BİLİM & TEKNOLOJİ

TANRI ZAR MI ATIYOR?

”Einstein yanılmıştı ve bu yanılgı ile 1955’te hayata veda etti.”

Parçacık mı yoksa dalga mı? Cevap her ikisi.

”Günlük hayatınıza dair tüm sezgilerinize veda ederek okumanızı tavsiye ederim.”

Günlük yaşamımızda her cismin konumunu ve momentumunu (cismin hızı x kütlesi) biliyoruz.

Momentum aynı zamanda içinde yön bilgisi de barındırıyor. Fırlattığım bilyenin konumunu biliyorum ve onu fırlattığımda oluşan momentumunu da biliyorum. Fakat kuantum dünyasında durum böyle değil; bir parçacığın hem konumunu hem momentumunu aynı anda bilemeyiz. ( Kuantum Teorisinin kurucularından Werner Heisenberg’in 1927 tarihli ünlü Belirsizlik Teorisi.)

Elektron hem bir dalga gibi hareket ediyor hem de parçacık. Bilyeyi fırlatırken konumunu ve momentumunu biliyorum. Ancak bir dalga gibi davrandığı için dalga boyunca her yerde olabilir yani elektronun konumunu bilmiyorum.

Yarıktan geçtiği anda konumunu biliyorum; sağ yarıkta ve sol yarıkta. Fakat bu sefer de karşı duvarın hangi kısmına doğru yöneleceğini yüzde yüz bilmiyorum(ihtimaller demeti) yani momentumunu bilmiyorum.

Belirsizlik Teorisi Einstein’ı öylesine rahatsız etti ki ‘Tanrı zar atmaz’ diyerek buna karşı çıktı.

Ancak gelin görün ki yapılan her deney günümüze dek bu garipliği doğruladı. Tanrı zar atıyor!

Çift Yarık Deneyini ve Belirsizlik Teorisini gözlerinizle görmek için deneyi evde yapabilirsiniz;

Bir cam, mum, iğne ve lazer pointer ile yapılıyor. Mumun isiyle kapkara hale getirdiğimiz camda, iğne ile isin üzerinde kazıdığımız incecik iki transparan yarıktan geçen lazerin, karşı duvarda oluşturduğu geniş girişim modelini ağzımız açık seyrettik. Lazerden çıkan foton o incecik yarıkların bir noktasında, konumunu az çok biliyorum; fakat duvarda ihtimaller demeti çok geniş, hangi yöne gitti bu foton? Yarığı, isi kazıyarak kalınlaştırdıkça duvardaki girişim modeli daraldı ve lazer neredeyse duvarda bir yerde toplandı. Yarığım büyük. Acaba foton bu yarığın neresinde? Konumu ne? Buna mukabil duvarda beliren dar ihtimaller demetine bakılırsa, gittiği yön az çok belli oldu. Neymiş, konumu iyi biliyorsam, yönünü bilemem; konumunda çok ihtimal varsa bu sefer yönü iyice belirginleşiyor. İkisi aynı anda bilinemiyor!! Ölçümde yaptığım bir beceriksizlik söz konusu değil. Maddenin doğası bu, çünkü o hem parçacık hem dalga.

1- Kuantum Tutarlılığı

Kuantum mekaniğinin klasik mekanikten çok daha garip davrandığını ve atomik ölçekte parçacıkların hem orada hem burada aynı anda olabileceklerini kabul ettiğimize göre, şu soruyu sormadan geçemiyoruz. Küçük ölçekten ne zaman çıktığımızda klasik mekaniğin sınırlarına giriyoruz?

Yani bir elektron delice hareket kabiliyetine sahip ama kaç elektron bir araya gelince birden bire söz konusu ihtimaller yok oluveriyor?

Yoksa yok olmuyor da başka paralel evrenlerde mi yollarına devam ediyor ve biz gözlemleyemiyoruz? Yanıtlaması mümkün olmayan sorular bunlar. Paralel evrenler varsa da gözlemleyemeyiz.

