Einstein kediyi kurtardı

Einstein kediyi kurtardı
Genel görelilik, kuantum etkileri bastırıyor...
Çağdaş bilimin üzerine oturduğu iki temel kuram, atomaltı ölçekte geçerli olan kuantum mekaniğiyle,
kozmik ölçeklerde etki yapan genel görelilik. Ne var ki, ikisinin de başarısının son derece duyarlı
deneylerle kanıtlanmasına karşın birbirleriyle uyuşmuyorlar.
Ancak yeni bir çalışma, Einstein’ın genel görelilik kuramıyla açıkladığı kütleçekiminin, atomaltı
dünyadaki olguları da etkilediğini gösterdi. Bulguların, kuantum dünyasında geçerli mekanizmalardan,
kuantum öncesi fizik tarafından açıklandığı için genelde “klasik” diye adlandırılan büyük ölçekli,
tanıdığımız günlük dünyada yararlanılması için yeni bir kapı açabileceği düşünülüyor. Örneğin,
mevcut bilgisayarlarla karşılaştırılamayacak kadar büyük işlem gücüne ve hızına sahip kuantum
bilgisayarların geliştirilmesine.
Kuantum dünyasının olguları, “klasik” dünyamızdaki algılarımıza, deneyimlerimize göre koşullanmış
mantığımıza ters geliyor. Bunlardan biri, atomaltı dünyada bir cismin (Ör: foton, elektron ya da bir
atom) aynı anda farklı kuantum durumlarında bulunabilmesi. Bir başka deyişle aynı anda farklı
yerlerde bulunabilmesi, ya da hem var hem de yok olabilmesi. Buna “kuantum üstüstelik” deniyor.
“Ve” mi, “ya da” mı?
Kuantum mekaniğinin
kurucularından Avusturyalı
fizikçi Erwin Schrödinger
bunu bir düşünce deneyiyle
gösterdi. Sonradan
“Schrödinger’in kedisi “ diye
ünlenen deney, kapalı bir
kutu içinde olduğu ve bir
Schrödinger’in 1935 yılında ortaya attığı düşünce deneyinde, bir kedi, çelik bir
atomun bozunup
kutunun içine kapatılıyor. Kutunun içindeki bir geiger sayacının içine de çok kçük
miktarda bir radyoaktif madde yerleştiriliyor. Bu madde içindeki atomlardan biri
bozunmamasına bağlı
rastgele bozunabilir ya da bozunmayabilir. Eğer bozunma olursa, olay, kalkık vaziyette
olarak ölü ya da canlı
tutulan bir çekicin düşerek içi hidrosiyanik asit dolu bir şişeyi parçalamasına ve çıkan
olabilecek bir kedi üzerine
gazın kediyi zehirleyerek öldürmesine yol açacak. Bozunma olmazsa kedi sağ kalacak.
kurulu. Kuantum üstüstelik
Kutunun içi dışarıdan görülemediği için kedinin ölü mü sağ mı olduğu bilinemiyor.
Dolayısıyla kedi aynı anda hem sağ, hem de ölü. Ancak kutu açıldığında, yani gözlem
uyarınca, sistem kendi
yapıldığında kuantum üstüste binme durumu bozularak kedi klasik dünyadaki ölü ya
haline bırakıldığında, kedi
da diri durumlardan birine düşüyor.
hem canlı, hem de ölü.
Ancak, kutu açıldığında,
yani gözlem yapıldığında bu belirsizlik ortadan kalkıyor ve daha önce üstüste binmiş kuantum
durumlardan (ölü ve diri), bir tanesi (ölü ya da diri) gerçekleşiyor.
Schrödinger’in “gözlem paradoksu” diye de adlandırılan bu düşünce deneyinin amacı, kuantum
mekaniğinin en yaygın kabul gören biçimi olan “Kopenhag yorumu”nun betimlediği atomaltı
dünyanın olasılıklara dayanan bulanık, net olmayan dinamiğini, algıladığımız büyük boyutlu “klasik”
dünyaya uyarlamanın olanaksızlığını göstermekti. Klasik dünyada netlik geçerli. Kuantum
dünyasındaki üstüstelik, ya da gerçekliğin bulanıklığı kayboluyor. Çünkü boyutlar büyüdükçe üstüste
durumdaki parçacık, kendini çevreleyen diğer parçacıklarla etkileşim ve ışık, ısı, titreşim vb. etkenlerle
içinde bulunduğu “uyum” durumunu kaybediyor ve üstüste binmiş kuantum durumlarından yalnızca
biri ayakta kalıyor.
“Kedi” ağırlaşınca...
Şimdiyse, Viyana, Harvard ve Queensland (Avustralya) Üniversiteleri’nden fizikçiler, kuantum
olguların gündelik ölçeklere taşınamamasında genel göreliliğin de, daha doğrusu tarif ettiği
kütleçekiminin de önemli bir rol oynadığını belirlediler.
