Beyninizin Düşünme Yeteneğinin Arkasında Kuantum Fiziği mi Yatıyor?

Bilinçten, uzun süreli hafızaya dek beyinde bilgi işlem yetenekleri mevcuttur ve bunlar kuantum belirsizliği ile açıklanabilirler.

Matthew Fisher, son projesine akranlarının ne tepki vereceğini merak ediyordu. Nihayetinde onu aralarından atmadıkları ve “Bu gayet mantıklı bir bilim. Sen deli değilsin” dedikleri için rahatlamıştı.

Fisher, maddelerin kuantum özellikleri konusunda bir uzman. IBM’de ve daha sonra da Microsoft Araştırma İstasyonu’nda kuantum bilgisayarları geliştirmek üzerine çalıştı. Şu anda Kaliforniya Santa Barbara Üniversitesi’nde, Kavli Enstitüsü Teorik Fizik bölümünde profesör.

Fisher: “Beyin kuantum mekaniğini kullanır mı? Bu gerçekten mantıklı bir soru.” Bir bakıma haklı ve bu sorunun cevabı da “evet”. Beyin atomlardan oluşur ve atomlar da kuantum fiziğine uymaktadır.  Ama Fisher kuantum objelerin garip özelliklerini sorguluyor: Aynı anda iki farklı yerde bulunmaları ve mesafeler arasında birbirlerini sürekli etkiliyor olmaları gibi. Acaba bu özellikler insan bilişinin kafa karıştırıcı unsurlarını açıklayabilecek mi? Bu son derece çekişmeli bir soru gerçekten.

En büyük itiraz “Occam’ın usturası”ndan gelmektedir. Bu prensip, en basit açıklamanın en iyisi olduğunu söylemektedir. Bu görüşte, beynin işlevleri hakkındaki kuantum olmayan fikirler de gayet iyi işlemektedir. Kanada Ontario’da Waterloo Üniversitesi’nde felsefeci olan Paul Thagard: “Kanıt büyüyor; öyle ki, nöronların etkileşimi bakımından zihin ile ilgili ilginç her şeyi açıklayabileceğiz.” Oxford Üniversitesi’nden Fizikçi David Deutsch, Thagard ile aynı fikirde ve şöyle diyor:” Bilişi açıklayabilmek için kuantum fizikten yardım almaya gerek var mı? Bu konuda bize yardımcı olabilecek bir şey var mı bilmiyorum, ama her hangi bir şey ortaya çıkarsa açıkçası şaşırırım.”

Fisher, hafıza ile ilgili mevcut görüşlerin eksiklikleri olabileceğini bildirdi. Mesela, hafızanın nöron ağları arasında ya da nöronların kesişme noktalarında gizlenmiş olduğuna dair görüşler.  Fisher: “İçgüdülerim bana nörobilimde hala kafa karıştırıcı olup, gizemini koruyan şeyler olduğunu söylüyor. Peki bunlar için daha iyi kuantum açıklamaları neden olmasın ki?

Belki de bu noktalara daha önce değindik bile. 1989’da Oxford’lu matematikçi  Roger Penrose, hiçbir standart, klasik işlem modelinin, beynin düşünce ve bilinç deneyimini yaratmasını açıklayamadığını söyledi. Bu iddia pek çok insanı şaşırttı; özellikle Stuart Hameroff’u.

Görüşün en önemli noktası şu: Nöronların destek yapısını oluşturan protein tüpleri olan mikrotübüller, kuantum etkilerden faydalanarak, iki farklı şekli aynı anda “süperpozisyon”da var kılarlar. Bu şekillerin her biri, bir parça klasik bilgi içermektedir. Yani bu şekil değiştiren kuantum parçacığı, ya da kubit, klasik kopyasının iki katı bilgi içerebilmektedir.

Karışıma “dolanıklık” da ( kuantum parçacıklar birbirleriyle etkileşimde olmasalar bile birbirlerine dolanmış olmalarına sebep olan özellik) eklenirse, herhangi klasik bir bilgisayardan daha etkin bilgi saklayabilecek ve işleyebilecek bir kuantum bilgisayar inşa edilebilir. Penrose, bu tarz bir bilgisayarın aynı anda pek çok cevaba ulaşabiliyor ve bu cevapları farklı şekillerde birleştirebiliyor olmasını, beynin kendine has özelliklerini açıklamak için kullanabileceklerini iddia ediyor.

