"Kuantum Dünyası" Konulu Röportaj (13 Şubat 2013)

Yazdır "Kuantum Dünyası" Konulu Röportaj (13 Şubat 2013)

Konular: Kuantum Mekaniği, Paradokslar, Kuantum Alan Kuramı, Kuantum Bilgisayarlar, Kuantum Şifacılık, Kuantum Bilinç

Soruları Hazırlayan: Arsel Acar (Evrim Ağacı)

Cevaplayan: Emre Oral (Evrim Ağacı)

Düzenlenme Tarihi: 13 Şubat 2013


1. Soru: Uzun bir aradan sonra sorularımıza cevap vermeyi tekrardan kabul ettiğiniz için teşekkür ederiz. Konumuz ''Kuantum'' hakkındadır. Öncelikle Kuantum Mekaniği nedir? Kuantum Mekaniği ile Kuantum Fiziği farklı şeyler midir?

Evrim Ağacı: Teşekkür ediyoruz. Soru sormak ve cevap vermek, birer sanattır ve bilimi sanatla birleştirdiğiniz için, biz teşekkür ediyoruz. Kuantum fiziği ve kuantum mekaniği, esasen farklı şeylerdir; ancak dirsek teması içerisinde çalıştıkları için, aynı şeyler gibi görünürler. Kuantum fiziği, örneğin enerji gibi bir kavramı kuantize edecek olan, yani nicelendirecek olan herhangi bir fiziksel teori arar. Burada ''enerjiyi nicelendirmek'' ifadesi, bizlere enerjinin en küçük paketlerini hatırlatmalıdır. Bu, kuantum fiziğinin en temel uğraşlarından biridir. Buradan genellersek, kuantum fiziği, evrenin en küçük ölçeklerini ve bu ölçeklerin ''sakinlerini'' tanımaya çalışır. Kuantum mekaniği ise, evrenin en küçük bileşenlerinin davranışlarıyla ilgili teorilere ulaşmaya çalışır. Atomdan başlayarak, daha küçük ölçeklere inildiğinde, Einstein öncesi, hatta Bohr öncesi fiziğin yasaları, bu bileşenlerin davranışlarını açıklamakta yetersiz kalıyordu. Dolayısıyla, yeni gözlem ve deneylerle beraber, atomların ve atom altı parçacıkların davranışlarını açıklamak adına yeni yasa setleri gerekti ve ''kuantum mekaniği'' doğdu. Birleşik bir açıklamaya da şöyle gidebiliriz: kuantum fiziği, evrenin bileşenlerini tanımaya çalışırken, kuantum mekaniği, bu bileşenlerin davranışlarına dair yorumlar getirmeye çalışır, derine iner. Bir anlamda kuantum mekaniğinin, kuantum fiziğinden türediğini de söyleyebiliriz.



2. Soru: Klasik Fizik ile Kuantum Mekaniğin arasındaki temel farklar nelerdir?

Evrim Ağacı: Kısa cevap: boyut. Uzun cevap ise çok uzun. Elimizden geldiğince kısaltacağız. Boyut sorunu, insanlığın derli toplu düşünmeye başladığı çağlardan beri kendisini göstermiştir. Galileo, Jüpiter'i ve uydularını tanımaya çalışırken, onunla neredeyse aynı yıllarda, mikroskop gelişiyordu. Newton, çalıştığı odasından, Ay'ın neden Dünya üzerine düşmediğini hesaplarken, aynı zamanda ışığın da belirli bileşenlerden (parçacıklardan) oluştuğuna dair fikirler geliştiriyordu. Bunlar, insanlığın artık etrafında gördüğü şeylerden sıkıldığı dışında, daha derin anlamlar da taşır. Elmanın Dünya üzerine düşmesini, Newton sayesinde, evrensel kütleçekim yasasıyla açıkladık. Ya ışığı oluşturan parçacıklar? Onlar da Dünya yüzeyine düşüyorlar mı? Herşeyden önce, onlar da -tıpkı Dünya yüzeyine düşen elma gibi- belirli bir kütleye ve hıza sahipler mi? İşte burada, cevaplar, deneyler ve gözlemlerle beraber ''Hayır.'' çıkınca, yeni teorilere ihtiyaç duyuluyor. Bu teoriler, atomdan başlayarak, daha alt ölçeklere özgü teorilerdir. Bu teorileri kullanarak, atom altı dünyanın ''elmalarının'' davranışlarını açıklayan alan ise kuantum mekaniği olmuştur. Klasik fizik, etrafımızı saran ve hiç de yabancı olmadığımız dünyayı açıklarken, kuantum mekaniği, bu dünyanın esasında bizler için çok yabancı yönlerinin de olduğunu hatırlatır ve o yönü tanımaya çalışır.



