelenséget felmutató kísérletek a kvantummechanika legmélyebb bizonyítékai.
 
Forrás: Richpoi 2013 július 05, péntek