Kuantum Tuhaflık

kuant

“Kuantum Tuhaflık” (parçacıkların aynı anda iki yerde, ya da telepatik bir bağ halinde olması gibi şeyler) 100 yıldan fazla bir zamandır bizleri şaşkına çevirmekte. Fizikçi Richard Feyman bir keresinde şöyle der: “Hiç kimse gerçekten de kuantum dünyasını anlamıyor.” Ya da diğerlerinin ifade ettiği şekli ile; “kuantumu anladığını düşünen, aslında hiç bir şey anlamamıştır.” Yenilgiyi kabul edip, insan beyninin bunu hiç bir zaman kavramayacağını söylemek de biraz kışkırtıcı ve baştan çıkartıcı. Belki  bizler yenilgiyi o kadar kolay kabul etmemeliyiz. Kim bilir belki de henüz kuantum mekaniğinin nasıl çalıştığına dair temel bilgiye ulaşamamışızıdır…

İtalya’daki Pavia Giacomo Maura D’Ariano Üniversitesi’nden Giulio Chiribella ve Paolo Perinotti’nin düşündüğü şey de tam olarak buydu. Onlar, çalışmalaraında tüm o kuantum tuhaflıktan meydana gelebilecek tuhaf olmayan bir temel oluşturdular. Bu çalışma, henüz gelişme aşamasında olsa da, bazı olumlu tepkileri de üzerlerine çekti. Kanada, Waterloo’daki Perimeter Enstitüsü’nden teorist  Lucien Hardy, bu çalışmanın ve yaklaşımlarının olağanüstü olduğunu dile getirmekte ve Avusturya Viyana Üniversitesi’nden fizikçi Caslav Brukner de Hardy gibi aynı ölçüde etkilenmiş gözükmekte ve şunu söylemekte: “Burada kuantum mekaniği hakkında derin, anlamlı olan birşeyler var.”

D’Ariano için bu olay 10 yıldan fazla bir zaman önce, öğrencileri ona kuantum fiziğin kanunlarının nasıl oluştuğunu sorduklarında başlamış. Kendisi bu soruyu aptalca bir soru diye göz ardı etmemek gerektiğini düşünerek, öğrencilere ne diyeceğini bilememiş ve o durumda kalmaktan dolayı da çok utanmış olduğunu dile getiriyor.

Onun bu utancı kişisel değil, tüm bu alana dair bir utanç. Pek çok fizikçi fiziksel maddeye yönelik prensipleri sağlam temellere dayandırarak çalışmalar yapmıştır: Örneğin; iki cismin kütle büyüklüklerine ve aralarındaki mesafenin ters karesine göre birbirini çekmesi olarak bilinen Newton’un yerçekimi kanunu ele alın. Bu fizik prensibi, düzenli, derli toplu bir denklem içinde size klasik yerçekimi ile ilgili herşeyi anlatmaktadır.

Kuantum teorisinde ise, sadece bazı evrensel prensipleri kapsamak için geliştirilmeyen, tuhaf deneysel sonuçları açıklayan plansız, doğaçlama şeklinde, derli toplu, sade sorular vardır. Kuantum nesneler, “Hilbert Uzayı” diye tanımlanan çok boyutlu, soyut bir alanda mevcut olan, herhangi fiziksel bir şeye karşılık gelen ya da gelmeyen dalga fonksiyonları ile tarif edilirler. Dahası, Schrödinger denkleminde mevcut olan anlaşılması zor kurallara göre değişiklik geçirir, gelişirler. Erwin Schrödinger, bu formülasyonu, 1925 yılında parçacıkların yerine dalgalarla alakalı olan klasik optiklerin denklemlerini çalışırken tesadüf eseri buldu. Bu formülasyon iyi işliyordu ama niye bu şekilde olduğu pek de net değildi. D’Ariano :“O, denklemi prensiplerden elde etmedi. Kuantum fizikte değerli, çok küçük fizik kırıntılarının varlığı gözükmekte…”

Kuantum teorisinin temel kanunları, matematik sihirbazlığından çok, fizik prensiplerinden mi elde edilebilmekte? D’Ariano, Perinotti ve Chiribella bu soruların cevabının “evet” olduğuna inanmaktalar. Onlar bundan eminler. Newton’un evrensel yerçekimi yasası, fizikçilere,  bir dizi işe yarar gezegen hareketlerinin tamamen saf matematiksel kanunlarını formüle etme imkânı sağladı.

