08 Kasım 2020

Doğanın gizemleri ve kuantum

Kuantum mekaniği bize atomların ve atomaltı parçacıklarının tuhaf dünyalarının kapılarını açtı; kuantum teknolojisi ile yaşamımız değişti. Evreni daha farklı algılar olduk. Şimdi yaşam bilmecesini onunla anlamaya çalışıyoruz

Evreni anlamakta zorlanıyoruz ama elimizde iki sihirli anahtar var: Görelilik (relativite) ve Kuantum Teorileri.

Görelilik akılcı ve gerçek; kuantum ise belirsiz.

Ancak biliyoruz ki evrenin nasıl işlediğini anlamak için kuantum dünyasını anlamamız gerek. Yaşamı anlamak için de kuantum dünyasını anlamamız gerekiyor.

Bunu ilk dile getiren Ernest Shrödinger, kedisiyle ünlü Avusturyalı bir fizikçi.

Kuantum mekaniğine olan katkılarıyla, özellikle de 1933'te kendisine Nobel Ödülü kazandıran Schrödinger Denklemi'yle bilim tarihinde yerini aldı. 1935'te öne sürdüğü 'Schrödinger'in kedisi' olarak bilinen düşünce deneyi ile de ölümsüzleşti.

Shrödinger'in kedisi, kuantum parçacıklarının dünyasında geçerli olan "süperpozisyon" ilkesini bizim gerçekliğimize, yani makro boyuta taşıyarak, anlaşılır kılmayı amaçlayan bir düşünce deneyi.

Kuantum Kuramı'nın öncülerinden olan Shrödinger, 1944 yılında çok farklı bir alanda bir kitap yayınlıyor: "What Is Life".

Bu kitabında, canlı organizmaların genetik şifresini barındıran karmaşık bir molekül olabileceğini öne sürüyor. Onunla da kalmıyor, kuantum mekaniğinin yaşamsal olguları anlamada anahtar rol üstlenebileceğini söylüyor.

O bunları dile getirdiğinde "Deoksiribo nükleik asit" yani kısaca DNA olarak bildiğimiz tüm organizmaların genetik bilgilerini taşıyan moleküler yapı henüz keşfedilmemişti.

Shrödinger'in bu çarpıcı öngörüleri iki bilim insanı James Watson ve Francis Crick 'i derinden etkileyecektir. Nitekim, yıllar sonra birbirlerinden bağımsız olarak yazdıkları anılarında, Schrödinger'in kitabında ileri sürdüğü fikirlerden etkilendiklerini yazarlar.

Biliyorsunuz, bu bilim insanları 20. yüzyılın en önemli bilimsel keşiflerinden birisi olan ikili sarmal yapılı "DNA"nın kaşifleridir ve bu keşifleriyle 1962'de Nobel Tıp ve Fizyoloji Ödülü'ne layık görüldüler.

Shrödinger'in 1944 yılında kaleme aldığı öngörüleri özellikle son yıllarda bilim dünyasında karşılık bulmaya başladı. Bilim insanları doğanın ve yaşamın gizemlerini kuantum fiziğiyle çözebileceklerini düşünür oldular. Biyolojik yapılarda önceleri açıklanamaz olan birçok şeyi anlamada kuantumun anahtar rolü olabilir fikri gittikçe anlam kazanır oldu.

Örneğin bakterilerin "kuantum dolanıklık"la ilişkilendirilebilir olduğu ileri sürülüyor. Eğer bakterilerin kuantum etkileri gösterdiği kanıtlanırsa bu makro organik yapıyla atom altı kuantum dünyası arasındaki bir etkileşimin önemli bir kanıtı olacak.

Bilim insanları doğanın başka gizemlerini de kuantum fiziğiyle çözmeye çalışıyorlar. Göçmen kuşların gökyüzü boyunca binlerce km yol alarak yollarını büyük ustalıkla bulmaları veya fotosentez olayı bunlardan ikisi.

Bu çalışmalar, kuantum etkilerinin biyolojik sistemlerdeki rolünü araştıran, günümüzde "Kuantum Biyoloji" olarak adlandırılan ve çok hızlı gelişen bir araştırma alanının doğmasını sağladı. 

