Einstein kediyi kurtardı. Genel görelilik, kuantum etkileri bastırıyor...

Transkript

1 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.

2 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 atomun bozunup bozunmamasına bağlı olarak ölü ya da canlı olabilecek bir kedi üzerine kurulu. Kuantum üstüstelik uyarınca, sistem kendi haline bırakıldığında, kedi 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... Schrödinger in 1935 yılında ortaya attığı düşünce deneyinde, bir kedi, çelik bir kutunun içine kapatılıyor. Kutunun içindeki bir geiger sayacının içine de çok kçük miktarda bir radyoaktif madde yerleştiriliyor. Bu madde içindeki atomlardan biri rastgele bozunabilir ya da bozunmayabilir. Eğer bozunma olursa, olay, kalkık vaziyette tutulan bir çekicin düşerek içi hidrosiyanik asit dolu bir şişeyi parçalamasına ve çıkan gazın kediyi zehirleyerek öldürmesine yol açacak. Bozunma olmazsa kedi sağ kalacak. 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 yapıldığında kuantum üstüste binme durumu bozularak kedi klasik dünyadaki ölü ya da diri durumlardan birine düşüyor. 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

3 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 ( 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,

4 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 saniye kalmasına karşılık geliyor. Yani evrenin 13.8 milyar yıllık yaşının 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

5 KAYNAKLAR: Einstein saves the quantum cat, University of Vienna, 16 Haziran 2015 Quantum measurements leave Schrödinger s cat alive, 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