Kuantum Darwinizm: Evren Doğal Seçilimle mi Oluştu?

Fizikçiler evrenin neden yaşama uygun olduğunu göstermek için evrime dayalı Kuantum Darwinizm teorisini geliştirdiler. Nitekim fizik yasalarının şiddeti sadece 10^-36 (1/trilyon kere trilyon kere trilyon) ölçüsünde farklı olsaydı atomlar ve yıldızlar oluşmayacaktı.

Öyleyse evren uzaylıların yarattığı bir bilgisayar simülasyonu mu, yoksa Tanrı’nın eseri mi? Fizikçiler evrenin boşlukta kendi başına oluştuğunu ve evrim geçirerek zeki canlılara uygun bir yere dönüştüğünü düşünüyor. Peki bu nasıl oluyor?

İlgili yazı: Çin Ay’dan Helyum 3 Füzyon Yakıtı Getirecek

 

Kuantum Darwinizm ve sonsuzluk sorunu

Evren boşluktan nasıl oluştu? Bu soruya cevaben, “Evren sadece kuantum fiziğindeki Heisenberg’in belirsizlik ilkesinden kaynaklanan kuantum salınımlarıyla oluştu ve büyük patlamaya da kuantum salınımları yol açtı” dersek işin içinden çıkamıyoruz; çünkü kuantum salınımları boşlukta rastlantısal olarak gerçekleşiyor.

Zaman Büyük Patlamayla mı Akmaya Başladı? Yazısında belirttiğim gibi, içinde bulunduğumuz gözlemlenebilir evreni tanımlayan gerçek uzay-zaman büyük patlamayla ortaya çıktı. Bu nedenle, büyük patlamaya yol açan rastgele kuantum salınımlarının da evrenimizden önce gelen sanal uzay-zamanda ortaya çıkmış olması gerekiyor.

Öte yandan, sanal uzay-zaman adı üzerinde, sanal olduğu ve sanal sayılardan oluştuğu için her bir sanal anda sonsuz sayıda kuantum salınımına izin veriyor. Bu durumda sonsuzluk fikri bırakın bize yardım etmeyi, yaşadığımız gözlemlenebilir evrenin boşluktan nasıl oluştuğunu açıklamayı tümüyle imkansız hale getiriyor. Neden derseniz karşımıza iki tür sonsuzluk problemi çıkıyor:

Ya kainatta sonsuz sayıda evren var ya da yaşadığımız evrenin oluşmasının sonsuz sayıda yolu var. Öyleyse içinde bulunduğumuz evren, yani belirli fizik yasalarına sahip olan bu özel gözlemlenebilir evren sonsuz sayıda olasılık içinden nasıl ortaya çıktı?

Sonsuzluktan kurtulmalıyız

Bu soruyu yanıtlamak imkansız olduğuna göre (aritmetikteki 1/0 işleminin tanımsız olması gibi bir sorun) kozmolojideki sonsuzlukları ortadan kaldırmanın bir yolunu bulabilir miyiz? Kainatta sadece bir evren veya sonlu sayıda evren olduğunu gösterebilir miyiz? Kuantum Darwinizm teorisine göre evet:

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

 

Evreni bilimsel olarak açıklamak

Eğer kainatta tek bir evren veya eş zamanlı olarak sonlu sayıda evren olduğunu gösterebilirsek yaşadığımız evrenin nasıl oluştuğunu da bilimsel olarak açıklayabiliriz. Aksi takdirde işimiz sonsuzluğa kalır ki bu durumda 1) Ya evren süper gelişmiş bir uygarlığın yarattığı bilgisayar simülasyonudur 2) Ya da Tanrı’nın eseridir demek zorunda kalırız.

İnançlara saygımız sonsuz ama bunlar bilimsel varsayımlar değil; çünkü deney ve gözlemlerle yanlışlanabilir önermeler değiller. Fizikçiler de evrenin boşluktan nasıl oluştuğunu ve gözle görülür dünyadaki klasik fiziğin temeli olan nesnel gerçekliğin, kaotik kuantum dünyasından nasıl ortaya çıktığını göstermek amacıyla evrime dayalı Kuantum Darwinizm teorisini geliştirdiler.

Böylece sadece bizim evrenimizin değil, olası bütün evrenleri tanımlayan ve aynı zamanda kuantum fiziğinin köşe taşı olan Schrödinger’in dalga fonksiyonu denkleminin yarattığı sonsuzluklardan kurtulmak istediler. Açıkçası bu denklemi yalnızca yaşadığımız evrenin nasıl oluştuğunu gösterecek şekilde çözmek istediler.

Aslında çözmek istedikleri soru Antropik İlke’nin bir alt dalı olan ince ayarlı evren sorunudur: Yaşadığımız evren neden hayata elverişli? Sonuçta fizik yasalarını azıcık değiştirsek ne canlılar ne de bu tür soruları soran insanlar ortaya çıkardı. İlahi iradeye alternatif olarak evren rastlantıyla meydana geldi demek de sorunumuzu çözmediğine göre, ilk işimiz ince ayarlı evren problemini çözmek olacak.

İlgili yazı: Kodlama İçin En Gerekli 16 Programlama Dili

 

Kuantum Darwinizm ve ince ayar

Her şeyden önce Kuantum Darwinizm teorisine göre evet, evrenimiz ince ayarladır ama deyim yerindeyse hiçbir şey evrenimize ayar vermemiştir. Evren kendi ince ayarını kendi yapmıştır. Ancak bunu anlamak için önce fizik yasalarının neden ince ayarlı olduğuna değinelim:

1) Kainatta sonsuz sayıda evren varsa bizim evrenimiz de birebir olarak uzaklarda bir yerde sürekli oluşup yok oluyor ve sürekli olarak aynen tekrarlanıyor olmalı. Elbette ki “Aman hocam bu önemli değil. Kuantum fiziğindeki çoklu dünyalar yorumu uyarınca, evrenimizin birebir kopyaları aynı fiziksel alemde yer almayan paralel dünyalardır. Bu sebeple sorun çıkmaz” diyebilirsiniz.

Ancak, bu yorum da evren boşluktan nasıl oluştu sorusunu yanıtlamıyor; çünkü yaşadığımız evrendeki fizik yasaları sadece 10^-36 (1/trilyon kere trilyon kere trilyon) ölçüsünde farklı olsaydı gözlemlenebilir evrende bildiğimiz anlamda yaşam oluşmayacaktı.

Kısacası ister çoklu evren teorisi. ister çoklu dünyalar yorumu (ikisi farklı şeyler) olsun; kainatta sonsuz sayıda farklı evren varsa (kendi evrenimiz farklı alemlerde sonsuza dek tekrarlanıyor olsa bile), bizim onca olasılık arasında en hassas parametrelere dayanan evrenlerden birinde yaşıyor olma ihtimalimiz istatistiksel olarak çok düşük olacaktı.

