Bilim QUANTUM BEYİNİ KONUŞUYOR!

Mathhew Fisher meslektaşalarının en son projesi için ne tepki vereceğini endişe ile bekliyordu. Sonunda rahatlatıcı cevabı aldı: “Onlar bunun mantıklı olduğunu ve benim de deli olmadığımı söylediler.”

Elbette Fisher’in CV ‘sinde onun deli olduğu yazmıyor. Fisher, maddenin kuantum özellikleri konusunda bir uzman, IBM’de çalışmış ve ardından kuantum bilgisayar geliştirme konusunda Microsoft’un Q Araştırma Merkezinde görev almış. Şimdilerde  Santa Barbara’daki Kaliforniya Üniversitesi, Kavli Enstütüsü’nde Teorik Fizik dalında profesör ve bu yıl Amerikan Fizik Cemiyeti Oliver E.Buckley ödülünü, sıkıştırılmış madde fiziği konusu ile kazandı.

Fisher, pek çok fizikçinin basitçe göz ardı ettiği bir konuyla ilgilendi:

“Beyin kuantum mekaniğini kullanıyor mu?”

Fisher bu sorunun akla yatkın olduğunu ifade ediyor ve haklı. Cevap: evet.

Beyin atomlardan oluşuyor ve atomlarda kuantum kanunu işliyor. Ancak Fisher kuantum nesnelerinin garip özelliklerinin (aynı anda iki ayrı yerde olmak, uzak bir mesafeden birbirini etkilemek, vb…) insan bilişinin şaşırtıcı özelliklerini açıklayıp açıklayamayacağını sorguluyor.

Buna en temel karşı çıkış, Occam’ın ustrası prensibi kullanılarak geldi, yani en basit açıklama genelde en iyi çözümdür.Bu görüşe göre, beynin çalışmasına ilişkin elimizdeki bilgiler ve kuantum olmayan fikirler oldukça iyi işlemektedir. Bu görüşe katılanlardan biri de, Kanada, Ontorio’daki Waterloo Üniversitesi’nden Fizikçi David Deutsch: “Elimizeki kanıtlar, zihin ile ilgili herşeyin nöronların birbiri ile etkileşiminden kaynaklandığını gösteriyor. Dolayısıyla, insan bilişi açıklamada kuantum fiziğine bakmaya gerek var mı? Ben, olduğunu sanmıyorum ama olursa da gerçekten çok şaşırırım.”

Fisher, son zamanlarda anılar hakkında ortaya konulan fikirlerde hatalar olabileceğini düşünüyor. Günümüzdeki fikirlerden biri: “anılar, nöron ağları arasında ya da  nöronların kesiştiği yerlerde depolanıyor“. Fisher ise şöyle söylüyor: “Bence nörobilimde bilmece olarak kalan pek çok şey mevcut. Öyleyse, kuantumla bunların daha iyi açıklanıp açıklanamayacağına neden bakmayalım ki…”

Belki daha önceleri de bu noktaya gelinmişti. 1989 yılında Oxford’lu matematikçi Roger Penrose, hiç bir klasik ve standart hesaplama modelinin beynin, düşünceyi ve bilinçli deneyimi nasıl ürettiğini açıklayamacağını ortaya koymuştu.  Bu fikir pek çok insanı etkiledi ama en çok Arizona Üniversitesi’nden anestezist Stuart Hameroff’u etkiledi. Hameroff, kuantum etkilerinin bu konuya dahil olmasına yönelik belirli bir yol önerdi, olayın püf noktası mikrotübüllerdi. Mikrotübüller, nöronların yapısını oluşturan protein tüpleridir. Mikrotübüller, iki farklı şeklin aynı anda “süperpoziyon”da mevcut olması için kuantum etkiyi kullanır. Bu şekillerin her biri klasik bilgiyi de içerir. Böylece, kuantum bit ya da kubit, klasik kopyasının iki kat misli kadar bilgi depolayabilir.

