Hem yerel, hem de küresel medya maalesef uzun bir süredir suyun hafızasının kuantum mekaniksel temelleri üzerine kurulu sözde-bilimsel mistik öğretilerin bombardımanı altında kalmış durumda. Böyle bir ortamda toplumun zihinsel hijyenini korumak hiç de kolay değil. Fakat bu uğurda akademik çevrelerde çok şey yapıldığı da söylenemez. Bu yazı biraz da bu eksiklik karşısındaki mahcubiyetle kaleme alınmıştır.

Suda kuantum mekaniksel olgular gerçekleşiyor olabilir mi?

Diğer sıvılarla karşılaştırıldığında suyun gerçekten de kuraldışı ya da tuhaf olarak adlandırılabilecek birçok yapısal, dinamik ve termodinamik özelliği var [1]. Fakat bu özelliklerin çoğu sadece suyu oluşturan H2O moleküllerinin arasındaki klasik etkileşimler ele alınarak açıklanabilir [2]. Tabii klasik hesapların başarısı kuantum fiziğinin oyuna dâhil olmadığı anlamına gelmez. Zira birbirine zıt yönde etkileri olan bazı kuantum mekaniksel olgular söz konusu olabilir [3]. Ya da klasik hesaplarda kullanılan bazı yaklaşımlar hesaba katılmayan kuantum etkilerini taklit ediyor olabilir [4].

Not-1’de ayrıntılarını bulabileceğiniz suda ortaya çıkabilecek olan kuantum mekaniksel olgular, suyun kendisini oluşturan H2O moleküllerindeki hidrojen (H) atomlarının ya da bu atomların çekirdeklerindeki protonların hareketinden kaynaklanır. Zaten bir hidrojenin çekirdeği sadece bir protondan oluşur. Onun bir izotopu olan ve “ağır hidrojen” olarak da bilinen döteryumun (D) çekirdeğindeyse bir proton ve bir nötron birlikte bulunur.

Suyun içindeki hidrojen atomları deneysel olarak döteryum atomlarıyla değiştirilebilir. Bu da hidrojen atomlarının ya da bu atomların çekirdeklerindeki protonların hareketine bağlı olarak suda ortaya çıkabilecek olan, doğaları gereği kütle ile ters orantı içindeki kuantum mekaniksel olguların etkilerini azaltır. Bu bağlamda, H2O moleküllerinden oluşan “hafif su” üzerindeki deneysel ölçümlerde görülen bir tuhaflık eğer D2O moleküllerinden oluşan “ağır su” üzerindeki deneysel ölçümlerde ortadan kayboluyorsa, bu tuhaflığın aşikâr olmayan bazı kuantum etkilerinden kaynaklandığı iddia edilebilir. Yani dolaylı da olsa bu konudaki varsayımları test edebilecek deneysel yöntemler literatürde mevcut.

Peki, suda hidrojen/proton hareketine bağlı kuantum mekaniksel olgular ne zaman ortaya çıkar?

Öncelikle (hidrojen bağı ile) etkileşen iki su molekülünün oksijen (O) atomları arasındaki uzaklık santimetrenin yüz milyonda birinin 2.6 katından – yani 2.6 Angstrom’dan – küçük olmalı. Ayrıca aralarındaki hidrojene/protona bu iki oksijen atomunun ilgileri – hidrojene/protona kovalent olarak bağlandıkları zaman saldıkları enerjiler – arasındaki fark kabaca 20 kcal/mol’dan az olmalı. Son olarak, hidrojen/proton bu iki oksijen atomunu birbirine bağlayan hayali doğruya mümkün olduğunca yakın bulunmalı. Daha doğru bir ifadeyle, su molekülleri arasında doğrusala yakın bir bağ kurulmalı.

Bildiğimiz suda oksijen atomları arasındaki uzaklık ortalama 2.8 Angstrom kadardır. Bu atomların proton ilgileri arasındaki fark ise 20 kcal/mol mertebesindedir. Isıl salınımlar sebebiyle yer yer bu değerlerde keskin düşüşler gerçekleşebilir. Fakat aynı salınımlar su molekülleri arasında yeterince uzun süre doğrusal bir bağ kurulmasına izin vermez. Bu da demektir ki gündelik algılarımızla çelişkili görünen kuantum mekaniksel olguların (bkz Not-1) bildiğimiz suyun yapısal, dinamik ve termodinamik özellikleri üzerinde önemli bir etkisinin olması çok beklendik bir şey değildir.

