Kuantum Gizemleri: Parçacık-Dalga İkiliği, Kuantum Ölçüm Etkisi, Dalga Fonksiyonu

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!

“Tanrı zar atmaz!” Kuantum mekaniğinin, klasik fiziğin çelik gibi katı fizik yasalarının parçacık evreninde geçerli olmadığı ve burada rastlantısallığın hüküm sürdüğü yönündeki önermesine, bu sözlerle karşı çıkmıştı. Ama aradan geçen zamanda öğrendiklerimiz, Tanrı’nın ara sıra zar atmakla kalmadığını, iflah olmaz bir barbutçu olduğunu gösteriyor.

Einstein çağının çok ötesinde bir bilim adamıdır; neredeyse tüm öngörüleri on yıllar sonra da olsa gözlem ve deneylerle doğrulanmış, hatta kendisinin “En büyük hatam” diye nitelediği kozmolojik sabit düşüncesi bile, neredeyse bir yüzyıl sonra evrenin genişlemesini en iyi açıklayan kavram durumuna gelmiştir.

1.jpg
Kuantum dalga (temsili)

Tüm bu başarılarına karşın Einstein’ın tek yanlış öngörüsü kuantum evrenini yöneten fizik yasaları konusundadır. Einstein ile Kopenhag Okulu’ndan Niels Bohr, Erwin Schrödinger ve David Bohm gibi fizikçiler arasındaki tartışma daha çok kuantum dolanıklığı (quantum entanglement) üstünden yürüse de, iki görüş arasındaki ayrılık çok daha geniş ve derin bir çerçeveye sahiptir.

Son çözümlemede klasik bir fizikçi olan Einstein, klasik ya da parçacık fiziği fark etmeksizin, aynı yasaların geçerli olduğunu ve bunların gözlemciden bağımsız, deterministik ve fiziksel bir gerçekliğe dayandığını öne sürmüştür. Karşısındaki Kopenhag Okulu fizikçileri ise, parçacık evrenini yöneten yasaların gözlemciden bağımsız olmadığını ve parçacık fiziğinde determinizmin değil olasılıkların belirleyici olduğunu öne sürerek, değişmez bir fizik gerçekliğe karşı çıkmışlardır.

İzleyen paragraflarda kuantum evreninin gizemlerinden söz ettikçe daha iyi anlaşılacak, parçacık evrenine ve içinde yaşadığımız dünyaya hükmeden fizik kuralları birbirinden bütünüyle farklı görünür. Şöyle bir örnekle açıklamaya çalışalım; standart atmosfer basıncında (1 atmosfer) deniz seviyesinde her zaman 100 derecede kaynayan saf suyun, eğer kuantum mekaniği makro fizikte de geçerli olsaydı, ezici çoğunlukla 100, ama kimi durumlarda 500 ya da -100 derecede kaynadığını görecektik. Oysaki günlük yaşamımızda fizik yasalarının bu tür ihlaline hiç tanık olmuyoruz. Peki neden? Kuantum mekaniğinin, bir parçacığın olması olası her durumu içeren olasılık bulutu yani dalga fonksiyonu, neden, nasıl ve hangi aşamada klasik fiziğin sürprize yer olmayan katı yasalarına dönüşüyor?

Bu sorunun yanıtını hala bilmiyoruz ve ufukta bir ışık da görünmüyor; belli ki daha temel bazı gizemler çözülene dek bu konu da karanlıkta beklemek zorunda kalacak.

Parçacık-Dalga İkiliği, Kuantum Ölçüm Etkisi, Dalga Fonksiyonu

Işığın bir tanecik olduğunu öne süren Newton’un ardından, ışığın tanecik mi yoksa bir dalga mı olduğu konusundaki giderek artan tartışmalara son noktayı Thomas Young’ın 1801’de tasarladığı çift-yarık deneyi koyar. Deneyde, tek bir ışık kaynağından çıkan ışık demeti yan yana iki dar yarıktan geçer ve yarıklardan geçen ışık dalgaları arkadaki perdede bir girişim deseni oluşturur. Girişim, yalnızca dalgalar için geçerli bir olgu olduğu için ışığın dalga -da- olduğu kabul edilir bu deney sonrasında.

