Kuantum Fiziği, Klasik Fizikle İnşa Ettiğimiz Gerçeklik Algısına Nasıl Meydan Okuyor?

Kuantum dünyasının tuhaf olduğunu biliyoruz. Ama muhtemelen sandığınızdan da tuhaf... Yine de kuantum mekaniğine yönelik en azından sezgisel bir temel edinebilmenizi istiyoruz. Bunu yapmanın da bizce en iyi yollarından biri, kuantum fiziğinin, sizin de sezgisel olarak aşina olduğunuz ve klasik fizik sayesinde inşa ettiğimiz Evren algısını nasıl yerle bir ettiğini veya en azından ona nasıl meydan okuduğunu anlamak... Bunu da olabildiğince basit adımlarla yapacağız.

Fiziğin Amacı Ne?

Fizikte temel olarak yapmaya çalıştığımız nedir? Birçok amaç tanımlanabilir; ancak birçok durumda nesnelerin temel özelliklerinin zaman içinde nasıl değişeceklerini kestirmek veya öngörmek olarak özetleyebileceğimiz bir amaçla fizik yaparız.^[1] Bir topu fırlattığımızda nereye, ne hızla gidecek, bunu bilmek istiyoruz. Jüpiter 3 yıl 5 ay 2 gün sonra nerede olacak? Bir elektron uyarıldığında nereye, ne zaman gidecek? Bunları bilmek istiyoruz. Çünkü bunları kestirme becerimizi artırırken, aynı zamanda Evren'in dokusunu ve doğasını anlamış oluyoruz; nasıl çalıştığını keşfetmiş oluyoruz.^[2]

Nesnelerin zaman içinde nasıl evrimleşeceğini çözmeye çalıştığımız "temel özellikleri"nin bir kısmı, gündelik hayattan aşina olduğumuz konum, momentum, enerji gibi şeylerdir. Bir de daha ziyade atom altı parçacıklar için anlamlı olan, spin gibi özellikler vardır. Bunların tam olarak ne olduğunu bilmeniz bu yazıyı anlamak açısından şimdilik önemli değildir. Ama nihayetinde, fizikte bilmek istediğimiz, bunların şu anki hallerinin geçmişte nasıl değiştiği ve gelecekte nasıl değişeceğidir.

Örneğin Newton, kısaca $F=ma$ olarak ifade edilen formülüyle, misalen serbest bırakılan veya fırlatılan bir topun elden çıktığı andan itibaren geçen saniyelerde nasıl hareket edeceğini, yani zaman içinde az önce bahsettiğimiz hız, pozisyon, momentum, enerji gibi özelliklerinin nasıl evrimleşeceğini hesapladı.^[3] Bu sayede uçaklar, evler, arabalar inşa etmemiz, gezegenlerin birçoğunun hareketlerini modellememiz mümkün oldu. Jüpiter'in bugününe bakarak, sadece yarınını bilmekle kalmıyoruz, dününü de bilebiliyoruz. Bu gerçekten müthiş bir başarıdır! Elbette Newton'un teorisi kusursuz değildi ve Einstein tarafından düzeltildi, bu konuyu ilginç bir bilim tarihi öyküsü üzerinden hatırlamak isterseniz, 3 Gezegenin Hikayesini okumanızı ve izlemenizi öneririz. Ama yine de Newton bize, teorisi sayesinde, modern medeniyeti inşa etmemizi mümkün kılan harika bir araç sundu.

Kuantum mekaniğinde de yapmaya çalıştığımız şey aynısıdır: Nasıl ki ışık hızında giden veya çok büyük kütleli cisimlerin etrafında Newton Fiziği'nin, yani Klasik Fizik'in bozulduğunu gördük ve Görelilik Teorisi'ni geliştirmemiz gerekti, atom altı parçacıkların da klasik fiziğe uymadığını görmemiz sonucu yeni bir fizik, yani kuantum fiziğini veya kuantum teorisini geliştirmemiz gerekti. İşte Erwin Schrödinger tarafından geliştirilen ve 1933 Nobel Fizik Ödülü'ne layık görülen Schrödinger'in Dalga Denklemi de, kuantum mekaniğindeki parçacıkların hız ve pozisyon gibi özelliklerinin, yani "kuantum durum"larının zaman içinde nasıl evrimleşeceğini açıklar:

