Bir kez daha aynı soru: Fiziki gerçeklik nedir? Yoksa birden fazla mı fiziki gerçek var?
Bundan 100 yıl öncenin fizikçileri çok başkaydı. Albert Einstein da, Niels Bohr da, Werner Heisenberg de, Erwin Schrödinger de sadece fizikçi değil aynı zamanda üstün nitelikli felsefecilerdi.
Yaptıkları matematiğin ve fiziğin felsefi temelleri veya felsefi temel diye bildiğimiz şeylere etkileri üstünde de düşünüyorlardı.
Bilimsel bilgi üretiyorlardı ve bu üretimin belli şartları vardı. Önce teori yapıyordunuz, ardından da teorinizde söylediklerinizin deneysel olarak doğrulanması gerekiyordu. Deney doğrulamazsa teori kısmen veya tamamen çöpe gidiyor, yenisi aranmaya başlanıyordu.
Meşhur ‘Kuantum ölçüm problemi’
Fakat kuantum ölçeği söz konusu olduğunda bu teori-deneysel veri dizgesi bir büyük zorlukla karşılaştı. Deney yapıp davranışlarını ölçmeye ve bilmeye çalıştığınız varlıklar, mesela elektron, mesela foton o kadar küçük şeylerdi ki, onları ölçmeye çalışan alet edevatınız ister istemez ölçümü bozuyordu; çünkü elektron veya foton sizin ölçme için kullandığınız cihazın atomlarıyla etkileşime giriyordu. Yani deney gözlemi bozuyordu.
Buna kuantum teorisinde çok meşhur olan ‘ölçüm problemi’ deniyor. Sadece bu problemin varlığı bile kuantum seviyesindeki doğayı tam olarak anlamamıza engel teşkil ediyor.
Niels Bohr ve Albert Einstein.
Einstein-Bohr tartışmasının özü
O yüzden daha başlangıçta, 1927 yılında ortaya iki görüş çıktı. Ben de burada bugün yedinci hafta oldu, bu iki görüş arasındaki çatışmayı anlatmaya çalışıyorum. Bu iki görüş arasındaki çatışma pek çok kişiye göre 20. yüzyılın (ve belki insanlık tarihinin) en önemli entelektüel/felsefi çatışması.
Taraflardan birinde Albert Einstein vardı. O doğanın çelişkisiz, yani tutarlı olduğunu ve bilimin çabasının bu tutarlı sistemi tam olarak öğrenmek, o sırları çözmek olduğunu düşünüyordu.
Karşı tarafta ise Niels Bohr vardı. Bohr’a göre (tam da bu ‘kuantum ölçüm problemi’ yüzünden) doğayı kavrayışımızın sınırları vardı. Bohr iki ayrı gerçeklikten (veya doğadan) söz etmek gerektiğini söylüyordu; bir hepimizin gündelik hayatında gözlediği makroskopik ölçekteki doğa ve ona hükmeden klasik fizik vardı; bir de kuantum ölçeğindeki şeylere hükmeden kuantum teorisi. Bohr’a göre kuantum teorisi tamamlanmıştı, daha yeni bir şey ilave etmeye gerek yoktu.
Bu bizim evimizdeki masa değil, fotoğrafı internetten buldum. Masif bir ahşap masayı bir bulut gibi hayat etmek çok zor.
Koca ahşap masayı bir bulut olarak hayal etmek zor
Bu yazıyı kocaman bir ahşap masanın üzerinde yazıyorum. O masa 25 yıldır evimizde duruyor, ufak tefek yıpranmaları dışında da hiç değişmedi. Her sabah uyandığımda masanın yerinde durduğunu biliyor oluyorum. Masa masif bir eşya, elimi sert vuracak olursam canım acıyacak.
Ama aynı masayı, trilyonlarca atomdan oluşan, o atomların çekirdeğindeki proton ve nötronlardan, proton ve nötronları oluşturan kuarklardan, çekirdeğin etrafındaki elektronlardan meydana gelen, hem atomlarının içinde hem de yan yana gelen atomların arasında o ölçek için çok büyük boşluklar bulunan ve aslında dev bir bulut gibi bir şey olarak hayal etmek çok zor. Oysa gerçek bu.
