KUANTUM DÜNYASI VE KÜÇÜK OYUNLARIN BÜYÜK ETKİSİ

Büşra Yılmaz

Öyle bir kuram düşünün ki, üzerine yazılan, çizilen ve süregelen tartışmalar henüz sonlanmamış olsun. İşte kuantum biliminin keşfinden günümüze yaklaşık bir asır geçmesine rağmen hala üzerindeki tartışmalar devam ediyor ve araştırmacılarına Nobel ödülünün kapılarını açıyor. 2022 Nobel Fizik Ödülü kuantum fiziği alanında çalışmalar yaparak Bell eşitsizliklerini (John Bell tarafından öne sürülen bir dizi teorik bilgi içeren eşitsizlik) ihlal eden dolanık fotonlar ile ilgili keşiflerinden dolayı  Alain Aspect, John F. Clauser ve Anton Zeilinger’a verildi.

Klasik fiziğin ne anlama geldiği ve ne gibi sonuçlar doğurduğu 1900’lü yıllara kadar net olarak bilinmektedir. Newton’un makro cisimler ile ilgili yaptığı gözlemler ve keşifleri sayesinde klasik fizik altın çağını çoktan yaşamış, yetersiz kaldığı noktalar çoğalmaya başlamaktaydı. 20. yy. başlarında bu eksikliklerin bazı parlak zihinlerde çözülmesi gerekliliği sık sık gündeme gelmiş ve ışık ile ilgili düşündürücü makaleler, fizikçileri adeta ikiye bölmüştür: Klasik fizikçiler ve Kuantum fizikçileri. Einstein 1905 yılında ışığın foton kuramını (fotoelektrik olay) açıklayarak kuantum kuramının ilk öncülerinden biri olmuştur. Devamında Erwin Schrödinger, Werner Heisenberg gibi ünlü kuramsal fizikçilerin de bulunduğu dönemde kuantum bilimi altın çağını yaşamıştır. Ancak bu altın çağ bazı kesimlerce “tamamlanmamış” bir altın çağ olacaktır. Bu ifadeyi açıklamadan evvel, Kuantum kuramını hatırlamakta ve bu kuramın temel noktalarına değinmekte fayda var.

Kuantum kuramı 1900’lerin başında Max Plack ve Einstein başta olmak üzere birçok bilim insanının katkılarıyla geliştirilmiştir. Bu kuram, bir sistemin hızının ve enerjisinin sonsuza dek artırılamayacağını, atom ve atomaltı parçacıkların hem dalga hem parçacık özelliği gösterdiğini, parçacıkların konum ve momentumlarını aynı anda tam bir kesinlikle ölçemeyeceğimizi, bir parçacığın aynı anda iki yarıktan geçebilme özelliğinde olduğunu (dalga özelliği) göstermiştir. Einstein ışığın kuantum kuramını açıklarken de Broglie ise Plank’ın E=hf ve Einstein’ın E=mc2 formüllerini birbirine eşitleyerek her parçacığa bir dalganın eşlik ettiği yani her parçacığa ait bir dalganın var olduğunu bulmuştur. Bu keşiflerle, parçacık-dalga tartışmaları teorik ve deneysel olarak başlamıştır. Teorideki gelişmeler Schrödinger’in 1926’da keşfettiği ünlü dalga denklemi ile Heisenberg’in bir yıl sonra keşfettiği belirsizlik ilkesidir. Deneysel gelişme tarafında ise 1927 yılında Davisson, Germer ve Thomson’ın elektron kırınımı gözlemlemesiyle gerçekleşmiştir. Bu ikililik fizik camiasındaki kitlesel mutsuzlukları da beraberinde getirmiştir. Schrödinger ve Heisenberg 1926 yılında kuantum mekaniğinin matematiksel kuramını tamamlamışlardır. Ancak kuramın ne anlama geldiği o dönemde tam anlamıyla anlaşılamamıştır.

Solvey Konferansı (1927)

Bir yıl sonra Solvey Konferansı’nda Bohr ve “Tanrı zar atmaz” sözünün sahibi Einstein arasındaki o tarihi tartışmanın fitili ateşlenmiş ve parçacık mı dalga mı tartışmaları başlamıştır.

