Kuantum mekaniği sadece çok küçük parçacıklarla ilgili değildir. Kuantum mekaniği bütün boyutlar için geçerlidir: kuşlar, bitkiler, hatta insanlar.
Bu defa dergimiz NetBilim’in Aralık 2012 sayısında yayınladığımız “Kuantum Dünyasında Yaşam” isimli yazımızdan bir kesiti buradan paylaşacağım. Bu yazı, Oxford Üniversitesi’nden Vlatko Vedral’in ünlü Scientific American dergisinde yayınlanan 18 Mayıs 2011 tarihli makalesi göz önünde bulundurarak kuantum fiziği ile aslında sandığımızdan daha fazla iç içe olduğumuza vurgu yapan bir yazı olarak hazırlandı. Kuantum fiziğinin kuşların yaşamına nasıl etki ettiğini bu yazıda incelemiş olacağız.
Avrupalı robin kuşları kurnaz küçük kuşlardır. Her yıl İskandinavya’dan ekvatoral Afrika’nın sıcak ovalarına göç ediyorlar ve baharda, kuzeyde hava daha tolere edilebilir hâle geldiğinde, geri dönüyorlar. Robinler doğal bir kolaylıkla 13.000 kilometrelik bu gidiş-dönüş yolculuğunu yapmaktadırlar.
İnsanlar kuşların ve diğer hayvanların bir iç pusulaya sahip olup olmadıklarını uzun zamandır merak etmiştir. 1970’li yıllarda Almanya’da Frankfurt Üniversitesi’nin Wolfgang ve eşi Roswitha Wiltschko tarafından Afrika’ya göç eden robinleri yakaladılar ve yapay manyetik alan altına onları koydular. İşin garibi, robinler manyetik alan yönünün tersi bir yönden habersizdirler, bu da onların güneyden kuzeye olan yönelimden habersiz olduklarını gösterir. Bu kuşlar Dünya’nın manyetik alanın eğikliğine tepki verdiler, yani alan çizgilerinin yüzey ile yaptığı açıya. Bu da onların bu göç yolculuğunu gerçekleştirmek için bu manyetik alan eğimine gerek duydukları anlamına gelebilir. İlginçtir, gözü bağlı robinlerin tümü bir manyetik alana tepki veremedi, bu da onların gözleri ile alanı algıladıklarını gösterir.
2000’de, göç eden kuşlara tutkulu olan Southern Florida Üniversitesi’nden bir fizikçi Thorsten Ritz ve onun çalışma arkadaşları dolanıklığın bir anahtar olduğunu öne sürdüler. Onların senaryosunda, Illinois Üniversitesi’nden Klaus Schulten’in önceki bir çalışması üzerine inşa edilen bu senaryoda, bir kuşun gözü toplam spini sıfır olan bir dolanık çifti oluşturan iki elektronlu bir molekül türüne sahiptir. Böyle bir durum basitçe klasik fizik ile izah edilemez. Bu molekül görünür ışığı soğurduğunda, elektronları ayırmak için yeterince enerji alır ve Dünya’nın manyetik alanını da kapsayacak dış etkilere duyarlı hâle gelir. Eğer manyetik alan eğik olursa, bu molekülün uğradığı kimyasal reaksiyonu değiştiren bir dengesizlik oluşturarak iki elektronu farklı etkileyecektir. Gözdeki kimyasal yollar nörolojik atımlar içinde bu farkı, kuşun beynindeki manyetik alanın bir görüntüsünü nihayetinde oluşturarak nakleder.
