Marie Curie radyoaktivite çalışmalarına başladığında başlarda çok zorlanmıştı. Bunun sebebi de radyoaktivitenin inanılmaz rasgele bir süreç olmasıydı. O zamana kadar bilinen tüm fiziksel süreçlerin kesin bir nedeni ve kesin bir sonucu vardı. Fakat belirli bir atomun ne zaman bozunacağı ve radyasyon üretip üretmeyeceği konusunun rasgeleliği işte kuantum mekaniğinin bir konusuydu. Kuantum fiziği bir atomun ne zaman bozunup bozunmayacağını söylemez zira. Bozunmayı tahmin etmenin imkansız olduğunu söyler.
Fakat bu rasgeleliğe rağmen kuantum fiziği akılalmaz hassas tahminler yaparken de kullanılabiliyor. Elimizdeki en güvenilir teorilerden birisi. E bu nasıl oluyor peki? Tahmin edilemez bir evren nasıl bu kadar güvenilir olabiliyor? Gelin bakalım.
Öncelikle. Şu anda “kuantum elektrodinamiği” olarak bildiğimiz model bizim test yeteneklerimize göre değerlendirildiğinde neredeyse mükemmel çalışıyor. Yani bu modelle ilgili limitler teorik değil bizim deneylerimizle belirleniyor. Şöyle açıklayalım: Bir elektronun g-faktörü yani bir elektronun spini ve manyetik özellikleri arasındaki ilişkiyi açıklayan bu değeri birin trilyonda biri kadar bir hassasiyetle ölçebiliyoruz. Bu şuna benziyor. Eyfel Kulesi ve ABD’deki Özgürlük Heykeli arasındaki mesafeyi bir saç telinin onda birinden daha az bir hata payı ile tahmin etmeye benziyor. Yani. Bayağı güvenilir bir teori var elimizde.
O yüzden. Rasgeleliği iyi anlamak lazım. Bir kuantum sisteminin rasgeleliği neyden bahsettiğinize göre değişir. Örneğin bir atomdaki elektronlar oldukça tahmin edilebilir biçimlere ve enerji seviyelerine sahip orbitallerde bulunur. Fakat bu orbital içerisinde bir elektronun konumunu ölçmeye kalktığınızda bunun rasgele olduğunu görürsünüz. Tahmin edilemezdir.
Ve aslında kuantum mekaniğinin en büyük zaferlerinden biri de Albert Einstein’ı haksız çıkarmasıydı. Biliyorsunuz. Tanrı zar atmaz demişti Einstein. Fakat defaatle gördük ki kuantum mekaniğine göre tanrı zar atıyordu. Evrendeki her şey birden fazla durumda bulunuyor fakat bir ölçüm yaptığınızda, gözlem yaptığınızda hemen belirli bir durumda bulunuyordu. Gözlemin ne olduğunu ve ölçümün ne yaptığını bir kenara bırakırsak ki bunları bayağı bir konuşmuştuk daha önce malum, bir ölçümün sonucu yani bir şeyin bulunacağı durumun ne olduğu inanılmaz rasgele ve tahmin edilemezdir. Yani şunu yapmak şu aşamada mümkün gözükmüyor: inebildiğiniz kadar temel parçacıklara, temel durumlara inin, hiçbir noktada “hee bu yüzden rasgele görünüyor ama aslında değil”… Bunu söylemek maalesef imkansız. Yani. Evet. Gerçekten rasgele bir evren kuantum evreni.
Örneğin. Bir ışın ayırıcı ya da bölücüden bir ışık geçtiğinde enerjisi ile birlikte ikiye bölünerek iki ışına ayrılır. Dalga olarak tanımladığımızda bunu açıklaması kolaydır. Dalganın enerjisinin bir kısmı doğrudan aktarılır, bir kısmı ise ayırıcıdan seker. Kuantum teorisinde enerjiyi inanılmaz düşürüp her seferinde tek foton gönderecek şekilde ayarlasanız bile ışığı ve aslında her şeyi “dalga” olarak tanımlamaya devam edersiniz.
