Bilim & Teknoloji

Kusursuz Bir Galibiyet: Kuantum Dolanıklığı


Mehmet Yılmaz 24 Ekim 16:48

Alman fizikçi Albert Einstein, 1905 yılında özel görelilik teorisini ortaya attı. Özel görelilik teorisinin ilkelerinden birinde evrendeki hiçbir şeyin ışık hızını (299.792.458 m/s) geçemeyeceği ibaresi bulunmaktadır. Ne makro ne de mikro hiçbir şey Einstein’in özel görelilik teorisine göre ışık hızını aşamaz. Einstein çok açık bir şekilde, deneylerle teorikleştirdiği evrenin limit hızını ilan etmişti. Ancak çeşitli bilim insanları uzun yıllar boyunca çalışmalar orataya koydu ve parçacıklar arasındaki ani iletişimin nasıl olduğunu, kuantum dolanıklığının kanıtını, vb. konularda Einstein’in karşıtında bir konum oluşturdular. Bunun sonucunda da Nobel Fizik Ödülü’ne layık görüldüler.

Tanrı zar atmaz!

Albert Einstein
Özel Görelilik animasyon resmi

Einstein’in gizli değişkeni

Einstein, Nathan Rosen ve Boris Podolsky ile birlikte kuantum mekaniğinin eksikliklerini belirlemek için çalışmalar yaptı. Yaptıkları çalışmalar, araştırmalar ve deneyler sonucunda 1935 yılında EPR paradoksunu ortaya attılar. Aslında bu paradoks bir nevi düşünce deneyiydi. Paradoksa göre Einstein şunları belirtti: Birbirlerinden ne kadar uzak olduğunun hiç önemli olmadığı iki parçacık birbiriyle anlık bir iletişim hâlindedir.

Şöyle ki aynı kaynaktan çıkan iki parçacık düşünün. Bu parçacığın birini laboratuvarda tutalım ve buna X parçacığı diyelim. Diğerini ise üç ışık yılı uzaklığa göndermiş olalım ve buna da Y parçacığı diyelim. Laboratuvarımızdaki parçacığımıza bir etki yapalım. Örneğin açısal momentumunu değiştirelim. Şimdi aynı kaynaktan çıkan bu iki parçacığın birbiriyle iletişim hâlinde olduğunu biliyorduk. Laboratuvardaki parçacığın açısal momentumu değişince uzaktaki diğer parçacığında değişmeli. Bunun için de uzaktaki Y parçacığına bir bilgi, haber benzeri bir ileti gitmeli ki Y parçacığı bunu algılasın ve değişimi kendine uygulasın.

Özel göreliliğe göre bu ileti maksimum ışık hızında ilerleyebilir. Bizde bu iletinin ışık hızında ilerlediğini varsayalım. Bu durumda ileti Y parçacığına 28,38 trilyon kilometre mesafe katederek varmış olacak. Tabii Y parçacığında meydana gelen değişimi de gözlemelememiz gerekecek. Bu da ayrı bir zaman demek. Yani biz özel göreliliğe göre X ve Y parçacıkları arasındaki iletişimi anında göremeyiz. Ancak deneyler aksini iddia etmekte! X parçacığında yapılan değişimi anında Y parçacığında da gözlemlemekteyiz. O hâlde bu ileti ışık hızından daha hızlı ilerlemekte.

Işık hızının geçilmesinin söz konusu olması bir kenara, düşünülmesi bile kozmik bir eğlence. İzafiyet teorisine göre bu imkansız. Einstein EPR paradoksuyla bunun böyle olamayacağını, arada gizli köprü gibi bir şeyin olabileceğini belirttti. Arada gizli bir değişken olmalıydı. O dönemlerde ve sonrasında bu konu üzerinde duran pek olmadı. Bir nevi düşünce, fikir çatışması olarak kaldı.

Dolanıklı parçalar temsili

John Stewart Bell

Kuantum dolanıklığı, EPR paradoksu, özel görelilik… Bunlar böyle birbirleriyle yarış hâlindeydi. Kim kimi egale edecek mücadelesinin silahlarıydı onlar. Einstein, Bohr, Heisenberg... Bunların her birinin diğerine karşı kullandığı birbirinden mükemmel teoriler, yorumlar, paradokslar vardı. Einstein EPR paradoksunu, Bohr Kopenhag yorumunu, Heisenberg de belirsizlik ilkesini tasarlayıp ortaya attı. Tek bir galip gelebileceği gibi birden fazla da galip gelebilirdi. Berabere gibi...

Ancak kuantum dolanıklığında tek bir galip olmalıydı. Hemen hemen herkes Einstein’i galip görüyordu. Ancak savunma hattının öneminin ileride anlaşılacağı karşıt deneyler ve teoriler hâlâ direniyordu. Çok uzun bir süre mücadele edecekler. Einstein’i yanıltmak, bir açığını bulmak için asla pes etmeyecek yeni yeni yöntemler deneyeceklerdi. Bunlardan ilki de 1964 yılında John Stewart Bell öcülüğünde başladı diyebiliriz. Bell CERN’de teorik fizikçiydi. Kuantum mekaniğinin eksiklikleri olduğuna Bell de inanıyordu. Ne ilginçtir ki o da Einstein ile paralel düşünmekteydi. Bell birkaç çalışma yaptı ve Bell Eşitsizliği adını verdiği düşünce deneyini tasarladı. Ancak bu düşünce deneyini somut deneye dökme fırsatını yakalayamadı. Bir düşünce deneyi olarak kaldı.

