Akışkanlar Mekaniği, Kuantum Mekaniği'ndeki Yaygın Kabullenişe Bir Alternatif Sunabilir!

Kuantum mekaniğinin en gizemli yanı, maddenin yapı taşlarının bazen parçacık bazen de dalga olarak davranıyor gibi gözükmesidir. Geçen yüzyılın neredeyse tamamı boyunca, bu bilmecenin en çok kabul gören açıklaması “Kopenhag yorumu” oldu. Bu yorum, tek bir parçacığın, bir anlamda, evrenin her yerine bulaşmış fakat gözlemlendiğinde belli bir konuma çöken bir dalga olduğunu ileri sürer.

Diğer taraftan, kuantum fiziğinin birkaç kurucusu, özellikle Louis de Broglie, “pilot-dalga kuramı” olarak bilinen farklı bir yorumun başını çekti. Bu yorum, temel parçacıkların bir tür dalga üzerinde taşındığını savunur. Bu kurama göre, parçacıkların gittikleri belli yolları vardır ancak pilot dalganın etkisi sebebiyle hala dalga benzeri istatistik sergilerler.

MIT’te Uygulamalı Matematik dalında profesör olan John Bush, pilot-dalga kuramına dönüp bir daha bakmak gerektiğini düşünüyor. Nedeni ise, yakın bir zamanda, Yves Couder, Emmanuel Fort ve Paris Diderot Üniversitesi’nden birkaç meslektaşının, belirli koşullar altında, istatistiksel davranışları, kuantum sistemlerindeki istatistiksel davranışları akla getiren, makroskopik ölçekte bir pilot-dalga sistemi keşfetmiş olmaları.

Couder ve Fort’un sisteminde, yüzeyde dalgaların oluşmaya başladığı frekans eşiğinin çok az altında bir frekansta titreşen içi sıvı ile dolu bir havuz var. Aynı sıvıdan bir damla, havuzun üzerine damlatılıyor. Damlacık sıvı yüzeye çarptığında, dalgalar dışa doğru genişliyor ve daha sonra, aynı damlacık, yarattığı dalgalar tarafından zıplatılarak havuz boyunca yol almaya başlıyor ya da yürüyor. Bush, sistemi şöyle açıklıyor:

Bu sistem, elbette ki, kuantum mekaniğinden nicelik olarak farklı. Nitelik olarak da farklı çünkü kuantum mekaniğinin bazı özelliklerini bu sistemde göremiyoruz ve bu sistemin bildiğimiz bazı özellikleri de kuantum mekaniğinde yok. Yine de, ikisi düşünsel açıdan farklı mıdır?

Yolları Takip Etmek...

Bush’a göre, Kopenhag yorumu, parçacıkların takip ettiği yolların varlığını daha baştan inkar ederek, bu yolları hesaplama gibi teknik bir problemi es geçiyor. Bush şöyle ifade ediyor:

Asıl soru, de Broglie’nin ve yürüyen damlacıkların işaret ettiği türden genel bir modelin, yani gerçek bir kuantum dinamiğinin, kuantum istatistiğinin temelini oluşturup oluşturmayacağı. Böylesi bir kuantum dinamiği karmaşık olsa bile, kuantum mekaniğinin felsefik açıdan tuhaf davranışlarının yerine somut dinamik bir kuram oturtabilir.

Geçen sene, Bush ve öğrencilerinden biri (Max Planck Enstitüsü, Dinamik ve Kendiliğinden Örgütlenme Bölümü’nden Jan Molacek), kuantum öncülerinin kuantum sistemlerinde yapamadıkları şeyi, kendi pilot-dalga sistemleri için yaptılar. Yani, pilot dalgaların sergiledikleri dinamiği, parçacıkların izledikleri yollarla ilişkilendirerek bir denklem ortaya koydular.

Bush, Molacek’le olan çalışmasında, kuantum öncülerine kıyasla iki avantaja sahip olduklarını söylüyor. Birinci avantaj, akışkan sistemde, hem zıplayan damlacığın hem de onu yönlendiren dalganın açıkça görülebilmesi. Şayet damlacık, bir bariyerin içindeki bir yarıktan geçerse – ki standart kuantum deneyinin (çift-yarık deneyinin) yeniden canlandırmasında yarıktan geçiyor da – bu durumda, araştırmacılar damlacığın yerini doğru bir şekilde belirleyebilir. Atomik ölçekte ise bir parçacık üzerine ölçüm yapmanın tek yolu, onu bir başka parçacıkla vurmaktır ki bu da o parçacığın hızını değiştirir.

