人的視覺、嗅覺、觸覺是否與量子有關?

視覺能讓我們看清整個世界,嗅覺能讓我們聞到食物的香味,觸覺能讓我們感受到物體的存在。我們已知物質的本質,它們都是由粒子構成的,這些非常小的粒子遵循量子力學。人們一直試圖用量子效應解釋一切,那麼人的感覺是否也與量子有關?

答案是肯定的。

人的视觉、嗅觉、触觉是否与量子有关?

量子讓我們感受到物體

當我們用手握住咖啡杯,手和杯子表面的原子接觸,我們感覺杯子是實實在在的。這其實是一種幻覺,因為我們從來沒有真正地接觸過任何東西。一個原子的99.999999%以上都是空的,它的質量集中在原子核上。

原子由原子核和電子組成,按當前的理論,電子本身沒有任何的體積,它們是圍繞原子核快速轉動的負電荷。根據量子力學定律,電子只能在特定的、分立的軌道上運動,各個軌道上的電子能量是不同的,這些能量值即為能級,能量越高的電子離原子核越遠。用手抓住杯子,這個動作強迫電子從一個能級跳到另一個能級,手部的肌肉為此消耗了能量。這是電子和我們身體之間的相互作用,大腦把這種相互作用解讀為:我們接觸到了實際的物體。現在,我們知道了觸覺的產生確實需要量子力學。

人的视觉、嗅觉、触觉是否与量子有关?

量子讓我們聞到不同的氣味

我們對著裝了咖啡的杯子深吸氣,聞到了咖啡的香氣。嗅覺神經存在於鼻腔表面,鼻子吸進飄在空氣中的咖啡分子,這些分子附著在鼻腔表面的一層粘液上,並嵌入嗅覺神經元。這種接觸到底是如何產生嗅覺的?

鼻腔表面存在嗅覺感受器,它是由嗅細胞和基細胞等組成的。傳統理論認為:每一種嗅覺感受器只接受特定形狀的分子,就像鎖和鑰匙一樣,只有兩者匹配,才能結合。當分子和感受器結合時,就會激活大腦,大腦將這種組合解釋為一種味道。這可以總結為:我們聞到了分子的“形狀”。

但傳統的理論無法用來解釋一個問題:兩個形狀和組成都大不相同的分子,卻能讓人感受到相同的氣味。似乎除了形狀之外,還有別的因素影響我們的嗅覺。因此,科學家提出了嗅覺振動理論。

所有的分子都在不斷地以不同的速度擺動,我們的鼻子能夠感受到這種振動的差異。希臘亞歷山大·弗萊明生物醫學研究中心的生物物理學家盧卡·都靈找到了能夠證明這個理論的證據。首先,硫具有特殊的氣味和振動模式,一種含硼的分子和硫有一樣的味道,儘管它們的分子形狀完全不同,但是兩種分子的振動模式相同。另外一個實驗利用了氫和氘的原子特性,氫和氘互為同位素,兩種原子的質子數相同,中子數不同,它們的形狀一樣,但振動頻率卻不同。當實驗人員把香水中的氫原子換成氘原子時,人們可聞出前後兩種味道的區別,也就是說我們的鼻子能感受到分子的振動。

都靈推測,鼻子能夠感受到分子振動是因為量子隧道效應。我們不需要理解量子隧道效應,只需要知道,這種效應類似於穿牆而過,能夠使電子從嗅覺感受器的一邊穿到另一邊。分子的振動能夠為這種效應提供能量。分子振動不同,電子“穿牆”的速度也不同,引起嗅覺神經不同的電信號,這些不同的電信號讓我們聞到了不同的氣味。所以,我們可以將鼻子當成是一個精密的電子探測器。

人的视觉、嗅觉、触觉是否与量子有关?

量子讓我們看見光

當然,視覺也和量子有關。我們能夠看到事物是因為光的存在,光的基本粒子是光子,光子也是量子力學中非常重要的一種粒子。與其他量子一樣,光子具有波粒二象性,即光子同時具有波和粒子的雙重性質。波長是波的性質的度量,一般人的眼睛可以感知的光的波長範圍在390納米到760納米之間,波長在760納米到1000微米之間的光稱為“紅外線”,在390納米到40納米之間的光稱為“紫外線”。紅外線和紫外線不能引起視覺,這是由人眼的視網膜所能感受到的波長決定的(即可見光波長範圍)。視網膜中有兩種負責探測光線的“光感受器”細胞:視杆細胞和視錐細胞。它們依靠一種叫做視紫紅質的蛋白質來檢測光。視紫紅質吸收光子,發生化學反應,使視網膜產生電信號,電信號被大腦識別後,就產生了視覺。

2016年,紐約洛克菲勒大學的研究人員發現,人類可以感受到單個光子。這刷新了人類的視覺極限,通常5到9個光子才能引發大腦視覺神經電信號。在這個實驗中,三個受試者先在黑暗中呆了30分鐘,當他們適應了黑暗以後,實驗員便用儀器發出單個光子。受試者表示他們的確能夠感受到單個光子。

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量子影響食物的味道

舌頭可以感受到食物中的化學物質,進而產生味覺。味蕾是舌頭能夠感受到味道的主要原因,味蕾大部分位於舌頭表面的乳狀突起中,每個味蕾都是由一組味覺細胞組成的梨形結構,味覺細胞的表面有許多味覺感受分子(即受體蛋白質)。人類有5種味覺,分別是:酸、甜、苦、鹹、鮮。產生甜、苦、鮮的味覺機制是相同的,帶有這些味道的物質溶於水或唾液中後,與味蕾中的受體蛋白相結合,就會引發相應的神經信號,最終產生甜味,或者苦味、鮮味。酸味和鹹味的產生機制則與離子和味覺細胞表面的離子通道有關,但科學家們還沒有將這些機制研究清楚。

既然所有的物質都是量子的,那麼食物的味道也與量子有關。我們肉眼能夠看到和看不到的一切物質都在振動著,產生不同頻率的紅外光。紅外光攜帶能量,當食物吸收了紅外光之後,味道就會改變。例如,被紅外光照射之後的酒,味道會有明顯的變化,口感更淡。原因是紅外光通過每秒鐘上億次的振動瞬間將酒裡的水切割為微分子團,微分子團的水包裹酒精分子,最先接觸到味覺的是水,再加上高頻振動的微分子團容易被吸收,不會在味覺上面停留過久,因此酒就更淡。

微觀粒子運動遵循量子力學,科學家們正在用量子解釋許多的現象,讓我們能夠更加理解世界,也許你可以試著用量子力學去解釋一些科學現象。


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