Olasılıkların üst üste binmesi, kuantum çatışması yaratıyor

Chris Lee

Manşetler, “Birden fazla gerçeklik var” diye duyuruyordu. Dünyanın her yerindeki fizikçilerse, endişeden yorgun düşerek iç çekerken, başka hangi mutedil sonucun kontrolden çıktığını merak ediyorlardı.

Hâl böyleyken, yine de araştırma sonucunun ve altta yatan teorinin, ana düşünceden çok daha ilginç olduğu görünüyor. Modern fizik bize temel olarak, aynı olayı takip eden iki gözlemcinin, bütün olası bilgilere sahip olsalar dahi sonuç üzerinde hiçbir zaman aynı fikirde olamayacaklarını söylüyor. Bu durum zaten özel göreliliğin bir parçası olarak kabul ediliyordu; fakat şimdi kuantum mekaniği açısından da geçerli olduğuna ilişkin deneysel bir kanıtımız var.

GALILEO VE EINSTEIN’IN SÖYLEDİKLERİ

O halde, çakışan ölçümleri bilindik yollarla nasıl çözdüğümüze dair mümkün olan en basit örnekle başlayalım. Diyelim ki, bir platform üzerinde duruyorum ve yaklaşmakta olan bir trenin hızını saatte 180 kilometre olarak ölçüyorum. Siz ise trenin içindesiniz ve trenin hızını saatte 0 kilometre olarak ölçüyorsunuz. Aradaki farkı, göreceli hızlarımız üzerinde ek bir ölçüm yaparak bulabiliriz. Ardından, ikimiz de kendi hareketimize göre hızı doğru bir şekilde ölçtüğümüzü düşünürüz.

Öte yandan, durum, aşırı hızlarda hareket eden nesneler söz konusu olduğunda daha karmaşık bir hal alıyor. Elindeki 100 metrelik direğin tamamını yalnızca 30 metre uzunluğa sahip bir binaya yerleştirmeye çalışan bir sırıkla yüksek atlamacı düşünün. İmkânsız mı diyorsunuz? Bu, ikisi arasındaki göreli hıza bağlıdır. Şayet sırıkla yüksek atlamacı binaya ışık hızında yaklaşıyorsa, binada bulunan bir gözlemci sırığın uzunluğunu yalnızca 20 metre olarak ölçer. Gözlemci, sırığın çok kısa bir süre içinde binanın içine girdiği sonucuna ulaşır. Buna karşın, sırıkla yüksek atlamacı direğin daima 100 metre ve binanın yaklaşık 20 metre uzunluğunda olduğunu tespit eder. O halde, bu sırık binaya sığmaz.

Gözlemciler eldeki bulguları karşılaştırdığında, tren örneğindeki sonuç, yüksek atlama sırığıyla ilgili örnektekinden farklı olur. Bu durumda, göreli hızımıza ilişkin ek bir ölçüm, iki gözlemcinin neden farklı sonuçlara ulaştığını açıklayabilir. Ne var ki, sırığın binaya tamamen sığıp sığmadığına dair hiçbir şey söyleyemez. Gözlemcilerden biri sırığın binaya sığdığını düşünürken, diğeri sığmadığını düşünür.

Bu çelişkiyle başa çıkmanın anahtarı, farklı ölçüm sonuçlarını çözemeyeceğimizi kabul etmektir ve bunun yerine, belirli bir sonucu geçerli kılan koşulları anlamamız gerekir.

KUANTUM GÖZLEMCİLERİ

Kuantum mekaniği bu fikri yepyeni bir seviyeye taşıyor; zira ölçüm anlayışı farklı. Bir fotonun polarizasyonu (kutuplanması) gibi özel bir örneği ele alalım. Polarizasyonun ne olduğunu bilmemiz gerekmiyor, sadece uzayda bir yönelime sahip olduğunu (örn. dikey, yatay, çapraz vb.) bilmemiz yeterli.

Aslında, tek bir foton bağlamında polarizasyonu ölçemeyiz. Bunun yerine, fotona sadece şu soruyu sorabiliriz: Dikey olarak mı kutuplaştın? Cevabı ya “evet, dikey haldeyim” ya da “hayır, yatay haldeyim,” olur. Mesele şu ki, ben (ölçüm yapan kişi) önce iki yönelimden birini seçerim ve foton daima bu iki yönelimden birine sahip olur.

