Kuantum fiziği: Schrödinger’in kedisi değil ama bir safir kristali gerçek oldu, aynı anda hem titreşti hem durdu

Kuantum süperpozisyonu, açıklaması ve anlatması zor bir şey. Ama en zoru, hepimizin gündelik deneyimimizle, etrafımızda gördüğümüz dünya ve evrenle çelişki yaratıyor olması.

Alman fizikçi Werner Heisenberg’in 1920’lerde ortaya attığı ‘belirsizlik’ teorisine göre bir atomun içindeki elektronun hızını ve yönünü aynı anda bilemeyiz. Ya hızını bilebiliriz ya da yönünü. Bu da elektronun bir sonraki hareketini bilmemizi imkansızlaştırır. Avusturyalı dev fizikçi Erwin Schrödinger’in aynı dönemde ortaya attığı ‘kuantum dalga fonksiyonu’ denklemlerine göre ise bir elektronun nerede olduğunu ancak istatistiki olarak tahmin edebiliriz.

Bu iki ilkenin beraberinde getirdiği sonuç ise şu: Biz onu gözlemiyorken kuantum durumundaki şeyler her yerde olabilir; Schrödinger’in denklemindeki olasılıkların her biri ‘gerçek’tir. Ancak gözlediğimizde elektronun yerini saptarız ve diğer ‘gerçek’ler bir anda ortadan kaybolur.

Schrödinger’in kedisi

Kendi ortaya koyduğu denklemin yarattığı tuhaflıkları bizzat Schrödinger tasarladığı ünlü ‘Schrödinger’in Kedisi’ adlı düşünce deneyiyle anlatmıştı: Bir kutunun içinde duran kedi, biz onu gözlemediğimiz sürece yaşıyor da olabilirdi, ölmüş de. Ve bu iki hal de ‘gerçek’ti.

Kedinin aynı anda hem ölü hem canlı kabul edilmesine ‘kuantum süper pozisyonu’ adı veriliyor; yani bütün olası ‘gerçek’lerin birden ‘gerçek’ olması haline. Albert Einstein bu birden fazla ‘gerçek’ olması durumuna itiraz etmiş, ‘Ne yani’ demişti bir seferinde, ‘Siz bakmıyorken Ay orada değil mi?’

Einstein haksız değildi; çünkü ‘kuantum süperpozisyonu’ adı üzerinde kuantum durumu için, yani son derece küçük ve çoğunlukla ışık hızına yakın hızlarda hareket eden nesneler için geçerliydi; gündelik hayatımızda gördüğümüz büyük şeyler için değil. Evimizdeki masa, evde onu koyabileceğimiz her olası yerde bulunmuyordu, nereye koyduysak hep oradaydı.

Süperpozisyon gerçek

Bilim, aradan geçen 100 yıla yakın zamanda kuantum süperpozisyonunu defalarca deney ortamında da kanıtladı. Gerçekten de kuantum durumundaki minik atomaltı parçacıklar aynı anda birden fazla yerde olabiliyordu. Soru şuydu: Acaba bu aynı anda birden fazla yerde olabilme anlamına süperpozisyonun bir ‘büyüklük’ sınırı var mıydı?

Bilim bunu önce o atomaltı parçacıklara göre çok daha ‘büyük’ nesneler olan atomlarda denedi. Evet, oluyordu. Atomlar da süperpozisyon halinde bulunabiliyordu.

Peki ya daha büyük nesneler, mesela birkaç atomdan meydana gelen moleküller?

Safir kristal hem titredi hem durdu

İsviçre’nin Zürih kentindeki meşhur ETH üniversitesinden Matteo Fadel ve meslektaşları konuyla ilişkili yaptıkları deneyde 10 üzeri 16 tane atomdan (1’in yanına 16 sıfır ekleyin) oluşan kuantum ölçeği söz konusu olduğunda devasa ama bizim için hala küçük olan bir safir kristali titreştirdi. Kristalin kuantum halini tam olarak saptayabilmek için süper iletken bir kuantum biti kullanıldı. Sonuç olarak kristali kuantum süperpozisyonu haline getirebildiler ve bu çerçevede kristal aynı anda hem titreşti hem de hareketsiz kaldı.