Ayrıca, 19.yüzyılın sonlarına doğru, fizikçi Hendrik Lorentz,  evrende farklı yollardan hareket eden gözlemciler için bir dizi matematik dönüşüm kuralları sunarak, ışık hızı hakkında karşıt deneysel gözlemler de öne sürdü. Lorentz’in  denklemleri ışığın herhangi bir temel anlayışından kaynaklanmıyordu ama işe yaradılar.

Einstein, Lorentz’in transformasyonlarından (dönüşüm) elde ettiği bazı fiziksel prensipler (vakumdaki ışığın hızı sabit ve ışığın kaynağının hareketi-hızı çevreden bağımsızdır) sundu. Bunlar, tüm gözlemciler için evrendeki tüm fizik kanunlarının tutarlı olduğunu tarif eden özel görelilik prensipleri haline geldi.

Neticede, bu, Einstein’ın daha kapsayıcı bir genel görelilik teorisi (Newton’unkinden daha iyi bir yerçekimi teorisi ve kozmolojik mesafeler üzerinde de işe yarıyor) oluşturmasına neden oldu. D’Ariano: “Bu, fizikteki çalışma yöntemimizi değiştirdi. Prensipler önemlidir.”

Bu yeteneği kuantum dünyasında da gösterebilir miyiz? Hardy:“ Kuantum teorisine baktığımda, Kepler’in gezegen hareketleri kanunlarına  ve Lorentz’in transformasyonlarına mahsus bir benzerlik görüyorum. İhtiyacımız olan şey, daha derin prensipler.”

2000’lerin başlarında, Hardy bazı prensipleri oluşturma girişiminde bulundu. Bu ortaya koyduklarının tam bir çözüm olmadığını da itiraf etti. Ancak, bu, D’Ariano, Perinotti ve Chribella’ya daha derinine incelemek için ilham oldu. Çin, Pekin’deki Tsinghua Üniversitesi’nden Chiribella: “Fikir şuydu; kuantum mekaniğin genetik kodunu yeniden programlamak, bazı fiziksel özellikleri seçmek ve “bu temel bir şey” demek ve geri kalanını yeniden türetmek.”

Hem Hardy’nin, hem de D’Ariano’nun ekipleri için “temel şey”in enformasyon-bilgi ile alâkası olmalıydı. Pek çok teorist, fiziksel etkileşimlerin hepsinin bilgi prosesinin bir şekli olduğu sonucuna varmakta. Atomlar bilgiyi momentumlarında-hareket güçlerinde taşırlar. Örneğin; iki atom bilardo masasındaki iki top gibi çarpıştığında, onların hareket güçleri, tıpkı ,

bilgisayardaki ikili mantık geçidine girmiş gibi eşit bir şekilde değişir. Enformasyon manipülasyonlarını idare eden kurallar, evrenimizde ne olup, ne olmadığını belirleyebilir.

D’Ariano’nun hem günlük yaşadığımız dünyada, hem de kuantum aleminde ortak olabilecek enformasyonel-bilgilendirici kuralların ne olduğunu anlamaya yönelik çalışmasının başlangıç tarihi 2003 yılına uzanmakta. Nihayet, işe yarayan 5 fikir ortaya koyarlar: geleceğin geçmişi etkileyemeyeceğine emin olmak gibi şeyler…

Çeşitli fenomenler, kuantumu günlük, klasik fizikten ayırmakta. Bir tanesi; parçacıkların aynı anda iki yerde olduğunun gözükmesi ya da aynı anda saat yönünde ya da saat yönünün tersinde dönmesi şeklinde açıklanan “süperpozisyon”, diğeri de “dolanıklılık”: iki parçacık birbirlerinden ne kadar uzakta olurlarsa olsun, birinin özellikleri incelendiğinde diğerinin de özelliklerinin etkilenmesi ve bir kuantum sistem üzerinde herhangi bir ölçümün bir rastgele çıktısının da mevcutluğu..

D’Ariano, bu kuantum tuhaflıkları anlamlı kılmak için gücünü Perinotto ve Chiribella ile birleştirdi. Birlikte kuantum enformasyon teorisi alanına bir kapı araladıklarını ve özellikle bu alanda çalışan insanların farklı tiplerdeki kuantum durumları arasında bir ayrım yaptıklarını gördüler.

