Kuantum Bilmecesi
Isaac Newton ismini hepimiz duymuşuzdur. Fizik ve tarih adına çok önemli olan bu adamı Klasik Fiziğin Babası şeklinde bile tanıyoruz. Yaptığı çalışmalar ve ortaya koyduğu ilkeler ile klasik fiziğin temellerini atmış hatta çok büyük bir kısmını açıklamıştı. Bu ilkeler günlük hayatta karşımıza çıkan bir sürü problemi çözebiliyordu. Öyle ki devamında yıllarca Newton ilkeleri karşı gelinemez ilkeler haline gelmişti. Taa ki termodinamik çalışmaları yapan Max Planck, kuantum mekaniğinin temellerini atana kadar.
Max Planck termodinamik üzerine çalışmalar yapan bir profesördü. O zamana kadar gelmiş bazı çalışmalarda insanlar ışığı prizmalardan geçirerek beyaz ışığın içerisinde farklı ışıklar taşıdığı hatta gözle görülemeyen ışıklar da olduğu bulunmuştu. Hatta prizmadan geçirilen ışığın en uç renkleri olan mavi ve kırmızı ışıkların önüne birer termometre konarak bu ışıkların oluşturduğu enerjiyi ölçebilmişlerdi. Ayrıca bu insanlar maddelerin ısındığında veya farklı ışıklar altına tutulduğunda farklı renklere büründüğünü gözlemlediler. Durum böyle olunca da ellerine geçen her şeyi ateşe atmaya başlayıp gözlem yaptılar ve defalarca kez farklı farklı maddelere yaptıkları bu işlemleri grafiklere yerleştirdiler. İşte bu grafiklerle ilgilenen Max Planck denkleme bir sabit ekleyerek maddenin bu renk değişimi ile bir maddenin sıcaklığını nasıl ölçeceğini buldu. Bu yöntem Güneş’in sıcaklığını hesaplamamıza bile yarıyordu. Tüm bu çalışmalar sonucunda ışığın elektromanyetik dalga olduğu ve paketler halinde taşındığı bulundu. Ve bu paketlere “quanta” adı verildi ki bu kelimenin çoğulu da “quantum”dur. Tüm bu çalışmalar o dönemde klasik fizik kuralları ile açıklanamıyor olduğu için bilim dünyası bunu kabullenmekte zorlandı. Hatta Planck bile bu fikirlerini düz mantığa oturttuğunu düşünmüş ve doğru olabileceğini ama emin olmadığını belirtmişti. Tabi ki bu kabullenememe döneminin sona ermesinin de bir öncüsü olacaktı: Albert Einstein…
Albert Einstein fotoelektrik olay hakkında çalışmalar yaptı. Bundan öncesinde de bu konu hakkında çalışmalar yapılmıştı fakat bir sonuca varılamamıştı çünkü Planck gelene kadar ışığın dalga olduğu sanılıyordu. Fotoelektrik olay temel olarak şunu ifade ediyordu. Eğer bir maddeyi aydınlatırsanız yani ışık tutarsanız bu maddeden elektronlar kopacaktır. Einstein bu açıklanamayan olayı fotonları kullanarak açıkladı. Işıktan gelen fotonların elektronların yerini değiştirdiğini fark etti. Hatta Einstein yaygın olarak bilinenin aksine Nobel Fizik Ödülü’nü Görelilik Kuramları ile ilgili yaptığı çalışmalarla değil bu fotoelektrik olay hakkında yaptığı çalışmaları sayesinde almıştır. Einstein’ın çalışmalarının devamında ise ismini sık sık duyacağımız hatta Nobel Fizik Ödülü’nü Einstein’dan hemen 1 yıl sonra alan Bohr gelmektedir.
