Zeno Etkisi ve Gözlenmekten "Rahatsız Olan" Uranyum!

Eğer bir sporseverseniz, takımınızın başarısının televizyona bakıp bakmamanızla alakalı olduğu gibi garip bir hisse kapılabileceğinizi bilirsiniz. Örneğin bir penaltı atışı sırasında, takımınızın oyuncusuna bakmazsanız daha iyi şut çekeceğini sanabilirsiniz. Pekala, eğer böyle bir hisse hiç kapılmadıysanız (veya sporsever değilseniz), o zaman Doctor Who'yu izlemiş olabilirsiniz belki. Orada, kendilerine bakıldığı zaman tamamen hareketsiz kalan melekleri bilirsiniz. Hatta bu konu çok eski zamanlardan beri insanın dikkatini çekmiş olacak ki, eski bir İngiliz atasözü "Bakılan tencere kaynamaz." der. Peki ya aynısını atomlarda gözlersek?

Elbette bu saydığımız örnekler, sadece insan aklının aslında olmayan şablonlar yaratmasıyla ilgilidir. Mantıklı olan her birey, takımlarının kazanmasının ekrana bakıp bakmamak ile hiçbir alakası olmadığını fark edebilecektir. Ya da kaçan bir penaltının, o anda ekrana bakan insan sayısıyla alakalı olmadığını, muhtemelen oyuncunun kötü bir gününde ya da şanssız bir anında olduğunu fark edecektir. Benzer şekilde, atasözleri ne derse desin, bakışlarınızın bir tencerenin içerisindekilerin kaynaması ile alakası olmadığını bilirsiniz. Ancak söz konusu atomlar ve atom altı parçacıklar ise, bu çıkarımları bu kadar kolay yapmak mümkün olmayabilir. Bilimde, gerçekten de gözlendiği zaman davranışı değişen yapılar vardır ve bu garip etkiye Kuantum Zeno Etkisi adı verilir.

Texas'taki araştırmacılar, bir gün boyunca dengesiz durumda bulunan bir uranyum atomunu incelediklerinde garip bir durumla karşılaştılar. Uranyum, normal şartlarda, kararsız bir yapıdadır ve zaman içerisinde bozunarak kütle kaybeder, etrafına da ışıma yapar. Buna radyoaktif bozunma adını veririz. Ve gerçekten de, bir petri kabına bıraktığınız bir uranyum parçası, söz konusu bozunmaya uygun bir şekilde zamanla kütlesini kaybeder. Ancak gariplik, bu uranyumun gözlenmeye çalışmasında başlamaktadır: Atomlar, gözlendikleri müddetçe bozunmaya uğramamaktadırlar!

Buna anlam veremeyen araştırmacılar, bir süre daha uranyumu gözlerler. Her denemelerinde, gözlemedikleri zaman yapıda normal şekilde bozunma olurken, her gözlediklerinde bu bozunma durmaktadır. Sanki uranyum, araştırmacılarla dalga geçiyor gibidir. Laboratuvar, araştırma sonuçlarını diğer laboratuvarlara da iletir ve yapılan her denemede aynı sonuca ulaşılır. Böylece, en azından, Texas'taki araştırmacıların deli olmadıkları anlaşılır. Bazı parçacıklar onlara baktığımız zaman davranışlarını değiştirmektedirler.

Bu durum, entropi yasalarına, akla ve mantığa oldukça aykırı gibi gelmektedir. Bu adeta çocuğunuza bakıyorsunuz ya da fotoğraflarını çekiyorsunuz diye çocuğunuzun büyümemesi gibidir. Ya da sırf ona bakıyorsunuz diye, akşamdan kalma bir yemeğin bozulmaması gibidir.

Bazı dengesiz elementlerin bozunduğundan eminiz. Doğada bunun sayısız ispatı var. Ancak onları mikroskop altına koyduğunuzda, bu davranışları değişiyor. Tıpkı günlerce uğraşarak köpeğinize öğrettiğiniz bir numarayı, komşular izlerken köpeğinizin yapmaması; ancak onlar izlemezken mükemmel bir şekilde yapabilmesi gibi. Ancak burada bir fark var: Köpeğiniz, biyolojik yapısı gereği komşularınızın varlığından etkilenebilir, bilinciyle varlıklarını algılayabilir ve davranışlarını değiştirebilir. Ancak element atomları için aynı durum geçerli değildir: Atomların bilinci, algısı, zekası, düşüncesi, fikri, duyguları, fizyolojisi, anatomisi, etolojisi bulunmaz! Nasıl olur da bir atom, üzerine çevrilmiş bir gözün varlığından haberdar olabilir?

