Насколько маленьким может быть животное, пока оно не осознает влияние квантовой механики?

Трудно указать точное число, но кажется, что ответ будет не более 1000 атомов. Из Википедии ,

Эксперимент [с двумя щелями] можно провести с объектами, намного большими, чем электроны и фотоны, хотя с увеличением размера это становится все труднее. Самыми крупными объектами, для которых был проведен эксперимент с двумя щелями, были молекулы, каждая из которых состояла из 810 атомов (общая масса которых превышала 10 000 атомных единиц массы).

И это только для суперпозиции в местоположении, даже не до квантового туннелирования, как вы упомянули в своем вопросе. Наблюдение эффектов КМ в чем-то большем, чем это, было заведомо трудным. Однако некоторые ученые пытались наблюдать за маленьким микробом в суперпозиции . Я не могу найти ничего, что указывало бы на то, что эксперимент действительно был проведен, только много информации о людях, которые пытались это сделать и думали, что это будет сделано в ближайшие несколько лет. Так что, возможно, мы получим небольшие бактерии и вирусы, которые будут испытывать эффекты QM относительно скоро. Это, вероятно, установит верхний предел размера, который вы запрашиваете. Этот источник утверждает, что даже 100-нм микроб было бы очень трудно наблюдать в суперпозиции:

В недавнем предложении предлагалось «прицепить» крошечный микроб (100 нанометров) к чуть менее крошечному (15 микрометров) алюминиевому барабану, движение которого было доведено до квантового уровня. Хотя этот эксперимент выполним, расстояние между «двумя местами одновременно», в которых могут оказаться бактерии, в 100 миллионов раз меньше, чем сама бактерия.

Редактировать: просто чтобы уточнить мою формулировку, все всегда испытывает квантовые эффекты, они просто становятся ненаблюдаемо малыми по мере того, как объект становится все больше и больше (за редкими исключениями, такими как спектр черного тела солнца, но это совсем другое дело).

Похоже, вы не понимаете, как работает физика. Классическая физика (т. е. то, на что мы обычно ссылаемся при обсуждении взаимодействия вещей) — это просто приближение к квантовой механике. Нет границы , говорящей: «Только после этой точки на вас влияет квантовая механика».

Но если вас интересует, как будет вести себя это существо, вам нужно сделать его меньше атома, поскольку только в этом случае квантовая механика предсказывает поведение, отличное от ньютоновской физики.

Конечно, можно просто посмотреть квантовое туннелирование , чтобы увидеть, что оно применимо к частицам, а не к организмам, состоящим из множества частиц.

Кажется, есть некоторая озабоченность по поводу моего третьего цитирования, и я полностью согласен. У пользователя Physics нет связанных исследований, низкая репутация и мало голосов. Однако я не претендую на звание эксперта в области квантовой механики; Я полностью полагаюсь на некоторые основные идеи о том, что это такое, и на опыт других. Подводя итог вышесказанному (и комментариям ниже): квантовая механика доминирует в мельчайших масштабах, в то время как ньютоновская физика доминирует в самых больших масштабах, и никто не знает, почему и каков переломный момент .

В мире процессоров 5 нм считались наименьшим размером до того, как квантовое туннелирование стало проблемой . Если вы уменьшите свою осу в 1000 раз, она станет длиной 200 нм, так как ее ноги намного меньше, они, вероятно, будут затронуты туннелированием.

Моя основная работа (в настоящее время) заключается в разработке программного обеспечения/прошивки/электроники для систем нанопозиционирования. С нашим текущим лучшим набором мы можем надежно и воспроизводимо перемещать что-то с точностью до 70 мкм в диапазоне 15 мкм.

Это классическая механика перемещения металлоконструкций. В этом диапазоне у нас есть серьезные проблемы с жесткостью материала и другими интересными механическими эффектами, но физика все еще находится в классической области. Таким образом, базовая химия тела осы пока не является чем-то, о чем ей нужно беспокоиться.

