#تفسیر_زیارت_جامعه_کبیره (۶) 🎷احسان عبادی 🔮شراکت در ثواب نشر علمی عرفانی@wittj2

🔮🎷 آیا مکانیک کوانتمی رازهای زیست‌شناسی را خواهد گشود؟ نمی‌دانم چرا همیشه می‌پندارم زیست‌شناسی کنونی علمی ایستاست و به جز یک تحول اساسی ـ که آن نیز مرهون فیزیک‌دانانی چون💥 کریک و💥 واتسون بوده ـ دستخوش دگرگونی بایسته‌ای که فیزیک و به تبع آن شیمی در ابتدای قرن گذشته متحمل آن شدند، نشده است. در یک قیاسِ نه چندان بی‌راه، شاید بتوان زیست‌شناسی کنونی را به شیمی عصر کیمیاگری، که هنوز دانش‌هایی چون مکانیک کوانتومی برای توجیه پدیده‌های آن پا به میدان نگذاشته بود، تشبیه کرد. البته شاید تند رفته و جانب انصاف را رعایت نکرده باشم؛ ولی شک ندارم که زیست‌شناسی و به تبع آن علوم پزشکی نیاز به تحولی دارند که اصطلاحاً در علوم، تحول اساسی1خوانده می‌شود و تقریباً تردیدی ندارم که این تحول اساسی از دالان علم 👈 مکانیک کوانتومی خواهد گذشت. سال‌هاست که متخصصان علوم بین‌رشته‌ای به این امر پی برده‌اند و بسیاری کوشیده‌اند از این طریق به رمز و رازهای حیات پی ببرند. سده کنونی به یقین سده و عصر زیست‌شناسی خواهد بود و از همین رو بسیاری از متخصصان درجه اول علوم ریاضی و فیزیک در حال کوچ به زیست‌شناسی هستند. اخیراً که از سرِ کنجکاوی در پی اعضای گروه زیست‌شناسی بزرگ‌ترین مرکز تحقیقاتی علوم دنیا، یعنی انستیتو مطالعات عالی پرینستون می‌گشتم، دریافتم بسیاری از غول‌های فیزیک جهان از جمله 💥 ادوارد ویتن2 ـ فیزیکدان ژنی که او را می‌توان 👈 پدر نظریه ریسمان در ذرات بنیادی پنداشت ـ و💥 فریمن دایسون3 اعجوبه دیگری از فیزیک و از بنیان‌گذاران فیزیک ذرات بنیادی، در آن حضور دارند. می‌توان گفت که کفگیر فیزیک تقریباً به ته دیگ خورده است، زیست‌شناسی سرزمینی بکر برای پاشیدن بذرهای نظریه‌های جدید است و به این ترتیب، بی‌گمان آن تحول بایسته در این سده در این علم رخ خواهد داد. جای بسی تأسف است که در دوره جدید متوسطه، درس زیست‌شناسی به‌عنوان یکی از دروس رشته ریاضی فیزیک پذیرفته نشد و به جای آن درس زمین‌شناسی افزوده شد که نشانی از دیدگاه سنتی و پیشامدرن برنامه‌ریزان آموزشی دارد که همگام با تحولات علوم نوین پیش نمی‌روند و پیچیده در کلاف بی‌سر و ته واژگان علوم انسانی همچنان به قول آلوین تافلر4 به طبل علوم فناوری‌های ماشین دودی می‌کوبند. در هر حال، همان‌طور که پیش‌تر هم در مقاله‌ای خاطرنشان کردم، 👈 برخی از متخصصان علوم اعصاب نیز به اهمیت مکانیک کوانتومی پی برده‌اند و خود نیز پیشنهاداتی داشته‌ام5. از آن جمله 💥 استوارت همراف6 است که همراه با فیزیکدان نظری برجسته، 💥 راجر پنروس7، به این حیطه پای گذاشته‌اند. منظور اینکه، خود جوامع پزشکی و زیست‌شناسی نیز به نقایص کارشان و اینکه دیگر دانش‌های قدیمی نمی‌توانند راه به جایی ببرند، پی برده‌اند و تشنه اندیشه و منش علمی تازه‌اند. در این مقاله به بررسی چند پدیده دیگر می‌پردازیم که آن‌ها نیز بسته به نیاز متخصصان زیست‌شناسی، پای فیزیکدآن‌ها را به این حیطه باز کرده‌اند. نخستین آن‌ها به کاوشی برمی‌گردد که زیست‌شناس نامی💥 جان‌جو مک فادن8 از بخش زیست‌شناسی دانشگاه سوری9 به انجام رسانید و در توجیه یک پدیده نادر دست به دامان فیزیکدانان شد. ادامه دارد... علمی عرفانی👇 @wittj2