Klasik fizik bana masanın nasıl olup da masa gibi durduğunu gayet iyi izah ediyor. Kuantum mekaniği ise her sabah uyandığımda masamı masa gibi bulmamın istatistiki bir olasılık olduğunu söylüyor.
Sadece masa da değil. Benim ben olarak kalmam, elimin ayağımın hep bildiğim yerde olması da, bu bilgileri bana söyleten zihnim de, her şeyim kuantum teorisine göre birer olasılık.
Bu son dediğim şey kuantum teorisinin insanlığa sunduğu ve çoğu insanın ‘akıl dışı’ bulduğu bir durum. Çünkü gündelik deneyimimizle de, bilgimizle de çelişiyor kuantum mekaniğinin bize söyledikleri.
Kuantumda böyle çılgınca gelebilen çok şey var. Mesele zaten bu çılgınca şeylerle gündelik hayat gözlemleri arasında bir uzlaşma bulabilmek.
İki ayrı gerçek mi var?
Einstein-Bohr tartışmasına geri dönelim. Bohr kuantum teorisinin tamamlandığını ve klasik fizik ile ‘kuantum fiziği’nin tek bir gerçekliğin birbirini tamamlayan yanları olduğunu öne sürüyordu. Einstein ise iki ayrı gerçeklik kavramına itiraz ediyor, doğanın bir tane olduğunu söylüyordu.
O yüzden başlangıçta mesaisini kuantum teorisinin tamam değil eksik olduğunu göstermeye ayırdı. Bunu başarırsa yeni teorik arayışların başlayacağını ve ardından da yeni deneysel gözlemler yapılacağını umuyordu.
1927’de ve 1930’da bunu göstereyim derken Niels Bohr karşısında iki ağır hezimet yaşadığını yazmış, sonra da 1935’te aynı konuya yeniden dönüp bütün fizik tarihinin belki de en ünlü makalesi olan ‘EPR makalesini’ yayınladığını anlatmıştım.
Kuantum dolanıklığı neden icat edildi, şaşıracaksınız
EPR, yani Einstein-Podolsky-Rosen makalesi bir düşünce deneyi öneriyordu: İki elektron birbiriyle çarpışıyor ve tamamen ters yönlere hareket ediyor, birbirlerinden neredeyse ışık hızında uzaklaşmaya başlıyor.
Biz bu elektronlardan birini gözlediğimizde, tuhaf biçimde, o sırada belki de evrenin başka bir ucunda olan diğer elektron hakkında da bilgi edinmiş oluyorduk.
Einstein’a göre bu teorik olasılık saçmaydı ve saçma olduğu için de kuantum teorisinin merkezinde yer alan Heisenberg’in belirsizlik ilkesi aslında geçerli değildi (Einstein bu duruma ‘Uzaktan tuhaf etki’ adını veriyordu, yani ‘Spooky action at a distance’).
Einstein böylece kuantum surlarında büyük bir gedik açtığını düşünüyordu; teori eksikti, bize gerçekliğin küçük bir bölümünü gösteriyordu, fizikçilerin teori hakkında düşünmeye devam etmesi şarttı.
EPR’deki argüman gerçekten de çok kuvvetliydi. O sebeple yakın arkadaşı (ve bu konudaki fikirdaşı) Erwin Schrödinger ona yazdığı tebrik mektubunda iki elektronun ‘uzaktan birbirlerine tuhaf etkisi’ni ‘dolanıklık’ (entanglement) olarak niteledi.
Ama bu makale 30 yıl boyunca unutuldu
EPR makalesi Einstein’ın istediği etkiyi yaratmadı, hatta 30 yıla yakın süre unutuldu gitti. O sırada Niels Bohr’un kuantum teorisine ilişkin ‘Kopenhag izahları’ neredeyse tabu haline geldi; bu izahları sorgulamak isteyen doktora öğrencilerinin de, diğer teorik fizikçilerin de kariyerleri olumsuz etkilendi.