Конечно, квантовое туннелирование может быть проблемой для нервной системы осы. Поскольку это зависит от электрических сигналов, у него будут те же проблемы, что и у сжатия кристалла процессора.

Квантовая механика «воздействует» на довольно крупных животных, потому что даже крупные животные состоят из мелких частей, и многие механизмы в мельчайших масштабах тел животных основаны на квантовой механике.

Например: причина того, что лапы гекконов прилипают к стеклу, связана с квантовой механикой (точнее, с силами Ван-дер-Ваальса: см. здесь ). Другие примеры см. в этой статье Википедии о квантовой биологии.

Ваш вопрос довольно расплывчатый, поскольку вы не указываете, что вы подразумеваете под «затронутым». Квантовая механика может влиять на все на молекулярном уровне. По этой логике квантовая механика влияет даже на синих китов.

Например : _

Зрение опирается на квантованную энергию для преобразования световых сигналов в потенциал действия в процессе, называемом фотопреобразованием . При фототрансдукции фотон взаимодействует с хромофором в рецепторе света. Хромофор поглощает фотон и подвергается фотоизомеризации. Это изменение в структуре вызывает изменение в структуре фоторецептора, и результирующие пути передачи сигнала приводят к зрительному сигналу. Однако реакция фотоизомеризации протекает с высокой скоростью, <200 фс, с высоким выходом. Модели предполагают использование квантовых эффектов при формировании потенциалов основного состояния и возбужденного состояния для достижения этой эффективности.

Другие примеры на этой странице Википедии включают:

• Исследования показывают, что перенос электронов на большие расстояния между окислительно-восстановительными центрами посредством квантового туннелирования играет важную роль в ферментативной активности фотосинтеза и клеточного дыхания.

• Магниторецепция относится к способности животных ориентироваться с помощью магнитного поля земли. Возможным объяснением магниторецепции является механизм радикальной пары.

• Другие примеры квантовых явлений в биологических системах включают обоняние , преобразование химической энергии в движение, мутацию ДНК и броуновские двигатели во многих клеточных процессах.

Что касается мутации ДНК :

Скрученная лестничная структура ДНК требует, чтобы ступени водородных связей удерживали ее вместе; каждая связь по существу состоит из одного атома водорода, который объединяет две молекулы. Это означает, что иногда один атом может определить, мутирует ли ген. А отдельные атомы уязвимы для квантовых странностей. Обычно один атом находится ближе к молекуле на одной стороне лестницы ДНК, чем на другой. Аль-Халили и Макфадден откопали давно забытое предположение, сделанное еще в 1963 году, согласно которому ДНК мутирует, когда этот атом водорода квантово-механически туннелирует в «неправильную» половину своей ступени. Пара основывалась на этом, утверждая, что благодаря свойству суперпозиции до того, как его наблюдают, атом будет одновременно существовать как в мутировавшем, так и в немутировавшем состоянии, то есть он будет находиться по обе стороны ступени в точке в то же время.

Мир, который мы знаем, макроскопически не был бы без квантовой механики. Без него даже твердая материя не оставалась бы в сцепленном состоянии. Не светило бы солнце, не было бы химических реакций и т.

Вы можете сказать: «Да, но это вещи, к которым мы привыкли. В них есть смысл». В яблочко. В этом-то и дело. Мы видим эти вещи постоянно, поэтому они не кажутся «квантовыми», но они таковыми являются.

Квантовая механика повсюду, и если кто-то говорит, что она проявляется только в каком-то микроскопическом размере, то это только потому, что тогда происходят какие-то «необычные» вещи. Конечно необычно! Мы не настолько малы, чтобы увидеть их своими глазами.

Таким образом, ответ на вопрос: «Насколько маленьким должно быть животное, чтобы демонстрировать необычное квантовое поведение», будет: Меньше, чем вы можете увидеть (даже в микроскоп), потому что это определение «необычный». Оказывается, это порядка сотен атомов.

