Kuantum Devrimi #4: Kuantum Fiziğinin Garip Söylemleri

Einstein için, başlarda devrim saflarındayken, hatta devrimi başlatan en önemli isimlerden biriyken daha sonra karşı-devrim saflarına geçmiştir denebilir. Ölünceye dek kuantum fiziğindeki ‘garipliklerin’ hep gizli bir takım değişkenlerden ötürü olduğunu ve bu değişkenlerin bulunmasıyla klasik fiziğin ilkelerinin kullanılmaya devam edilebileceğini savundu. Göreceliği bularak zaman ve mekânın mutlak olmadığını gösteren, Newtonian kâinat anlayışını yerle bir eden Einstein için bile kuantum fiziği, kabul edilemeyecek ölçüde sıra dışıydı…

Sırada, kimi zaman popüler medyada da rastladığımız, Kuantum Fiziğinin garip söylemleri var.

Heisenberg Belirsizlik İlkesi

Heisenberg, kuantum sistemlerindeki niceliklerin (hız, konum, enerji vb.) değerlerine ilişkin belirsizliğin niçin olduğu üzerine çok düşündü. Olayı en temelden ele almak istedi ve herhangi bir kuantum deneyindeki gözlem sürecini düşündü. Ne olursa olsun, herhangi bir parçacığı, onu rahatsız etmeden gözlemlemenin imkânsız olduğu sonucuna vardı. Parçacık üzerindeki her gözlem aslında onu rahatsız etmekte, yani konum ve hızı gibi niceliklerinde değişikliğe sebep olmaktaydı. Bu, işin doğasında olan engellenemez bir şeydi. Gözlem sonrası parçacık artık eski konumunda ve hızında değildi, dolayısıyla bir parçacığın orijinal ilk konum ve hızının bilgisine asla erişemiyorduk. Kısacası, Orwell’ci bir söylemle kuantum dünyasında kesin olan bir tek şey vardır, o da belirsizlik! Belirsizlik, kesinliktir!

Örneğimizi daha da açalım. Bir parçacığı nasıl gözlemleriz? En yalın anlatımla, parçacığın varlığına dair bir bilgi edinebilmemiz için parçacığın ışık fotonlarıyla bir şekilde etkileşime girmesi gerekir. Eğer parçacığın konumunu daha yüksek bir hassasiyetle tespit etmek istiyorsak daha iyi görebilmek için daha fazla foton göndermememiz gerekir. Ama bu durumda ne olur? Parçacığa daha fazla foton çarptığından dolayı parçacığın hızındaki belirsizlik artar. Tersi durumu düşünelim, parçacığın hızını daha yüksek hassasiyetle belirlemek istiyorsak bu kez daha az foton yollamamız gerekir ama bu da konumdaki belirsizliği artırır, neden, çünkü daha az foton yolladığımızdan dolayı parçacığı görmemiz zorlaşır.

Heisenberg’in ‘belirsizlik’ ilkesi, Newton’la beraber bilimsel temelini bulan ‘determinizm’ – ‘belirlenimcilik’ anlayışını tartışmalı kılmıştır. Çünkü eğer maddenin en temelinde belirsizlik hâkim ilkeyse, bu durum bütüne de etki edecektir.

Schrödinger’in Kedisi: Aynı Anda Hem Ölü Hem de Diri

Dış ortamdan tamamen yalıtılmış -yani ne içerisinin dışarısı hakkında, ne de dışarısının içerisi hakkında görme, işitme, vs. nevinden bir bilgi edinebileceği- kapalı bir kutu düşünelim. Bu kapalı kutunun içine de öyle bir düzenek kurmuş olalım ki, % 50 ihtimalle çalışsın ve eğer çalışırsa harekete geçen bir çekiç, içi zehirli gaz dolu şişeyi kırsın. İşte Schrödinger’in Kedisi, böyle bir kutunun içinde kendi gerçekliğini sürdürmektedir. Soru, kedinin kutunun içinde sürdürdüğü bu gerçekliğin doğası üzerinedir; kapalı kutunun içindeki Schrödinger’in Kedisi ölü müdür, diri midir? 

Kuantum fiziği, bu düşünce deneyine şöyle bir açıklama getirmektedir: Kutuyu hiç açmadığımız durumda, Schrödinger’in Kedisi hem ölü, hem de diridir. Kedinin ölü olduğu kuantum durumu ile diri olduğu kuantum durumu, zehrin açığa çıkma olasılığı % 50 olarak düzenlendiği için eşit derecede geçerlidir. Kutuyu açmak, bir gözlem yapmak demektir ve kuantum dünyasında gözlem yapmanın karşılığı, gözlenen sistemde gözlem öncesi olası kuantum durumlarından birisinin gerçekleşmesi demektir. Dalga fonksiyonun çökmesi olarak adlandırıyoruz bunu.

