Kuantum Boşluğunu Doğrudan Manipüle Etmek Mümkün!

Kuantum mekaniğine göre bir boşluk (İng. vacuum) gerçekte hiç de boş olmayıp çok çok kısa bir süreliğine varlık sahnesine şöyle bir göz atıp çıkan parçacıklarla, bir diğer deyişle, kuantum çalkalanmalar/dalgalanmalar olarak bilinen tuhaf izlerle ve kuantum enerjiyle doludur. 

2015'e gelene kadar on yıllar boyunca bu dalgalanmalara dair sadece dolaylı kanıtlar elde edilegelmişti fakat daha sonra 2015'te araştırmacılar bu varsayımsal çalkalanmaları/dalgalanmaları dolaysız bir şekilde gözlemlediklerini öne sürdüler. Şimdilerdeyse aynı araştırma ekibi bir adım daha öteye gittiklerini ve bizzat boşluğu manipüle ederek onun içerisinde meydana gelen bu tuhaf izlerdeki değişimleri saptadıklarını duyurdular. 

Bu noktadan itibaren ileri fiziğin kara sularına giriyoruz. Bu deneyle ilgili müthiş önemli bir durum söz konusu: Araştırmacılar, şayet sonuçlar doğrulanırsa, kuantum dünyasına müdahale olmaksızın onu gözlemlemenin, derinlemesine incelemenin ve test etmenin bir yolunu bulmuş olabilirler. Bu oldukça önemli bir konu çünkü kuantum mekaniğine ve onu algılayışımıza dair en büyük problemlerden biri ölçüm sorunudur. Bir kuantum sistemini her ne zaman ölçmeye kalksak onun çökmesine sebep olmaktayız. Bu durum, kuantum dünyasında gerçekte neler olup bittiğini anlamak istediğimizde, anlaşılacağı üzere, pek de hayra alamet bir durum değil... 

Tam da bu noktada kuantum boşluğu imdada yetişiyor gibi.

İlk başta boşluğu klasik anlamıyla düşünelim, yani maddeden arınmış ve mümkün olan en düşük seviyeli enerji durumuyla bir boş alan (İng. space) olarak. Hiçbir parçacık yok ve dolayısıyla saf fiziğe müdahale edebilecek hiçbir şey yok.

Fakat kuantum mekaniğinin temel ilkelerinden biri olan Heisenberg'in Belirsizlik İlkesi, kuantum parçacıkları hakkında sahip olduğumuz bilgi miktarının bir sınırı olduğunu söyler (Belirsizlik İlkesi için bkz: Evrim Ağacı). Buna dayanarak söyleyebiliriz ki bir boşluk gerçek anlamda hiçbir zaman boş değildir; aslında kendine has tuhaf bir enerjiyle çalkalanır ve rastgele bir şekilde ortaya çıkıp kaybolan parçacık-karşıt parçacık çiftleriyle doludur.

Bunlar, fiziki maddeden ziyade 'sanal' parçacıklar olduklarından haliyle gözlenemezler. Kuantum dünyasındaki çoğu şey gibi gözlenemeseler de gerçek dünyaya olan etkilerinden ötürü varlıklarından haberdarızdır.

Bahsini ettiğimiz kuantum çalkalanmaları boşlukta gelişigüzel dalgalanan ve elektronları etkileyebilen elektrik alanları üretirler. Bu elektik alanlarının elektronlar üzerine olan etkisi sebebiyle bilim insanları 1940'larda kuantum çalkalanmaların varlığını dolaylı olarak saptayabilmişlerdir. 

Onyıllar boyunca kuantum çalkalanmaya dair elimizdeki tüm veri buydu. Daha sonra 2015'te Almanya'nın Konstanz Üniversitesinden Alfred Leitenstorfer önderliğindeki bir ekip çalkalanmaların bir ışık dalgası üzerine olan etkisini gözlemleyince çalkalanmaların varlığı doğrudan ispatlanmış oldu (bu sonuçlar Science dergisinde yayımlandı). Deneylerinde, boşluğa birkaç femtosaniyelik (saniyenin milyarda birinin milyonda biri kadar bir sürelik) müthiş kısa atımlı lazerler göndererek ışığın polarizasyonundaki karmaşık değişimleri görmeyi başardılar. Ekip, bu değişimlerin kuantum çalkalanmalar sonucu dolaysız olarak meydana geldiğini söylüyordu. 

Bu, hala tartışılan bir iddia olsa da aynı araştırmacılar, bu sefer, boşluğu 'sıkıştırarak' deneylerini bir adım daha ileriye götürdüler. Sıkıştırma işleminin bir sonucu olarak da kuantum çalkalanmalardaki tuhaf değişimlerin gözlenebildiğini söylüyorlar.