Обратите внимание, что некоторые системы, приготовленные в «когерентных состояниях», могут проявлять сходные свойства, потому что все атомы «бьются» с одинаковой скоростью. Их вклады складываются в макроскопический масштаб.

Теперь интересные исследования предполагают, что квантовая случайность мира, одна из самых удивительных вещей в квантовой механике, может быть причиной обычной случайности (например, подбрасывания монеты). На мой взгляд, это большое дело:

https://www.sciencenews.org/article/rules-computing-classical-probabilities-might-depend-quantum-randomness

Хотя правильно ответить «КМ происходит в макроскопических масштабах и влияет на людей», я попытаюсь ответить в духе вопроса.

Что такое «квантово-механический эффект»? Я выберу один: дифракция материи . Насколько большим может быть животное и при этом дифрагировать через решетку?

Более крупные частицы (включая составные частицы) имеют меньшую длину волны де Бройля, и дифракция наиболее заметна, когда зазор примерно такой же, как длина волны. Таким образом, чтобы получить максимальное допустимое животное, используйте наименьший допустимый дифракционный затвор.

Длина волны де Бройля зависит от импульса$mv=\frac{h}{\lambda}$и в качестве грубого упрощения, поскольку мы имеем дело с мелкими животными, выберите$v=1~\mathrm{ms^{-1}}$так$m=\frac{h}{\lambda}$.

Смоделируйте «частицу» животного как однородную сферу «типичной» плотности$\rho\approx 10~\mathrm{ kg\cdot m^{-3}}$так$m=\frac{4}{3}\rho\pi r^3\approx 4\rho r^3$и как мы сказали выше, мы ищем$r=\lambda$так$\frac{h}{r}\approx 4 \rho r^3$так что...

$r \approx 2\times 10^{-9}~\mathrm m$

Животные значительно большего размера не могут создавать дифракционные картины при нормальной скорости животных. Это был бы трудный эксперимент, поскольку животные не являются однородными сферами. Вы могли бы получить хаотические эффекты, когда ноги ломались и тому подобное, добавляя несколько много шума к результатам.

Вы могли бы добиться успешной дифракции более крупных животных, если бы они двигались по сильно искривленному участку пространства-времени (они занимают меньше места, если несколько вытянуты в направлении времени), например, если бы их траектория была орбитой маленького черного отверстие, хотя я недостаточно знаю ОТО, чтобы проанализировать это, и релятивистские скорости еще больше уменьшат предельную длину волны / радиус.

Когда я прочитал в вопросе «Если каким-то чудом его можно было бы уменьшить [так в оригинале]…», мне стало интересно, действительно ли вы хотите попытаться соответствовать «известной» физике, особенно если вы рассказываете историю.

Но при этом я еще не заметил, чтобы фраза «термодинамический предел» использовалась в каких-либо ответах. Причина, по которой объект размером с человека внезапно не телепортируется, заключается в следующем:

(1) Существует вероятность того, что любая конкретная частица «внезапно появится» где-нибудь в известной вселенной, насколько это может подсказать вам уравнение Шредингера.

(2) Когда вы соединяете несколько частиц вместе, они ведут себя как «конъюнктивное событие», говоря языком вероятности. Короткая версия такова: представьте, что вы подбрасываете монетку. Существует 50% приземления с любой стороны, поэтому ни один из результатов не является сюрпризом. Теперь предположим, что вы подбрасываете 6*10^23 монет и пытаетесь предсказать результат. (например, «Все решки!») Вероятность того, что вы правы, является произведением вероятностей всех событий, из которых она состоит. Эта вероятность настолько ничтожна, что вся продолжительность жизни Вселенной (по текущим оценкам) может легко истечь, прежде чем вы успешно угадаете исход такого события.

