Kuantum Deneyi Nesnel Gerçeklik Yok Dedi

Gerçeklik bakanın gözünde mi? Kuantum fizikçiler gözlemciden bağımsız nesnel gerçeklik olmadığını gösteren bir deney yaptı. Gerçekten de kuantum fiziğindeki Heisenberg’in belirsizlik ilkesi, bizzat bir parçacığı gözlemlemenin onu değiştirdiğini gösteriyor. Bu belirsizlikten yola çıkan yeni kuantum deneyi ise 2500 yıldır filozofları meşgul eden nesnel gerçeklik teorisinin tabutuna son çiviyi çakabilir.

Nesnel dünya var mı?

Bu teoriyi en güzel Cem Karaca özetlemiş: Ben bir ceviz ağacıyım Gülhane Parkı’nda. Ne sen bunun farkındasın ne de polis farkında… Nitekim sağduyumuzla hareket edersek ceviz ağacının biz bakmasak da var olacağını biliyoruz. Gitmesek de görmesek de o köy bizim köyümüzdür diyoruz.

Oysa nesnel gerçeklik sadece çıplak gözle görebileceğimiz boyutlarda ortaya çıkıyor. Kuantum dünyasındaki atomlar ve parçacıklar ise çok daha küçük ve hassas cisimler. Öyle ki parçacıkları gözlemlemek bile onların özelliklerini değiştiriyor.

İlgili yazı: Gerçek Adem: ilk insan ne zaman yaşadı?

 

Nasıl oluyor derseniz

Elektronları mikroskopla görmek için onlara daha küçük olan foton parçacıklarıyla ateş etmemiz gerekiyor:

Elektronlar fotonları soğurarak (emerek) enerji kazanıyor ve atomların çevresindeki yüksek enerjili dış yörüngelere sıçrıyor. Sonra aynı frekansta foton yayarak orijinal düşük enerjili yörüngelerine geri dönüyor. Biz de bu süreçte elektronları görmüş oluyoruz.

Üstelik elektronların kuantum durumu ve konumunu yüksek kesinlikle tespit etmek için onlara yüksek frekanslı fotonlar göndermemiz gerekiyor. Bu da elektronların gittikçe daha hızlı değişmesine yol açıyor. Kısacası parçacıkları ne kadar kesin ölçmeye kalkarsak belirsizlik o kadar artıyor.

Elektronlar nasıl ışık saçıyor?

İlgili yazı: Kodlama İçin En Gerekli 16 Programlama Dili

 

Kısır döngü

Bu durumu Heisenberg’in belirsizlik ilkesiyle tanımlıyoruz. Belirsizlik nedeniyle parçacıkların konumu ve hızını aynı anda yüzde 100 kesin olarak bilemiyoruz. Bu da kuantum dünyasında nesnel gerçeklik olmadığını gösteriyor.

Belirsizlik ilkesi, evrende nesnel gerçeklik yok diyen bilim insanları ve filozofların elini güçlendirdi. Onların öznel gerçeklik teorilerini destekledi. Bunu da İngilizce Eye of the Beholder olarak ifade edebiliriz; yani gerçek bakanın gözündedir.

İlgili yazı: Düz Dünya Teorisini Çürüten 12 Kanıt

 

Oysa nesnel gerçeklik şart

Bilim yapmak istiyorsak doğada nesnel gerçekliğin var olduğunu göstermek zorundayız. Dahası büyük ölçeklerdeki nesnel gerçekliğin, öznel gerçekliğe tabi olan belirsiz kuantum dünyasından nasıl türediğini göstermek zorundayız.

Sonuçta bilim aynı şartlar altında, aynı şekilde yapılan yüzlerce deneyin hep aynı sonucu vermesiyle ortaya çıkan objektif olgulara dayanır. Bir teorinin yanlış olup olmadığını deneylerle gösteririz. Öyle ki nesnel gerçeklik yoksa bilim de yoktur.

Ayrıca fizik yasalarının evrenin her yerinde ve her zaman geçerli olduğunu biliyoruz. Örneğin 10 milyar ışık yılı uzaktaki galaksilerin ışığı bize daha yeni ulaşıyor. Evrende ne kadar uzağa bakarsak o kadar eskiyi gördüğümüz için galaksileri de 10 milyar yıl önceki haliyle görüyoruz (bkz. Zaman kristalleri).