Yani evet, kuantum ölçeğinde ‘makroskopik’ sayılan bir nesnede de kuantum süperpozisyonu gözlenmiş oldu. Bilim bu konudaki üst sınırı aramaya devam edecek.

Deneydeki olay, kristalin birazcık titreştiği durumdan farklı. Fadel bunu ışık yayan bir lamba gibi düşünüyor. Işığın parlaklığını azaltabilir, gitgide daha sönük hale getirebilirsiniz. Sonunda ise elinizde hiç ışık vermeyen bir ampul kalır. Yarım parçacık diye bir şey olmaz. Fadel, burada da yarım titreşim diye bir şeyin olmadığını vurguluyor. Onlarca mikrosaniye içinde süperpozisyon bozuldu ve kristal hareketsiz kaldı.

Hawking’in kara delik paradoksunun nasıl çözülebileceğini öğrenmiş olabiliriz

Süperpozisyonun bir üst sınırı varsa, Einstein haklı çıkacak

Kuantum deneylerinde kullanılan maddeleri kuantum halindeki atom sayısı, kütle, süperpozisyonda iki durum arasındaki farkın derecesi ve kuantum halinin korunduğu sürenin uzunluğu gibi faktörlerin dikkate alındığı makroskopiklik ile belirtiyoruz.

Fadel ve ekibi deneyleri için yaklaşık 11’lik bir makroskopiklik hesapladı. Bu tür titreşimleri kullanan diğer testlerden çok daha büyük olsa da en yüksek makroskopiklik değeri değil. Rekoru, 2019 yılında bir atomu 4 mikrometre arayla süperpozisyonda tutan ve 14 makroskopikliğe ulaşan başka bir araştırmacı ekip kırmıştı.

ABD’nin Illinois eyaletindeki Northwestern Üniversitesi’nden Tim Kovachy, süperpozisyonların makroskopikliğinin gerçekten bir sınırı olduğunu keşfedersek bunun en heyecan verici keşiflerden biri olacağını söylüyor. Gerçekten de bir sınır keşfedilirse bu, kuantum teorisinin kusursuz olmadığı anlamına gelecek.

Bu görüş de aslında Albert Einstein’ın bundan 100 yıl önceki görüşü. Ona göre kuantum denklemleri doğruydu ve gerçeği ifade ediyordu ama evreni tanımlayan birer yasa olmak için ‘eksik’ti, daha fazla araştırmayla tamamlanması gerekiyordu. O dönem Einstein’in bu konudaki en büyük rakibi ise ‘kuantumun babası’ diye bilinen Danimarkalı fizikçi Niels Bohr’du. Bohr’a göre ‘kuantum teorisi tamamlanmış’tı ve aslında iki ayrı fiziki evren vardı: Bunlardan birinde kuantum kuralları geçerliydi, diğerinde ise ‘klasik fizik kuralları’ ve bu iki fiziki evren birbirinin ‘tamamlayıcısı’ydı.

Aradan geçen zaman aslında Bohr’u doğrulamadı, kuantum konusunda Bohr’un öncülük ettiği ‘Kopenhag Yorumları’ 1960’lı yılların sonundan itibaren tartışılıyor ve bugün bu yorumlar eskiye göre daha az ‘tabu.’ Kuantum bilgisayara ve internete zemin yaratan ‘kuantum dolanıklığı’ gibi buluşlar bu yorumların aşılması sayesinde yapılabildi.

Albert Einstein hayatının sonuna kadar klasik fizik ile, yani kendi genel görelilik teorisi ile kuantum fiziğini bağdaştıracak bir ‘büyük birleşik teori’ aramayı sürdürdü ama bunu başaramadı. Teorik fizik dünyasının bu arayışı bugün de devam ediyor, bu soruya cevap vermesi ümidiyle 70’li yıllardan beri ‘Sicim teorisi’ adıyla bir dizi teori geliştirildi, şimdilerde en yaygın arayış ‘kuantum kütle çekimi’ni bulmak için yürütülüyor.

İlk kez bir deneyde kuantum tünelleme reaksiyonu gözlemlenebildi