Kuantum Fiziğiyle İlgili Dört Yaygın Yanlış Anlama

Atomların ve parçacıkların mikro dünyasını yöneten teori kuantum mekaniği, kesinlikle istisnai özelliğe sahiptir. Fiziğin diğer birçok alanından farklı olarak, tuhaf ve sezgilere aykırıdır, bu da onu büyüleyici ve merak uyandırıcı kılar. 2022 Nobel fizik ödülü, kuantum mekaniğine ışık tutan araştırmaları nedeniyle Alain Aspect, John Clauser ve Anton Zeilinger'e verildiğinde, heyecan ve tartışmayı ateşledi.

Ancak, sohbet forumlarında, medyada veya bilim kurguda olsun, kuantum mekaniği hakkındaki tartışmalar, bir dizi inatçı mit ve yanlış anlama nedeniyle çoğu zaman karmaşık hale gelebilir. İşte dördü.

 

1. Bir kedi hem ölü hem de canlı olabilir

Erwin Schrödinger, Schrödinger'in kedisi düşünce deneyinin 21. yüzyılda internet meme statüsüne kavuşacağını muhtemelen asla tahmin edemezdi.

Rastgele bir kuantum olayı (örneğin radyoaktif bozunma) tarafından tetiklenen bir kapama anahtarına sahip bir kutuya sıkışmış şanssız bir kedinin, kutuyu kontrol etmek için açmadığımız sürece aynı anda hem canlı hem de ölü olabileceğini öne sürer.

Kuantum parçacıklarının aynı anda iki durumda, örneğin iki konumda, olabildiğini uzun zamandır biliyoruz. Buna süperpozisyon diyoruz.

Bilim insanları bunu, foton veya elektron gibi tek bir kuantum parçacığının bir duvardaki iki farklı yarıktan aynı anda geçebildiği ünlü çift yarık deneyinde gösterebildiler. Bunu nereden biliyoruz?

Kuantum fiziğinde, her parçacığın durumu aynı zamanda bir dalgadır. Ancak yarıklardan birer birer bir foton akışı gönderdiğimizde, yarığın arkasındaki ekranda birbirine girişim yapan iki dalga deseni oluşturur. Her bir fotonun yarıklardan geçerken girişim yapacağı başka fotonlar olmadığından, her iki yarıktan da aynı anda geçmiş olması gerektiği anlamına gelir - kendi kendisiyle girişim yapar (aşağıdaki resim).

Girişim deseni.

 

Bununla birlikte, bunun işe yaraması için, her iki yarıktan geçen parçacığın süperpozisyonundaki durumların (dalgaların) “tutarlı” olması - birbirleriyle iyi tanımlanmış bir ilişkiye sahip olmaları - gerekir.

Bu süperpozisyon deneyleri, giderek artan boyut ve karmaşıklıktaki nesnelerle yapılabilir. Anton Zeilinger tarafından 1999'da yapılan ünlü bir deney, "buckyballs" olarak bilinen büyük Karbon-60 molekülleri ile kuantum süperpozisyonunu gösterdi.

Peki bu zavallı kedimiz için ne anlama geliyor? Kutuyu açmadığımız sürece gerçekten hem canlı hem de ölü mü? Açıkçası, bir kedi kontrollü bir laboratuvar ortamındaki tek bir fotona benzemez, çok daha büyük ve daha karmaşıktır. Kediyi oluşturan trilyonlarca atomun birbirleriyle olabilecek her türlü tutarlılığı son derece kısa ömürlüdür.

Bu, biyolojik sistemlerde kuantum tutarlılığın imkansız olduğu anlamına gelmez, sadece genellikle kediler veya insanlar gibi büyük canlılar için geçerli olmayacağı anlamına gelir.

 

2. Basit benzetmeler dolanıklığı açıklayabilir

Dolanıklık iki farklı parçacığı, birini ölçerseniz, birbirlerinden ne kadar uzakta olurlarsa olsunlar, diğerinin durumunu otomatik olarak ve anında bilmeniz için birbirine bağlayan bir kuantum özelliğidir.

Bunun için yaygın açıklamalar genellikle zarlar, kartlar ve hatta bir çift farklı renkli çorap gibi klasik makroskopik dünyamızdan günlük nesneleri içerir. Örneğin, arkadaşınıza bir zarfa mavi, diğerine turuncu kart koyduğunuzu söylediğinizi düşünün. Arkadaşınız zarflardan birini alıp açarsa ve mavi kartı bulursa, turuncu kartın sizde olduğunu anlayacaktır.

Ancak kuantum mekaniğini anlamak için, zarfların içindeki iki kartın ortak bir süperpozisyonda olduğunu, yani aynı anda hem turuncu hem de mavi olduklarını (özellikle turuncu/mavi ve mavi/turuncu) hayal etmeniz gerekir. Bir zarfın açılması rastgele belirlenen bir rengi ortaya çıkarır. Ancak ikinciyi açmak hala her zaman zıt rengi ortaya çıkarır çünkü ilk kartla “ürkütücü” bir şekilde bağlantılıdır.

