80’LERDE KUANTUM

KUVANTUM DÜNYASI GERÇEK MİDİR?

Haziran 1988
Derleyen: Dr. Hanaslı GÜR
(Bilim Teknik Dergisi, Sayı 247)

Einstein, fiziksel sistemlerin kuvantum mekaniksel anlatımlarının tam olmadığına inanıyordu. Ancak deneyler, onun yanılmış olabileceğini gösteriyor; artık kuvantum dünyasının tuhaf doğasını benimsememiz gerekiyor.

KUVANTUM DÜNYASI

Günümüzde deneysel sonuçlar, bilim dünyasına yeni filozofik sorular getiriyor. Özellikle kuvantum mekaniği alanında, başka alanlarda göremeyeceğimiz çarpıcı deney sonuçları ile karşılaşıyoruz. Kuvantum mekaniği kuramı, 1920’lerden beri atom, molekül, çekirdek (nükleer), optik, katıhal ve temel parçacık olayları ile ilgili öngörülerin doğruluğu kanıtlandıkça, yankılar yaparak sağlamlaşıyor. Bu başarılarına karşın, kuvantum mekaniğinin acayip ve sezgi-karşıt niteliği geçmişte Einstein da aralarında olmak üzere kimi bilim adamlarını fiziksel sistemlerin kuvantum mekaniksel anlatımının tam olmadığına ve eklemelerle tamamlanması gerektiğine inanmaya zorluyor. Ancak son deneyler, bu görüşün, büyük ihtimalle yanlış olduğunu gösteriyor. Deneysel sonuçlar, kolay ve sağduyulu yorumlara karşı çıkan acayip bir “kuvatum dünyası”nda yaşadığımızı her zamankinden açık biçimde bildiriyor.

Kuvantum dünyasında, benimsemeye başlamamız gereken birkaç yeni ve enretesan buluş var: İlki, birbirlerinden metrelerce uzakta bulunan ve birbirleriyle hiç iletişim imkanı bulunmayan iki varlığın bile, davranışlarında çarpıcı “ilişki”ler (correlation) göstererek, birbirlerini etkiyebildikleridir; öyle ki, bunlardan biri üzerinde yapılan ölçümün, hemen, öbürü üzerinde yapılanın sonucunu etkilediği görülür. Bu buluş, klasik görüş açısı ile açıklanamaz; ama kuvantum mekaniğine tam olarak uyar. İkincisi, ışığın temel birimi olan fotonun, ya “parçacık gibi” ya da “dalga gibi” davrandığıdır: Bir ölçüm yapılmadıkça, fotonun hangi davranışta olduğu bilinemez; “parçacık türü” bir özellik ölçülürse parçacık gibi ve “dalga türü” bir özellik ölçülürse dalga gibi davranır. Deneysel düzenek belirleninceye dek, fotonun parçacık gibi mi, dalga gibi mi olduğu belirsizdir. Acayip buluşların sonuncusu ise, “belirsizlik kavramının”, artık, “atom ve atomaltı boyutlarla sınırlı olmadığıdır”: Araştırmacılar, “makroskopik bir sistemin” de kimi koşullarda, “makroskopik gözlenebilirlerinin” değerlerinin belirsiz olduğu bir durumda bulunabileceğini bulmuşlardır. Bu bulguların her birinin, dünyayı algılama alışkanlığımızı değiştireceği kesindir.

KUVANTUM MEKANİĞİNİN TEMEL DÜŞÜNCELERİ

Bu yeni tür deneylerin ve filozofik içermelerinin anlaşılması, kuvantum mekaniğinin temel düşüncelerini biraz tanımamızı gerektiriyor. Kuvantum mekaniği kuramını tartışırken kullanılan başlıca kavram, “kuvantum durumu” ya da “dalga fonksiyonu”dur. Kuvantum durumu, bir fiziksel sistemi “olabildiğince geniş kapsamlı” olarak belirleyen tüm nicelikleri bir araya toplar. “Kuvantum mekaniğine göre, bir sistemin tüm nicelikleri aynı anda belirlenemeyeceği için”, az önceki uyarımız çok önemlidir. Bir parçacığın konum ve momentumunun aynı anda belirlenemeyeceğini söyleyen Heisenberg belirsizlik ilkesi en iyi bilinen örnektir.