$i\hslash \frac{\partial \psi (x,t)}{\partial t}=-\frac{{\hslash }^2}{2m}\frac{{\partial }^2\psi (x,t)}{\partial x^2}+V(x)\psi (x,t)$

Bu ürkütücü denklem, $F=ma$'nın kuantumdaki analogu, yani özdeşidir. Eğer daha sade bir formunu görmek isterseniz:

$i\hslash \frac{d}{dt}|\psi (t)⟩=\hat{H}|\psi (t)⟩$

İşte $F=ma$, klasik sistemlerin zaman içindeki evrimini tanımlıyor, yukarıdaki Schrödinger Denklemi ise kuantum sistemlerin... Yani elinizde izole bir kuantum sistem varsa, bunun zamanla nasıl değişeceğini bu denklemle açıklayabildiğimizi biliyoruz. 

Gerçeklik Algımızın Temelinde Yatan 4 Kavram

Klasik fizikten kuantum fiziğine kadar olan 200-250 yıllık süreçte, bu temel üzerine Evren'in dokusuyla ve çalışma prensipleriyle ilgili bazı farkındalıklar inşa ettik. Bunlardan 4 tanesi, kuantumu anlayabilmek açısından önemlidir.

Determinizm

Determinizm, Evren'deki olay, olgu ve süreçlerin hiçbirinin %30, %50, %78.2 gibi bir olasılığı olamayacağını, bir şeyin gerçekleşme ihtimalinin ya %0 (yani imkansız) ya da %100 (yani kesin) olduğunu söyleyen düşüncedir.

Yani biz bir parayı attığımızda "%50 ihtimalle yazı gelecek" deriz ama, bu bizim bilgisizliğimizin ürünüdür.^[4] Aslında o paranın hareketini etkileyen bütün kuvvetleri ve parçacıkları eksiksiz olarak bilebilsek, yani Laplace'ın Şeytanı veya Tanrı gibi olabilsek, %100 yazı (yani %0 tura) geleceğini kesin olarak bilebilirdik. İşte Einstein "Tanrı zar atmaz." derken, Evren'de bu tür determinizmin ihlal edilemeyeceğini söylüyordu; birazdan göreceğimiz gibi, kuantumunun buna meydan okumasına ayak diriyordu.^[5] Yoksa Evren'de de, bilimde de bize "tesadüfi" gelen şeyler elbette vardır, Einstein bunu kabul ediyordu.

Bir ormanı bölen bir otoyolu geçmeye çalışan bir hayvanın yolu 50 sefer sorunsuz geçip de bir gün tam bir tır geçerken yola çıkması ve ölmesi, halk dilinde bir "tesadüf" olarak nitelenebilir. Bilimde buna "olasılık" diyoruz. Determinizme göre, o hayvanın ve tırın davranışlarını belirleyen bütün parametreleri bilsek, o kazayı da kesin olarak öngörebilirdik. Ancak parametrelerin hepsini bilmeden de doğadaki olay, olgu ve süreçlerin olasılığını tamamen bilimsel olarak çalışabiliyoruz.

Bu konuyu matematiğin koca bir dalı olan Olasılık Teorisi incelemektedir. Yani determinizm, bizim gündelik yaşamdaki tesadüf algımızdan çok daha temel bir kavramdır. Bizim Evren'de olan biteni nasıl algıladığımızla değil, doğrudan doğruya Evren'in çalışma dinamikleriyle ilgili bir ilkedir.

Nedensellik

Nedensellik, basitçe şunu söyler:^{[6], [7]} Önce neden olur, sonra sonuç belirir; sonuç, nedeni etkileyemez ve sonuç, nedenden önce gelemez. Örneğin kütleli bir cismi ışık hızının ötesine geçirmek için sonsuz enerji gerekiyor olması ama Evren'de sonsuz enerji bulunmadığı gerçeği bir yana, ışık hızına yaklaştıkça zaman yavaşlayıp, tam ışık hızında tamamen durduğu için, eğer ki ışık hızını aşabilecek olsaydık, nedenselliği ihlal edebilirdik. Çünkü bir değişime neden olan bilgi, değişime neden olan etkinin yaşanmasından önce sonucu yaratabilirdi. Sonuç, nedenden önce gelebilirdi. Bunun olamayacağı, yani nedenselliğin mantıksal olarak ihlal edilemeyeceği, Evren'e yönelik modern anlayışımızın temellerinden biri ve Görelilik Teorisi'nin de kalbinde yatıyor.