Чтобы получить «телепортацию», вам понадобится вероятностный аналог правильного угадывания такого исхода. Другими словами, мы не видим, чтобы такие вещи происходили, потому что химический состав объектов, с которыми мы сталкиваемся в повседневной жизни (что является следствием квантовой механики), делает маловероятным, чтобы такие вещи происходили в течение достаточно короткого промежутка времени. человек, чтобы наблюдать за этим. (Вы заметите, что это не исключает таких вещей… это просто говорит: «Не тратьте свою жизнь на ожидание этого… вам будет скучно».)

В качестве примера «термодинамического предела как конъюнктивы даже вероятностных событий, происходящих в соответствии с квантовой механикой», представьте, что у вас есть 6 * 10 ^ 23 частиц, каждая с вероятностью 1% появится на расстоянии 1 метра от места, где вы в последний раз наблюдали. их, тогда как «комок» они будут иметь вероятность появления 0,01 ^ (6 * 10 ^ 23) там. Я не думаю, что ваш калькулятор сможет сказать вам, что это за число... это слишком, слишком маленькая вероятность.

Кстати, это ответ «первого семестра квантовой механики». В послесловии к вашему учебнику по квантовой механике может быть сказано: «Итак… запутанность играет роль в том, как это на самом деле работает, но это выходит за рамки этой книги и, во всяком случае, еще не полностью понято». (Думаю, я хочу сказать, что не ожидайте получить полный ответ на этот вопрос, не посвятив свою жизнь физике.)

Кстати, если число 6*10^23 вам ничего не говорит, посмотрите число Авогадро. (Затем вам также придется подумать о том, сколько кратно числу молекул Авогадро составляет рассматриваемая вами форма жизни.)

Отметим еще одну вещь: стандартный пример на вводном занятии по квантовой механике (названном «современной физикой», когда я его взял) — это пример радиоактивности (в частности, альфа-частиц, я полагаю, что это было) и того, как квантовая механика дает объяснение, почему это вообще может произойти. (Ответ — туннелирование, хотя давайте дадим ему определение «частицы, имеющей ненулевую вероятность внезапного существования вдали от химии своего обычного материала, поэтому она затем продолжает свое существование, не будучи «удержанной на месте» всеми другие частицы вокруг него».) Но радиоактивности не происходит, потому что ваш образец урана (например) мал; Это'

Переключив передачу, давайте вернемся к вашей истории (или тому, что побудило вас спросить об этом). Миниатюризация, как вы ее описываете, на самом деле не является реальной вещью. Объекты, с которыми мы сталкиваемся в повседневной жизни, определяются их химическим составом, а химический состав нельзя просто «уменьшить». (В качестве аналогии: постройте дом своей мечты из «Лего», а затем скажите: «Теперь я хочу уменьшить его до размеров кукольного домика». Чтобы это произошло, вам нужно, чтобы отдельные «Лего» уменьшились. Электроны, из которых состоит химия, не сжимаются. На самом деле, они никоим образом не меняются. Каждый электрон безупречно идентичен любому другому электрону во Вселенной (физики, я думаю, Джон Уилер, однажды сделали шутка о том, что во Вселенной существует только один электрон, выполняя работу каждого электрона, который, как мы думаем, существует. Если вы когда-либо занимались объектно-ориентированным программированием, вы можете обнаружить, что это напоминает определение класса «электрон», а затем каждый раз создаете его экземпляр для каждого электрона, который, по-видимому, существует во вселенной. Со стороны вы можете понять, почему некоторый контент о строении вселенной кажется странным образом похожим на компьютерную программу.)

Таким образом, чтобы действительно что-то миниатюризировать, вы создаете что-то, что ведет себя идентично исходному объекту, но с меньшим количеством частиц. Можете ли вы на самом деле сделать это с биологическим объектом, вероятно, больше не вопрос для физиков, если только они не физики, которые занимаются биологическим моделированием. (Кроме того, в университетах, где есть медицинский факультет, могут быть некоторые занятия по биологии на физическом факультете, вероятно, ориентированные на студентов, изучающих физику в рамках подготовки к медицинскому факультету. университеты.)