Böylece fizik yasalarının geçmişten günümüze değişmediğini biliyoruz. Olaya hangi açıdan bakarsak bakalım, nesnel gerçekliğin kuantum dünyasından nasıl türediğini göstermek fizikçiler için şart oluyor.  Edinburgh Üniversitesi fizikçileri de Şubat 2019’da yaptıkları yeni kuantum deneyinde bu soruyu yanıtlamaya çalıştılar:

İlgili yazı: İnternetinizi Uçuracak En İyi 10 Modem

 

Bilimsel beka sorunu

Aslında bu deney yaklaşık 50 yıllık bir fikrin ürünü: 1961 yılında, Nobel ödüllü fizikçi Eugene Wigner, nesnel gerçeklik sorusunu yanıtlayabilecek bir düşünce deneyi yaptı.

Bu deneye göre, farklı odalarda bulunan ve aynı parçacığa bakan iki gözlemci, o parçacıkla ilgili olarak birbirine zıt olan iki farklı gerçeklik yaşayacaktı.

2019 Şubatında, İngiltere’nin Edinburgh şehrindeki Heriot-Watt Üniversitesi’nden Massimiliano Proietti ve ekibi Wigner’in tasarladığı deneyi gerçekleştirdiler. Bu deneyde bir gözlemcinin ak dediğine öbürü kara diyordu. Sebebi ise kuantum fiziğinin en garip yanlarından biri olan süperpozisyon özelliğiydi.

İlgili yazı: Fizikçiler Zamanı Tersine Çevirdi

 

Süperpozisyon nedir?

Kuantum ışınlama yazılarımda belirttiğim üzere, belirsizlik ilkesi çevreden tümüyle yalıtılan bir parçacığın, aynı anda iki kuantum durumunda birden olmasına izin veriyor. Bir elektronun aynı anda hem sağa hem de sola dönmesi gibi bir duruma süperpozisyon diyoruz.

Kuantum dünyası sağduyuya aykırı olduğu için süperpozisyona günlük hayattan örnekler veremeyiz. Ancak basit bir benzetme yapabiliriz: Diğer parçacıklardan izole edilmiş olan bir elektron, deyim yerindeyse henüz sağa veya sola dönme seçimi yapmamıştır. Bu yüzden de aynı anda iki yöne birden “döndüğü” bir potansiyel gerçeklik durumunda olacaktır.

Tabii kutuyu açıp elektrona bakarsanız süperpozisyon anında çöker ve fiili gerçekliğe dönüşür. Öyle ki baktığınız elektron ya sağa ya da sola dönüyor olacaktır. Kuantum fiziğine göre hem parçacık hem de dalga olan elektronun bu seçimi nasıl yaptığını bilmiyoruz; ama parçacık-dalga ikiliğinin bunda bir rol oynadığını düşünüyoruz.

Kuantum gariplikleri

Her durumda atomaltı dünyadaki belirsizlikten kaynaklanan öznel gerçeklik, gözle görülür dünyada nesnel gerçekliğe dönüşüyor. Kısacası küçük ölçeklerde öznel gerçeklik ve büyük ölçeklerde nesnel gerçeklik geçerli oluyor. Peki bilim tarihinde bunu ilk kez net olarak gösteren deneyi nasıl yaptık?

İlgili yazı: Yapay Zeka Nedir ve Nasıl Çalışır?

 

Fotonları kullandık

Fizik dünyasında bir parçacığı izole edip aynı anda iki farklı kuantum durumuna, süperpozisyona sokmanın çeşitli yolları var. Bunlardan biri de foton polarizasyonudur:

Foton parçacıkları ışığı oluşturuyor. Bunlar aynı zamanda elektromanyetik dalga; yani fotonun hareket yönünde (vektöründe) ilerleyen bir manyetik alan var ve vektörü dik kesen bir de elektrik alanı bulunuyor. Elektrik alanının açısını değiştirirseniz fotonu, yani ışığı polarize etmiş oluyorsunuz (Otomobillerin içini görmeyi engelleyen cam filmler de polarizasyondan yararlanıyor).