Kuantum kuramının en dikkat çekici özelliklerinden biri, iki veya daha fazla parçacığın “dolanık” durumda var olmasına izin vermesidir. “Dolanıklık” kelimesi Schrödinger tarafından Einstein’a yazdığı bir mektupta ilk kez kullanılmış ve önerilmiştir. Dolanık bir çiftteki parçacıklardan birine ne olduğu, birbirlerinden çok uzakta olsalar bile diğer parçacığa ne olacağını belirlemektedir. Dolayısıyla parçacıkların konum ve hız (momentum) gibi bazı nicelikleri, önceden belirlenmiş değildir. Aynı anda iki özellik de olasıdır ve ölçüm sırasında bunlardan yalnızca biri ortaya çıkmaktadır. Kuantum mekaniği, yapısı gereği bir olasılık teorisidir. Bu olasılıkçı yorum, hem Einstein’ı hem de Schrödinger’i rahatsız etmekle kalmamış, Planck ve de Broglie’yi de mutsuz kılmıştır. Öyle ki Schrödinger yıllar sonra gelişmesine katkıda bulunduğu bu kuramdan soğuduğunu itiraf edecektir. Kuantum dünyasında parçacıkların dolanıklık durumlarını açığa çıkarmak için bir dizi deneyler tasarlanmıştır. Bunlardan biri mekaniği ve anlaşılma kolaylığı ile adından söz ettiren 1922 yılında yapılan Stern-Gerlach deneyidir. Bu deney ile parçacıkların belirli bir manyetik alan içerisinde sapması ve spin durumlarına kuantum mekaniğinin etkisi araştırılmış ve kuantum dolanıklığına ait deneysel sonuçlar elde edilebilmiştir. Kuantum mekaniğine göre, bir elektron aşağı ve yukarı olmak üzere iki spin durumuna birden sahiptir ki bu duruma süperpozisyon durumu denir. Koordinat sistemine göre belirtilen x,y,z düzlemlerinde aşağı-yukarı düzlemleri z düzlemi olarak belirtilir. Bu durumda iki mıknatıs arasında gönderilen bir elektronun +z (yukarı) veya -z (aşağı) yönlerine gitmesi için 2 farklı durum söz konusudur.

Stern-Gerlach Deneyi

Kuantum mekaniğine göre gönderilen elektron, ölçüm yapılmadan evvel süperpozisyon durumundadır yani aşağı veya yukarı gideceği belirsizdir. Her iki durum için de olasılık %50’dir. Bu iki durumdan birine giden elekron +z veya -z durumuna çöker. Bu duruma spinin kuantumlaşması denir, yani elektronun durumu ölçüm sonrası iki durumdan sadece birine çökmektedir. Aynı elektronun tekrar iki mıktanıs arasından geçirilmesi ile elektron aynı yönde (+/-) sapacaktır, çünkü elektronun başlangıçtaki süperpozisyon durumu bozulmuştur. Farklı bir düzlemde (x veya y düzlemi gibi) ölçüm yapılmadığı taktirde süperpozisyon durumu z düzlemi için iki olasılıklı olmayacaktır. Ölçüm esnasında spinin durumu değiştirilmektedir ve elektron rastgele bir kararla bunu seçmektedir. Bu haliyle kuantum mekaniğinin kesinlikle indeterministik olduğu söylenebilir. Sonuç olarak, elektronların ve atomların özünde kuantum özelliklerine sahip olduğu gösterilmiştir. Stern-Gerlach deneyi, ölçüm esnasında sistemin kuantum mekaniğinden nasıl etkilendiğini ispat etmek için yapılmış sade ve zarif bir deneydir.

Dolanık parçacıklara ait bir görsel

Kuantum mekaniğinin bu sancılı dönemlerinde nesnelerin fiziksel özelliklerinin, ölçmeden bağımsız olarak kesin, belirli niceliklere sahip olmama durumundan bazı fizikçiler rahatsızlık duymada başlamışlardır. Albert Einstein, Boris Podolsky ve Nathan Rosen isimli iki asistanı ile birlikte kuantum kuramının olasılıkçı yorumuna ve belirsizlik ilkesine duydukları kuşku nedeniyle isimlerinin baş harfinden oluşan EPR Deneyi isimli düşünce deneyi tasarlamışlardır. Bu üçlü, Physical Review‘de “Fiziksel Gerçekliğin Kuantum Mekaniksel Açıklaması Tamamlanmış Olarak Düşünülebilir mi?” başlıklı  kısa bir makale yayımlamışlardır.

