Kuantum gerçekliği ölçen deney

Kuantum fiziğinde dalga fonksiyonunu çökerten şeyin fiziksel etkileşim olduğunu söyleriz. Öyle ya, Dünya gezegeni insan türü ortaya çıkmadan önce vardı. Hatta insan türünün varlığını Dünya’ya borçluyuz. Bu nedenle bilinçli gözlemcinin fiziksel gerçekliği sadece gerçeklik hakkında bilgi edinerek değiştirebileceğini söylersek mantıksal çelişkiye düşmüş oluruz. Gözlemci bir alet yaparak, biriyle konuşup fikrini değiştirmesi için onu ikna ederek elbette fiziksel gerçekliği etkileyebilir.

Öte yandan hiçbir fiziksel etkileşim olmadan, evrenin sırf evren hakkında bilgi edindiğimiz için değiştiğini söylemek saçmadır. Tabii bunu felsefe ve mantıkta göstermek yetmez. Çok zekice düşünülmüş ve defalarca tekrarlanan deneyler yaparak gerçekten öyle olup olmadığını göstermemiz gerekir. Örneğin bir fotonu gözlemlediğiniz zaman, izlediği yolu değiştiren şey, fotonun hangi yoldan gittiği bilgisine sahip olmanız değildir. Bunun yerine bu bilgiyi edinmenizi sağlayan fiziksel etkileşimler, fotonun hangi yoldan gideceğini belirler. Siz sadece bunu öğrenirsiniz.

Nitekim sizden önce fotonu detektör görür. Ardından bununla ilgili bilgiyi kablolarla bilgisayara aktarır. Bilgisayar veriyi işler ve ekranda görselleştirir. O çok abartılan insan zihni, fotonun hangi yoldan gittiği bilgisiyle etkileşen son şey olur! Öyle ki fotonun hangi yoldan gittiği bilgisi, buna ait olasılıkları gösteren dalga fonksiyonunun, ilgili veri insan beynine ulaşana dek peyderpey çökmesiyle çoktan belirlenmiştir. Siz de bu süreci Kuantum Darwinizm yazısında okuyabilirsiniz. Diğer yandan öznel idealistler buna itiraz etmeye devam ediyor.

Kuantum gerçekliği nasıl oluşturuyoruz?

Bunu test etmenin en iyi yolu fotonu detektörleri aradan çıkararak ölçmektir. Peki bir fotonu detektör olmadan nasıl ölçerseniz? Bir nevi foton yerine ayna görüntüsüne bakarak (Bkz. kuantum bombası)… Bu deneyde bir foton tabancası alıp masaya koyuyoruz. Karşısına iki dikey yarıklı bir engel dikiyoruz ve engelin arkasında da fotonların yansıyacağı bir perde bulunuyor. Bu da klasik çift yarık deneyinin modifiye edilmiş bir halidir. 1994 yılında Anton Zeilinger ve ekibi bu deneyi yaptı.

Zeilnger deney sonucunda fiziksel etkileşimin değil, bilinçli gözlemcinin deney sonuçlarını belirleyeceği sonucuna vardı. Biz ise kuantum mekaniği kapsamındaki fiziksel etkileşimlerin deney sonucunu belirlediğini göreceğiz. Şimdi, yukarıdaki deney setinde, çift yarıklı engele tek tek fotonlarla ateş etseniz bile foton iki yarıktan birden geçer. Böylece dalgalı gölgeler halinde perdeye yansır. Fotonun hangi yarıktan geçtiğine bakmadığımız için foton da süperpozisyon halinde kendisiyle girişim yapar. Böylelikle iki yarıktan birden deniz dalgalarında olduğu gibi geçer.

Peki foton neden iki yarıktan da geçer? Neden parçacık değil de dalga olarak davranır? Bunun nedeni, fotonunun hangi yarıktan geçtiğini ölçmediğiniz için hangi yoldan gittiği bilgisine sahip olmamanızdır. Bu da fotonun süperpozisyona girerek olası tüm yolları izlemesine yol açar. Bu noktayı aklınızda tutun! Şimdi diyelim ki A yarığına bir detektör koydunuz. O zaman ne olur? Belirsizlik ilkesi gereği foton, detektörle olasılıkları öngöreceğiniz şekilde fiziksel etkileşime girer. Oysa hangi yarıktan geçeceğini bilemezsiniz. Bazen A yarığından ve bazen B yarığından geçer. A’dan geçerse bunu görürsünüz.

Şimdi perdeye bakın

O zaman foton tabancasının tek tek ateşlediği fotonlar karşıdaki perdeye mermi gibi çarpacaktır. İşin ilginci perdede yalnızca A yarığının hizasını aydınlatmayacaktır. Zamanla B yarığının hizasını da aydınlatacaktır! Öyleyse ne oluyor? Fotonu ölçtüğünüz için onun olasılık dalgasını ya A yarığı ya da B yarığından geçecek şekilde sınırlandırıyorsunuz. Bu sebeple A yarığından geçmezse B yarığından geçmiş oluyor ama artık dalga gibi iki yarıktan birden geçmiyor.

