Kuantumdan Nobel alan fizikçi: Şunu güvenle söyleyebilirim, hiç kimse kuantum mekaniğinin ne anlama geldiğini bilmiyor
Başlıktaki sözler çok büyük ve çok renkli bir fizikçiye ait. Richard Feynman’a. Kuantum mekaniği alanında çalışan Feynman’a Nobel ödülünü meşhur ‘kuantum diyagramları’ kazandırdı. Ama o döndü, ‘Şunu kesinlikle söyleyebiliriz’ dedi, ‘Kuantum mekaniğinin ne anlama geldiğini kimse bilmiyor.’
Bilmeyenlere kendisini de dahil ediyordu ünlü fizikçi.
Aslında insan uygarlığının tarihi nasıl yapıldığını bildiğimiz, her seferinde işe yarayan, ama neden işe yaradığını bilmediğimiz şeylerle dolu.
Soğan kavururken neden tuz koymayız?
En basit örneği evinizin mutfağından vereyim.
Yemek yapmaya başladığınızda çoğunlukla ilk işiniz tencerede yağı ısıtmak, sonra da ince ince küp küp doğradığınız soğanları koyup onlar pembeleşene kadar kavurmaktır.
‘Ben iyi yemek yaparım’ diyen hiç kimse bu aşamada soğana tuz koymaz. Koyarsa bilir ki yemeği lezzetsiz olacak.
Peki neden o aşamada tencereye tuz koymak yemeği lezzetsiz yapar? Kimyacılar konuya el atıp pişirme esnasında neler olduğunu keşfedene kadar nedenini kimse bilmezdi.
‘Nasıl’ını bilip ‘Neden’ini bilmediğimiz şeyler
‘Nasıl’ sorusu ile ‘Neden’ sorusunun iki ayrı soru olmasının sırrı da buradadır. ‘Nasıl’ın cevabını bir biçimde deneme-yanılmayla bulmuş olabiliriz ama ‘Neden’ sorusu uzun yıllar cevapsız kalabilir, hatta bir noktadan itibaren kimse nedeni merak etmemeye de başlayabilir.
Elektriği ele alın. İnsanlık elektriği üretmeyi, iletmeyi ve onunla sokakları aydınlatmayı bildiği yıllarda elektriğin ne olduğunu bilmiyordu. Sihirli bir şeydi elektrik, tam olarak ne olduğunu öğrenmemiz için atomun içindeki elektronu keşfetmemiz gerekti. Bu keşfi yaparken bile ne olduğunu bilmediğimiz elektriği kullandık.
Peki elektron nedir? Onun ne olduğunu ne kadar biliyoruz?
Geçen hafta söyledim, bugün neredeyse bütün güncel uygarlığımızı elektronları manipüle etme becerimize borçluyuz. Bütün bir kimya bilimi, bütün bir malzeme bilimi, bütün bir elektronik bizim bu becerimiz sayesinde var. Yani bilgisayarlarımızdan ilaçlarımıza, evimizin duvarındaki boyadan güneş enerjisi panellerimize ve sayamayacağım kadar çok şeye bu sayede sahibiz.
Elimizde elektronları nasıl manipüle edeceğimize dair birbirinin aynı sonucu veren iki denklem var. 100 yıl önce bu denklemlerden birini Werner Heisenberg buldu, diğerini Erwin Schrödinger. Bu denklemlerin hikayesini bu yazı dizisi içinde daha önce anlatmıştım, tekrar etmeyeceğim.
Bir Yunanca harfin yarattığı bilmece
Bu kuantum mekaniğiyle ilgili sekizinci yazım. Bu dizi boyunca pek çok felsefecinin ‘İnsanlık tarihinin en büyük entelektüel tartışması’ olarak nitelediği bir tartışmayı anlatmaya çalışıyorum. Tartışma fiziki gerçekliğin doğasıyla ilgili ve temelinde de Heisenberg ve Schrödinger’in denklemlerini nasıl anlayacağımız, nasıl yorumlayacağımız sorusu var.
Bir kez daha hatırlatayım: Bu iki denklem kaleme alındıkları günden beri kusursuz çalışıyor. O denklemlerin bize verdiği teknoloji bugün hayatımızı kuşatmış durumda, o teknoloji olmadan yaşayamaz haldeyiz.
Ama biz o denklemlerin ne olduğunu bilmiyoruz. Erwin Schrödinger kuantum dalga fonksiyonu için Yunanca’daki Psi harfinin sembolünü kullandı. Sembolü yukarıya koydum.
İşte esas ne anlama geldiğini bilmediğimiz, ona anlam vermek için 100 yıldır tartıştığımız şey bu. Psi sembolüyle ifade edilen şey yani.
Koca denklem çöktüğünde…
Mesele şu: Schrödinger’in kuantum dalga fonksiyonu denklemi bize elektronun o an bulunabileceği yerleri birer olasılık olarak söylüyor. Çok güzel. Biz de bu olasılıklara bakarak bugünkü teknolojimizi yarattık.