Bu duruma bir de  dolanıklılığı, yani uzakta olasalar bile aynı durumda olmalarını sağlayan kuantum özelliğini de eklediğinizi düşünün. Klasik bilgisayardan çok daha etkin şekilde bilgiyi işleyen ve depolayan bir kuantum bilgisayar inşa etmiş olursunuz. Aslında Penrose, bu şekildeki bir bilgisayarın pek çok cevabı beraberinde getireceğini ve bu cevapları farklı şekillerde birleştirmenin de beynin kendine özgün dehasını açıklamak için en iyi yol olabileceğini öne sürer.

Penrose ve Hameroff bu konu üzerinde birlikte çalıştılar ve onların bu fikirlerini diğerleri bir süre mantıklı olarak kabul etti, ancak daha sonra arada bazı boşluklar belirmeye başladı.

Bir fizikçinin bakış açısından, en temel problem “eşfazlılık zamanı” dediğimiz şeydi. Süperpozisyon ve dolanıklılığın her ikisi de çok hassas oldulardır. Şöyle ki; yüksekte gerilmiş bir tel üzerindeki tek tekerlekli bir bisikletin üzerinde pek çok  kişinin piramit oluşturduğunu ve ufacık bir sarsıntı ile de düzenlerinin bozulduğunu hayal edin. İşte bu hassasiyeti o zaman anlarsınız. Kuantum sisteminde bu eşfazlı durumun ısı, mekanik titreşim ya da herhangi başka birşeyden dolayı kaybolması da bu örnekteki kadar hassastır. Böylece, kuantum durumunda depolanan bilgi genellikle etrafındaki ortamda kaybolur. İşte bu problem, geçen son 20 yıldır Fisher’in de dahil olduğu fizikçilerin, herhangi bir düzeyde kuantum bilgisayar planlayıp, düzenleme girişimlerini engellemekteydi.

Kubit ağlarını klasik bilgisayarların ötesindeki işlem gücüne ulaştırabilmek için yeterince zaman eşfazlı durumda tutabilmek,  -200 derecelere soğutulmuş ve mekanik olarak izole edilmiş ortamda bile oldukça zorlu bir mücadeleydi. Kaldı ki; sıcak, ıslak bir beyinde, sallanıp duran bir ortam içerisinde neredeyse imkansız gibi gözüküyor.

Nöronlar, bilgiyi işlerken, bilgiyi ancak mikrosaniyeler seviyesinde tutar. Oysa hesaplamalar gösterdi ki; mikrotübül süperpozisyonları sadece saniyenin 10 ^-20 ile 10 ^-13 arası bir zaman sürüyor.

Nörofelsefeci Patricia Churchland, daha sonra yaygınlaşacak olan fikrini 1996 yılında şöyle özetler: “Sinapslardaki peri tozu, mikrotübüllerdeki kuantum eşfazlılık kadar açıklayıcı bir şekilde güçlü!.”

“Sıcak, ıslak beyin içinde kuantum etkiyi sağlamak, imkansız olmalı.”

Fisher da bu şüpheyi paylaştı ve şöyle ifade etti: “Penrose ve Hameroff, mikrotübüller hakkında konuşmaya başladıklarında, bunun pek de anlamlı olmadığını hemen anlamıştım. Eğer kuantum bilgiyi kontrol altına alamazsanız ve çevre ile dolaşık hale gelmesini engelleyemezseniz, kuantum bilgi ile çalışmak imkansızdır”. Ancak, aynı anda şu şekilde de düşünüyordu: “Evrimin bunu çözmemiş olması garip olmaz mıydı? Yaşamın, kuantum mekaniğini  ve ondan yararlanan hassas moleküler düzeneklerini çözmesi için milyarlarca yılı vardı”. Klasik fizikle çok iyi açıklanabilen beyindeki nöronlar arasındaki elektrik impulslar, düşüncenin ve hafızanın temeli ise, gizli bir kuantum katmanı da nöronların arasındaki bağlantı ve ateşlenmenin nasıl olduğunu tespit edebilir.