Bir sistemin kuvantum durumu, yalnızca, bu sistem üzerinde yapılabilen her deneyin meydana gelecek her bir sonucunun olabilirliğini verir. Bu olasılık 1 ise, o sonucun ortaya çıkacağı; 0 ise, ortaya çıkmayacağı kesindir. Oysa, bu olasılık 0 ile 1 arasında bir sayı ise, bir tek deneyin sonucunun ne olacağı söylenemez. Söylenebilecek olan, “eşdeğer çok sayıda sistemin her biri üzerinde yapılacak belli bir deneyin” ortaya çıkabilecek sonuçlarının ortalama sayısıdır.

Örnek olarak, bir foton üzerinde yapılabilecek ölçümleri düşünelim. Fotonun doğrultusu, frekansı ve çizgisel kutuplanması (fotona eşlenmiş elektrik alanının doğrultusu) gibi üç nicelik biliniyorsa, fotonun kuvantum durumu saptanmış olur. Kutuplanmayı ölçmek için uygun bir gereç bir “kutuplayıcı film yaprağıdır” (Kısaca, “kutuplayıcı” diyeceğiz). Bu ideal filmin, üzerine dik açı ile gelen ve filmdeki “geçirme ekseni” denen belli bir doğrultu boyunca kutuplanmış ışığı tümüyle geçirdiği düşünülür. Bu filmin, üzerine yine dik açı ile gelen, ancak geçirme eksenine dik olarak kutuplanmış ışığı ise hiç geçirmediği düşünülür.

Kutuplayıcıyı çeşitli biçimlerde döndürerek çeşitli deneyler yapılabilir. Foton, geçirme ekseni boyunca çizgisel kutuplanmış ise, geçirilme olasılığı 1’dir. Foton, geçirme eksenine dik olarak çizgisel kutuplanmış ise, geçirilme olasılığı 0’dır. Oysa fotonun, geçirme eksenine göre herhangi bir açı yaparak çizgisel kutuplanmış olması durumunda, geçirilme olasılığı 0 ile 1 arasında bir sayı (bu özel açının kosinüsünün karesi) olacaktır. Bu olasılık 1/2 ise, geçiş eksenine göre uygun açı ile çizgisel kutuplanmış 100 fotondan ortalama 50’si geçirilmiş olacaktır.

Bugünkü DENEYSEL SINAMALAR, eskiden filozofik tartışma alanından öteye geçemeyen kuvantum mekaniği konularını aydınlatıyor. Paris Üniversitesi Optik Enstitüsü’nde yapılan bir deneyde, fotoğrafta görülen laserler boşluk odasındaki (ortada) kalsiyum atomlarını tek tek uyarıyorlar. Her atom, bir foton çifti yayınlayarak, kendi uyarılmamış durumuna dönüyor (Foton, ışığın temel birimidir). 6,5 m’lik bir boru boyunca karşıt doğrultuda giden fotonlardan kutuplayıcı filmlerden geçenler foto-alıcılara ulaşıyorlar. Kuvantum mekaniği, aynı kaynaktan çıkarak karşıt doğrultularda giden fotonların kutuplanmaları arasında ince “ilişkiler” bulunabileceğini öngörüyor. Bu ilişkiler, gizli-değişkenler modelleri denen klasik kuramlarla çelişiyor. Ancak, deneyler kuvantum mekaniğini doğruluyor.

 

Kuvantum mekaniğinin başka bir temel düşüncesi “üstüstegelme ilkesidir; bu ilkeye göre, bir sistemin iki kuvantum durumundan, bunların üst üste getirilmesi ile, sistemin başka kuvantum durumları kurulabilir”. Bu işlem, fiziksel olarak, kurulduğu durumların her biri ile örtüşen yeni bir durum oluşturmak demektir. Bu kavram, bir fotonun, kutuplanma doğrultuları birbirine dik iki kuvantum durumunu gözönüne alarak açıklanabilir: Kuvantum doğrultusunun, bu iki dik doğrultu arasında bir açı ile belirlendiği, herhangi sayıda durum oluşturabilir.

