Akılalmazlığın zirvesi: Kuantum Dolanıklığı

Kuantum dolanıklığı (Kuantum süperpozisyon), EPR paradoksu, Schrödinger'in kedisi...

Şimdiye dek kuantum dünyasına giriş yaptık. Parçacık-dalga ikileminden bahsettik, kara cisim ışımasından, çift yarık deneyinden bahsettik. Bunları elimizden geldiğince açıklamaya çalıştık. Şimdiyse daha derinlere inip kuantum dünyasının en şaşırtıcı bölgelerine iniyoruz.

Olasılıklar Dünyası

Kuantum dünyasındaki olasılık durumlarından tekrardan bahsedelim biraz. Kuantum dünyasında gözlem yapmadığımız sürece bir şeyin orada olup olmadığını bilmemiz mümkün değil. Örneğin bir kamyon bir de bardak olduğunu düşünün. Onları hissetmiyorken herhangi bir şekilde konumlarını hatta var olup olmadıklarını bile bilemezsiniz. 

Evet, klasik fiziğin evrenine göre çok saçma ama kuantum dünyasında böyle durumlar. 

Hatta gelin bir de Niels Bohr'un ağzından dinleyelim. 

Niels Bohr 1922 yılında verdiği bir röportajda şunları söylemiştir: "Gözlem yapmadığınızda evrende gerçeklikten bahsetmenin hiçbir anlamı yoktur ve ölçüm yapmadığınız zamanlarda "kuantum sistemleri" yani elektronlar, fotonlar gibi parçacıklar olası tüm özelliklere sahiptir. "

Şimdi daha iyi anlamak için bizim verdiğimiz örneğe dönersek; gözlem yapmadığımız zamanlarda kamyon, hem bardak hem de kamyondur. Bardak ise hem kamyon hem de bardaktır. Alışılmışın dışında ama böyle işliyor. İşte buna kuantum dünyasında "süperpozisyon" diyoruz. Yani aynı anda iki konumda, iki durumda bulunmak. Dolanıklık konusuna geldiğimizde daha ayrıntılı anlatacağız bu konuyu. 

Kopenhag Yorumu 

Kopenhag Yorumu, önceden de bahsettiğimiz kuantum fiziğinin en ünlü deneylerinden Çift Yarık Deneyi'nin sonuçları üzerine yapılmış yorumlardan biridir. Yorum ilk olarak Niels Bohr ve öğrencisi Werner Heisenberg tarafından Kuantum savunucuları adına yapılmış. Danimarka'nın Kopenhag kentindeki Niels Bohr Enstitüsü'nde geliştirilmiş olmasından ötürü bu ismi almıştır. 

Kopenhag Yorumu, deneydeki gözlem durumunu "dalga fonksiyonunun çökmesi" ile açıklar. Yani gözlemci bir gözlem yaptığında, o ana kadar "kuantum olasılıkları" olarak var olan dalga fonksiyonunu (yani fotonların elektromanyetik dalgaları) sadece tek bir olasılığa indirger. Böylece olasılık dağılımı, tek bir olasılığın "gerçek olması" haline dönüşür. 

Schrödinger'in Kedisi 

Kuantum fiziğini savunanlar ve klasik fizikçiler arasında yoğun düşünce savaşlarının bulunduğu bu dönemde Çift Yarık Deneyi ardından dalga fonksiyonunun çökmesi ve son olarak Kopenhag Yorumu'nun üzerine bu olayların anlamsızlığını düşünen Erwin Schrödinger, bu konuyla ilgili bir düşünce deneyi kurar. Bu deneyde kafasında bir kedi bir kutu, yanında radyoaktif madde bulunan çekiç bağlı Geiger Sayacı ve çekicin vurabileceği bir siyanür dolu kap düşündü. Eğer ki radyoaktif madde ışıma yapacak olursa sistem devreye girecek ve zehir dökülecek ve kedi ölecek. Madde ışıma yapmazsa kedi yaşayacak. 

İşte burada şu ayrıntıyı vermemiz gerekiyor. Bu radyoaktif maddelerin ışıması ölçüm yapılmasına bağlı olarak değişiyor. 

