Evrenin sırları 7- TANRI ZAR MI ATIYOR?

Kuantum kelimesinin yanına rastgele bir kelimeyi getirerek, üzerine Ajda’dan ‘Sen iste, her şey çok güzel olur’ temalı kitap yazanlar köşeyi dönüyor, ben de kalkmış gönüllü yazdığım üstelik sevgili editörlerimin vizyonerlikleri olmasa hayatta yazamayacağım koca bir sayfada kişisel gelişimcilere kafa tutmaya çalışıyorum. Üstelik onlar milyonlara hitap ediyor, ben ise yazıda ‘momentum’ kelimesi kullanırsam kalan bir avuç takipçimi de kaybederim tasası yaşıyorum. Hayat bazen çok acımasız. Sevgili okuyucu bu yazıda kuantumun yanına düşünce, öğrenme, diyet -hatta kim tutar- seks kelimesini getirmiyorum; size kuantum sıçrayıp kariyer basamaklarında birden sekize araya uğramadan zıplayın diye enerji de yollamıyorum. Kuantumun yanına dolanıklık, tutarlılık, tünelleme gibi kelimeleri getiriyorum ve sizi, Einstein gibi dünyanın en zeki insanına bile ‘tuhaf’ gelen, üstüne “Tanrı zar atmaz!” dedirten atom dünyasında şaşırtmaya devam ediyorum.

Parçacık mı yoksa dalga mı? Cevap her ikisi.

Günlük yaşamımızda her cismin konumunu ve momentumunu (cismin hızı x kütlesi) biliyoruz. (İlk cümleden kaçmazsınız diyerekten kelimeyi hemen kullandım.) Momentum aynı zamanda içinde yön bilgisi de barındırıyor. Geçen haftaki Çift Yarık Deneyini hatırlarsanız; fırlattığım bilyenin konumunu biliyorum ve aynı zamanda onu fırlattığımda oluşan momentumunu da biliyorum. Fakat kuantum dünyasında durum böyle değil; bir parçacığın hem konumunu hem momentumunu aynı anda bilemeyiz. Bu, Kuantum Teorisinin kurucularından Werner Heisenberg’in 1927 tarihli ünlü Belirsizlik Teorisi.

Elektron hem bir dalga gibi hareket ediyor hem de parçacık. Çift Yarık Deneyinde elektronu fırlatırken yarıklara doğru attığımı biliyorum, 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. Girişim modeli elde etmemizin sebebi buydu hatırlarsanız. 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!

 Homemade deney

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.

Sürenin sonunda kedi canlı mıdır ölü müdür?

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 olduğunu düşündü. Parçacıkların doğası önceden belirlenmiş olmalıydı. 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 bilgisine otomatikman ulaşmış olursunuz. Yani ışık hızını geçen bir haber verme sistemi yok, zaten size gelen çantada başından beri sağ eldiven vardı. Öbürünün sol eldiven olduğunu anında saptarsınız. Bir bilgi seyahati söz konusu değil.

Kim haklıydı?

Kuantum mekaniğinin öncüsü Niels Bohr mu haklıydı, Einstein mı? Bohr elektronun gözlem yapılmadan önce kesin bir durumda olmadığını, ancak ve ancak gözlem sonucunda elektronun bir dönüş ekseni seçtiğini söylüyordu. Einstein ise elektronun gözlem yapılmadan çok daha önce zaten belli bir yöne döndüğünü. Einstein genç meslektaşları Boris Podolsky ve Nathan Rosen ile yerel (ışık hızından hızlı bir haberleşmeye izin vermeyen) ve gizli ( gözlem yapılmadan önce bilinmeyen fakat belirli) 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? Dâhiyane matematikçi ve fizikçi İrlandalı John Bell 1964’te bu işin deneyinin nasıl yapılacağını bulmuştu fakat yalnızca teoride. 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 ise Stuart Freedman ve John Clauser adındaki Amerikalı doktora öğrencileri 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. Hackerlar için kötü bir gündü çünkü dolanıklık sayesinde ultra güvenli şifrelemeye sahip kuantum bilgisayarlar çok yakın.

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

3- Kuantum tünellemesi

Kuantum fenomenleri içinde en ünlülerinden biri olan 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 (ilkokul bilgisi: iki pozitif birbirini iter, nasıl birleşebilirler?) engeli ancak bu tünelleme ile aştığını ve birleşerek(nükleer füzyon) helyuma dönüştüğünü bilmenizde fayda var. Bizlerin önümüze çıkan bir tepenin öbür tarafına kuantum tünellemesiyle geçme ihtimalimiz yok; ama normal tünel kazmayı deneyebiliriz elbette.

Nihayet bitti…

Bugün kuantum mekaniğini tam olarak anlamış olmamakla birlikte onsuz 1900’ların dünyasında takılı kalırdık. Günümüzde, lazer teknolojisi, çipler, elektronik aletlerin neredeyse tümü, tomografi cihazları, cep telefonu, mikrodalga fırın gibi sayısız faydalı ürün kuantum buluşu ile gerçek olabildi.

Sevgili bilim severler, (bu satırlara kadar geldiğinize göre kesinlikle bilim seversiniz) olur da “Kuantum diyeti yapıyorum sen de dene” diye yanınıza gelirlerse, artık “Hem lahanayı (parçacık) hem nutellayı (dalga) aynı anda veren diyetlerden mi? Aman dikkat et, tartılırken (detektör) diyetisyen(gözlemci) görürse sadece nutella yemişsin (süperpozisyon çöktü!) demektir” deyin. Yüz ifadelerine göre kuantumu ezbere mi konuştuklarını anlayıp, ona göre pozisyon alırsınız. Ama ben şimdiden söyleyeyim; siz süper pozisyondasınız çünkü kuantum mekaniğini biliyorsunuz.

Serinin birinci yazısı için tıklayabilirsiniz: https://www.salom.com.tr/haber-98327-evrenin_sirlari6__kuantum_fIzIgI.html