Oğuz Pancar

Ya her elektron bir girişim deseni oluşturmak için perdede nereye düşmesi gerektiğini bilmektedir ya da aynı anda iki yarıktan birden geçerek kendisiyle dalga girişimi yapmıştır! Bunun “kuantumcasını” yazacak olursak: ilk kutuyu açan kişi önce notu okur, kutudaki eldiven hem sağ tek olabilir hem de sol, yani eldiven her iki olasılığı da içeren bir durumdadır (süperpozisyon). Sonra kutuyu açar ve sol tek olduğunu görür, yani eldiven <%50 sağ-%50 sol> durumundan nesnel bir duruma geçer (dalga fonksiyonu çökmesi). Eldekinin sol tek olduğu anlaşılır anlaşılmaz uzaktaki diğer eldiven de <%50 sağ-%50 sol> durumundan sağ tek durumuna geçer (kuantum dolanıklığı ve dalga fonksiyonu çökmesi).

Eskiden gazetelerde, farklı yerlerde yaşayan tek yumurta ikizlerinin birbirlerinin acı ya da sevinçlerini uzaktan hissedebildiklerine dair merak uyandıran haberler yer alırdı ara ara. Sonradan, seçilmiş ikizler üzerine yapılan uzun dönemli gözlem ve deneylerde kardeşler arasında bu türden bir telepatik bir iletişimin varlığına rastlanamadı ama kuantum dünyasında tam da bu türden, birbirine sıkıca bağlı ikiz parçacıkların varlığını son bir yüzyıldır biliyoruz: dolanık parçacıklar (entangled particles).

Dolanıklık, kuantum mekaniğinin en gizemli ve en çok tartışılan olgularından biri. Kuantum dolanıklığı iki ya da daha fazla parçacığın, fiziksel olarak çok uzakta olsalar bile “bir şekilde” bağlantılı olduğu bir durumu ifade eder. Bu bağlantı, parçacıklar arasındaki mesafeden bağımsız olarak “anında” gerçekleşir ve biri üstünde yapılan ölçümün diğerinin durumunu aynı anda etkileyeceği anlamına gelir. Albert Einstein bu olguyu, 1935 yılında Boris Podolsky ve Nathan Rosen ile kaleme aldığı ve günümüzde "EPR Paradoksu" olarak anılan makalede, "uzaktan hayalet etki" (spooky action at a distance) olarak nitelendirir. Einstein ve meslektaşları, yazılarında, kuantum mekaniğinin eksik ve yanlış olduğunu savunarak kuantum dolanıklığın klasik fizik anlayışıyla çelişen doğasına dikkat çeker. Bu paradoks, kuantum fiziğinin temellerini sorgulayan ve bilim dünyasında derin tartışmalara yol açan önemli bir dönüm noktası olarak kabul edilse de sonuçta bu tartışmada kazanan taraf EPR değil, Kopenhag Okulu olacaktır.

Korunum Yasaları

Dolanıklık, çoğunlukla parçacıkların aynı süreçten (örneğin, bir atomun bozunması, parçacık çarpışmaları veya bazı lazer süreçleri) doğmasıyla meydana gelir. Bu süreçte parçacıkların enerji, momentum, spin gibi kuantum özellikleri ilişkilenir ve dolanıklık ortadan kalkana dek birbirine bağlı kalır. Örneğin atomun bir alt enerji düzeyine inerken art arda yaydığı iki foton dolanıklık durumuna girebilir ya da doğrusal olmayan bir kristalden geçirilen foton daha düşük enerjili ve dolanık iki fotona bölünebilir. Yeni parçacıklar, kaynak fotonun “kuantum durumunu” (quantum state) miras olarak alır ve bu durum tüm dolanıklık süresince korunur. Örneğin doğrusal polarizasyonlu bir fotondan üretilmiş dolanık iki fotondan biri yatay diğeri dikey polarizasyona sahip olsun. Bu fotonları aynalar ve mercekler yoluyla optik kablolara yönlendirerek ters yönlerde kilometrelerce uzağa taşıyalım. Optik kablonun çıkışında birinin polarizasyonunu ölçtüğünüzde sonuç dikeyse diğer fotonun kesinlikle yatay polarizasyona sahip olduğunu anlayabilirsiniz. Deneyi biraz daha zorlaştıralım; dikey polarizasyona sahip olan fotonu optik plakalarla yatay polarizasyona dönüştürdüğünüz anda -ama tam da aynı anda- diğer fotonun polarizasyonu dikeye dönüşür. Yani dolanık parçacıkların birine yaptığınız etki, her ne kadar uzakta olursa olsun, aynı anda diğerine de yansır.

[Ama şunu da ekleyelim, dolanık bir parçayı belirli bir değeri almaya zorlamak çoğu kez dolanıklığın bozulmasına yol açacaktır.]