Bu arada şunu da vurgulamakta fayda vardır: Nedensellik ile determinizm birbiriyle oldukça yakından ilişkili olmasına rağmen, buraya kadar olan açıklamadan da görebileceğiniz gibi birbirinden ayrılan detayları da mevcuttur.^[8] Eğer determinizmi, nedensellikten ayırmaksızın, önceden gelen nedenlerin şu anda olmakta olan bir şeyi (ve gelecek olacak olan her şeyi) %100 veya %0 belirlediğini söylerseniz, nedensel determinizm olarak bilinen düşünceyi tarif ediyor olursunuz.^[9] Ancak birazdan göreceğimiz Kuantum Silgi Deneyi, nedenselliği ihlâl edip determinizmi ihlâl etmemeyi başarabilmektedir: Yani sonucun nedenden önce gelmesini sağlamak ama buna rağmen deterministik (%0 veya %100) sonuç elde etmek mümkündür. Kimi zaman buna Süper-Determinizm adı verilir ve kuantum yorumlarından biri de budur. Ancak burada bunun detaylarına girerek konuyu dağıtmayacağız.

Yerellik (Lokalite)

Yerellik ilesine göre cisimler, sadece kendi lokalitelerindeki, yani hemen diplerinde ve civarlarında temas ettikleri şeyleri etkileyebilirler. Eğer uzak bir yerde bir etkiye neden olacaklarsa bu etki, ışık hızından daha hızlı olamaz.^[10]

Örneğin Güneş'in Dünya üzerindeki kütleçekimini anlık bir kuvvet olarak düşünebilirsiniz; ama gerçekte Güneş bir anda yok olsaydı, ışığın Güneş'ten bize ulaşmak için harcamak zorunda olduğu 8 dakika 20 saniye boyunca biz, artık yok olmuş olan Güneş'in yörüngesinde dönmeye devam ederdik. Sanki Güneş halen oradaymış gibi! Çünkü kütleçekiminin 150 milyon kilometre uzaktan bizi etkilemesi 8 dakika 20 saniye sürmektedir.

Dolayısıyla bu ilkeye göre, bir yerlerde bir şeyleri değiştirecek olan bilgi, hiçbir zaman ışık hızını aşamaz. Cisimler, atomun içindeki parçacıklar gibi dip dibe olsalar bile, bunlar arasındaki etkileşim ve bilgi transferi, asla ışık hızından daha hızlı yaşanamaz. Tabii ki aynı cismi oluşturan iki atom arasındaki mesafe ışık hızının kat etmesi için aşırı kısa olduğu için, etki sanki anlık olarak yaşanıyormuş gibi gelir. Bu nedenle bir cismi ittiğinizde, parmağınızdaki atomlar ile cisimdeki atomlar arasındaki elektromanyetik etkileşim neredeyse anlık olarak yaşanıyor gibi gelir. İtme ile hareket arasında bir gecikme görmeyiz; ama aslında o atomlar arası etkileşim, asla ışık hızını aşamaz ve teknik olarak da anlık değil, birkaç attosaniye gibi bir gecikmeyle yaşanır. Referans olması adına 1 attosaniye, 1 saniyenin milyar kere milyarda biridir!

Realizm

Realizm ilkesi biraz daha tartışmalıdır ve farklı bağlamlarda farklı anlamlara gelebilen bir terimdir; ama bu bağlam çerçevesinde realizmin özünde söylediği şey şudur: Her cisim, klasik fizikle tanımlanabilen özelliklere sahiptir. Yani bir bilardo topu nasıl davranıyorsa, gezegenler de öyle davranır, atomlar da öyle davranır, Evren'deki her şey öyle davranır. Bir nesne, bir bilardo topuyla modellenebilir şekilde davranmıyorsa, mutlaka o sisteme dair bilmediğimiz bir şeyler olmalıdır. Bu ilkeye göre o "şeyleri" çözdüğümüz anda, sistemimizin başından beri klasik fizikle uyumlu şekilde davrandığını anlayıvereceğiz.

Kuantum Fiziği, Bu 4 İlkeye Nasıl Meydan Okuyor?

İşte bunlar, asırlara yayılan fizik bilgilerimizle inşa ettiğimiz çok sayıda temel ilkeden belki de en önemli 4 tanesidir. Ve kuantumun ne olduğunu az çok bilenler, sorunu çoktan görmüşlerdir: Kuantum fiziğinin ortaya koyduğu gerçekler, bu 4 ilkeyi de adeta yarıp geçmektedir.