3. Soru: EPR Paradoksu, Heisenberg'in Belirsizlik İlkesi, Pauli Dışlama İlkesi, Schrödinger'in Kedisi ve Feynman Diyagramı hakkında özet bilgiler verebilir misiniz? Fizik konularını iyi bilmeyenlere bunları nasıl anlatırsanız öyle yazmanızı isteriz.

Evrim Ağacı:

(1) EPR Paradoksu: Neden EPR? O dönemlerde, Einstein'ın, bazı kuantum fizikçilerine karşı kurduğu fizikçiler mafyası olan ve kendisi ile beraber, Boris Podolsky ve Nathan Rosen'den oluşan grubun üyelerinin soy adlarının baş harfleri, açıklayıcı olacaktır. Peki nedir bu paradoks? Tam şu anda, ayaklarınızın bastığı yere bir arkadaşınızı çağırdığınızı, arkadaşınızın da geldiğini düşünün. Bu noktada, arkadaşınızla sırt sırta durduğunuzu düşünün. Ağzınızdan çıkan bir talimat ile aynı hızlarda, tam olarak zıt yönlere hareket etmiş olun. Belli bir mesafe ya da süre sonra bir talimat daha vererek durduğunuzu düşünün. Siz, kaç metre hareket ettiğinizi biliyorsunuz ve hâlâ arkanız dönük; aynı şekilde, arkadaşınız da aynı durumda. Hızlar aynı, geçen süre aynı, yönler zıt. Demek ki alınan yollar eşit ve zıt yönde. Ancak siz, arkadaşınızı görmeden, bu çıkarımı yapabiliyorsunuz. Siz, başlangıç noktasından 10 metre hareket ettiyseniz; arkadaşınız -10 metre hareket etmiş demektir ve siz de bu bilgilere sahipsinizdir. Aranızdaki mesafe de, doğal olarak 20 metredir. İşte Einstein ve arkadaşları, bu gibi bir analojiyi, parçacıklar dünyasında denemek istediler: bir parçacıkla etkileşime girmeden, bir başka parçacığın özelliklerini açıklamak. Oysa kuantum fiziğine göre, uzak parçacıkların durumu, ölçümden önce ''gerçek'' değildir. Ancak parçacıklardan birine yapılan ölçüm, uzaktaki diğer parçacığın durumunu anlık olarak etkilemektedir. EPR'ye göre bu iletişim, ''yerellik'' (locality) ilkesinin ihlali anlamına gelmektedir. Einstein'a göre parçacıklar arasındaki bu etki, mutlaka gözden kaçırılan yerel bir etki olmalıydı. Einstein ve arkadaşlarının hazırladığı makalede, paradoksa dair bir deney önerisi yoktur; ancak bir kaynaktan çıkan iki parçacığın fiziksel nicelikleri tartışılır. Deney önerisi ise daha sonra, 1951'de, David Bohm adlı fizikçi ile beraber gelmiştir. Bu makale, bir kaynaktan çıkan iki parçacığın özelliklerinin birbirine bağlılığı, bu bağlılığın yerellik ve özel göreliliği ihlal edip etmediği, parçacık özelliklerinin önceden belirlenmiş olup olmadığı konularının tartışıldığı, hem bilimsel hem de felsefi bir belge niteliği taşır. EPR Makalesi ise, kuantum mekaniğine yönelik bir mantıksal itirazdır ve bu itiraz, yalnız teoride değil, deneysel olarak da çürütülmüştür. Fakat, bu itiraz, hem kuantum mekaniğinin kurucularından olan Einstein tarafından yapılmış son büyük itiraz olması, hem de kuantum mekaniğinin anlaşılmasını sağlaması nedeniyle büyük öneme sahiptir. Sonuç olarak EPR paradoksunun, parçacıkların birbirine ''dolaşık'', yani bir şekilde birbirlerine bağlı olup olmadığı tartışmasına dahil olan bir paradoks olduğunu söyleyebiliriz. Sonuç ise, dolaşıklığın ispatı ile kendisini göstermiştir.