Buna göre, EPR’de doğrudan bir deney önerisi yoktur, ancak aynı kaynaktan çıkan iki parçacığın olası davranışları için bir fikir sunmaktadır. Onlara göre, her parçacığın ölçsek de ölçmesek de belirli bir konumu ya da belirli bir hızı vardır. Bunu belirleyememek kuantum mekaniğinin bir yerlerde eksik/tamamlanmamış olduğunu göstermektedir. Çünkü fiziksel gerçeklik, deneysel olarak ulaşılabilir belirli determinist unsurlar içermelidir. EPR deneyinde kuantum kuramının eksikliklerini giderecek bazı öğeler eklemeyi önermişlerdir. Bunlar: Gerçeklik, Yerellik ve Öngörülerin Uyumudur.

Gerçeklik (Realism)/determinizm: Herhangi bir ölçüm anında ölçülen sonucun önceden belirli olması durumudur. Fiziksel nesneler, ölçümden bağımsız olarak, önceden belirli fiziksel gerçekliklere sahiptir. Örneğin bir elektronun spini (dönüş yönü), hızı, momentumu ve yeri ölçülmeden önce tüm bilgileri zaten bellidir. Örneğin A ve B iki ayrı parçacık olmak üzere, bu parçacıkların her biri üzerinde yapılan ölçümler arasında bir korelasyon vardır. Ölçümler arasında neden-sonuç ilişkisi kurulamaz, bu nedenle kuantum durumunun hazırlanması aşamasında (A ve B birbirlerine yakınken) bu sonuçlar çoktan belirlenmiş olmalıdır. Yani elde edilecek sonuçlar ölçüm esnasından ziyade hazırlık aşamasında zaten belirlenmiş olmalıdır.

Yerellik: Birbirine bağlı harekete başlayan parçacıklar arasında ilişkinin sürüyor olmasıdır, yani ‘uzaktan hayalet etkisi’ veya ‘uzaktan tuhaf etki’ denilen etkidir. Bu ilişki, fiziğin yerellik özelliğine aykırıdır. A üzerindeki ölçüm B üzerindeki ölçümleri etkilememektedir. EPR deneyine göre kuantum dolanıklık, özel göreliliği ihlal eder. Çünkü evrende bilginin iletim hızındaki sınır ışık hızıdır. Ancak yerellik etkisinde kuantum dolanıklık durumunda olan parçacıkların birinde ölçülen sonuç anında diğer parçacığın sonuçlarını etkilemektedir. Parçacık çiftini birbirinden ne kadar ayırırsak ayıralım “anında” gerçekleşen etki ışık hızı limitlerini aşmaktadır. Kuantum kuramına göre ise, yerelliğin ihlali, özel göreliliğin ihlali değil, dolanıklığın rastgele ortaya çıkmasının bir göstergesi olarak kabul edilmektedir.

Öngörülerin Uyumu: Elde edilen sonuçların birbirini desteklemesi gerekmektedir. EPR deneyine göre kuantum kuramında gizli koordinat olarak değeri bilinmeyen gizli yerel değişkenler bulunmaktadır. Bu değişkenlerin bir dağılımı bulunur,  gerçeklik ve yerellik sonuçlarına göre elde edilen sonuçların kuantum kuramı ile elde edilen sonuçlar ile aynı olması gerekmektedir. De Broglie gizli koordinatı içeren kılavuzluk kuramı ile hem dalga hem de parçacık hareketi gösteren bu parçacık-dalga ikilisinde her parçacığa bir dalganın eşlik ettiğini belirtmiştir. Yani dalga parçacığa bir nevi kılavuzluk yapmaktadır. De Broglie’nin önerisine göre, Girişim (çift yarık) deneyinde iki delik birden açık kalırsa girişim deseni görülür. Kaynaktan çıkan dalga ise herhangi bir sorun yok, girişim deseni çıkması normaldir, ancak kaynak parçacık ise girişim deseni olması beklenmez. Çünkü parçacık bir delikten geçerken diğer deliğin açık olup olmadığını nasıl anlayabilir? İşte, kuantum dünyasında, parçacıklar tek bir konumda olmak zorunda değildir, iki delikten birden geçmesi olasıdır. EPR deneyine göre, dalga denkleminin bu yerel gizli değişkenlere sahip olduğu ve bu değişkenlerin bilinmemesine rağmen elektronun spin bilgisini içerdiği öne sürülmektedir.