Fotonların perdede kesin hatlı birer yarık silueti çizmediğini göreceksiniz. à Yarığın bulanık bir siluetini çizeceklerdir… Bunun nedeni belirsizlik ilkesidir. Bunu da aklınızda tutun ve hemen ardından kuantum bombası yazısını hatırlayın. Detektörü yalnızca A yarığına koyarsanız fotonları salt oradan geçerken görürsünüz. Oysa oradan geçmiyorsa bakmasınız bile B yarığından geçtiklerinden emin olursunuz. Özetle kuantum mekaniği yerel olmayan bir fiziktir. Parçacıklar kuantum alanlarındaki salınımlar, paket halindeki titreşimlerdir (kuanta). Peki fotonların olasılık dalgalarını sadece yarıklardan geçecek şekilde sınırlandırmak nedir?

Kuantum gerçekliği etkileşim yaratır

Öncelikle fotonun A yarığından geçmediğini gördüğünüzde B yarığından geçtiğini bilmek, foton yerine ayna görüntüsüne bakmak gibi etkileşimsiz bir deneydir. İlk bakışta fotonun B yarığından geçmesini A yarığından geçmediğini bilmeniz, yani hangi yoldan gittiği bilgisi belirler gibi görünür. Oysa bu yanlıştır! Gerçekte kuantum alanları evrenin tamamını ve deney masasını da sarar. Foton, fotonlara ait kuantum alanındaki bir dalgalanmadır. Bu sebeple siz her ne kadar fotonun A yarığından geçtiğini görseniz de bu veri matematiksel olarak B yarığından geçtiğini de kabul etmeyi gerektirir.

Dalga mekaniği sizi buna zorlar. Feynman’ın dediği gibi ölçülen bir parçacığın izlediği yol, gitmediği diğer tüm yolların toplamıdır. Dolayısıyla dalga fonksiyonu aslında çökmez. Sadece A yarığından geçme ihtimali belirgin ölçüde artar. Bu da B yarığından geçme ihtimalinin artık ihmal edilecek kadar düşük olduğu anlamına gelir. Nitekim Heisenberg’in belirsizlik ilkesinde bütün olasılıkların toplamı 1’e eşittir. Bunun Feynman diyagramlarıyla gösterirsek şöyle deriz:

Fotonun B yarığından geçme, hatta havaya sıçrayıp engeli baypas ederek Çin’e gidip geri gelerek ensenize saplanma ihtimali çok küçük olasılıklar halinde toplanır. Bütün bu toplamlar (renormalizasyon) fotonun pratikte detektörle gördüğünüz gibi A yarığından geçtiği olasılığın içinde kaybolur. Böylece sadece gördüğünüz olasılık gerçekleşir. Özetle dalga fonksiyonu yüzde 100 çökmez, sadece ölçümünüzle uyumlu olacak şekilde çok büyük ölçüde çöker, pratikte çöker.

Zaten kuantum ölçüm problemi budur

Olasılık dalgası çökmüyorsa biz neyi ölçüyoruz kardeşim dedirten şey budur. Kuantum çoklu dünyalar yorumunun; yani yaşamda farklı seçimler yapan alternatif kopyalarınızın yaşadığı paralel evrenler varsayımının kökeni de budur. Peki bunu kuantum dalga mekaniğiyle açıklayabilir miyiz? Kesinlikle evet. Yazının sonundaki linkte denklemlerle tam açıklamasını görebilirsiniz. Ben denklemlere girmeden sadece sözel olarak açıklayacağım.

Kuantum gerçekliği oluşturmak

Foton elektromanyetik bir dalgadır ve birbirine dikey salınan manyetik alanla elektrik alanından oluşur. Öyle ki süperpozisyon (yani fotonun iki yarıktan birden girişim yaparak dalga halinde geçmesi hali) dikgen kutuplanma etiketlerinde korunur. Kısacası fotonun herhangi bir yoldan gitmesini sağlayacak momentum olasılık dağılımı, girişim yapan dalga halini korur. Denklemlerde bunu da -1’in karesi gibi modüler çapraz terimlerle ifade ederiz. |Ψ′ (p)|2 Elbette fotonun A yarığından geçtiğini gördüyseniz bu denklem sadece o yarığa ait sonucu verecektir. Yine de modülün içinde B yarığı olasılığı da vardır.

Öyleyse neden bilinç gözlemcinin dalga fonksiyonunu çökertmediğini söyleyebiliriz. Dalga fonksiyonu çökmüyor, fiziksel etkileşimlerle indirgeniyor. Bu indirgenme fotonun hangi yarıktan geçtiği belli olana dek sürüyor. Kısacası biz ekranda A yarığından geçtiğini gördüğümüzde, indirgenme çok büyük ölçüde tamamlanmış oluyor. Beynimizde bunun farkındalığı oluşurken indirgenme biraz daha sürüyor. Oysa artık bilincimizin, fotonun gözlemlerin tersine, B yarığından geçmesini sağlayacak hali kalmıyor. Evet, bugüne dek kolay anlaşılması için olasılık dalgasının çökmesi dedim ama indirgenmesi demek doğrudur.

Nitekim bunu zamanı geri alan kuantum silgi deneyinde yazdım. O deneyde basit yarıklar yerine fotonu dikey ve yatay olarak polarize eden birer yarık var. Biz de tespit ekranının önüne dikey vektöre saat yönüne dönerek 45 derece açı yapan bir kutuplayıcı koyuyoruz.1 Evet, bazı teknik terimler kullandım ama bunun nedeni konuyu bilimsel açıdan araştıracak okurlara neyi arayacakları konusunda yol göstermekti. Biz de artık toparlayabiliriz:

Nesnel gerçeklik vardır.^[1]