Bohr Nobel Fizik Ödülü’nü eğitim hayatımızda bolca karşılaştığımız Bohr Atom Modeli’ni oluşturarak almıştır. Bu modele göre elektronlar çekirdek etrafında çeşitli yörüngelerde kararlı bir şekilde dönüyordu ve eğer bu atom bir enerji verilerek uyarılırsa bu yörüngelerdeki elektronlar diğer yörüngelere sıçrıyor ve kararsız hale geliyordu. Bu kararsız halden tekrar kararlı hale dönmek için ise kendisine verilen enerji miktarınca foton yayarak bu sıçrama hareketini tekrar yapıyordu. Bu çok sıra dışı bir olaydı çünkü elektronlar bu sıçrama olayı esnasında bir yol kat etmiyor, birdenbire başka bir yörüngede beliriyordu. Bu olay klasik fizik ile asla açıklanamıyordu. İşte tam da bu noktada kuantum fiziği devreye girecekti.
Kuantum fiziği o yıllarda klasik fizik ile açıklanamadığı için olasılıklara dayalı olarak ilerliyordu fakat kuantum fiziğinin bu tutumu ile klasik fizik çok sert çakışmaktaydı. Bu beraberinde fizik camiasında adeta bir savaş başlatacaktı. Bu savaşta iki tarafın ucunu çeken bilim insanları Bohr ve Einstein’di. Evet, Einstein her ne kadar kuantum fiziğinin neredeyse kaşifi olsa da kendisi bu kuantum sıçraması olayına imkan vermiyordu çünkü kendisi ışık hızının mutlak hız olduğunu ve hiçbir maddenin bu hızı geçemeyeceğini söylüyordu. Yani bu elektronların başka bir yörüngeye ışık hızından daha hızlı bir şekilde geçmesi, adeta ışınlanması Einstein’a göre imkansızdı. Bu nedenle de bu fikri savunan Bohr’a Solvay Konferansı’ndan sonra adeta bilimsel olarak saldıracak ve çeşitli buluşmalar eşliğinde münazaralar geçecekti. Bu yörünge değiştirme olayına Einstein zar atma olarak bakıyordu. Hatta Einstein o ünlü “Tanrı zar atmaz.” lafını sanıldığının aksine dini bir konuda değil, bu konu hakkında yazdığı bir mektubunda dile getirmiştir. Buna karşılık olarak da Bohr “Albert, Tanrı’ya ne yapacağını söylemeyi bırak.” şeklinde cevap vermiştir.
Tüm bu münazaralar ve tartışmalar ilerlerken bilimsel çalışmalar da devam etmiştir. O yıllarda Young Deneyi olarak da bilinen çift yarık deneyi yapılmıştır. Bu deneyi basitçe özetlemek gerekirse sistemde temel olarak bir foton tabancası ve perde bulunmaktadır. Bu foton tabancası perdeye sürekli olarak foton göndermektedir. Bu tabanca ile perde arasına bir plaka konulmuştur. Konulan ilk plakanın üzerinde 1 adet ince bir yarık vardır. Bu deneyin sonucunda bu yarıktan geçen fotonlar arkadaki perdeye çarpmış ve beklenen gibi perdede o yarıktaki gibi bir şekil oluşturmuştur. Ardından bu plakadaki yarık sayısı 2’ye çıkartılmış ve deney tekrarlanmıştır. Tekrar beklenen şey arkadaki perde de oluşan görüntünün ilk deneydekine benzer olarak iki adet iz görmektir. Fakat durum bundan farklıdır. Perdedeki görüntü incelendiğinde ortada en yoğun olacak şekilde birden fazla çizgi halinde oluşan bir durum gözlenmiştir. Fotonlar sanki yarık sayısının değiştiğinin farkına varmışçasına parçacık şeklinde değil dalga şeklinde hareket etmişlerdir. Bu deney defalarca hem elektronlarla hem de fotonlarla yapıldı ve sonuç hep aynıydı. Bilim insanları bu duruma anlam verememişler ve ne olup bittiğini görmek amacıyla plakanın çıkışına bir gözleme aracı yerleştirmişlerdir. Bu araç sayesinde elektronların bu yarıklardan geçerkenki hareketini gözlemleyebilecek, böylece duruma açıklık getirebileceklerdi. Fakat durum daha da karmaşık bir hal alacaktı. Bu sefer de elektronlar adeta kendilerinin izlendiklerinin farkına varmışlarcasına parçacık şeklinde davranmaya başlamışlardı. İlk durumda beklediğimiz perdede iki adet çizgi çıkması durumu burada ortaya çıkmıştı. Bu, şöyle bir sonuç getirdi: Gözlem yapmak parçacıkların davranışını etkiliyordu.