Yalnız bu iki temel düşünce (belirsizlik ve üst-üste-gelme ilkesi) ile, şimdiden, kuvantum mekaniğinin sağduyu ile çelişeceği kesindir. Bu sistemin kuvantum durumu, sistemin tam bir anlatımını veriyorsa, bu kuvantum durumundaki değeri belirsiz olan bir nicelik “nesnel olarak belirsiz”dir; yani onun değeri, yalnızca sistemin anlatımını yapmaya çalışan bilim adamları için değil, herkes için belirsizdir. Ayrıca, nesnel olarak belirsiz bir niceliğin bir ölçümünün sonucu, kuvantum durumu ile belirlenemediğinden ve kuvantum durumu şimdilik, sistemle ilgili bilgilerimizin tümünü kapsadığından, bu ölçümün sonucu tam anlamıyla bir “nesnel şans” sorunudur; yani bilim adamlarınca öngörülebilen bir şanstır. Sonuç olarak, ölçümün olabilir her sonucunun olasılığı bir “nesnel olasılıktır”. Oysa klasik fizik, bu temel noktalarda sağduyu ile çelişmez.

Kuvantum mekaniğinde, sistem “ilişkili” (correlated) iki parçadan oluşuyorsa, daha da şaşırtıcı içermeler bile ortaya çıkar. Aynı kaynaktan çıkan iki fotonun karşıt doğrultularda birbirlerinden uzaklaştığını varsayalım. Bu foton çiftinin olabilir bir kuvantum durumu, iki fotonun da bir dikey eksen boyunca çizgisel kutuplanmış olduğu durumdur. Buradaki iki-fotonun her birinin kuvantum durumlarında da, yukarıda açıkladığımız tek-foton kuvantum durumlarındakilerden başka tuhaflıklar yoktur. Ancak, üstüste-gelme ilkesi göz önüne alınırsa, acayip sonuçlar oluşabilir.

Üstüstegelme ilkesini kullanarak, dikey ve yatay kutuplanmış durumları eşit miktarlarda kapsayan özel bir kuvantum durumu kurabiliriz. Aşağıda sık sık karşılaşacağımız bu yeni durumu,  (Ψ) ile gösterelim (Bir kuvantum durumunu göstermek için, genellikle Yunan alfabesindeki “psi” harfi kullanılır). Ψ’in özellikleri gerçekten son derece tuhaftır. Örneğin, fotonların yolları üzerine, her birinin ekseni dikey olarak yönelmiş birer kutuplayıcı koyduğumuzu düşünelim. Ψ, dikey ve yatay kutuplanmış durumları eşit miktarlarda kapsadığından, iki fotonun “birlikte olarak” kendi yolları üzerindeki kutuplayıcılardan geçirilme olasılıkları 1/2’dir; “birlikte olarak” tutulma olasılıkları da 1/2’dir. Fotonlardan birinin geçirilip, öbürünün tutulacağı bir sonuç neden oluşamaz? Başka deyişle, bu iki-foton üzerindeki çizgisel kutuplanma deneyinin sonuçları birbirleriyle sıkı sıkıya “ilişkili” (correlated) midir?

Kutuplayıcı filmler 45°’lik bir açı yapacak biçimde yönelmişlerse, sonuçlar yine aynı olacaktır: “Ya iki foton da geçirilecek, ya da ikisi de tutulacaktır.” Fotonlardan birinin geçirilip, öbürünün tutulduğu bir sonuç oluşmayacaktır. Aslında, kutuplayıcıların yönelişleri ne olursa olsun, çizgisel kutuplanma deneylerinin sonuçları yine birbirleriyle sıkı sıkıya ilişkili olur. Her nasılsa, bu iki foton birbirlerinden iyice ayrılmış olsalar ve ikisine de birbirlerinin davranışlarını bildiren bir işleyiş bulunmasa bile, çiftin ikinci fotonu, birincisinin nasıl geçtiğine uymak üzere kendi kutuplayıcısından nasıl geçeceğini “bilir”. Kuvantum mekaniği, böyle durumlarda, “bir görecelik fiziği kavramı” olan ve bir olayın etkilerinin ışık hızından daha hızlı yayılamayacağını söyleyen “yeterlilik kavramı” ile çelişir.

