Artz

آیا افکار ما توسط مکانیک کوانتم کنترل می‌شود؟

  • فنآوری
  • 0
  • 1هزار
  • 0

گراهام فلمینگ روی یک نیمکت به شکل ال نشسته که فضایی به مساحت دو برابر یک پارکینگ را اشغال کرده است. در کنار او یک جفت دستگاه لیزر در حال تولید پالسهای نوری به طول یک هزار تریلیونیم ثانیه هستند. این بارقه های نوری، پس از عبور از یک مسیر پرپیچ و خم از آینه ها و عدسیها، سرانجام سر از یک جعبه سیاه دودگرفته در می آورند که شامل پروتئینهایی از باکتریهای گوگرد سبز میباشد. این باکتریها، در حالت عادی، غذا و انرژی خود را از خورشید بدست می آورند. درون این جعبه سیاه، سیستمهای اپتیکی با دقت یک میلیاردم متر، در حال ردیابی موضوع شگفت انگیزی هستند: الکترونهای رقصان درون این پروتئینها، پرشهای بظاهر ناممکنی انجام میدهند و بنظر میرسد که در آن واحد در چندین نقطه حضور داشته باشند.

 

سلول عصبی یک حلزون دریایی می تواند از نیروهای کوانتومی برای پردازش اطلاعات استفاده کند. در انسان نیز، فیزیک کوانتومی احتمالا در فرآیند تفکر دخیل میباشد.

 

فلمینگ و همکارانش در دانشگاه برکلی کالیفرنیا و دانشگاه سنت لوییس واشنگتن با بررسی دقیق این پروتئینها، موفق به کشف موتور محرکه یک مرحله کلیدی از فرآیند فوتوسنتز شده اند. فرآیندی که گیاهان و برخی از ریزجانداران توسط آن آب، دی اکسید کربن و نور خورشید را به اکسیژن و هیدراتهای کربن تبدیل میکنند. این فرآیند که نیروی محرکه تقریبا تمامی حیات موجود روی زمین است، از هر فرآیند مبدل انرژی که تا کنون توسط بشر ساخته شده، کارآمدتر میباشد. نکته قابل توجه این است که فوتوسنتز کارآیی شگفت آور خود را، نه از قوانین آشنای فیزیک که بر جهان مرئی حاکم هستند، بلکه از قواعد بظاهر غریب مکانیک کوانتومی، یا فیزیک دنیای درون اتم، بدست می آورد.


بنظر میرسد که در هر گیاه سبز یا هر باکتری فوتوسنتز کننده ای، دو قلمرو نامتجانس فیزیک نه تنها یکدیگر را ملاقات میکنند، بلکه بگونه ای همساز با هم پیوند میخورند. به دنیای جدید و شگفت انگیز زیست شناسی کوانتومی خوش آمدید!

 

در ظاهر امر، بنظر میرسد که نتوان مکانیک کوانتوم و دانش زیست شناسی را با هم ترکیب نمود. زیست شناسی، با فرآیندهایی در اندازه های بزرگ سر و کار دارد، از تعاملات ملکولی بین پروتئینها و دی ان آ گرفته تا رفتار یک ارگانیزم در حالت کلی آن؛ حال آنکه مکانیک کوانتومی، طبیعت معمولا عجیب الکترونها، پروتونها، میونها و کوارکها - یا کوچکترین ذرات جهان - را مورد بررسی قرار میدهد. در زیست شناسی، اکثر رویدادها سرراست هستند، از این نظر که هر واکنش، واکنش دیگری را بگونه ای کاملا خطی و قابل پیش بینی ایجاد میکند. ولی مکانیک کوانتومی، بر خلاف آن، غیرقابل پیش بینی و فازی است، زیرا هنگامی که جهان را در اندازه های درون اتمی مورد بررسی قرار میدهیم، ذرات در عین حال موج نیز محسوب میشوند: یک الکترون رقصان، هم یک ذره قابل لمس است و هم یک نوسان انرژی. (اشیای بزرگتر نیز به دو شکل ذره و موج میتوانند وجود داشته باشند ولی تاثیر این امر در جهان ماکروسکوپی قابل توجه نیست.)

