John Gribbin – Schrödinger’in Yavru Kedileri – Gerçekliğin Peşinde

On yıl önce yayımlanan kitabımda kuantum kuramının tarihsel gelişimini yazarken, başka bir kitapta tekrar kuantum gizemleri temasına döneceğim aklımın ucundan bile geçmemişti. Schrödinger’in Kedisinin Peşinde’yi yazarken kuantum fiziğinin atomaltı dünyasının ne kadar garip ve gizemli olduğunu, tuhaf deney sonuçlarının sağduyuyla örtüşmeyen kuramları yaratması ve bunların da başka deneylerle doğrulanması sonucu oluşan ve fizikçileri böylesi tuhaf kavramları ciddiye almaya zorlayan o kusursuz mantığı da ortaya koymak için yola çıkmıştım. 1980’lerin ortaları itibariyle önemli olan şey bütün garipliklerine rağmen kuantum kuramının işe yarıyor olmasıydı – zira lazerlerin, bilgisayar çiplerinin, DNA molekülünün ve daha pek çok şeyin nasıl çalıştığını anlamamızı sağlayan kuram buydu. “Klasik” fizik denen eski fikirler böyle fenomenleri asla açıklayamaz. Schrödinger’in Kedisinin Peşinde’de vurguladığım gibi, önemli olan kuantum kuramının zor anlaşılır olması değil, enikonu işe yarıyor olmasıydı. Richard Feynman’m dediği gibi “hiç kimse”nin “kuantum kuramını anlamıyor” olması önceki kitabımı, “Sizi boşlukta, iç gıcıklayan imalarla ve daha anlatılmamış hikâyelerle bırakmaksan memnun olduğum yolundaki o utanmaz ifadeyle bitirebileceğim anlamına geliyordu. Fakat ben sizi boşlukta bırakmaktan memnunken pek çok fizikçi de o güne kadarki başarısıyla yetinmiyordu. İşe yarasa bile anlaşılmayan bir kuramdan hoşnut olmayınca, benim meseleyi en son değerlendirdiğim 1984 yılından bu yana kuantum gizemlerini çözmek için canla başla uğraşıyorlar. Bu süre içinde bazı gizemleri daha da gizemli hale getirip kuantum dünyasındaki garipliğin yeni yanlarını açığa çıkardılar. Kuantum gizemlerinin, dışarıdan bakanlar için gittikçe tuhaflaşan, çaresizlikten doğmuşa benzeyen açıkla- 16 SCHRÖDİNGER’İN YAVRU KEDİLERİ malarını geliştirdiler. Fakat aynı zamanda, son birkaç yıl içinde, altmış yılı aşkın bir çabanın sonunda nihayet neler olup bittiği hakkında hakiki bir kavrayışı sağlayabilecek bir açıklama buldular – sadece işin erbabına değil, gerçekliğin doğasıyla ilgilenen herkese anlaşılır gelen bir kavrayış. Bu yeni kavrayışın temeli sadece kuantum kuramının uygun yorumuna değil, aynı zamanda ışığın davranışının Albert Einstein’ m görelilik kuramı çerçevesinde açıklanışma dayalıdır. Bu kitapta iki hikâyeyi de güncelleyip Evrenin nasıl işlediğini en iyi şekilde açıklamak ve bütün kuantum gizemlerinin çözümünü bulmak için kuantum fikirleriyle görelilik kuramı fikirlerini bir araya getirmek gerektiğini gösteriyorum. Kuantum kuramının gelişimiyle ilgili tarihsel arka plana dair pek bir şey bulamayacaksınız; bunu zaten işlemiştim. Kuantum kuramına rüştünü ispat etmiş bir kuram olarak başlayıp bazı yeni bulmacaları ve bazı eski bulmacalara yeni bakış tarzlarını ele alıyorum, sonra da bu bulmacaların nasıl çözülebileceğini açıklıyorum.