Bu noktada da karşımıza Erwin Schrödinger karşımıza çıkacaktı. Schrödinger’in kedisi deneyini hepimiz duymuşuzdur. Öncelikle şunu söyleyelim bu deney bir düşünce deneyidir ve hiçbir kediye zarar gelmemiştir. Bu deneyi çok basit bir şekilde özetleyelim: Bu deneyde yalıtımlı bir kutu içerisinde bir mekanizma vardır. Bu mekanizma içerisinde de bir zehir vardır fakat bu zehrin mekanizmadan ne zaman döküleceği bilinmemektedir, rastgele bir zamanda dökülecektir. Bu kutu içerisine bir kedi konulur ve kapağı kapatılır. Artık kutu açıldığında kedinin ölü olup olmama olasılığı %50’dir. Ve biz kutunun içini açmazsak kedinin ölü olup olmadığı konusunda bir yorum yapamayız. Kedi ya ölü ya da diridir. Bu kedi örneği Bohr için pek de gerçekçi sayılmazdı çünkü biz kutuyu açmasak bile olasılıklardan birisi gerçekleşmiş durumdaydı. Bu noktada da kuantum fiziği iyice karmaşık bir hal alacaktı.
İlk olarak parçacıkların karakteristik özelliklerinden bahsedelim. Kedi örneğinde kedinin karakteristik özelliği ölü ya da diri olmasıydı. Kuantum evreninde ise net bir şekilde ölçebildiğimiz şey parçacığın spin hareketidir. Bu hareket en basit tabiriyle -tam olarak öyle olmasa da- parçacığın dönme hareketi olarak açıklanabilir. Kuantum evreninde iki parçacık (foton ya da elektron) birbirine yeteri kadar yakına yaklaştırılırsa bu parçacıklar arasında bir etki meydana gelir. Bu etki kuantum dolanıklığı olarak isimlendirilmektedir. İki elektronu gerekli işlemlerle dolanık hale getirdiğimizi farz edelim. Elektronlar bu esnada spin hareketine devam edecektir ve süperpozisyon dediğimiz özel bir hal içerisindedirler. Süperpozisyona göre bir parçacığın durumu bir gözlemci tarafından gözlemlenene kadar belirsizdir. Tüm durumları alabilir hatta aynı anda farklı durumlar içerisindedir. Spin özelliğini ele alırsak elektronun süperpozisyon halinde iken her yöne döndüğünü söyleyebiliriz. Ta ki biz gözlemleyene kadar. Biz gözlemlediğimiz anda %50 olasılıkla iki durumdan birisini alır; ya yukarı spin, ya da aşağı spin. Tıpkı kedi örneğinde olduğu gibi. Biz kutuyu açana kadar kedinin ölü olup olmadığını bilemeyiz açtığımızda ise %50 olasılıkla ya ölüdür ya da diri.