Uranyum üzerinden örnek verecek olursak; uranyum elementi yeterli aralıklarla gözlemlenirse, ışıma yapmaz fakat uzun bir süre gözlemlenmezse belirli bir ihtimalle bozulur ve etrafına radyoaktif ışıma saçar. Buna Kuantum Zeno Etkisi denilir. Bundan ileride bahsedeceğiz.

Kuantum dünyasında ölçüm yapılmasının deney sonuçlarını etkilemesine yani ölçüm yapıldığında bir şekil, ölçüm yapılmadığında başka bir şekilde davranılmasına Ölçüm Problemi deniliyor. Hepsini ayrıntılarıyla açıklayacağız.

Deneye dönecek olursak; kutuda bulunan element elektronlar gibi bir olasılık dağılımına sahiptir. Ama bu belirsizlik kaynaklı bir olasılık dağılımı değil. Bu dağılımda elementin ışıma yapma ve yapmama durumu aynı anda bulunuyor. İşte buna süperpozisyon diyoruz. Bu kelimeyi aklınızda tutun az sonra dolanıklıktan bahsederken çokça anacağız bu tanımı. 

Bu durumda da elementin hem ışıma yaptığını hem de yapmadığını kabul etmek durumundayız. Bu yüzden de Geiger Sayacı hem devreye girecek hem de girmeyecek ve çekiç siyanür dolu kabı hem kıracak hem de kırmayacak. Son olarak kedi hem ölü hem de diri olacak. Düşününce mümkün değil çünkü asla gözümüzle aynı anda hem ölü hem diri bir organizma görmedik, göremeyiz. Ama bu olasılıklar dünyasında böyle. Bu olayın gerçekliğini anlamak içinse dalga fonksiyonunun çökmesi lazım. Yani kutunun kapağını açıp gözlememiz lazım. Bu durumda da olasılıklar bire ineceği için Kopenhag Yorumu'nda dendiği gibi tek olasılık gerçeğe dönüşecektir.

EPR Paradoksu 

Kuantum dünyasının dinamiklerini çözmek isteyen, "Her şeyin Teorisi" ni bulmaya, yazmaya çalışan Albert Einstein; Kuantum fiziği savunucularını başta Niels Bohr olmak üzere soru bombardımanına tutmuştu. Niels Bohr ise gayet yeterli bir şekilde savunuyordu Kuantum mekaniğini. Einstein hiçbir ayrıntıyı gözden kaçırmamaya çalışıyordu. Solvey Konferası'yla başlayan tartışmalarda bir nevi ter döktürüyordu Kuantum fizikçilerine. Bu konudaki en büyük sorusuysa EPR paradoksu dediğimiz olaydı.

Peki nedir bu EPR paradoksu? 

Einstein, 1935 yılında Boris Podolsky ve Nathan Rosen'ı yanına alarak bir düşünce deneyi kurmuştu. Paradoksun adı da buradan geliyordu zaten. Einstein-Podolsky-Rosen paradoksu. Deney ise akıl sınırlarımızı zorlayan kuantum dolanıklığı ile ilgiliydi. 

Kuantum dünyasında parçacıklar arasında bir bağ bulunmaktaydı. Elektronlar olarak düşünürsek, iki elektron arasında bir bağ bulunuyordu. Adeta ikiz oluyorlardı ama birbirinden tamamen zıt olarak. Birisi nasıl hareket ederse diğeri tersine hareket ediyordu. Zaten ölçmediğimiz zamanda bilmemiz mümkün değildi. Bunu iyice açıklamıştık. Ama ölçtüğümüz zamandan örnek verecek olursak biri saat yönünde dönerse diğeri saat yönünün tersine dönüyordu. 

Şimdi bu elektronların arasına biraz mesafe koyalım. Onbinlerce hatta yüzbinlerce kilometre mesafe... Ölçmediğimiz zaman süperpozisyondalar onu da biliyoruz fakat ölçtüğümüz zaman biri hangi yöne dönerse diğeri tersine dönüyor. Biri yönünü değiştirecek olursa diğer eş zamanlı olarak, aynı anda yönünü değiştiriyor.