Tabii fotonların polarize olması için onlara eşlik eden elektrik alanının hareket yönünü dik kesmesi şart değil. Fotonların içinde bulunduğu manyetik alanda ve elektrik alanında meydana gelen salınımların (dalgalanmaların) birbirini farklı açılarda kesmesini sağlamanız yeterlidir.

Deney hazırlıkları

Fizikçi Proietti ve ekibi bu prensibi kullanarak fotonları polarize etti. Ardından polarize fotonları ortamdan tümüyle yalıttı. Böylece fotonlar süperpoze oldu. Hatta fotonların gerçekten süperpoze olup olmadığını da basit bir girişim deneyi ile test edip onayladı. Bilim insanları deneyi bu şekilde kurguladıktan sonra, kuantum dünyasında nesnel gerçeklik olmadığını göstermek için harekete geçti:

İlgili yazı: 10 Adımda kara deliğe düşen astronota ne olur?

 

Ve zıt sonuçlar elde ettiler

Fotonlar üzerinde hiçbir şekilde ölçüm yapmayan fizikçi Proietti açısından, bunlar süperpoze polarizasyon halinde bulunuyordu. Oysa diğer odadaki bir arkadaşı o fotonları ölçerek tek bir gerçek polarizasyon durumunu seçmelerini sağlamıştı! Hatta Proietti’ye fotonları ölçtüğünü de söyledi.

Sadece fotonların polarizasyon değerini söylemedi. Biz de bu bağlamda fotonların birbiriyle dolanık olduğuna dikkat edelim: Dolanık fotonlardan birini ölçerseniz diğerleri de aynı değeri alacak ve bu da öznel gerçeklik deneyini bozacaktır.

Sonuç olarak iki fizikçi, aynı fotonlar hakkında birbiriyle çelişen iki eşzamanlı gözlem yapmış oldular: Birine göre fotonlar belirli bir şekilde polarize iken diğerine göre süperpozisyon halindeydi.

İlgili yazı: Kök Hücrelerle Körlük Tedavisi Ne Zaman Geliyor

 

Peki bu ne demek?

Bu, evrende ışıktan hızlı iletişim mümkün değil demek (Solucandelikleriyle ışıktan hızlı iletişim teorileri için bkz. Kuantum tünelleme). Evet, önceki kuantum bilgisayar yazısında anlattığım gibi, uzay-zamanda yol almadan gerçekleşen anlık kuantum etkileşimleri var.

Ancak, ışıktan hızlı iletişim yok; çünkü ışık hızı neden-sonuç ilişkisinin hızıdır. Işıktan hızlı iletişimde sonuçlar nedenlerden önce gelir: Siz masa lambasını yakmadan önce, lambanın SİZ yaktığınız için yanması gibi paradokslar ortaya çıkar.

İlgili yazı: Hayalet Parçacık Nötrino İle Nasıl Kuasar Keşfettik?

 

Öyleyse nesnel gerçeklik yok mu?

Yeni deney kuantum dünyasında nesnel gerçeklik olmadığını gösteriyor. Gerçek bakanın gözündedir. Elbette gözlemcinin insan olması şart değil diyebiliriz. Fotonlarla etkileşime giren bir detektör de teknik olarak bir gözlemcidir deriz. Bu ayrımı yapmak felsefede öznel gerçeklik akımı ile öznel idealizm arasındaki sınırı çizer.

Nitekim kuantum dünyasını farklı yorumlayan iki grup filozof var: Birinci grup küçük ölçeklerde öznel gerçekliği ve büyük ölçeklerde nesnel gerçekliği savunuyor. Diğer grup ise gerçekliği sadece insan beyni, yani bilinçli gözlemciler yaratır diyor.

Felsefede bu uç görüşe öznel idealizm diyoruz ve ben de bunu ayrı bir yazıda, kuantum bellek silme deneyleriyle birlikte anlatacağım. Ancak, gözden kaçan bir nokta var:

Her ne kadar Einstein’ın klasik fiziğe ve kesin gerçeklere dayanan objektif görelilik teorisini, kuantum fiziğindeki belirsizlik ilkesiyle bağdaştırmak mümkün olmasa da bu iki teori bir açıdan birbiriyle uyuşuyor!

İlgili yazı: Devridaim Makinesi Yapmak Mümkün mü?