Fisher, tanıdığı mental rahatsızlığı olan kişilerin kullandığı ilaçları için kaygı duyarken, bu konuyla ilgili Fisher’in kişisel ilgisi de ilginç bir hal almaya başlamıştı. Fisher: “Hiç kimse hangi psikiyatrik ilaç kullanımının işe yaradığını tam anlamıyla bilmiyor. Hangi ilaçların insan zihnini değiştirdiğini bilmek için daha çok şey bilmeliyiz.”

Fisher’in ilgisinin ilk odak noktası “lityum” olur. Lityum, pek çok ruh halini dengeleyebilen bir ilaçtır. Bilimsel yazıları tararken, karşısına 1986 yılında  yazılmış bir rapor çıkar. Bu raporda bir deney anlatılmaktadır. Deneyde fareler, lityum-6 ve lityum-7 isimli iki lityum izotobu ile beslenirler. Lityum-6 verilen fareler, bakımda, yuva yapmada, yavrularını beslemede ve diğer  ölçümlerde, lityum-7 verilen ve kontrol grubu olan farelere göre daha aktiftir.

Bu yazı Fisher’in “kuantum biliş” konusunun yeniden açılabileceğini düşünmesine neden olur. Atom çekirdeğini meydana getiren parçacıkların ve çekirdeğin “spin–dönme” ismi verilen bir kuantum mekaniksel özelliği vardır. Spin kabaca bir çekirdeğin ne kadar elektrik ve manyetik alan içrisinde olduğunu belirtir; spin ne kadar yüksek olursa, etkileşim de o kadar büyük olmaktadır. En düşük spin değerine sahip bir çekirdek, ½, gerçekten de elektrik alanları ile etkileşim olmadığını hisseder. Dolayısıyla, elektrik alanları ile dolu beyin gibi bir ortamda, ½’lik spinli çekirdekler, özellikle bozulmaktan izole olmuş olabilirler.

½’lik spinler doğada pek yaygın değillerdir. Ancak şu nokta var ki; lityum-6’nin spin değeri 1’dir ancak, beyindeki gibi bir kimyasal ortam içinde yani su bazlı tuz solüsyonu içinde suyun ekstra protonunun varlığının, ½ spinli çekirdek gibi davrandığı biliniyor.   1970’lerde yapılan deneylerde lityum-6’lı çekirdeklerin 5 dakika kadar spinlerini sabit tutabildikleri belirtilmiştir. Fisher’ın bundan çıkardığı sonuç; beyin işlemleri içinde bir kuantum kontrol varsa, lityum’un sakinleştirici etkisi, beynin kimyasındaki özellikle eşfazlı çekirdeklerin birleşmesine kadar gidebilir.

Ve bu kadar da değil. Beyinde doğal olarak Lityum-6 bulunmuyor, ancak pek çok biyokimyasal reaksiyondaki aktif  katılımcı fosfor, ½ spinli bir çekirdekle ortaya çıkabilir. Fisher’in zihnindeki düşünce tohumu yeşermeye başlar: “Beyinde kuantum işlem olup bitiyorsa, bunun tek yolu fosforun atomik-çekirdeksel spinidir.”

Biyolojik ortamlardaki çeşitli fosfor-bazlı moleküllerin ayrıntılı eşfazlı zaman hesaplamalarından sonra, Fisher aday bir kubit ile halkın karşısına çıkar. Bu, kalsiyum fosfat olarak bilinen Posner molekülü ya da molekül kümesidir ve 1975 yılında kemik minerali olarak tanımlanmıştır. Biyolojk moleküller ve tuzlar eklenmiş su ile laboratuvarda hazırlanan simule beden sıvısında da gözlenmiştir. Fisher’in bu moleküller için eşfazlı bulunabilme zaman tahmini saniyenin 10⁵ kadardır ki; bu oldukça uzun bir zamandır.

