Atom Bulutlarının Sıra Dışı Davranışı Var Olan Teorilere Meydan Okuyor!

Viyana Teknoloji Üniversitesi'nde ultrasoğuk atomlarla yapılan deneyler sonuçlarıyla şaşırtıyor... Eşlenik atom bulutları milisaniyeler içerisinde birbirleriyle eş zamanlı hale geliyor ve bu etki standart teorilerle açıklanamıyor. 

Atomlar 0 Kelvin civarına kadar soğutulduklarında özellikleri bir hayli değişmektedir. "Bose-Einstein Yoğunlaşması" denen maddenin bu ultrasoğuk halinde parçacıklar, artık tekil olma durumlarını kaybederek toplu bir şekilde, bir dalgaymış gibi ya da tek bir kuantum nesne olarak davranırlar. 

Ultrasoğuk atom bulutları, çok parçacıklı kuantum fiziğiyle ilgili temel soruları araştırmak için mükemmel bir örnek sistemdir ve Viyana Teknoloji Üniversitesi'nde bu sistemler üzerine yıllardır çalışmalar yürütülmektedir. Yakın bir zamanda ise Profesör Jörg Schmiedmayer (Atom ve Atomaltı Fiziği Enstitüsü, Viyana Teknoloji Üniversitesi) başkanlığındaki bir araştırma ekibi mevcut teorilerle açıklanamayan çarpıcı sonuçlara ulaştı. Bulgularına göre iki adet ultrasoğuk kuantum bulutu birbiriyle eşlendiğinde anında senkronize (eş zamanlı) oluyorlar ve sadece birkaç milisaniye sonra mükemmel bir uyum içerisinde titreşiyorlar. Bu, Bose-Einstein Yoğunlaşmasıyla ilgili yerleşik teorilerin yeniden gözden geçirilmesinin gerekli olduğu anlamına geliyor. Araştırmanın bulguları Physical Review Letters'ta yayımlandı.

Kapanda Tutulan Atomlar

Jörg Schmiedmayer kapandaki atomlar ile ilgili olarak şunları söylüyor:

Atomları soğutmak ve özelliklerini değiştirebilmek için özel olarak tasarlanmış atom çipi kullanıyoruz. Bu çip ile yüzlerce hatta binlerce atomu bir kapanda tutup elektromanyetik alanlar kullanarak kolektif özellikleri üzerinde oynama yapabilmekteyiz.

Ekipte doktora öğrencisi ve aynı zamanda makalenin baş yazarı olan Marine Pigneur süreci şöyle anlatıyor: 

Atomlardan oluşan bir bulut, ilk etapta, sadece birkaç nanokelvin derecesine kadar soğutulur. Sonra, atom çipi kullanarak bulutu ikiye ayıran bir bariyer elde ederiz. Oluşan bariyer yeterince alçak ise atomlar "kuantum tünelleme" denilen bir etki sayesinde bir taraftan diğerine geçebilir. Bunun sonucu olarak iki atom bulutu tam anlamıyla birbirinden bağımsız olamaz, yani birbiriyle bağlaşık olur.

Kuantum fiziğine göre her nesne bir dalga olarak tanımlanabilir. Gündelik hayatımızda karşılaştığımız nesneler çok büyük ve çok sıcak olduğundan nesnelerin dalga özelliklerini göremeyiz. Buna karşın soğutulan atomların davranışı, bahsettiğimiz dalga özelliklerinden güçlü bir şekilde etkilenmektedir. Örneğin, bu dalga özelliklerinden bir tanesi "faz" özelliğidir. Schmiedmayer şöyle açıklıyor:

Faz özelliğini daha rahat anlayabilmek adına kuantum dalgasını tik tak eden bir saat gibi düşünebilirsiniz. Birbirinin aynı iki adet sarkaçlı saat hayal edin. Bu saatler ki en düşük seviyelerine tam da aynı anda ulaşabilsinler diye mükemmel bir uyum içerisinde ayarlanmışlar. Ama normalde biraz birbirlerinden uyumsuz hareket ederler. İşte bu durumda iki sarkaç arasında 'faz farkı' vardır deriz.

