Молекули у космосі використовують квантову механіку
Молекули, плаваючі у темному холодному вакуумі міжзоряного простору можуть використовувати квантову механіку, щоб реагувати і створювати більш складні хімічні речовини. Так говорить одне з останніх досліджень.
Реакції пояснюються шляхом роботи хитромудрих властивостей квантової фізики (про яку ми знаємо напрочуд мало), що цілком може бути ключем до створення складних органічних молекул. У тому числі – і життєво необхідних.
Астрономам давно відомо, що зірки є «фабриками» з виробництва хімічних елементів, але тільки недавно вчені виявили складні органічні молекули, циркулюючі в хмарі газу і пилу в космосі. Формування цих хімічних речовин, що включають спирти, цукор і навіть компонент смоли, важко пояснити, бо молекули в космосі дуже рідко стикаються.
У минулому році астрономи виявили молекулу метокси-, або CH3O, в хмарі газу. Вона формується, коли гідроксильна група (OH) взаємодіє з метанолом (CH3OH). Проте реакція вимагає більше енергії, ніж можна отримати в просторі, де температури коливаються трохи вище абсолютного нуля.
Особливо не цікавлячись цією загадковою реакцією, Дуейн Херд і його команда в Університеті Лідса в Англії досліджували реактивність гідроксилу з іншими молекулами, в тому числі і метанолу. У ході роботи дослідники помістили два реагенти разом у кріогенну судину. На їхній подив, реакція сталася приблизно в 50 разів швидше при температурі -210 градусів за Цельсієм, ніж при кімнатній температурі, хоча охолодженим молекулам було потрібно значно менше енергії для роботи.
Команда Херда пов’язує своє відкриття з явищем квантового тунелювання. Як правило, хімічна реакція відбувається тільки якщо реагують молекули володіють достатньою енергією для подолання порогу під назвою енергетичний бар’єр, образно представляється як пагорб. Своєрідний наслідок квантової механіки такий, що іноді молекули можуть «підійматися» на цей пагорб і без необхідної енергії.
«Частка може йти напролом крізь гори, немов гір і немає», – говорить Ерік Гербст, астрохімік з Університету Вірджинії в Шарлоттсвіле.
Херд і колеги з’ясували, що шанси на квантове тунелювання виростають при зниженні температури, оскільки повільні молекули гідроксилу та метанолу скоріше будуть триматися разом, ніж відштовхуватися при зіткненні. Такий дивна зв’язок надає більше можливостей для тунелювання через енергетичний бар’єр, тим самим прискорюючи реакцію. За оцінкою Херда, 1 з 10 гідроксил-метанолових зіткнень в космосі виробляє метокси; без квантового тунелювання шанс впаде від 1 до 10 мільйонів.
Інші міжзоряні молекули можуть бути зобов’язані своїм існуванням квантовій механіці. Це не унікальний випадок. Знайдуться і інші реакції.