Başbelası Kuantum: Tanrı Zar Atmaz (mı?)
29 Ağustos 2018 Bilim Teknoloji

Başbelası Kuantum: Tanrı Zar Atmaz (mı?)


Twitter'da Paylaş
0

Kuantum fiziğine göre ne kadar bilgiye ulaştığımız veya ne denli güçlü bir hesaplama yeteneğine sahip olmamız hiç fark etmez. Fiziksel süreçlerin sonuçlarını kesinlik dahilinde öngörmemiz asla mümkün değildir.

“Kuantum mekaniğini anladığınızı düşünüyorsanız, aslında onu anlamıyorsunuzdur!”

Bu söz, yüzyılın bu alanda yetiştirdiği en büyük kuramsal fizikçilerinden biri olan ve adıyla anılan bir kuantum yorumu sahibi Richard Feynman’a ait. Ve Feynman Yorumu, günümüzde fizikçilerin birçoğu tarafından, kuantum mekaniğini en iyi tanımlayan model olarak kabul edilmekte.

“Kuantum fiziğinin kralı bile böyle diyorsa o zaman ne diye boşu boşuna kafa yoralım ki,” diyebileceğiniz gibi, kuantum mekaniğine tam bir anlam vermenin zorluğunu kabul ederek okumaya devam da edebilirsiniz. Çünkü Feynman’ın asıl vurgulamak istediği şey, kuantum fiziğinin aklın kabul edemediği gerçekler sunmasıdır ve eğer buna hazırsanız, buyurun kuantum sizindir.

kuantum

“Bir bakalım neymiş bu kuantum!” dediyseniz ilk yapmanız gereken şey, madde ve gerçeklik ile ilgili bildiğinizi düşündüğünüz her şeyi unutup yeniden keşfetmek zorunda olduğunuzu kabul etmek. Fiziğin temel kuramları, doğanın güçlerini ve nesnelerin bu güçlere nasıl tepki verdiklerini tanımlar, ve fakat Newton’un bu klasik kuramları, gündelik deneyimlerimizi yansıtan bir çerçeve üzerine inşa edilmiştir. Bu başbelası kuantum ise bize öyle bir sınır çizer ki, bu sınırı geçtiğimiz andan itibaren gerçekliği sezgisel olarak algılayışımızın temeli olan hiçbir kavram bir anlam taşımaz. Kuantum fiziğine göre ne kadar bilgiye ulaştığımız veya ne denli güçlü bir hesaplama yeteneğine sahip olmamız hiç fark etmez. Fiziksel süreçlerin sonuçlarını kesinlik dahilinde öngörmemiz asla mümkün değildir.

Bilimde bugüne kadar kuantum kadar çok sınanan hiçbir kuram olmadı.

Bu durumda ilk itiraz hakkımızı kullanalım çünkü bilimin bir kuramdan beklediği şey ilk başta test edilebilir olması değil mi? Test edilemeyen bir kuramı irdelemeden hemen reddetmemiz gerektiğini bilimin zaten kendisi söylemez mi?

Evet bu doğru; ve kuantum fiziğine ait öngörülerin olasılıksal doğası, bu öngörülerin doğrulanmasının olanaksızlığı anlamına gelseydi kuantum kuramları geçerli olarak nitelendirilemezdi. Ancak öngörülerin olasılıksal doğasına karşın kuantum kuramları test edilebilmekte, gözlemlerle uyum içinde ve hiçbir sınamada başarısızlığa uğramadı. Hatta bilimde bugüne kadar kuantum kadar çok sınanan hiçbir kuram olmadı.

Richard Feynman, aşağıda inceleyeceğimiz çift yarıklı deneyin kuantum mekaniğinin tüm gizemlerini içerdiğini ve kilit nokta olduğunu söyler.  Çift yarık deneyi ilk kez 1927’de, Bell Laboratuvarı’nda deneysel fizikçi olarak görev yapan Clinton Davisson ve Lester Germer tarafından gerçekleştirilmişti. Bu deneyin daha karmaşık bir versiyonu ise 1999 yılında Avusturya’da bir gurup fizikçi tarafından karbon bileşimli moleküller kullanılarak yapıldı ve dananın kuyruğunu koparan da asıl bu oldu.

kuantum

Deney basitçe şöyle: Uygulamayı yapan bilim insanları, top biçiminde her biri 60 karbon atomundan oluşan bir dizi molekülü bir engele doğru fırlattılar. Fizikçilerin hedef aldığı engelin üzerinde, topların geçebileceği iki ayrı yarık (açıklık) bulunuyordu. Fizikçiler, yarıklardan geçebilen molekülleri görmek ve saymak için bu engelin arkasına da aynı büyüklükte bir perde koydular. Yarıklar sırasıyla teker teker ve sonra ikisi birden açılarak molekül atışları yapıldı.