Bir kuvantum sisteminin BELİRSİZLİĞİNİ, bir foton üzerinde açıklayalım: Bir kutuplayıcı film yaprağı, kendi üzerine dik açı ile düşen ve filmdeki belli bir doğrultu (çizgilerle taranmış) boyunca çizgisel kutuplanmış ışığı tümüyle geçirir. Fotonun bu kutuplanma durumu, üstte dalgalı renkli çizgi ile gösterilmiştir. Bu film, kendi üzerine yine dik açı ile düşen, ama geçirme eksenine dik olarak çizgisel kutuplanmış ışığı (üstteki dalgalı gi çizgi) ise tümüyle tutar. Şimdi de, bir fotonun, geçirme eksenine göre 0° ve 90° arasında bir açı yaparak çizgisel kutuplanmış olduğunu varsayalım (altta). Bu fotonun geçirilip geçirilmeyeceği belirsizdir; geçirilme olasılığı 0 ve 1 arasında bir sayıdır (Kutuplanma açısının kosinüsnün karesi).

Özel bir Ψ durumunda bulunan bir foton çiftinin fotonlarının kutuplanmaları arasında sıkı İLİŞKİLER bulunur. Bu durumu, çiftin iki fotonunun da bir dikey eksen boyunca çizgisel kutuplanmış olduğu bir durumu, ikisinin de bir yatay eksen boyunca çizgisel kutuplanmış olduğu başka bir durum ile “üstüste getirerek” kurulabilir. Ψ durumunda, eşit miktarlarda düşey ve yatay kutuplanmış durum vardır. Şimdi, geçirme eksenleri yatay yönelmiş kutuplayıcıların, fotonların yolları üzerine konulduğunu düşünelim. Ψ’da iki durumdan da eşit miktarlarda bulunduğundan, iki fotonun “birlikte olarak” kendi kutuplayıcılarından geçirilme olasılığı yüzde 50’dir; benzer olarak, iki fotonun “birlikte olarak” tutulma olasılığı da yüzde 50’dir. Deneyde, fotonlardan birinin geçirilip, öbürünün geçirilmediği bir sonuç neden ortaya çıkmaz? Çünkü, aynı kaynaktan çıkan fotonlar üzerindeki çizgisel kutuplanma deneylerinin sonuçları birbirleriyle sıkı sıkıya “ilişkili”dir (correlated). Gerçekten, kutuplayıcıların yönelişleri ne olursa osun, bu foton çiftinin fotonları üzerindeki çizgisel kutuplanma deneylerinin sonuçları birbirleriyle sıkı sıkıya ilişkilidir. Her nasılsa, bu iki foton birbirlerinden iyice ayrılmış olsalar bile, çiftin ikinci fotonu, birincisinin nasıl geçtiğine uymak üzere, kendi kutuplayıcısından nasıl geçeceğini “bilir”.

 

KUVANTUM MEKANİĞİNİN İRDELENMESİ

Bir noktayı yeniden vurgulayalım: Şimdiye dek açıklamaya çalıştığımız acayip içermelerin tümü (nesnel belirsizlik, nesnel şans, nesnel olasılık ve yerel olmama) bir sistemin kuvantum durumunun o sistemin tam bir anlatımını sağlayamadığı varsayımına dayanır. Ama kimi kuramcılar, kuvantum durumunun, yalnızca özel olarak hazırlanmış bir “eşdeğer sistemler topluluğu”nu anlatabildiğini ve bu nedenle bu topluluğun sistemleri üzerinde yapılan ayrı bir deneyin istatistiksel sonuçlarının iyi öngörülebildiğini savunurlar. Ayrıca bu tartışmaya göre, topluluğun sistemleri, kuvantum durumunda verilemeyen kimi özellikler yüzünden birbirlerinden farklı davranabilirler; bu nedenle, tek tek deneylerin sonuçları birbirlerinden farklı olabilir. Topluluğun sistemlerinin, kuvantum durumunda belirlenemeyen özelliklerine “gizli değişkenler” denir.

Gizli değişkenler kuramcıları haklı iseler, nesnel belirsizlik yoktur. Yalnızca, bilim adamının, tek bir sistemle ilgili gizli-değişkenlerinin değerlerini bilmemesi söz konusudur. Ayrıca, nesnel şans da, nesnel olasılıklar da yoktur. Daha da önemlisi, birbirlerinden iyice ayrılmış sistemlerin kuvantum ilişkileri de artık şaşırtıcı değildir (Aynı basımevinde basılmış, ama farklı kentlere gönderilmiş iki gazeteyi düşünün).