Penrose ve Hameroff fikir üzerinde işbirliğine vardılar ve bir süre bu konuyu mantıklı bir öneri olarak sundular. Ama kısa süre sonra boşluklar oluşmaya başladı.

Bir fizikçinin bakış açısına göre en önemli sorun zaman uyumudur. Süperpozisyon ve dolanıklık konularının ikisi de çok hassas fenomenler.  Tek tekerlekli bisiklet ile yüksek bir telin üzerinde, piramit şeklinde üst üste duran performans sanatçılarını hayal edin. Ufacık bir müdahale bile, birbirlerine tutunmalarını etkileyecektir. Kuantum sistemi durumunda ise, sıcaklık, mekanik titreşim ya da başka herhangi bir şey ile müdahale olursa, bileşenler arasındaki uyum kaybolarak normal klasik duruma bozunacaktır. Kuantum durumunda kaydedilen bilgi, genellikle etrafındaki ortama kaybolur.

Bu problem son yirmi yıldır Fisher de dahil olmak üzere bazı fizikçilerin herhangi büyüklükteki kuantum bilgisayar yaratmalarına engel oldu. Soğutarak ya da mekanik olarak izole edilen durumlarda bile, kubit ağlarını klasik bilgisayarların kapasitesinin ötesinde bir şeyler yaptırabilecek kadar uzun süre uyumlu tutmak çok güç.

Titreşen, itişip duran moleküllerle dolu ılık, ıslak beyinde, bu neredeyse imkansız hale gelir. Nöronlar bilgiyi işlerken mikrosaniyeler süresince bilgiyi tutarlar ama hesaplamalar mikrotübül süperpozisyonlarının sadece 10^-20 ve 10^-13 arasında süreceğini iddia ediyor.

Fisher: “Mikrotübüller hakkında konuşmaya başladıklarında bunun mantıksız olduğunu anladım hemen. Çünkü kontrol edemiyorsanız ve çevreyle dolanıklık içine girmesine engel olamıyorsanız, kuantum bilgiyle çalışmanız imkansızdır.”

Ama evrimin bunu çözmemiş olması garip olmaz mı? Milyarlarca yıldır yaşam devam ediyor ve bu süre kuantum mekaniğinin keşfedilebileceği kadar uzun bir süre. Beyindeki nöronlar arasındaki elektriksel impulslar düşüncenin ve hafızanın birincil sebebi olsa da, gizli bir kuantum seviyesi bu nöronların nasıl işbirliği içinde olduğuna ve ateşlendiklerine kısmen karar veriyor olabilir.

Fisher’in konuya ilgisi biraz dolambaçlı şekilde oldu. Yakınındaki insanların iyileşmeyen zihinsel hastalıkları üzerine düşünüyorken, bir taraftan da tedavi sürecinde kullandıkları ilaçların etkinliği üzerine kafa yoruyordu. Fisher: “Hiç kimse psikiyatri ilaçlarının nasıl bir işlevi olduğunu tam olarak bilmiyor. Bunun bir nedeni var. İlaçların insan zihnini değiştirmeye çalıştığının anlaşılması gerekiyor.”

Fisher’ın öncelikli ilgisi lityum üzerine oldu. Lityum, ruh halini stabilize eden ilaçların çoğunda bulunur. Fisher, bilimsel çalışmaları taradığında, 1986 yılındaki bir rapor onun görüşlerini etkiledi. Bu raporda anlatılan deneyde, iki stabil izotoptan (lityum 6 ve lityum 7) beslenen farelerden bahsediliyor. Hazırlama, yavruların bakımı, yuva yapımı, besleme ve diğer başka ölçümlere bakıldığında, lityum 6 ile beslenen fareler, kontrol grubundaki ya da lityum 7 ile beslenen farelere kıyasla aşırı aktif durumdaydılar. (Biological Psychiatry, cilt 21, sayfa 1258)

