ARAŞTIRMA DOSYASI /// LEVENT ERTÜRK : DOĞA YASALARI ÜZERİNE DÜŞÜNCELER -11-

Artık, çift yarık deneyinin ve kuantum alan kuramlarının daha ileri seviyede yorumlarına geçilebilir. Önce Dr Stephen Hawking’den alıntılar yapacağım. Yazı dizimin sonunda ise John Gribbin’in kuantum fiziği ile ilgili bazı yorumlarına ve genel yorumlara yer vereceğim. Alıntılara devam ediyorum. (Büyük Tasarım. S.Hawking-LMlodinow)

Einstein belirsizlik ilkesinden rahatsız olmuş ve Tanrı’nın evrende zar atmadığını söylemişti.

Kuantum fiziğine göre ne kadar bilgiye veya ne kadar güçlü bir hesaplama yeteneğine sahip olduğumuz hiç fark etmiyor. Fiziksel süreçlerin sonuçlarını kesinlik dahilinde öngörmek mümkün değildir çünkü onlar kesinlik dahilinde belirlenmemiştir. Tersine, bir sistemin başlangıç koşullarını bilsek bile, doğa o sistemin geleceğini temelde belirsiz bir süreç yoluyla saptar. Bir başka deyişle, en basit durumlarda bile doğa bir sürecin veya bir deneyin sonuçlarını dikte etmez. Bunun yerine, her biri belirli bir gerçekleşme olasılığı taşıyan çok farklı senaryolara izin verir. Bu, Einstein’in yorumu ile Tanrı’nın zar atması gibi bir şeydir. Bu düşünce Einstein’i rahatsız etmiş, kuantum fiziğinin kurucularından biri olmasına rağmen, sonradan eleştirmeye başlamıştır.

Daha bu ilk cümlede Dr Hawking meselenin özüne inmiş durumda. Kuantum fiziğindeki belirsizlik, bir hesaplama eksikliği değildir. Doğanın bağrında yatan bir gerçekliktir. Einstein bu durumu sadece eleştirmekle kalmadı, kuantum fiziğinin “belirsizlik” ilkesini çürütmek için çalışmalar da yaptı. Mesela “kutudaki saat” düşünce deneyi gibi. Fakat Niels Bohr, ölçümler ne kadar hassas yapılırsa yapılsın momentum bilgisinde belirsizlik olacağını göstererek bu deneyin bir işe yaramıyacağı cevabını verdi. Derken ortaya “EPR Paradoksu” denen bir olgu daha çıktı ve kuantum kuramı bir zafer daha kazandı. Aslında her şey daha da garipleşiyordu. Madem ki, yaptığımız gözlem bir partikülün hızı ve konumu konusunda belirsizliğe yol açıyordu, o zaman iki ayrı parçacık üzerinde çalışılarak bir sonuca ulaşılabilirdi. Einstein şunu önerdi:

Birbirleriyle etkileşim içine girip sonra birbirinden ayrılarak uçan ve deneyci onlardan birini araştırmaya karar verene kadar başka hiçbir şeyle etkileşim içine girmeyecek iki parçacık hayal edin. Her bir parçacığın kendi momentumu var, her biri uzayda bir konumda yerleşmiş durumda. Kuantum kuramı kuralları çerçevesinde bile iki parçacığın toplam momentumunu ve birbirlerine yakın oldukları zaman aralarında bulunan mesafeyi tam olarak ölçmemize izin vardır. Çok daha sonra parçacıklardan tekinin momentumunu ölçmeye karar verirsek öteki parçacığın momentumunun ne olması gerektiğini otomatik olarak biliriz, çünkü toplamın değişmemesi gerekir.

EPR paradoksu adı verilen düşünce deneyi bir sistem üzerinde ölçüm yaparak diğer sistemde ölçülmeyen bir değeri tahmin etmeye dayanır. Bu konuda fizikçiler ikiye ayrılmışlardır.

