Neden olayların sondan başa doğru gerçekleştiğini görmüyoruz?

Merhaba,

Bu konuyu açıklayabilmek için "zaman oku" fenomeninden biraz bahsetmek gerekiyor çünkü sorunun kapsadığı diğer bir soru ise "Neden zaman tek yönde ilerliyor?" ki temelde doğru soru da budur, çünkü en nihayetinde olay, zamanın neden geçmişe akmadığını göstermek oluyor.

Zamanın oku kavramının, entropi ile çok derin bir bağlantısı vardır. Entropi, özetle şunu söyler: bir şey düzenden düzensizliğe veya az düzenli bir hâlden daha düzensiz bir hâle gitme eğilimindedir. Daha teknik detayıyla, termodinamiğin ikinci yasası; düzensizliğin ölçütü (ki aslında bu durum, onu "bilgi"nin de ölçütü yapıyor), izole bir sistemde azalmaz. Bu yüzden ısı, daima sıcaktan soğuğa doğru akar; fakat neden ters yönde akmadığını açıklar. Böylelikle, genel entropi artar. Bir camı kırmak kolaydır, lâkin tekrar bir araya getirmek çok zordur. Bu yasa, fiziksel gerçekliğimizin öyle temelindedir ki, kimi fizikçiler onun, zamanın görünür akışından sorumlu olduğuna inanır.

Peki zamanın okunun entropi ile ne ilgisi var? İlgisi var çünkü zamanın ileriye gitti bir evrende entropi daima artacağı için düzenden düzensizliğe geçişte, zamanın doğası hakkında da fikir verir. Teorik olarak, eğer, yere düşüp kırılan bir camın, her bir atomuna, çarptığı yönün aksi yönde, zıt ama aynı büyüklükte bir kuvvet uygulanırsa, bu sefer düzensizlikten düzene doğru bir akış oluşacaktır; bu durum, olayın sondan başa doğru gitmesine neden olarak camın kırılmadan önceki konumuna ulaşmasını sağlayacaktır. Bu, aynı zamanda, daha düşük bir entropi düzeyine ulaşılacak demektir. Dolayısıyla, böyle bir etki, zaman oklarını tersine çevirmiş olacak; yani geçmişi gösterecek. Yani, düzenler arası geçiş durumuna göre, zamanın oku, geçmiş ve gelecek hattında yön alır; düşük entropi düzeyine doğru gittikçe, zaman, geri akıyormuş izlenimi oluşur. Gerçekten de eğer bir şekilde bütün işlemi, mevcut düzenden(düzensiz) daha düzenli (daha az düzensiz) hâle çevirecek bir yol olursa, klasik mantık çerçevesinde düşünecek olursak, zamanın oku geçmişi göstermeye ve neden zaman ileriye akmıyor sorusunu sormaya başlayacağız bu sefer. Elbette, beyin bu duruma göre evrilmişse, bunun hiç farkına varmamak da mümkün.

Klasik mantık dedim, çünkü işin içine farklı dinamikler girmeye başlayınca, doğal olarak işin başka boyutlarının da olabileceği durumlar gelişiyor. Belgeselde, Brian Greene'in, bu durumu tersine çevirmenin mümkün olabileceğini izah etmesinin sebebini açıklıyor aslında; fakat doğrudan değil, daha çok yine evrenin kendi dinamikleri çerçevesinde anlatıyor. Yani, kuantum boyutu. Ben ise burada, kendisinin anlatımından ziyade, yapılan çalışmalara değinerek konuyu anlatmaya çalışacağım.

Şimdi biraz daha detaya inelim:

Kuantum sistemleri, her zamanki gibi, çiğnenemez gibi görünen kurallara kafa karıştırıcı istisnalar katmanını bir yolunu buluyor. Fizikçilerden oluşan bir araştırma grubu, ısının, soğuk bir kuantum nesnesinden sıcak bir kuantum nesnesine kendiliğinden akmasını sağladı. Yapılan deney, yeni yeni büyüyen kuantum termodinamiği alanında bilgi, entropi ve enerji arasındaki yakın ilişkileri vurgulamakta ciddi başarı sağladı.

Araştırmacılar deneyde, bir karbon, bir hidrojen ve üç klor atomundan oluşan bir molekülü (kloroform) kullandılar. Ardından, karbon ve hidrojen atomu çekirdeklerinden oluşan iki kuantum parçacığının veya "kübit"inin nükleer spinlerini sıralamak için manyetik bir alan oluşturuldu; bu da çekirdeklerin bağlanmasına veya birbirleriyle ilişkili olmasına neden olarak, onları, tek ve ayrılmaz bir bütün hâlinde iki kübitli kuantum durumuna dönüştürdü. Bu ilişkiler, gizemli bir davranışın oluşmasını mümkün kılıyor.

