Kuantum, Gerçeklik Algımızı Nasıl Yerle Bir Etti?

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 açıklıyor. Bu, F=ma'nın kuantum analogu, yani özdeşi. Biri klasik sistemlerin zaman içindeki evrimini tanımlıyor, diğeri kuantum sistemlerin... Yani elinizde izole bir kuantum sistem varsa, bunun zamanla nasıl değişeceğini bu denklemle açıklayabildiğimizi biliyoruz.

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 düşünce. Yani biz bir parayı attığımızda "%50 ihtimalle yazı gelecek" diyoruz ama, bu bizim bilgisizliğimizin ürünü. Aslında o paranın hareketini etkileyen bütün kuvvetleri ve parçacıkları eksiksiz olarak bilebilsek, yani Laplace'ın Şeytanı veya Tanrı gibi olsak, %100 yazı, yani %0 tura geleceğini kesin olarak bilebilirdik. İşte Einstein "Tanrı zar atmaz." derken bu tür determinizmin ihlal edilemeyeceğini söylüyordu. Yoksa Evren'de de, bilimde de bize "tesadüfi" gelen şeyler elbette var, 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 inceliyor. Yani determinizm çok daha temel bir kavram. Bizim Evren'de olan biteni nasıl algıladığımızla değil, doğrudan doğruya Evren'in çalışma dinamikleriyle ilgili bir ilke.

Yani önce neden olur, sonra sonuç belirir. Sonuç, nedeni etkileyemez. Sonuç, nedenden önce gelemez. Mesela 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, ışık hızını aşabilecek olsaydık nedenselliği ihlal edebilirdik. 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.

Buna 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. Mesela Güneş'in Dünya üzerindeki kütleçekimini anlık bir kuvvet olarak düşünebilirsiniz; ama Güneş bir anda yok olsaydı, ışığın Güneş'ten bize ulaşmak için harcamak zorunda olduğu 8 dakika 20 saniye boyunca biz yörüngede dönmeye devam ederdik. Sanki Güneş halen oradaymış gibi! Çünkü kütleçekiminin 150 milyon kilometre uzaktan bizi etkilemesi 8 dakika 20 saniye sürüyor. Dolayısıyla bu ilkeye göre, bir yerlerde bir şeyleri değiştirecek olan bilgi, hiçbir zaman ışık hızını aşamıyor. Cisimler atomun içindeki parçacıklar gibi dip dibe olsalar bile, bunlar arasındaki etkileşim ve bilgi transferi, asla ışık hızından daha hızlı yaşanamıyor, ama tabii aralarındaki mesafe ışık hızı için aşırı kısa olduğu için, etki sanki anlık olarak yaşanıyormuş gibi geliyor. Bu nedenle bir cismi ittiğinizde, parmağınızdaki atomlar ile cisimdeki atomlar arasındaki elektromanyetik etkileşim neredeyse anlık olarak yaşanıyor. İtme ile hareket arasında bir gecikme görmüyoruz; ama aslında o atomlar arası etkileşim asla ışık hızını aşamıyor ve teknik olarak da anlık değil, birkaç attosaniye gibi bir gecikme olabiliyor. 1 attosaniye, 1 saniyenin milyar kere milyarda biri!

Bu biraz daha tartışmalı ve farklı bağlamlarda farklı anlamlara gelebiliyor ama özünde söylediği şey şu: 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, o sisteme dair mutlaka bilmediğimiz bir şeyler olmalı. Bu ilkeye göre o "şeyleri" çözdüğümüz anda, sistemimizin başından beri klasik fizikle uyumlu şekilde davrandığını anlayıvereceğiz.

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 söylüyor. Ama atom altı parçacıklardan, mesela bir elektrondan bahsederken, onun konumunu ve hızını aynı anda, mutlak bir kesinlikle bilemiyoruz. Buna Heisenberg'in Belirsizlik İlkesi diyoruz. Dolayısıyla başta bahsettiğim Schrödinger'in Dalga Denklemi, bir elektronun spesifik konumu veya hızını değil, konumunun veya hızının olasılık dağılımının zamanla değişimini tanımlıyor. 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. İşte 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 söylüyor. Ve bu, determinizm için büyük bir problem.

Burada düzeneğin tüm detaylarına girmeyeceğim, ayrı bir videoda konuşuruz; ama fizikçiler, Çift Yarık Deneyi'ni kademeli olarak karmaşıklaştırdılar. Ve 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 da fotonun hangi yarıktan geçtiği bilgisini yok etmek, dediğim gibi bunu nasıl yaptıkları şu anda çok önemli değil ama bu sonradan silmeye karar verebilmemize izin verdiği için bu deneye "gecikmeli tercih kuantum silgi deneyi" dendi. Ama çılgın olan şu: 8 nanosaniye sonra yapılan tercih, 8 nanosaniye önce ölçülen fotonların davranışını değiştiriyordu. Yani kuantum silginin etkisi, geçmişteki elektron davranışını değiştiriyor! Tahmin edebileceğiniz gibi bu, nedensellik için büyük bir problem.