 

Bunu açıklayalım

Einstein’ın görelilik teorisi ne diyor? Evrende mutlak uzay ve zaman yoktur. Zaman yerel bir değişkendir.

Örneğin, ışık hızına yaklaşan bir gemiye Dünya gezegeninden bakarsanız o gemide zaman size göre çok yavaş geçer. Öte yandan, gemiden bakarsanız Dünya’da zaman çok hızlı geçer. Dahası hem gemidekiler hem de Dünyadakiler için kendi zamanı normal hızda akar!

Bu durumda zaman evrenseldir ama mutlak değildir. Zaman yerel olarak değişken bir olgudur. Öte yandan, kuantum fiziği yerel olmayan bir olgudur. Kuantum dünyasındaki dolanıklık, süperpozisyon ve belirsizlik özellikleri bunu bize gösteriyor.

Buna karşın yukarıdaki deneyi anlamak için yerel olmama durumunu ve bunun göreliliğe ne açıdan benzediğini anlatmamız gerekiyor. Biz de işe kuantum fiziğinin klasik fizik bileşeni olan kuantum alanlarıyla başlayalım. Kuantum alanları modern kuantum fiziğinin temelidir.

Enerji alanları

Kuantum dünyasında bütün parçacıkların kendine eşlik eden bir enerji alanı bulunuyor. Örneğin elektron alanı, foton alanı, kuark alanı vb. var. Enerji alanları ise bölünmez bir bütün olup bütün uzayı kaplıyor. Bu da kuantum dünyasındaki etkileşimlerin yerel olmadığı anlamına geliyor; yani kuantum etkileşimlerini sadece yerel parametrelerle belirleyemeyiz. Alanları da hesaba katmalıyız.

İlgili yazı: Artık Otoyollara Güneş Paneli Döşüyoruz

 

Kuantum dolanıklık

Aynı sebeple, birbirine dolanık olan iki fotondan birinin kuantum durumunu değiştirseniz diğer fotonun durumu da anında değişecektir. Klasik fizikle tanımlanan kuantum alanlarının tüm uzayı kaplaması nedeniyle, bu etkileşim uzay ve zamanda hiç yol almadan anında gerçekleşiyor.

Dolayısıyla ışık hızı sınırını da aşmıyor: Sonuçta hız, uzaklığın zamana bölümüne eşittir ve ışık hızı da ışığın birim zamanda aldığı yoldur. Anlık etki bir saniye bile geçmeden gerçekleşiyorsa zaman söz konusu değildir ve bu durumda hız da geçersizdir.

Aslında anlık etkinin gerçekten anlık olup olmadığını bilmiyoruz; ama yeni deneylerde ışıktan en az binlerce kat hızlı etki ettiğini saptadık. Bu da hiçbir şeyin ışıktan hızlı gidemeyeceği kuralına ve mantığa aykırı olduğu için dolanıklık etkisinin anlık olduğunu düşünüyoruz.

Einstein’ın yerçekimini tanımlayan görelilik teorisi ile atom dünyasını tanımlayan kuantum fiziğini birleştiremediğimiz için elimizde daha iyi bir açıklama bulunmuyor. Yine de bu açıklama kuantum fiziği ile görelilik arasındaki benzerliği göstermemiz için yeterli.

İlgili yazı: İlk Kara Delikleri Karanlık Madde Oluşturdu

 

Öyleyse gösterelim!

Kuantum fiziğindeki yerel olmama ve belirsizlik özellikleri, dolayısıyla da buna ilişkin olan dolanıklık ve süperpozisyon özelliği hep kuantum alanlarından türüyor. Bunlar görelilik teorisinde kullanılan yerçekimi alanı gibi klasik fizik enerji alanlarıdır.

Nitekim görelilik teorisinde zamanın akışını uzayın şekli belirliyor: Kütleli cisimler uzayı büküyor ve ışığın uzayda aldığı yolu uzatıyor. Öyle ki yerçekimi ne kadar güçlüyse uzayı o kadar sert büküyor ve ışığın yolunu o kadar uzatıyor. Işığın yolu ne kadar uzarsa zaman da o kadar yavaşlıyor!

