Einstein’ın üç yıl arayla aynı konuda yaşadığı iki büyük hezimet
Bu köşede son dört pazar günüdür kuantum fiziğinin doğuş hikayesini ve ortaya çıkardığı tartışmaları yazıyorum. Bu beşinci yazı.
İki hafta önce büyük Alman fizikçi Werner Heisenberg’in kuantum mekaniğini bulmasını ve ardından belirsizlik ilkesini ortaya atmasını anlattım. Geçen hafta ise bu belirsizlik ilkesinin ortaya çıkardığı gerçeğin doğasına ilişkin derin felsefi tartışmanın boyutlarından söz ettim.
Sözünü ettiğim felsefe tartışması ‘meleklerin cinsiyeti’ türünde gereksiz bir entellektüel gevezelik değil. Tam göbeğinde hepimizin ‘gerçek’ algımızın temelini oluşturan bazı fizik bilimi ilkeleri var.
Werner Heisenberg’in geliştirdiği kuantum mekaniği son tahlilde bir matematiksel model. Bu model bize atom çekirdeğinin etrafındaki elektronların o an bulunabileceği yerler hakkında bir tahmin sunar. Bu tahmin doğası gereği istatistikseldir; yani elektronların belirli bir yerde bulunma olasılığını bize yüzde olarak verir.
Bu matematiksel model 100 yıldır çalışıyor ve doğru çalışıyor. Bize verdiği olasılıklar her zaman geçerli. Zaten o sayede bugün kuantum fiziğine dayalı son derece önemli yüzlerce ayrı teknolojimiz var. Gündelik hayatımızda hepimiz bu teknolojileri kullanıyoruz ve kullandığımız aletler bizi hiç yanıltmıyor.
Evet, matematiksel bir model olarak kuantum mekaniği çalışıyor ve netice de üretiyor ama biz 100 yıldır bu mekaniğin ne anlama geldiğini tartışıyoruz.
Bu tartışmalarda önde gelen iki isim var: Albert Einstein ve Niels Bohr.
Her ikisi de kuantum fiziğinin veya parçacık fiziğinin kurucu babaları. Ama aralarında önemli farklar var. Niels Bohr gerek kuantum mekaniğinin ortaya çıkmasından ve gerekse Heisenberg’in bir de elektronun aynı anda hem hızını hem de yerini bilemeyeceğimizi söyleyen belirsizlik ilkesini ortaya koymasından sonra kuantum fiziğinin ne anlama geldiğini anlatan bir makale yayınladı.
Yayınlandığı günden beri ‘Kopenhag izahları’ veya ‘Kopenhag yorumları’ diye Türkçeye çevireceğim bir isimle anılan makalede Bohr’un ortaya attığı bir dizi iddia oldu.
Bu iddialardan birincisi ‘ölçüm problemi’ diye de adlandırılan konuyla ilgiliydi. Özetle, kuantum ölçeğindeki şeyleri deneylerle saptama ve ölçme konusunda hep sorunlarımız olacaktı, çünkü kullanacağımız ölçüm cihazları deneye etkide bulunacaktı.
İkinci büyük iddia, kuantum ölçeğindeki şeylerin (mesela elektronun) biz ona bakmazken aslında olmadığıydı. Gözlemci baktığında elektronu görüyordu ama elektron gözlem eyleminden önce yoktu.
Üçüncü büyük iddia, o gün var olduğu şekliyle kuantum teorisinin (kuantum mekaniği ve belirsizlik ilkesi) kuantum ölçeğindeki evreni anlatmak için yeterli ve ‘tam’ olduğuydu.
Son iddia ise, kuantum ölçeği ile bizim gündelik hayatta gözlediğimiz ‘makro’ ölçeğin fizik kanunlarının birbirinden ayrı olduğu, bu iki fiziğin birbirinin tamamlayıcısı olduğu idi.
Niels Bohr bu iddialarını 1926 yılında yayınladı. Makaleye en büyük itiraz dev fizikçi Albert Einstein’dan geldi. Einstein bu iddiaların hemen hiçbirine katılmıyordu, Bohr’un kuantum mekaniğine ilişkin izahlarına itiraz ediyordu.
Einstein’ın bütün itirazları içinde söylediği en temel şey kuantum mekaniği ve belirsizlik ilkesinin henüz ‘tam olmadığı’ ve bize doğanın kurallarıyla ilgili gerçeğin sadece bir bölümünü gösterdiğine ilişkindi.
Bugün 20. yüzyılda yaşanmış en önemli entelektüel tartışma diye adlandırılan bu görüş ayrılığı ilk olarak 1927 yılında Belçika’da düzenlenen bir fizik konferansında apaçık biçimde yaşandı.
Belçikalı bir zengin iş insanının dünyanın önemli fizikçilerini bir konferans çatısında topladığı ‘Solvay Konferansı’ denen toplantının meşhur fotoğrafını hepimiz hayatımızda en az bir kez gördük. Geçenlerde TV’deki Kim 500 Milyon İster yarışmasına soru bile olan bu fotoğraf bu büyük tartışmanın ilk raundudur aslında.