John Clauser

John Stewart Bell’in düşünce deneyi çok uzun bir süre gündeme gelmedi. Öylece tozlu raflarda kalakaldı. Ta ki yine bir klasikçi olan John Clauser ortaya çıkana kadar. Clauser 1972 yıllarında Columbia Üniversitesi’nde yüksek lisans yapmaktaydı. Bell gibi o da Kuantum mekaniği konusunda Einstein’le paraleldi. Bir gün üniversitenin bir bölümünde Bell’in düşünce deneyine rastladı. Bu deneyi somut anlamda gerçekleştirmek için kolları sıvadı.

Clauser elektronik alanında oldukça iyiydi. Deneyi tasarlaması kolay oldu. Oldukça pratik, sade bir mekanizma tasarladı. Bu mekanizmada çok sayıda fotonu karşılıklı ateşledi. Bu fotonlar birbirinden ayrı iki dedektöre veri gönderiyordu. Clauser bu veriler sayesinde fotonların özelliklerini yorumlayabilecekti. Böylece fotonlar arasında bir bağ kurulabilirdi. Clauser dedektörlerden aldığı verileri inceledi. Aralarında belirli bir düzen olmadığını, rastgelelik olduğunu gördü. Ancak fotonların polarizasyonlarını incelediğinde bir gariplik fark etti. Her iki dedektörden elde edilen polarizasyon verileri tıpkısının aynısıydı. O zaman Clauser, Einstein’in bunu açıklamada yetersiz kaldığını anladı. Clauser kuantum dolanıklığının varlığını ispatlamış gibiydi. O hâlde de Einstein yenilmiş olmuyor muydu?

Parçacık çarpıştırıcı

Ancak bilim dünyası Clauser’le aynı düşüncede değildi. Kimse tarafından pek önemsenmedi ki bu normaldi. Çünkü herkes kuantumdan istediğini alıyordu. Böyle bir şeyin onlar için pek de bir önemi yoktu. Gelgelelim Clauser de onlarla aynı düşünmeye başladı. Mekanizmayı kendisi kurduğundan bir hata yapmış olabilirdi. Deneye mekanizma entegreleri müdahale etmiş olabilirdi. Zira fotonlar arasındaki polarizasyon ölçümden sonra elde edilmekteydi. Kısaca Bell’in düşünce deneyi gerçekleştirilmiş olsa da bir adım öteye gidilememişti. Einstein öyle çalışmalar ortaya koymuştu ki arkası çok sağlamdı. Kimse onun yanılacağına ihtimal vermiyordu ki bu deneyi oluşturan kişiler bile Einstein ile paralel düşünmekteydi.

Alain Aspect

Clauser’in vazgeçişinden 10 yıl sonra, Alain Aspect 1982’de Clauser’in mekanizmasında bir değişiklik yaptı. Bu sefer fotonların polarizasyonlarını her 10 nanosaniyede bir ölçecekti. Bu ara Aspect de bir klasikçiydi. Evet, o da Einstein’in yanılmayacağını öngörüyordu. 

Fakat Clauser’in mekanizmasındaki Bell deneyini tekrarlayan Aspect, Clauser’le aynı sonuçları elde etti. Dedektörlerden gelen veriler pek de farklı bir şey söylemiyordu. Parametreler ve veriler değişmemiş. Ölçüm aletlerinde de oynama yoktu. Fotonlar anlık iletişim hâlindeler. Demek ki kuantum dolanıklığı daha da sağlamlaştı.

Anton Zeilinger

Einstein yanıldı demek... Bu pek de her kesimin kolaylıkla dile getirebileceği bir şey değil. Einstein resmen modern fizik veya kuantum fizik alanında eşi benzeri görülmemiş çalışmalar yapmış. Bu yüzden kuantumun, fiziğin babası olarak nitelendirilir. Eğer yanılacaksa da böyle yanılamazdı. Kusursuz, açık, eşi benzeri görülmemiş, bambaşka bir şey karşısına konmalıydı. 

Aspect’in tekrarladığı deney tam sonuca ulaşmakta yeterli değildi. Aspect deneyin ölçümünü her 10 nanosaniyede bir yapmaktaydı. Ama bu ölçüm ne kadar güvenilirdi? Deney elemanlarının verileri doğru algılaması ve sonuçları doğru göstermesi ne kadar kusursuzdu? Parametrelerin uyumu gerçekten de söylenildiği gibi miydi? Bunun üzerine Anton Zeilinger, Viyana Üniversitesi’nde ekibiyle birlikte çalışmalara başladı. Artık Zeilinger’in hedefi bu konuda apaydın, net bir sonuç elde etmekti. 1998’de deneyi tekrarladı. Deney mekanizmasında öyle bir değişiklik yaptı ki elde edilen verileri artık kimse reddedemezdi. Zeilinger ve ekibi; rastgele şeylerle, rastgele işler yapıldı ancak düzenli bir parametreler elde etti. Öyle ki polarizasyondaki değişimlerden bırakın devre elemanlarını, fotonların kendilerinin bile haberi yoktu. Yani deney kusursuzluğa ulaşmıştı.

Albert Einstein

Bilim dünyası yine Zeilinger’in bu çalışmasında açıklar olduğunu vurguladı. Bir türlü Einstein’in yenilgisi kabullenilemiyordu. Zeilinger de kuazarlardan gelen ışık dalgalanmalarıyla Kozmik Bell deneyleri yaptı ve hep aynı sonuçları aldı. Defalarca tekrarladı. Sonuç hep aynıydı. İşte tüm bu çalışmalar sonucunda 2022 Nobel Fizik Ödülü, John Clauser, Alain Aspect ve Anton Zeilinger’e verildi. 

Her ne kadar Einstein’in yanıldığı konusu sık sık geçse de şu unutulmamalı. Einstein en başta özel ve genel görelilik kuramları gibi çalışmaları yapmasaydı bu tarz bilimsel tartışmaların yapılması mümkün olmayabilirdi.

Bu yazıyı kargala!
0 Yorum