Entropinin, başta belirttiğim özelliğine ek olarak; genel anlamda entropi, bir sistemin içinde olabileceği farklı konfigürasyonların sayısıdır. Klasik bir sistemde, bir sistemin entropisi, tek tek parçalarının entropileri toplamına eşittir.

Kuantum dünyasında ise bağlaşıklık (korelasyon) entropiyi etkiler. İşte Brian Green bu noktaları anlatmak istemişti bir yandan; fakat içerik derinleştikçe kafa karışıklığının artması da olası olduğu için, bunu önüne geçmek adına daha sade bir anlatım yolu izliyor. Konumuza dönelim:

İki kübitli bir sistemde, olası dört durum vardır; bunlar 00, 01, 10, 11 şeklindedir ve sistemin entropisi bu durumlardan her birinde bulunma olasılığı ile tanımlanır. Araştırmacılar, tekil kübitlerin entropisini, korelasyondaki sistemin entropisi ile kıyaslayarak korelasyon miktarını ölçebilir.

Ekip, kuvvetli bir şekilde korelasyonda olan iki parçacıkla başlıyor. Deney ilerledikçe, parçacıklar kademeli olarak bağlantılarını koparıyor ve korelasyon zayıflıyor. Bu da tekil entropilerin toplamının azaldığı anlamına geliyor. Eğer toplam entropi, korelasyonda olmayan sıradan bir sistemde aniden azalırsa, bu durum termodinamiğin ikinci yasasını ihlâl eder; fakat burada, araştırmacılar, korelasyonu hesaba katıyorlar. Korelasyonun zayıflaması, ısının soğuk cisimden sıcak cisme doğru akmasına benzer. Soğuk kübit daha da soğuk hâle gelir, sıcak olan ise daha da sıcak hâle gelir. Diğer bir deyişle, ısı soğuktan sıcağa doğru akar. Bu, "korelasyonlar ile entropi arasındaki takas" nedeniyle meydana gelir.

İşlem, en azından bu kapalı sistem içerisinde, zamanın okunu tersine çeviriyor. Zamanın termodinamik oku, kapalı bir sistemde entropinin sadece artacağı veya sabit kalacağı ama asla azalmayacağı görüşüne dayandığını belirtmiştik başta. Eğer laboratuvarda, entropinin azaldığı kapalı bir sistem oluşursa, sistem içerisindeki zamanın oku ters yönü göstermelidir.

Sonuçlar, zamanın okunun mutlak bir konsept olmadığını, başlangıç koşullarının seçimine sıkı sıkıya bağlı olduğunu gösteriyor. yani görecelidir. Bu etki daha önce öngörülmüştü (neden mümkün olabileceği üzerine yine belgeseli hatırlayalım), ancak ilk defa fiziksel bir sistemde zamanın tersine çevrilmesi gerçekleştirildi.

Öte yandan, bu araştırmanın daha öncesinde başka bir çalışmada, araştırmacılar zamanın oklu ile yine oynamıştı (kaynak olarak paylaşacağım). Physical Review Latters'da yayınlanan çalışmada, su dalgalarının kaynağa doğru geri gitmesi sağlanmış, yani dalganın matematiksel zaman tanımı tersine çevrilmişti. Bir başka ekip ise, meşhur bir kuantum nokta kulanarak, zaman okunun yönünü ayırt etmeye yarayan bir formül geliştirmeyi başardılar (kaynak olarak paylaşacağım).

Bunların dışında, konuya bir de parçacık fiziği gözünden bakalım:

Kuantum fiziği, termodinamiği görelilikle birleştirerek termodinamik yasaların nasıl çalıştığını Heisenberg'in belirsizlik ilkesiyle gösteriyor; parçacık etkileşimleri enformasyona bağlı olmayan rastlantısal olaylardır. Elbette, buna karşın, bir parçacığın nasıl davranacağına dair olasılıkları önceden kestirebiliyoruz artık; aksi, ciddi bir sorun olurdu.

Atomların, madde ve enerji davranışlarının rastlantısal olmaması, neden-sonuç ilişkisini beraberinde getirir. Bu özellikten yararlanan Joan Vaccaro, kuantum fiziği sayesinde zamanın neden ileri aktığını gösterdi.