Einstein kuantum mekaniğininin henüz tamamlanmadığını düşünüyordu. Çünkü ona göre, ortada bir “saçmalık” vardı. Eğer kuantum mekaniğinin Kopenhag yorumuna sapılırsa, iki sistemdeki ölçüm süreçlerinin, aralarında mesafe olsa dahi, birbirlerini etkilediğini kabul etmemiz gerekiyordu. Şunları yazdı:

“Kopenhag yorumunu kabul ederseniz o zaman bu yorum, ikinci sistemdeki konum ve momentumun gerçekliğini, ikinci sistemi herhangi bir şekilde etkilemeyen ilk sistem üzerinde yapılan ölçme sürecine bağlı kılar. Akla yakın hiçbir gerçeklik tanımı buna izin veremez.”

Buna benzer düşünce deneyleri ve itirazlar sonucu, kuantum fiziğinin değişik yorumları geliştirilmeye başlandı. O yorumlar en son bölümlerde derli toplu bir şekilde özetlemeye çalışacağım. Dr Hawking’den alıntıya devam ediyorum.

Kuantum fiziği doğanın yasalarla yönetildiği düşüncesini yıkmaya çalışıyor gibi görünebilir, ama durum bu değildir. Tersine, yeni bir “determinizm” anlayışını kabul etmemiz için bize yol gösterir. Doğanın yasaları belirli bir sistem için kesin bir geçmiş ve gelecek saptamak yerine, farklı geçmiş ve gelecek olasılıkları saptar. Bu durum bazılarının hoşuna gitmese de, bilim insanları kendi önyargılı düşüncelerini değil, deneylerle uyum gösteren kuramları kabul etmek zorundadır.

Bilimin bir kuramdan beklediği ilk şey test edilebilir olmasıdır. Kuantum fiziğine ait öngörülerin olasılıksal doğası, bu öngörülerin doğrulanmasının olanaksızlığı anlamına gelseydi, kuantum kuramları geçerli olarak nitelenemezdi. Ancak öngörülerin olasılıksal doğasına rağmen kuatum kuramlarını test edebilmekteyiz. Örneğin bir deneyi pek çok kez tekrar edebilir, farklı sonuçlara ait frekansların öngörülen olasılıklara uyduğunu doğrulayabiliriz. Kuantum fiziği bize hiçbir şeyin asla kesin bir noktada saptanamayacağını söyler, eğer aksi olsaydı momentumdaki belirsizliğin sonsuz olması gerekirdi. Aslında kuantum fiziğine göre, her parçacığın “evrenin herhangi” bir yerinde bulunma olasılığı vardır. Yani çift yarıklı deney düzeneğinde belirli bir elektronu bulma şansı çok yüksek olsa da, o elektronu Alpha Centauri sisteminin en uzak köşesinde veya ofisinizin kafeteryasında yediğiniz börekte bulma şansı her zaman vardır. Sonuç olarak, bir kuanta parçasına tekme atarak uçmasına izin verirseniz, onun tam olarak nereye gideceğini önceden söyleyebilmenizi sağlayacak herhangi bir bilgi veya yetenek söz konusu değildir. Ancak, deneyi pek çok kez tekrarlarsanız, elde ettiğiniz veriler onu bulabileceğiniz değişik noktaların olasılıklarını yansıtacaktır. Deneysel fizikçiler bunun gibi deneylerin sonuçlarının kuramın öngörüleriyle uyuştuğunu doğrulamaktadır.

Şimdi, olasılık kavramına geldik. Burda çok dikkat edilmesi gerekiyor. Ele alınan olasılık, bir piyango çekilişine benzeyen olasılık kavramı değil. Bu rastlantısallığı içeriyor ama ondan farklı yönleri de var. Devam ediyorum.