(2) Belirsizlik İlkesi: Bu ilke, belki de gelmiş geçmiş en önemli ilke olma potansiyeline sahiptir (önemi için Bkz: Gelinen Son Nokta: Kuantum Dalgalanmaları Ve Belirsizlik). Bir voleybolcunun topa hangi açıyla vurduğunu bilmeniz, topun tam olarak nereye düşeceğini bilmenize yeter mi? Görünüşe göre, başka unsurlar da söz konusu: voleybolcunun topa uyguladığı kuvvet ve havadaki moleküllerin oluşturacağı ufak çaplı sürtünme kuvveti gibi. Bütün bu verilerin ve daha fazlasının bize sağlandığını düşünelim. Yani voleybolcunun topa vuruşu sırasındaki tüm veri setleri elimizde ve biz, bu verilerle hesaplamalar yapabiliriz. Şu durumda topun düşeceği noktayı belirlememizi engelleyen bir şey yok gibi görünüyor. İşte bu, bize belirli bir durumu işaret etmektedir: belirli bir andaki belirli verilerden hareketle, sonraki herhangi belirli bir anda, belirli bir durumu öngörmemiz durumu. Ancak atom altı düzeyde, bir parçacığın ''ne yapacağını'' belirlemek istediğimizde, bazı veri setlerine (hız, konum, momentum gibi) ihtiyacımız olur ve bunları ölçmeye kalktığımızda, çarpıcı bir şeyle karşılaşırız: voleybol topunun hızı ve konumunu aynı anda bilmemize rağmen, burada parçacığın hızını ve konumunu, aynı anda, aynı kesinlikle bilemiyoruz! Eğer parçacığın hızını, %64'lük bir kesinlikle saptayabiliyorsak, konumunu %36'lık bir kesinlikle saptayabiliriz. Yani bu özelliklerin belirlilikleri arasında bir ödünleşim söz konusudur. Peki belirsizlik ilkesini neden etrafımızdaki dünyada gözlemleyemeyiz? Werner Heisenberg'in ortaya koyduğu bu ilkeye yeniden göz atmak istersek, parçacığın pozisyonunun belirsizliği çarpı hızının belirsizliği çarpı kütlesi, daima belirli bir nicelikten fazla olmalıdır. Bu belirli nicelikse, bir parçacığın enerjisinin frekansına oranı olan Planck sabitidir. Eğer siz, parçacığın pozisyonundaki belirsizliği 2 katına çıkarırsanız, hızındaki belirsizliğini yarıya indirmelisiniz demektir. Bunun yanında, ''parçacığın kütlesi'' ne kadar büyük olursa, eşitsizliğin sol tarafının geri kalanını oluşturan iki belirsizlik de o kadar az olmak zorundadır. Bu bize biraz tanıdık gelmiş olmalı: Ay'dan Dünya'mıza bakan hiçbir astronot, Dünya'nın kaybolup yeniden oluştuğuna rastlamamıştır. Zira kütle çok yüksektir, dolayısıyla belirsizlikler, yok denecek kadardır.

(3) Pauli Dışlama İlkesi: Çoğu kez, elektronların, atom çekirdeği etrafında çarpışıp çarpışmadığını merak edenlerimiz olmuştur. Elbette çarpışmazlar. Buna her şeyden önce, elektriksel yükleri izin vermez, birbirlerini iterler. Ancak atomun etrafında bir ''bulut'' oluşturan bu parçacıklar nasıl hareket ederler? Bu elektronlar, atom çekirdeği etrafındaki enerji seviyelerinde hareketlerini sürdürürler. Bunun yanında iki elektron, asla aynı hareket durumunda, aynı enerji seviyesinde bulunamaz. ''Hareket durumu'' ifadesinden anlamamız gereken, ''spin'' dediğimiz özelliktir ve elektronların, bir anlamda, dönüşlerine göre ''yukarı'' ve ''aşağı'' gibi iki değer alan fiziksel özellik anlamına gelir. Bunu, rastlayanların bileceği, ''sağ el kuralı'' ile anlatabiliriz. Bir parçacığı, baş parmağımızın dışında kalan 4 parmağımız, dönüş yönünü gösterecek şekilde avucumuzun içine aldığımızı varsayalım. Bu durumda baş parmağımız eğer yukarıyı gösteriyorsa, parçacık ''yukarı spin''e sahiptir. Aşağıyı gösteriyorsa da tam tersi. Yine kimya derslerimizden hatırlayanlar olabilir: çemberler içine çizilen iki ok vardır ve bu oklardan biri yukarıyı gösterirken, diğeri aşağıyı gösterir. Her orbitalde elektronun biri yukarı, diğeri aşağı spin durumundadır. Pauli'nin prensibi, en temel haliyle bunu belirtir.