Nasıl ki Görelilik Teorisi, nötron yıldızları gibi büyük kütleli cisimlerin etrafında veya ışık hızına yakın hızlarda giden cisimlerde zamanın farklı aktığını veya karadeliklerin olay ufkunda yaşanan spagettileşme gibi sağduyumuzla tamamen çelişen gerçekleri keşfetmemizi sağladı, kuantum mekaniği de bir dizi absürt gerçeği fark etmemizi sağlamıştır. İşte sorun da budur: Kuantum fiziğinin "gerçekleri", yani bütün fizikçiler tarafından hemfikir olunan gözlemleri, daha önceden inşa ettiğimizi söylediğimiz bu 4 ilkeyle kafa kafaya tokuşmaktadır.

Kuantum dünyasından vereceğimiz 4 örnekler, kuantum fiziğinin bunların her birine nasıl meydan okuduğuna bir bakalım.

Kuantum, Determinizme Nasıl Meydan Okuyor?

İlk olarak, klasik fizikte olanın aksine, kuantum fiziğinde bir nesnenin hızını ve konumunu kesin olarak bilemiyoruz. Newton; bir topun, 3 saniye sonra, 5 metre uzaktan, saatte 8 kilometre hızla geçeceğini kesin olarak söylüyordu. Ama atom altı parçacıklardan, mesela bir elektrondan bahsederken, onun konumunu ve hızını aynı anda, mutlak bir kesinlikle bilemiyoruz (ve bilemeyiz de).^[11] Buna Heisenberg'in Belirsizlik İlkesi denmektedir ve şu şekilde ifade edilmektedir:

$\Delta x\Delta p\ge \frac{h}{4\pi }$

Dolayısıyla başta bahsettiğimiz Schrödinger'in Dalga Denklemi, bir elektronun spesifik konumu veya hızını değil, konumunun veya hızının olasılık dağılımının zamanla değişimini tanımlamaktadır. Kutu içindeki bir elektron %30 ihtimalle şuradadır, %26 ihtimalle buradadır, %13 ihtimalle ötededir, %61 ihtimalle beridedir diyebiliyoruz. Ve o kuantum sistemin şu anki olasılık dağılımından yola çıkarak, onun zaman içinde nasıl değişeceğini de çok net bir şekilde hesaplayabiliyoruz. Şurada olma ihtimali %30 iken, bir süre sonra %13'e düştü gibi... Ama işte fark edeceğiniz üzere kuantum mekaniği, Evren'in yapısal olarak olasılıkçı olduğunu söylemektedir.^[12] Bu, determinizm için büyük bir problemdir.

Kuantum, Nedenselliğe Nasıl Meydan Okuyor?

İkincisi, Kuantum Silgi Deneyi olarak bilinen popüler bir kuantum deneyinin bir varyantıdır. Burada düzeneğin tüm detaylarına girmeyeceğiz; ancak fizikçiler, tarih boyunca Çift Yarık Deneyi'ni kademeli olarak karmaşıklaştırdılar. Nihayetinde öyle bir düzenek kurdular ki, fotonun hangi yarıktan geçtiğini bir noktada ölçüyorlardı, yani kayıtlara işlenmiş oluyordu; ama ondan yaklaşık 8 nanosaniye sonra, yani gelecekte, bu bilgiyi ister tutuyorlardı, isterlerse de siliyorlardı. Silmekten kasıt, fotonun hangi yarıktan geçtiği bilgisini yok etmektir. Burada bunu nasıl yaptıklarını bilmeniz o kadar önemli değildir; ama bu sonradan silmeye karar verebilmemize izin verdiği için bu deneye Gecikmeli Tercih Kuantum Silgi Deneyi adı verilmiştir.

Bu deneyde, ilginç olan şudur: 8 nanosaniye sonra yapılan tercih, 8 nanosaniye önce ölçülen fotonların davranışını değiştiriyordu. Yani kuantum silginin etkisi, geçmişteki elektron davranışını değiştiriyordu! Tahmin edebileceğiniz gibi bu, nedensellik için büyük bir problemdir.

Kuantum, Yerelliğe Nasıl Meydan Okuyor?