Kuantum kuramındaki olasılıklar farklıdır. Doğadaki temel rastlantısallığı yansıtır. Doğanın kuantum modelini oluşturan ilkeler, sadece gündelik deneyimimize değil, gerçeklik hakkındaki sezgisel kavramlarımıza da terstir. Ancak kuantum fiziği gözlemlerle uyum içindedir. Hiçbir sınamada başarısızlığa uğramamıştır ve bilimde kuantum kadar çok sınanan bir başka kuram yoktur.

Kuantum kuramının olasılık anlayışı top örneğindeki rastgele çekim mantığına benzer gibi görünse de, farklılıklar var. Bu yeni olasılık anlayışında, gözlemcinin seçime karışması gibi bir olgu da söz konusu.

1940’lı yıllarda Richard Feynman’ın kuantum ve Newton fiziğinin farklılığı hakkında şaşırtıcı bir yaklaşımı vardı. Çift yarık deneyindeki girişim örüntüsünün nasıl oluştuğu sorusu ilgisini çekmişti. Anımsayalım, iki yarık da açıkken gönderdiğimiz partiküllerin oluşturduğu görüntü, ilkinde yarıklardan yalnızca birinin, ikincisinde diğerinin açık olduğu iki deneyin sonucunda elde edilen örüntülerin toplamı değildir. Her iki yarık açıkken bir dizi açık ve karanlık şeritler elde ederiz ve karanlık şeritlere hiç parçacık ulaşmamıştır. Sanki parçacıklar, kaynaktan ekrana yaptıkları yolculuklarının bir yerinde her iki yarık hakkında bilgi edinmişlerdir. Bu türden bir davranış, gündelik yaşamımızdaki şeylerin davranışından büyük ölçüde farklıdır; örneğin, gündelik hayatta bir top bir yarıktan geçirildiğinde bir yol izler ve diğer yarıktaki durumdan etkilenmez.

Dr Hawking’in açıkladığı bu davranış üzerine, çılgınca bir yorum yapılmıştır ve üstelik bu çılgınca yorum gerçekten de doğru olabilir. Ya, parçacıklar “geleceğin bilgisine” sahipse? Bu varsayımı test etmek için de düzenekler hazırlanmıştır. Bir zaman kuramına göre, evrende olmuş, olacak her şey film kareleri gibi üstüstedir. Biz, kareler arasında sıçrama yapamayız ama parçacıklar tuhaf bir şekilde bu sıçramayı yaparlar ve biz onlardan daima gerideyiz demektir. Elbette, bu sadece bir yorumdur.

Richard Feynman. (1918-1988)

Newton fiziğine göre, her parçacık kaynaktan ekrana kadar tek ve kesinlikle tanımlanmış bir yol izler. Bu resimde, (Newton fiziğinde) parçacığın, yolculuğu sırasında yarıkların çevresini dolaşmak için yolundan sapması mümkün değildir. Ancak kuantum modeline göre, bir parçacığın başlangıç noktasından varış noktasına kadar geçen zaman içinde belirli bir konumda olduğu söylenemez. Feynman bunun, kaynaktan ekrana giden parçacığın izlediği bir yol “yoktur” şeklinde “yorumlanmaması” gerektiğini fark etti. Tersine, parçacık bu iki noktayı birbirine bağlayan olası bütün yolları kullanıyordu. Feynman’a göre kuantum fiziği ile Newton fiziği arasındaki fark buydu.

Bu nasıl olabilir? Bir parçacığın konumunun belirsizliği az çok kavranabilen bir şeydir. Ama bir parçacığın aynı anda olası tüm yolları kullanması nasıl mümkün olabilir? Bu durum bizleri “zaman anlayışımız” hakkında yeniden düşünmeye zorlamaktadır. “Ân” dediğimiz şey nedir ve onu kuantum çerçevesinde yeniden nasıl yorumlayabiliriz ?

Deneyde, her iki yarığın konumu önemlidir, çünkü parçacıklar tek ve belirli bir yol izlemek yerine, her yolu izlerler ve bunu eş zamanlı olarak gerçekleştirirler! Bu sanki bilim kurgu gibi geliyor ama değil.