Sonunda iş bir teorik fizikçinin değil deneysel fizikçinin başına kaldı. John Stuart Bell tam bir İrlandalı. 20. yüzyılın en önemli ama adı nedense en az bilinen fizikçilerinden biri.
Ortaya John Stuart Bell çıkıyor
1964 yılında Bell önce İngiltere’de, sonra Cenevre’deki CERN’de parçacık hızlandırıcılarında uzun yıllardır çalışan, bu hızlandırıcıları tasarlayan ve onlarca önemli makale yazmış olan bir deneysel fizikçi olarak bir yıllığına Amerika’daki çeşitli üniversitelere gelmişti.
ABD’de deneysel çalışmalardan teoriye vakti kaldı; ‘Kopenhag izahları’nın tabu seviyesinde olması uzun zamandan beri kafasını kurcalıyordu; meşhur tartışmada aslında Albert Einstein gibi düşünüyordu, bu izahların ve teorinin eksik olduğu kanısındaydı. EPR makalesi aklında önemli bir yer tutuyordu.
İşte bu EPR makalesinden hareketle, Einstein-Bohr tartışmasını bitireceğine, kuantum teorisinin tam ve tutarlı olup olmadığına dair kesin bir sonuç üreteceğine inandığı bir deney tasarladı ve bu tasarımını bir makale olarak yayınladı. Zamanın teknolojisinin bu deneyi yapmaya elverişli olmadığını, yani tasarladığı deneyin imkansız olduğunu düşünüyordu aslında.
Onun 1964’te aslında kenarda köşede kalmış bir dergide çıkan bu makalesi de hiçbir etki yaratmadı, unutuldu gitti. Ta ki 70’li yıllara kadar.
Bazı fedakar ve cefakar deneyci fizikçiler büyük maceralara girerek kendilerinin önüne konan maddi manevi engelleri aşarak Bell’in deneyini gerçekleştirdi.
Bu çizimden bir şey anlamayacaksınız belki ama ben yine de koyuyorum. Çizim Bell eşitsizliği deneyini anlatıyor.
Bell, Einstein haklı çıksın çok istiyordu ama tersi oldu
İlk yapılan deneyler türlü çeşitli sebeplerle yetersizdi, sonra geliştirildi bunlar ve ardından defalarca kanıtlandı ki, Einstein’ın mantıksal bir çelişki içerdiği için kuantum teorisinin eksik olduğunu kanıtladığını söylediği ‘kuantum dolanıklığı’ bir gerçekti. Bell’in gönlü Einstein’dan yanaydı ama Bohr’un doğruyu söylediğini bulmuştu, daha doğrusu kuantum surlarında bir delik açamamış, tam tersine o surlara yeni bir burç daha eklemişti.
Bugün kuantum dolanıklığı artık bir teknolojiye dönüşmüş durumda. Bilim, bu dolanıklığı kullanarak kırılması imkansız şifreler ve bu şifreyle kodlanmış verileri dünyayla uzak arasında, dünyanın bir ucundan bir ucuna aktarıyor, hatta bir video görüşmesi bile yapıldı kuantum dolanıklığı kullanılarak.
‘Bell eşitsizliği’ diye bilinen o 1964 tarihli makale sayesinde bugün ‘Kuantum enformasyon teorisi’ diye yepyeni bir fizik dalımız bile var.
Akıl zorlayan çılgın teoriler fırtınası
Ama yine de aslında Einstein-Bohr tartışması kesin bir neticeye varmış da değil. Fakat John Stuart Bell’in 1964’teki makalesi, teorik fizikçilere ‘Kopenhag izahları’nı sorgulama cesareti verdi ve bu cesaretle ortaya bir sürü teori çıktı. Yani Einstein’ın EPR makalesini yazarkenki dileği bir yerde gerçekleşti, bu konu yeniden tartışılır hale geldi.
Öyle bir tartışma ki bu üstelik, bazıları ancak bilim kurgu yazarlarının aklına gelebilir dedirten uç ve uçuk teorileri de beraberinde getirdi.
Gelin haftaya onları anlatmaya çalışayım.
***
Bu yazı dizisi boyunca çıkan yazıları çıkış sırasıyla alt alta koyuyorum.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
