Bir güvercinin kuantum fiziğinde sizden daha iyi olabileceğini biliyor muydunuz?

Bir güvercini düşündüğünüzde, aklınıza gelen ilk şey muhtemelen “Vay, bu hayvan kesin kuantum mekaniğinde harikadır” olmaz – ancak kanıtlar tam da bunu öne sürüyor.

Bu hayvanlar, tıpkı diğer bazı türler gibi, insanların şu an anlayabildiği en gelişmiş bilimlerden bazılarını günlük yaşamlarında kullanıyorlar. Ve yeni bir makaleye göre, bunu kuantum fiziğinin sınırlarını zorlayan bir şekilde yapıyorlar.

MANYETİK SENSÖRLERİN ÇALIŞMA PRENSİBİ

“Birçok manyetik sensör – süper iletken kuantum girişim cihazları, optik pompalama ve azot boşluklu manyetometreler gibi – enerji çözünürlük sınırını sağladığı gösterildi,” diye açıklıyor Girit Üniversitesi’nden fizikçiler Iannis Kominis ve Efthimis Gkoudinakis makalelerinde. “Bu sınır, manyetik algılama konusunda ulaşılabileceklerin temel bir sınırının olduğunu ima ediyor.”

Temelde, bir manyetik sensörün performansı üç faktöre bağlıdır: hacmi, duyarlılığı ve ölçüm süresi. Sonuç ne kadar küçük olursa, mıknatıs o kadar hassas olur.

Basit mi görünüyor? Belki – ancak günümüzde gerçekten çok küçük ölçekte çalışabiliyoruz. Ancak ölçeği fazla küçülttüğünüzde, işler biraz garipleşmeye başlıyor – ya da fizikçilerin deyimiyle, kuantum etkileri devreye giriyor. Bu, manyetometri açısından hem bir nimet hem de bir lanet: Minik ölçekler, boyutsal gürültünün büyük bir kısmını ortadan kaldırarak sensörlerimizin duyarlılığını artırmamıza olanak tanıdı – ancak aynı zamanda sistemin kırılganlığını da artırdı. Sonuçta, kuantum durumlarının yalnızca yanlış bir şekilde gözlemlenerek bile bozulabileceği iyi bilinen bir gerçek.

KUANTUM FİZİĞİNDE MANYETİK ALGILAMANIN SINIRI

Ancak kuantum fiziğinin belirsiz ve olasılıklı dünyasında bile küçülebileceğiniz bir sınır vardır. Hem teorik hem de yakın zamanda deneysel olarak, manyetik duyarlılığın sınırı Planck sabiti olarak belirlenmiştir – bu, 6.62607015×10⁻³⁴ Joule-saniye gibi inanılmaz derecede küçük bir değerdir ve genellikle ℏ sembolüyle gösterilir.

“Kalitatif olarak, enerji çözünürlüğü ℏ değerine ne kadar yakınsa, sensör o kadar ‘kuantum’dur,” diye açıklıyor araştırmacılar.

HAYVANLAR MANYETİK ALANLARI NASIL ALGILIYOR?

Peki, tüm bunların hayvan duyularıyla ne ilgisi var? Biyologlar uzun süredir birçok hayvanın manyetik alanları algılama yeteneğine sahip olduğunu biliyor – kuşların yuvalarına nasıl döndüğü, tilkilerin avlanırken nasıl başarılı olduğu ve köpeklerin tuvalet ihtiyaçlarını nasıl giderdiği hep bu sayede gerçekleşiyor. Üstelik bunu şaşırtıcı bir hassasiyetle yapıyorlar – çünkü Dünya’nın manyetik alanı aslında oldukça zayıf olmasına rağmen, bu hayvanlar onu inanılmaz bir doğrulukla kullanabiliyor.

Bu da onların neredeyse kuantum sınırına yakın bir manyetik algılama gerçekleştirdiğini gösteriyor – ancak tam olarak ne kadar yakın oldukları hâlâ bir gizem. Açıkçası, hayvanların bunu nasıl yaptığı konusunda bile kesin bir bilgiye sahip değiliz: Birkaç rakip teori var ve muhtemelen hepsi bir dereceye kadar doğru, ancak hiçbirinin detayları tam olarak bilinmiyor.

“Son altmış yılda bilim insanları biyolojik manyetik algılamayı açıklayan çeşitli biyofiziksel mekanizmalar üzerinde çalıştılar,” diye açıklıyor Girit Üniversitesi’nden yapılan bir açıklama, ancak bunlar “henüz tam olarak anlaşılmış değil ve ilgili fiziksel parametreler kesin olarak bilinmiyor.”

KUANTUM MEKANİĞİ İLE BİYOLOJİK MANYETİK ALGILAMAYI AÇIKLAMAK

Ancak Kominis ve Gkoudinakis farklı bir yol izleyerek geriye doğru çalışmayı tercih ettiler. “Biyolojik manyetometreler fizik yasalarına tabi oldukları için, enerji çözünürlük sınırına da uymaları beklenir; bu sınır biyofiziksel parametreleri belirlemekte kullanıldı,” diyor açıklama.

Sonuç? Önerilen biyolojik manyetik algılama mekanizmalarından bazıları yalnızca mümkün olmakla kalmıyor, aynı zamanda – en azından teorik olarak – tam da kuantum sınırında çalışıyor. Bu, Planck uzunluğundaki piksellere sahip bir TV izlemek gibi olurdu – bundan daha yüksek çözünürlük elde etmek neredeyse imkansız olurdu. Ve tüm bunlar meyve sineklerinin içinde gerçekleşiyor.

KUANTUM FİZİĞİNDEN İLHAM ALAN YENİ MANYETİK SENSÖRLER

Yine de, bir böceğin bizden daha iyi olduğunu düşünerek üzülmemize gerek yok. Araştırmacılar, hayvanların nasıl yaptığını çözdüğümüz için, kendi laboratuvar ortamındaki manyetik sensörlerimizi geliştirebileceğimizi düşünüyor.

“Eğer [bilim insanları] en hassas ölçümleri yapmak istiyorsa, kuantuma yönelmek zorundayız,” diyor Kominis Physics dergisine verdiği röportajda. “Biyolojik manyetik alıcıları taklit etmek, bu tür kuantum mühendisliğini yönlendirebilir.”