Tamam ama, bir elektronun o an nerede olabileceğine dair olasılıkları bilmekle elektronun tam olarak nerede olduğunu bilmek aynı şey değil. ‘Hadi bir bakalım bu elektron neredeymiş’ dediğimizde çok ilginç bir şey oluyor.
Schrödinger’in denklemi matematikçilerin deyimiyle bir anda ‘çöküyor.’ Yani anlamsızlaşıyor, ortadan kalkıyor. Denklemin bize verdiği olasılıkların hiçbir anlamı kalmıyor, çünkü elektronu gözlemliyoruz.
Bu çok tuhaf bir durum, çünkü denklemin tahmin ettiği bir ‘gerçek’ var ve dediğim gibi o tahmin haliyle ‘gerçek’ çok işimize yarıyor. Ama bir de gözlediğimiz gerçek var denklemi tamamen boşa çıkaran.
Schrödinger’in kedisine kim bakacak da görecek?
Esasen iki sonuç arasında bir çelişki yok. Gözlediğimiz elektron denklemin öngördüğü yerlerden birinde çıkıyor. Ama mesele şu: Bizim pratik olarak bütün atomların bütün elektronlarını gözlememiz mümkün değil, o yüzden öyle bir matematiksel araca ihtiyacımız var ki bütün elektronlar için aynı ve tek sonucu versin.
‘Schrödinger’in Kedisi’ adlı düşünce deneyini bilmeyen yoktur. Özel bir mekanizmayla bir kutu içine konan kedi ölmüş de olabilir, canlı da… Kutuyu açıp bakmadan bunu bilemeyiz.
Schrödinger’in denkleminin bize söylediği budur. Bakmadan gerçeği bilemezsin.
Peki kim bakacak? Biz insanlar mı? Eğer öyleyse, evrenin hala hiç bakmadığımız bir sürü yeri var, gerçek oralarda ‘kuantum süperpozisyonu’ adı verilen olasılıklardan mı oluşuyor, yoksa gerçekten parçacıklar, atomlar, yıldızlar, gezegenler, galaksiler, karadelikler var mı oralarda? Bugün biliyoruz ki, evrenin düne kadar bakmadığımız yerlerinde milyarlarca yıldır bir şeyler var.
Öyleyse ‘gözlemci’nin insan olması gerekmiyor.
Ne olunca gerçek oluyor parçacıklar?
Peki ne olunca bakmış oluyoruz? Bir görüşe göre ‘gözlemci’ yanlış kelime, doğa İngilizcesiyle ‘interactions’lardan, yani ‘etkileşim’lerden oluşuyor. Bir parçacık etkileşime girdiği anda o parçacığın kuantum dalga fonksiyonu denklemi ‘çöküyor’, yani bizim için ‘gerçek’ haline geliyor.
En son günümüzün yıldız kuantum mekanikçilerinden Carlo Rovelli’nin Helgoland adlı kitabını bitirdim, bu durumu anlamlandırmak için Hint felsefesine kadar gidip yardım aramış (Bu arada sevinerek gördüm, kitabın Türkçesi de çıkmış. Bu arada İngilizce bilen okuyucular için Carlo Rovelli ile yapılmış şu söyleşiyi de tavsiye ederim). Mesele bizim bilişimimizin, ‘gerçek’ diye adlandırdığımız şeyin sınırlarına kadar gidiyor çünkü.
Schrödinger’in denklemindeki Psi harfinin ne anlama geldiğini merak edenler için de belki son örnek Carlo Rovelli, ama ilk örnek o değil. Bu yazı dizisinde anlattım, Niels Bohr ile Albert Einstein arasındaki müthiş tartışma tam da bu Psi harfinin ne anlama geldiği hakkındaydı.
Ya Schrödinger’in denklemi gerçekse?
1956 yılında Amerika’da genç bir doktora öğrencisi olan Hugh Everett bir başka çok büyük fizikçi olan John Archibald Wheeler‘ın denetiminde doktora tezini yazıp yayınladı. Tez ‘Olasılıklara gerek olmadan kuantum dalga teorisi’ başlığını taşıyordu.
Everett daha doktorası için sözlü sınavını vermeden, yani Phd ünvanını almadan Amerikan Savunma Bakanlığı’nda işe başlamıştı bile. Ömrünün büyük bölümünü de burada oyun teorisi hakkında çalışarak geçirdi.
Onun doktora tezi 70’li yıllarda çok meşhur oldu, hatta bugün dahil popüler kültürde yer alacak kadar da yaygınlık kazandı. Everett tezine bir varsayımla başlıyordu: Ya Schrödinger’in denklemi sadece soyut matematiksel bir araç değil de gerçeğin ta kendisiyse?
Eğer Psi harfi gerçekse bu harfin verdiği elektronla ilgili bütün olasılıklar da ‘gerçek’ti. Öyleyse her gözlem (veya etkileşim) sonunda ortaya çok sayıda gerçek çıkıyordu, bir anlamda evren her seferinde bölünüyor, yan yana bir sürü evren birden ortaya çıkıyordu.