Feynman’ın düşüncesine göre çift yarık deneyinde parçacıkların izlediği yollar şöyledir. Yalnızca bir yarıktan veya yalnızca diğer yarıktan geçerler. İlk yarıktan geçer, dönüp ikinci yarıktan çıkar sonra yine ilk yarıktan geçerler. Teorik olarak, tüm bunları yaparken nefis pizzalar satan bir lokantaya uğramaları veya Jüpiter’in etrafını dolaşmaları mümkündür. Feynman’a göre parçacık, hangi yarığın açık olduğu konusunda bu şekilde bilgi alır. Eğer bir yarık açıksa parçacık onun içinden geçer, her iki yarık da açıksa, parçacığın içinden geçtiği her iki yol birbirine karışarak bir girişim oluşturur. Bu çok delice gelebilir ama Feynman’ın formüllerinin çok daha kullanışlı olduğu kanıtlanmıştır.

Bu noktada, klasik fizikten tamamen koptuk. Klasik fizikte, mesela bir top mermisinin izleyeceği yol bellidir. Aksi halde zaten savaşlarda kullanılmazdı. Merminin kütlesi, momentumu, yer çekimi etkisi, rüzgarın direnci vb gibi değerler uygun bir matematikle formüle edilerek, merminin bir yere düşmesi ufak bir sapma payı ile gerçekleştirilir. Belki insan sezgileri ile büyük sapmalar olabilir ama bilgisayar destekli hesaplamalarla hedefe çok az bir sapma ile varılır. Bazı füzeler bir hedefi 1-2 metrelik sapma ile vurabilmektedir; zaten yaptıkları tahribat ve güçleri gözönüne alınırsa bu kadarcık bir sapmanın önemi yoktur. Ama bu yeni kuramda, sanki top mermisi her yeri dolaştıktan sonra hedefi hakkında bilgi ediniyor gibi …

Feynman’ın kuantum gerçekliğiyle ilgili düşüncesi, daha sonra anlatacağım kuramların anlaşılması açısından çok önemlidir. Bu nedenle nasıl çalıştığına dair bir izlenim edinmek için biraz zaman ayırmaya değer. Bir parçacığın A noktasından başladığı ve özgürce hareket ettiği basit bir süreç hayal edelim. Newton modelinde bu parçacık düz bir çizgi izler. Belirli bir zaman geçtikten sonra, bu düz çizginin sonunda parçacığı kesin olarak belirlenmiş B noktasında buluruz. Feynman’ın modelinde bir kuantum parçacığı A ile B’yi bağlayan bütün yolları dener ve her yol için adına “faz” denilen bir numara alır. Bu faz, dalganın pozisyonunu, yani dalganın tepe konumunda mı, çukur konumunda mı, aradaki belirli bir konumda mı olduğunu temsil eder. Feynman’ın bu fazı hesaplamak için kullandığı matematik formülü, bütün yollardan gelen dalgaları topladığınızda, A’dan başlayan ve B’ye ulaşacak parçacığın “olasılık genliğini” elde edeceğimizi gösterir. Olasılık genliğinin karesi de B’ye ulaşacak parçacığın gerçek olasılığını verir.

Feynman toplamına (Dolayısıyla A’dan B’ye gitme olasılığına) katkıda bulunan her bir tekil yolun fazı, sabit uzunlukta bir ok olarak düşünülebilir ama bu ok herhangi bir yönü göstermez. İki fazı toplamak için, bir fazı temsil eden oku, diğer fazı temsil eden okun sonuna yerleştirirsiniz ve böylece toplamı temsil eden yeni bir ok elde edersiniz. Fazlar ardı ardına sıralandığında, toplamı temsil eden ok çok uzun olabilir.

Aynı yönde ilerleyen vektörlerin toplamına benzemekte.