او در پی یک آزمایش دریافت که وقتی باکتری M.tubercolosis را در شرایط کمبود اکسیژن قرار می‌دهد، به طریقی جهش می‌یابد که سویه کشنده‌ای از آن بیشتر ظاهر می‌شود. در حالی‌که طبق 💥 نظریه داروین، جهش‌ها باید کتره‌ای (راندوم یا تصادفی) باشند و هیچ جهشی نباید بر دیگران مرجّح باشد و بیشتر از بقیه رخ دهد ـ‌یعنی شرایط محیطی در انتخاب نوع جهش، دخیل نیست. پیشتر، گروهی از زیست‌شناسان مولکولی دانشگاه هاروارد، به سرپرستی💥 جان کینس10 به مورد عجیب دیگری پی برده بودند. آن‌ها دریافته بودند وقتی که باکتری E-coli که نمی‌توانند لاکتوز را هضم کند، در ظرف ژلاتینی حاوی شکر پاشیده شود، جهش لازم را برای تجزیه سریع‌تر لاکتوز، از وضعیت‌های دیگر انجام می‌دهد و این نتیجه در مجله معتبر نیچر به چاپ رسید 🚨 [1]. 💥 مک فادن به کمک فیزیکدان جوانی به نام 💥 جیم الخلیلی11کوشید به یاری مکانیک کوانتومی راز این معماها را بگشاید. البته دخالت دادن مکانیک کوانتومی در زیست‌شناسی کار چندان بدیع و تازه‌ای نبوده است و پیش از آن، فیزیکدانی به نام 💥 لودین12 به این امر همت گماشته بود [2].👌🌟 در هر حال، باید توجه کنیم که یاخته‌ها از اتم ساخته شده‌اند و قوانین مکانیک کوانتومی برای همه اتم‌ها حاکم است؛ قوانینی همچون💎 برهم نهی‌کوانتومی13 ـ💎 اینکه در حالت میکروسکوپی تا ذره دیده نشود، جای آن مشخص نیست ـ و 💎 پدیده تونل‌زنی14 که بر مبنای آن ذرات میکروسکوپی می‌توانند از موانعی رد شوند که از لحاظ کلاسیک ناممکن است. 🚨 در توجیه این آزمایش‌ها باید به ساختار نردبانی DNA توجه کرد. البته اگر این مقاله را برای فیزیک پیشگان می‌نوشتم ـ آن‌طور که باید در کتاب‌های جدیدالتألیف برای رشته‌های ریاضی فیزیک نگاشته می‌شد ـ به ساختار این مارپیچ و به دو زنجیره پلی‌نولکئوتیدی آن که در جهاتی معکوس با پیوندهای هیدروژنی که به ترتیب بازهای A و G یک زنجیره با بازهای T و C زنجیره دیگر جفت می‌شوند، مقابل هم قرار می‌گیرند و الی آخر می‌پرداختم؛ اما اکنون مخاطبانم کسانی هستند که بر این دانش احاطه لازم را دارند. بنابراین، تکیه بر 🌟 این امر که هر پله این نردبان شامل پیوند هیدروژنی است که بر آن‌ها قوانین مکانیک کوانتومی حاکم است، کفایت می‌کند. اما افزون بر این شکل طبیعی، در یک جهش می‌توان به اشکالی غیرطبیعی یا اصطلاحاً👈 توتومری15 هم رسید. هر تغییر در توالی DNA ژنوم بنای یک جهش است. 👌🌟 جهش هنگامی رخ می‌دهد که یک هیدروژن از مکان طبیعی خود به جای دیگر (جای نادرست در نیمه مقابل نردبان) برود. این تغییرات از شکل طبیعی به اشکال توتومری، موجب خطاهایی در فرایند رونویسی DNA می‌شود. در هر حال، بنا به قواعد مکانیک کوانتومی تا هنگامی که جهش رخ نداده باشد، یک هیدروژن را می‌توان در هر دو سوی نردبان در نظر گرفت و👌🚨 جهش هنگامی رخ می‌دهد که هیدروژن بتواند اصطلاحاً به بیان مکانیک کوانتومی از سدّی ـ که از لحاظ کلاسیکی غیرممکن است ـ تونل بزند و به آن سوی نردبان برود (شکل 1). ادامه دارد... علمی عرفانی👇 @wittj2

👆 شکل 1. برای سادگی کار، حالت‌های اولیه و جدید را همان جایگاه هیدروژن در دو سوی نردبان فرض کنید. هیدروژن می‌تواند یا در چاه سمت چپ باشد یا در چاه سمت راست. در میانه این دو چاه سدّ پتانسیلی دیده می‌شود. در مکانیک کوانتومی ذرات را با بسته موجی نشان می‌دهد. الان می‌بینیم که موج (مربوط به هیدروژن) انرژی کمتری (نشان داده شده با E) در برابر سدّ پتانسیل (نشان داده شده با U) دارد. در مکانیک کلاسیک چنین عبوری ناممکن است. اما مکانیک کوانتومی این امر را مجاز می‌شمارد. شواهد فراوان دیگری نیز در تأیید این پدیده وجود دارد و امری مسلم در فیزیک پنداشته شده است. ⭐ بر مبنای آنچه که تعبیر کپنهاگی مکانیک کوانتومی خوانده می‌شود، این اندازه‌گیری (مشاهده) است که واقعیت یک حالت فیزیکی را خلق می‌کند. در این مورد 💎 یک آزمایش تخیلی مشهور را بیان می‌کنند. به‌طور ذهنی فرض می‌کنند که فوتون به یک آینه نیمه‌نقره‌اندود برخورد می‌کند. احتمال آن وجود دارد که فوتون هم از آینه عبور کند و هم نکند. فرض کنید فوتون در صورت عبور وارد اتاقک گربه‌ای شود که در آن ماده شیمیایی کشنده‌ای قرار دارد که در حضور فوتون فعال می‌شود. پس اگر فوتون از آینه نیمه‌ نقره اندود عبور کرده باشد، گربه مرده است. در نتیجه، گربه یا مرده یا نمرده است (یک وضعیت مشابه کوانتومی). ما تنها در صورتی می‌توانیم به این امر پی ببریم که درِ اتاقک را باز کنیم و وضعیت گربه را تشخیص دهیم (یک وضعیت مشابه کلاسیکی). 👈 این امرِ مشاهده است که یک واقعیت فیزیکی را ایجاد می‌کند و دنیای چندگانه کوانتومی را به دنیای یگانه کلاسیکی تبدیل می‌کند. 🚨 بنابراین تا هنگامی که جهش رخ نداده است، هیدروژن می‌تواند در هر دو سوی باشد و جهش هنگامی رخ می‌دهد که تونل‌زنی کوانتومی رخ دهد و وضعیت جدید دیده شود. ⭐ هم‌اکنون مک فادن و الخلیلی در پی آزمایش‌های پیشنهادی دیگری هستند تا به نظریه خود استحکام بیشتری بخشند. آن‌ها می‌خواهند هیدروژن موجود در مولکول طبیعی DNA را با اتم‌های دوتریم (که همان ویژگی‌های شیمیایی هیدروژن را دارند، ولی دوبرابر سنگین‌ترند) جانشین کنند. آن‌ها معتقدند 👈 در این صورت آهنگ جهش‌ها کمتر خواهد شد، زیرا احتمال تونل‌زنی برای اتم‌های سنگین‌تر دوتریم به مراتب کمتر است [3]. ⭐ در مورد آزمایش E-coli هم استدلال این است که باکتری هم می‌تواند لاکتوز را تجزیه کند و هم نکند. مک فادن و الخلیلی به‌طور ریاضی تحلیل کردند که برهم‌کنش بین اتم هیدروژن DNA و محیط اطراف آن ـ و به عبارتی حضور مولکول‌های شکر ـ باعث می‌شود که هیدروژن به مکان نادرست تونل بزند (شکل 2).👇 ادامه دارد..‌. علمی عرفانی👇 @wittj2

👆 شکل 2. وجود مولکول‌های شکر موجب می‌شود اتم هیدروژن به سوی دیگر نردبان تونل بزند و بر اثر این جهش، لاکتوز را سریع‌تر تجزیه کند. محاسبات آن‌ها نشان داد که این جهش، E-coli را قادر می‌سازد تا لاکتوز را سریع‌تر از وضعیت در نبود شکر تجزیه کند [4]. ⭐ پدیده مورد بررسی دیگر، 👈 پدیده فتوسنتز است. همان‌طور که می‌دانیم درون کلروپلاست آنتن‌های رنگیزه‌ای وجود دارد که انرژی را از مولکول‌های جمع‌کننده نور به پروتئین‌های حامل برهم‌کنش منتقل می‌کنند. 🚨 از دیدگاه زیست‌شناسی کلاسیک، انرژی همواره از یک مولکول به مولکول دیگر در یک تک مسیر، چیزی شبیه 👈 لی‌لی‌کنان، می‌جهد. ولی محاسبات نشان داده‌اند که در این صورت بازده به مراتب کمتر از بازده واقعی می‌شود.🔮 راه‌حل برطرف کردن این معضل نیز در چنته مکانیک کوانتومی است. از دیدگاه مکانیک کوانتومی انرژی می‌تواند به همه مسیرهای مولکولی «سرک» بکشد و مسیری را انتخاب کند که سریع‌ترین است ـ👈 به عبارت دیگر، فوتون‌ها پیش‌بینی می‌کنند و در هر زمان بهترین مسیر را برمی‌گزیند (شکل 3). 👇 شکل 3. فوتون‌ها موقعیت را پیش‌بینی می‌کنند و به جای طی کردن مسیرهای طولانی، مسیری سریع‌تر را برای خود برمی‌گزینند. ⭐ آزمایشی که تیم همکار شیمیدان برجسته💥 گراهام فلمینگ16 در سال 2007 در دانشگاه برکلی روی باکتری گوگرد سبز17 در دمای 321ْF- انجام دادند، مؤید این نظریه کوانتومی بوده است [5] و سه سال بعد همین آزمایش‌ها توسط💥 گرگوری شولز18 شیمیدانی از دانشگاه تورنتو در اونتاریو با جلبک‌های دریایی در دمای اتاق به انجام رسید و این نظریه را تأیید کرد [6]. این نتیجه خیلی‌ها را متعجب کرد. گفته می‌شود فیزیکدآن‌ها که سال‌ها در پی ساختن کامپیوترهای کوانتومی بودند، اکنون دریافته‌اند که هر روز انبوهی از این رایانه‌ها را همراه با سالاد می‌خورند! علمی عرفانی👇 @wittj2 📗مقاله نوشته محمد رضا خوش بین خوش نظرآبان ۹۶ 🔑 پی‌نوشت‌ ها 1. breakthrough 2. Edward vitten 3. Freeman Dyson 4. Alvin Toffler 5. M.R.Khoshbin-e-khoshnazar, Quantum Superposition in the Retina: Evidences and Proposals, NeuroQuantology, March 2014, Volume 12, 97-101. 6. stuart Hameroff 7. Roger Penrose 8. Johnjo MeFadden 9. Surry 10. John Cains 11. Jim Al-Khalili 12. Lodin 13. quantum superpositins 14. tunelling 15. tautumeric 16. Graham Fleming 17. Green Sulfur 18. Gregory Scholes منابع 1. John Carins, Juliet Overbaugh & Stephan Miller, The Origion of Mutants, Nature 335 (sep 1988) 142-145. و نیز نگاه کنید به: John Carins and Patricia L. Foster, Adaptive Reversio of a Frameshift Mutation in Escherichia Coli, Genetics 125 (1991), 695-701. 2. Per-Olov Lowdin, Proton tunneling in DNA and its biological implications, Rev.mod.Phys 35 (1963), 729-732. 3. Zeeya Merali, Solving Biology's Mysteries Using Quantum Mechanics, Discover, December 27, 2014. 4. Johnior McFadden, Jim Al-Khalilil, A quantum mechanrcal model of adaptive mutation, Biosystems 50 (1999) 203-211. 5. G.S. Engel,..., G. Fleming, Evidence for Wavelire energy transfer through quantum Coherence in Photosynthetic systems, Nature 446 (2007), 782-786. 6. G. Scholes, et.al, Coherently wired light-harvesting in Photosythetic marine algae at ambient temperature, Nature 463 (2010), 644-647.

🔮🎷 تونل‌زنی کوانتومی (به انگلیسی: Quantum tunneling) به فرایند کوانتومی تونل زدن یک ذره بنیادی در یک سد پتانسیل - که از نظر کلاسیک، ذره قادر به عبور از آن نیست - اشاره دارد. این پدیده مهم در چندین پدیده فیزیکی - برای مثال، در واکنش‌های هسته ای که در ستارگان رشته اصلی (به انگلیسی: main sequence stars) مثل خورشید اتفاق می‌افتد[۱] - به چشم می‌خورد. همچنین کاربردهای مهمی در ادوات الکترونیکی مانند دیود تونلی دارد.[۲] این پدیده در اوایل قرن بیستم پیش‌بینی شده بود و در اواسط همین قرن به عنوان یک پدیده کلی فیزیکی پذیرفته شد. 👌🌟 تونل زنی معمولاً با اصل عدم قطعیت هایزنبرگ توضیح داده می‌شود. در واقع مفاهیممکانیک کوانتومی حول این پدیده توصیف می‌شوند و می‌توان گفت تونل زنی کوانتومی یکی از ویژگی‌های بنیادی مکانیک کوانتومی و نشانه خاصیت دوگانگی موج – ذره است.[۳] 🌟 تاریخچه تونل زنی کوانتومی در ابتدا با مطالعه تابش گسترش یافت و در سال ۱۸۹۶ توسط Henri Becquerel کشف شد. مسئله تابش بعدها توسط Piere Curie و Marie Curie آزمایش شد، که برای آن در سال ۱۹۰۳ جایزه نوبل فیزیکگرفتند. Ernest Rutherford وEgon schweidler طبیعت تابش را مطالعه کردند که بعدها توسط Fredrich Kohlrausch به صورت تجربی اثبات شد. بعدها نظریهٔنیمه عمر و عدم امکان پیش‌گویی واپاشی از کار آن‌ها نتیجه شد. Friedrich Hund اولین کسی بود که در سال ۱۹۲۷ وقتی که حالت پایه چاه دوتایی را محاسبه می‌کرد به پدیدهٔ تونل زنی توجه کرد. اولین کاربرد این پدیده یک توضیح ریاضی برای واپاشی ذرات آلفا بود که در سال ۱۹۲۸ توسط George Gamow انجام شد. دو محقق دیگر به نام‌های Ronald Gurney و Edward Condon هم مستقلاً این کار را انجام دادند. این دو محقق به‌طور هم‌زمان معادلهٔ شرودینگر(به انگلیسی: Schrodinger) را برای یک چاه پتانسیل درون هسته و یک رابطه بین نیم عمر ذره و انرژی تابشی یافتند که مستقیماً به احتمال ریاضی تونل زنی وابسته بود. بعد از یک سمینار توسط Gamow، فردی به نام Max Born کلیت تونل زنی را دریافت. او پی برد که تونل زنی محدود به فیزیک هسته ای نیست بلکه یک نتیجهٔ کلی از مکانیک کوانتومی است که در چندین سیستم مختلف ظاهر می‌شود. اندکی بعد، هر دو گروه موضوع تونل زنی ذرات به درون هسته را مطرح کردند. در پی آن، مطالعه مواد نیمه رسانا و گسترش ترانزیستورها و دیودها منجر به پذیرش تونل زنی الکترون در جامدات، در سال ۱۹۵۷شد. کار Leo Esaki و Ivar Giaver و Brian David Josephson، زوج‌های کوپر ابررسانایی را پیش‌بینی کرد که در سال ۱۹۷۳ جایزه نوبلفیزیک را برای آن‌ها به ارمغان آورد. علمی عرفانی👇 @wittj2