 

مکانیک کوانتومی اظهار میکند که هر ذره شانس حضور در مجموعه ای از مکانها را دارد، و به تعبیری، در آن واحد، همه این مکانها را اشغال میکند. فیزیکدانها، واقعیتهای کوانتومی را در معادله ای تحت عنوان تابع موج توصیف میکنند، که کلیه راههای بالقوه تحول یک سیستم را منعکس میسازد. تا وقتی که کسی سیستم را اندازه گیری نکرده باشد، هر ذره در کلیه مکانهای متعدد خود حضور دارد. لیکن در لحظه اندازه گیری، ذره باید یک مکان معین را برای خود "انتخاب کند". فیزیکدانهای کوانتومی میگویند که در این نقطه، احتمالات به یک نتیجه معین محدود شده و تابع موج "فرومی ریزد" و امواج قطعیت را در فضا-زمان ارسال مینماید.

 

اعمال قطعیت روی یک ذره، میتواند ویژگیهای دیگر ذرات مرتبط با آن را، حتی اگر چندین سال نوری دورتر باشند، تغییر دهد. (این فرآیند تاثیر از راه دور همان است که فیزیکدانها به نام وابستگی کوانتومی(Quantum Entanglement) میشناسند.) درست مانند بازی دومینو، تغییر یک ذره سبب تغییر ذره بعدی میشود و همینطور الی آخر. پیامدهای مطالب گفته شده، سرگیجه آور است. در جهان ماکروسکوپی، هرگز یک توپ بطور ناگهانی خود را به آن سوی دیوار پرت نمیکند. لیکن در جهان کوانتومی، الکترون واقع در یک ملکول زیستی، ممکن است به یک ملکول زیستی دیگر جهش کند، هر چند که طبق قوانین کلاسیک فیزیک، وابستگی الکترونها چنان شدید است که امکان گریز برایشان متصور نیست. پدیده جهش از مرزهای بظاهر ممنوع را نقب سازی کوانتومی (Quantum Tunneling) مینامند.

 

ویژگیهای خاص قلمرو کوانتوم، از نقب سازی تا وابستگی کوانتومی، موجب میشود که برخی رویدادها با چنان بازدهی یا سرعتی به وقوع بپیوندند که با فیزیک کلاسیک امکان دستیابی به آن وجود ندارد. حال پرسش این است که آیا مکانیزمهای کوانتومی میتوانند محرک برخی از ظریف ترین و توضیح ناپذیرترین فرآیندهای حیاتی باشند؟ سالیان متمادی، متخصصین در این باره تردید داشتند: پدیده های کوانتومی عموما در شرایط آزمایشگاهی مشاهده میشوند، در اتاقهای خلاء با دماهای نزدیک به صفر مطلق. حال آنکه سیستمهای زیستشناختی معمولا گرم و مرطوب هستند. اکثر پژوهشگران بر این باور بودند که اغتشاش حرارتی حیات، هر گونه رفتار غیرعادی کوانتومی را در خود محو میسازد.

 

اما کریستوفر آلتمن، پژوهشگری از موسسه دانش نانوی کاولی در هلند، میگوید که آزمایشهای جدید، بطور مرتب، حکایت از حضور فرآیندهای کوانتومی در سیستمهای زیست شناختی دارند. با ظهور ابزارهای قدرتمند جدید مانند لیزرهای فمتوثانیه ای (ده به توان منهای پانزده ثانیه) و مکان یابی با دقتهایی در ابعاد نانو، سرانجام رقص کوانتومی حیات در برابر دیدگان ما قرار گرفته است.