Fisher bu raporu okuduktan sonra, kuantum biliş üzerine Pandora’nın Kutusu’nu yeniden açmanın vakti geldiğini düşündü.  Tüm atom çekirdeklerinin- tıpkı bunları oluşturan temel parçacıklar gibi- ‘dönüş’ (spin) denilen kuantum mekanik bir özelliği vardır. Kabaca dönüş, bir çekirdeğin elektrik ve manyetik alanları ne kadar hissettiğini belirler. Dönüş ne kadar yüksekse, iletişim o kadar büyük demektir.  Olası en düşük dönüş değeri ½ olan bir çekirdek, elektrik alanlarıyla iletişim hissetmezken, çok az miktarda da olsa manyetik iletişim hisseder. Dolayısıyla elektrik alanların bol olduğu beyin gibi bir ortamda dönüş hızı ½ olan bir çekirdek, bozunumdan izole olacaktır.

Doğada ½ dönüşlü çekirdek çok fazla yoktur. Ama lityum 6’nın dönüş hızı 1’dir. Beyindeki kimyasal ortamda ise (su tabanlı tuzlu solüsyon), suyun ekstra protonlarının varlığından dolayı ½ dönüşlü çekirdek gibi hareket ettiği bilinmektedir. 1970lere dek uzanan deneylerde, lityum 6 çekirdeklerinin dönüşlerini, 5 dakika süreyle sabit tutabildikleri belirtilmiştir. Eğer beynin işleminde, kuantum kontrol elementi var ise, Fisher ‘a göre lityumun sakinleştirici etkileri, bu son derece uyumlu çekirdeklerin beyin kimyasıyla işbirliği içine girmelerine dek uzanabilir.

Bu kadarla da kalmıyor. Lityum 6 beyinde doğal olarak bulunmaz, ama dönüşü ½ olan bir çekirdek bulunur ve bu da pek çok biyokimyasal reaksiyonda aktif katılımcıdır: Fosfor. Fisher’in zihninde oluşan tohumlar gelişmeye başlıyordu: “Eğer kuantum işlem beyinde devam ediyorsa, fosforun nükleer dönüşü bu işlemin oluşabilmesi için tek yoldur.”

Biyolojik ortamlardaki fosfor bazlı çeşitli moleküllerin uyum zamanlarının hesaplanmalarıyla ilgili çalışmaların ardından, Fisher aday bir kubiti halka ilan etti. Posner molekülü ya da dizisi denilen bir kalsiyum fosfat yapısı. 1975 yılında kemik mineralinde tanımlanmıştı. Fisher bu moleküllerin uyum zamanını tahmin ettiğinde 10⁵ saniye olarak ortaya çıktı.

Fisher ayrıca beyinde en az bir tane kimyasal reaksiyon tanımladı. Ona göre bu reaksiyon doğal olarak, Posner moleküllerindeki çekirdek dönüşleri arasında dolanıklık ve uyumlu durumlar oluşturacaktı. Bu, kalsiyum emiliminde ve pirofosfat denilen bir enzimi kullanan yağ metabolizmasında yer alan bir süreç. Bu enzim, birleşik iki fosfat iyonundan oluşan yapıları parçalar ve iki tek iyon oluşturur. En azından teorik olarak, bu iki iyondaki nükleer dönüşler kuantum dolanıklık durumunda olmalı. Hücreleri kuşatan sıvı içine bırakıldıklarında, Posner moleküllerini oluşturmak üzere kalsiyum iyonları ile birleşebilirler.

Eğer tüm bunlar doğruysa, beynin ekstrasellüler (hücredışı) sıvısı, son derece dolanık durumundaki kompleks Posner molekül dizileri ile dolu olabilir. Bir kez nöronlar içine girdi mi, bu moleküller hücrelerin sinyal gönderme ve tepki verme şeklini değiştirebilirler. Bu da düşüncelerin ve hayallerin şekillenmeye başlaması demektir.

Çeviren : Sıdıka ÖZEMRE
https://www.newscientist.com/article/mg22830500-300-is-quantum-physics-behind-your-brains-ability-to-think/?utm_campaign=Echobox&utm_medium=Social&utm_source=Twitter#Echobox=1540123039