Biz bunu bugün ‘Çoklu evrenler teorisi’ olarak biliyoruz. Herhalde takdir edersiniz, bu teorinin doğruluğunu da yanlışlığını da kanıtlamaya imkan yok. Ama bizim bildiğimiz tek bir ‘gerçek’ evren var, o da içinde yaşadığımız evren.
‘Saçma’yı göstermek yetmiyor artık
Everett’in teorisi, yani Psi’yi ‘gerçek’ olarak kabul etmesi aslında Albert Einstein’ın kuantum mekaniğinin henüz tamamlanmamış bir teori olduğunu anlatmak için seçtiği yola benziyordu. Teorinin saçmalığını, içerdiği çelişkiyi gösterip onu boşa düşürmek.
Ama kuantum söz konusu olduğunda insanlığın felsefe ve mantık disiplinlerinde geliştirdiği ‘reductio ad absurdum’ ilkesi de işe yaramıyordu. Çünkü diyorum ya, Schrödinger’in denklemi bütün deneylerden başarıyla geçen, çalışan, işe yarayan bir denklemdi. Yerine de daha iyisi konmuyordu. Dolayısıyla kuantumu bütün o saçma sonuçlarıyla birlikte kabul etmek gibi saçma bir durum ortaya çıkıyordu.
Kuantum evrenini Einstein’ın denklemiyle anlamak
Bir örnek daha vereyim.
Einstein’ın görelilik teorisi klasik fiziği altüst etmiş olmakla birlikte klasik fizikle bağlantılıdır ve o da 100 yılı aşkın süredir sayısız testten geçip doğruluğu sayısız defa kanıtlanmış bir şey.
Atomun çekirdeğindeki protonları ele alın. Bir proton, bugün biliyoruz ki üç kuarktan oluşuyor. Bu kuarkların kütlelerini de biliyoruz ve üç kuarkın kütlesi protonun toplam kütlesinden çok daha küçük.
Tamamen kuantum mekaniğinin alanında kalan bir konudan söz ediyoruz, o kuarklar temel parçacıklar. Peki nasıl oluyor da, protonun kütlesi onu oluşturan parçacıkların kütlesinden daha fazla oluyor? Bu sorunun cevabını kuantum mekanikçileri değil Albert Einstein veriyor, ünlü E=MC2 denklemiyle. O kuarklar protonun içinde öyle bir enerjiyle hareket ediyor k, enerjiyi kütleye çevirdiğinizde işte o toplam proton kütlesine ulaşıyorsunuz.
Einstein’ın dehasının ve buluşunun önünde saygıyla eğilmemek mümkün değil. Aynı formül kara delikler için de, protonlar için de geçerli işte.
Görüyorsunuz, görelilik teorisi ile kuantum mekaniği tamamen yan yana gelemez şeyler değiller, ama resmi biraz büyüttüğünüzde doğayı bize anlatma iddiasındaki iki teori arasında uyumsuzluk büyük.
Albert Einstein ömrünün sonuna kadar bu uyumu sağlayacak ‘Büyük Birleşik Teori’yi aradı, ama bulamadı. Şimdi bayrağı ondan devralan epey kalabalık bir fizikçi kuşağı aynı çabayı sürdürüyor.
Yoksa cevap ‘Graviton’da mı?
İşte az önce adını andığım Carlo Rovelli onlardan biri. Rovelli çözümün ‘graviton’ adını verdiği teorik parçacıkta olduğunu düşünüyor. Einstein kütle çekimin kendi başına bir güç değil bir etki, bir sonuç olduğunu söylemişti. Rovelli gibi düşünen kalabalık bir fizikçi grubu ise kütle çekimin bir güç olduğunu ve ‘Graviton’ adını verdikleri güç taşıyan bir parçacık tarafından taşındığını düşünüyor, bunu kanıtlamaya çalışıyor.
Başka bir grup bu ‘Büyük Birleşik Teori’yi ‘Sicim teorisi’ adını verdikleri bir teoride arıyor. Bir dönem pek moda olan sicim teorisi şu ana kadar yapılan hiçbir deneyde varlığına dair en ufak bir işaret bile vermedi, teorinin öngörüleri doğrulanmadı. Ama ümit de kesilmedi.
Feynman’ın ‘düşmeyin’ dediği çukur
Fizikçiler sahiden oldukça yaratıcı düşünüyor, hayal veya fantezi diye kenara atmadan hemen her türlü uç fikri deneyerek ve gece gündüz onların matematiğini yaparak doğayı doğru anlatacak bir yol bulmaya çalışıyorlar.
Ama şimdilik durum bir zamanlar Richard Feynman’ın dediği gibi: Kuantumun ne olduğunu kimse bilmiyor.
Feynman bunu çok meşhur bir dersi sırasında söylemiş, kendisini dinleyen öğrencilere, mealen aktarıyorum, şu öğüdü vermişti: ‘Hepimiz hayatımızın en azından bir anında kuantum mekaniğin ne anlama geldiğini merak ediyoruz, ama size bu çukura düşmenizi hiç tavsiye etmem, çünkü oradan çıkabilen olmadı.’
***
Bu seride daha önce çıkan yazıları çıkış sırasıyla aşağıda bulabilirsiniz.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