Evrene ayar vermek

2) Öte yandan, Schrödinger denklemine göre kainatta sonsuz evren yok ama çok sayıda farklı evren varsa yine bir şey değişmeyecekti: Sadece 10^-36 (1/trilyon kere trilyon kere trilyon) ölçüsünde ince ayar yapılmış şu şanslı evrende, biz insanların ortaya çıkarak bu tür beyin yakıcı sorular sorma olasılığımız yine çok düşük olacaktı. 😀 Kısacası evrenin boşlukta rastlantısal olarak oluştuğunu kanıtlamak fizikte imkansızdır. Bu sebeple fizikçiler kanıtlanabilir bilimsel teoriler geliştiriyorlar.

İlgili yazı: İnternetinizi Uçuracak En İyi 10 Modem

 

Kuantum Darwinizm bunun için tasarlandı

Daha önce size Sınır Yok Önermesi’ni geliştiren Stephen Hawking ve sonsuz enflasyon teorisini (şişme modeli) geliştiren Alan Guth ile diğer fizikçilerin, sonsuz sayıda evren fikrinden hiç hoşlanmadığını söylemiştim. Sanırım alternatif kozmoloji teorileri geliştirirken zaman zaman birbirine kızan fizikçilerin üstünde anlaştığı tek nokta kainatta sonsuz sayıda evren olmadığıdır 🙂

Ancak, evrenin doğal seçilimle oluşup zamanla evrim geçirerek yaşama uygun bir yer haline geldiğini öne süren Kuantum Darwinizm teorisi sadece bu sorunu çözmeye çalışmıyor; çünkü kuantum fiziğindeki rastlantısallıkla ilgili olan çok daha büyük bir sorun var. Atomlar, atomaltı parçacıklar ve temel parçacıklar Heisenberg’in belirsizlik ilkesi uyarınca çok garip kuantum özellikleri seriliyorlar:

Aynı anda hem sağa hem sola dönmek gibi bulanık süperpozisyon durumlarında olabiliyorlar. Kuantum tünelleme ile bir anda başka yere sıçrayabiliyor ve adeta ışınlanıyorlar. Hayalet gibi duvarların içinden geçiyor ve hatta gecikmeli seçim kuantum silgisi deneyinde olduğu gibi kendi geçmişini değiştirebiliyorlar.

Biz insanlar bunları yapamıyoruz

İyi ki de yapamıyoruz! Büyükbaba paradoksu yazısında anlattığım gibi, kendi geçmişinizi değiştirmek için geçmişe gidip büyükbabanızı öldürürseniz paralel evrenlerde tuzağa düşersiniz. Vücudunuzdaki atomlar aniden başka yere sıçrarsa yavaş yavaş parçalanırsınız. Arabayla sağa sapayım derken aynı anda sola dönerseniz kafanız karışır ve kaza yapabilirsiniz.

İlgili yazı: Büyük Ölüm: Dünyanın En Büyük Felaketi

 

Kuantum Darwinizm ve gerçek dünya

Kuantum Darwinizm bu soruyu da yanıtlamaya çalışıyor: Kuantum fiziğindeki gariplikler sağduyulu gerçek dünyada neden görülmüyor? Örneğin, kuantum dünyasında nesnel gerçeklik olmadığını biliyor ve gözümüzün 12 milyar yaşındaki süper kütleli kara deliklerle bile zamanda dolanık olabileceğini görüyoruz.

Yine de yaşadığımız dünyada nesnel gerçeklik var; çünkü kuantum tarzı öznel gerçeklik günlük hayatta geçerli olsaydı tanık olduğumuz tüm olaylar, yaşadığımız bütün anılar ve sevdiğimiz güzel kişiler birer hayalden ibaret olurdu.

Tıpkı bilgisayar tabanlı rol yapma oyunlarının en iyilerinden biri olan Planescape: Torment’taki Dakkon gibi; sırf hayallerinizden şüpheye düştüğünüz için yaşadığınız şehri yok edebilirdiniz veya gece yemeği fazla kaçırınca göreceğiniz kabuslar sabaha gerçek olurdu.

Tabii ki gerçek hayatta bu tür saçmalıklar olmadığını biliyoruz; ama açıkçası neden bu tür saçmalıklar olmadığını bilmiyoruz! Dahası kuantum dünyasının gariplikleri gerçek dünyada hiçbir zaman görülmez de diyemiyoruz: 😮

İlgili yazı: Yapay Zeka Nedir ve Nasıl Çalışır?

 

Peki neden öyle?

1) Kuantum bilgisayarların zamanı tersine çevirerek hata düzeltme yapması ve 2) süper soğuk süper sıvıların içindeki moleküllerin birbiriyle dolanıklığa girip tek bir dev atom gibi davranması, günlük hayatta dahi görebileceğimiz kuantum gariplikleridir! Kısacası kuantum dünyasındaki kaotik rastlantısallığa rağmen, evrenin neden yaşama uygun olduğu sorusunu yanıtlamak kolay değildir.

Öyleyse evrenin doğal seçilimle oluştuğunu ve evrim geçirdiğini öne süren Kuantum Darwinizm teorisi iki şeyi açıklamak için geliştirilmiş bulunuyor: A) Evren boşluktan nasıl oluştu ve neden yaşama elverişli VE B) Neden nesnel gerçekliği yok eden Heisenberg’in belirsizlik ilkesi gerçek hayatta büyük ölçüde geçerli değil? Bunları yanıtlamak için fizik yasalarının ne kadar hassas olduğunu görelim:

İlgili yazı: Sıcaktan Buharlaşan Yumurta Gezegen WASP-121b

 

Süper hassas evren

2010 yılında kaybettiğimiz İngiliz kozmolog ve astrofizikçi Marten Rees, evrenin yaşamı desteklemek için ne kadar ince ayarlı olduğunu göstermek üzere aşağıdaki listeyi hazırladı:

• N değeri: Elektromanyetik kuvvet yerçekimine yol açan kütleçekim kuvvetinden 10³⁶ kat daha güçlüdür; ama daha zayıf olsaydı evren küçük ve kısa ömürlü olacaktı.
• Epsilon (ε) değeri: Hidrojen atomlarını kaynaştırarak helyum atomu sentezleyen ve böylece enerji üreten nükleer füzyon reaksiyonların verimliliği yüzde 0,7’dir. Oysa bu reaksiyonlar kütlenin sadece yüzde 0,6’sını enerjiye çeviriyor olsaydı, yıldızlar tutuşup yanamaz ve evrende hidrojenden başka element oluşamazdı (büyük patlama anında bile).
• Omega (Ω) değeri: Evrenin genişleme enerjisi ile yerçekimi şiddetinin birbirine oranı olan bu yoğunluk parametresi yaklaşık olarak 1’dir. Yoğunluk oranı 1’den az büyük olsaydı yerçekimi üstün gelir ve evren kara delik halinde çökerek yok olurdu. Tersi durumda ise yıldızlar oluşmazdı; çünkü yerçekimi, gaz ve toz bulutlarının kendi üzerine çöküp sıkışarak nükleer füzyonla tutuşmasını sağlayacak kadar güçlü olamazdı.
• Lambda (Λ) değeri: Evrenin gittikçe hızlanarak genişlemesinden sorumlu karanlık enerjinin evrenin kritik enerjisine olan oranı bugün Planck ölçeğinde 10^-122’dir. Bu da karanlık enerjinin 3,26 milyon ışık yılı mesafeden itibaren genişlemeye yol açmasını ve 1 milyar ışık yılı mesafede ise yerçekimini tümüyle yenmesini sağlıyor. Oysa karanlık enerji daha güçlü olsaydı evren aşırı hızlı şişerek büyük yırtılmayla parçalanırdı; ama evreni tanımlayan başka ince ayarlar da var.

İlgili yazı: Evrenin En Büyük Yıldızı UY Scuti mi?

 

Kuantum Darwinizm ve evrensel sabitler

Q değeri: Büyük bir galaksinin yerçekimini yenerek onu parçalamak için gereken enerjinin yerçekimine oranı 10^-5’tir. Bu değer daha küçük olsaydı yıldızlar oluşamaz veya uzaya savrulurdu ve daha büyük olsaydı, yeni oluşan yıldızlar yerçekiminin etkisiyle çarpışarak kara deliklere dönüşürdü.

D değeri: Evrenimizde uzay 3 boyutludur (en azından büyük ölçeklerde). Oysa evren büyük ölçekte sadece 1, 2 veya +3 boyutlu olsaydı yaşam oluşamazdı. Bu elbette sicim teorisinde öne sürülen 10 uzay boyutlu evrene aykırı değil; çünkü teorideki ek boyutlar mikroskobik boyutta oluyor.

Öyleyse Kuantum Darwinizm tam olarak nedir ve bizler kuantum dünyasından klasik fiziğin geçerliği olduğu büyük ölçekli dünyaya nasıl geçiş yapıyoruz? Bu soruların yanıtını bilirsek evrenin formülünü Schrödinger dalga fonksiyonu denkleminden çıkarabiliriz.

İlgili yazı: Düz Dünya Teorisini Çürüten 12 Kanıt

 

Evren klasik fiziği kayırıyor

Öncelikle Kuantum Darwinizm fikrine göre, birden çok parçacığın birbiriyle etkileşim halinde olduğu büyük ölçekli sistemlerde (1 mm ve daha büyük mesafelerde) dalga fonksiyonu, evrim teorisindeki “ortam şartlarına en uygun olanlar hayatta kalır” ilkesine göre çöküyor.

Neden böyle derseniz basit bir mantığı var: Klasik davranış sergileyen dalga fonksiyonu çözümleri çok daha uzun ömürlü oluyor ve bunlar da kendisi gibi uzun ömürlü olan diğer dalga fonksiyonu çözümlerinin oluşması için evrimsel bir baskı oluşturuyor.

Kuantum Darwinizm’e göre, istikrarlı dalga fonksiyonu çöküşleri diğer istikrarlı kuantum durumlarını teşvik ediyor. Sonuçta insan vücudunu oluşturan trilyonlarca atomun aynı anda uzak mesafelere kuantum tünelleme ile ışınlanma olasılığı 10⁵⁰⁰ yılda gerçekleşmeyecek kadar düşüktür. Öyleyse klasik fiziğe uygun kuantum davranışlarının gerçekleşme olasılığı istatistiksel olarak daha yüksektir.

İlgili yazı: Çifte Sarmal DNA Neden Sağ Elli?

 

Kuantum Darwinizm ve dalga fonksiyonu

Şimdi diyeceksiniz ki “Ama hocam, insan vücudu ortama egemen olan bir istikrar mekanizmasıdır. Bizzat canlılığın tanımı homeostaz olup bu da hücre dışı gerçekleşen olaylar karşısında, hücrenin kendi metabolik süreçlerinin istikrarını koruma; yani bedenin kendini otomatik olarak düzenlemesi eğilimidir.”

“Peki evrende atomların birleşmesiyle büyük ölçekli yapılar oluşmasına yol açan ve bu yapılarda klasik fiziğin ortalama olarak geçerli olmasını sağlayan ilk dalga fonksiyonu çöküşleri neden daha istikrarlı oluyor? Neden klasik fiziğe benzeyen parçacık davranışları kaotik kuantum dünyasına üstün geliyor?”

Güzel soru; ancak bu kez de işin içine termodinamik giriyor: Nasıl ki yaşam ve evrim evrende termodinamik yasaları uyarınca ortaya çıkan enerji optimizasyonu sürecinin doğal bir sonucudur; klasik fiziğe yatkın olan istikrarlı kuantum çözümleri de termodinamik yasalarına bağlıdır.

Sonuçta uzun ömürlü kuantum çözümleri, enerjiyi en verimli şekilde kullandığı için kaotik kısa süreli kuantum çözümlerinin (yani rastgele kuantum salınımlarının) önüne geçiyor. Böylece bir fiziksel sistemin mikroskobik boyutta klasik fiziğe yakın davranmasını termodinamik teşvik ediyor. Buna göre oluşan insan vücudu gibi sistemler ise kendi içindeki kaosu düzenleyerek klasik fiziği yaygınlaştırıyor.

Özetle doğal seçilim budur

Kuantum Darwinizm savunucularına göre, termodinamik enerji optimizasyonu evrende klasik fiziğe yakın dalga fonksiyonu çöküşlerinin sayısını artıran bir doğal seçilim mekanizması oluşturuyor. Böylece evrende moleküllerden daha büyük yapılar oluşabiliyor ve 1 mm’den büyük ölçeklerde klasik fizikle tanımlanabilen nesnel gerçeklik ortaya çıkıyor.

İlgili yazı: Kelebek Etkisi Kasırgaya Yol Açar mı?

 

Kuantum Darwinizm nasıl çalışıyor?

Eşevresizlik süreciyle ki bu da kuantum parçacıkların, birden fazla kuantum durumunda aynı anda bulunması olarak tanımlayabileceğimiz süperpozisyonun bozulmasıdır.