1964’te, Avrupa parçacık fiziği laboratuvarı CERN’de çalışan John S. Bell, yerel gizli-değişkenler modelleri öngörülerinin kuvantum mekaniği öngörüleriyle uyuşmadığını göstermiştir. Bell, David Bohm’un ve Louis de Broglie’nin düşüncelerinden de yararlanarak şu önemli teoremini kanıtlamıştır: “Yerel olan hiçbir model, kuvantum mekaniğinin hiçbir istatistiksel öngörüsü ile uyuşmaz.” Yerellik koşulu, örneğin bizim yukarıda anlattığımız foton çifti deneyindeki her fotona eşleşen niceliklerin, öbür fotonun yolu üzerindeki kutuplayıcının yönelişinden ve diğer fotonun kutuplayıcıdan nasıl geçtiğinden bağımsız olmasını gerektirir. İşte bu yerellik koşulu, Ψ’daki ilişkilerin yeniden oluşturulabilmesi için gereken ince ayarlamayı imkansızlaştırır.

Bell teoremi, ilke olarak, kuvantum mekaniğinin mi, yoksa yerel gizli-değişkenler modellerinin mi doğru olduğunun deneyle belirlenebileceğini gösterir. Bell’in teoremini kanıtladığı sıralarda, kuvantum mekaniğini doğrulayan pek çok kanıt olmasına karşın, kuvantum mekaniğinin sağduyu ile uzlaştıramadığı kuşkulu birçok nokta henüz incelenmemiş olduğu için, incelikli deneylerin yapılması önemliydi. Bu deneylerin çoğu, kuvantum mekaniğinin karşılıklı ilişki öngörüleriyle uyuşan, oysa gizli-değişkenler modelleri ile uyuşmayan sonuçlar vermiştir. Çekişmeli deneylerin güvenilirliği ise, tasarımlarındaki ince kusurlar yüzünden kuşkuludur.

Gelecekteki deneylerin de, kuvantum mekaniği ile çelişen sonuçlar vereceği pek beklenemez; yerel gizli-değişkenler modellerinin kurtarılabilme şansı yok gibidir. Kuvantum dünyasının tuhaf özelliklerinin (nesnel belirsizlik, nesnel şans, nesnel olasılık ve yerel olmama), fiziksel kuramdaki yerlerinin gitgide sağlamlaştığı görülüyor.

Yeniden, kuvantum dünyasının tuhaf özelliklerinden biri olan yerel olmamaya dönelim. Yukarıda anlatmaya çalıştığımız foton çifti deneyinde, fotonlardan biri üzerinde yapılan bir ölçümün öbürü üzerindeki etkilemesinden yararlanarak, ışık hızından daha hızlı haber gönderilebilir mi? Özel görecelik kuramına göre, hiçbir işaret ışıktan hızlı gidemez. Öte yandan fotonlar arasındaki kuvantum ilişkileri de, ancak fotonları, iki fotoalıcıda toplanan verilerinin çözümlenmesiyle karşılaştırılabileceği için, ışıktan daha hızlı haber iletilmesi başarılamaz. Böylece, “kuvantum mekaniği ve görecelik kuramı birbirleri ile çelişmeden varlıklarını bir arada sürdürebilirler”:

KUVANTUM DÜNYASINDAN BAŞKA İLGİNÇ DENEYLER

(1) 1978’de, o zamanlar Princton Üniversitesi’nde çalışan John Archibald Wheeler’in önerdiği, gecikmeli-seçim adı verilen bir başka deney de kuvantum dünyasının tuhaflığını gösterir. Bu deneyin temel aleti, bir ışık demetini ikiye ayırabilen ve sonra yeniden birleştirebilen bir “girişimölçer”dir. Bir laserden gelen bir ışık atması (pulsu), ışığın yarısını geçiren, yarısını da geliş doğrultusuna dik olarak yansıtan bir demet ayırıcıya düşürülür. Sonra, bu iki yoldan gelen ışık demetleri yeniden birleştirilirse, ışığın dalga niteliğini gösteren bir girişim deseni elde edilebilir.