Fisher ayrıca beyinde tanımladığı bir kimyasal reaksiyonun, Posner moleküllerinde çekirdeksel spinler arasındaki dolanıklığı ve  eşfazlı durumu ürettiğini düşünmektedir. Bu proses, kalsiyum emiliminde ve pirofosfataz diye adlandırılan bir enzimi kullanan yağ metabolizması içeren bir prosestir. Bu enzim, birbirine bağlı iki fosfat iyonundan oluşan yapıyı ayrıştırarak iki tek iyon üretir. Teorik olarak, en azından, bu iki iyondaki çekirdeksel spinler kuantum dolanıklık içinde olmalıdır. Onlar hücreleri çevreleyen bir sıvıda serbest bırakılırlar ve böylece Posner molekülünü oluşturmak için kalsiyum iyonları ile birleşebilirler.

Eğer bunların hepsi doğruysa, beynin hücre dışı sıvısı yüksek derecede dolanık Posner molekülleri ile dolu olabilir. Bu moleküller, nöronların içinde ise hücrelerin sinyallerini değiştirmeye ve tepki vermeye, düşünce ve hafıza oluşturmaya başlayabilir.

Fisher bu konuda ortaya koyduğu fikirlerini geçen ayki Annals of Physics adlı dergide yayınlamıştır ve bu konuda şunu ifade eder: “Ben halâ hikaye anlatma evresindeyim. Bazı deneyler yapmam lazım.”

İlk test, hücre dışı sıvıda Posner müleküllerinin bulunup bulunmadığına ait. Eğer öyleyse, Posner mülekülleri dolanık olabilir mi? Fisher bunu laboratuvarında test ederek görmek ister. Bunun için kimyasal reaksiyon yaratır ve bu reaksiyonun dolanık fosforlu atomik spinler oluşturmasını düşünerek, bu solüsyonu iki test tüpüne boşaltır ve bu iki tüpten açığa çıkan ışık arasındaki kuantum  ilişkisini araştırır. Fisher: “Bu şekildeki ilişkileri gözlemleyerek, kuantum biliş durumunu açıklayabilirsiniz. Bu test yapılabilir ve ben de bunu yapıldığından emin olmak istiyorum.”

Penrose, şu ana kadarki hikayeden  heyecan duymakta ve şöyle söylemektedir: “Stuart Hameroff ve ben çekirdeksel spinlerin uzun-süreli hafıza için önemli bir içerik olabileceğini uzun bir zamandır düşünüryorduk. Matthew Fisher’in fikri buna çok pozitif bir katkı sağlayabilir.”

Penrose halâ kendi mikrotübül hipotezinden vazgeçmiş değil. Ancak, bu yeni önerinin kalıcı hafıza konusuna ek bir açıklama olabileceğini  düşünüyor. Penrose: “Bilinç olgusunun, daha çok birbiri ile bağlantılı mikrotübüllerin kunatum davranışları ile ilgili olduğunu düşünüyorum.”

Penrose’a göre, kütle çekimin kuantum durumları üzerindeki etkisi ile eşfazlılığın değişiyor ve bu bilincin oluşmasını sağlıyor.  Mikrotübüllerin çekirdekten daha ağır olması nedeniyle de, mikrotübüllerin bu etkileşimi oluşturma ihtimalinin de daha fazla olduğunu düşünüyor.

Fisher bu yoldan gitmiyor ve yazıdığı makalesinde özellikle bilincin “b”sini bile kullanmıyor, onun yerine daha iyi tanımlanabilen hafıza gibi kavramlar üzerinde duruyor.

Fisher’in öne sürdüğü fikir çılgınca olmayabilir ama kuşkucuların beyindeki kuantum etkisine yeniden bakmalarına neden olabilir mi? Thagard kendisini açık fikirli olarak ilan etmiştir. Fotosentez gibi bazı biyolojik işlemlerin, uzun süreli eşfazlı kuantum durumları içerdiğine dair kanıtların son yirmi beş yılda epeyce biriktiğini açıklamaktadır.