Bu duruma, klasik fizikte de geçerli olan enerji ve momentumun korunması gibi olgular yüzünden yabancı değiliz, ancak buradaki fark, uzaktan etkinin aynı anda olması yani ışık hızını bile aşması. Bir parçadaki değişiklik bilgisinin diğerine nasıl “iletildiği” konusuysa henüz açıklığa kavuşmuş değil.

[Bu etki makro dünyadaki şu örnekle açıklanır sıklıkla; bir çift eldiveniniz var, birini bir kutuya diğerini başka kutuya koyuyorsunuz; sonra rastgele karıştırdığınız kutuları, durumu bildiren bir notla birlikte dünyanın farklı yerlerinde yaşayan iki arkadaşınıza yolluyorsunuz. İlk kutuyu açan kişi, diyelim ki eldivenin sol teki olsun, diğer kutudakinin sağ tek olduğunu anında bilecektir.

Bunun “kuantumcasını” yazacak olursak: ilk kutuyu açan kişi önce notu okur, kutudaki eldiven sağ tek de olabilir sol da, yani kutudaki eldiven her iki olasılığı da içeren bir durumdadır (süperpozisyon). Bu kişi sonra kutuyu açar ve sol tek olduğunu görür, yani eldiven <%50 sağ-%50 sol> durumundan nesnel bir duruma geçer (dalga fonksiyonu çökmesi). Eldekinin sol tek olduğu anlaşılır anlaşılmaz uzaktaki diğer eldiven de <%50 sağ-%50 sol> durumundan sağ tek durumuna geçer (kuantum dolanıklığı ve dalga fonksiyonu çökmesi).]

Işıktan Hızlı

Başlangıçta dolanık parçaların çok uzak mesafelere taşınamaması yüzünden, aralarındaki etkileşim hızı için yapılan ölçümler hep hata payı içinde kalmış olsa da artık bu etkinin ışıktan çok daha yüksek bir hızla “iletildiğini” biliyoruz. Çin’in 2016’da uzaya yolladığı QUESS (Quantum Experiments at Space Scale) uydusundan yerdeki üç istasyona gönderilen dolanık fotonlarla yapılan ölçümlerde, birbirinden 1200 km uzakta bulunan parçacıklar arasındaki “iletişimin” aynı anda olduğu, yani ışık hızı engeline takılmadığı kanıtlanmış durumda.

Peki bu nasıl olabilir, Einstein’ın özel görelilik kuramının “Evrende hiçbir şey ışıktan hızlı gidemez” önermesi yanlış olabilir mi? Aralarında milyonlarca ışık yılı uzaklık olsa da iki parçacık nasıl anında “haberleşebiliyor?”. “İletişim” ya da “haberleşme” gibi sözcükleri tırnak içinde yazdım çünkü bu parçacıklar bildiğimiz anlamda haberleşmiyor, yani ikisi arasında herhangi bilgi gidip gelmiyor.

[Bu arada John Stewart Bell’in 1964’te öne sürdüğü, kuantum parçacıklara etki eden yerel ve gizli değişkenlerin mevcut olmadığını söyleyen kuramı, 1982'de fizikçi Alain Aspect tarafından başlatılan ve 2015’e kadar farklı ekiplerce sürdürülen bir dizi deney çalışması sonunda kanıtlanmıştır. Bu sonuç, dolanık iki parçacığın aynı anda etkileşimine etki eden bilmediğimiz yerel bir kuvvet olmadığı anlamına geliyor. Alain Aspect, John F. Clauser ve Anton Zeilinger’in bu konudaki çalışmalarıyla 2022’de Nobel Fizik Ödülü’nü kazandığını da ekleyelim.]

Işık hızından daha hızlı hareket etme olgusuna rastladığımız başka bir örnek daha var fizikte benim bildiğim; o da evrenin genişlemesi. Parçacık fizikçisi Alan Guth’un 1980’de ortaya attığı ve hala bu konudaki en önemli kuram olan Şişme Kuramı (Inflation Theory), evrenin Büyük Patlama’yı izleyen ilk 10^-36 ve 10^-32 saniye arasında 10⁷⁸ kat büyüdüğünü tahmin eder; yani ışık hızının çok daha üstünde bir hızda. Bu durum özel göreliliğin çiğnenmesi değildir çünkü burada genişleyen madde ya da enerji değil evrenin kendisidir, ki bu genişleme daha düşük hızlarda olsa da muhtemelen ışıktan hızlı olarak günümüzde de sürmektedir.

Uzayan Dalga

Bu örnekten yola çıkarsak belki de dolanık iki parçacık, ortak bir kuantum alanında birbirine bağlıdır ve bu alanın herhangi noktasındaki bir etki aynı anda tüm alan tarafından “hissedilmektedir”. Biliyoruz ki bildiğimiz her parçacık evrenin dokusuna işlemiş kuantum alanlardan biri ya da birkaçıyla etkileşim içindedir: elektromanyetik alan, zayıf nükleer alan, güçlü nükleer alan ve Higgs alanı (bazı kuramlar kütleçekimsel ve süpersimetrik alanları da öngörse de bunlara henüz fiziksel bir kanıt bulunamamıştır). Belki de elektromanyetik alanın taşıyıcısı olan fotonun en baştaki kuantum durumu, parçacıklar dolanık olarak çok farklı noktalara taşınsa da elektromanyetik alan (ya da evrenin dokusu) tarafından her durumda “bilinmektedir” ve birindeki bir değişiklik aynı anda diğerine de yansımaktadır.

