Şunu herhalde rahatlıkla söyleyebiliriz: Bugün adına ‘modern hayat’ ve ‘modern teknoloji’ dediğimiz her şey insanlığın atomların içindeki elektronları manipüle edebilme başarısına bağlı.

Elektronlar sayesinde elektriğimiz var, elektronlar sayesinde yapay ışık çıkaran araçlarımız var, elektronlar sayesinde elektro manyetik dalgalarımız var, her türlü iletişimi üzerinden yaptığımız radyo dalgalarımız var, elektronlar sayesinde ısınıyoruz (veya ortamı soğutuyoruz), elektronlar sayesinde kimya adını verdiğimiz bilim var, başta ilaçlarımız olmak üzere her şeyi elektronlara borçluyuz.

Atom çekirdeğinin etrafında olduğunu bildiğimiz elektronları anlamak ve onları bizim istediğimiz şekilde yönlendirmek, yani manipüle etmek son 100 yılın büyük teknolojik sıçramasını bize yaşatan şey.

Altı haftadır burada insanlık tarihinin bugüne kadar yaşanmış en hızlı ve en büyük sıçramasının temellerini ve o temel içindeki büyük bir tartışmayı anlatmaya çalışıyorum.

Tartışma bitmiş ve sonuca bağlanmış değil. Günün birinde bitecek olursa insanlık bu yüzyılda yaşadığından kat be kat büyük başka bir sıçrama yapacak. O yüzden elektronları bilmek kadar bu tartışmayı bilmek de bana göre çok önemli.

Elektron: Orada duran gördüğümüz şey mi, yoksa görülmesi zor karmaşık bir bulut mu?

Bu seri içinde daha önce yazdım, çok kaba özet vereceğim: 

Başlangıçta elektronun tıpkı güneşin etrafında dönen gezegenler gibi atom çekirdeğinin etrafında döndüğü varsayıldı. 

Niels Bohr hocası Ernest Rutherford’un geliştirdiği bu atom modelini yeniden düşündü ve Alman fizikçi Arnold Sommerfeld’in de katkılarıyla ortaya yeni bir elektron modeli çıktı; elektronlar değişik enerji seviyelerine göre farklı farklı yörüngelerde dolaşıyordu. Bohr-Sommerferd Modeli adıyla bilinen bu model bize modern kimyayı verdi; bu sayede hepimizin kimya derslerinde öğrendiğimiz periyodik tablo ortaya çıktı; atomların birbirleriyle yan yana gelip molekül oluşturmasının matematiği ortaya kondu. 

Ama aslında bu model de doğru değildi. Onu ilk olarak Werner Heisenberg tarafından geliştirilen, ardından Erwin Schrödinger tarafından tamamen farklı bir matematiksel yöntemle yeniden keşfedilen ‘Kuantum mekaniği’ izledi. 

Bu mekaniğe göre elektron herhangi bir yörüngede falan değildi, onların atom çekirdeğinin etrafında döndüğünü söylemek de çok doğru değildi. Heisenberg’e göre bir elektronun hem o an nerede olduğunu, hem de hızını bilemezdik, bunlardan sadece birini bilebilirdik. Schrödinger’e göreyse elektronun o an bulunduğu yeri ancak tahmin edebilirdik.

Dünyanın, Ay’ın veya diğer gezegenlerin her an nerede olduklarını biliyoruz, ama elektron söz konusu olduğunda Heisenberg ve Schrödinger bize adeta kesif bir bulut gibi gözüken ve çok sayıda olasılığın bir aradalığından oluşan bir belirsizlik sunuyordu.

İnsanlığı sıçratan denklem

Geride kalan 100 yılın bilimsel ve teknolojik sıçramasını bize yaptıran Erwin Schrödinger’in kendi mezar taşına da yazdırdığı bu meşhur denklemdir desek abartmış olmayız aslında.

Yalnız, ilk yazıldığı günden beri bu denklemi nasıl anlamamız gerektiği hakkında dev bir tartışma devam ediyor. Tartışılıyor, çünkü denklem bize bugüne kadar ‘Fiziki gerçek budur’ diye bildiğimiz şeyden vazgeçmemizi öneriyor. Çünkü elektronun konumunu ve hızını bilemiyoruz; aynı elektronun bir enerji seviyesinden diğerine geçerken bir yerde kaybolup sonra aynı anda başka bir yerde belirmesini çözemiyoruz; bunların yerine elimizde bir dizi olasılık oluyor, elektronun bulunabileceği yerlere ilişkin olasılıklar.

Biz bakmazken elektron aslında yok mu?

Evet baktığımızda elektronu şıp diye görüyoruz. Ama ya bakmazken? Biz ona bakmazken elektron nerede bilmiyoruz.

Niels Bohr, Werner Heisenberg gibi isimlere göre biz ona bakmazken elektron yok aslında. Ancak biz baktığımızda, onu ölçmeye kalktığımızda orada oluyor.

Albert Einstein ve Erwin Schrödinger ise tam karşı kamptalar: ‘Olmaz öyle saçma şey’ diyorlar, ‘Biz bakmıyorken de elektron mutlaka bir yerde. Henüz tam yerini saptayacak bir matematiğimizin ve teorimizin olmaması elektronun olmamasını gerektirmez.’

Niels Bohr’a göre öyle bir matematiği ve teoriyi bulmak imkansız; çünkü Heisenberg’in belirsizlik ilkesi her durumda geçerli, dolayısıyla o an olduğu haliyle kuantum mekaniği artık tamamlanmış, yani eksiği olmayan bir teorik çerçeve.

Einstein ise ‘Hayır’ diyor, ‘Kuantum mekaniği eksiktir, henüz tamamlanmamıştır.’

Einstein’ın iki hezimeti

Geçen hafta burada Einstein’ın bu ‘Kuantum mekaniği henüz tamamlanmamıştır’ iddiasını göstermek için mevcut kuantum mekaniğinde delikler açmaya ve çelişkiler göstermeye çalışan iki düşünce deneyini ve bu iki seferde uğradığı ağır hezimetleri yazdım.

Bu hezimetler 1927’de ve 1930’da Brüksel’de yapılan Solvay Konferanslarındaydı. O yıllar Avrupa ve Almanya pek karışıktı, 1933’de Hitler Almanya’da iktidara gelince Einstein bir kez daha Almanya’dan ayrıldı ve bu kez ABD’ye, New Jersey’deki Princeton Üniversitesine gitti ve öldüğü güne kadar burada çalıştı.

Einstein Nathan Rosen ve Boris Podolsky adlı iki genç fizikçiye aklındaki bir fikri burada anlattı. Gençler işin hamallığını üstlenip gerekli hesaplamaları yaptı ve derken ortaya bir yeni makale çıktı. Makaleyi büyük ölçüde Nathan Rosen kaleme almıştı ama fikir Einstein’ındı, son düzenlemeleri ve düzeltmeleri de o yaptı.

‘Objektif gerçek’in peşinde: EPR makalesi

Bu bugün bütün fizik tarihinin en meşhur ve hakkında diğer fizikçilerin en fazla atıf yaptığı makale. ‘EPR Paradoksu’ diye bilinen (Buradaki EPR, Einstein, Podolsky, Rosen) makale aynen şu cümleyle başlıyordu: 

‘Herhangi bir fizik teorisi mutlaka herhangi bir teoriden bağımsız olan objektif gerçeklik ve teorinin içinde çalıştığı fizik konsepti arasındaki farkı dikkate almalıdır.’

Daha ilk cümlede Einstein ve genç arkadaşları ‘objektif gerçeklik’ yani gözlemcisine veya kişisine göre değişmeyen bir gerçeklik olduğunu iddia ediyordu.

Sözünü ettiğim büyük tartışma tam da buydu: Doğada bizlerden bağımsız objektif bir gerçeklik var mı yok mu? Niels Bohr’a göre yoktu çünkü. Gerçeklik ancak gözlemle ortaya çıkan, yani gözlemci varsa var olan bir şeydi.

Bohr’un böyle söylemesine neden olan Schrödinger’in denklemi ve Heisenberg’in meşhur belirsizlik ilkesiydi.

İki elektron hayal edin…

Einstein ve arkadaşları bu kez şöyle bir düşünce deneyi öneriyordu:

Bir elektron çifti hayal edin, bunlar uzayda birbirleriyle kafa kafaya çarpışsın ve Newton mekaniği gereği tam tersi yönlerde birbirlerinden uzaklaşmaya başlasınlar.

Siz bu elektronlardan birini gözler, onun hızını, konumunu ve ‘spin’ adı verilen kendi ekseni etrafında dönüş yönünü saptarsanız, o an belki de ışık yıllarınca uzakta olan o öteki elektronun hızını, konumunu ve spinini de saptamış olursunuz. Bütün bunları da Newton’un mekaniğini kullanarak yapabilirsiniz.

Einstein bu düşünce deneyiyle Heisenberg’in belirsizlik ilkesinin getirdiği kısıtı yendiğini düşünüyordu. Niels Bohr bu makaleye bir cevap verdi ama verdiği cevap Einstein’ın ‘Hay Allah yeniden hezimete uğradım’ diye düşünmesine neden olacak bir cevap değildi.

‘Objektif gerçek’i kurtarmak mümkün mü?

Kuantum mekaniğinin ve Niels Bohr’la özdeşleşmiş olan ‘Kopenhag İzahları’nın tam da söylediği gibi ‘eksik’ olduğunu ispat etmek Einstein’ı tatmin edecek bir şey değildi, olsa olsa taktik bir başarıydı bu. Einstein esas inkar edilemez bir gerçek olan kuantum mekaniğiyle klasik fiziği birbirine çelişkisiz biçimde bağlayacak, en azından ‘objektif gerçeklik’ kavramını kurtaracak bir büyük teorinin peşindeydi.

Öldüğü güne kadar o teoriyi aradı ama bulamadı.

Peki Einstein haklı mıydı? EPR makalesi ile sahiden belirsizlik ilkesinde bir delik açmış ve ‘objektif gerçeklik’i kurtarma yolunda önemli bir adım atmış mıydı?

Gelin, haftaya bu sorunun peşine düşelim ve John Stuart Bell adlı, aslında 20. yüzyılın en önemli 10 fizikçisinin arasına yazmamız gereken ama nedense kimsenin adını bile bilmediği bir önemli insanın EPR paradoksu hakkındaki dahiyane çözümüne bakalım.

***

Bu seride daha önce çıkan yazıları sırasıyla buraya bırakıyorum.

1.

Bundan sadece 125 yıl önce atomun varlığına bile inanmayan fizikçiler vardı

2.

‘Doğa boşluk sevmez’ lafı doğru değil; tam tersine boşluk doğanın en önemli parçası

3.

Tam da 100 yıl önce bugünlerde bir büyük dahi doğum sancıları çekiyordu

4.

Heisenberg’in belirsizlik ilkesinin yarattığı dev düşünce devrimi

5.

Einstein’ın üç yıl arayla aynı konuda yaşadığı iki büyük hezimet