Mikro düzeydeki bu deneyi iyi anlamak için, ilk önce normal toplar ile benzeri bir deney yaparsak nasıl bir sonuç alacağımıza bakalım. Deneyi makro düzeye taşımak için bir futbol kalesinin birkaç metre önüne, üzerinde topların geçebileceği iki yarık bulunan bir duvar yerleştirelim ve duvarın arkasına geçip kaleye doğru şut atmaya başlayalım. Şurası kesindir ki bazı atışlarımız duvara çarpıp geri döner, ama bazıları yarıkların birinden geçip ağlarla buluşur. Yarıklardan geçirebildiğimiz toplar duvarın arka tarafında paralel bir yol izleyen iki küme oluşturur. Yarıklardan birini kapatırsak, doğal olarak oradan hiç top geçmez, ama bu diğer yarıktan geçen topların durumunu ve sayısını etkilemez. Bu yarığın yeniden açılması, duvarın arkasında hem ilk yarıktan, hem de yeni açılan yarıktan geçen toplar olacağından, duvarın arkasındaki herhangi bir noktaya düşen topların sayısını yalnızca artıracaktır. Başka bir deyişle, her iki yarık açıkken gözlemlediğimiz, duvardaki yarıklar birbirinden ayrı olarak açıldığında gözlemlediklerimizin toplamı olur.

Saatte 30 km hızla giden bir düldüle aksi istikametten saatte 80 km hızla gelen bir tır çarptığında sonucun ne olacağı klasik fizikte gayet açıktır.

Ancak deneyin sonuçlarına bakarsak molekülleri fırlatan araştırmacıların buldukları şey oldukça farklı oldu. Deneyde ikinci yarığın açılması, ekranın bazı noktalarına çarpan moleküllerin sayısını artırdı, ama bazı noktalardaki molekül sayısını azalttı. Aslında, arkadaki ekranda öyle noktalar vardı ki, yarıkların ikisi de açıkken topların hiçbiri bu noktalarda gözlemlenmiyor, sadece yarıklardan yalnızca biri açıkken gözlemleniyordu. Bu çok tuhaf bir durumdu. Birinci yarığa hiç dokunulmuyordu ki! İkinci yarığı açmak nasıl oluyor da belirli noktalara daha az molekülün çarpmasına neden olabiliyordu?

Bütün karmaşanın “dalga mı, parçacık mı?” sorusunu bilemememizden kaynaklandığını söyleyerek işe başlayalım. Maddenin davranış biçimine hepimiz aşinayız. Çevremizde madde olarak tanımladığımız her şeyin davranış biçimi klasik fizikle açıklanabilir. Parçacık benzeri bir maddenin belirli bir konumu vardır ve daha önemlisi, üç tane elektron, beş tane portakal gibi sayılabilir. O maddenin konumunu ve kütlesini bilirsiniz.  Hareket ettiği zaman, yönünü ve hızını da tespit edebilirsiniz. Kütle ve hızı bilinen maddenin momentumu da hesaplanabilir. Parçacık özelliği taşıyan iki madde birbirine çarpınca ne olacağını momentumları belirler. Saatte 30 km hızla giden bir düldüle aksi istikametten saatte 80 km hızla gelen bir tır çarptığında sonucun ne olacağı klasik fizikte gayet açıktır. Ne var ki dalga özelliği taşıyan parçacıklar bu şekilde tespit edilemez, çünkü dalga, maddenin içerisinde hareket eden sadece bir karışıklıktır ve sayılamaz.