[Eğer böyleyse, -şu an için- bilimsel bir değer taşımayan ve evrendeki her parçacığın birbiriyle ve bu arada özellikle zihnimizle bağlantılı olduğunu öne süren spiritüel öğretilerde bir haklılık payı olduğu ortaya çıkar.]

Ya da belki orijinal fotonun pilot dalgası, foton ikiye ayrıldığında ayrı pilot dalgaya bölünmekte ve bu iki dalga sürekli bağlı kalmaktadır, uzattıkça uzayan bir lastik gibi.

Kuantum dalga fonksiyonu açısından bakarsak, dolanıklık, iki ya da daha fazla parçacığa ait dalga fonksiyonlarının birleşerek tek bir fonksiyon gibi davranmasından başka bir şey değil. Böyle olunca, bir parçanın dalga fonksiyonu çöktüğünde diğerininkinin de çökmesi doğal. Buradaki sorun şu, ψ ile gösterilen dalga fonksiyonu -pilot dalgadan farklı olarak- matematiksel bir kavram yalnızca, bir parçacık hakkındaki tüm bilgileri ve durum olasılıklarını içeren bir soyutlama. Ama dolanık parçacıkların anında etkileşmesi, hayali dalga fonksiyonunun fiziksel bir dalga olabileceğine işaret ediyor. 2011’de Toronto Üniversitesi’nde yapılan bir çalışma, kuantum dalga fonksiyonlarının fiziksel bir gerçekçiliğe sahip olabileceği yönünde bazı ipuçları elde etti. Bu açıdan bakarsak, belki de pilot dalga ve kuantum dalga fonksiyonu aynı şey olabilir.

[Bu arada dolanıklığın, yüksek sıcaklık, güçlü manyetik alanlar ya da kozmik ışınlar gibi nedenlerle bozulabildiğini de eklemeliyiz. Bu olduğunda, dolanık parçaları bağlayan tek dalganın iki ayrı dalgaya nasıl ayrıldığını açıklamak gerekecektir.]

Kuantum Bilgisayarları

Kuantum dolanıklığına günlük yaşamda rastlamıyoruz ama bu durum çok yakında değişmek üzere. Şimdiden çeşitli bilgisayar şifreleme tekniklerinde dolanıklıktan yararlanılıyor; birkaç on yıl içinde kuantum ağların yaygınlaşacağı ve bunlarda dolanıklığın anlık veri transferi amacıyla kullanılacağı düşünülüyor. Bugünlerde çok konuşulan kuantum bilgisayarların da temeli, parçacık süperpozisyonu ve kuantum dolanıklığı mekanizmalarına dayanıyor. Dolanıklığın tıbbi görüntüleme cihazları ve radarlarda kullanımı için yürütülen pek çok proje olduğu da biliniyor.

[Bir parçacığı belirli bir kuantum duruma zorladığınızda çoğunlukla dolanıklığın bozulduğunu söylemiştik. Eğer bu işlem dolanıklık korunarak başarılabilirse, bunun haberleşmede bir devrim yaratacağı açık. Örneğin Mars’ta bir koloni kurulduğunu düşünün, bu koloninin yolladığı bir iletinin dünyaya ulaşması, Dünya ve Mars’ın yörüngelerindeki anlık konumlarına bağlı olarak, 22 dakika sürebilecektir. Yanıtın da bir o kadar süreceğini hesaplayınca, bir şey sorup yanıtını almanız arasında en az 44 dakika geçecektir. Oysaki dolanıklık iletişim için kullanılabilirse aradaki iletişim anlık olacaktır.

Bundan daha heyecan verici bir başka örnekse, “ışınlamanın” (teleportation) -bir bakıma- olanaklı hale gelmesi olabilir. Biliyoruz ki şu anda hayal edebildiğimiz teknolojilerle bile ışınlama yani bir nesneyi uzak mesafelere yollamak, mümkün değil. Ama bunun yerine, dolanıklığı kullanan bir teknolojiyle o nesnenin birebir aynısını, tüm atom ve molekül bilgisini yollayarak, uzakta yaratmak olanaklı olabilir çok da uzak olmayan bir gelecekte. Bu bir ışınlama mıdır, bir anlamda evet, bir anlamda hayır; ama sahip olabileceğimiz tek ışınlama ancak bu gibi görünüyor.]

Teknolojik olarak kullanabilsek bile dolanıklığın gerçek doğasını anlamaktan henüz çok uzağız. Haftaya başka kuantum gizemleriyle devam etmek üzere…