1927 yılında Amerikalı fizikçiler Clinton Davisson ve Lester Germer tarafından gerçekleştirilen ve Young deneyinin çeşitlemesi olan deney, ışık yerine elektron demetiyle yürütülür ve bu deney sonunda elektronların da dalga özelliği gösterdiği kanıtlanır.

Bunu 1961’de Alman fizikçi Claus Jönsson’un çift yarık deneyi izler. Fizik tarihinde önemli bir yeri olan bu dahice deney yanıtladıklarından çok ortaya attığı sorularla öne çıkar. Düzenek, Young deneyi ile benzerdir ama ışık kaynağı yerine bir elektron tabancası kullanılır. Önce, tabancadan fırlatılan elektron demeti çift yarıktan geçince beklendiği gibi arkadaki perdede o tanıdık girişim desenini oluşturur, evet ışık bir dalgadır. Sonra elektronlar demet olarak değil tek tek fırlatılmaya başlar; her elektron iki yarıktan birinden geçecektir doğal olarak. Elektronlar geçtikçe arkadaki perdede, yarıklar hizasında aydınlık noktalar birikmeye başlar, evet elektronlar aynı zamanda taneciktir. Ama deney sürdükçe bir süre sonra arkadaki perdede yeniden girişim desenleri oluşmaya başlar! Bu garip durumun iki açıklaması olabilir ki ikisi de birbirinden inanılmazdır. Ya her elektron bir girişim deseni oluşturmak için perdede nereye düşmesi gerektiğini bilir ya da aynı anda iki yarıktan birden geçerek kendisiyle dalga girişimi yapar! Her ikisi de akıl dışı görünüyor derseniz, kuantum dünyasına hoş geldiniz. Ama yalnız değilsiniz, 20. yüzyılın en önemli fizikçilerinden Richard Feynman’ın dediği gibi “Kuantum mekaniğini anladığınızı düşünüyorsanız demek ki hiçbir şey anlamamışsınız!”.

22.png
Kuantum alanı (temsili)

Jönsson deneyi burada bırakmaz; bu kez iki yarıktan birden geçmiş olması gereken elektronun hangisinden geçtiğini ölçmek için yarıkların arkasına birer algılayıcı cihaz koyar. Ortaya çıkan sonuç hayal gücü en geniş olanları bile şaşırtacak niteliktedir. Ölçüm cihazlarının konmasından sonra ekrandaki girişim deseni ortadan kalkar ve yalnızca yarıkların hizasında, tanecik olarak vuran elektronların yarattığı parlak iki çizgi kalır! Yani yarıkların ikisinden birden geçerek girişim yapan elektron, ölçüm yapıldığı anda dalga özelliğini kaybetmiş ve tanecik gibi davranmaya başlamıştır. Yeniden söyleyelim, deney düzeneği değişmediği halde, ölçümlemek, deneyin sonucuna etki etmiştir. Gözlemcinin/ölçüm cihazının varlığının, parçacık davranışını değiştirmesi, kuantum dünyasının en garip ama en temel özelliklerinden biridir.

Bu deneyden sonra biliyoruz ki kuantum parçacıklar/sistemler, içerdiği özelliklere bağımlı olarak mümkün olan tüm seçenekleri aynı anda içeren birer olasılık bulutu gibi davranır, bu duruma “süperpozisyon” adı verilir. Yani bir elektron ya da foton, gözlem/ölçüm yapmadığınız sürece hem dalga hem taneciktir, önünde iki yarık varsa hem birinden hem ötekinden geçer; ama ne zaman ki bir ölçüm yapılır, parçacık olası durumlardan birine “çöker” ve tanecik gibi davranarak yalnızca bir yarıktan geçer. Bu olgu “dalga fonksiyonun çökmesi” olarak adlandırılır ve kedisever Schrödinger’in ünlü dalga fonksiyonu iħ(∂ψ/∂t) = Ĥψ ile ifade edilir(1).

Aklınıza o zaman o elektronun konumunu ve momentumunu ölçerek onun hakkındaki bilgilere ulaşabileceğimiz gelebilir ama bu kez de karşımıza Heisenberg’in Belirsizlik İlkesi dikilir. Buna göre bir parçacığın konum ve momentumu aynı anda ölçülemez. Bir parçacığın momentumunu kesin olarak belirlemek için kullanılan ölçüm aracı bu kez konumun belirsizliğini arttırır. Konumunu ölçmeye kalktığınızdaysa bu kez momentumu ölçümlemeniz olanaksız olur. Sanki evrenin dokusuna işlemiş gizli bir fizik yasası bir parçacık hakkındaki her şeyi aynı anda bilmemizi olanak dışı kılar.