به سوی نور
یکی از مهمترین مشاهدات کوانتومی در حیطه علوم زیستی، به فلمینگ و همکارانش مربوط میشود. مطالعه آنها در باره فوتوسنتز در باکتریهای گوگرد سبز، که در سال 2007 در مجله Nature به چاپ رسید، به ردیابی جزئیات مراحل شیمیاییی می پردازد که به گیاهان امکان مهار کردن نور خورشید و استفاده از آن برای تبدیل مواد خام ساده به اکسیژنی که تنفس میکنیم و هیدراتهای کربنی که میخوریم را میدهد. تیم فلمینگ بویژه چارچوب پروتئینیی را مورد بررسی قرار داد که گردآورنده های نوری بیرونی باکتری را، که کلروسوم نامیده میشوند، به مراکز واکنشی موجود در اعماق سلولها متصل میکند. این باکتریها، برخلاف خطوط انتقال برق که بیش از بیست درصد انرژی را هنگام انتقال به هدر میدهند، انرژی را با بازده باورنکردنی 95 درصد یا حتی بالاتر منتقل میسازند.

 


جلبکهای سبز احتمالا از محاسبات کوانتومی برای تبدیل نور خورشید به غذا استفاده میکنند. راز این قضیه، چنانکه فلمینگ و همکارانش دریافتند، عبارت است از فیزیک کوانتومی.

 

پژوهشگران به منظور آشکار کردن ساز و کار درونی باکتریها، پروتئینهای پیوندی را توسط چندین پالس لیزر فوق سریع مورد اصابت قرار دادند. سپس طی یک مقطع زمانی چند فمتوثانیه ای، انرژی نورانی را در مسیر خود از چارچوب تا مراکز واکنش سلولی، یعنی جاییکه تبدیل انرژی انجام میشود، ردیابی نمودند.
 
اینجا بود که حقیقت آشکار گردید: انرژی، به جای اینکه طبق پیش بینی فیزیک کلاسیک، بطور اتفاقی از یک کانال پیوندی به کانال بعدی حرکت کند، بطور همزمان، در چند جهت به حرکت می پردازد. نظریه پژوهشگران این بود که فقط هنگامی که انرژی به انتهای مجموعه ای از پیوندها میرسد، با نگاه به گذشته، یک مسیر بهینه میتواند پیدا شود. در آن نقطه، فرآیند کوانتومی فرو می ریزد و انرژی الکترون، این بهینه ترین مسیر منحصر بفرد را طی میکند.
 
الکترونهایی که درون یک برگ یا یک شکوفه باکتریایی گوگرد سبز حرکت میکنند، در واقع یک گذار تصادفی کوانتومی (Quantum Random Walk) – که یک نوع اولیه از محاسبات کوانتومی است – را انجام میدهند تا بهینه ترین مسیرانتقال را برای انرژی خورشیدیی که حمل میکنند، بیابند. فلمینگ میگوید: " ما نشان داده ایم که این گذار تصادفی کوانتومی واقعا وجود دارد. ولی آیا بطور قطع ثابت کرده ایم که این امر سبب افزایش بازدهی میشود؟ هنوز نه. اما حدس ما این است و بسیاری نیز با آن موافق هستند." 

 

پژوهشگران که با این کشفیات به وجد آمده اند، به دنبال تقلید قابلیتهای کوانتومی طبیعت هستند تا بتوانند گردآورنده هایی با بازده نزدیک به فوتوسنتز برای انرژی خورشیدی بسازند. آلن آسپورو گوتزیک، استادیار شیمی و زیست شناسی شیمیایی در دانشگاه هاروارد، تیمی را رهبری میکند که در حال پژوهش روی روشهایی است برای استفاده از آموزه های کوانتومی فوتوسنتز در سلولهای خورشیدی آلی. این پژوهش فعلا در اولین مراحل خود قرار دارد، اما آسپورو گوتزیک معتقد است که میتوان از کار فلمینگ در عرصه رقابت برای تولید سلولهای خورشیدی ارزان و کارآمد با ملکولهای آلی استفاده کرد.