Şimdi ise dolanıklığın biraz daha içerisine girebiliriz ve bu noktalar kuantum fiziğinin yanıtlanması en zor kısımlarıdır. Öyle ki Einstein bu konuyu “Korkunç”, “Uzaktan tuhaf etki” gibi tabirlerle tanımlamaktadır. Şu şekilde bir örnekle başlayalım. Bir çift eldiveniniz var, bu eldivenin de bir sağ ve bir sol olmak üzere iki teki var. Bu eldivenler ayrı ayrı kutulara rastgele bir şekilde konuluyor ve iki ayrı kişiye kargolanıyor. Örneğin bir kutunun bana diğer kutunun da size gönderildiğini farz edelim. Eğer siz kutuyu açtığınızda kutuda sağ eldiven varsa ben daha kutuyu açmadan bile bende sol eldiven olduğu yorumunu yapabilirsiniz. Eğer ikimiz de aynı anda açarsak yine aynı durumu görürüz; birimizde sağ, diğerimizde sol eldiven olacaktır. Ama kutuyu açmazsak yani gözlem yapmazsak elimizdeki kutular hakkında yorum yapamayız. Kutuda sol veya sağ eldiven olma olasılığı %50’dir. Kuantum dolanıklığı bu fikre benzemektedir fakat farklı noktaları vardır. İki parçacığı biraz önce bahsettiğimiz yöntemlerle dolanık hale getirdiğimizi farz edelim. Bu elektronlar süperpozisyon durumundadırlar yani biz gözlem yapana kadar hangi yönde spin yaptıklarını bilemeyiz. Tıpkı eldiven örneğinde olduğu gibi… Ve eğer biz bu iki elektronun aynı anda spinlerini ölçecek olursak çok garip bir durumla karşılaşmaktayız. Tıpkı eldiven örneğinde olduğu gibi birisi yukarı yönde spin yapıyorsa diğeri aşağı yönde spin yapmaktadır. Bu işlemi defalarca da tekrarlasak aynı durumla karşılaşıyoruz. Hatta durumu biraz abartalım. Bu dolanık hale getirdiğimiz elektronlardan birini galaksinin bir ucuna diğerini diğer ucuna götürelim. Bu durumda bile aynı anda ölçüm yaptığımızda bu iki elektron milyonlarca ışık yılı uzaktan bile bu durumu almaktadır; biri yukarı spin, biri aşağı spin. Elektronlar adeta ışık hızından daha hızlı bir şekilde birbiriyle haberleşiyor ve birbirlerinin durumlarını etkiliyor gibiler. Bu durumu eldiven örneğinden ayıran ise süperpozisyon olayıdır. Eldiven olayında siz kutuyu açmamış olasınızda durum kaynaktan çıkarken bellidir fakat kuantum evreninde biz gözlem yapana kadar parçacık birden fazla hal içerisindedir.
Einstein’in teorilerine göre hiçbir madde ışık hızına ulaşamaz veya geçemez. Bu kuantum dolanıklığı olayı elektronların birbiri ile haberleşemeyeceği kadar hızlı gerçekleşmektedir. Bu durum Einstein’ın kuantumun karşısında olmasının en büyük sebeplerinden birisi olarak söylenebilir. Hatta Einstein kuantum dolanıklığına karşıydı ifadesi bile hatalı olacaktır çünkü Einstein bu durumu inkar etmek yerine daha hazır olmadığını söylüyordu. Bu nedenlerden ötürü Albert Einstein ve arkadaşları Boris Podolsky ve Nathan Rosen’in baş harflerini içeren EPR paradoksu isimli bir makale yayınladılar. Bu paradoksa göre iki elektron birbirini ışık hızından daha hızlı bir şekilde etkileyemezdi çünkü hiçbir madde ışık hızını geçemezdi. Hatta öyle ki bu paradoksa göre süperpozisyon olayı saçmaydı. Bu elektronların aslında kaynaktan çıkarken bizim ölçemediğimiz gizli değişkenler olduğunu ve bu olaya bunun sebep olduğunu söylüyorlardı. Yani parçacığın spini kaynaktan çıkarken belliydi, sadece biz gözlemleyemiyorduk. Bu noktada da karşımıza John Bell çıkacaktı.