Yani bir dalganın yansımasını veya geçmesini matematiksel olarak nasıl açıklıyorsanız fotonu da geçer ya da yansır şeklinde aynı mantık ile açıklarsınız. Bu ışınların yoluna birer detektör koyup bir ölçüm yaptığınızda ise garip şeyler olmaya başlar. Işık ikiye ayrılıp iki ayrı yönde ilerlemektense tek bir yoldan gitmeyi tercih etmeye başlıyor. Hangisinden geçiyor peki? İşte sorun da burada. Fotonun hangi detektöre geleceğini tahmin etmeniz imkansızdır. Rasgele bir şekilde iki detektörden biri uyarı verir size.
Yani evet. Kuantum fiziksel sistemlerin ölçümlerinde çözülemez bir rastgelelik vardır. Az önceki örnekte ve daha sayısız örnekte olduğu gibi doğru bir tahmin yürütmek imkansızdır.
Şunun gibi aslında. Bir araba var ve bu araba bir yol ayrımında. Siz de uzaktan bu arabanın hangi yolu seçeceğini tahmin etmeye çalışıyorsunuz. Normal şartlarda, bu tamamen rastgele gibi görünür. Ama quantum mekaniğinde durum biraz farklı. Önceki örnekteki gibi, bir ışık huzmesi (veya foton) bir ışık bölücüden geçtiğinde, her iki yolu da aynı anda takip ediyor gibi düşünülebilir. Yani ayrılan yolların sonuna gittiğinizde arabanın hangi yolu tercih ettiğini belirlemeye kalktığınızda aslında arabanın aynı anda iki yoldan da gittiğini gözlemleyebilirsiniz. Garip geliyor değil mi? Bu mümkün değil. İşte sorun da burada başgösteriyor.
Zira geleneksel fizikte, Newton’un hareket yasalarından Maxwell’in denklemlerine kadar her şey, deterministik bir evrende yaşadığımız fikrine dayanır. Yani, eğer bir sistemdeki tüm başlangıç koşullarını biliyorsak, o sistemin gelecekteki durumunu tam olarak tahmin edebileceğimiz varsayılır. Ancak, kuantum mekaniği bu anlayışı kökünden sarsar.
Kuantum mekaniğinin temel bir özelliği, Heisenberg’in belirsizlik ilkesidir. Bu ilke, bir parçacığın konumunu ve momentumunu aynı anda belirli bir kesinlikle ölçmenin mümkün olmadığını söyler. Düşünün ki, bir futbol maçında topun tam olarak nerede olduğunu ve ne kadar hızla hareket ettiğini aynı anda bilememek gibi bir şey bu. Kuantum dünyasında, bu iki bilgiyi aynı anda net bir şekilde elde etmek mümkün değil.
Fakat bir sistem hakkında tam bilgiye sahip olmasak bile, kuantum mekaniği, o sistemin muhtemel sonuçlarının olasılıklarını çok doğru bir şekilde tahmin edebilir. Zar atmak benzetmesine başvurabiliriz burada yine. Evet. Hangi sayının geleceğini kesin olarak bilemezsiniz. Zarın her yüzünün gelme olasılığı vardır. Fakat bu olasılıkları hesaplayabiliriz. Kuantum mekaniği de, çok daha karmaşık sistemler için, bu ‘olasılık dalgalarını’ hesaplar.
Bahsettiğimiz bir elektronun bir atom etrafındaki muhtemel konumları, aslında bir olasılık bulutu olarak tasvir edilir. Bir elektronu belirli bir anda nerede bulacağınız tamamen rasgele görünse de, olasılık bulutu, elektronun nerede bulunma ihtimalinin yüksek olduğunu veya olmadığını ‘gösterir’. Bu, bir şehirdeki hava durumu tahminine benzer: yağmurun tam olarak hangi sokakta yağacağını tahmin edemesek de, yağış olasılığını bilmek, şemsiye alıp almamaya karar vermemizde bize yardımcı olur.