Aslında bunu açıklayan birkaç hipotez bulunuyor. En yaygın olanı, gözlem sırasında kuantum durumların olasılılarının dağılımını belirten "dalga fonksiyonu"nun çökmesi ve az önce sözünü ettiğimiz Kuantum Zeno Etkisi denen etkiyle ilgili. Dalga fonksiyonu, bir parçacığın dinamik davranışlarıyla ilgili bilgileri barındıran matematiksel bir denklemdir. Bu fonksiyonun zaman içinde nasıl değiştiğini, meşhur Schrödinger Denklemi belirler. Bu fonksiyon zaman içerisinde değişirken, parçacığın geleceğiyle ilgili bütün olasılıkları da bünyesinde barındırır. Ancak parçacık gözlendiği anda, sistem tek bir duruma sabitlenip kalır. İşte buna dalga fonksiyonunun çökmesi denir. İyi ama bu durum, Uranyum atomunun gözlem altında bozunmamasını nasıl açıklar? İzah edelim:

Zeno Etkisi, aktif bir şekilde bir atomla veya parçacıkla etkileşime geçerek, onun bozunup bozunmadığını anladığımız sistemlerde geçerli olan bir etkidir. Yani örneğin bir atomun bozunup bozunmadığını, ona bir parçacık gönderip nasıl davrandığına bakarak ölçebilirsiniz. İşte kuantum mekaniğinde "gözlem" denen şey, çoğu zaman bu süreçtir. Yoksa gözümüze fotonların gelmesi veya gözümüzden yansıyan fotonların sürece etki etmesi gibi bir durum söz konusu değildir. Dolayısıyla "sürekli gözlem", bir sisteme durmaksızın parçacık gönderip, bunların nasıl davrandığına bakmak demektir. Buna karşılık "pasif gözlem", bir kamera kurup sistemi gözlemek demektir. 

Bir atom içerisindeki bir elektronu ele alalım. Bu elektronun yüksek enerjisi veya düşük enerjisi olabilir. Bir diğer deyişle, dalga fonksiyonu yüksek enerjili veya düşük enerjili durumlar etrafında yoğunlaşmış olabilir. Eğer ki enerjisi yüksekse, durup dururken etrafa foton saçarak daha düşük enerji seviyesine geçebilir. Bu durumda olan, dalga fonksiyonunun zamanla düşük enerji seviyesini de kapsayacak şekilde değişmesidir. İşte bu yüksek enerji seviyesini "bozunmamış", düşük enerji seviyesini ise "bozunmuş" olarak tanımlayabiliriz. Normalde (doğada) bu elektronlar düşük enerji seviyelerinde bulunurlar; ancak eğer ki bir elektrona doğru miktar ve enerjide foton gönderecek olursanız, onu yüksek enerji seviyesine çıkarabilirsiniz.

İşte bunu yapacak olursanız, atom (veya incelediğiniz herhangi bir diğer sistem) "bozunmamış durumda" olacaktır. Bu noktada, sistemin durup duruken bozunmuş duruma geçivermeye karar vereceğini düşünebilirsiniz (dalga fonksiyonunun değişmesi nedeniyle). Ancak kuantum mekaniğinde gerçekte olan, bir durumdan diğerine "kayma" denen bir durumdur. Yani bu, yavaş yavaş, uzun vadede olur. Belli bir zaman geçtikten sonra sistem yarı-bozunmuş, yarı-bozunmamış bir durumda olacaktır. Bir miktar süre daha sonra, çeyrek-bozunmuş, dörtte üç bozunmamış durumda olacaktır. Bu böyle gider.

İyi ama: "Yarı-bozunmuş, yarı-bozunmamış" demek tam olarak nedir? Yani atomun bir kısmı bozunmuş halde, diğeri orijinal halinde mi demek? İşte bu noktada devreye, "gözlem" (ya da "etkileşim") denen olay girmektedir. Eğer bu atoma, doğru frekansta bir foton gönderecek olursanız, eğer ki bozunmuş haldeyse (yani düşük enerji seviyesindeyse), elektron fotonu emecek ve yüksek enerji seviyesine fırlayacaktır. Ama eğer ki atom bozunmamış haldeyse (yani yüksek enerji seviyesindeyse), fotonu ememeyecektir. Dolayısıyla fotonun sisteminizden çıkıp çıkmayacağına bakarak, atomun bozunup bozunmadığını anlayabilirsiniz. Eğer ki sisteminiz yarı-bozunmuş, yarı-bozunmamış haldeyse, gönderdiğiniz fotonunuzu tekrar görme ihtimaliniz de %50 demektir. Eğer ki %75 oranında bozunmuş bir sisteme foton gönderecek olursanız, fotonunuzu görme ihtimaliniz %25 olacaktır (görmeme olasılığınız da %75 olacaktır).