Vaccaro, bazı atomaltı parçacıkların bozunarak başka bir parçacığa dönüşme sürecini inceledi ve bu sürecin, zamanda asimetrik olduğunu buldu. Çalışmasında faydalandığı K ve B mezonları(başka bir faktörde, bozon), zaman geleceğe aktığında farklı şekilde bozunuyordu ve evrende zaman geçmişe aksaydı, daha farklı şekilde bozunacaktı. Bu çalışma sayesinde, Heisenberg'in belirsizlik ilkesi ile termodinamik yasaların nasıl çalıştığını teorik olarak gösterilmiş oldu. Kuantum dünyasında, ilk kez zamanın ileriye aktığını göstererek, zaman okunu kanıtlayan parçacık bozunması süreçlerini gözlemlenebilir kılması ise bu çalışmayı özel kılıyor ki önemli bir adım olarak görülüyor.

Peki nedir bu mezonlar, bozonlar kısaca açıklayalım:

Mezon bir Hadron türüdür ve tamsayılı dönüşe sahip kuarklardan (ve / veya anti kuarklardan) oluşan ve dolayısıyla spin-istatistik teoremine uygun olarak bir Bozon olarak sınıflandırılan bir kompozit parçacıktır, temel değildir.

Bozon ise, değişim dalgası fonksiyonu ve tamsayı dönüşü altında simetrik bir parçacıktır (diğeri, değişim ve yarı tamsayılı dönüşler altında simetrik olmayan bir anti-dalga fonksiyonuna sahip bir Fermiyondur). Ayrıca, dönmelerinin olup olmadığına bağlı olarak, skaler veya vektör bozonlar olarak sınıflandırılır (dönmeleri durumunda integral dahilinde olmaları gerekir).

K mezonları veya kaonlar, bir kuark ile bir yukarı veya aşağı kuarkın güçlü nükleer kuvvet ile birleşmesiyle oluşur. Ancak, koanlar, geçici parçacıklardır ve kuantum fiziğindeki belirsizlikler sebebiyle bozunup başka parçacıklara dönüşürler.

B mezonlar da bir alt kuark ile bir yukarı kuark, aşağı kuark, acayip kuark veya tılsım kuarkın (bunlar kuark sınıflarıdır) geçici olarak birleşmesiyle oluşur. Bunlar da zamanla bozuluyor. Ayrıca, kuarkların kararlı birleşim formları da mevcut ki bunlara proton ile nötron diyoruz. Proton ve nötron da bildiğimiz üzere atom çekirdeklerini (böylelikle elementleri) oluşturuyorlar. Bu yüzden, bazı kuark çiftlerinin zamana göre asimetrik olması, zamanın oku adına, zamanın ileriye akması için iyi bir kanıt oluşturuyor.

Yani, uzayda hareket eden nesnelerin yapılarında oluşan değişiklik, geçmişe gittiğinde de devam eder ve sebebi nesneyi oluşturan atomların (ki her durumda titreyerek yer değiştirir) zamanda değil ama uzayda yer değiştirmiş olmasıdır. Bu ilkeden yola çıkan Vaccaro, çalışmasında, kuantum fiziğini, hem görelilik hem de termodinamik yasalarıyla birleştirip zamanın ileriye aktığını ortaya koymuştur.

Bu çalışmanın en önemli yanlarından birisi de mevcut koşullar gereği, zamanın, geçmişe akması için temel bir fiziksel engel olmadığı anlamına gelmesidir. Böyle bir engel olsaydı, fizik yasaları geçmişte farklı olması beklenirdi. Dolayısıyla, yine bu durum, yaşadığımız evrendeki atomaltı parçacıkların kendine has yapılarının, etkileşimlerinin, zamanın ileriye akmasına sebep olduğunu gösteriyor. Yani, zaman okunun evrendeki temel bir özellik değil de parçacıkların davranışları sonucu ortaya çıkan bir çatı kavram olduğunu da anlamış oluyoruz. Aynı, sebepten dolayı zamanın geriye aktığı evrenler de olabilir. Vaccaro'nun vurguladığı şey; evren büyük patlamayla sınırlı kalmadı, genişlemeden bu yana uzayın uzay olma özelliği değişmedi, ancak zaman hep ileri akıyor ve sadece tek bir oku olabilir. Zamanın tersine çevrilmesi (T) simetrisi ihlâli, içinde bulunduğumuz evreni, geleceğe doğru zorlamakta.

Görüldüğü üzere, çalkantılı kuantum dünyasındaki yansımaların sebebiyleçalışmaların içerikleri de etkileri de keskin oluyor. Elbette, nihayi sonuç henüz net değil; araştırmacılar hâlâ bu konuyu incelemeye devam ediyor; hatta anti-madde ve karanlık enerji üzerine de eğilinmiş durumda. Bakalım, zaman ne gösterecek :)