 

نقبی برای بویایی
لوسا تورین، فیزیکدان زیستی، که نخستین بار فرضیه بحث انگیز خود را در سال 1996 هنگام تدریس در دانشگاه کالج لندن منتشر نمود، میگوید که فیزیک کوانتومی، احتمالا، حس اسرار آمیز بویایی را نیز میتواند توضیح دهد. در آن زمان نیز، مانند امروز، تصور رایج این بود که احساس بوهای مختلف وقتی ایجاد میگردد که ملکولهای معطر (odorants)، با گیرنده هایی درون حفره بینی، درست شبیه قطعات یک پازل سه بعدی، جفت و جور میشوند. مشکل این طرز تفکر، از دیدگاه تورین، این بود که ملکولهایی با شکل یکسان، لزوما بوی مشابه ندارند. برای نمونه، پینانتیول (Pinanethiol) با فرمول [C10H18S]بوی تندی شبیه گریپ فروت دارد، حال آنکه جفت نزدیک آن پینانول (pinanol) با فرمول[C10H18O] بویی شبیه برگ سوزنی درخت کاج دارد. وی چنین نتیجه گیری کرد که تحریک احساس بویایی، باید توسط معیار دیگری علاوه بر شکل ملکولهای معطر صورت پذیرد.

 

حباب بویایی موش بالغ (که در این تصویر با بزرگنمایی 800 برابر نشان داده شده)، احتمالا حس بویایی را با استفاده از ارتعاشات کوانتومی فراهم میکند.


طبق فرضیه تورین، آنچه واقعا روی میدهد این است که با ورود یک ملکول معطر جدید به حفره بینی و رسیدن آن به عصب بویایی، حدود 350 نوع گیرنده بویایی در بینی انسان شروع به انجام عمل نقب سازی کوانتومی (quantum tunneling) میکنند. پس از اتصال ملکول معطر به یکی از گیرنده های عصب بویایی، الکترونهای این گیرنده از میان ملکول معطر نقب زده و آن را به لرزش درمی آورند. با این نگرش، آنچه که سبب میشود گل رز بوی گل رز و ماهی تازه بوی ماهی تازه بدهد، همانا الگوی ارتعاش منحصر به فرد هر ملکول معطر است.
در جهان کوانتوم، یک الکترون میتواند از یک ملکول زیستی به ملکول زیستی دیگر جهش کند، هر چند قوانین کلاسیک فیزیک آن را مجاز نمی شمارد.
در سال 2007 چهار فیزیکدان از دانشگاه کالج لندن در مقاله ای به دفاع از تورین و فرضیه اش پرداختند (تورین اکنون مدیر فنی ارشد شرکت فلکسیترال، طراح مواد معطر، در چانتیلی از ایالت ویرجینیا میباشد). این اثر که در مجلهPhysical Review Letters به چاپ رسید، توضیح میداد که فرآیند نقب سازی بویایی چگونه میتواند عمل کند. با نزدیک شدن یک ملکول معطر، الکترونهای رها شده از یک سمت گیرنده، به شیوه مکانیک کوانتومی، از درون ملکول معطر نقب زده و به سمت دیگر گیرنده میرسند. وقتی که ملکولهای پینانتیول و پینانول در معرض یک چنین جریان الکتریکی قرار میگیرند، پینانتیول که سنگینتر است در مقایسه با هم شکل خود، پینانول، ارتعاش متفاوتی نشان خواهد داد.
آ. مارشال استونهام، استاد بازنشسته افتخاری فیزیک و یکی از نویسندگان مقاله مذکور، این مکانیزم بویایی را، مدل کارت رمز مغناطیسی (swipe-card model) نامیده و میگوید که فقط کارتی که به اندازه کافی مناسب باشد از یکی از گیرنده ها بصورت موفقیت آمیز عبور خواهد کرد. اما در نهایت، آنچه که بوی ملکول را تعیین میکند، فرکانس ارتعاش آن است، نه شکل آن.

 

منبع: DiscoverMagazine.com , January 13, 2009