Kuantum tutarlılığı parçacığın süper pozisyonuna sahip olabilmesine deniyor, parçacık süper pozisyon özelliğini kaybederse tutarsızlaşıyor ve dalga olma özelliği çöküyor. Bunun en önemli sebebi gözlemlenmesi ya da büyüklerin evreniyle bir etkileşime girmiş olması. Avusturyalı kuantum fizikçisi Erwin Schrödinger ise buna hararetle karşı çıktı ve asıl bu tanımlamanın tutarsız olduğunu düşündü.

Schrödinger’in kedisi

Bay Schrödinger, kediniz hakkında… Hem iyi hem kötü haberlerim var.

Pavlov’un köpeği varsa Schrödinger’ın da kedisi var. Üstelik bu kedi bir suçlu olup aranıyor olsaydı ilanlarda ölü ya da diri aranıyor değil ölü ve diri aranıyor yazılırdı. Neden mi?

Öncelikle 1935 tarihli bu deneyin yapımında hiçbir kediye zarar gelmediğini belirteyim çünkü bu bir düşünce deneyiydi. Schrödinger, bir kedinin, içinde yüzde 50-50 çürümesi ihtimal radyoaktif bir elementin olduğu ve bu elementin çürümesi durumunda zehirli gazın salınmasını sağlayan bir mekanizma içeren kutuya kapatıldığını düşündü. Radyoaktif elementin içindeki bir atomun çürüyüp çürümemesine bağlı olarak kedi bir saat sonunda ya hayatta kalacaktır ya da ölecektir.

Kutu kapalı olduğu müddetçe, kedi süperpozisyonda, yani aynı anda hem ölü hem de diri.Kutu açılıp içine bakılınca ise kedi iki durumdan birine çöker. Yani bakma eylemi doğayı bir karar vermeye zorlamış olur. Schrödinger atom seviyesinde karşılaştığımız süperpozisyonun günlük hayatımıza etkisinin tüm sezgilerimize aykırı olacağını ve gerçekliği yansıtamadığını göstermek için bu deneyi yapmıştı. 1950’lerde ortaya çıkan paralel evrenler teorisini geliştirenler bu deneyi kedinin ölü ve diri hallerinin iki ayrı evrende devam ettiği şekilde yorumlarlar.

2- Kuantum dolanıklığı

İki parçacık birbiriyle etkileşim içinde olursa özellikleri birbirine bağlı olmaya başlar hem de kalıcı olarak ve birbirlerinden milyarlarca ışık yılı uzağa gitseler de. Böyle bir şeyin mümkün olabilmesi için elektronların evrendeki tek sabit olan ışık hızından daha hızlı bir iletişim sistemine sahip olmaları gerekiyor öyle değil mi? Ama Einstein evrende hiçbir şey ışık hızından hızlı değildir demişti. Buna bilgi akışı da dahil.

Einstein kuantum teorisinin tamamlanmamış olduğunu ispatlamaya kararlıydı. 1935’de kuantum teorisinin en çılgın, en olmayacak, en mantık dışı öngörüsü olan kuantum dolanıklığına savaş açtı. Kazanacağına emindi.

Kuantum mekaniği gözlemcinin elektronlardan birini gözlemlediğinde, aslında her iki yöne aynı anda dönen elektronun, bir yönü seçtiğini; uzaktaki akrabasının da onun tam tersi yönünü an itibariyle seçtiğini dolayısıyla dolanıklığın ışık hızını geçen bir bilgi akışı sağladığını öne sürüyordu. Kuantum mekaniği ile işleyen bir elma düşünün. Elma aynı anda hem kırmızıdır hem de yeşil. Fakat onu gözlemlediğiniz anda bir renge çöker. Örneğin baktığınız elma yeşil ise, bir zamanlar ağaçta komşuluk yaptığı ama şimdi evrenin öbür ucunda olan elma kırmızı olur. Nasıl böyle çılgınca bir şey olur bilmiyoruz.