Elimizde o başta bahsettiğim temel özelliklerinden biri olan spinlerini bilmediğimiz iki elektron olsun. İkisininkini de bilmiyoruz. O anda her iki elektron da hem "yukarı spin" hem de "aşağı spin" denen bir durumdalar. Ölçersek, bunlardan biri olacaklar. Bunun ne demek olduğuna birazdan döneceğim. Ama eğer bu iki elektron, rastgele iki elektron değilse de "dolanık" elektronlarsa, birinin bir özelliğini, mesela işte spinini ölçtüğünüz anda, ikincisinin spinini de anında belirleniyor ve kesin olarak bilebiliyorsunuz. Ama burada sorun şu: Bu iki elektron arasındaki mesafe önemli değil gibi gözüküyor. Yani siz iki dolanık parçacık oluşturup, onları galaksinin iki ucuna gönderseniz, sonra birinin spinini ölçseniz, diğerinin spini de o anda belirleniyor! Halbuki ışığın, dolayısıyla bilginin galaksinin iki ucu arasındaki yolculuğu 105.700 yıl alıyor! İşte Einstein'ın "spooky action at a distance", yani "uzak mesafede ürkütücü etkileşim" diye tanımladığı bu olay; yerellik, yani lokalite için büyük bir problem.

Dediğim gibi bir elektronun spinini ölçmediğinizde, kuantum mekaniğine göre o elektronun spinini bilemiyor olma nedeniniz sizin bilgisizliğiniz değil. O elektron, aynı anda hem yukarı spin hem de aşağı spin niteliklerine bir arada sahip. Bunların bir bileşkesi, yani bir süperpozisyonu halinde. Bu, bir bilardo topunun aynı anda hem sağa hem sola dönüyor olması gibi... Bir top için bunu tahayyül bile edemiyoruz, ancak bir elektron için bunun gerçek olduğunu deneysel olarak gösterebiliyoruz. İşte Schrödinger'in Kedisi Deneyi de zaten bunun absürtlüğünü göstermek için, bizzat Erwin Schrödinger tarafından ileri sürüldü: Kuantum fiziği, kutunun içini açıp bakana kadar, yani bir ölçüm yapana kadar, kedinin hem ölü hem diri olduğunu söylüyor.

Mesela benzer şekilde, ışığın hem bir parçacık hem de bir dalga gibi davranıyor olması, klasik dünyada hiç de aşina olmadığımız bir şey. Buna "Dalga-parçacık ikiliği" diyoruz. Bir şey, nasıl aynı anda iki şey olabilir? Bu çok tuhaf... Ama işte, kuantum parçacıkların klasik özellikleri yok gibi gözüküyor.

Bu konuyu matematiğin koca bir dalı olan Olasılık Teorisi inceliyor.

Aslında o paranın hareketini etkileyen bütün kuvvetleri ve parçacıkları eksiksiz olarak bilebilsek, yani Laplace'ın Şeytanı veya Tanrı gibi olsak, %100 yazı, yani %0 tura geleceğini kesin olarak bilebilirdik.

Mesela Newton, kısaca F=ma olarak ifade edilen formülüyle, atıyorum serbest bırakılan veya fırlatılan bir topun elden çıktığı andan itibaren geçen saniyelerde nasıl hareket edeceğini, yani zaman içinde az önce bahsettiğim hız ve pozisyon gibi özelliklerinin nasıl evrimleşeceğini hesapladı. Bu sayede uçaklar, evler, arabalar inşa etmemiz, gezegenlerin birçoğunun hareketlerini modellememiz mümkün oldu. Jüpiter'in bugününe bakarak sadece yarınını bilmekle kalmıyoruz, dününü de bilebiliyoruz.

Bir de daha ziyade atom altı parçacıklar için anlamlı olan, spin gibi özellikler var. Bunların tam olarak ne olduğu bu video için önemli değil. Ama nihayetinde bilmek istediğimiz, bunların şu anki hallerinin geçmişte nasıl değiştiği ve gelecekte nasıl değişeceği...

1 attosaniye, 1 saniyenin milyar kere milyarda biri!

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, ... Bunun olamayacağı, yani nedenselliğin mantıksal olarak ihlal edilemeyeceği, Evren'e yönelik modern anlayışımızın temellerinden biri ve Görelilik Teorisi'nin de kalbinde yatıyor.

Kuantum mekaniği durumlarında olasılıklar genellikle yapısal ve temel olup, Heisenberg belirsizliği gibi ilkeler nedeniyle doğrudan Evren'in kendisine ait olasılıklardır, sadece bizim eksik bilgililiğimizden kaynaklanmaz.

Kuantum düzeyinde deterministik bir anlatım yerine olasılıksal bir yapı vardır; Schrödinger denklemi kesin sonuçlar değil olasılık dağılımları verir.