Örneğin, egzoz dumanı gibi birden fazla parçacık ve atomun birbiriyle etkileşim halinde olduğu büyük sistemlerde eşevrelilik (coherence), söz konusu parçacıkların birbirini dolanıklık özelliğiyle uzaktan etkilemesiyle bozuluyor ki buna da eşverisizliğe geçiş (decoherence) diyoruz.

Belki de diyeceksiniz ki “Ama hocam, kuantum dünyasındaki bütün etkileşimler uzaktan etki midir? Nötronların atom çekirdeklerine çarparak atomu parçalaması kinetik etki değil midir?” Hayır, aslında bu klasik fiziğin yorumu olup kuantum fiziğinde geçerli değildir:

Her ne kadar momentumun kuantum tanımı tam olarak yapamıyorsak da kuantum fiziğindeki bütün parçacıkların aynı anda hem dalga hem de parçacık olduğunu biliyoruz. Bu bağlamda nötron parçacıkları da aynı zamanda nötron dalgasıdır.

İlgili yazı: 6 Adımda Osiris-Rex Sondası Bennu’da Ne Buldu?

 

Bu ne anlama geliyor derseniz

Bu dalgalar kuantum enerji alanlarının içinde dalgalanır ve kuantum alan kuramına göre tanımlanır. Dolanıklık dediğimiz şey de parçacıkların, içinde hareket ettikleri enerji alanlarının teorik olarak sonsuz yüzey alanına sahip olmasına rağmen birbirini anlık olarak etkilemesidir (alanların üst üste binmesi diyelim ki bunu denize karışan bir nehrin ağzında görebilirsiniz). Elbette ki deniz dalgası gibi mekanik dalgalar uzaya çok yavaş yayılır. Elektromanyetik dalgalar ise boşlukta ışık hızıyla yayılır.

Ancak, nötron veya foton dalgası çok farklıdır. Sonuçta foton dalgası foton alanında dalgalanıyor; ama bu aslında fotonun olasılık dalgasıdır. Öyle ki foton dalgası elektromanyetik dalgalar gibi şiddeti ölçülebilen fiziksel bir dalga değil, uzaktan anında etkiye izin veren bir metafizik ihtimaller dalgasıdır.

Bütün bu sebeplerle bir parçacığın diğer bir parçacığı salt kinetik enerjiyle etkilemesi mümkün olmuyor. Nötronlar bile atomu parçalarken hem kinetik enerji veriyor, hem de bunun yol açtığı fiziksel etkileşimle atomların olasılık dalgasını değiştirip çökertiyor

Ancak baştan belirteyim, dalga fonksiyonunun çökmesinin tam olarak ne anlama geldiğini bilmiyoruz: Fotonun olasılık dalgası elektromanyetik alan gibi enerji alanlarının içinde dalgalandığına göre fiziksel bir dalga mıdır? Olamaz; çünkü ışıktan hızlı yayılıyor. Tümüyle metafizik bir dalga mıdır? Bu da bilim dışı bir varsayım olmanın ötesinde geçersizdir; çünkü foton elektromanyetik kuvvetin taşıyıcısıdır!

İlgili yazı: Sıcaktan Buharlaşan Yumurta Gezegen WASP-121b

 

Öyleyse neler oluyor?

Bildiğiniz gibi size süperpozisyonu anlatmak için yarım spine sahip elektronları sık sık örnek gösteriyor ve bir elektronun hem sağa hem de sola dönmesinden söz ediyorum; ama bu aslında tam olarak doğru değil.

Elektronlar yarım spinli aralıklarla dönüyor; yani boşlukta bir an kaybolup bir an var olarak ve şiddeti hep yarım ölçekle artan bir spin enerji durumundan diğerine sıçrayarak dönüyor.

Kısacası elektronlar kağıt üzerinde düz çizgi çekebilecek olsaydı bu yekpare değil, kesikli bir çizgi olacaktı. Biz de birazdan Kuantum Darwinizm fikrini anlatırken bu kuantum özelliğinden yararlanacağız. O yüzden bunu aklınızda tutun ve hemen aşağıdan devam edin:

İlgili yazı: Çerenkov radyasyonu ve Işıktan Hızlı Parçacıklar

 

Dolanıklığın yayılması

Artık konu hakkında yeterince arka plana sahip olduğumuza göre, bir oda dolusu hava molekülü gibi büyük fiziksel sistemlerde belirsizlik ilkesinden türeyen süperpozisyonun nasıl bozulduğunu anlatabilir ve sonra da bunu Kuantum Darwinizm’de dalga fonksiyonunun doğal seçilimle çökmesine bağlayabiliriz. Sonuçta klasik fizik ve nesnel gerçeklik dalga fonksiyonu çökünce oluşur.

Diyelim ki elektronları hem spin yukarı, hem de spin aşağı dönen süperpozisyon halindeki bir atom alıp odadaki hava moleküllerinin arasına bıraktık. Bu atom hemen yakındaki bir molekül veya atomla dolanıklığa girecek ve parçacıkları da süperpozisyonda tutacaktır.

Öte yandan, dolanıklık üst üste binen ve dalga boyları eşitlenen enerji alanlarından oluşur ki bir kez ortaya çıktı mı, tıpkı sigara dumanı gibi bütün odaya dağılır. Böylece bizim atomumuz da birçok parçacıkla hızla dolanıklığa girecektir.

İlgili yazı: Hubble Uzayda Hayatın Kaynağı Bucky Küreleri Buldu

 

Kuantum Darwinizm ve eşevresizlik

Ancak, o atomla dolanıklığa giren parçacıkların sayısı arttıkça, tıpkı sıcak suyun soğuk suya karışınca ılık olması gibi, kuantum alanları da sistemin ortalama enerji değerinde buluşacaktır. Kısacası odadaki atomun süperpozisyonunu onunla süperpozisyona giren çok sayıda atom, parçacık ve molekülle muhafaza etmenin enerji maliyeti çok hızlı artacaktır. Buna süperpozisyonun seyrelmesi diyoruz.

Bu durumda termodinamik yasaları atomun dalga fonksiyonunu mümkün olan en düşük enerji durumuna getirecektir. Minimum enerji değeri ise söz konusu atom ile onunla etkileşen parçacıkların dalga fonksiyonunu çökertip dolanıklığı sonlandıracak ve sistemi eşevresizliğe geçirecektir.

Öyleyse büyük fiziksel sistemlerde eşevresizlik dolanıklıktan daha ucuza geldiği için termodinamik optimizasyona dayalı kuantum doğal seçilim süreci tarafından teşvik edilmektedir.

Öyle ki atomumuz ya spin yukarı ya da spin aşağı durumu seçer ve dolanıklığa girdiği diğer atomları da buna bağlı bir seçim yapmaya zorlar. Örneğin, spin yukarı durumundaysa diğer atomları spin aşağı duruma geçirir ve tersi… Sonuç olarak bir oda dolusu hava molekülü gibi büyük ölçekli sistemlerde süperpozisyon hızla çöker ve parçacıklar klasik fiziğe göre davranmaya başlar.