(4) Schrödinger'in Kedisi: Bu adla ünlü düşünce deneyinde, bir kutuya hapsedilmiş kedidir. Kutuda, kediden başka bir şey daha vardır: bozunma ihtimali %50 olan bir radyoaktif izotop. Bu izotop bozunduğunda, kedi için zehirli olan bileşenler kutunun içine yayılarak, kedinin ölümüne sebep olacaktır; ancak %50 ihtimalle. Bizler için burada önemli olan, bizim, kedinin yaşayıp yaşamadığı konusundaki bilgimizdir. Bizler kutuya gözlemci olarak katılana kadar, kedi ''hem ölü hem de diridir''. Ancak biz kutuyu açtığımız andan itibaren, kedi, ölü ya da diri olması durumlarından birine ''çöker''. Diğer bir deyişle, dalga fonksiyonu, bu iki seçenekten birine çöker. Bu yönden Schrödinger'in kedisi, paralel evrenler fikri için de bir dayanak oluşturur.

(5) Feynman Diyagramları: Parçacıklar bozunduğunda veya diğer bazı parçacıklarla etkileşime girdiğinde temel olarak ne olduğunu, ne bekleyebileceğimizi gösteren şemalardır. Feynman'ın bu grafik yöntemi, kuantum dünyasında, parçacıkların davranışları ile ilgili tüm olasılıkları gözümüzde canlandırabilmemizi sağlar. Aynı zamanda modern fiziğin en önemli araçlarından biri olan bu diyagramlar, basit biçimde açıklamak gerekirse, elektromanyetik kuvvet ile birbirinden uzaklaşan iki elektronun gideceği bazı olası yönleri görmemizde önemli rol oynar. Diyagramlarda rastladığımız düz çizgiler her zaman elektronları, dalgalı çizgiler ise her zaman fotonları temsil eder. Burada da zamanın bir oku vardır; zamanın, aşağıdan yukarıya doğru ilerlediği düşünülür. Diğer yandan çizgilerin birleştiği noktalar, fotonların oluştuğu veya elektron tarafından soğurulduğu, enerji olarak hapsedildiği noktalardır. Feynman diyagramlarının sayısında bir sınır yoktur. Kuantum fiziği aslında bize, böylesi olası süreçlerin tümünün gerçekleşebileceğini ve bunların farklı olasılıklarla da meydana geldiğini söyler.



4. Soru: Peki Kuantum Alan Kuramı nedir?

Evrim Ağacı: Kuantum alan kuramı, bildiğimiz parçacıkların, noktasal parçacıklar olarak değil de, alanların birer parçaları olarak düşünüldüğü kuramdır. Örneğin, elektromanyetik alanın parçacığı olan foton, kuantum alan kuramına göre, esasında elektromanyetik alan içerisindeki ufak bir titreşimdir. Aynı şekilde, elektron alanındaki küçük bir titreşim elektron iken, kuarklar da ayrı ayrı, kendilerine has alanların birer parçalarıdırlar. Böylece, Sombrero Galaksisi'ndeki olası bir yaşam formunun yapısındaki elektronla, kelimelerin üzerinde dolaşan gözlerimizin yapısındaki herhangi bir elektronun aynı elektronlar olmasını da açıklayabiliyoruz. Neden? Zira bu elektronlar, aynı alanın parçaları.