Şimdi, laser ışığı atmasının öyle zayıflatıldığını varsayalım ki, herhangi bir anda girişimölçer’de yalnızca bir foton bulunsun. Bu durumda, fotonla ilgili iki farklı soru sorulabilir: Foton, demet ayırıcıdan ya geçecek ya da yansıyacak biçimde “belli bir yol” mu izleyecektir; dolayısıyla, “parçacık türü bir özellik” mi gösterecektir? Yoksa foton, hem geçirilip hem yansıyarak, kendi kendisi ile girişim mi yapacaktır; dolayısıyla, “dalga türü bir özellik” mi gösterecektir?

Biri Maryland Üniversitesi’nden, öbürü Münih Üniversitesi’nden iki araştırmacı grubu, birbirlerinden bağımsız olarak şu cevabı bulmuşlardır: “Deneyde, parçacık türü özellikler ölçüldüğü zaman, foton, bir parçacık gibi, dalga türü özellikler ölçüldüğü zaman da bir dalga gibi davranır.” Deneydeki çarpıcı yenilik şuydu: Deney, her fotonun demet ayırıcı ile etkileşmesinden sonra, parçacık türü özellikler mi, yoksa dalga türü özellikler mi ölçülmesi istendiğine göre düzenleniyordu. Sonuç olarak, foton, demet ayırıcı ile etkileştiği, deneyimizin can alıcı noktasını oluşturan anda, bir parçacık gibi davranarak belli bir yol mu tutacağı, yoksa dalga gibi davranarak iki yol boyunca da mı ilerleyeceği konusunda “bilgilendirilmiş” olmayacaktı.

Girişimölçer’deki iki yolun da uzunluğu, yaklaşık 4,3 m idi ve bir foton bu yolu yaklaşık 14,5 nanosaniyede (1 nanosaniye = 10^-19 saniye) alabilirdi. Bu ise, parçacık türü mü yoksa dalga türü mü özellikler ölçüleceğini ayıracak basit bir mekanik düzenek için yeterli bir zaman değildi. Bu ayırmadaki başarı, 9 nanosaniye ya da daha kısa zaman aralığında işleyebilen Pockels hücresi adı verilen bir anahtar ile sağlanabilmiştir. Bir Pockels hücresinde, uçları arasına bir gerilim uygulanınca çift-kırıcılık özelliği kazanan bir kristal bulunur. Bu kristalin belli bir ekseni boyunca kutuplanmış olan ışık, dik doğrultu boyunca kutuplanmış olan ışıktan farklı bir hızla ilerler. Hücreye giren belli bir doğrultuda kutuplanmış ışık, gerilimin özel bir değeri ve hücrenin özel bir geometrik duruşu için, kırılarak hücreden çıkarken ilk doğrultusuna göre dik kutuplaşmış olur. Bu Pockels hücresi, fotonun, deneyde demet ayırıcıdan sonra gidebileceği iki yoldan biri üzerine yerleştirilir.

Parçacık türü mü, dalga türü mü özellikler ölçüleceğini ayırmak için gereken başka bir gereç de kutuplayıcıdır. Pockels hücresinden kırılarak çıkan ışık, bu kutuplayıcıya düşürülür. Hücre çalışıyorsa ve ışığın kutuplanması da uygunsa, kutuplayıcıdan çıkan ışık bir fotoalıcıya gelir; böylece “hangi yol” sorusuna cevap vererek, fotonun parçacık özelliklerini doğrular. Hücre çalışmıyorsa, ışık olduğu gibi geçerek öbür yoldan gelen katkı ile birleşir; gözlenecek olan “girişim olayları” ise, fotonun dalga özelliklerini doğrular.

İki araştırmacı grubu da, sonuçların kuvantum mekaniği ile kusursuz bir uyum içinde olduğunu bildirmişlerdir. Hangi özelliğin geçerli olduğu, tek bir fotonun girişim-ölçer’de incelenmesi ile anlaşılabilir.

Gecikmeli seçim deneyinin sonuçları nasıl yorumlanacaktır? Öncelikle, arasıra ileri sürülen ve kuvantum mekaniğinin “geçmişe uzanabildiği”ni söyleyen abartmalı yorumdan vazgeçmek gerekir. Kuvantum mekaniği, örneğin gecikmeli-seçim deneyinde, 12 nanosaniye sonra Pockels hücresi çalıştırılacaksa, fotonun, demet ayırıcı ile etkileştiği t=0 anında belli bir yolu tutmasına neden olamaz; benzer olarak, hücre çalıştırılmayacaksa, fotonun, her iki yolda birden ilerlemesine de neden olamaz.

