آیا افکار ما توسط مکانیک کوانتم کنترل میشود؟ (بخش اول)
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 میتواند 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.
منبع:DiscoverMagazine.com , January 13, 2009