Oxford Üniversitesi’nden Vlatko Vedral de Fisher’in çalışmasını bir miktar kayda değer görmekte. Vedral: “Sıcak, ıslak beyin ortamında eşfazlılık düşüncesi bence cahilce”. Ayrıca, Fisher’in mekanizmasının tam olarak hangi kısmının çalışabileceğinden pek de emin değil. Vedral: “Ama en azından Fisher, bu konunun daha da ileride  derinlenlemesine incelenebilmesi için bazı deneyler ortaya koymuştur.”

 

Herhangi bir başarıya ulaşmak için, Fisher’in sıraladığı fikirlerin test edilmesi gerekir. Örneğin; şu lityum ile ilgili soru ve ayrıca beyinde civanın etkisinin* ilgili spin etkilerinin açıklayıp açıklayamayacağı gibi. Yaygın bir şekilde bulunan bazı civa izotopları sıfırdan farklı atomik spinlere sahiptir ve Posner molekülü içinde yakalanırsa, fosforun atomik spinlerini eşfazlı yapıyor olabilir.

Sorular gelmeye devam ediyor.

Kafayı çarpmak, eşfazlılığı bozduğu için hafıza kaybına neden olabilir mi?,

Beyinde dışarıdan oluşturduğumuz manyetik uyarım ile beyin durumlarını değiştirebilmenin sebebi atomik spinler mi?

Fisher, Kaliforniya Stanford Üniversitesi’nden nörobilimciler ve moleküler biyologlar ile çalışıyor ve bu soruların cevabını bulmak için araştırma iznini kullanıyor.

İngiltere, Guilford’daki Surrey Üniversitesi’nden moleküler biyolog Johnjoe McFadden, bir kere daha  en basit açıklama doğruya en yakın olandır bakışı ile yaklaşır: “Eşfazlılık hikayesini oluşturmak için, bir araya getirilmesi gereken çok fazla şey var ve eğer bunlardan bir  unsur bile olmasa, herşey dağılır gider.”

Thagard da dağılıp gitmeyi bekleyenlerden: “İlginç psikolojik fenomeni açıklamak için ekstra bir açıklama seviyesine gerek var mı? Ben olduğunu düşünmüyorum. Ancak Fisher’in bu ortaya koyduğunu da ciddi bir şekilde değerlendirmemek için de bir neden yok. Bilimin en güçlü noktalarından bir tanesi insanların farklı yaklaşımları denemesi ve bunlardan rekabete girilebilecek açıklamalar elde edebilmesidir. Bu çok iyi ama ben paramı farklı bir tanesi üzerine koydum.”

Bu arada Fisher da 20.000 dolarını, depresyon ve benzer zihinsel durumları tedavide lityum-6 ile zenginleşmiş bileşimlerin patentini almak için  harcıyor ve son olarak Fisher şunu soruyor: “Kuantum biliş, nörobilimi anlamada kaçırdıklarımızı anlamamızı sağlayabilir mi?” ve refleksif bir şekilde cevap da veriyor: “belki de evet!”.

NOTLAR:

*CİVA ETKİSİ: bu fenomen “deli şapkacı” hastalığı olarak bilinir.  Çünkü zamanında şapka yapımı sırasında kullanılan civadan dolayı çalışanlar uzun süreli civa etkisine maruz kalmışladır ve sinir sistemleri etkilenmiş, dengesizleşmiş ve delirmeye başlamışlardır.

*Occam’ın ustrası: en basit açıklama doğruya en yakın olandır bakışı.

Çeviren: AylinER
Bu makale, 5. Aralık.2015 tarihli New Scientist Dergisinin 28-31 sayfalarından çevrilmiştir.
Makale linki: https://www.newscientist.com/article/mg22830500-300-is-quantum-physics-behind-your-brains-ability-to-think