Ritz’in mekanizması için kanıtlar doğrudan olmamasına rağmen, Oxford Üniversitesi’nden Christopher T. Rogers ve Kiminori Maeda Ritz’in laboratuvarındakine benzer moleküllerle çalıştılar ve bu moleküllerin elektron dolanıklığı yüzünden manyetik alanlara gerçekten duyarlı olduğunu gösterdiler. Araştırmacıların yaptıkları hesaplamalara göre kuantum etkileri 100 mikrosaniye civarında bir kuşun gözünde sürmektedir. Bu bağlamda, aslında uzun bir süre sayılır. Yapay olarak tasarlanmış elektron-spin sistemi için kaydedilen süre yaklaşık 50 mikrosaniyedir. Biz çok uzun süre için doğal bir sistemin kuantum etkileri nasıl engelleyebildiğini henüz bilmiyoruz, ama bunun cevabı eşevresizlikten kuantum bilgisayarların nasıl korunacağına dair bize fikirler verebilir. Bununla ilgili olarak ben 26 Eylül 2012 tarihli bir haberi Kuark Bilim Topluluğu’nun KBT Bilim Sitesi’nde “Kuşların Kuantum Yaşamı: Elektron Spini ve Pusulası” ismiyle yayınladım, bu yazının ardından bu haberi okumanızı tavsiye ederim. Haberde ise farklı üniversitelerden bilim insanlarının kuşların dış manyetik alana bağlı olarak kuantum etkinin nanosaniye (saniyenin milyarda biri) mertebesinde mi yoksa az önce bahsettiğimiz gibi mikrosaniye (saniyenin milyonda biri) mertebesinde mi sürdüğüne yönelik tartışmayı konu edinmiştim. Bu etkilerin nanosaniyeler mertebesinde sürmesinin kuşlar için daha olumlu olacağı çünkü hızlı bir süreç daha fazla bilgi anlamına gelir ve böylelikle onlar daha iyi bir navigasyonla göçlerini sürdürebilir düşüncesine rağmen araştırmalardan mikrosaniyeler mertebesinde olması gerektiği şeklinde olanları bir hayli fazla. Henüz bilim insanlarının uzlaşamadığını ya da kuantum dünyasının saklı hazineleri doğru bir şekilde bulmamızın ne kadar güç olduğunu söyleyebiliriz buradan.
Dolanıklığın çalışabildiği başka bir biyolojik süreç fotosentezdir, bu süreç güneş ışığını kimyasal enerjiye dönüştüren bitkilerde gerçekleşir. Gelen ışık bitki hücreleri içine elektronları çıkarır ve bu elektronlar, enerjilerini bırakacakları kimyasal reaksiyon merkezi adı verilen yere varmak için düzgün bir yol bulmaları gereklidir. Burada elektronların enerjilerini bırakmasıyla bitki hücreleri için lazım olan kimyasal enerjinin elde edilmesi amacıyla reaksiyonlar başlar. Bu bildiğimiz bitkilerin karbondioksiti havadan alıp oksijeni saldıkları fotosentez olayının güneş ışığı ile bağlantılı olan kısmına dair bu süreçtir. Bu süreci fizikçiler taklit ederek güneş pillerinde güneş ışığını kullanarak fotoduyar yüzeylerden elektronları söküp elektrik enerjisi elde etmeyi başardılar. Biz fizikçilerin yaptığı bu teknoloji ile ürettiğimiz güneş pillerinde o fotoduyar yüzeye gelen güneş ışınlarının en fazla %50’si kullanılabiliyor. Ne var ki, bitkilerdeki bu fotosentez sürecinde gelen güneş ışığının neredeyse %100’ü kimyasal enerjiye dönüştürülmesinde kullanılmış oluyor. Kromofor adı verilen pigment molekülleriyle öyle bir mükemmel enerji taşıma mekanizması var ki bu mekanizmanın taklit edilebilmesi gelecek teknolojiler açısından oldukça önemli yer tutar. Fakat bu mekanizma nasıl işliyor? İşte klasik fizik bitkilerin bunu nasıl mükemmele yakın verimlilikle yaptığını açıklamada başarısızdır. Oysa kuantum mekaniği bu konuda kulağımıza bir şeyler fısıldıyor olabilir!