Örneğin; kriptografi(şifreli yazılım) gibi uygulamalar için, “saf, salt” (hakkında herşeyi bildiğimiz durumları ifade ediyor) olarak bazı durumları uyguladılar ki bu, oldukça apaçık, anlaşılır durumdu. Örneğin; ayrıştırılmış tek bir hidrojen atomunun en düşük enerji hali hakkında herşeyi bilmek gibi…Ayrıca, tam olarak bir bilgiye sahip olunmayan “karışık” durumlar da mevcuttu…. Dolanık bir çift parçacığının karışık durumda olması gibi… Çiftin diğer eşini değerlendirmeye almadan onun hakkında herşeyi bilemezsiniz.

Buradaki önemli olan nokta şu: Her iki dolanık parçacık birlikte “safsalt” bir durum oluşturmakta, her iki parçacık da kuantum sistem hakkında bilinmesi gereken tüm bilgiyi içermektedir.

O zaman tüm bu kuantum dünyasına ait bilinmezlikler basit anlamada bilgi yetersizliğinden kaynaklanabilir mi?… Karışık durumun parçası olan daha büyük “saf” durum hakkında bilgiye sahip olmadan karışık durumların hesaplamasını yapmak mümkün müydü??…

Chiribella: “Fikir, bu kuantum tuhaflıktan kurtulmak değil, amaç; bu tuhaflığı temel prensiplerin mantıksal bir sonucu  olarak açıklamak.”

Eğer her bir karışık durum, saf durumun (saf durum fikrini Chiribella ortaya koyar ve ona “saflaştırma prensibi” adını verir) bir parçasıysa, o zaman her bir fiziksel prosesi maksimum bilgi ile açıklamak mümkün olabilir. Bu bir prensip kadar bir bakış açısı olarak da ele alınabilinir ve bununla saf durumlara erişen bir kişinin, karışık durumlarla ilgilenen daha az iyi-konumlandırılmış bir gözlemci ile tutarlı ölçümler yapması her zaman mümkün olabilir. Bu belki de tuhaflığın geçmesini sağlamaz ama onu açıklanabilir kılar. Chiribella bunun tıpkı relativideki zaman genişlemesi gibi olduğunu dile getiriyor. Hani evrendeki insanların farklı yönlere hareket ettiğinde farklı şekilde zamanın akması ve yine de bunun bir şekilde anlamlı olması gibi. Chiribella: “Nereden geldiğini ve nasıl ele alacağımızı bildiğimiz Einstein’ın prensip teorisine teşekkür ederiz.”

Brukner de etkilendiği bu konu hakkında şunları  dile getiriyor:“ Bencesaflaşma önermesi bu iki tanımın birbiri ile tutarlı olmasını sağlayan derin bir açıklama.”

Bu önermenin doğru olduğu yolundan ilerleyerek , D’Ariano ve meslektaşları daha çok kuantum tuhaflıkları tarif etmede bir matematik türettiler: Süperpozisyon ve Born kuralı, kuantum ölçümündeki herhangi belirli bir çıktı olasılığını hesaplamak için kullanılan matematiksel bir numara tarzında. Şimdilerde bu bilim insanları Schrödinger’in denklemi üzerinde de çalışmaktalar. İlk çıkan sonuçlardan cesaretlenseler de, henüz belirli bir başarı elde etmiş değiller.

Ayrıca bu bilim insanları, saflaşlaştırma prensibinin uzun süredir varolan bir diğer sırrı “termodinamiğin geri dönüştürülmezliği” aydınlatabileceğini de düşünüyorlar. İster kuantum, ister klasik olsun, fiziğin tüm temel  denklemleri tersine çevrilebilir; onları geçmişten günümüze ya da tam  tersi çalıştırabilirsiniz. Chiribella: “Tersine çevrilme nosyonu, modern fiziğin başlangıcından beri fiziğin derinlerinde yerini almıştır.” Termodinamik hariç. O bu şekilde çalışmaz. Termodinamik, enerji transferi ve onun bir gazdaki molekül gibi şeylerin düzenlemesindeki etkilerinin çalışılmasıdır. Örneğin; bir kap içinde düzgünce düzenlenebilir, ancak onları rastgele düzenlenmiş halde bulma olasığın da yüksektir. Çünkü, düzgün olan moleküllerden daha fazla rastgele düzenlenmiş moleküllerin olma olasılığı daha yüksektir ve dolayısıyla gazın daha düzenli bir durumda hareket etme olasılığı da çok düşüktür.