Ancak, oklar farklı yönleri gösteriyorsa birbirlerini geçersiz kılma eğiliminde olacaklarından, oktan geriye pek bir şey kalmayacaktır. Sonsuz sayıda yol olması işin matematiğini zorlaştırsa da, sonuç veriyor.

Feynman kuramı, kuantum dünyasından Newton fiziğinin nasıl doğabileceği hakkında bir fikir sunuyor. Feynman kuramına göre her yola ait faz Planck sabitine dayanır. Planck sabiti çok küçük olduğundan, birbirine yakın olan her yolun katkısını topladığınızda, fazlar normal olarak çok büyük değişiklik gösterecektir ve birbirlerini sıfırlama eğiliminde olacaklardır. Ancak kurama göre, fazların sıralanma eğilimi gösterdiği belirli yollar da vardır ve bunlar, parçacığın gözlemlenen davranışı için daha büyük bir katkı sağladıklarından tercih edilir. Büyük nesneler söz konusu olduğunda Newton’un öngördüğü yola çok benzeyen yolların fazları da benzeşecektir ve toplamdaki payları açık farkla büyük olacaktır. Yani etkili bir biçimde sıfırdan büyük olan tek varış noktası, Newton kuramı tarafından öngörülen noktadır ve bu varış noktasının sahip olduğu olasılık 1’e çok yakındır. Bu nedenle büyük nesneler Newton kuramının öngördüğü şekilde hareket ederler.

Tamam, pek anlaşılmayacak bir şey yok. Aynen, hareket eden futbol topunun izlediği yolun analizindeki mantık geçerli. Olasılık genliği Planck sabitine bölündüğünde, büyük parçanın izleyeceği yolun olası sapma değeri azalacak. Ama ya küçük parçalarda durum ne olacak ? Burda ise artık bir parçanın değil, bir sistemin analizi söz konusu. Tek tek her parçacığın olasılık genliği hesap edilemese de bütüne yönelik bir kavrayışa varılabilir.

Buraya kadar Feynman’ın kuramını çift yarık deneyi bağlamında ele aldık. Bu deneyde parçacıklar yarıkları olan bir duvardan geçiriliyor ve biz duvarın arkasına yerleştirilen bir ekrana ulaşan parçacıkların yerini ölçüyoruz. Genel olarak, Feynman’ın kuramı tek bir parçacığın değil bir “sistemin” olası sonuçlarını öngörmemizi sağlıyor. Bu sistem bir dizi parçacık, hatta bütün evren de olabilir. Sistemin başlangıç durumu ile daha sonra niteliklerini saptamak için yaptığımız ölçümler arasında, bu nitelikler bir şekilde gelişir ve fizikçiler buna “sistemin geçmişi” der. Örneğin çift yarık deneyinde parçacığı geçmişi, onun yoludur.. Yine bu deneyde olduğu gibi, verili herhangi bir noktaya ulaşan parçacığı gözlemliyebilme olasılığı, o noktaya götürülebilecek yolların tümüne bağlıdır. Feynman, genel bir sistemde herhangi bir gözlem olasılığının, o gözleme yol açan bütün olası geçmişlerden oluştuğunu göstermiştir. Bu nedenle onun bu yöntemine kuantum fiziğinin “geçmişler toplamı” veya “alternatif geçmişler” formülasyonu denir.

İşte bu noktada ortaya büyük bir yorum farkı ve ciddi bir soru çıkıyor. Alternatif geçmişler, gerçekleşme olasılığı varken hiç gerçekleşmemiş ölü geçmişler midir, yoksa, onların biz göremesek de gerçekleşmiş olduğu bir başka evren durumu var mıdır? Cevap olarak verilebilecek evet veya hayır yargılarımızdan nasıl emin olabiliriz?

Şimdi, bir başka kuantum ilkesine bakalım. Bu ilkeye göre bir sistemi gözlemlemek onun hareket biçimini değiştirir. Bir sistemi karşıdan öylece izleyemez miyiz ?