Genel görelilik büyük ölçekli günlük dünyamıza uyumlu; ama onun da mantığı zorlayan öngörüleri var.
Bu kurama göre kütleçekimi, uzay ve zamanın eğriliğinin yol açtığı bir etki. Kütle uzay-zamanı eğiyor
ve uzay-zamanın eğriliği de kütleçekim etkisini ortaya çıkarıyor. Astronomik ölçeklere göre koskoca
dünyamız büyük bir kütle değil. Uzay zamanı bir çarşaf olarak düşünecek olursak, çarşafta yalnızca 1
cm kadar bir çukurluk meydana getiriyor. Dolayısıyla kütleçekimi fazla değil. Koskoca dünyanın masa
üzerindeki toplu iğneye uyguladığı kütleçekimini, küçücük bir mıknatısla yenip iğneyi havaya
kaldırabiliyorsunuz. Genel görelilikkuramına göre kütle (ve kütleçekimi) zamanın akışını da etkiliyor.
Ağır kütleler zamanın akışını yavaşlatıyor. Buna fizik dilinde “kütleçekimsel zaman genişlemesi”
deniyor. Örneğin kütle kendisine daha yakın olan bir cisim üzerinde, daha uzak olana kıyasla daha
büyük bir kuvvet uyguladığından, zemin katında yaşayan
birisi, bir üst katta oturana kıyasla daha yavaş
yaşlanıyor. (yılda 10 nanosaniye ya da milyarda 10
saniye kadar!..)
Viyana Üniversitesi ile Kuantum Optik ve Kuantum
Enformatik Enstitüsü’nden Caslav Brukner
yönetimindeki araştırmacılar, maddenin yapıtaşlarınnın
moleküller, mikroplar ya da toz parçacıkları gibi giderek
daha büyük bileşik cisimler oluşturdukça, Dünya’daki
zaman genişlemesinin bunların kuantumsal
davranışlarını bastırdığını gösterdiler.
Yapıtaşları, daha büyük yapılar oluşturdukça, çok küçük ölçeklerde titreşiyorlar. Bu titreşimlerin
frekansları da zaman genişlemesinden etkileniyor. Titreşim yerde yavaşlarken, yerden yükseldikçe
(yani yapı karmaşıklaşıp klasik dünyaya doğru ilerledikçe) hızlanıyor. Bu etki de kuantum üstüsteliği
yok ediyor ve daha büyük cisimleri gündelik dünyamızda alıştığımız biçimde davranmaya zorluyor.
Sonuçta, Einstein’ın görelilikkuramı ve öngörüleri sayesinde kutu içindeki gerçek bir kedinin bir
atomun bozunmasıyla ölme tehlikesi yok. Kutuyu açınca yapacağınız gözlem, ölü değil, yalnızca
korkmuş bir kedi olacak.
Kedinin ayak izleri
Schrödinger’in kedisinin içinde bulunduğu çelik kutu kapalı kaldığı sürece akıbetinin belli olmaması,
yani sağ mı, ölü mü olduğunun ancak kutu açıldığında belli olması, düşünce deneyinin temel
unsurlarından biri. Kutu kapalıyken rastlantısal bir olaya bağlı olan kedinin kaderinin ne tarafa
yöneldiği belli değil. Kuantum kuramcılarına göre kedinin kaderinin belli olması ani bir olaydı. Kutu
açıldığında üstüste binmiş belirsiz durum, belirli, klasik bir duruma çöküyordu.
Daha doğrusu, yakın zamana kadar öyleydi. California Üniversitesi (Berkeley) ile Washington
Üniversitesi’nden araştırmacılar, kedi metaforuyla temsil edilen üst üste binme durumundan klasik
duruma geçişin, ani bir olay değil, bir süreç olduğunu, ve bu süreç boyunca kutu açılmadan da
sistemden sürekli bilgi alınabileceğini gösterdiler.
Berkeley’den fizik doçenti Irfan Siddiqi ve Washington Üniversitesi’nden araştırma görevlisi Kater
Murch yönetimindeki ekibin bulguları 31 Temmuz 2014 tarihinde Nature dergisinde yayımlanan
deneylerinde, Schrödinger’in kedisi rolünü mutlak sıfırın (-273.15°C) eşiğine kadar soğutulmuş bir
süperiletken devre üstlenmiş. Devre, tıpkı bir atom gibi belli enerji düzeylerinde bulunabildiğinden,
buna yapay atom da deniyor. Kuantum sistemini, devrenin en alt iki enerji düzeyi temsil ediyor; taban
durumuyla bir üstteki uyarılmış durum. Bu iki durum arasında taban ve uyarılmış düzeylerin üstüste
binmiş sayısız durumu ya da bileşimi yer alıyor.