Sadece kuantum fiziğinin tartışıldığı konferansın bir noktasında Albert Einstein söz ister ve ayağa kalkıp tahtaya bir çizim yapmaya başlar. Einstein yaptığı düşünce deneyleriyle meşhurdu zaten. Tahtaya çizdiği de bir düşünce deneyiydi.
Einstein’ın çiziminin sonradan yapılmış bir replikasını burada görüyorsunuz. Einstein levhadaki (şekilde S1) bir daracık delikten her seferinde bir tek elektron veya foton geçtiğini varsaymalarını istedi salondakilerden. Bu deliğin üstünde bulunduğu levha (S1) hareket de ediyordu, yani delikten geçen parçacığın geçiş yönü her seferinde farklı oluyordu. Bu levhanın hemen arkasında bu kez iki yarığı olan bir başka levha (S2) vardı. İlk levhadaki tek delikten geçen parçacık bu ikinci levhadaki yarıklardan birinden geçiyordu. Ve artık en sondaki üstü fotoğraf filmi kaplanmış son levhaya (F) ulaşıyordu.
Einstein bu düşünce deneyiyle Bohr’un Kopenhag izahlarından bazılarının tutarsızlığını gösterdiği, böylece kuantum mekaniğinin henüz fiziki gerçeği tanımlayan tam bir teori olmadığını ispat ettiği kanısındaydı.
Niels Bohr önce Einstein’ın tam olarak ne demek istediğini yanlış anladı, sonra Einstein kendini bir kez daha ifade edince onun argümanını çürütmeye girişti ve çürüttü de. Kopenhag İzahlarının eksik ve tutarsız olduğunu göstermek isteyen Einstein ilk yenilgisini almıştı.
Bugün bütün ders kitaplarında Einstein’ın bu düşünce deneyi yer alır; çünkü bu çift yarık deneyinin kuantum fenomenini izah eden en iyi şeylerden biri olduğu düşünülür.
Sonra aradan üç yıl geçti, 1930 yılında yine Solvay Konferansı sırasında Einstein bir kez daha ayağa kalktı ve bir düşünce deneyini daha tahtaya çizdi.
Bu kez kendisini ileride ‘Einstein’ın Işık Kutusu’ olarak anılacak olan deney çerçevesinde ifade ediyordu Einstein. Kutunun çizimini yine buraya koyuyorum, Einstein’ın söylediği şuydu:
Bir kutu düşünün, içi ışık dolu olsun. Kutunun içinde bir saat ve dışarıda bir başka saat olsun ve bu iki saat birbirine senkronize edilsin. Kutunun her seferinde sadece tek bir fotonu dışarı bırakan bir de kapağı olsun ve biz bu kapağın ne zaman açıldığını hep tam olarak bilelim. Kutuyu baştan tartalım, sonra her foton çıkışının ardından yeniden tartalım. Böylece fotonun sadece kutudan tam ne zaman çıktığını bilmekle kalmayalım, E=MC2 denklemi sayesinde kutunun hafiflemesinden hareketle enerjisini de bulalım.
Einstein bu deneyle belirsizlik prensibini yendiğini düşünüyordu. Böylece fotonun aynı anda hem hızını hem yerini belirleyebiliyordu.
Bu ikinci düşünce deneyi Niels Bohr ve arkadaşları için tam bir şoktu. Verecek cevap bulamıyor, deneyde bir açık göremiyorlardı. Hepsinin yüzü düştü, akşam yemeğinde kimsenin ağzını bıçak açmıyordu.
Uykusuz bir gece geçiren Bohr sabaha karşı Einstein’ın deneyindeki açık noktayı, yani onu çürütmenin yolunu bulduğunda gözlerine inanamadı, Einstein deneyi tasarlarken kendi görelilik teorisini hesaba katmayı unutmuştu.
Zaman, görelilik teorisine göre hızı sabit akan bir şey değil, zamanın akış hızını kütle çekim kuvveti belirliyor. İçinden foton eksilip hafifleyen ışık kutusunun içindeki kütle çekim kuvveti azalacağı için içerideki saatle dışarıdaki saatin senkronizasyonu kaçınılmaz biçimde bozulacaktı, bu da belirsizlik ilkesinin hala geçerliğini koruması anlamına gelecekti.
Einstein bir kez daha yenilgiye uğramıştı, ama aslında hala ikna olmuş değildi. Ona göre Bohr’un Kopenhag İzahlarında yanlışlar vardı, en azından bu izahlar Einstein’ın varsaydığı fiziksel gerçeklikle ilgili şeyleri tam anlatmıyordu. Kuantum teorisi hala eksikti.
Einstein’ın Niels Bohr ve arkadaşlarına bir sürprizi daha olacaktı ama onun için aradan beş yıl geçmesi gerekiyordu. Bu sürpriz aslında dünyayı değiştirecekti.
Gelin ona da haftaya bakalım.
***
Bu serinin daha önce çıkan yazılarını merak ederseniz, sırasıyla şöyle