Şu anda 45 derecede ölçmeyi tercih ettiğimi düşünelim. Ölçüm cihazının perspektifinden dikey biçimde kutuplanmış bir foton, iki polarizasyon durumunun (süperpozisyon* durumu olarak adlandırılan) bir karışımında bulunur: (Aynı anda) +45 ve -45 derecededir. Diğer yandan, ölçümün gerçekleştirilmesiyle birlikte, fotonun bu durumlardan birini seçmesi gerekir. Ölçüm yapan kişi açısından, fotonun süperpozisyon durumunda olduğunu asla bilemeyiz. Yalnızca +45 derecelik bir açı ölçtüğümüzü biliriz.

WIGNER NE SÖYLÜYOR?

Şimdi işleri biraz daha karmaşık hale getirelim. Diyelim ki süperpozisyon durumunda olan bir foton akımını ölçüyorsunuz. Bu durumda, her ölçümün dikey bir foton bildirme ihtimali yüzde 50 iken, yatay bir foton bildirme ihtimali de yüzde 50’dir. Dahası, bir kutu içindesiniz ve yaptığınız ölçümleri bana bildiremiyorsunuz. Hâl böyleyken, ölçümünüzün sonucunu keşfetmek için durumunuzu ölçmem gerekir.

Bu, ölçümü yaptıktan sonra bile dikey veya yatay bir foton ölçtüğünüz bir süperpozisyon durumunda olduğunuz anlamına gelir. Durumunuzu ölçtüğümdeyse iki mantıklı sonuca ulaşırım: Yatay ölçersiniz ve yatay ölçümünüzü ölçerim; dikey ölçersiniz ve dikey ölçümünüzü ölçerim.

Ne var ki, iki ihtimal daha mevcut: Yatay ölçersiniz fakat sizin dikey ölçtüğünüzü ölçerim ve siz dikey ölçersiniz ama ben yatay ölçtüğünüz sonucuna ulaşırım. Eğer ikinci ölçüm (kontrol ölçümü) kuantum mekaniği tarafından yönetiliyorsa, son iki olasılığın da mantıklı sonuçlar kadar gerçekleşme ihtimali vardır. Yani kimi zaman, elde ettiğiniz sonuç, üzerinde ölçüm yaptığınız ölçümle çelişir.

Bu ölçümlerin her ikisinde de hatalı bir nokta yoktur ve çelişkiyi ortadan kaldırmak için yapabileceğimiz bir hesaplama mevcut değildir. Fotonun aynı anda hem kesin biçimde yatay olarak polarize hem de kesin biçimde dikey olarak polarize olduğunu kabul etmemiz gerekir.

İlk olarak Eugene Wigner tarafından ana hatları çizilen bu düşünce deneyi, şimdi gerçek bir deneyde uygulandı. Uygulaması biraz karmaşık bir işti. Deneyi gerçekleştiren araştırmacılar, temel olarak, başarılı olması halinde ikinci bir foton üzerinde kodlanmış ölçümün bir kaydını bırakan ve kutuplaşmayla ilgili ölçümler gerçekleştiren bir cihaz hazırladılar. Böylece, orijinal ölçüm ile ikinci foton üzerinde yapılan yeni bir ölçüm arasında, Wigner deneyinin basit bir versiyonuna sahip olduk.

Teorinin öngördüğü üzere, cihaz, ölçümün ve ölçümün ölçümünün tutarsızlık gösterdiği durumları kaydeder. Gerçekten de, tutarlılık/tutarsızlık oranı, tam olarak kuantum mekaniğinin öngördüğü gibi çok fazla.

Araştırmacılara göre, sonuç, gözlemciye bağlı olmayan hiçbir gerçekliğin var olmadığını işaret ediyor. Ya da kaba bir şekilde söylersek, kuantum seviyesinde, kendi gerçeklerinizi seçme hakkına sahip olabilirsiniz.

Şahsen, bu sonucu şaşırtıcı bulmadım. Özel görelilikte ayrıcalıklı bir gözlemci olmadığını zaten biliyoruz. Peki, kuantum mekaniğinde neden var? Aslında, bize bu ikilemi sunan düşünce deneyi, ölçüm sonuçlarının ölçümü yapan kişiye göre değişeceğini söylüyordu. Ve şimdi bunun gerçekten de böyle olduğunu gösteren deneysel bir kanıta sahibiz.

Yine de gerçeklik hakkında hâlâ bir şey söylemiyor.

*Süperpozisyon; bir sistemdeki olası durumların üst üste gelmesi, çakışması durumuna verilen addır.

** Yazının aslı Ars Technica sitesinden alınmıştır. (Çeviren: Tarkan Tufan)