İlgili yazı: Uranüs Halkaları Neden Plak Gibi Çizgili?

 

Peki klasik fiziğe geçiş hızı nedir?

Kısacası dalga fonksiyonunun çökme hızı nedir? Aslında dalga fonksiyonu en az ışık hızında çöküyor olmalı; ancak olasılık dalgası tam olarak fiziksel bir enerji alanı olmadığı için dolanıklığın sonsuz hızda, yani anında gerçekleşiyor olması da mümkündür.

Yine de biz boş durmadık ve çökme hızını gerçek fiziksel sistemlerde görebildiğimiz kadarıyla ölçtük. Öyle ki bizim delişmen atomun, bir oda dolusu hava molekülü içinde süperpozisyondan çıkıp belirli bir kuantum durumu alması; yani eşevresizliğe geçmesi çok ama çok hızlı oluyor ve bu süreç sadece 10^-31 saniyede tamamlanıyor.

İlgili yazı: Kütleçekim Dalgalarını Yeni Yeraltı Teleskopları Görecek

 

Kuantum Darwinizm teorisinin kökeni

Kuantum fiziği büyük ölçüde 1905-41 yılları arasında geliştirildi; ama Schrödinger dalga fonksiyonunun çökmesiyle gerçekleşen eşevresizlik süreci, ancak 1970’lerin sonunda Alman fizikçi Heinz-Dieter Zeh tarafından tanımlandı ve 1980’li yıllarda Polonya asıllı Alman fizikçi Wojciech Zurek tarafından formüle edildi.

Size bu bilgiyi verdim; çünkü birazdan Kuantum Darwinizm teorisindeki doğal seçilim varsayımının deneylerle kanıtlamayı başardığımızdan söz edeceğim. Bu deneylerin nasıl yapıldığını anlatmak için de süperpozisyon, dolanıklık ve eşevresizliğe geçişi kısaca özetlemem gerekiyordu.

Maalesef Heinz-Dieter Zeh’i bir süre önce kaybettik ama Wojciech Zurek, New Mexico’daki Los Alamos Laboratuarı’nda çalışmalarını sürdürüyor. Üstelik süperpozisyonun eşevresizlikle bozulmasını tersten anlatıyor ve kısaca diyor ki süperpozisyon halini diğer parçacıkların etkisi bozmaz.

İlgili yazı: NASA Neden Uzaya Atom Saati Gönderiyor?

 

Peki ne bozar?

Önce süperpozisyon halindeki atom diğer parçacıklarla dolanıklığa girer ve molekül boyutunda süperpozisyon yaratmaya çalışır. Ancak, süperpozisyonu bir oda dolusu molekülde uzun süre korumak çok yüksek enerji gerektirdiği için dalga fonksiyonu çökerek süperpozisyon bozulur ve büyük fiziksel sistemlerde eşevresizlik yoluyla klasik fizik sistemlerine geçiş yapılır.

Şimdi diyeceksiniz ki hocam aynı şeyi tekrarladınız. Acaba? Zurek diyor ki kuantum dünyasında süperpozisyon ve dolanıklık özellikleri olmasaydı gözle görülür klasik fizik ve nesnel gerçeklik dünyası asla oluşmayacaktı. Bu çok güçlü bir iddiadır! 😮

Nitekim Wojciech Zurek, “Bizzat kaotik sistemlerin otomatik olarak termodinamik enerji optimizasyon yapma eğilimi yaşadığımız dünyayı yaratır” diyor. Biz de bu eğilime Kuantum Darwinizm kapsamında doğal seçilim diyoruz.

İlgili yazı: Işık Yelkeni 2 Falcon Heavy ile Uzaya Gidiyor

 

Bu nasıl oluyor?

Buraya dek parçacıkların dalga fonksiyonunun eşevresizlik süreciyle nasıl çöktüğünü anlattık; ama neden çöktüğünü henüz anlatmadık; çünkü bunu Zurek ve ekibi daha yeni formüle ettiler. Üstelik çok iddialı bir açıklama yapıyorlar:

Öyle her atomu bir oda dolusu hava molekülünün içine koyarak süperpozisyonu bozamazsınız. Bir atomun süperpozisyondan çıkabilmesinin tek yolu, uzun süreli ve daha istikrarlı bir süperpozisyon durumunda olmasıdır.

Yoksa süperpozisyon halindeki atomun odadaki diğer atomlarla dolanıklığa girmesi için termodinamik enerji maliyeti çok artacak ve bu da atomla oda arasındaki fiziksel etkileşimi engelleyecektir. Dolayısıyla atomun süperpozisyonu diğer parçacıklarla etkileşime girmeden bozulacaktır.

Zurek bir oda dolası moleküle virüs gibi bulaşan diğer güçlü süperpozisyon durumlarını ise işaretçi kuantum durumları olarak adlandırıyor. Bunu çaya toz şeker koymak gibi düşünün. Tek bir şeker tozu tanesi çayı tatlı yapmaz; ama tek kişilik şeker paketini tümüyle boşaltırsanız çayınız şekerlenir. Sözün özü işaretçi kuantum durumları olmasaydı klasik dünya oluşamazdı.

İlgili yazı: Fizikçiler Schrödinger Kedisini Nasıl Kurtardı?

 

Kuantum Darwinizm ve işaretçi durumlar

Artık gözle görülür büyük ölçekli fiziksel sistemlerde nesnel gerçekliğin nasıl ortaya çıktığını ve kuantumdan klasik fiziğe nasıl geçiş yaptığımızı biliyoruz. Dahası bunun neden olduğunu da biliyoruz ve şimdi sıra Kuantum Darwinizm ile kuantum doğal seçilim fikrinin nasıl ortaya çıktığını göstermekte:

Neden güçlü süperpozisyon durumları fiziksel sistemlerin klasik fizik sistemlerine dönüşmesini kolaylaştırıyor? Nitekim kuantum fiziği okuyan öğrenciler ve fizik hocalarımız buraya dek evrimden çok termodinamik süreçleri anlattığımı görecektir. Dolayısıyla termodinamiğin, evrimdeki ortama en uygun olanlar hayatta kalır (survival of the fittest) sözüyle ne ilgisi olduğunu sorabilirsiniz.

Aslına bakarsanız Zuzek ve arkadaşları Kuantum Darwinizm fikrini kafasından uydurmadı. Tıpkı kuantum fiziğinin kurucusu Max Planck gibi, onlar da doğa olaylarını gözlemledikleri zaman işin bu şekilde yürüyor olabileceğini gösteren ipuçları buldular.