Eskiden bu kuantum durumlarını izlemek fizikçiler için olanaksızdı; çünkü bir ölçüm yapıldığı anda
sistem çöküveriyordu. Ancak, Berkeley-Washington ekibi, “zayıf ölçüm” ya da “nazik ölçüm” denen
bir teknikle, sistemin bu durumlar arasında izlediği yolu belirleyebilmiş. Yöntem şöyle işliyor:
süperiletken devre (kedi), bir mikrodalga kutusu içine alınıyor. Ardından kutuya az sayıda mikrodalga
fotonu gönderiliyor ve bunların kuantum durumları süperiletken devreyle etkileşiyor. Ancak,
mikrodalga fotonlarının kuantum durumları
devreninkilerden çok farklı olduğundan devreyi taban
ve uyarılmış düzey arasına sokamıyorlar. Dolayısıyla
soğurulacak yerde devrenin o anki kuantum durumu
hakkında, faz değişimi (dalga fonksiyonundaki tepe ve
çukurların genliklerinin değişmesi) biçiminde bilgi
taşıyarak kutudan çıkyorlar. Ancak bu bilgi sınırlı
olduğundan, kuantum durumlardan birinden ötekine
doğru olan rotayı belirlemek için ölçümün
tekrarlanması gerekiyor. Tam bir milyon kez!..
Kuantum kedi ne zaman gerçekleşir?
Peki, kuantum dünyasıyla, klasik dünya arasındaki
sınır nerede? Bir başka deyişle, bir cisim ne kadar
büyüdüğünde kuantum dünyasından çıkıp tanıdığımız
dünyaya giriş yapmış oluyor? Bir başka deyişle, cisim
üstüstelik durumunu koruyabilmek için en fazla ne
kadar büyüyebiliyor?
Duisburg Üniversitesi’nden (Almanya) fizikçiler Stefan Nimmrichter ve Klaus Hornberger bir cismin
kuantum mekaniğinin geçerli olduğu mikroskopik dünyadan çıkıp genel göreliliğin hakimiyetindeki
klasik dünyaya geçiş için ne kadar “makroskopik” olması gerektiğini hesaplamak için bir matematik
modeli geliştirmişler. Şöyle ki:
Bir cismin kuantum durumunu ortadan kaldırmak (yani üstüste pozisyonunu bozmak) için
Schrödinger (dalga fonksiyonu) denkleminin dinamiğinde yapılması gereken asgari değişikliği
belirlemişler. Belli bir deney sonucunun makroskopikliği, o sonucun yasakladığı değişiklik sayısıyla
gösteriliyor. Cisim ne kadar makroskopikse, yasaklanan değişiklik sayısı o kadar yüksek. Bu
mekanizma, üstüstelik durumunun ne kadar uzun sürdüğünü gösteren “uyum süresine” dayanıyor.
Ama daha ağır bir molekül, hafif olana kıyasla daha fazla değişiklik yasakladığı için cismin kütlesi de
önemli. Bu iki parametre, üstüstelik durumunun ölçeğini gösteren bir üçüncüsüyle birlikte, logaritma
cetvelinde μ ile gösterilen bir değer oluşturuyor.
Nimmrichter ve Hornberger şimdiye kadar en yüksek makroskopiklik derecesini, 2010 yılında Viyana
Üniversitesi’nde katıldıkları bir deneyde 356 atomluk bir cisimle 12 μ olarak elde etmişler.
Araştırmacılara göre ileride yarım milyon altın atomu kullanılarak 23 μ değerine kadar çıkılabilir.
İki araştırmacı daha sonra gerçek bir kedinin üstüste iki durumda ne kadar kalabileceğini
hesaplamışlar. Bunun için “kedi”yi, 4 kg ağırlığında küre biçimli bir su kütlesi olarak modellemişler.
Küresel kedinin aynı anda birbirinden 10 cm uzaklıkta iki yerde birden bulunması için 57 μ değeri
gerekiyor. Bu da bir elektronun üstüste durumda 1057 saniye kalmasına karşılık geliyor. Yani evrenin
13.8 milyar yıllık yaşının 1039 katı ya da bir milyar kere katrilyon kere katrilyon katı kadar!
Nimmrichter “Asla ‘asla’ dememek lâzım; ama herhalde bir kediyi kuantum üstüstelik durumuna
sokamayacağız” diyor.
Raşit Gürdilek
KAYNAKLAR:
“Einstein saves the quantum cat”, University of Vienna, 16 Haziran 2015
“Quantum measurements leave Schrödinger’s cat alive”,
http://www.newscientist.com/article/dn22336-quantum-measurements-leave-schrodingers-catalive.html#.VYeybUYXWUk
“Finding quantum lines of desire”, Washington University in St. Louis, 30 Temmuz 2014
“Watching Schrödinger’s cat die (or come to life)”, University of California – Berkeley, 30 Temmuz
2014
“How fat is Schrödinger’s cat?”, Physics World, 25 Nisan 2013