Schrödinger’in kedisi deneyinde sorun, Schrödinger dalga denkleminde üst üste gelme (süper pozisyon) etkisinin yorumlanma farklılığıdır. Üst üste gelme için, bir sistemin aynı anda birkaç farklı durumda bulunabilmesi diyebiliriz. Schrödinger denkleminde, elektronun konumuna dair görüş ayrılıklarını hatırlayalım. Schrödinger’e göre elektron tek bir noktada değil, birden fazla noktada aynı anda bulunabilmekteydi. Buna göre zaten Kedi de aynı anda hem ölü idi, hem de diri. Max Born ve Heisenberg ise, Broglie madde dalgalarının fiziksel bir dalga olmadığını, bir olasılık dalgası olarak yorumlanması gerektiğini savundu. Parçacığın nerede olduğunu söylememiz imkânsızdır, sadece bir yerde bulunma olasılığından bahsedebiliriz. Kedi durumunda, sadece kedinin ölü veya diri olma olasılığından bahsedebiliriz, bunun üstüne fiziksel bir yorum yapmak imkânsızdır.

Kuantum Tünelleme

Klasik fiziğe göre, bir parçacığın herhangi bir enerji engelini aşabilmesi için o engelin potansiyelinden daha fazla enerjiye sahip olması gerekmektedir. Daha az enerjiye sahip olduğu bir durumda engeli aşması, engelin öteki tarafında bulunması imkânsız olmaktadır.

Oysa kuantum kuramına göre, dalga denklemi sonuçlarına baktığınızda böyle bir durumda dahi parçacığın engelin öteki tarafında bulunma olasılığı vardır ve yapılan sayısız deney de böyle bir durumda parçacığın engelin öteki tarafında bulunabildiğini göstermiştir. Örneğin radyoaktiviteyi fiziksel olarak tünelleme etkisi ile açıklayabiliyoruz. Alfa bozunmasına uğrayan bir çekirdekte alfa tanecikleri çekirdeğin yoğun potansiyel duvar engeline rağmen o engeli aşabilmekte ve böylece radyoaktif bozunum ve ışıma dediğimiz hadise gerçekleşmektedir. Atom boyutunda yüzeylerin bir anlamda topografyalarını çıkarabilen tarama tünelleme mikroskoplarının çalışma prensibi de tünelleme etkisidir.

Newton etki-tepki prensibinde siz bir duvara ne kadar kuvvet uygularsanız o da size aynı şiddette ama zıt yönlü bir kuvvet uygular demiştik. Kuantum etki-tepki prensibi biraz farklı işlemekte. Bir duvarı ittiğinizde kendinizi bir anda duvarın öteki tarafında bulabiliyorsunuz!

Kuantum Telepati

Kuantum dünyasında parçacıkların ‘telepati’ yapabildiklerini biliyor muydunuz? Aralarındaki mesafe ne olursa olsun, özel koşullar altında iki parçacık birbiriyle sonsuz hızda haberleşebilmektedir! Einstein, Podolsky ve Rosen’in (EPR) 1935 yılında ortaya attıkları bu düşünce deneyi, kuantum teorisini çürütmeyi amaçlıyordu; ama daha sonra deneyin kendisi kuantum teorisini destekleyen en önemli argümanlardan biri oldu.

Birbirine bağımlı oluşan iki parçacık düşünelim. Fiziksel korunum yasalarından ötürü (enerji, momentum, açısal momentum vb.) eğer bu parçacıklardan birinin herhangi bir özelliğini gözlemlersek, diğerinin de aynı özelliğini gözlem yapmadan bilebiliriz. Birine ait bir niceliği ölçtüğümüzde, teorik olarak diğerinin de aynı niceliğini diğer ölçümün sonucuna göre aynı anda ayarlaması gerekmektedir. Einstein, böylesi bir sonsuz hızda bilgi aktarımının, evrende hız için üst limit ışık hızıdır diyen özel rölativiteye aykırı olmasından dolayı imkânsızlığını savunurken, dolayısıyla kuantumun yanlışlığını ispatladığını iddia ederken; yapılan deneyler Einstein’in yanıldığını ve kuantum telepati olgusunun gerçek olduğunu göstermiştir. Kuantum telepati etkisi, bilginin anlık “ışınlanmasının” teorik açıdan mümkün olduğunu göstermektedir.

Günümüzde, IBM firmasının bu kuantum etkisini bilişim teknolojilerine uygulama çalışmaları devam etmektedir. Ayrıca, ABD Ordusu tarafından da, kuantum ışınlanması üzerinde araştırma çalışmaları yürütülmektedir.

Önceki Sonraki