Peki bu durumda “Biri bakıncaya kadar Ay yoktur” önermesi yanlış mı? Evet yanlış, çünkü dalga fonksiyonu çökmesi yalnızca kuantum parçacıklarda gözlemlenir; makro dünyada buna rastlamıyoruz. Makro dünyada deterministik ve değişmez fizik kuralları, kuantum dünyasındaysa yalnızca olasılıklar vardır. O yüzden Einstein’ın çekinceleri son derece anlaşılır çünkü parçacık evreninde gözlemlediğimiz olgular, fiziksel dünyadaki tüm deneyimlerimize ve sağduyumuza aykırıdır.

22222.jpg
Erwin Schrödinger

Sağduyuya açıkça aykırı olan ölçüm etkisini açıklamak için öne sürülen kimi kuramların kendileri de daha az garip değildir. Hugh Everett tarafından 1957’de öne sürülen Çoklu Dünyalar yorumuna göre, elektron aslında bir yarıktan geçer ama aynı anda elektronun diğer yarıktan geçeceği alternatif bir evren de yaratılır; yani her seçim, diğer tüm olasılıkları içeren evrenlerin yaratılmasına yol açar.

Evet bu yorum belki kuantum ölçüm sorununu teknik olarak çözer belki ama başka devasa soruları kucağımıza bırakır; evrende parçacıkların dalga fonksiyonu çökmesi her an sonsuz kez meydana geldiğine göre şu an mevcut olması gereken sonsuz sayıdaki evren nasıl ve hangi enerjiyle yaratılmıştır? Garip gelebilir ama açıkladığı problemden daha büyüğünü yaratan bu kuram üzerinde çalışan çok sayıda fizikçi olmuştur ve günümüzde bile çok sayıda savunucusu vardır.

Akla daha yakın bir yorumsa Louis de Broglie’nin 1927’de ortaya attığı Madde Dalgası kuramını geliştiren David Bohm’a aittir. Buna göre her tanecik kendi dalgasına sahiptir ve bunlar “pilot dalga” olarak parçacığın hareketini yönlendirir; daha açık söylemek gerekirse çift yarıktan aynı anda geçen taneciğin kendisi değil pilot dalgasıdır, tanecik arkadan gelerek olasılığı en yüksek yarıktan geçer. Gözlem yapılmasının çökerttiği de, taneciğin değil pilot dalganın fonksiyonudur, bu durumda tanecik çökmez ve girişim oluşturmaksızın yine tek yarıktan geçer. Gördüğünüz gibi Pilot Dalga yorumu da ölçüm etkisine teknik bir çözüm getirir ancak tanecik ve pilot dalga arasındaki “etkileşimin” ışık hızından yüksek olmasını gerektirdiği için, bu yorum Einstein’ın Özel Görelilik Kuramına aykırılık taşır. Ama pilot dalga yorumu bu konuda yalnız değil; başka bir gizeme, “kuantum dolanıklığı”na baktığımızda da, dolanık parçacıklar arasındaki etkileşimin de ışık hızından yüksek olmasına gerektiğini biliyoruz, üstelik bunu kanıtlayan deneyler de var.

Ben hem kuantum ölçüm etkisi hem de kuantum dolanıklığı olgularının, daha derin bir gizem barındıran “evrenin dokusu” anlaşılmadan bir yanıt bulamayacağını düşünüyorum. Kuantum dolanıklığı ve diğer gizemleri de gelecek haftalarda anlatalım.

Not: Yazıda anlaşılır olması için hep tanecik ya da dalga olarak geçti ama büyük olasılıkla parçacık dediğimiz, bir kuantum alanının “kendisinin” belli noktalarda ve belirli frekanslarda titreşmesi, ki bu konudaki yeni ilerlemeler ancak kuantum alanlarının ve evrenin dokusunun daha iyi anlaşılmasıyla birlikte olanaklı olacak diye düşünüyorum.

  1. Dalga fonksiyonu farklı özellikteki parçalar ve bunların parametrelerine göre değişik biçimlerde gösterilir; buradaki en basitinden bir örnek.

Önceki ve Sonraki Yazılar
Oğuz Pancar Arşivi