Aslında cevap zaten sorunun içinde gibi: biz de sistemin içindeyiz!

Hayır! Kuantum fiziğine göre bir şeyi “sadece” gözlemliyemezsiniz. Gözlem yapabilmek için, gözlemlediğiniz nesneyle etkileşmek zorundasınız. Örneğin bir nesneyi alışıldık anlamda görmek için üzerine ışık tutarız. Bir kabağın üzerine tuttuğumuz ışık elbette onu çok az etkileyecektir. Ancak küçücük bir kuantum parçacığının üzerine soluk bir ışık tutmak, yani onu fotonlarla vurmak bile büyük bir etkiye yol açacaktır. Bu durum kuantum fiziğinin açıkladığı gibi deneyin sonuçlarını değiştirecektir.

Bu düşünce “geçmiş” kavramımız üzerinde önemli sonuçlar doğurur. Newton kuramında geçmişin, kesin olaylar dizisi olarak var olduğu düşünülür. İtalya’dan aldığınız kıymetli bir vazonun yerde paramparça durduğunu görürseniz, kazaya yol açan olayları geçmişe doğru izleyebilirsiniz. Aslında, şimdiki zaman hakkında eksiksiz veriye sahipsek Newton yasaları geçmişin eksiksiz bir resmini hesaplamamıza olanak tanır. Bu resim, ister sevinçli ister acılı olsun, dünyanın kesin bir geçmişi olduğuna dair sezgilerimizle tutarlıdır. Hiç izlenmemiş olabilir, ama sanki bir dizi fotografını çekmişiz gibi, geçmişin varlığından emin oluruz. Ancak kuantum parçacıklarının kaynaktan ekrana giderken kesin bir yol izledikleri söylenemez. Gözlem yaparak yerini saptayabiliriz, ancak gözlemlerimiz arasında parçacık bütün yolları birden kullanır. Kuantum fiziğine göre, şimdinin gözlemi ne kadar mükemmel olursa olsun, gözlemlenmeyen geçmiş, tıpkı gelecek gibi, belirsizdir ve yalnızca olasılıklar yelpazesi olarak mevcuttur. Daha açık ve keskin bir ifade ile, evrenin tek bir tarihi veya geçmişi yoktur.

Delice mi? Ama bekleyin bu daha bir şey değil. Çünkü parçacıklar ile yapılan bir başka deney, “gecikmiş seçilim deneyi” ortaya kimsenin kabul etmek istemediği çarpıcı bir sonuç çıkardı. Önce klasik fizikte, bir türlü cevaplanamayan bir soruyu hatırlatmak isterim. Klasik fizikte, bir sistem belli yasalara uyup “geleceğe” doğru ilerletilebiliyorsa, aynı yasaları kullanarak geriye doğru yürütmememiz için de hiçbir sebep yoktur. Ama olaylar böyle işlemez. Neden ? Ölen insan geri gelmez, kırılan vazo tekrar birleşmez vs…

Oysa kuantum fiziğinde, bir partiküle müdahale edildiğinde, onun geçmişteki bir kararını etkileyebilmek gibi bir durum karşımıza çıkmakta.

-devam edecek-

Reklamlar

Etiketlendi:, , ,

Bir Cevap Yazın

Please log in using one of these methods to post your comment:

WordPress.com Logosu

WordPress.com hesabınızı kullanarak yorum yapıyorsunuz. Çıkış  Yap / Değiştir )

Twitter resmi

Twitter hesabınızı kullanarak yorum yapıyorsunuz. Çıkış  Yap / Değiştir )

Facebook fotoğrafı

Facebook hesabınızı kullanarak yorum yapıyorsunuz. Çıkış  Yap / Değiştir )

Google+ fotoğrafı

Google+ hesabınızı kullanarak yorum yapıyorsunuz. Çıkış  Yap / Değiştir )

Connecting to %s

%d blogcu bunu beğendi: