Kuantum Kuramına Saygınlık Kazandıran Kavrayış: Bell Teoremi

Şimdiye dek yapılmış en derin bilimsel keşiflerden biri olarak bakılan Bell Teoremi‘nden önce kuantum görüngüleri bütünüyle esrarengiz görünüyordu. Heisenberg’in belirsizlik ilkesi, Newton’un o güzelim deterministik evrenini mahfetmişti; artık “şimdi”nin eksiksiz bilgisiyle bile geleceği öngörmek mümkün olmayacaktı. Parçacıklar da sadece parçacık olmaktan çıkmış, bazen dalga bazen parçacık doğası sergileyen anlaşılmaz varlıklar haline gelmişti. Bu arada dalgalar da zaman zaman parçacık gibi davranıyorlardı. Tabi bir de aynı anda hem canlı hem ölü olan kediler vardı.

Einstein’ın bu çılgınlığı kabul etmeye niyeti yoktu. Bulanık kuantum dünyasının temelinde, insan gözünün göremeyeceği ve insan eli ile yazılmış denklemlerin ulaşamayacağı kadar derinlerde bile olsa, sağlam bir gerçeklik olduğuna inanıyor; saplandığı bu inançta ısrar ediyordu. Oluyormuş gibi görünen tuhaf olayların, aslında kuantum kuramının hatalı olmasından ileri gelen yanlış anlamalar olduğunu düşünüyordu. Kuramı birkaç kez çürütmeyi denedi; fakat kuantum fiziğinin hatalı olduğunu gösterebilecek bir deney gerçekleştiremedi. Tek yapabildiği kuantum görüngülerinin nasıl da inanılmaz biçimde gerçek olduğunu tekrar tekrar sergilemek oldu.

Gizli Değişkenler mi Var?

1935 yılında Einstein, hemen hemen Schrödinger ile aynı zamanlarda, kuantum kurallarının açıkça “yerellik“i ihlal ettiğine dikkat çekti. Yani çok uzaklarda gerçekleşen bir olayın, burada olanları anında etkileyemeyeceğini belirten yerellik ilkesi, kuantum dünyasında geçerli değildi. Boris Podolsky  ve Nathan Rosen ile ortaklaşa yazdıkları bir makalede Einstein, atomaltı dünyayı yöneten matematiksel bir düzenek olmak için kuantum mekaniğinin eksik gözüktüğünü söylüyordu. Eğer iki ışık parçacığı etkileşir ve ardından uzaklaşırlarsa, kuantum matematiği tarafından tek bir sistem olarak tanımlanmayı sürdürüyorlardı. Dolayısıyla evrenin iki ayrı ucunda bile olsalar, biri üzerinde yapılan ölçüm eşzamanlı olarak diğer parçacığın durumu hakkında bilgi veriyordu. Bugün biz bu görüngüye “dolaşıklık” adını veriyoruz.

Genellikle ölçülen parçacık özelliği spin ya da kutuplanma gibi bir şey olur. Dolaşık parçacıkları nasıl oluşturduğunuza bağlı olarak spinler ya da kutuplanmalar daima zıt olacaktır. Yani eğer parçacıklardan birinin spininin yukarı doğru olduğu ölçülürse, dolaşık eşinin spininin aşağı doğru olduğu anlaşılır. İlk bakışta bu gizemin çok basit bir açıklaması olabileceği akla gelebilir. Belki de durum bir çift eldiven alıp, tekini uzağa yollamak gibidir. Eğer gönderilen paketten sol el teki çıkarsa, sağ el tekinin göndericide olduğu anlaşılacaktır. Fakat kuantum fiziğini bu benzetme ile açıklayamayız. Durum daha ziyade, karşı tarafa parmaksız bebek eldivenlerinden gönderilmesine ve alıcı paketi açıp giyerken nesnenin normal eldivene dönüşerek sağ ya da sol tek haline gelmesine benzer. Göndericide kalan parmaksız eldiven teki de gönderilen paketin açılması ile eşzamanlı olarak parmaklı eldivene dönüşerek, sağ tek haline gelir.

En azından standart bakış açısı böyledir. Einstein sempatizanları ise “gizli değişkenler” olarak adlandırdıkları görünmeyen etkenler olabileceğini ve bunların ölçüm sonuçlarını kontrol ederek, parmaksız eldivenlerin sağ ya da sol ele uygun parmaklı eldivenler haline gelmelerini sağlayabileceğini öne sürdüler. Yaklaşık 30 yıl boyunca bu anlaşmazlığı çözmenin bir yolu bulunamadı. Herkes, kuantum mekaniğinin her iki farklı yorumunun da her çeşit deneyde aynı sonucu öngöreceğini düşünüyordu. Bell ise duruma daha derinlikli bir yaklaşım getirdi. 1964 Kasım’ında yayımlanan makalesinde, gizli değişkenlerin olduğu bir gerçekliğin farklı deneysel sonuçlar üreteceğini gösteren dahice bir matematiksel teorem ortaya koydu.

Deneyle Sınamak Mümkün mü?

Bell’in konuyu ele alışı, kuantum matematiğinin kesin sonuçlar değil, olasılıklar öngörmesi gerçeğine dayanıyordu. O zamanlar sadece hayali kurulabilen gerçek dolaşıklık deneylerinde, çok sayıda ölçüm yapılacaktı. Eğer her gün bir çift dolaşık parçacığın tekini A şehrindeki bir kişiye, diğer tekini de B şehrindeki bir kişiye gönderirseniz, bu kişilerin her ikisi de olası ölçümlerden istediklerini yapmayı seçebilirler. Yılda bir kez bu kişiler bir araya gelip ölçüm sonuçlarını karşılaştırırsa, sonuçların şansın ötesinde bir uyum gösterdiğini bulurlar. İlkesel olarak, aradaki bağlaşıklık (korelasyon) ya kuantum garipliğinden ya da gizli değişkenlerden kaynaklanır. Bell, işte bu iki açıklamanın farklı korelasyon dereceleri öngöreceğini gösterdi. Gizli değişkenler kullanılarak yapılan hesaplamada ölçümlerin %33 oranında uyuşması öngörülürken, gizli değişkenler olmadan yapılan kuantum matematiği en fazla %25’lik bir uyum öngörüyordu. Bu konuyla ilgili ayrıntılı açıklama için Brunner ve çalışma arkadaşlarının makalesini inceleyebilirsiniz.

“Bell eşitsizlikleri” adı verilen bu farklar, sonunda deneycilere sınayabilecekleri belirgin bir kriter sunmuş oldu. Bu amaçla deneylerin yapılmasına 1970’lerde başlandı ve 1980’lerde Fransa’da Alain Aspect ile çalışma arkadaşları kesin olarak Bell’in eşitsizliklerinin gerçek deneylerde ihlal edildiğini gösterdi. Bunun anlamı, kuantum dolaşıklık olayındaki gizemli bağlantıya yerel gizli değişkenlerin neden olamayacağıydı. Einstein’ın varolmasını umduğu “derinlerdeki gerçeklik” diye birşey yoktu. Bell 1989 yılında katıldığı bir fizik toplantısında şöyle demişti: “O şekilde düşünmenin işe yaramadığı ortada. Artık biliyoruz ki, Einstein’ın görüşünün savunulması mümkün değil.”

İhlal edilen şey Einstein’ın özel görelilik kuramında ortaya koyduğu “ışık hızının aşılamazlığı” değildi. Dolaşıklığın, zaman zaman hatalı şekilde işaret edilenin tersine, ışıktan hızlı anlık sinyal gönderimi ile alakası yoktu. Bir parçacığın ölçümü aslında diğerinin özelliğini anında belirlemiyordu. Sadece o özelliğin, ölçüldüğü zaman ne bulunacağını söylüyordu. (Bir ölçümün diğerini etkiliyormuş “gibi göründüğünü” söylemeye dikkat etmek gerek.) Yani durum şu ki, ölçümlerden birinin sonucunu biliyorsanız, hangisi daha önce ölçülmüş olursa olsun, diğerinin sonucunu da bilmiş oluyorsunuz. (Ayrıca kimi hallerde hangi ölçümün önce yapıldığı, özel görelilik uyarınca onlara göre ne hızda hareket ettiğinize bağlı olabilir. Konunun ayrıntıları 2008 tarihli yazıda bulunabilir.)

Yerel Olmayan Değişkenler Olabilir mi?

Bell teoreminin en büyük önemi aslında kuantum garipliklerinin gerçekten de garip olduklarını kanıtlaması sayılmaz. Kuantum mekaniğinin temelinde nelerin olduğunun araştırılmasını, uğraşmaya değer bir konu haline getirmesi daha fazla önem taşıyor olsa gerek. Kanada’da bulunan Perimeter Kuramsal Fizik Enstitüsü’nden Matthew Leifer, geçtiğimiz günlerde yayımlanan makalesinde “Bell Teoremi bize kuantum kuramının temellerinin, fiziğin güvenilir bir alanı olduğunu ve soruların sağlam argüman ve deneylerle çözülebileceğini, sonu gelmez bir tartışma olarak kalmak zorunda olmadığını gösterdi,” şeklinde ifade ediyor."

Bu teorem sayesinde kuantum kuramına ilişkin tartışmalar önemli aşamalar kaydetti. Çok sayıda kuantum görüngüsü tanımlanıp açıklandı ve böylece kuantum bilgi kuramı, kuantum haberleşme ve hesaplama gibi farklı alanların yolu açılmış oldu. Uzmanların yine de tartıştığı noktalar olabiliyor. Bell teoremleri, hepsinin kapanıp kapanamayacağı bilinmeyen bazı boşlukları da itiraf ediyor. Örneğin belki de gizli değişkenler, eğer gerçeklik yerel değilse, kuantum parçacıklara rehberlik ediyor olabilir. Ayrıca kuantum düzeyinde anlaşmazlık da, bir parçacığın “kuantum durumu”nun basitçe öngörü yapmak için kullanılan bilgiyi temsil mi ettiği, yoksa kendisinin gerçek bir şey mi olduğu konusunda sürüyor.

Kaynak
*Bilimfili - "Kuantum Kuramına Saygınlık Kazandıran Kavrayış: Bell Teoremi"
http://bilimfili.com/kuantum-kuramina-sayginlik-kazandiran-kavrayis-bell-teoremi/