'Schrödinger’in Bakterisi'ne mi gidiyoruz?

Jonathan O’Callaghan

Kuantum dünyası tuhaf bir alandır. Teoride ve bir düzeye kadar uygulamada temel ilkeleri, bir parçacığın aynı anda iki yerde birden ("süperpozisyon" adıyla bilinen paradoksal bir olgu) var olabileceğini ve bu iki parçacığın henüz nasıl olduğu bilinmeyen bir mekanizma sayesinde bilgi paylaşımını sürdürerek “birbirine dolanık” halde bulunabileceğini kabul eder.

Kuantumun tuhaflığının belki de en bilindik örneği, 1935 yılında Erwin Schrödinger tarafından tasarlanan bir düşünce deneyi olan ‘Schrödinger’in kedisi’dir. Avusturyalı fizikçi, içinde potansiyel olarak ölümcül radyoaktif madde bulunan bir kutuya bir kedi koyulması halinde, kuantum mekaniğinin tuhaf yasaları uyarınca sonucun nasıl olabileceğini hayal etmişti. Kedi, en azından kutu açılıncaya ve içerisi gözlemlenene dek hem ölü hem de diri halde olacağı bir “süperpozisyonunda” bulunacaktı.

DENEYLER TEYİT EDİYOR

Görünüşe göre, bu kavram, kuantum ölçeklerinde sayısız defa deneysel olarak onaylandı. Daha basit ve kesinlikle daha sezgisel olan makroskobik (gözle görülebilen) dünyamıza kadar ölçeklendirildi; bunun yanında, şimdi işler biraz değişti. Hiç kimse, bir yıldız, bir gezegen, süperpozisyondaki bir kedi veya bir kuantum dolanıklık durumuna tanıklık etmemişti. Fakat 20'nci yüzyılın başlarında kuantum teorisinin ilk formülleştirilmesinden beridir, bilim insanları mikroskobik ve makroskopik dünyaların tam olarak nerede iç içe geçtiğini de merak ettiler. Kuantum dünyası ne denli büyük olabilirdi ve en garip yönleri açısından canlıları derinden ve açık biçimde etkilemek için yeterince büyük olabilir miydi? Geçtiğimiz yirmi yıl içinde ortaya çıkan ve kuantum teorisinin sınırlarını açığa çıkarabilecek olan canlı organizmalar üzerinde deneyler öneren ve gerçekleştiren kuantum biyolojisi alanı, böylesi sorulara yanıt arıyor.

Bu deneyler daha şimdiden cesaret verici olan ama bir neticeye ulaşmayan sonuçlar verdi. Örneğin araştırmacılar bu yılın başlarında, kimi kuantum etkiler içerebilecek olan fotosentez süreçlerini ortaya koydular -burada organizmalar ışığı kullanarak gıda üretiyorlar-. Kuşların yönlerini nasıl bulduğu ya da nasıl koktuğumuz meseleleri de canlıların içinde olağan dışı biçimlerde kuantum etkilerinin yaşanabileceğini düşündürüyor. Fakat bunlar henüz kuantum dünyasıyla ilk temaslar. Şu ana kadar hiç kimse, tek hücreli bir bakteri olsa bile, canlı bir organizmada tam olarak kuantum dolanıklık veya süperpozisyon gibi kuantum etkilerini açığa çıkarmayı başaramadı.

Hâl böyleyken, Oxford Üniversitesi’ndeki bir araştırma grubunun yayınladığı yeni bir çalışma, bir bakterinin fotonlarıyla ışık parçacıklarının dolanıklaştığına dair iddiaları nedeniyle dikkatleri üzerine çekti. Kuantum fizikçi Chiara Marletto tarafından yönetilen ve ekim ayında Journal of Physics Communications dergisinde yayınlanan çalışma, 2016 yılında Sheffield Üniversitesi’nde fizikçi olan David Coles tarafından gerçekleştirilen bir deneye dair bir inceleme. Bu deneyde Coles ve arkadaşları, iki ayna arasındaki boşluğu bir insan saçının kalınlığından daha ince olacak oranda, birkaç yüz nanometreye kadar azalttı ve aynaların arasında birkaç yüz fotosentetik yeşil sülfür bakterisini dış dünyadan yalıttı. Araştırmacılar, beyaz ışığın aynalar arasında sıçramasıyla, bakterinin bünyesindeki fotosentetik (ışığı kullanan) moleküllerin boşlukla dolanıklaşmasını -veya etkileşime girmesini- umuyordu; temelde bakteri, sıçrayan fotonları sürekli olarak emip, yaymalı ve tekrar emmeliydi. Deney başarıya ulaştı; altı bakterinin bu biçimde çift oluşturduğu (dolanıklaştığı) görüldü.