Entropiyi (bir sistemin düzensizliğinin ölçüsü) açıklayan termodinamiğin ikinci kuralı, zaman içinde fizikçiler için anlaşılır olabilir. Chiribella için, bu, yapay bir bakış açısı olabilir. Çünkü, termodinamikte yapılan ölçümler, her zaman tüm olarak bilgisine sahip olmadığımız karışık durumdaki alt sistemlere bakmaktadır. Bir başka deyişle, termodinamik kanunları neyse odur. Çünkü, onları daha büyük bileşik sistemlerin kısımlarına uygularız. Chiribella: “Bu kuantum teorisinin temel gerçeği: ses getiren, değiştirilmez, dönüştürülmez evrim, belki geridönüştürülebilir.” Dolayısıyla, en azından kağıt üzerinde bile olsa, geridönüştürülmezlik, geridönüştürülen bir evrim olabilir. Gerçek dünyada durumun bu şekilde olup olmacağı bir başka soru. Ama  mikroskopik dünyayı yöneten temel fizik kanunlarının dönüştürülüp, değiştirelebileceğini de bilmiyoruz.

Bu tarz bağlantılar sadece bir spekülasyon değil. En azından kuantum özleştirmeciler için saflaşma teorisi, halâ iyi başlayıp kötü bitme ihtimali taşımakta ve onlar kuantum mekaniğinin tartışmalı “çoklu dünya” yorumunun tarafını tutuyor gözükmekteler. Kuantum hesaplamalarının rastgele çıktılarına ait yapılan pek çok yorumdan bir tanesi; her bir olası çıktının meydana geleceği ve her birbirinin de farklı bir dünyada ya da evrende olacağının tartışılması. Örneğin; Schrödinger’in kedisini ele alın. Gözlemci bakıp da hangi durumda olduğunu görene kadar, bir kedi aynı anda hem ölü, hem de diri olabiliyor.  Çoklu dünyalar senaryosunda, kedi bir dünyada ölü iken, diğerinde canlıdır. Bu durum “saflaştırma prensibi”ne uyuyor: Bu farklı dünyalar, “saf” durum tarafından tanımlanabilen gerçekliğin altında yatan “karışık” durumlardır.

Hardy yine de bu implikasyonları kabul etmekte biraz terredütlü ve şunu söylüyor: “Ben kendimi çoklu dünya yorumunun karşı savunucusu olarak görüyorum.” D’Ariano çoklu dünyaların varlığı konusunda sakıncalara sahip ve çalışmalarının desteklenmesi gerekliliğine değiniyor ve “çoklu dünyalar konusunda daha çok ikinci derece kanıtlar mevcut” diye de sözlerine ekleme yapıyor.

Hardy: “Benimki de dahil, herhangi birinin herhangi bir set  aksiyoma (kendiliğinden apaçık kabul edilen temel önerme) sahip olduğunu düşünmüyorum.”

D’Ariano, Chiribella ve Perinotti kuantum sisteminin gelişmesine yönelik bir yol geliştirerek, ilerlemeye çalışıyorlar. Bunun için onların kendi sistemlerine nerede bir parçacık kütlesi uyuyor gibi belirli özellikleri çalışması gerekiyor. Şayet bunu doğru yapabilirlerse, bu, kuantum teorisini meşrulaştırmadan daha fazla şey de içerebilir: Bu, genel göreliliği kuantum teorisine bağlamanın bir diğer yolu olabilir. Bu da bizi araştırmacıların uzun zaman içinde yarattıkları “kuantum yerçekimi”, “herşeyin teorisi” açıklamasına götürebilir. Nihayetinde çıkacak sonuç ne olursa olsun, en azından elimizde kuantum teorisine ait  “aptalca soru” diye bir şey olmadığının kanıtı var.

Çeviren: AylinER
Bu makale 11 Nisan 2015 New Scientist Dergisinden çevrilmiştir.

Check Also

Geri Dönüşü Olmayan İnsan Ruhunun Ölümsüz Yolculuğu