Kuantum ve fotosentez ilişkisi

Son yıllarda fotosentez ile kuantum olguları arasında bağlantı kuran çalışmalar yapılıyor. Araştırmacılar, yeşil bitkilerin ve bazı bakterilerin güneş ışığını kimyasal enerjiye dönüştürdüğü süreç olarak tanımlayabileceğimiz fotosentez olayının kuantum fiziği ilkeleri ile açıklanabileceğini belirtiyorlar. 

Chicago Üniversitesi'nde Profesör Greg Engel, 2007 yılında gerçekleştirdiği bir çalışmada eksitonların süperpozisyon olarak adlandırılan bir kuantum etkisi gösterdiğini ortaya koydu.

Eksiton bir kuantum parçacığı, enerji iletimi yapan bir parçacık, gerçekte bir elektron ve bir boşluğun ikili durumu olarak tanımlı.

Fotosentez olayında bitki hücreleri ışık parçacıklarını topluyor, enerji eksitonlar tarafından emiliyor ve uyarılmış olan elektron geride pozitif yüklü bir boşluk bırakarak bir üst enerji seviyesine atlıyor. Buna kuantum sıçraması diyorduk. Bu yolla foton enerjisi, kimyasal enerjiye dönüştürecek ve bitki tarafından emilmesini sağlayacak merkeze iletiliyor.

Her şey saniyenin milyarda birinde gerçekleşiyor. Eksitonlar yer değiştirmeden, bir yerden diğer bir yere hareket etmeden enerji transferi gerçekleşmiş oluyor.

Kuşlar nasıl göç eder?

Bilim insanlarının kuantum fiziği ile açıklamaya çalıştıkları bir başka gizemli olay ise kuşların göç yolları.

Bunun Dünya'nın manyetik alanı ile ilintili olabileceği uzun zamandır bilinen bir olgu, ancak nasıl olduğu konusu belirsizdi.

Kuşlar, Dünya'nın manyetik alanından sinyaller alan pusulaları varmış gibi hareket ediyorlar. Ancak oldukça zayıf olan manyetik alan sinyallerinin kuşlar tarafından nasıl algılandığının ise doyurucu bir açıklaması yoktu.

Oxford Üniversitesi'nden araştırmacılar, Avrupa kızılgerdan (rubin) kuşlarının göç yollarını ve alışkanlıklarını incelediler. Bir Güneş ışığı fotonunun kuşun retinasına çarpması sonucu serbest kalan elektronların spininin Dünya'nın manyetik alanıyla yönlenerek kuşu daha sıcak iklimlere yönelttiğini belirtiyorlar. Araştırmacılara göre, kuşların ve diğer bazı türlerin yönlerini bulmada kuantum dolanıklık etkili. Bu onlara bir pusula etkisi sağlamakta ve kuşun Dünya'nın manyetik alanının bir haritasını oluşturmasına izin vermekte.

Kuantum mekaniği bize atomların ve atomaltı parçacıklarının tuhaf dünyalarının kapılarını açtı; kuantum teknolojisi ile yaşamımız değişti. Evreni daha farklı algılar olduk.

Şimdi yaşam bilmecesini onunla anlamaya çalışıyoruz.

Eğer anlayabilirsek, daha farklı bir soruya yanıt arayacağız: Biz kimiz ve bizi biz yapan şey nedir?


Kaynakça

Yazarın Diğer Yazıları

Zihnimizdeki resimler ve Dorian Gray'in Portresi

Kişiler gözümüzün önünde onların aynadaki görüntüleri ile değil, beynimizde yüklü özellikleri ile canlanır. Nasıl görünürlerse görünsünler zihinlerdeki resim bu algılara göre şekillenir

Tek elektron evren

Wheeler haklıysa, bizler bilinçli gözlemciler olarak gerçekliğimizin yaratıcıları mı oluyoruz? Ya da evreni görselleştirme sürecinin katılımcıları mı, tabii kapasitemiz ölçüsünde!

Kuantum bilgisayarlar

Ne diyordu Hawking: "Dünya dışı akıllı yaşamın neler yapabileceğini merak ediyorsanız Dünya üzerindeki insan türünün yaptıklarına bakın!"