Kartları, başka bir tür ölçüm yapmaya benzer şekilde, farklı bir renk takımında görünmeye zorlayabiliriz. “Yeşil mi yoksa kırmızı kart mısın?” sorusunu soran bir zarf açabiliriz. Cevap yine rastgele olacaktır: yeşil veya kırmızı. Ancak en önemlisi, kartlar birbirine dolanıksa, aynı soru sorulduğunda diğer kart her zaman tam tersi bir sonuç verecektir.

Albert Einstein bunu klasik sezgiyle açıklamaya çalıştı ve kartlara, belirli bir soru verildiğinde hangi renkte görüneceklerini söyleyen gizli, dahili bir talimat seti sağlanmış olabileceğini öne sürdü. Ayrıca, Einstein'ın teorileri tarafından yasaklanmış bir şey olan ışık hızından daha hızlı iletişim anlamına gelen, kartların birbirlerini anında etkilemelerine izin veren görünüşte "ürkütücü" eylemi de reddetti.

Ancak Einstein'ın açıklaması daha sonra Bell teoremi (fizikçi John Stewart Bell tarafından oluşturulan teorik bir test) ve 2022'nin Nobel ödüllü deneyleri tarafından reddedildi. Dolanık bir kartı ölçmenin diğerinin durumunu değiştirdiği fikri doğru değildir. Kuantum parçacıkları, günlük mantık veya dil ile tanımlayamayacağımız şekillerde gizemli bir şekilde ilişkilidir - Einstein'ın düşündüğü gibi gizli bir kod içerirken iletişim kurmazlar. Yani, dolanıklığı düşündüğünüzde gündelik nesneleri unutun.

 

3. Doğa gerçek dışıdır ve “yerel değildir”

Bell teoreminin genellikle doğanın "yerel" olmadığını, bir nesnenin sadece yakın çevresinden doğrudan etkilenmediğini kanıtladığı söylenir. Bir başka yaygın yorum, kuantum nesnelerinin özelliklerinin “gerçek” olmadığını, ölçümden önce var olmadıklarını ima etmesidir.

Ancak Bell teoremi yalnızca, aynı anda birkaç başka şeyi varsayarsak, kuantum fiziğinin, doğanın hem gerçek hem de yerel olmadığı anlamına geldiğini söylememize izin verir. Bu varsayımlar, ölçümlerin yalnızca tek bir sonucu (birden fazla değil, belki paralel dünyalarda) olduğu, sebep ve sonucun zamanda ileri doğru aktığı ve zamanın başlangıcından beri her şeyin önceden belirlenmiş olduğu bir “saat gibi işleyen evrende” yaşamadığımız fikrini içerir.

Dolanıklık kavramı.

 

Bell teoremine rağmen, zamanın ileri gitmesi gibi sağduyu olarak kabul ettiğimiz diğer bazı şeyleri kırmaya izin verirseniz, doğa gerçek ve yerel olabilir. Ve daha fazla araştırma umarız kuantum mekaniğinin çok sayıda olası yorumunu daraltacaktır. Ancak masadaki seçeneklerin çoğu – örneğin zamanın geriye akması veya özgür iradenin olmaması – en az yerel gerçeklik kavramından vazgeçmek kadar saçmadır.

 

4. Kuantum mekaniğini kimse anlamıyor

Klasik bir alıntı (fizikçi Richard Feynman'a atfedilmiştir, ancak bu şekilde Niels Bohr'un başka bir ifadesi de vardır) şöyle bir varsayımda bulunur: "Kuantum mekaniğini anladığınızı düşünüyorsanız, onu anlamıyorsunuzdur."

Bu görüş, kamuoyunda yaygın olarak kabul görmektedir. Kuantum fiziğinin, fizikçiler tarafından da dahil olmak üzere, anlaşılmasının imkansız olduğu varsayılmaktadır. Ancak 21. yüzyıl perspektifinden bakıldığında, kuantum fiziği bilim insanları için ne matematiksel ne de kavramsal olarak özellikle zor. Kuantum olgularını yüksek hassasiyetle tahmin edebildiğimiz, son derece karmaşık kuantum sistemlerini simüle edebildiğimiz ve hatta kuantum bilgisayarları oluşturmaya başladığımız noktaya kadar bunu son derece iyi anlıyoruz.

Süperpozisyon ve dolanıklık, kuantum bilgi dilinde açıklandığında, lise matematiğinden fazlasını gerektirmez. Bell teoremi herhangi bir kuantum fiziği gerektirmez. Olasılık teorisi ve lineer cebir kullanılarak birkaç satırda türetilebilir.

Gerçek zorluğun yattığı yer belki de kuantum fiziği ile sezgisel gerçekliğimizi nasıl uzlaştıracağımızdır. Tüm cevaplara sahip olmamak, kuantum teknolojisinde daha fazla ilerleme kaydetmemizi engellemeyecek. Sadece susup hesap yapabiliriz.

Neyse ki insanlığın şansına, Nobel kazananları Aspect, Clauser ve Zeilinger susmayı reddettiler ve nedenini sormaya devam ettiler. Onlar gibi diğerleri, bir gün kuantum tuhaflığını gerçeklik deneyimimizle uzlaştırmaya yardımcı olabilir.

 

Alessandro Fedrizzi, Fizik Profesörü, Heriot-Watt Üniversitesi ve Mehul Malik, Fizik Profesörü, Heriot-Watt Üniversitesi

Bu makale The Conversation’da yayınlanmıştır.