Karışıklığı hemen açıklayalım: Durgun bir suya taş attığınızda suyun verdiği tepkiyi düşünün. Suyun yapısında herhangi bir değişim olmaz fakat taşın düştüğü noktadan etrafa dalgalar yayılır. Buna, ‘suyun örüntüsü değişir’ de diyebiliriz. Bir dalgayı anlamak istiyorsak ancak onun bu örüntüsünü inceleyerek bilgi alabiliriz. Dalga boyu dediğimiz şey örüntüde meydana gelen tepe veya çukurlar arasındaki uzaklıktır. Dalga frekansı da dalganın belli bir süre zarfında kendini ne kadar sıklıkla tekrarladığıdır. Uzun dalga boyu düşük frekans, kısa dalga boyu yüksek frekans aralığı verir. Dalga boyu ve frekansı bir bütün olarak örüntüyü betimler ama dalganın konumu olarak tanımlayabileceğimiz herhangi bir yer yoktur. Dalganın tepelerinden birinin bir konumdan diğerine ulaşıncaya kadar geçen süreyi ölçersek yönlü bir hız belirlenebilir, ama bu yine de örüntünün bir bütün olarak özelliğidir. Aynı yerde iki ayrı dalga özelliği belirirse sonucun ne olacağına dalgaların boyları ve frekansları karar verir. Uyumlu olan dalgalar (eş fazlı) birleşip büyüyebilir ama uyumsuz dalgalar (zıt fazlı) karşılaşırsa bunlar birbirlerini yok edebilirler. Bu fenomene girişim denir.

kuantum

Deneyde, moleküller hangi yarıktan gönderilirse gönderilsin, varmasını beklediğiniz yerin yarısı kadar uzaklıkta bir noktaya ulaşır. Bu merkezi noktanın biraz uzağına çok az molekül gelir, ama biraz daha uzağında moleküllerin yeniden yoğunlaştığı görülür. Bu örüntü, her yarık birbirinden ayrı olarak açıldığında oluşan örüntülerin toplamı değil; girişim dalgalarına özgü bir örüntüdür. Moleküllerin gelmediği alanlar, iki yarıktan çıkan zıt fazlı dalgaların yıkıcı girişim oluşturduğu bölgelere; moleküllerin yoğun olarak çarptığı alanlar ise dalgaların eş fazlı olarak geldiği ve yapıcı girişim oluşturduğu bölgelere karşılık gelir.

Buraya kadar algı sorunu yaşamadıysak geldik en civcivli bölüme! Yani, maddenin niteliklerini tanımlayan elektronlar da ışığın temel yapıtaşı olan fotonlar gibi hem dalga hem de parçacık özelliği gösterebilir. Ne zaman nasıl olacaklarına karar veren şey ise sadece gözlemdir. Kuantum fiziğinin ilkelerine göre, bir parçacığın nicelikleri bir gözlemci tarafından ölçülünceye kadar ne belirli bir konumu vardır, ne de belirli bir hızı. Bu nedenle yapılan ölçümlerin kesin bir sonuç vereceğini söylemek doğru değildir, çünkü ölçülmüş olan nicelik, sadece ölçüm anındaki değeri gösterir. Bir sistemin başlangıç koşullarını bilsek bile, doğa o sistemin geleceğini, temelde belirsiz bir süreç yoluyla saptar. Yani en basit durumlarda bile doğa, bir sürecin veya bir deneyin sonuçlarını net bildirmez. Bunun yerine, her biri belirli bir gerçekleşme olabilirliği taşıyan pek çok farklı olasılığa izin verir. Bu kavram Einstein’ın yorumuyla, Tanrı’nın sonucuna karar vermek için her fiziksel sürecin öncesinde zar atması demekti. Bu düşünce Einstein’ı oldukça rahatsız etmiş, “Tanrı zar atmaz!” sözü, kuantum mekaniğinin ikon ismi Niels Bohr ile girdiği tartışmalarda klasik bir cümle olmuştu. Bohr, en sonunda Einstein'a, “Tanrının ne yapıp yapmayacağına karışmaktan vazgeç!” diyerek çıkıştı, ne var ki, kuantum kavgası bitmeden, Einstein hayata gözlerini yumacaktı...


Twitter'da Paylaş
0

YORUMLAR


İLGİNİZİ ÇEKEBİLİR