Fizikçiler kuantum fiziği ile görelilik arasındaki bu dolaylı ipucundan yola çıkarak zamanın göreli olması özelliğini de (açıkçası kime göre, neye göre?) öznel gerçekliğe bağlıyor. İşte görelilik ile kuantum fiziği arasındaki ilişki budur!

Daha net bir ifadeyle: Hem yerçekimini sadece gözle görülür büyük ölçeklerde tanımlayan görelilik teorisinde öznel gerçeklik bulunuyor, hem de belirsizliğe tabi atomaltı dünyayı tanımlayan küçük ölçekli kuantum fiziğinde öznel gerçeklik bulunuyor.

İlgili yazı: Sürpriz! Hubble sabiti zamanla değişiyor

 

Her şeyin teorisi

Size bunu anlatmamın tek nedeni nesnel gerçeklik deneyleri değil. Bilim insanları aynı zamanda tüm evreni açıklayan her şeyin teorisini geliştirmeye çalışıyor. Buna rağmen görelilik ve kuantum fiziğini tek denklemde birleştiremediler.

Ancak bu benzerlik, iki teoriyi birleştiremesek bile, bunların tanımladığı olguları daha kapsamlı ve daha genel bir fizik teorisi ile açıklamamıza izin verebilir. Kısacası görelilik ile kuantum fiziği arasındaki öznel gerçeklik benzerliği, her şeyin teorisini geliştirmemiz için bir ipucu olabilir (Buna en popüler aday olarak bkz. Sicim teorisi).

İlgili yazı: Karanlık Enerjinin Şiddeti Artıyor Olabilir

 

Oysa bir sorun daha var

Maalesef yeni kuantum deneyini yapıp basitçe bu işin içinden çıkamıyoruz. Mesela “Tamam, kuantum dünyasında öznel gerçeklik var, çıplak gözle görülecek kadar büyük dünyada ise nesnel gerçeklik var. Haydi dağılın” diyemiyoruz; çünkü kuantum dünyası büyük ölçekli dünyayı da etkiliyor.

Bunu bize kuantum ışınlama deneyleri gösteriyor ve biz bu deneyleri tam 20 yıldır yapıyoruz. Peki kuantum ışınlama küçük ölçeklerdeki öznel gerçekliğin, büyük ölçekteki nesnel gerçekliğe nasıl dönüştüğünü bize gösterebilir mi?

Bu hem filozofların hem de bilim insanlarının merak ettiği bir konu. Ayrıca kuantum bilgisayar ve kuantum internet teknolojilerini geliştirmek için de gerekli. Nasıl derseniz bunu makroskobik kuantum ışınlama deneyleri ile görelim:

İlgili yazı: Standart Mumlar ile Evrenin Genişlemesini Ölçüyoruz

 

Gazları dondurmak

Bilim insanları zamanı tersine çevirdi yazımı okuyanlar, kuantum ışınlamanın sadece birkaç parçacık ile yapıldığını düşünebilirler. Belirsizlik ilkesinin ise çok sayıda atomun ışınlanmasına engel olacağını varsayabilirler. Oysa biz gözle görülecek kadar büyük bir gaz bulutunu bile ışınlayabiliyoruz:

Bunun için gazları mutlak sıfıra kadar soğutarak içindeki binlerce atomu toplu halde dolanıklığa sokuyoruz. Böylece kuantum belirsizliği gözle görülür dünyada bile gösterebiliyoruz.

Ancak, bu asla yaşadığımız dünyadaki nesnel gerçekliği ortadan kaldırmaz; çünkü kuantum fiziğindeki belirsizlikten çıkan ve atomların rastgele titreşmesini tanımlayan termodinamik yasaları özünde istatistik yasalarıdır. Öyleyse belirsizlik ilkesine bağlı etkileşimler de istatistiksel etkileşimlerdir.

İşte bu kurallar kuantum dünyasından gözle görülür dünyaya nasıl geçiş yaptığımızı gösteren ipuçları taşıyor. Henüz iki dünya arasında nasıl bir geçiş olduğunu bilmiyoruz; ama nesnel gerçeklik var mı sorusunu yanıtlamak için bu ilişkiye de dikkat etmemiz gerekiyor:

İlgili yazı: Kuantum ışınlama Rekoru: Çin Uzaya Foton Işınladı

 

Öznel ve nesnel gerçeklik ilişkisi

İstatistiksel olarak evrende büyük cisimlerin klasik fiziğe göre davranma şansı, kuantum fiziğine göre davranma olasılığından çok daha yüksektir. Özetle trilyon kere trilyon atom içeren insan vücudu gibi büyük cisimlerin dolanıklığa ve süperpozisyona sokulması çok zordur (Belirsizliğe dayalı rastgele etkileşimler buna engel oluyor).