DAHA FAZLASI DA OLABİLİR

Marletto ve meslektaşları, bakterilerin boşlukla bir çift oluşturmaktan daha fazlasını yaptığını da öne sürüyorlar. Araştırmalarında, deneyde üretilen enerji imzasının, bakterinin bünyesindeki fotosentetik sistemlerin ve boşluktaki ışığın dolanıklaşmasıyla uyumlu olabileceğini ortaya koydular. Özünde, dolanıklığın bir özelliği olarak, belirli fotonların bakteri içindeki fotosentetik moleküllere aynı anda çarptığı ve yok olduğu anlaşılıyor. “Modellerimiz, kaydedilen bu olgunun, ışık ve bakterilerin içindeki belirli serbestlik dereceleri arasında bir dolanıklık işareti olduğunu gösteriyor” diyor.

Oxford Üniversitesi’nde görevli ve çalışma eş yazarı olan Tristan Farrow’a göre, ilk defa böyle bir etki canlı bir organizmada gözlemlenmişti. “Schrödinger’in bakterisi fikrine doğru ilerleyen bir yolda olduğumuzu göstermek için kilit bir nokta, tabii ki bunu istiyorsanız” diyor. Ve doğal biçimde ortaya çıkan kuantum biyolojisinin başka bir potansiyel aşamasının da altını çiziyor: Yeşil kükürt bakterileri, hayati öneme sahip ışıktaki yetersizliğinin fotosentezi hızlandırmak için kuantum-mekanik evrimsel adaptasyonları (değişimleri) tetiklediği derin okyanuslarda yaşıyorlar.

Diğer yandan, böylesi tartışmalı iddialar hakkında birçok uyarı da bulunuyor. İlk olarak ve en mühimi, bu deneydeki birbiriyle dolanıklaşma kanıtı, bir insanın, boşlukla çevrelenmiş bakterilerin içinden ve dışından sızan ışık ışığın hangi yorumunu tercih ettiğine bağlı olarak değişken olabilir. Marletto ve meslektaşları, kuantum etkilerinden arındırılmış klasik bir modelin deney sonuçlarını da denkleme katabileceğini kabul ediyorlar. Öte yandan, elbette fotonlar hiç de klasik değil, kuantumdur. Ve aynı zamanda Newton’un bakterilerle ilgili yasalarını ve fotonların kuantum yasalarını kullanan daha gerçekçi bir “yarı-klasik” model de Coles ve meslektaşlarının laboratuvarlarda gözlemledikleri somut sonuçları yeniden üretmekte başarısızlığa uğruyor. Bu durum, kuantum etkilerinin hem ışıkta hem de bakteride (faklı) bir oyun oynadığını düşündürüyor. IBM Zurich Araştırma Laboratuvarı’nda kuantum bilgi işlem araştırmacısı olan ancak çalışmada yer almayan James Wootton, “bu biraz dolaylı ama bence bunun nedeni, yalnızca bir şeyleri dışarıda bırakmak ve aşırı iddialar öne sürmek noktasında oldukça titiz davrandıkları için” diyor.

ÖLÇÜMLER TOPLU YAPILDI

Diğer uyarıysa: Bakteri ve foton enerjileri, birbirinden bağımsız biçimde değil, toplu olarak ölçüldü. Bu durum, araştırmanın katılımcısı olmayan Hollanda Delft Teknoloji Üniversitesi’nden Simon Gröblacher’a göre, biraz sınırlama yapmak anlamına geliyor. “Orada sürmekte olan kuantum bir olgu var gibi görünüyor” diyor. Aralarındaki herhangi bir kuantum bağlantısını doğrulamak içinse, “Şayet dolanıklığı göstermek istiyorsanız, iki sistemi birbirinden bağımsız biçimde ölçmeniz gerekiyor” diyor.