Süperpozisyonla ilgili fiziksel etkileşimleri ölçüp matematiksel olarak formüle ettikleri zaman, eşevresizliği başlatan işaretçi durumların çok daha uzun süreli süperpozisyonlar oluşturduğunu gördüler. Örneğin, bir elektronunun spin aşağı ve yukarı durumlarının süperpozisyonu, onun kuantum tünelleme ile 2 mm öteye sıçrama ihtimalini gösteren süperpozisyondan daha güçlüydü.

İlgili yazı: Kuantum Deneyi Nesnel Gerçeklik Yok Dedi

 

Süperpozisyonda doğal seçilim var

Kısacası bir oda dolusu hava molekülü, odaya yeni giren ama farklı süperpozisyon durumlarında olan bütün atomların süperpozisyon halini aynı hızla bozmuyordu. Sonuçta spin durumundan lokasyon ve momentuma dek birçok farklı kuantum durumu ve bunların kendine özgü süperpozisyon süreleri var.

İşte Zuzek bunu düşününce neden bazı süperpozisyon durumlarının bozulmaya karşı daha dayanıklı olduğunu sordu. Sonra da termodinamik yasaları uyarınca bazı süperpozisyonların enerji açısından daha ucuza geldiği ve bunun da süperpozisyon ömrünü uzattığı sonucunu vardı. Ancak, kuantumdan klasik dünyaya geçiş için tek bir atomun süperpozisyon süresini değil, çok sayıda parçacığın nispeten uzun süreli olarak ortak süperpozisyona girmesini kast ediyordu.

Sonuçta termodinamik yasaları bazı süperpozisyon türlerini teşvik ediyor ve bu da Kuantum Darwinizm’deki doğal seçilimi başlatıyordu. Öte yandan, bir parçacığın spin süperpozisyonu daha kısa ömürlüydü ve bu yüzden de dolanıklıkla klasik dünyayı yaratmakta pek becerikli değildi: Açıkçası kendi dalga fonksiyonu çökmeden önce odadaki diğer molekülleri çökertmeye zamanı olmuyordu.

Oysa lokasyon süperpozisyonu daha uzun ömürlü olup dolanıkla daha çok parçacığı etkiliyor ve böylece daha büyük bir gaz bulutunun dalga fonksiyonunu çökertip klasik dünyaya geçiş yaptırabiliyordu. Bu da ilk bakışta bir çelişkiydi:

En garip kuantum özelliği

Sonuçta en kısa ömürlü süperpozisyonların hızla çökerek ortamın klasik fiziğe geçişini hızlandırmasını beklersiniz; ama diğer moleküllerle yaygın fiziksel etkileşime girmeye vakti olmadığı için bunlar klasik dünyayı yaratmakta da pek işe yaramıyorlar. Yine de bu Kuantum Darwinizm teorisindeki doğal seçilim sürecinin yarısıdır; ama kuantum seçilim için bir faktör daha gerek ve şimdi onu göreceğiz: Dolanıklık ve süperpozisyon anlık etkidir. Peki nesnel gerçeklik neden ışık hızında gerçekleşiyor?

İlgili yazı: Uzayda Silisyum Tabanlı Yaşam Var mı?

 

Kuantum Darwinizm ve ışınlama

Bunun sebebi evrende ışıktan hızlı iletişim kurmanın imkansız olmasıdır. Gerçi anlık dolanıklık etkisinden yararlanan kuantum ışınlama deneyleri ile ışıktan hızlı iletişim kuracağımızı düşünebilirsiniz ama bu mümkün değil. Nesnel gerçekliğin oluşumunu anlamak için kuantum ışınlamanın sınırlarını görelim:

Kuantum ışınlama dolanık parçacıkların anında birbirini etkilemesidir. Örneğin, aralarında 1 milyar ışık yılı olsa da birbirine dolanık bir elektron çiftindeki eşlerden biri spin yukarı duruma geçerse diğeri de mutlaka ve anında spin aşağı duruma geçecektir.

Öte yandan kuantum ışınlama ile ışıktan hızlı iletişim kuramayız. Bell eşitsizliği sebebiyle kendi elektronumuzun kutusunu açtığımız zaman, sahip olduğu kuantum durumunun dolanık eşinin durumundan etkilenip etkilenmediğini bilemeyiz.

Bunun için diğer elektronun kutusunu açan kişinin size telefon edip veya mesaj gönderip “Benim elektronumu spin yukarı durumunda gördüm. Seninkinin de spin aşağı durumda olması gerekiyor” demesi gerekiyor. Sonuçta Bell eşitsizliği yüzünden, dolanık elektronunuz kutuyu açtığınız zaman hem rastgele durumlar, hem de dolanıklığa bağlı olan o tekil durumu alacaktır.

Oysa siz kutuyu binlerce kez açsanız bile, göreceğiniz farklı durumlar içinde hangisinin dolanıklık durumu ve hangilerinin de rastlantısal durumlar olduğunu bilemezsiniz. Bu sebeple de kuantum ışınlama ile ışıktan hızlı iletişim kuramazsınız. Şimdi bunun Kuantum Darwinizm’de nesnel gerçekliğin ortaya çıkmasını nasıl etkilediğine bakalım. Anahtar kelime bilinçli gözlemcidir:

Kuantum silgisi ve bilinç

Nitekim kuantum silgisi deneyinde gördüğümüz gibi, bir parçacığın süperpozisyon halini bizzat bilinçli gözlemciler etkileyebiliyor. Bilinçli gözlemcinin bir parçacığı etkilemesi ise rastgele fiziksel etkileşim değildir ve enformasyon transferini gerektir; çünkü bilinçli gözlemci varsa bir bilen var demektir ki o da bilgiyi gerektirir. Kuantum fiziğindeki temel bilgi birimi de enformasyon, yani malumattır. Bu da önemli bir ayrım; çünkü malumat size malum olduğu kadarıyla demek (fenomen, görüngü). 🙂

İlgili yazı: Stonehenge Anıtını Kimler İnşa Etti?

 

Işık hızında nesnel gerçeklik

Peki bütün bunlar ne anlama geliyor? Her şeyden önce kuantum fiziğinde anlık uzaktan etki olsa da nesnel gerçekliğin sadece ışık hızında ortaya çıkabileceğini gösteriyor. Bunun da bir mekanizması var; yani bilinçli gözlemcinin bizzat gözlemlediği şeye bakarak onu değiştirmesi var. Malumatın malum olanlara göre değişmesi söz konusudur. Yine de bu bizi öznel idealizmin aşırı bir yorumu olan solipsizme götürmez. Neden derseniz işaretçi durumlarla görelim:

İşaretçi durumlar kuantum dünyasından fiziksel dünyaya geçişi sağlayabilir. Ancak, bunlar Ahmet ile Aylin gibi iki farklı bilinçli gözlemcinin aynı deney sonucunu görmesini, yani ortak bir nesnel gerçekliği yaşamasını tek başına sağlayamazlar. Bunun için bize Kuantum Darwinizm’de bulunan ekstra bir faktör lazım.

Eh basitinden, bugün sokaktaki bir arkadaşınızı gördüğünüz zaman bunu gözlerinizle yapıyorsunuz. Gözlerinizde retina tabakası ve bunun üzerinde ışığı algılayan hücreler var. Arkadaşınızı görmek için de ondan yansıyan ışığı oluşturan fotonların kelimesi kelimesine gözünüze girmesi gerekiyor.

Oysa Bell eşitsizliği ve belirsizlik ilkesi yüzünden; gözünüze giren fotonların kuantum durumları, buna bağlı olarak da ışığın rengi rastgele değişebilir! Örneğin arkadaşınız yeşil tişört giymiştir; ama retinanıza giren bir foton kırmızı renkli olabilir. Kırmızı dalga boyu enformasyonunu taşıyor olabilir.

Nesnel gerçeklik istatistiksel bir olgudur

Öyleyse sizin ve yanınızdan geçen insanların o tişörtü gerçekte olduğu gibi yeşil olarak algılaması için gözlerinize çok sayıda yeşil ışık fotonu girmeli ki nesnel gerçeklik üzerinde uzlaşın. Yoksa Bell eşitsizliği gözle görülür dünyayı sürekli istatistiksel olarak rastlantısallaştırır ve nesnel gerçekliğe asla izin vermez.

İlgili yazı: İnsanlar Gelecek 100 Yılda Nasıl Evrim Geçirecek?

 

Kuantum Darwinizm ve kuantum uzlaşı

Zurek nesnel gerçekliği oluşturan bu istatistiksel uzlaşı faktörüne ortama bağlı süper seçilim diyor. Sonuç olarak Kuantum Darwinizm’de nesnel gerçekliğe yol açan doğal seçilim şöyle işliyor:

• Arkadaşınızın tişörtünün yeşil renkli olması doğasına uygun işaretçi durumlar yaratıyor. Buna felsefede tişörtün kendindeliği, fizikte ise tişörtün doğal atomik yapısı deriz.
• Termodinamik enerji optimizasyonu süreciyle yeşil renge has olan bu işaretçi durumlar, kendisi gibi yeşil rengi gösteren başka başat (dominant) işaretçi durumlar yaratıyor (Bu sistemden toplayabileceğiniz enformasyonun oluşması ve sisteme yayılmasıdır).
• Tüm bunlar fiziksel sistemin dalga fonksiyonunu çökertip tişörtün yeşil rengini ortaya çıkarmış bulunuyor.
• Gözünüz de yeşil renk işaretçi durumlarıyla zamanda dolanıklığa girerek bilinçli gözlem yapıyor ve çok sayıda dolanıklık sayesinde yine çok sayıda yeşil ışık fotonu toplayıp Bell eşitsizliğini aşıyor.
• Sonuç olarak renk körlüğü olanlar dışında herkes arkadaşınızın tişörtünü gerçekte olduğu gibi yeşil görüyor.

İlgili yazı: 3 Adımda Hayvanlar Ne Kadar Zeki?

 

Önemli not

Elbette ki iki farklı insanın gözleri de farklıdır ve renk tonlarını birebir aynı göremezler. Ancak, yeşil tişörtün doğal atomik yapısı, beyaz ışık altında standart detektörlerde yapılan ölçümlerde tişörtün kendine özgü standart yeşil tonda görülmesini sağlar. Dolayısıyla yeşil tişörtümüz beyaz ışık altında bakan ve renk körü olmayan herkese standart ölçümlere en yakın olan yeşil tonda görünecektir.

İşte elimizdeki güncel bilgiler ışığında makroskobik dünya için yapabileceğimiz en gerçekçi nesnel gerçeklik tanımı budur:

Bir şeyi olduğu gibi görmek için başat işaretçi kuantum durumları yetmez. Bunlarına kendine benzer diğer dominant durumları da yaratması lazım. Kuantum Darwinizm teorisindeki kuantum doğal seçilim, süper seçilim tam olarak budur. Nesnel gerçekliği yaratan kuantum durumları, tıpkı canlı organizmalar gibi homeostaz yapıp çoğalacak ve uzaya yayılacaktır (replikasyon). 😮

İlgili yazı: Kuantum Silgisi ile Zamanı Silmek Mümkün mü?

 

Yine de karıştırmayalım

Kuantum silgisi deneyi, gözünüzün 12 milyar ışık yılı uzaktaki bir kara delikle dolanık olması ve kuantum ışınlamada bilgi transferinin ışıktan hızlı olmaması gibi durumlar bize bilinçli gözlemcilerin kuantum fiziğindeki rolünü gösteriyor. Ancak, bu evrenin insanlardan önce var olduğu ve insanların evrenin içine doğduğu gerçeğini değiştirmez.

Peki insandan bağımsız bir nesnel gerçeklik olması, gecikmeli seçim kuantum silgisi deneyindeki sonuçların bilinçli gözlemciye bağlı olduğu gerçeğini değiştirir mi? Kesinlikle değiştirmez; çünkü burada iki aşamalı bir durum var. 1) Kuantum Darwinizm klasik fizik dünyasının kuantum dünyasından nasıl ortaya çıktığını gösteriyor (Bu bilinçsiz fiziksel etkileşimlere bağlı ortalama nesnel gerekliktir).

2) Gecikmeli seçim kuantum silgisi deneyi ise insanların kuantum sistemlerinden nasıl enformasyon toplayıp bilgi edindiğini ve bunu yaparken de ister istemez gözlemini yaptığı parçacıklarla dolanıklığa girdiğini gösteriyor (Bu da bir olayla ilgili olarak beyninizden asla silemeyeceğiniz kişisel algı ve deneyimdir). Ancak öznelliği abartmamak lazım:

İlgili yazı: Zaman Büyük Patlamayla mı Akmaya Başladı?

 

Dolanıklığın sınırları vardır

Gözünüzün 12 milyar ışık yılı uzaktaki bir kuasarla zamanda dolanık olması, o kuasarı bugünden bakarak geçmişte yaratıyor olmanız anlamına gelmez. Evren büyük ölçeklerde klasik fiziğe tabiidir ve sırf bu yüzden aklınızdan geçen bütün hayaller gerçek olmaz, olamaz.

Aksi takdirde Güneş batsın dediğiniz zaman Güneş batar ve Güneş doğsun dediğiniz zaman doğardı. Peki siz batsın derken arkadaşınız doğsun derse ne olurdu? Özetle kuantum dolanıklık insanlara süper güçler vermiyor. Nesnel gerçeklik büyük ölçeklerde her zaman var oluyor.