İlk düşündüğünüzde ne var ki diyebilirsiniz. Ama o kadar basit değil. Bu klasik fizikte kabul edilemez bir durum. Klasik fiziğin kurallarına aykırı. Önceki bildiklerinizi düşünün. Bizim evrenimizde mutlak olan tek şey ışık hızıydı ve hiçbir şekilde geçilemezdi. Ama kuantum dolanıklığında bu durum çiğneniyordu. Einstein ise bu konuda şunu söylemişti: "Mesafeler arası korkunç olay!"

Einstein ışık hızının geçilebileceğine inanmıyordu ve "gizli bir değişken" var diyordu. Ona göre parçacıklar kaynaktan ayrılmadan kendi aralarında anlaşıyordu ve mesafe ne olursa olsun, önceden aldıkları bu mesajı uyguluyorlardı.

Niels Bohr ise "Parçacıkların biz ölçtüğümüz durumda nasıl olduklarını biliyoruz bunun en baştan belirlendiğini bilemeyiz." diyordu. Einstein da "Ölçün görürsünüz. " diyordu. Ama biz ölçemiyorduk. İşte burada bir kısır döngü oluşmuştu. 

EPR Paradoksu ve Kuantum Dolanıklığı

EPR Paradoksu ile ortaya çıkan Kuantum dolanıklığını kimse açıklayamıyordu. Einstein'ın ömrünün sonuna kadar da açıklanamayacaktı. Ta ki 1964 yılında John Stewart Bell adında bir fizikçi kolları sıvayana kadar.

Bu tartışmalarda Einstein'ın tarafında olan Bell için de dolanıklık kabul edilemezdi. O da Einstein gibi; parçacıkların ayrılmadan önce konum, hız, dönüş gibi bilgileri aldığını düşünüyordu. Bu konuyla ilgili bir düşünce deneyi hazırlayarak sonraki çalışmalara zemin hazırlayacaktı.Deneye bakacak olursak:

Deneyde dolanık fotonların gönderileceği polarizatör adı verilen iki adet dedektör bulunmakta. Fotonları dedektörlere gönderirken belirli aralıklarla konumlarını değiştiriyoruz. Eğer ki bilgiler önceden belirlenmiş ise deneyde gönderilen fotonların belirli bir oranda dedektörler tarafından algılanması gerekiyordu. Kuantumdaki hesaplamalar doğru ise oran çok farklı olmalıydı. Bell'in gizli değişkenler kullanarak yaptığı hesaplamada ölçümlerin %33 oranında uyuşması öngörülürken, gizli değişkenler olmadan yapılan kuantum matematiği en fazla %25'lik bir uyum öngörüyordu. Buna da Bell Eşitsizliği deniliyordu. Bell bu altyapıyı hazırladıktan sonra topu sonraki nesillere bırakmıştı. 

Bell'in attığı bu pası ise 1967 yılında Kolombiya Üniversitesi'nde doktora yapan John Clauser alacaktı. Clauser, bahsedilen gizli değişkeni bulup Einstein'ı haklı çıkarmak için kolları sıvamış ve bir süre sonra bu deneyi gerçekleştirebilmek için bir makine tasarlamıştı. Binlerce foton yollamış ve hepsinin dönüşlerini hesaplamıştı. İlk sonuçlar geldiğinde ise "Acaba nerede yanlış yaptım?" demişti. Çünkü sonuçlar çok saçma gelmişti ona. Gizli bir değişken olmadığı gözüküyordu. 

Bir süre sonra Alain Aspect adında başka bir fizikçi bu deneyi biraz daha geliştirerek tekrar denemeye karar vermişti. Aspect'in deneylerinin ardından da sonuç aynıydı. 

Gizli bir değişken yoktu. "Mesafeler arası korkunç olay", Kuantum dolanıklığı gerçekti. 

Tam da burada Albert Einstein kaybetmişti...

Aradaki mesafe ne olursa olsun anında haberleşebiliyorlardı. Işık hızından da hızlı haberleşiyorlardı. Yani bir nevi aralarındaki mesafe yoktu.

Şimdilik hikayeyi burada bölüyoruz. Daha Kuantum ışınlanmasından, Kuantum Alan Teorisi'nden, Kuantum Kütleçekim Teorisi'nden bahsetmedik bile. 

Takipte kalmaya devam edin.