Η κβαντική παραξενιά του νερού κάνει δυνατή την ύπαρξη του

Οι ζωοποιές ιδιότητες του νερού στηρίζονται σε μια λεπτή ισορροπία, λένε οι επιστήμονες. Αποδεικνύεται ότι η ζωή όπως την ξέρουμε στηρίζεται σε μια τυχαία, αλλά απίστευτα λεπτή, ισορροπία των κβαντικών δυνάμεων

Το νερό είναι ένα από τα πιο παράξενα υγρά του πλανήτη, και πολλές από τις πιο περίεργες ιδιότητες του το καθιστούν ζωογόνο. Για παράδειγμα, η υψηλότερη πυκνότητα του που έχει ως υγρό παρά ως πάγος του επιτρέπει να επιπλέει στο νερό, βοηθώντας έτσι να επιβιώσουν τα ψάρια κάτω από παγωμένες λίμνες και ποτάμια. Και σε αντίθεση με πολλά άλλα υγρά, χρειάζεται πολλή θερμότητα για να θερμανθεί ακόμα και λίγους βαθμούς Κελσίου, ένα χαρακτηριστικό που επιτρέπει στα θηλαστικά να ρυθμίσουν τη θερμοκρασία του σώματός τους.

Όμως πρόσφατες προσομοιώσεις σε υπολογιστή δείχνουν ότι στην κβαντομηχανική οφείλει το νερό αυτά τα ζωοποιά χαρακτηριστικά. Τα περισσότερα από αυτά οφείλονται στους ασθενείς δεσμούς υδρογόνου που συγκρατούν τα μόρια του νερού H2O μαζί σε μια δικτυωμένη δομή. Για παράδειγμα, οι δεσμοί του υδρογόνου είναι αυτοί που συγκρατούν τα μόρια του πάγου σε μια πιο ανοικτή δομή σε σχέση με το υγρό νερό, οδηγώντας το έτσι σε μια χαμηλότερη πυκνότητα. Αντίθετα, χωρίς δεσμούς υδρογόνου, τα υγρά μόρια του νερού θα κινούνταν ελεύθερα και θα καταλάμβαναν περισσότερο χώρο από ό,τι στις άκαμπτες δομές του στερεού πάγου.

Ωστόσο, σε προσομοιώσεις που περιλαμβάνουν τα κβαντικά φαινόμενα, τα μήκη των δεσμών του υδρογόνου αλλάζουν διαρκώς χάρη στην αρχή της αβεβαιότητας του Heisenberg, η οποία μας λέει ότι κανένα μόριο δεν μπορεί να έχει μια σαφή θέση σε σχέση με τα άλλα. Αυτό βεβαίως αποσταθεροποιεί το δίκτυο των δεσμών του υδρογόνου, αφαιρώντας τους πολλές από τις ειδικές ιδιότητες του νερού., εξηγεί ο Philip Salmon του Πανεπιστημίου Bath στη Βρετανία.

Το πώς όμως το νερό εξακολουθεί να υπάρχει σαν ένα δίκτυο δεσμών του υδρογόνου, αντίθετα με αυτές τις αποσταθεροποιητικές συνέπειες της κβαντομηχανικής, ήταν ένα μυστήριο.

Το 2009, ο θεωρητικός Thomas Markland, από το Πανεπιστήμιο του Στάνφορντ και οι συνεργάτες του πρότειναν ένα λόγο για τον οποίο η εύθραυστη δομή του νερού δεν καταρρέει εντελώς. Υπολόγισαν ότι η αρχή της αβεβαιότητας πρέπει να επηρεάζει επίσης και τα μήκη των δεσμών σε κάθε μόριο του νερού, και πρότεινε ότι γίνεται με τέτοιο τρόπο ώστε να ενισχυθεί η έλξη μεταξύ των μορίων και να διατηρείται έτσι το δίκτυο των δεσμών του υδρογόνου.

«Το νερό έχει τυχαία δύο κβαντικά φαινόμενα που ακυρώνουν το ένα το άλλο», λέει ο Markland.

Μέχρι πρόσφατα, όμως, δεν υπήρχε τρόπος για να ανακαλύψει αν υπάρχει καμία μεταβολή στο μήκος του δεσμού στο μόριο του νερού.

Τώρα, η ομάδα του Philip Salmon έχει χρησιμοποιήσει το λεγόμενο βαρύ ύδωρ, του οποίου τα δύο άτομα του κανονικού υδρογόνου αντικαταστάθηκαν με δευτέριο. Αυτό το ισότοπο του υδρογόνου περιέχει ένα νετρόνιο στον πυρήνα, καθώς και ένα πρωτόνιο. Η επιπλέον μάζα καθιστά το νερό λιγότερο ευάλωτο σε κβαντική αβεβαιότητα. «Είναι σαν να έχουμε τη μισή αβεβαιότητα», υποστηρίζει ο Chris Benmore, του Εργαστηρίου Argonne στο Ιλλινόις, ο οποίος δεν συμμετείχε στη μελέτη.

Ο Salmon και οι συνεργάτες του εκτόξευσαν ακτίνες νετρονίων πάνω σε διαφορετικές εκδόσεις του νερού, και μελέτησε τον τρόπο που αναπήδησαν τα άτομα – ένας ακριβής τρόπος για να μετρήσουμε τα μήκη των δεσμών. Αυτοί επίσης αντικατέστησαν στο νερό τα κανονικά άτομα οξυγόνου με βαρύτερα άτομα, κάτι που τους επέτρεψε να καθορίσουν ποιοί δεσμοί μέτρησαν.

Διαπίστωσαν λοιπόν ότι ο δεσμός υδρογόνου-οξυγόνου ήταν ελαφρώς μεγαλύτερος από ότι του δευτέριου-οξυγόνου, το οποίο είναι αυτό που θα περίμενε κανείς, αν η κβαντική αβεβαιότητα επηρεάζει τη δομή του νερού. “Κανείς δεν το είχε μετρήσει ποτέ", λέει ο Benmore.

Έχουμε συνηθίσει στην ιδέα ότι οι φυσικές σταθερές του Κόσμου έχουν τελειοποιηθεί για την ύπαρξη της ζωής. Τώρα φαίνεται ότι οι κβαντικές δυνάμεις του νερού μπορούν να προστεθούν σε αυτήν τη "μόλις σωστή” λίστα.