A víz kvantum furcsasága tartja fenn az életet

Pengeélen táncolnak a víz életadó tulajdonságai, derül ki egy új kutatásból, ami szerint az általunk ismert élet a kvantum erők egy véletlen, ugyanakkor rendkívül törékeny egyensúlyán alapul.

A víz bolygónk egyik legkülönösebb folyadéka, mégis elsősorban bizarr tulajdonságainak köszönhetjük létezésünket. Például azáltal, hogy folyékony halmazállapotának nagyobb a sűrűsége mint szilárdé, a jég lebeg a vízen, lehetővé téve a vízben élő lények számára a túlélést a részlegesen befagyott tavakban és folyókban. Felmelegítéséhez a legtöbb folyadékkal ellentétben rengeteg hőre van szükség, biztosítva az emlősök testhőmérsékletének szabályozását, emellett azonban számos alapvető funkció nélkülözhetetlen eleme.

Számítógépes szimulációk azonban azt mutatják, hogy a kvantum mechanika kis híján elvette a víztől ezeket az életadó sajátosságokat, melyek döntő többsége a H2O molekulákat hálózati rendszerben összetartó gyenge hidrogénkötéseknek köszönhető. A jég molekulákat összetartó hidrogénkötés például sokkal nyitottabb szerkezetű, mint a folyékony vízé, ezért alacsonyabb a sűrűsége. Ezzel szemben hidrogénkötések nélkül a folyékony molekulák szabadon mozognak és több helyet töltenek ki a merev szilárd szerkezetekben.

A kvantum hatásokat is magukba foglaló szimulációkban azonban váltakozik a hidrogénkötés hossza a Heisenberg határozatlansági elvnek köszönhetően, ami kimondja, hogy egy részecske helyzetét és sebességét (illetve impulzusát) egyidejűleg nem lehet pontosan meghatározni. Ez instabillá teszi a hálózatot, és elvileg megfosztaná a vizet több különleges tulajdonságától. Hogy a víz hogyan képes mégis hidrogénkötések hálójaként fennmaradni a kvantum hatások ellenére, azt mind máig rejtély övezte.

2009-ben Thomas Markland elméleti tudós, aki jelenleg a kaliforniai Stanford Egyetemen tevékenykedik, munkatársaival felvázolt egy megoldást arra, miért nem omlik össze teljesen a víz törékeny szerkezete. Kiszámították, hogy a határozatlansági elv hatással lehet minden egyes vízmolekula közötti kötés hosszára is, méghozzá oly módon, hogy az megerősíti a molekulák közötti vonzást, fenntartva a hidrogénkötés hálózatot. "A víznek véletlenül két kvantum hatása is van, amik kioltják egymást" - mondta Markland.

Egészen mostanáig azonban nem volt lehetőség a vízmolekulákon belüli kötések hosszában előforduló különbségek alátámasztására. Ezt a hiányt pótolta a brit Bath Egyetem Philip Salmon vezette csapata. Kutatásukhoz nehéz vizet használtak, amiben a molekulák két hidrogén atomját deutériumra, a hidrogén egy izotópjára cserélték, ami egy neutront és egy protont is tartalmaz. Az így keletkező többlet tömeg ellenállóbbá tette a víz ezen változatát a kvantum határozatlanságokkal szemben. "Olyan mintha a kvantum mechanikát félig kikapcsolnánk" - mondta Chris Benmore, az illinois-i Argonne Nemzeti Laboratórium tudósa, aki nem vett részt a tanulmányban.

Salmon és munkatársai neutron sugarakkal bombázták a két fajta vizet, majd kielemezték a sugarak visszapattanásának módjait az atomokról, amiből pontosan megállapíthatóvá vált a kötések hossza. Emellett a nehéz és a hagyományos vízben is nehezebbre cserélték az oxigén atomokat, amiből megállapíthatóvá vált, hogy mely kötéseket mérik. Az eredmények szerint a hidrogén-oxigén kötések valamivel hosszabbak voltak, mint a deutérium-oxigén kötések, vagyis gyakorlatilag azt a hatást észlelték, amit a víz szerkezetét befolyásoló kvantum határozatlanság okozhat. „Ezt eddig senkinek sem sikerült megmérnie” - tette hozzá Benmore.

Egy ideje már tudjuk, hogy a világegyetem fizikai állandói az élet fenntartására vannak hangolva, most azonban úgy tűnik, ehhez a listához hozzá adhatjuk a víz kvantum erőit is.