John Bell 1964’te kendi adıyla anılan Bell teoremini ortaya attı. Bu teoreme göre kuantum fiziğini klasik fiziğinin yasalarına göre açıklamaya çalışılmamalıydı. Bu gizli değişkenler kuantum fiziğinin öngördüğü sonuçları üretemiyordu. Ayrıca fizikçilerin kuantum spinini sürekli bir düzlem üzerinde ölçerek yorum yaptıklarını fark etti. Oysaki bir elektron farklı düzlemlerde farklı spin atmaktaydı. Bu farklı düzlemlerdeki spinlerin birbirine zıt çıkma olasılıklarını deneylerle birlikte hesaplarsak eğer “cos^2(θ/2)” gibi bir formülle karşılaşmaktayız. Yazımızın ilk başarında net bir şekilde söylediğimiz %50 oranla ya yukarı ya da aşağı spin durumu da bu formülle açıklanabilir. Eğer iki elektronun spinini yatayda ölçecek olursak yani 0 derecede ölçüm yaparsak sonucun %100 çıktığını göreceğiz. Yani %100 ihtimalle elektronlardan birisi yukarı spindeyse diğeri aşağı spin olmaktadır. Benzer şekilde de eğer 120 derecede ölçüm yaparsak, bu oran %25 olacaktır. Yani sonsuz kez iki dolanık parçacığın spinini 120 derecelik eksenlerde ölçecek olursak %25’inin yukarı %75’inin aşağı spin attığını göreceğiz. Bu konu hakkında çok fazla deneyler yapıldı. Hatta insanlar bu durumun açıklarını ararcasına fikirler üretti fakat sonuç her zaman kuantum fiziğine uyuyordu (hatta 2022 Nobel Fizik Ödülü yine bu çalışmaların devamında verildi). Einstein yanılmıştı. EPR paradoksu çürütülmüştü. Kuantum gerçekten de vardı.
Dünyamızdaki çoğu şeyi klasik fizik ile açıklayabilmişken bu denli büyük gelişmeler haliyle teknoloji dünyasında da devrimler yarattı. Kuantum fiziği ile yapılabileceklerin ucu bucağı yoktu. Kuantum bilgisayarları da bunlardan birisi. Normal bir bilgisayar ikili sistemle çalışır. Bilgiyi ya 0 ya da 1 olarak kodlayarak taşır. Fakat kuantum evreninde durum 0 ya da 1 olmak zorunda değildir. Aynı anda 0 ve 1 olabilir hatta ikisi de olmayabilir. Bu durumların kombinasyonlarıyla da normal bir bilgisayarla yapabileceğimiz işlemlerin hacmini ve hızını da bu ölçüde arttırmış oluyoruz.
Yine kuantum teknolojisi kullanılarak üretilen saatler ile zamanı çok çok hassas bir şekilde ölçebilmekte ve kaydedebilmekteyiz. Bu teknoloji ile kırılması neredeyse imkansız ağlar oluşturabiliriz. Çok çok hassas mikroskoplar üretebilir, görebileceğimiz şeylerin sınırını zorlayabiliriz. Kuantum teknolojisiyle çalışan radarlar, pusulalar ve burada saymaya yetmeyecek sayısız teknolojik ürün ortaya koyabiliriz.
Kuantum o kadar yeni bir teknoloji ki yapabileceklerimizin önünü göremiyoruz bile. Ama şunu da unutmayalım ki Newton kuralları gibi çok büyük ve genel geçer bilgiler birileri tarafından şüphe duyulmasaydı bunların hiçbirisi gerçekleşmeyecekti. Birileri bu dogmalara boyun eğseydi 20. Yüzyıl teknoloji çağı olmayacaktı. Birileri bu çalışmaları yapmasaydı günümüzde kullandığımız sensörlerin ve buna bağlı olarak teknolojik araçların birçoğu olmayacaktı. Bu yüzden hiçbir şeyi körü körüne kabul etmeyin, sorgulayın, hayal kurun, fikirler üretin. Ne de olsa bilimde doğrular yoktur. Yanlışlığı ispatlanamamış teoriler vardır.
HAKAN MUSLU