Bırakın benim kitaplarımı, konu hakkında herhangi bir şey okumuş olun ya da olmayın kuantum tartışmasını anlamak için bilmeniz gereken her şeyi burada bulacaksınız; aynı anda iki ayrı yerde olabilen fotonlar (ışık parçacıkları) gibi görünüşte paradoksal fenomenleri, aynı anda iki yöne giden atomları, ışık hızıyla hareket eden bir parçacık için zamanın nasıl durduğunu ve kuantum kuramının Uzay Yolu’vari bir ışınlanmayı mümkün kılabileceğine dair ciddi bir yorumu okuyacaksınız. Sahneyi kurmak için aşağı yukarı Schrödinger’in Kedisinin Peşinde’ nin kaldığı yerden başlıyorum, yani o ünlü kedinin kendisi ve John Bell’in kanıtladığı şu olguyla: Kuantum varlıkları bir kere tek bir sistemin parçası olunca sonrasında da birbirleriyle bağlantılı kalırlar, birbirlerinden çok uzakta bile olsalar bir şekilde birbirlerinin farkındadırlar. Einstein buna “hayalet işi uzaktan etki” diyordu; daha saygın bir ifadeyle “yerbilmezlik” (non-locality). Kavramlar sizin için yeni olabilir ya da aşina geldiğini düşünebilirsiniz. Schrödinger’in kedisi “paradoksu”, aynı anda hem canlı hem ölü olması, son on yıldır neredeyse beylik bir söz oldu. Ama durun. Artık ezberlediğinizi düşünüyorsanız bile yeniden düşünmeye hazırlanın. Daha ne gördünüz ki! Kusursuz deneylerle desteklenmiş, sizi şaş­ SUNUŞ 17 kına çevirecek daha büyük ve daha iyi paradokslarım var. Fakat sonuçta hepsi tek bir kapıya çıkıyor. Örneğin bir elektron, iki delik deneyinde nasıl aynı anda iki yerden birden geçebiliyor? Bütün deneyin zamanın tek bir anındaki yapısını nasıl “biliyor”? Kuantum dünyasının topyekûn garipliği, çözmemiz gereken problem, en açık şekilde baştaki kedimizin ikiz yavrularının, yani kitabın başlığındaki yavru kedilerin maceralarına bakarak anlaşılabilir. O halde ışığın doğası hakkında bildiklerimizi, yani hem kuantum kuramının hem de görelilik kuramının kilit öğesi olan fenomeni gözden geçirmemiz gerek. Ancak ondan sonra size gerçekliğin doğasını açıklayan ve kuantum gizemlerini -bütün kuantum gizemlerini- çözen yeni fikirleri sunabilirim. Kuantum kuramının 1920′ lerin ortalarında ilk çıktığı zamandan bu yana artık ilk defa belli bir güvenle kuantum kuramının ne anlama geldiğini söylemek mümkün. Eğer yeni bir kitap yazmak için bu da geçerli bir sebep değilse, artık nedir bilmiyorum. John Gribbin Nisan 1994 Sorun Kuantum kuramının temelindeki gizem iki delik deneyi içinde saklıdır.

Bunu ben söylemiyorum; kendi kuşağının en büyük fizikçisi olan Richard Feynman ünlü eseri Lectures on Physics’in (Fizik Üzerine Dersler) kuantum mekaniğine ayırdığı ilk bölümünün ilk sayfasında söylüyor.1 Feynman, kuantum fiziğini Isaac Newton ve onun izinden giden bilim insanlarının klasik fikirleriyle karşılaştırırken bu fenomen için, “herhangi bir klasik yöntemle açıklamak imkânsız, kesinlikle imkânsız” diyordu. Bu deney “içerisinde kuantum mekaniğinin kalbini taşıyor. Aslında, mevcut olan tek gizemi barındırıyor.” Fizik Yasaları Üzerine adlı başka bir kitapta da şöyle söylüyordu: “Anlaşılan o ki, kuantum mekaniğindeki diğer bütün durumlar daima şöyle açıklanabilir: ’İki delik deneyindeki olayı hatırlıyor musun? İşte aynı şey.'” Ben de Feynman gibi iki delik deneyiyle başlıyorum, daha başta temel gizemi bütün ihtişamıyla ortaya koyuyorum. Deney bildik gelebilir, fakat bildik gelmenin asla küçümsemeye sebep olmayacağı bir durum bu. İki delik deneyi hakkında ne kadar çok şey bilirseniz o kadar gizemli görünür. Bu deneyle okuldaki fizik laboratuvarında karşılaştıysanız muhtemelen hiç gizemli görünmemiştir. Zira hiç kimse oradaki gizemleri size açıklama zahmetine girmemiştir (ya da cesaret edememiştir); bunun yerine çok büyük bir ihtimalle size tüm öğretilen şundan ibarettir: Bir kartondaki iki dar yarıktan geçen ışığın davranışı ve 1. “Kuantum kuramı”, “Kuantum fiziği”, “Kuantum mekaniği” terimlerini aynı anlamda kullandım; metinde adı geçen kitapların tam künyeleri Kaynakça’ da verilmiştir. 20 SCHRÖDİNGER’İN YAVRU KEDİLERİ arkadaki perdede bir aydınlık bir karanlık şeritten bir örüntü oluşturması ışığın bir dalga gibi hareket ettiğinin gayet şık bir ispatıdır. Bu kısım doğru. Fakat tam gerçeği yansıtmıyor. Klasik dalga örneği durgun bir gölcüğe tek bir çakıl taşı bıraktığınızda suyun yüzeyinde gördüğünüz şeydir.

Dalgalar çakıl taşının düştüğü yerden başlayarak dışarıya doğru halkalar halinde bir dizi dalgacık oluşturur. Bu haldeki dalgalar, her biri dalgacıkların dalga boyundan çok daha küçük iki deliği olan bir engelle karşılaşırsa, o zaman dalgalar engelin öteki tarafında iki deliğin merkezinden iki yarım küre halinde yayılırlar. Oluşturdukları örüntü, durgun gölcüğe aynı anda iki çakıl taşı attığınız zaman elde edeceğiniz dalgacık örüntüsünün yarısı gibidir. Bunun ne tür bir örüntü olduğunu herkes bilir. Gölcüğe iki taş atarsanız gerçekten birbiri içine geçen iki dairesel dalgacık grubu göremezsiniz. Bunun yerine iki dairesel örüntünün birbiriyle giri1 İlk delikten gelen homojen ışık ikinci perdedeki her bir delikten aynı fazda ileri yayılan dalgalar oluşturur. Bunlar girişim yaparak son perde üzerinde aydınlık ve karanlıktan oluşan belirgin bir örüntü meydana getirir – ışığın dalga halinde yol aldığının kesin kanıtı. Fantastik Işık Girişim Kırınıma uğrayan dalgalar ÖNSÖZ: SORUN 21 piminin sebep olduğu daha karmaşık bir dalgacık örüntüsü çıkar ortaya. Bazı yerlerde iki dalgacık grubu birbirine eklenerek daha büyük dalgacıklar oluşturur; bazı yerlerdeyse iki dalgacık grubu birbirini yok ederek suda ya hiç dalga hareketi bırakmaz ya da çok az bırakır. Işık bir kartondaki iki delikten parlayıp kartonun öteki yanındaki perdede bir örüntü yaratınca tamı tamına aynı şey olur. Bu etkinin en açık şekilde görülmesi için tek bir saf renk ışık kullanmak en iyisidir, bu da tek bir dalga boyu demektir. îki ışık dalgası çifti gölcükteki dalgacıklar gibi iki delikten dışarı yayılırlar, ışık perdeye ulaşınca da dalgaların birbirlerine eklenmesine (yapıcı girişim) ve dalgaların birbirlerini yok etmesine (yıkıcı girişim) karşılık gelecek şekilde bir dizi açık ve koyu şeritten (girişim saçakları) oluşan bir örüntü ortaya çıkarır. Hepsi yalın, kolay anlaşılır lise fiziği. Buradan sadece ışığın dalga olduğunu değil, girişim saçaklarının arasındaki mesafeyi ölçerek dalga boyunu da bulmak oldukça basit. Fakat bu seviyede bile işin içinde incelikler var.

Perdede elde ettiğiniz örüntü iki delikten ışığı sırayla saldığınızda perdeye düşen ışığın parlaklıklarının toplamına eşit olmaz. Girişimin işleyişindeki kilit noktalardan birisi budur. Tek bir delik açıkken sadece o deliğin arkasında bir ışıklı bölge görürsünüz; sadece öteki delik açıkken yeni bir ışıklı bölge. Bu iki etkiyi toplamak daha büyük bir ışıklı bölge yaratır. Fakat girişim demek, ışık iki delikten de aynı anda geçerken perdedeki örüntünün daha karmaşık olması demektir – bunun en önemli sebebiyse, örüntünün en parlak kısmının, iki delik ayrı ayrı açık olduğunda perdede elde edeceğiniz iki parlak noktanın ortasına düşmesidir, tam da karanlık bir gölge görmeyi umduğunuz yere. Buraya kadar her şey tamam. Işık dalgadır. Fakat bu basit resimde ışığın foton adı verilen parçacıklardan oluştuğuna dair de çok iyi bir delil var. Gündelik tecrübelerimize göre bir duvardaki iki delikten parçacıkların geçme şekli dalgaların duvardaki deliklerden geçiş şeklinden çok farklıdır. Diyelim ki bu iki delik gerçekten bir duvardaki iki delik. Siz de elinizde koca bir yığın taşla duvarın bir yanında durup duvara doğru, hedefe tam isabeti dert etmeden her seferinde bir taş atıyorsunuz. Taşlardan bazısı bir delikten geçer, bir kısmı da öteki delikten 22 SCHRÖDİNGER’İN YAVRU KEDİLERİ ve böylece duvarın arkasında iki yığın oluştururlar. Bu örüntü (iki taş yığını), taş atma süresinin yarısında bir deliği, öteki yarısında öteki deliği kapatmış olmanız durumunda ortaya çıkacak örüntüyle aynıdır. Katı duvarın hemen arkasında, iki deliğin ortasında bir yerlerde birikmiş bir taş yığını kesinlikle bulamazsınız. Deliklerden bir kerede bir parçacık geçince bunlar birbirleriyle girişim yapmazlar.

2 Tek bir delikten geçen elektron demeti, elektronların çoğunun delik hizasında yığıldığı bir dağılım oluşturur. Bir parçacık demetinin yapması beklenen şey budur. 3 Çift deliğin birinden geçen bir elektronun ya da fotonun tek bir delikten geçiyormuş gibi davranması gerekir, tabii sağduyu haklıysa. Sağduyuya göre ikinci deliğin var olmasının hiçbir etkisi olmaması gerekir. ÖNSÖZ: SORUN 23 Tabii deliklerden pek çok parçacık aynı anda geçiyorsa, o zaman birbirlerine çarpa çarpa öteki tarafta farklı bir örüntü oluşturacak şekilde birbirleriyle girişimde bulunabileceklerini anlamak zor değil. Ne de olsa suyun da parçacıklardan -su moleküllerinden- meydana geldiği fikrine aşinayız; halbuki bu durum dalgacıkların bir gölcük üzerinde uslu dalgalar oluşturmasına engel olmuyor. Aynı şekilde lambadan çıkan bir foton selinin de iki delikten geçerken bir dalga gibi hareket etmesinin mümkün olacağını düşünebiliriz. Fakat tek fotonların iki delikli düzenekten teker teker geçtiklerinde olanları görünce gizem daha da derinleşiyor. Bu deneyin 1980’lerin ortalarında Paris’te çalışan bir grup tarafından gerçekten yapıldığını vurgulamak gerekir. İki delik deneyinde tek fotonların geçişlerini ve kendileriyle girişimde bulunmalarını fiilen izlemişlerdir. Schrödinger’in Kedisinin Peşinde’yi yazdığımda ışığın bu şartlar altındaki davranışına dair delil çok güçlüydü, fakat doğrusunu söylemek gerekirse hâlâ biraz ikincil bir delildi. Oysa şimdi şüphe gölgesini aştık ve deneyde tek bir foton geçerken ne olduğunu biliyoruz.

.