Peki, neden kuantum mekaniği, net sonuçlar verememesine rağmen, tarihin en doğru teorisi olarak kabul edilir? Bunu anlamak için şu bilgiyi aklımızdan çıkarmamamız gerekiyor. Gerçek dünya bize çok tahmin edilebilir geliyor ya? İşte öyle değil. Çünkü gerçek dünya da, makro evren de aslında determinist değil. Aynı başlangıç koşullarına sahip deneyler bile farklı sonuçlar verebilir. Olasılıklar bizim yaşadığımız evrene de hükmeder. Ve kuantum mekaniği, işte bu olasılıkları tahmin etmede olağanüstü bir başarı gösterir. Rasgele bir evren için rasgeleliğin teorisi gibi.
Klasik teoriler, bir deneyden tek bir sonuç bekler. Ancak kuantum mekaniği, tüm muhtemel sonuçların olasılıklarını verir ve bu, gerçek dünyanın nasıl çalıştığına dair çok daha doğru bir resim sunar. Bu, bir futbol maçını izlemeye benzer: maçın sonucunu tam olarak tahmin edemesek de, hangi takımın kazanma olasılığının daha yüksek olduğuna dair fikir yürütebiliriz. Kuantum mekaniği, evrenin bu karmaşık maçında, olası sonuçların ‘bahis oranlarını’ bize sunar. Konu kapanmıştır diyebilir miyiz peki? Yani. Aslında diyebiliriz. Durum bu diye de kapatabiliriz mevzuyu fakat…
Birinin ruhu hala aramızda geziyor. O öldü belki ama hala buralarda bir yerlerde birilerinin zihinlerini rahatsız etmeye devam ediyor. Kim bu? Çok iyi biliyorsunuz kim olduğunu… Tabi ki sevgili Albert… Tanrı zar atıyordu ve Einstein kaybetmişti ya… Gizli bir değişken yoktu. İşte çok azınlıkta da olsa bazı fizikçiler hala Einstein’ı haklı çıkarmanın yollarını arıyorlar. Yani. Tabi konu Einstein değil ama o “gizli değişkenleri” arama çabası bitmiş değil. Evrende hakim olduğu düşünülen bu rasgeleliğin de bir “illüzyon” olduğunu düşünenler var. Bunu da yine kuantum tarihinin en önemli isimlerinden David Bohm’a dayandırıyorlar.
Bohmian Mekaniği olarak bilinen modelde atomaltı parçacıklar ve kuantum alanları temel bir şekilde açıklanırken tüm modern fiziğin de altyapısını içeriyor aslında. Ve bu modellerde evren belirli yönleri takip eden parçacıklar ve klasik manyetik veya elektrik alanları gibi sürekli alanlardan oluşur ve bunlar da gayet deterministik bir şekilde gelişirler. Bu modeller üzerinde çalışan Sheldon Goldstein, Detlef Dürr ve Nino Zanghi gibi bilim insanları bohmian mekaniğinin hem göreli parçacık süreçlerini gayet tutarlı bir şekilde açıkladığını ve bunu yaparken kuantum alan teorisinin hassas tahminlerini de yapabildiğini gördüler.
Hala gidecek yolları olduğunu söylüyorlar bu arada ama özetle şunu söylüyorlar: kuantum mekaniği aslında düşünüldüğü gibi rasgele olmayabilir, sadece öyle görünüyor olabilir diyorlar. Yani ufaktan o 1927 solvay konferansında başlayan efsane tartışmaların yeniden canlandığına şahit oluyoruz gibi. Kuantum mekaniği barındırdığı rasgelelik ile modern dünyayı inşa ederken bu çok kullanışlı teorinin açıklarını bulmaya çalışan bu bilim insanları bize yeni bir hikaye mi sunacaklar bilmiyoruz. Ama her haliyle bu hikayeyi çok seviyoruz. Siz ne düşünüyorsunuz? Gizli bir değişken bulacak mıyız?
Her şeyin teorisine eriştiğimizde Einstein tarihin tozlu sayfalarından bize gülümseyecek mi ne dersiniz?