Suyun bazı katı hallerinde/fazlarında ise durum oldukça farklı. Yanlış okumadınız, su buzunun onlarca farklı hali/fazı mevcut. Üstelik bunların bazılarında belli sıcaklık ve basınç değerleri aralıklarında kuantum tünelleme (bkz Not-1-b) gibi olguların gerçekleştiğine dair birçok kuramsal, hesapsal ve deneysel çalışma yapılmış [5].

Metrenin milyarda biri ölçeğinde sentezlenmiş karbon nano-tüplerde ya da canlı hücrelerin içinde bulunan “hapsedilmiş su” da bu bağlamda su buzunun bazı halleri/fazları gibi bildiğimiz sudan ayrı tutulabilir. Fakat şu an konumuz şu fani hayatlarımızda daha az gördüğümüz suyun bu farklı yüzleriyle ilgili değil.


Figür 1: H2O moleküllerinden oluşan su öbeklerinin dinamiği.
Kırmızı küreler oksijen (O) atomlarını, beyaz küreler hidrojen (H) atomlarını, yeşil çizgilerse hidrojen bağlarını temsil ediyor.
Kaynak: http://www1.lsbu.ac.uk/water/water_equilibria.html
Suyun hafızası olabilir mi?

Su, daha önce içerisinde çözülmüş olan bir maddeyi hatırlayabilir mi? Hatta bu hatıra üzerinden o maddenin şeklini, dolayısıyla da biyokimyasal etkinliğini taklit edebilir mi?

Suyun (içinde çözülmüş olan antikorlar için) böyle bir hafızasının olduğu 1988 yılında Fransız immünolog Jacques Benveniste önderliğinde yapılan ve dünya çapında dört farklı bağımsız araştırma merkezinde tekrarlanan, sonuçları oldukça tartışmalı bir deneyin sonunda iddia edildi [6]. Hemen aynı yıl, Nature dergisinde bu deneyin sonuçlarının yayınlanmasına onay veren dergi editörü Sir John Royden Maddox önderliğindeki bir grup Benveniste’nin laboratuvarında kendilerinin kontrolünde yapılan tekrarlarda aynı sonuçları elde edemediklerini açıkladı [7]. Hâlâ da bu sonuçların doğruluğu/yanlışlığı üzerindeki tartışma tam olarak tatlıya bağlanmış durumda değil [8]. Fakat Benveniste’nin akademik saygınlığı bu tatsız tartışma sırasında zarar gördü ve ortaya attığı iddia bilim insanlarından daha çok bir alternatif tıp yöntemi olan homeopati [9] destekçileri arasında yankı buldu.

2009 yılından itibaren yayınlamaya başlayan bir dizi yeni deney sonucuna göre benzer bir iddia bu sefer DNA çözeltileri için ortaya atıldı [10]. Bu deneylerin başında HIV virüsünün keşfinde yer alan ve bu yüzden 2008’de fizyoloji ve tıp alanında Nobel bilim ödülüne layık görülen Fransız virolog Luc Antoine Montagnier vardı. Montagnier ve arkadaşları suyun daha önce içinde bulunan DNA molekülünü hatırlamakla kalmadığını, bununla ilgili bir elektromanyetik dalga yaydığını ve bu dalganın DNA’nın hatırasını başka bir kaptaki suya aktarabildiğini de öne sürdü. Fakat bu deneyler maalesef henüz başka bir bağımsız grup tarafından tekrarlanıp, doğrulanmış durumda değil. Ayrıca, Montagnier her ne kadar buna katılmasa da sonuçları alternatif tıp camiasına göre homeopati yönteminin [9] en önemli bilimsel destekleri arasına girdi.

Peki, bu deneysel sonuçları nasıl yorumlamamız gerekiyor? Gerçekten de suyun moleküler organizasyonun daha önce içinde bulunan maddeye göre şekil almasını fiziksel ve kimyasal bir tabana oturtturabilir miyiz?

Emin olun böyle bir bilimsel tabanın bulunması durumunda benden daha fazla heyecanlanacak bir fizikçi bulamazdınız. Daha dakikasında onlarca yeni kuramsal biyoloji modeli kurmaya başlardım. Fakat bildiğimiz fizik ve kimyaya göre bildiğimiz suda moleküler organizasyonun bu şekilde korunması mümkün görünmüyor. Her şeyden önce, su moleküllerini birbirine bağlayan hidrojen bağlarının ömrü saniyenin trilyonda biri – yani pikosaniye – mertebesinde bir zaman ölçeğinde.

Sudaki H2O molekülü öbeklerinin ömrü hidrojen bağlarının ömründen uzun olamaz mı? Tabii ki olabilir. Fakat suda herhangi bir H2O molekülü öbeği bir milisaniyeden daha uzun süre yapısal bütünlüğünü koruyamıyor (Figür 1). Oysa Montagnier ve arkadaşları suyun hafızasının haftalar boyunca sürdüğünü iddia ediyor.

Peki, suyun hafızası suyu oluşturan maddi gerçeklikten, hidrojen bağlı H2O moleküllerinin toplamından daha aşkın bir şey olamaz mı? Yazının girişinde bahsi geçen sözde-bilimsel mistik öğretilerin iddiası suyun kuantum özellikleri sayesinde bunun tam olarak böyle olduğu yönünde. Fakat hafıza konusuna geçmeden önce gösterdiğimiz sebepler yüzünden kuantum mekaniksel olguların bildiğimiz suyun yapısal, dinamik ve termodinamik özellikleri üzerinde önemli bir etkisinin olması çok beklendik bir şey değil.

Son söz

Kuantum mekaniğinin doğuşunda yaşandığı gibi bazen bilimsel devrim niteliğinde sonuçları olan önemli araştırmalar akademik dünyada büyük bir sürtünme ile karşılaşabiliyor. Bazense çalıştığı alanda birçok devrim yapmış bir bilim insanı belli bir noktadan itibaren bilimin çizdiği ölçü ve çerçevenin dışına sürüklenip, hayatının geri kalanını kişisel inançlarının peşinde geçirebiliyor (bkz Not-2). Suyun hafızası ve bunun kuantum doğası gibi tartışmalı konularda durumun hangisi olduğunu anlamak çok da kolay değil aslında.

Anla(t)maya çalışırken bir hatamız olduysa affola.

Bilimle kalın,

Yazan: Onur Pusuluk
Düzelten: Tuba Bucak

Not-1:

Suda ortaya çıkabilecek olan başlıca kuantum mekaniksel olgular sıfır-noktası enerjisi, tünelleme, eş-evrelilik ve dolaşıklıktır. Meraklıları için birkaç cümle ile bunları açıklamak gerekirse:

a) sıfır-noktası enerjisi (zero-point energy): Bir kuantum mekaniksel sistemin mutlak sıfır sıcaklığı olan 0 Kelvin’de bile sahip olacağı titreşim enerjisi. Klasik fiziğe göre mutlak sıfır sıcaklığındaki herhangi bir atomun ya da molekülün donması, yani titreşim enerjisinin sıfır olması gerekiyor. Fakat Heissenberg belirsizlik ilkesi bağlamında bir kuantum mekaniksel sistemin sıfır-noktası enerjisi (her zaman içinde bulunduğu klasik potansiyel kuyusunun minimumundan büyük kalacak şekilde) salınım halinde olabiliyor.

Suda birbirine zıt yöndeki kuantum katkılar yüzünden hidrojenin/protonun sıfır-noktası enerjisinin klasik karşılığından çok farklı olması beklenmiyor [3].

b) tünelleme (quantum tunneling): Bir parçacığın klasik olarak aşamayacağı bir potansiyel engelini geçmesi. Kabaca duvara çarpan bir topun duvarın arkasına geçmesi olarak düşünülebilir. Fakat unutulmamalı ki bu olguyu gözlemlediğimiz fiziksel sistemler genellikle elektron ve proton gibi oldukça küçük parçacıklardan meydana gelir. Bu yüzden siz siz olun, sakın arkasına geçmek umuduyla bir duvara çarpmayın.

Özellikle su buzunun belli hallerinde/fazlarında protonların su molekülleri arasında tünellediği öne sürülüyor [5].

c) eş-evrelilik (quantum coherence): Kuantum üst üste binme (quantum superposition) ilkesine göre bir fiziksel sistem klasik olarak bulunabileceği birden fazla durumda aynı anda birden bulunabilir. Yukarıdaki açıklamada bahsi geçen topun aynı anda duvarın hem önünde, hem de arkasında bulunması gibi. Diğer bir ifadeyleyse, topun duvarın önünde ve arkasında bulunma durumları arasında eş-evrelilik olabilir.

d) dolaşıklık (quantum entanglement): Kuantum üst üste binmesi ilkesinin bir sonucu olarak iki farklı fiziksel sistem arasında yerel olmayan ilintiler ortaya çıkabilir. İki H2O molekülü arasındaki hidrojen bağı boyunca protonun bir kuantum üst üste binme durumunda olması moleküller arasında böyle ilintiler üretebilir [5].

Not-2:

Benim kişisel hayranı olduğum, ikisi Nobel olmak üzere bir sürü ödül kazanmış olan Linus Pauling tam da böyle birisi sanırım. Daha fazla bilgi için: https://en.wikipedia.org/wiki/Linus_Pauling

Kaynaklar:

[1] Daha fazla bilgi için: Anomalous properties of water @ Water Structure and Science: http://www1.lsbu.ac.uk/water/water_anomalies.html

[2] Daha fazla bilgi için: J Russo et al, Water-like anomalies as a function of tetrahedrality, Proceedings of the National Academy of Sciences, 115 (15), E3333–E334 (2018). DOI: 10.1073/pnas.1722339115; Tetrahedrality is key to the uniqueness of water @ Phys.Org: https://phys.org/news/2018-03-tetrahedrality-key-uniqueness.html

[3] Daha fazla bilgi için: S Habershon et al, Competing quantum effects in the dynamics of a flexible water model, The Journal of Chemical Physics, 131 (2), 024501 (2009). DOI: 10.1063/1.3167790 ; M Ceriotti et al, Nuclear Quantum Effects in Water and Aqueous Systems: Experiment, Theory, and Current Challenges, Chemical Reviews, 116, 7529–7550 (2016). DOI: 10.1021/acs.chemrev.5b00674

[4] Daha fazla bilgi için: L Hernández de la Peña and Peter G. Kusalik, Temperature Dependence of Quantum Effects in Liquid Water, Journal of the American Chemical Society, 127 (14), 5246–5251 (2015). DOI: 10.1021/ja0424676

[5] Daha fazla bilgi için: O Pusuluk et al, Emergence of correlated proton tunneling in water ice, arXiv/quant-ph (2018) @ https://arxiv.org/abs/1703.01335

[6] E Davenas et al, Human basophil degranulation triggered by very dilute antiserum against IgE, Nature, 333, 816–818 (1988). DOI: 10.1038/333816a0

[7] J Maddox et al, “High-dilution” experiments a delusion, Nature, 334, 287–290 (1988). DOI: 10.1038/334287a0

[8] Daha fazla bilgi için: S J Hirst et al, Human basophil degranulation is not triggered by very dilute antiserum against human IgE, Nature, 366, 525–527 (1993). DOI: 10.1038/366525a0 ; J Benveniste et al, Memory of water revisited, Nature, 370, 322 (1994). DOI: 10.1038/370322a0 ; Memory of water @ Water Structure and Science: http://www1.lsbu.ac.uk/water/memory_of_water.html

[9] Daha fazla bilgi için: Homeopati nedir? : Tavşanın suyunun suyu @ Yalan Savar: https://yalansavar.org/2012/06/12/tavsanin-suyunun-suyu-1-homeopati-nedir/

[10] L Montagnier et al, Electromagnetic signals are produced by aqueous nanostructures derived from bacterial DNA sequences, Interdisciplinary Sciences: Computational Life Sciences, 1, 81–90 (2009). DOI: 10.1007/s12539-009-0036-7 ; L Montagnier et al, Transduction of DNA information through water and electromagnetic waves, Electromagnetic Biology and Medicine, 34 (2), 106–112 (2015) . DOI: 10.3109/15368378.2015.1036072

Ana Görsel: H2O moleküllerinden oluşan su öbeklerinin dinamiği.
Kırmızı küreler oksijen (O) atomlarını, beyaz küreler hidrojen (H) atomlarını, yeşil çizgilerse hidrojen bağlarını temsil ediyor.
Kaynak: http://www1.lsbu.ac.uk/water/water_equilibria.html