İki atom bulutu oluştuğu anda arada faz farkı yoktur, yani harika bir şekilde uyumludurlar fakat atom çipi kullanılarak aradaki bu uyum bozulabilmektedir. İki atom bulutu arasındaki kuantum faz farkı (ne kadar uyumsuz oldukları) büyük bir isabetlilikle kontrol edilebilmekte ve zaman geçtikçe faz farkının değişip değişmediği dikkatli bir şekilde takip edilebilmektedir.

İki klasik sarkacı lastik bir bantla birbiriyle uyumlandırmak istersek, bant sayesinde enerjinin bir kısmı dağılacağından sarkaçlar eş zamanlı hareket etmeye başlayacaklardır. İşte buna benzer bir olgu, iki atom bulutu için söz konusudur: Eşlendiklerinde otomatikman eşzamanlı olurlar, hem de bunu akıl almaz kısa bir süre içinde gerçekleştirirler. Schmiedmayer eşzamanlılık ile ilgili şunları söylemektedir:

Sarkaçlı saatleri düşündüğümüzde bu durum kulağa normal geliyor. Fakat Bose-Einstein Yoğunlaşmaları ile ilgili yerleşik teorilere göre eşzamanlılık durumu oldukça şaşırtıcı çünkü enerji dağılımı söz konusu değil. Çevresiyle etkileşiminden arındırılmış bizimki gibi bir kuantum sisteminde, zaman uyumsuzluğu ile eşzamanlılık arasında sonsuza dek gidip gelen periyotlar olmasını bekleriz. [E.N.: Zaman uyumsuzluğu ile eşzamanlılık arasındaki bu döngüyü bozuk bir saatin günde 2 kez doğru zamanı göstermesi gibi düşünebilirsiniz. Bu olduğunda saat, gerçek zaman ile senkronize oluyor ama günün diğer vakitlerinde olmuyor.]

Bilinmeyen Bir Mekanizmanın Varlığı Aranıyor

İki atom bulutunun sadece birkaç milisaniyeden sonra meydana gelen "kuantum ritimleri"nin (titreşimlerinin) tıpatıp aynı oluşu, enerjiyi dağıtan bir mekanizmanın varlığına işaret etmektedir. Sistem çevreden izole edildiğinde enerjisi etrafa yayılamayacağı için, bu durumda sadece ve sadece aktarılabilir. Marine Pigneur şöyle söylüyor:

Saatleri desenkronize etmek için (eşzamanlılığı bozmak için) sistemi denge durumundan uzaklaştırırız. Şu ana kadarki pek çok teori, denge halindeki Bose-Einstein yoğuşmalarında görülen eşlenmeleri başarılı bir şekilde açıklamışsa da dengesizlik durumunu ve gözlemlenen senkronizasyonu açıklamada yetersiz kalmıştır. Bilinen teorilere göre eşlenme durumu, enerjiyi gözlemlediğimiz kadar güçlü ve hızlı bir şekilde aktaramaz. Dolayısıyla ya bu teoriler bir şeyleri gözden kaçırıyor ya da tamamen yanlışlar. Bu demek oluyor ki atomlar arası etkileşimle ilgili anlayışımızın bizatihi kendisi değişmeli.

Bu hayret verici bulguyla beraber ekip, bu alanda daha fazla araştırma yapmayı ümit ediyor. Jörg Schmiedmayer konuyla ilgili şunları söylüyor:

Sonuç olarak, denge halinde olmayan çok parçacıklı kuantum sistemi davranışı, modern fiziğin henüz çözemediği büyük sorunlardan biri. Büyük Patlama'dan hemen sonra oluşan erken dönem evrenin durumunun ne olduğu veya büyük nesneler klasik fizik kurallarına uygun hareket ederken tuhaf kuantum etkilerin neden sadece küçük ölçeklerde görüldüğü gibi pek çok temel meseleye bağlanıyor.