Yerelliği anlamak için, dolanıklık adını verdiğimiz kuantum olayı inceleyelim:^{[13], [14], [15]} Elimizde, başta bahsettiğimiz temel özelliklerinden biri olan spinlerini bilmediğimiz iki elektron olsun. İkisininkini de bilmiyoruz. Kuantum mekaniğinin süperpozisyon ilkesine göre, o anda, her iki elektron da hem "yukarı spin" hem de "aşağı spin" denen bir durumdadır.^{[16], [17]} Ölçersek, bunlardan biri olacaktırlar. Ölçmeye bağlı olarak değişimin ne demek olduğuna birazdan döneceğiz. Ama eğer bu iki elektron, rastgele iki elektron değilse de dolanık elektronlarsa, birinin bir özelliğini, mesela işte spinini ölçtüğünüz anda, ikincisinin spinini de anında belirlenir ve kesin olarak bilebilirsiniz.^[18]

Ama burada sorun şudur: Bu iki elektron arasındaki mesafe önemli değil gibi gözükmektedir.^[19] Yani siz, iki dolanık parçacık oluşturup, onları galaksinin iki ucuna gönderseniz, sonra birinin spinini ölçseniz, diğerinin spini de o anda belirlenir! Halbuki ışığın, dolayısıyla bilginin galaksinin iki ucu arasındaki yolculuğu 105.700 yıl almalıdır! İşte Einstein'ın "uzak mesafede ürkütücü etkileşim" (İng: "spooky action at a distance") diye tanımladığı bu olay; yerellik, yani lokalite için büyük bir problemdir.^[20]

Kuantum, Realizme Nasıl Meydan Okuyor?

Son olarak, az önce bahsettiğimiz süperpozisyon ilkesine bakalım. Bir elektronun spinini ölçmediğinizde, kuantum mekaniğine göre o elektronun spinini bilemiyor olma nedeniniz, sizin "bilgisizliğiniz" değildir. O elektron, aynı anda hem yukarı spin hem de aşağı spin niteliklerine bir arada sahiptir. Bunların bir bileşkesi, yani bir süperpozisyonu halindedir. Bu, bir bilardo topunun aynı anda hem sağa hem sola dönüyor olması gibidir. Bir top için bunu tahayyül bile edemeyiz, ancak bir elektron için bunun gerçek olduğunu deneysel olarak bilmekteyiz.

İşte Schrödinger'in Kedisi Deneyi de zaten bunun absürtlüğünü göstermek için, bizzat Erwin Schrödinger tarafından ileri sürülmüştür:^{[21], [22]} Kuantum fiziği, kutunun içini açıp bakana kadar, yani bir ölçüm yapana kadar, kedinin hem ölü hem diri olduğunu söylemektedir. Ama bir şeyin absürtlüğünü göstermek, her zaman onu çürütmek için yeterli değildir. Hele ki sözünü ettiğimiz şey, binlerce deneyle doğrulanmış bir kuantum gözlemiyse...

Benzer şekilde, ışığın hem bir parçacık hem de bir dalga gibi davranıyor olması, klasik dünyada hiç de aşina olmadığımız bir şeydir.^{[23], [24]} Buna "dalga-parçacık ikiliği" deriz. Bir şey, nasıl aynı anda iki şey olabilir? İşte, kuantum parçacıkların klasik özellikleri yok gibi gözükmektedir. Bu da, realizm için büyük bir problemdir.

Meydan Okumalar Tartışmalı Değil!

Burada şunu net olarak vurgulamak gerekir: Buraya kadar anlattıklarımızın hepsinde, herkes hemfikirdir. Teorik olarak izah edilmiştir, deneysel olarak gösterilmiştir, tekrar tekrar sınanmıştır ve hep aynı sonuçlar elde edilmiştir. Burada olay, tüm bunların ne anlama geldiğini anlamakta, bunları anlamlandırmaktadır.

Genel olarak fizikçilerin önünde 3 olasılık olduğu söylenebilir:

1. Ya klasik fizikle inşa ettiğimiz Evren algımızı tamamen terk edeceğiz,
2. Ya ikisini orta yolda buluşturmanın yolunu bulacağız,
3. Ya da kuantumda her şeyi yanlış anlıyoruz da bir şekilde onu klasikleştirmek yolunu bulacağız.

Hangisi? Bunun kesin bir cevabı henüz bulunmamaktadır. Kuantum Mekaniği Yorumları olarak bilinen yorumlar, bu 3 ihtimalin her biri üzerinde durarak, eldeki verileri anlamlandırmaya çalışmaktadır.