Daha doğal bir yoruma göre, girişim ölçer’deki fotonun nesnel durumu birçok özelliği belirsiz bırakır. Kuvantum durumunun, fotonla ilgili tüm bilgileri kapsamasına karşın, her kuvantum durumunda belirsiz özellikler bulunduğu için, bu sonuç şaşırtıcı değildir. Ama başka bir soru ortaya çıkar: “Belirsiz bir özellik, nasıl ve ne zaman belirli hale gelir? Wheeler’in cevabına göre: Hiçbir temel kuantum olayı, kaydedilmiş bir olay oluncaya dek gerçek bir olay değildir.” Başka bir deyişle, belirsizlikten belirliliğe geçiş fotoğraf eriyiğindeki bir taneciğin kararması gibi, “tersinmez bir büyüme etkisi” oluşmadıkça tam değildir.

Önemli olan nokta, anahtarın, fotonun demet ayırıcı ile etkileşmesinden sonra işletiliyor olmasıdır; böylece foton, belli bir yol tutarak parçacık gibi mi, yoksa aynı anda iki yol boyunca da ilerleyerek dalga gibi mi davranacağı konusunda, “bilgilendirilmiş” olamaz (Eskiden, 1973-1982 yılları arasında, Ankara Üniversitesi Fen Fakültesi Fizik Bölümü Öğrenci Laboratuvarları’nda laser ışınları ile, fotonlar üzerinde çeşitli kutuplanma ve girişim deneyleri yapılıyordu).

 

(2) Birkaç araştırma grubunun üzerinde çalıştığı bir başka deneyde ise, kendi üzerine tam kapanmamış bir SÜPERİLETKEN HALKA vardır. “Josephson eklemi” denen ince bir yalıtkan madde diliminin, halkanın kendi üzerine kapanmasını engellemesine karşın, yalıtkan madde dilimi üzerinde oluşan “tünel olayı” yardımı ile, halkada bir elektrik akımı dolaşır. Bu akım, bir manyetik alan oluşturur.

Bu sistemdeki ilginç nicelik, halkadan geçen “manyetik akı”dır. Bu akı, manyetik alanın halka düzlemine dik bileşeninin halka yüzeyi üzerinden yüzey integraline eşittir. Halka kendi üzerine tam kapanmasaydı, akı sabit bir değerde tutulacaktı; ama aradaki yalıtkan, akının bir değerden bir başka değere geçmesine neden olur. Çağdaş manyetometrelerle, bu akı çok duyarlı olarak ölçülebilir. Bu akı, büyük sayıda elektronun (10^23 kadar) hareketinden oluştuğu için “makroskopik” bir niceliktir. Böylece, süperiletken halkanın durumları hazırlanırken, akının değeri tek bir değer olarak “belirlenememiş” olur. Bu kuvrantum mekaniksel özellik, önceleri yalnızca mikroskobik sistemler için bulunmuş bir özellikti.

Bu belirsizliğin deneyle nasıl kanıtlandığını anlamak için, akının her değerine karşılık, halkanın belli bir potansiyel enerjisi olduğunu bilmek gerekir. Genellikle, halkadan geçen akının, bir değerden öbürüne kendiliğinden geçmesi beklenemez; çünkü, akının komşu değerleri arasında bir “potansiyel engeli” bulunur. Klasik fiziğe göre, bu engeli aşmak için bir dış enerji kaynağından enerji sağlanmadıkça, iki değer arasında geçiş olması yasaktır. “Oysa kuvantum mekaniğinde, bir dış enerji kaynağı olmadan da, potansiyel engeli tünel olayı ile geçilebilir.”