Zaten termodinamik yasalarına göre enerjinin tamamını asla yararlı işe dönüştüremeyiz. Bu yüzden bütün evreni dolanıklığa sokmamız imkansızdır. Bunun için evrenin dışında yaşayan süper güçlü varlıklar olmamız ve bütün evreni tek bir atom gibi kontrol etmemiz gerekir. (Bkz. Evren bir simülasyon mu?)

Bu nedenle nesnel gerçekliğin büyük ölçeklerde geçerli olması sadece bir temenni değil, belki de bizzat determinist klasik fiziğe bağlı olan şu ünlü kuantum alanlarından türeyen bir zorunluluktur. Öte yandan, determinist termodinamik yasalarının da belirsizlik ilkesinden türediğine dikkat edelim.

Öyle ki bizzat belirsizlik ilkesi, belirsizliğin dengesiz ve kısa ömürlü olmasına yol açıyor. Bu nedenle de büyük cisimleri oluşturan çok sayıda atomu kalıcı olarak etkilemesini önlüyor.

İlgili yazı: Yerçekimi Kuantum Salınımlarıyla mı Oluşuyor?

 

Determinist kaos bağlantısı

Matematikte klasik fiziğin temeli olan determinist kaos teorisi vardır. Fraktal geometri de bu teoriden türüyor. Determinist kaos karmaşık bir sistemin geleceğini tümüyle bilemeyeceğimizi; çünkü bunu bilmek için gereken enformasyonu sistemden sonlu ve makul zamanda çekemeyeceğimizi söylüyor. Buna belirlenemezlik ilkesi diyoruz.

Oysa kuantum fiziğindeki belirsizlik ilkesi rastlantısallığın, doğanın temel ve ayrılmaz bir özelliği olduğunu gösteriyor. Öyle ki karmaşık bir sistem hakkındaki bütün bilgiye sahip olsak bile, atomlar bir ölçekte rastgele ve öngörülemez olarak hareket edecektir.

Bu durumda şans olgusu veya kelebek etkisi dediğimiz şeyin de atomların belirsizlik nedeniyle rastgele titreşmesi ve öngörülemez hareketler yapmasından kaynaklandığını söyleyebiliriz.

Nitekim kuantum fiziği bize doğayla ilgili bütün olasılıkları veriyor; ama bunların hangisinin gerçekleşeceğini söylemiyor. Ancak, olasılık dağılımını yüzde 100 kesin olarak, yani determinist olarak belirliyor. Sonuç olarak öznel gerçeklik ile nesnel gerçeklik arasında GERÇEK bir ilişki bulunuyor.

İlgili yazı: Kuantum Tünelleme ile Işıktan Hızlı İletişim

 

Toparlarsak

Doğanın kuantum fiziğinden klasik fiziğe nasıl geçtiğini bilmiyoruz; ama nesnel gerçekliğe geçiş yaptığını biliyoruz. Bu da büyük olasılıkla kuantum fiziğinin yanlış değil ama eksik olduğunu gösteriyor. Bu durumda kuantum fiziğini içine alan yeni ve daha kapsamlı bir teoriye ihtiyacımız bulunuyor.

Peki kuantum dünyasında öznel gerçeklikten kaynaklanan bir belirsizlik ve asla tümüyle öngörülemeyecek olan rastlantısallık varsa özgür irade bir yanılsama olabilir mi? Fizik kuralları insanların kendi iradesiyle özgür seçimler yapmasını önlüyor mu?

Onu da Bilinç maddenin fiziksel bir hali mi ve bilinç, bilinçsiz beynin bir ürünü mü yazılarında okuyabilirsiniz. Keyifli haftalarınız olsun. 🙂

Belirsizlik ilkesi

¹Experimental Rejection of Observer-Independence in the Quantum World