Gecikmeli tercih kuantum silgi gibi düzenekler klasik nedensellik sezgisine meydan okur; gelecekteki bir ölçümün geçmiş davranışın yorumunu etkilemesi gibi düşündürücü sonuçlar gösterir.

Dolanıklık durumunda uzak parçacıkların durumlarının birinin ölçümüyle anında ilişkilendiği gözlemlenmiş olup bu yerellik ilkesine ciddi bir meydan okumadır (teorik ve deneysel bir problemdir).

Kuantum süperpozisyonu, ölçülmediği sürece bir parçacığın belirli klasik niteliğe sahip olmayabileceğini gösterir; bu, realizmin basit formunun kuantumda geçerli olmayabileceğini ima eder.

Belirsizlik ilkesi yalnızca ölçüm kaynaklı bir rahatsızlık değil, kuantum mekanik yapının kendisinden kaynaklanan temel bir sınırlamadır; bazı çift niceliklerin aynı anda kesin olarak tanımlanamaz olması doğaldır.

Schrödinger'in Kedisi bir paradoksu ve kuantum süperpozisyonunun absürdlüğünü göstermek için düşünüldü, ancak benzer ilkelere dayanan pek çok deneysel gözlem kuantum teorisini desteklemektedir; paradoks, teorinin yorumlanmasıyla ilgilidir, deneysel çürütme değildir.

Bahsedilen kuantum olguları (belirsizlik, dolanıklık, süperpozisyon, dalga-parçacık ikiliği) hem teorik olarak iyi formüle edilmiş hem de binlerce deneyle tekrarlanarak doğrulanmıştır.

Kuantum mekaniği; belirsizlik, süperpozisyon, dolanıklık ve gecikmeli tercih gibi olgularla deterministik, nedensel, lokal ve realizme dayalı klasik algıyı zorlar ve Evren'i olasılıksal, ölçüme bağlı ve bazen sezgisel neden-sonuç akışıyla çelişen biçimde gösterir.

Fizik, nesnelerin temel özelliklerinin zaman içinde nasıl evrileceğini öngörerek Evren'in çalışma prensiplerini anlamaya çalışır.

Schrödinger denklemi kuantum sistemlerin zaman içindeki evrimini, yani konum ve momentum gibi niceliklerin olasılık dağılımlarının nasıl değiştiğini tanımlar; kuantumdaki F=ma eşdeğeridir.

Bir parçacığın konumu ile momentumunu aynı anda mutlak kesinlikle bilmenin imkânsız olduğunu; kuantum seviyesinde temel bir olasılıksal sınırlama olduğunu söyler.

Gecikmeli tercih deneyleri, gelecekte alınan bir kararın (bilgiyi saklamak veya silmek) geçmişte kaydedilen parçacık davranışının yorumunu etkileyebileceğini gösterir; bu durum sezgisel nedensellik anlayışını zorluyor.

Dolanıklıkta iki parçacığın durumları birbiriyle bağlantılıdır; birinin ölçümü diğerinin durumunu anında belirler gibi görünür, bu da yerellik ilkesine (etkileşimlerin ışık hızını aşmaması) meydan okur.

Süperpozisyon, ölçülmediği sürece bir kuantum sisteminin aynı anda birden çok durumda (ör. hem yukarı hem aşağı spin) bulunabileceğini belirtir; ölçümle tek bir sonuca indirgenir.

Dalga-parçacık ikiliği, kuantum nesnelerin ölçüm koşullarına bağlı olarak hem dalga hem de parçacık özellikleri gösterebildiğini ifade eder.

Evet, belirsizlik, süperpozisyon, dolanıklık ve ilgili deneysel düzeneklerin sonuçları teorik öngörülerle defalarca tutarlı şekilde gözlemlendi.

Video üç olasılık sunduğunu belirtiyor: klasik algıyı tamamen terk etmek, kuantum ve klasik arasında bir uzlaşma yolu bulmak ya da kuantumu klasikleştirecek yeni anlayışlar keşfetmek; kesin cevap bir sonraki videoda tartışılacak.

Schrödinger'in Dalga Denklemi'ni geliştiren ve Schrödinger'in Kedisi düşünce deneyini ortaya koyan bilim insanı olarak anıldı.

Klasik fiziğin sembolü olarak, F=ma ve klasik hareket yasaları bağlamında örnek verildi (metinde 'Newton' olarak geçti).

Görelilik Teorisi bağlamında ve 'Tanrı zar atmaz.' sözüyle determinizm tartışmasında anıldı; ayrıca 'spooky action at a distance' ifadesine atıf var.

Heisenberg'in Belirsizlik İlkesi'nin isim babası olarak, konum ve momentumun aynı anda kesin bilinmemesi örneğinde anıldı.

Determinist düşünce örneği olarak 'Laplace'ın Şeytanı' (Laplace'ın demonu) bağlamında referans verildi.