Lys (sollys) har både partikkel- og bølgenatur (Den fotoelektriske effekt og Youngs dobbeltspalte diffraksjonseksperiment), men Louis Victor de Broglie kunne i sin doktorgradsavhandling vise at det samme gjelder alt stoff, ”naturens bølgenatur”. Innen bølgemekanikk har alle objekter og all materie en bølge- eller partikkelnatur. de Broglie-bølgelengden til materien er lik Plancks konstant h( 6.6260693·10-34 J s) dividert på bevegelsesmengden p til massen λdB= h/p = h/(mv). Ofte deler man Plancks konstant på 2π, og får Planck-Diracs konstant ħ = 1.05457168·10-34 J s.
Vi benytter oss av de Brogliebølgelengden til raske elektroner i et transmisjons elektronmikroskop. Partikler har posisjon, moment, spin og polarisering. Innen medisinsk MR benytter man spinnet til trillioner av protoner. Nøytronbølger kan brukes for å studere strukturen i proteinkrystaller.
Sannsynligheten for at partikkelen skal bevege seg gjennom en kvantetunnel avhenger eksponentielt av høyden, bredden og formen på barriæren. Etter passering gjennom barriæren i en tunnel har partikkelen samme energi, men amplituden har blitt mindre. Elektroner, protoner, nøytroner og små molekyler er eksempler på partikler som kan bevege seg gjennom en kvantetunnel. Marcus-kjemi bidrar til å forklare elektrontransport. Rudolph A. Marcus fikk nobelprisen i kjemi i 1992 (" for bidrag til teorien om elektronoverføringsreaksjoner i kjemiske systemer") for Marcus-teorien for elektronoverføring som kan anvendes innen fotosyntese, korrosjon, kjemiluminiscens og ladningsseparasjon i solcellepaneler. Ifølge Marcus-teori for elektronoverføring mellom molekyler i løsning er drivkraften som funksjon av reaksjonshastigheten formet som en parabel og reaksjonen skjer saktere jo sterkere drivkraften er, selv om dette synes selvmotsigende. Elektronoverføringsreaksjon kan skje i broer hvor elektroner overføres direkte til redoksenteret som i kobber- og jernproteiner, eller elektronoverføring over større avstander. Elektronet må gå i en tunnel for å hindre kortslutning eller at elektronet havner på feil sted. Marcus diskuterer det teoretiske grunnlaget for elektronoverføringeshastighet i redokssystemer avhengig av i hvilket medium det skjer. Overføringen skjer lettest når π- og σ-orbitaler overlapper hverandre i de to redokssentrene. Den andre drivfaktoren er Gibbs fri energi (ΔG) for reaksjonen mellom de to redokssentrene. Transisjonen skjer når ΔG er like for begge sentrene. Elektronet kan også kvantemekanisk passere i tunnel hvor energibarrieren krysses på et lavere nivå hvor bølgefunksjonene overlapper hverandre. Elektronet må overføres når reaktant og produkt har samme energinivå (Franck-Condon-prinsippet). Overføringen vil avhenge av høyden på energibarrieren mellom reaksjonssentrene. Det er en sammenheng mellom elektronoverføringshastigheten og forskjellen i fri energi mellom sentrene og elektronoverføringen går saktere når drivkraften mellom reaksjonssentrene blir større. Dette har betydning for å hindre tilbakestrømning av elektroner ved elektronoverføring i fotosyntesen.
Radioaktivitet er utsendelse av partikler og energi fra ustabile kjerner, og partiklene kan gå i tunnel ut av kjernen. Heisensbergs usikkerhetsprinsipp setter en grense for hvor presist posisjon og moment til en partikkel kan angis på et bestemt tidspunkt. Schrödingers bølgeligning angir sannsynligheten for å treffe på et elektron rundt en kjerne eller i et molekyl. Sannsynlighetstettheten er gitt i atomorbitaler i atomer eller molekylorbitaler i molekyler. Elektroninnfangning er eksempel på elektron tunneling inn i atomkjernen.
Kvantetunnel i biologi
Etter hvert finner man eksempler på kvantetunneler i biologi innen lysabsorbsjon, eksitasjon, overføring av eksitasjonsenergi i fotosyntesen, ionekanaler, proteinfolding, redoksenzymer og elektrontransportører, m.fl.. I fotosyntesen og cellerespirasjon kan elektroner bli transportert i en kvantetunnel, og elektroner kan spre seg som en bølge for å finne raskeste vei, eventuelt via "random walk" (virrevandring). Kvantetunnel kan man også finne i enzymer, hvor det også er mulig for protoner å bevege seg gjennom en tunnel, protonhopping, for eksempel ved redoks-prosesser hvor H+ inngår.
Spin kan gi magnetisme på molekylnivå i biologiske systemer. Det er indikasjoner på at trekkfugl orienterer seg etter helningen på feltlinjene i Jordens magnetfelt ved et lys-magnetisk fuglekompass hvor blåttlysreseptoren kryptokrom inngår og hvor fugler kan se hvilken retning de må fly for å finne fram. Imidlertid, det finnes også mange andre forklaringsmodeller på fuglenes navigasjon
Dissipative strukturer og irreversibel termodynamikk
Liv er dissipative energiforbrukende strukturer langt fra likevekt, beskrevet av reguleringsmekanismer, irreversibel termodynamikk, flukser av stoff og energi og lav entropi. Energien skapes og forbrukes via protongradienter og transport av elektroner oppover og nedover en redoksskala. Hvordan kan et astronomisk antall ioner, molekyler og enzymer gi et samvirkende orkestrert hele ? Er det en hoveddirigent i orkesteret eller er det mange smådirigenter ?
Hjernen og bevissthet
Hjernens kompleksitet og spørsmålet om hvordan milliarder synapsekoblinger i nervesystemet, aksjonspotensialer og nevrotransmittorer kan gi følelsen av bevissthet og ”jeg” har gjort at Sir Roger Penrose mener at klassisk fysikk og standard algoritmer ikke er omfattende nok til å kunne forklare virksomheten i den menneskelige hjernen, men at også kvanemekaniske prinsipper må tas i bruk, diskutert i boka The Emperor´s new mind (1989). Sammen med Stuart Hameroff har Penrose laget en kontroversiell Ork-OR hypotese ("Orkestrert objektiv reduksjon") presentert i Shadows of the mind (1994) hvor både tanker fra Kurt Gödel (Gödels teorem), en ny informasjonsfunksjon til tubulin i mikrotubuli cytoskjelettet i nervecellene inngår, samt Frölich koherens (korrelerte molekylbevegelser), navn etter Herbert Frölich (1905-1991). Koherent stadium for en kvanteharmonisk oscillator innen kvantemekanikk og kvanteoptikk tilsvarer en harmonisk oscillator e.g. pendel innen klassisk fysikk. Innen fysikk vil koherens angi muligheten for at to bølger som svinger i samme takt kan gi interferens, e.g. koherent elektromagnetiske bølger i laserlys, koherent monokromatisk lys hvor alle lysbølgene har samme fase og frekvens. Monokromatisk lys kan ha forskjellige faser, men lik frekvens. Ikke-koherent vil si både forskjellig fase og frekvens. Jfr. koherente stadier i Bose-Einstein-kondensater og superledning.
Litteratur
Wikipedia