Yeni deney, sadece kuantum çalkalanmanın varlığına dair başka bir kanıt sunmakla kalmayıp aynı zamanda sonuçları etkilemeden (yani kuantum durumunu bozmadan) kuantum dünyasında deney yapabilmenin bir yolunun bulunmuş olabileceği anlamına da geliyor. Leitenstorfer, "İlk denemede (yaklaşmada) kuantum durumlarını değiştirmeksizin bu durumları analiz edebilmekteyiz." diyor.

Genelde, kuantum çalkalanmanın tek bir ışık parçacığı üzerine olan etkilerini bulmak istediğinizde etkiyi görebilmek için o parçacığı saptamak ya da şiddetini artırmak zorundasınızdır. Bu da o foton (ışık parçacığı) üzerindeki 'kuantum izi' siler, ki bu durum ekibin 2015'teki deneyde yaptığı şeye benziyor.

Ancak, araştırmacılar, bu sefer, fotonları soğurup şiddetlerini artırmak suretiyle kuantum çalkalanmadaki değişimlere bakmak yerine ışığı zaman bölgesinde incelediler. Bu kulağa uçuk gelebilir ama boşlukta, uzay ve zaman aynı şekilde davrandıkları için biri hakkında bilgi edinmek istiyorsak diğerini incelememiz mümkündür. Işığı zaman bölgesinde inceleyen ekip, boşluğu 'sıkıştırdıklarında' onun tıpkı bir balonun sıkıştırılmasına benzer bir şekilde çalıştığını gördüler ve bu şekilde boşluk içerisindeki esrarengiz kuantum çalkalanmaları yeniden dağıttılar. 

Kimi noktalarda çalkantılar, sıkıştırılmamış boşluktaki 'arka plan gürültüsü'nden çok daha güçlü hale gelirken kimi yerde de daha sessizlerdi. Leitenstorfer bu durumu yol daraldığındaki trafik sıkışıklığına benzetiyor. Nasıl ki daralan yol üzerinde araçlar birikir ama o darboğazı geçtikten sonra araç yoğunluğu azalır, buna benzer bir durumun, belli bir nebzeye kadar, boşlukta yaşandığını söylüyor: Boşluk bir yerde sıkıştırıldıkça kuantum çalkalanma dağılımları değişmektedir, bu da onların hızlanmasına ya da yavaşlamasına yol açmaktadır. 

Bu etki zaman bölgesinde ölçümlenebilir (aşağıdaki uzay-zaman şemasında görebilirsiniz). Ortadaki tümsek boşluğun 'sıkıştırılma'sından ileri gelmektedir.

Gördüğünüz üzere, sıkıştırmanın neticesi olarak çalkalanmada birtakım çıkıntılar/işaretler var. 

Fakat dikkatle bakacak olursanız tuhaf olan bir şeyi daha görebilirsiniz. O da bazı yerlerdeki dalgalanmaların arkaplan gürültüsü seviyesinden, yani boş uzayın taban durumundan, daha alçakta kalıyor gibi görünmesidir. Ekipteki bilim insanları buna 'hayret verici olgu' adını taktılar. Araştırmacılar bir basın bildirisinde şunları söylediler:

"Yeni ölçümleme tekniğimiz fotonları soğurmaya ya da şiddetlerini artırmaya gerek duymadığından boşluktaki elektromanyetik arkaplan gürültüsünü doğrudan saptayabiliyoruz ve böylelikle biz araştırmacıların yönlendirdiği, kontrollü taban durumundan sapmaları da."

Ekip, bu günlerde, tekniklerinin ne kadar hassas olduğunu ve bu teknik vasıtasıyla neler öğrenebileceklerini test ediyorlar.

Şimdiye kadarki sonuçlar etkileyici olsa da ekibin, 'zayıf ölçüm' gerçekleştirmiş olabilme ihtimalleri de var. Zayıf ölçüm, kuantum durumunu değiştirmeyen ama kuantum durumuyla ilgili araştırmacılara pek de bilgi vermeyen bir ölçüm çeşidine deniyor. 

Eğer ki yeni teknik sayesinde daha fazla bilgi edinilirse araştırmacılar, bu yöntemi  'ışığın kuantum durumunu', yani henüz yeni anlamaya başladığımız ışığın kuantum seviyesindeki görünemeyen davranışını, ayrıntılı olarak incelemek için kullanmaya devam etmeyi hedefliyorlar. 

Şu aşamada, ekibin bulgularını doğrulayacak ve deneyin gerçekten başarılı olduğunu gösterecek daha fazla çalışma yapılması şart ama yine de bu deney oldukça etkileyici bir ilk adım olma özelliği taşıyor. 

Araştırma Nature dergisinde yayımlandı.