California Üniversitesi’nden Graham R. Fleming, Mohan Sarovar ve onların çalışma arkadaşları ile Toronto Üniversitesi’nden Gregory D. Scholes’dan oluşan farklı araştırma gruplarının deneyleri bu az önce bahsettiğimiz sürecin yüksek verimliliğini kuantum mekaniğin hesaplayabildiğini öne sürmektedirler. Bir kuantum dünyasında, bir parçacık belli bir zamanda belli bir yol almak zorunda değildir; bu parçacık aynı anda hepsini alabilir. Bitki hücreleri içindeki elektromanyetik alanlar bu yolların bazılarının birbiriyle iptal edilmesine ve diğerlerinin karşılıklı olarak desteklenmesine neden olabilir, böylece elektronun dolambaçlı bir yolu alma şansı azalır ve bu kimyasal reaksiyon merkezine düz bir şekilde gitme şansını artırır. Elektron dolambaçlı bir yolu izlerse kimyasal reaksiyon merkezine giderken, bu durumda ortamla daha çok etkileşime girecek, daha fazla enerji kaybına uğrayacaktır. Böyle bir enerji kaybına uğramadan, bitki hücreleri içindeki elektromanyetik alanların yönlendirdiği ve kuantum mekaniğinin öngördüğü yolları elektronların izlemesi fotosentez sürecindeki mükemmel bir verimliliğin sakladığı hazinelerden biridir. Belki bu yollar güneş pilleri tasarımlanırken taklit edilebilir ve enerji konusunda daha sorunsuz bir kaynak olan Güneş’ten böylelikle daha fazla yararlanmış olabiliriz. Kuantum dünyasında yaşamak, insanlar için de fayda verici olabilir…
Dolanıklık yaklaşık 100.000 atomdan daha fazlasına sahip olmayan molekülleri içerecek şekilde var olduğu görünüyor. Daha büyük uzaklıklarda ve daha kalıcı dolanıklık doğada var mı? Biz henüz bilmiyoruz ama bu soru gelişmekte olan bir disiplini uyarmak için yeterince heyecan verici: kuantum biyoloji.
Buraya kadar anlattıklarımız daha çok kuantum mekaniğinin karakteristik bir özelliği olan kuantum dolanıklık olgusu ile ilgiliydi. Bu konuyu burada anlatırken çok daha anlaşılır örnekler vermedim ama bu konuyu ve bu konuyla beraber kuantum ışınlanmayı “Kuantum Dolanıklık ve Kuantum Işınlanma” isimli yazımda ele almıştım. Bu konu ilginizi çektiyse daha anlaşılır yönlerini keşfetmek için bu yazımızı okumalısınız.
Bu yazının başında belirttiğim gibi, “Kuantum Dünyasında Yaşam” isimli NetBilim’in Aralık 2012 sayısında yayınladığım yazıda kuantum dolanıklığın veya kuantum mekaniğinin bir bütün olarak baktığımızda bizim yaşadığımız evreni algılamamızda ne gibi değişikliklere yol açabileceğine dair daha detaylı incelemeler yaptığımı belirtmiştim. Burada kısa kısa bahsettiğim konuların detaylarını o yazıda bulabilirsiniz ve yazımızda şu soruya cevap aradığımızı da görmüş olacaksınız: “Mikrodünyanın teorisi olarak gördüğümüz kuantum mekaniği, makrodünyada başka hangi hazineleri saklıyor olabilir?”
Gökhan Atmaca, MSc. twitter.com/kuarkatmaca | instagram.com/anadoluca
Kaynaklar:
Vlatko Vedral, Living In A Quantum World, Scientific American, Haziran 2011
Zeynep Ünalan, Kuantum Penceresinden Biyoloji, Bilim ve Teknik Dergisi, Temmuz 2010
Gökhan Atmaca, Uydu Temelli Kuantum İletişime Doğru, NetBilim Dergisi, Haziran 2012
