Parçacık-Dalga İkiliği, Aslında Belirsizlik İlkesinin Bir Çeşidi Olabilir!

İşte size ilginç bir sürpriz: Kuantum fiziği birazcık daha basitleştirildi. Çünkü aslında sandığımızdan daha basitmiş. Nature Communications dergisinde yayımlanan bir makaleye göre uluslararası bir araştırma ekibi, kuantum dünyasında gördüğümüz iki ayrı olayın, aslında aynı şeyin iki ayrı gösterimi olduğunu ispatladı. 

Patrick Coles, Jedrzej Kaniewski ve Stephanie Wehner, kuantum mekaniğinde çığır açacak bu buluşu Singapur Ulusal Üniversitesi'nin Kuantum Teknolojileri Merkezi'nde yaptı. Buldukları şey, "dalga-parçacık ikiliği"nin aslında "belirsizlik ilkesi"nin gizlenmiş bir versiyonu olduğudur. Böylece bu iki gizem, tek bir gizeme indirgenmiş oluyor! Şu anda Hollanda'daki Delft Teknoloji Üniversitesi'ndeki QuTech'te doçent olan Wehner şöyle söylüyor:

Belirsizlik ilkesi ile parçacık-dalga ikiliği arasındaki ilişki, bir sistemden alabileceğiniz bilgiler üzerinde düşünmeye başladığınızda doğal olarak görünür hale geliyor. Araştırma sonuçlarımız, fiziği bilgi açısından düşünmemiz sayesinde elde edildi.

Bu keşif, kuantum fiziği anlayışımızı derinleştiriyor ve parçacık-dalga ikilisinin uygulamaları hakkında yeni fikirler üretmemizi sağlayabilir. Parçacık-dalga ikiliği, bir kuantum nesnesinin dalga gibi davranması; ancak o dalganın yerini belirlemeye kalktığınızda bu özelliğin kaybolarak parçacık gibi davranmaya başlamasıdır.

En basit olarak çift yarık deneyinde bu davranış gözlenebilir. Elektronlar, yani tekil parçacıklar birbirine çok yakın ve çok ince iki deliğe, tek tek ateşlenirler. Bu durumda parçacıklar, normalde bilye gibi nesneleri fırlattığınızda olacağın aksine, deliğin öteki tarafındaki perdede iki sütun halinde birikmezler! Bunun yerine, çizgili bir desen oluştururlar. Bunun sebebi, birbiriyle girişim yapan (üst üste binen) dalgalar gibi davranmalarıdır. Ancak bu davranış, ta ki onları gözlemeye, yani yerlerini belirlemeye kalkana kadar sürer. Elektronların yerini tespit etmeye kalktığınız anda desen kaybolur ve tıpkı parçacık davranışı sonucunda görmeyi beklediğimiz gibi iki sütun olarak birikmeye başlarlar! 

Kuantum belirsizlik ilkesi ise, bir kuantum parçacığının belli ilişkili (ikili) özelliklerinin aynı anda bilinemeyeceğini söyler. Örneğin, bir atomun yerini daha hassas bir şekilde bildiğinizde, atomun hızını daha az hassaslıkla bilebilirsiniz. Bu, doğanın bilinebilirliği hakkında temel bir sınırdır; ölçüm yeteneğimizle ilgili bir durum değildir. Yani daha hassas aletler kullanmak, bu sınırı aşıp, iki bilgiye de eşit hassaslıkta ulaşmamızı sağlayamaz.

Yeni çalışma, bir sistemin dalga ve parçacık davranışından ne kadar öğrenebileceğimizi görmemizi sağlayacak. Parçacık-dalga ikiliği ve belirsizlik kuantum fiziğinin 1900'lerden beri temellerinde bulunmaktadır. Kanada'daki Kuantum Hesaplama Enstitüsü'nde doktora sonrası araştırma yapan Coles şöyle diyor:

Yalnızca ve yalnızca içimizdeki bir hissi takip ediyorduk ve o his, ikisi arasında bir ilişki olması gerektiğini söylüyordu.

Parçacıkların özellik çiftlerinin belirsizlik ilkesinden ne kadar etkilendiğini tespit eden matematiksel denklemler yazmak mümkündür. Coles, Kaniewski ve Wehner, "entropik belirsizlik ilişkileri" olarak bilinen bu denklemlerin uzmanlarıdır. Onlar, bugüne kadar parçacık-dalga ikiliğini tanımlamak için kullanılan denklemlerin, belirsizlik ilkesini de tanımlayacak şekilde değiştirilebileceğini ispatladılar. Coles şöyle diyor:

Bu adeta iki ayrı dili birbirine bağlayan Rosetta Taşı gibidir. Parçacık-dalga ikiliği üzerine olan literatür hiyeroglifler gibiydi. Artık anadilimize çevrilebilirler! İnsanların bugüne kadar yaptıklarını incelediğimizde, birkaç defa evreka (a ha!) anı yaşadık.

Entropik belirsizlik ilişkileri ve bunun matematiksel dil çevirilerinde kullanılması, kuantum kriptografinin güvenilirliğini de ispatlayabilir. Kuantum kriptografi, kuantum parçacıklarını kullanarak şifreleme yapma işidir. Araştırmacılar, çalışmalarının bu tür şifreleme için gerekli protokollerin geliştirilebilmesinde kullanılabileceğini söylüyorlar.

Daha önceden yazdıkları makalelerde Wehner ve arkadaşları belirsizlik ilkesi ile kuantum "yerelsizlik" ve termodinamiğin ikinci yasası gibi diğer fizik dalları arasında ilişkiler bulmuştu. Bundan sonraki baş döndürücü hedef, bu parçaların birbirine tam olarak nasıl oturduğunu bulmak ve bu keşiflerinin daha büyük bir resmi ortaya çıkarıp çıkarmadığını görmek.