5. Soru: Kuantum Işınlanmanın ne olduğunu kısaca anlatabilir misiniz?

Evrim Ağacı: Kuantum ışınlanma, yani diğer adıyla ''kuantum teleportasyon'', ''foton çiftleri'' dediğimiz parçacık çiftlerine dayanır. Yukarıdaki EPR Paradoksu konusuna güzel bir atıfta bulunur. Bunun sebebi, Jüpiter'in yüzeyinde kontrol altında tuttuğumuzu varsayacağımız bir foton ile, burada, Dünya'da kontrol altında tuttuğumuz bir fotonun dolaşık olmasıdır. Yani bizler, buradaki fotonu bir şekilde uyardığımızda, buradaki fotonla aynı anda, Jüpiter'deki foton da tepki verir. Bu foton çiftleri, iki merkez arasında veri alışverişini sağlayacaklardır. Birinci merkezdeki fotonların istenilen şekilde uyarılması sonucu, ikinci merkezdeki fotonlar değişeceklerdir ve sonuçta, birinci merkezdeki veriler ve ikinci merkezdeki veriler eşitlenecektir. İşin bundan sonrası, ikinci merkezdeki veriler toplamının işlenmesi ve maddenin elde edilmesidir; ki, en zor kısım da budur. Zira bu veri setini maddeye dönüştürmek, çok zordur. İşte bu yüzden bilim insanları, kuantum teleportasyonu şimdilik, parçacık dolaşıklıklarını kullanarak başarmaktadırlar.



6. Soru: Kuantum Bilgisayar nedir ve nasıl geliştirilmiştir?

Evrim Ağacı: Masamızdaki bilgisayarlar, kısaca ''bit'' olarak bilinen bilgi parçalarını, ikili rakamlara işleyerek çalışır. Normal olarak bir devre içindeki elektrik akımında meydana gelen değişiklikler yoluyla temsil edilen bitler, sadece iki değere sahip olabilir (0 veya 1). Ancak 20. yüzyılın ikinci yarısında bilim insanları, bu yol haritasına, maddenin atomaltı düzeye indiğimizde ortaya çıkan özel durumlarını da ekleyebileceklerini anladılar. Bu özelliklerin birincisi, ''süperpozisyon'' olarak bilinir. Basit bir ifadeyle süperpozisyon, atom çekirdeği etrafında dönen elektronlar gibi fiziksel sistemlerin, aynı anda teorik olarak mümkün olan tüm durumlarda bulunabildiği anlamına gelir. Aslında bilim insanları, eğer bu gibi sistemleri kullanabilirlerse, her bir bilginin kuantum bitinin (diğer adıyla ''qubit''), eş zamanlı olarak 0 veya 1 olabileceğini fark ettiler. Bizler daha fazla bit ekledikçe, bu süperpozisyon durumu, bizlere, gücü katlanarak artan kuantum bilgisayarlar sunabilecektir. Tüm kuantum bilgisayar fikrinin dayanak noktası olan ''dolaşıklık'' kavramı, esasen tek bir qubitin durumunu değiştirdiğinizde, o sistemde dolanmış olduğu diğer tüm qubitleri etkileyeceği anlamına gelir. Esasında kuantum bilgisayarları diğerlerinden ayıran özellik, parçacıkların durumlarının aynı anda değişmesidir. Elektrik, tipik bir kablo içerisinde, ışık hızının %66'sı kadar bir hızla; muhafazasız bir bakır iletkende ise ışık hızının %95'i ila %97'si kadar bir hızla ilerler. Ancak qubitler söz konusu olduğunda, bu süre kısalmıyor, tamamen bitiyor. Bir parçacığı etkilediğinizde, anında diğer parçacıklar da bu durumdan etkileniyor.



7. Soru: Günümüzde kuantum şifacılığı ve kuantum bilinç gibi şeylerle karşılaşmaktayız. Bunlar hakkında neler düşünüyorsunuz? Kuantum Mekaniğini öğrenmek isteyenlere tavsiye edebileceğiniz kaynaklar nelerdir?