Burada ilginç olan şudur: Bir atoma her bir foton gönderdiğinizde, sisteminizin durumu ya tamamen bozunmuş hale (düşük enerji düzeyine) ya da hiç bozunmamış hale (yüksek enerji düzeyine) sıfırlanır. Bu, dalga fonksiyonunun çökmesinden kaynaklanmaktadır. Fotonunuzu görüp göremediğinize bağlı olarak, sisteminizin hangi duruma sıfırlandığını da anlayabilirsiniz. Eğer ki bu gözlemi, bozunan atomun yarı ömründen (%50 oranında bozulma süresinden) sonra yaparsanız, yani fotonunuzu görme ihtimalinizin %50 olmasından sonra yaparsanız, fotonunuzu gönderdikten sonra sistem ya tamamen bozunmuş olacaktır, ya hiç bozunmamış olacaktır. Ama eğer ki fotonu, dengesiz bir sistemin oluşmasından hemen sonra gönderecek olursanız, sisteminiz neredeyse kesin olarak hiç bozunmamış olacaktır. Dolayısıyla foton göndererek onu bozunmamış duruma sıfırladığınızdan neredeyse kesin olarak emin olabilirsiniz. Eğer bundan hemen sonra tekrardan bir foton gönderecek olursanız, yine, sisteminizin bozunmamış duruma sıfırlandığından emin olabilirsiniz. Bunu böyle sürdürecek olursanız... Atomunuz, bozunmamış durumdan asla çıkamayacaktır. İşte bu, Zeno Etkisi'dir. Uranyum atomlarının "gözlem" altında bozunmuyor olmasının nedeni de budur.

Yani bir atoma foton göndererek onu gözlemek, aynı zamanda onun belli bir enerji durumunda kalmasına zorlamak demektir (%100 bozunmuş durumda veya %100 bozunmamış durumda). Bunun böyle olabilmesine katkı sağlayan olgulardan birisi, bozunma hızının zamana bağlı olarak doğrusal olmayan bir şekilde değişmesidir. Yani başta bozunma yavaş gerçekleşir; ancak sonradan giderek hızlanır. Gerçekten de, Zeno Etkisi'nin yaratılabilmesi için, bozunma olasılığının zamanın karesiyle orantılı bir şekilde değişmesi gerekmektedir. Uranyum gibi atomlarda olan da budur. İşte Zeno Etkisi'ni yaratacak olan zaman aralığına, "Zeno Zamanı" denir. Birbiriyle Zeno Zamanı kadar ayrık gözlemler yapacak olursanız, bir sistemin kuantum durumlarının olasılık dağılımını barındıran dalga denklemi "çökecektir" (sistem kendini bir olasılığa sıfırlayacaktır) ve az önce anlattığımız nedenlerle bozunma işlemi baskılanmış olacaktır. Gözlemcilerin yeterli sıklıkta yaptıkları gözlem altında Uranyum atomunun bozunmayı durdurma nedeni budur. Algılarımız, bilincimiz, gözümüz, beynimiz bununla hiçbir şekilde ilgili değildir. 

Zaten şunu da unutmayın: Nasıl ki bir yıldıza baktığımızda, onun milyonlarca yıl önceki halini görüyoruz (çünkü yıldız bizden milyonlarca ışık yılı uzakta - ondan çıkan ışık, bize milyonlarca yılda gelebiliyor); birkaç milimetre uzağınızdaki bir atomdan çıkan fotonlar da, her ne kadar nanosaniyelerde gözünüze ulaşıyor olsun, geçmişe dair bilgileri taşır. Çünkü 1 nanosaniye bile geçmiş olsa, yine de o fotonun taşıdığı bilgi, sistemin 1 nanosaniye önceki durumudur. Ve siz, gözlem yaparak geçmişte yaşanıp, olup bitmiş o duruma etki edemezsiniz. 

Kuantum fiziği gerçekten anlaması güç ve sıradışı niteliklere sahip. Ancak şu çok net: Evren'in sırlarını aralamayı sürdürdükçe, çok daha zorları ve baş döndürücü olanlarıyla karşılaşıyoruz. Bu da, bilime gücünü veren yegane ve en ihtişamlı unsur.