İkinci avantaj ise kaos teorisinin görece yakın dönemki gelişimi. 1960’larda Edward Lorenz’in öncülük ettiği kaos teorisine göre, makro ölçekteki pek çok fiziksel sistem başlangıç koşullarına o kadar sıkı sıkıya bağlıdır ki, belirlenimci (deterministik) teoriyle açıklanıyor olsalar bile, kestirelemez bir yöne doğru gelişirler. Örneğin, belli bir konumdaki ve zamandaki rüzgar, saatte 10.01 mil veya 10.02 mil gibi bir hızla esecek olsa, bu “hava sistemi” modellemesi her bir rüzgar hızı için tamamıyla farklı sonuçlar verecektir.

Benzer şekilde, akışkan pilot-dalga sistemi de kaotiktir. Uzak gelecekte alacağı yolu tahmin etmek için, zıplayan bir damlacığın konumunu yeterince isabetli bir şekilde ölçmek imkansızdır. Ancak, son raporlarında, Bush, MIT’ten Uygulamalı Matematik dalı profesörü Ruben Rosales ve lisansüstü öğrencileri Anand Oza ve Dan Harris, kaotik pilot-dalga dinamiklerinin deneylerinde gözlemledikleri kuantum-benzeri istatistiğe nasıl yol açtığını göstermek için, kendilerine ait bir pilot-dalga teorisi uyguladılar.

Gerçek Nedir?

Akışkan Mekaniği Yıllık Değerlendirmesi’nde yer alan bir inceleme yazısında, Bush, Couder’in akışkan sistemi ile De Broglie ve diğerlerinin ortaya attığı kuantum pilot-dalga kuramları arasındaki bağlantıyı inceliyor.

Esas itibariyle, Kopenhag yorumu, kuantum dünyasında hiçbir tanımın istatistiksel tanımlama kadar derin olmadığını savunur. Bir temel parçacığa ölçüm yapılarak dalga formu çöktüğünde, parçacığın aldığı “belirli” durum tamamıyla rastlantısaldır. Kopenhag yorumuna göre, istatistikler sadece gerçeği tanımlamakla kalmazlar, aynı zamanda gerçeğin kendisi olurlar.

Kopenhag yorumunun üstünlüğüne rağmen, nesnelerin – ne kadar küçük olsalar da – belli bir zamanda belli bir konumda olmaları gerektiğine dair sezgiyi sarsmak fizikçiler için her zaman zor olmuştur. Tanrı’nın evrenle ilgili zar attığına dair şüphesi herkesçe bilinen Albert Einstein, kuantum mekaniğinde “hayalet dalga” teorisi adını verdiği şey üzerine bir süre uğraştı (bu teorinin, De Broglie’nin kuramının bir detaylandırması olduğu düşünülüyor). 1976 Nobel Ödülü konuşmasında Murray Gell-Mann, Kopenhag yorumunun önde gelen savunucusu Niels Bohr için “problemin çözüldüğüne inanmaları için bütün bir fizikçi jenerasyonunun beynini yıkamıştır” ifadesini kullanıyordu. Kuantum mekaniğinin tüm o “gizli-değişken” hesaplarını reddetmek adına, meşhur teoremi sıklıkla yanlış kullanılan İrlanda’lı fizikçi John Bell’in bizzat kendisi pilot-dalga kuramını şu sözlerle savunuyordu:

Onun (pilot-dalga kuramının) bu denli göz ardı edilişine hiç anlam veremiyorum.

Buna ilaveten, “Kuantum Mekaniğine Giriş” kitabı bu alanda standart kabul edilen fizikçi David Griffiths de, kitabının sonsözünde, Kopenhag yorumunun “zamana karşı dayandığını ve her deneysel sınamadan alnının akıyla çıktığını” söylüyor. Ancak, sonsözünü şöyle tamamlıyor:

Gelecek nesillerin, daha sofistike (gelişmiş) bir kuramın penceresinden geriye dönüp baktıklarında, bizim ne kadar kolay kandırılabilir olduğumuzu düşünmeleri işten bile değil.

Cambridge Üniversitesi’nde Matematiksel Fizik dalında fahri profesör olan Keith Moffatt ise şöyle söylüyor:

Yves Couder’in ve John Bush’un çalışmaları, ‘dalga-parçacık ikiliği” de dahil olmak üzere, daha önceleri anlaşılamayan kuantum olgularının tamamıyla klasik ifadelerle anlaşılabilmesini sağlıyor. Bence, bu çalışma olağanüstü. Bu yüzyılın akışkan mekaniğindeki en heyecan verici gelişmelerden biri.