Если вы думаете о научной фантастике, вы можете рассмотреть пару возможностей:

(1) Процесс «миниатюризации», который вы описываете, может быть больше похож на «наномашинное воссоздание биологических организмов», что опять же означает, что кто-то строит устройство, чтобы попытаться воспроизвести поведение данного организма. Тогда вам просто нужно узнать немного больше о наномашинах, если вы хотите быть точным в рамках их ограничений.

(2) Посмотрите на малопонятные части физики в поисках мест, где вы можете проявить творческий подход. Относительно этого... имейте в виду, что человек, немного знакомый с химией и совсем не знакомый с физикой, может думать только о трех фундаментальных частицах: протонах, нейтронах и электронах. (Я полагаю, что многие люди знают о фотонах, но они упускают из виду тот факт, что электроны являются «посредниками силы» для электронов.) Это приводит нас к тому, что нужно копнуть глубже: если вы откроете учебник по физике элементарных частиц (или перейдете к главу «физика элементарных частиц» в современном учебнике физики), вы увидите, что есть еще куча этих фундаментальных частиц, некоторые из которых наблюдались, а некоторые нет. «Пока еще не понятое» — благодатное место для поиска вещей, которые вы можете сделать для «обоснованных предположений». для использования в научной фантастике. (И если вам интересно, почему остальные частицы вообще существуют… мой не слишком информированный ответ: «звезды, вещество, происходящее от звезд, «опосредование физических эффектов», а затем любой механизм вселенной». что мы поняли достаточно хорошо, чтобы даже предположить, что он существует, но недостаточно хорошо, чтобы объяснить его с какой-либо ясностью».) Разумеется, я не предлагаю вам пытаться разобраться в учебнике по физике элементарных частиц, не изучив все предварительные требования (например, обычный год изучения физики, основанной на исчислении, введение в современную физику, введение в термодинамику, курс «Электричество и магнетизм», курс «Квантовая механика»; в предисловии к книге Гриффита «Введение в элементарные частицы» он предполагает, что «большинство такой класс'

Заключительное замечание: если ваша цель — рассказать историю, не забывайте, что основной способ не увязнуть в «точности» — просто не поднимать ее. (Конечно, насколько вам это сойдет с рук, будет зависеть от истории, которую вы пытаетесь рассказать.)

На людей влияет квантовая механика: некоторые человеческие глаза способны обнаруживать один квант света (фотон).

Белки — это мельчайшие машины клетки, которые могут делать что-нибудь интересное (для какого-то определения интересного , но я работаю с белками и у меня есть пристрастие). Они представляют собой длинные цепочки из сотен аминокислот (тысячи атомов), которые выполняют такие функции, как перекачка воды, питательных веществ и отходов в клетки и из них, направляют химические реакции, посылают сигналы и т. д.

Одним из инструментов для их изучения является моделирование молекулярной динамики. Они в значительной степени используют классическую механику (заменяя атомы причудливой версией мягких мячей) с небольшими числовыми корректировками для очень точного воспроизведения квантового поведения. Настройки в основном заключаются в том, чтобы избежать решения полной электростатической проблемы, где находятся электроны на каждом временном шаге; но ничто из этого не показалось бы странным микроскопическому индивидууму.

Таким образом, чтобы получить в целом квантово-странное поведение, вы должны стать меньше, чем основная функциональная единица жизни, какой мы ее знаем.

Актуальный вопрос заключается в следующем: насколько большой может быть система и при этом оставаться квантовой?

Некоторые теории говорят, что если запутаться достаточное количество частиц, то волновая функция может спонтанно коллапсировать, а это означает, что, например, невозможно запутать кота Шредингера в распадающемся атоме.

Пределом для этого будет также размер этого животного.