Bu belirsizliklere karşın, birçok uzman açısından kuantum biyolojisinin kuramsal bir hayâlden somut gerçekliğe taşınması, yalnızca zaman meselesi. Biyolojik sistemlerin dışındaki moleküller, on yıllardır devam eden laboratuvar deneylerinde tecrit edilmiş ve toplu biçimde kuantum etkilerini açığa çıkardılar; bu yüzden, bu etkiyi bir bakteri içindeki benzer moleküller ve hatta kendi bedenlerimiz özelinde araştırmak yeterince makul görünebilir. Yanı sıra, insanlarda ve diğer büyük çok-hücreli organizmalarda, ‘önemsizlik aşamasına’ dek bu tür moleküler kuantum etkilerin ortalaması alınmalı; ancak çok daha küçük bakteriler bünyesinde anlamlı biçimde ortaya çıkmaları pek de şaşırtıcı olmayacak. Gröblacher, “Bu bulgunun ne oranda şaşırtıcı olduğuna ilişkin biraz kararsızım. Fakat bunu gerçek bir biyolojik sistemde gösterebilirseniz, gerçekten de heyecan verici olur” diyor.

Gröblacher ve Farrow tarafından yönetilen araştırma grupları dahil olmak üzere, birçok araştırma grubu bu görüşleri daha da ileri taşımayı umut ediyor. Gröblacher, ‘süperpozisyondaki tardigrad’ olarak adlandırılan ve küçük bir su hayvanını içeren bir deney tasarladı; bu, tardigrad’ın yüzlerce kat daha büyük olan boyutu nedeniyle, bakterilerin ışıkla dolanıklaşmasından çok daha zor bir önerme. Farrow da bakteriyel deneyi geliştirmenin yöntemlerini arıyor; gelecek yıl, o ve meslektaşları ışıkla bakterilerin bağımsız oldukları bir deney yerine, iki bakteriyi dolanıklıkla bir araya getirmeyi umuyorlar. Farrow “Uzun vadeli hedefler temel ve esastır” diyor. “Bu, gerçekliğin doğasını anlamak ve kuantum etkilerinin biyolojik işlevlerde bir kullanımı olup olmadığını anlamakla ilgili. Olguların kökeninde, her şey kuantumdur” diyor ve büyük sorunun, kuantum etkilerinin canlı organizmaların nasıl çalıştığı konusunda bir rol oynayıp oynamadığı olduğunu sözlerine ekliyor.

Marletto, “Mesela doğal seçilim, canlı sistemlerin kuantum olaylarından doğal olarak faydalanma yolları bulmasıyla ortaya çıkmış olabilir” diyor ve yukarıda bahsedilen bakteriler gibi ışığa gereksinim duyan örneklerin derin denizlerde fotosentez yaptığını sözlerine ekliyor. Ancak bunun derinlerine inmek küçük başlangıçlara ihtiyaç duyuyor. Araştırma, milyonlarca atomu devamlı ve başarılı bir biçimde birbirine bağlayan son bir deneyle makro ölçekteki deneylere doğru ilerliyor. Canlıları meydana getiren moleküllerin açığa çıkarılması -önemsiz amaçlar için olsa dahi- anlamlı kuantum etkileri gözler önüne seriyor ve bir sonraki adımın anahtarı niteliğinde. Bu kuantum ve klasik fizik sınırını keşfeden bilim insanları, şayet bu düşünce doğruysa, makroskopik düzlemde kuantum varlığının ne anlama geldiğini çözmeye de yaklaşabilirler.

*Kuantum dolanıklık, birbirlerinden tamamen ayrı ve uzakta olan iki parçacığın birbirleriyle ışık hızından daha hızlı bir şekilde iletişim kurması olayına verilen isimdir.

Yazının aslı Scientific American sitesinde yayınlanmıştır. (Çeviren: Tarkan Tufan)