“Makroskopik bir değişkendeki kuvantum belirsizliğinin” deneysel kanıtlaması, Wheeler’in yukarıda sözünü ettiğimiz açıklamasyla çelişmez; makroskopik yüzeyde de kuvantum mekaniksel belirsizlik bulunabileceğini gösterir. Yalnızca, Wheeler’in açıklamasındaki “tersinmez büyüme etkisi” vurgulamasını, zaten büyük boyutlarda olduğumuz için, “tersinmez” olarak değiştirmek yeterlidir. Böylece, “tersinmez süreçlerin” oluşum koşulları, çağdaş kuramsal fiziğe girmiş oluyor. Bu konuda çalışan kimi araştırmacılar ve öğrencilerin inandığı yeni fiziksel ilkeye göre, bir sistemin belirsiz bir gözlenebiliri, bir ölçümle belirlenmesi sırasında ortaya çıkan acayip tersinmezlik türleri anlaşılmadan önce bulunmuş olmalıdır.

Bir MAKROSKOPİK SİSTEM de, kimi koşullarda, bir makroskopik değişkeninin değerinin belirsiz olduğu bir durumda bulunabilir. Şekilde görülen sistem, kendi üzerine tam kapanmamış bir süperiletken halkayı gösteriyor. İnce bir yalıtkan madde dilimi, halkanın iki ucunu birbirinden ayırıyor. Yalıtkan içinde oluşan “tünel olayı” yardımı ile, halka içinde bir elektrik akımı oluşur. Bu akım bir manyetik alan üretir (Halka düzlemine göre simetrik, gri renkli kesik koniler bu manyetik alanı gösteriyor). Halka sürekli olsaydı, halkadan geçen manyetik akı sabit bir değerde tutulurdu; ama aradaki yalıtkan, akının bir değerden bir başkasına değişmesini sağlar. Böylece, akının belirli tek bir değeri yoktur.

Süperiletken halka sistemindeki BELİRSİZLİĞİ, çizimle açıklayalım. Süper iletken halkanın yüzeyinden geçen akının her değerine belli bir potansiyel enerji karşılık gelir. Akının komşu değerleri, bir potansiyel engeli ile birbirlerinden ayrılmış olduğu için, halkadan geçen akının bir değerden öbürüne kendiliğinden geçmesi beklenemez. Potansiyel engelleri tepeler olarak; sistemin içinde bulunduğu durum ise, bu tepeler arasındaki bir vadide bulunan bir top olarak düşünülebilir. Klasik fiziğe göre, bir engel ile ayrılmış iki değer arasındaki geçiş bir dış enerji kaynağı gerektirir (topu tepe üzerinden atlatmak için). Oysa kuvantum mekaniksel olarak, engel, bir dış enerji kaynağı olmadan da, tünel olayı ile geçilebilir. Tünel olayı, akının belirsizliğinin temel nedenidir.

 

SON ARAŞTIRMALAR

Kuvantum dünyasının tuhaflığını araştıran çalışmalar sürüyor. İlgili iki deneyden söz edelim. Nötron-girişimölçer deneylerinde, bir nötronun dalga fonksiyonu bir kristal yaprak yardımı ile ayrılıp, başka bir ya da iki kristal yaprakla yeniden birleştirilirken gözlenen girişim olayları, nötronun dalga mı parçacık mı belirsizliği üzerinde ilginç özellikler sergiliyor.

Elektron-girişim ölçer deneyleri ise, olağanüstü Aharanov-Bohm olayını doğruluyor; bu olayda, bir elektron, kendi bulunma olasılığının 0 olduğu bir bölgedeki bir manyetik alanın varlığını “duyuyor”. Bu, “ilişkili” (correlated) foton çiftinin sergilediği daha önce incelediğimiz yerel olmamadan farklıdır. Bu iki tür yerel olmama arasındaki bağıntı ile birlikte, kuvantum dünyasının doğasını araştıran başka deneylerle ulaşılan birçok çarpıcı sonucun da baştan başa anlaşılması, yapılacak bilimsel çalışmaların ne denli çok olduğunu bildiriyor.

Bu yazıda nitel yanlarını sunmaya çalıştığımız kuvantum dünyasının nicel yanlarının da öğrenilmesinin, geleceğin araştırmacıları için ayrıca yararlı olacağı kuşkusuzdur.

***

pS. 26 Ağustos sayfa notları:

– Gizli değişkenler, tünel süreci vb. için Hans von Aiberg’in “Arz’dan Arş’a…” serisi kitaplarına bakınız.
– Işık hızı sabittir ancak ışığın “kaynağı” ışığın hızını geçebilir (Bknz. Takyon teoremi /fiziği).
– Uzay ve/ya Zaman’da yolculuk gerçektir.