Evrim Ağacı: Bunlar, hiçbir şekilde işe yaramamasına rağmen, insanların kendilerini şartlandırmasına sebep olurlar. ''Placebo ilaç'' örneği, burada bunu çok güzel bir şekilde açıklayacaktır. Kuantum, kelime anlamı olarak ''miktar'' demektir. Yan yana koyduğumuzda bile anlamsız iki kelime durumuna gelir: ''Miktar şifacılığı''. Evet; komik olmasına rağmen, bunu yapıyorlar. İlk soruda açıkladığımız ''kuantizasyon'', yani en küçük paketleri (miktarları) belirleme işlemi, burada ne kadar komik bir kullanıma dahil oluyor; görüyorsunuz. Öncelikle tıpta, ''tedavi'' gibi bir olgu vardır. ''Kuantum tedavi'' diye bir şey duydunuz mu? Neden? Çünkü ''şifa'', daha cazip bir kelimedir. Okumayı sevmeyen toplumlarda, bu böyledir. ''Kuantum bilinç'' ise, yukarıdaki ''kuantum şifa'' ifadesine göre biraz daha sinsi bir tavır takınır. Sombrero'daki elektron ile gözümüzdeki elektronun birbirinden ''haberi olmasını'' nasıl açıklayabiliriz? Bu inanılmazdır (!). Hayır, hiç de değildir. Evren, bir noktadan genişlemeye ve şişmeye başlamıştır. bileşenleri arasında bir bağın olması yadsınacak bir olgu değildir, olmamalıdır. Kuantum dolaşıklık olgusunun üzerinden defalarca geçtik. Bu mekanizma belirlidir; atom altı parçacıklara bilinç atfetmemizi kaldırmaz. Atom altı parçacıklar, belli yasalar dahilinde davranırlar. Gelgelelim, sahte kuantum uzmanları iş başında! ''kuantum sıçrama'' bahanesiyle, insanların umutlarını sömüren bu utanmazların iddiası, elektronların insan vücudunda bu sıçramaları, örneğin korku anında yapabildikleri ve bir üst kabuğa sıçradıkları, böylece yaydıkları fotonlar aracılığıyla insanın korktuğunun başına gelmesine sebep olduklarıdır. Ne kadar dokunaklı ve mükemmel bir mekanizma! Olsa ne güzel olurdu; atomları bir şekilde kontrol altına alır, korku duygusunu yok ederdik. Bununla da kalmıyorlar: olumlu düşüncenin, yine bu mekanizma aracılığıyla insan hayatını daha iyi bir duruma getirdiğini iddia ediyorlar. Bu iddiaların kuantum teorisi ve modern fizikle uzaktan yakından alakası yoktur. Fotonların düşünce olduğu iddiasının hiçbir bilimsel temeli yoktur. Aynı şekilde, kişi korktuğu ya da sevindiği zaman vücudunda elektronların bir üst seviyeye sıçradığını gösteren hiçbir çalışma olmadığı gibi, bunu sağlayabilecek bir mekanizma da mevcut değildir.

Kuantum mekaniği konusunda tavsiye edebileceğimiz kaynaklar da şunlar:

(1) Büyük Tasarım - Stephen Hawking
(2) Evrenin Dokusu - Brian Greene
(3) Yaşam Nedir? - Erwin Schrödinger
(4) The Trouble with Physics - Lee Smolin
(5) İzafiyet Teorisi - Albert Einstein
(6) Fizik ve Felsefe - Werner Heisenberg
(7) Fizik Yasaları Üzerine - Richard Feynman
(8) Kuantumu Anlamak - Barry Parker


8. Soru: Kuantum Mekaniği ile neleri başarabiliriz ve bizlere (biraz pragmatik gibi gözükse de) ne tür faydalar sağlayabilir?

Evrim Ağacı: Kuantum mekaniği, bize birçok şey katmıştır. Öncelikle yine yukarıda bahsettiğimiz kuantum bilgisayarların geliştirilmesine az bir zaman kalmıştır. Bunun yanında, bildiğimiz gibi, kuantum mekaniğine dair, CERN adlı bir laboratuvar söz konusudur. Buradaki bilim insanları, çalışmaları sırasında internet ağını bizlere bağışlamışlardır. Evet, bu yazıyı, o bilim insanlarının sayesinde sizlere ulaştırabiliyoruz. Tüm bunların dışında, gelecekte uzaya gönderilecek, jeosenkronize olmayan (yani yermerkezli olmayan) teleskoplarla yapılacak veri alışverişlerinin de hızlanması, kuantum mekaniksel çalışmalarla beraber mümkün olacaktır. Kuantum mekaniğinin, hayatımıza en basit katkıları bunlardır, ancak bunlarla sınırlı da değildir. Birçok karmaşık sürece dayalı çalışmalar yapılmaktadır.

6 Yorum