Albert Einstein

John Bell, EPR deneyindeki yerel gizli değişkenlerin zayıflıklarını içeren bir dizi teorik bilgiler öne sürmüştür. 1964’te yazdığı “On the Einstein Podolsky Rosen Paradox” isimli makalesinde dolanıklık ve yerel gizli değişkenler için bir dizi deney tasarlanmasına izin vermektedir. Bell’e göre, gerçeklik, yerellik ve öngörülerin uyumu durumlarından üçünün de aynı anda sağlanması mümkün değildir ve alternatif kuramlar en fazla 2 tanesini sağlamaktadır. Eğer bir kuram hem yerel hem gerçekçi ise kuantum kuramının öngörülerine aykırıdır ve farklı öngörüleri vardır. Birbirine kuantum dolanıklık ile bağlı iki parçacığın, z düzlemindeki spinleri aynı anda ölçüldüğünde spin durumu için yukarı (+) ve aşağı (-) durumları olacaktır. Buna göre, kuantum fiziğinde elde edilecek sonuçlar her zaman %50 olasılığındadır. Yani bir parçacık, yukarı (+) spinli ölçüldüğü an diğer parçacık açısal momentumun korunması gerekliliği için ona tam zıt aşağı (-) spinli ölçülecektir. Olasılıkçı dünyanın hararetli tartışmaları sürerken, Bell aşağı / yukarı olacak şekilde sadece tek bir z düzleminde 180° açılarla değil de 0°, 120°, 240°  açılarında da ölçüm yapılmasını önerir. Ve bazı eşitsizlikler kurarak buna “Bell Eşitsizlikleri” demektedir. Bell eşitsizliklerine göre, eğer kuantum fiziği klasik fiziğe uygun davranırsa bu açılarda ölçülen sonuçların en az %50’si zıt sonuçlar verecektir. Deneysel ilk testler 1972’de S. Freedman ve John F. Clauser tarafından fotonlarla yapılmaya başlanmaktadır. 1980’lerde fiber optik kablolarla A. Aspect ve  P. Grangier tarafından yapılan deneylerle, kuantum kuramına ait yerel gizli değişkenlerin olmadığı kanıtlanmıştır. Ortada bir gizli değişken varlığı en az %50 oranında zıt spinli sonuçları gerektirirken, yapılan deneyler göstermektedir ki, % 25 oranında zıt sonuçlar elde edilmiştir. Yani Bell eşitsizlikleri ihlal edilerek, kuantumun eksik bir kuram değil kendi içerisinde olasılıkçı bir kuram olduğu gösterilmiştir.

John Clauser ve Alain Aspect, yeni bir çağ başlatan, fizik camiasının gözlerini dolanıklığın önemine açan ve her zamankinden daha karmaşık olan Bell çiftlerini oluşturmak, işlemek ve ölçmek için yeni deneysel tekniklerin geliştirilmesi konusundaki çalışmalarından  ötürü,  Anton Zeilinger ise kuantum dolanıklığı ve Bell çiftlerini kuantum kriptografisi uygulamalarında kullanımıyla Nobel Fizik ödülüne layık görülen isimler olmuşlardır. Kuantum kuramında atom altı parçacıkların hala nasıl etkileştiği tam olarak gizemini korumakla beraber, ışıktan hızlı bilgi iletimine olanak sağlayacak bir teknolojiye kapı açtıkları su götürmez bir gerçek. An’da tek bir noktada olamayan, olsa dahi şimdiki klasik dünyayı algıladığımız cihazlarımızla ispatlayamadığımız elektronların nerede olduğunu bilemeyebiliriz. Ancak özelliklerine dair bilgilere tam erişim için ışık hızı mesafelerine ihtiyacımız olduğu kesin.

admin

H. deneme

Bir cevap yazın

E-posta hesabınız yayımlanmayacak. Gerekli alanlar * ile işaretlenmişlerdir