Einstein ‘spooky action at a distance- uzaktan tuhaf hareket’ dediği bu işin, matematiğinde bir sorun var diye düşündü. ‘Parçacıkların doğası önceden belirlenmiş olmalı.’ diyordu. Örnek vermek gerekirse; bir çift eldiven var diyelim. Birini bir çantaya diğerini öbür çantaya koyuyoruz, ve ikisini apayrı yerlere gönderiyoruz. Bir çantayı açtığınızda sağ eldiveni görürseniz, diğer çantada sol eldiven olduğu bilirsiniz. ‘Yani ışık hızını geçen bir haber verme sistemi yok’ . Bir bilgi seyahati söz konusu olamaz.

Kim haklıydı?

Kuantum mekaniğinin öncüsü Niels Bohr mu haklıydı, Einstein mı? Bohr : ‘Elektron gözlem yapılmadan önce kesin bir durumda değil ve ancak gözlem sonucunda elektron bir dönüş ekseni seçiyor.’ Einstein : ‘Elektron gözlem yapılmadan çok daha önce zaten belli bir yöne dönüyordu.’ Einstein, Boris Podolsky ve Nathan Rosen ile yerel ve gizli değişken teorisini yayınladı ‘EPR Paradoksu’na karşı kuantum dolanıklığı maçının kesin sonuçları için daha on yıllar beklemek gerekiyordu.

Konu tamamen gözlemin etkisi ile ilgili olduğu için bu işin ispatını gözlemleyerek yapmak paradoks olacaktı. Olay felsefeye girdi. Aya bakmıyorken ay orda değil miydi? Matematikçi ve fizikçi John Bell 1964’te bu işin deneyinin nasıl yapılacağını teoride bulmuştu. Kuantum teorisi, birbirinden uzak yapılan ölçümlerin korelasyonunu, EPR’ın öngördüğü ‘Yerel Gizli Değişken Teorisi’nden daha güçlü bir şekilde öngördü; tam olarak yüzde 85’e yüzde 75…

Testi yapabilecek makineyi Stuart Freedman ve John Clauser 1962’de kurdu. Makine binlerce dolanık elektronun nasıl davrandığını ölçebiliyordu. 10 yıl sonra Alan Aspect adlı Fransız fizikçi yüksek ihtimalle kuantum dolanıklığını ispatlamış, 21 Ekim 2015’te ise Hollandalı bilim adamı Ronald Hanson şüphe bırakmayacak şekilde Einstein’ın yerel gizli değişken teorisinin doğru olamayacağını, parçacıkların hakikaten de uzak mesafelerden tuhaf hareketlerde bulunarak birbirlerine an itibariyle haber uçurduklarını ispatladı. Dolanıklık sayesinde ultra güvenli şifrelemeye sahip kuantum bilgisayarlar çok yakında hayatımızda olacak.

Einstein yanılmıştı ve bu yanılgı ile 1955’te hayata veda etti.

3- Kuantum tünellemesi

Kuantum tünellemesi; atom altı parçacıkların bir hayalet gibi duvarlardan geçtiği duruma deniyor. Bu durum yine atom altı parçacıkların konumunun belirsizliğinden kaynaklı. Bir parçacık bir engelin bir tarafındayken, sanki sihirli bir şekilde bir anda öbür tarafında belirebilir. Bu aşırı küçük de olsa sıfırdan fazla bir ihtimaldir. Bu da olmaz demeden güneşimizin parlamasının yegane sebebinin bu olduğunu, iki pozitif yüklü hidrojen çekirdeğin engeli ancak bu tünelleme ile aştığını ve birleşerek(nükleer füzyon) helyuma dönüştüğünü bilmenizde fayda var.

Nihayet bitti…

Günümüzde, lazer teknolojisi, çipler, elektronik aletler, tomografi cihazları, cep telefonu, mikrodalga fırın gibi sayısız ürün kuantum buluşu ile gerçekleşti.

Sevgili bilim severler, olur da “Kuantum diyeti yapıyorum sen de dene” diye yanınıza gelirlerse, artık Yüz ifadelerine göre kuantumu ezbere mi konuştuklarını anlayıp, ona göre pozisyon alırsınız. Ama ben şimdiden söyleyeyim; siz süper pozisyondasınız çünkü kuantum mekaniğini biliyorsunuz.