Kuantum sistemlerinin olasılık dalga fonksiyonunun fiziksel etkileşimlere bağlı eşevresizlik süreciyle çökerek klasik dünyaya dönüşmesini açıklayan Kuantum Darwinizm, işte bunun doğal seçilimle nasıl gerçekleştiğini bize gösteriyor. Sonuç olarak ılımlı nesnel gerçeklik (objektif realizm) vardır.

İlgili yazı: Soğuk Füzyon ile Ucuz Enerji Üretmek Mümkün mü?

 

Bunun ölçüsünü de verelim mi?

Verelim; çünkü fizikçiler müthiş bir şey başardılar. 100 yıl sonra ilk kez nesnel gerçekliğin ve klasik fiziğe tabii sistemlerin kuantum dünyasından nasıl çıktığını gösterdiler. Örneğin Zurek, bir kum tanesi sadece bir mikro saniye için güneş ışığına maruz kalsa bile, o kum tanesinin kumsaldaki konumunu gösteren tam 100 milyon foton saçılımı olacağını gösterdi.

Demek ki bir kum tanesinin bizim algıladığımız nesnel gerçeklikte oluşması için gereken istatistiksel çoğunluğun ortaya çıkması için sadece bir mikrosaniye yeterli oluyor. Biz o kum tanesine bakmasak bile; kum tanesinin 1 mikro saniyede çevreyle gerçekleştirdiği en az 100 milyon fiziksel etkileşim, onun dalga fonksiyonunu çökerterek nesnel gerçeklikte belirli bir konumda var olmasını sağlıyor. Bu da 10 farklı insanın (bilinçli gözlemcinin) aynı kum tanesi üzerinde nasıl uzlaşabildiğini gösteriyor:

Bir mikro saniyede 100 milyon / 10 en az on milyon fiziksel etkileşim demektir ki bu etkileşim sıklığı günlük hayatta görebildiğimiz nesnel kum tanesini yaratmaya yeterlidir. Ayrıca işaretçi kuantum durumları ortama yayıldığı için siz bin kere baksanız da kum tanesi değişmeyecek ve nesnel gerçekliğe iyice oturmuş olacaktır.

Oysa bir mikro saniyede o kum tanesine 1 milyar foton ateşleyerek baksaydık atomlarının bulanık halini görebilecektik; çünkü foton sıklığının artması, ışığın frekansını da artıracak ve dalga boyunun kısalmasını sağlayacaktı. Bu da süperpozisyona sahip olabilecek tek tek atomları görmemizi sağlayacaktı. Peki bu nesnel gerçekliği yok eder mi? Hayır; çünkü bu kez de kum tanesini bir bütün halinde değil, elektron taramalı tünel mikroskobu ile tek tek atomlar halinde görüyorsunuz

Gerçekliğin doğuşu ve yok oluşu

Sonuçta atomlar arasındaki etkileşimler dalga fonksiyonunu çökertecek ve kuantum tanesinin olduğu gerçek konumda bulunmasını garanti edecektir. Tabii ışığı lazer ışınına dönüştürürseniz kum tanesini buharlaştırıp yok ederek belirsizleştirebilirsiniz; ama nesnel gerçekliği daha yeni tanımlamışken, termal etkilerin cisimleri nasıl yok ettiğinin kuantum açıklamasına girmeyelim dilerseniz. 🙂

İlgili yazı: Çernobil Nükleer Reaktörü Neden Patladı?

 

Kuantum Darwinizm ve efsaneler

İspanya’daki Seville Üniversitesi’nden Adán Cabello nesnel gerçeklik konusunu gayet güzel açıklıyor: “Kuantum dünyasından klasik dünyaya geçişin bir türlü anlaşılamadığı ve ölçüm sonuçlarının kuantum teorisinde tanımlamadığı bir şehir efsanesidir. Tersine, kuantum teorisi klasik dünyanın ortaya çıkışını kusursuz bir şekilde tanımlıyor.”

Oysa bu süreci deneylerle göstermeden Kuantum Darwinizm teorisini kanıtlayamayız. Bilim insanları da kuantum sistemlerinde ortaya çıkan ve klasik dünyaya uygun olan kuantum durumlarının, taşıdığı enformasyonu ortamdaki fotonlara nasıl kopyaladığını gösteren özel deneyler tasarladılar. Böylece nesnel gerçekliği nasıl yarattıklarını göstermek istediler (Sonuçta evrende enformasyon fotonlarla taşınır ve iletişim ışık hızında kurulur).

Elbette atomların detektör ışığından bile etkilenecek kadar hassas olduğunu bildikleri için bu deneyi ünlü örnek odamızın içindeki hava molekülleri arasında süzülen bir toz tanesiyle yapmaları mümkün değildi. Bunun yerine, laboratuarda bir yapay test ortamı yaratarak bizzat gözlemlerden kaynaklanacak ve gözlem sonuçlarını bozacak olan gürültü sinyallerini önlediler.

Özetle fizikçiler tek bir foton aldılar ve bunun bir işaretçi başat kuantum durumu oluşturmasını sağladılar (foton polarizasyonu). Ardından ortamdaki diğer fotonları gözlemleyerek deney fotonunun sahip olduğu polarizasyon durumunun sahip olduğu enformasyonu ortama ne hızda yaydığına baktılar. Bunun için de lazer ışını kullanarak ortam fotonlarının polarizasyon değerini ölçtüler.

İlgili yazı: Newton’ın Yerçekimi Yasası Yanlış mı?

 

Kuantum Darwinizm deneyi

Bu deneyde kuantum durumundan klasik duruma geçen bir fiziksel sistemin, klasik duruma dair enformasyonu, civar fotonlara süperpozisyon çökmeden önce ve dolanıklık yoluyla ne hızda aktardığına baktılar.

Gerçi anlık etkide hız yoktur; ama deney fotonunun aynı anda kaç fotonla dolanıklığa geçtiğini sayabiliriz. Bu dolanıklık sıklığı da aslında termodinamik yasalarının belirlediği istatistiksel bir süreçtir ki buna fizikte doygunluk etkisi diyoruz (enformasyonun fiziksel sisteme tümüyle yayılması ve sistemi doygunluğa ulaştırması).

Sonuç olarak dalga fonksiyonunun çökmesinin propagasyonu (yayılımı), fiziksel sistemi çok kısa sürede ve minimum enerji düzeyiyle etkileyerek diğer fotonları da çoğunlukla klasik fizik durumuna sokuyorsa Kuantum Darwinizm teorisi kanıtlanacaktı.

Başka bir deyişle bizler, deney fotonuna ait enformasyonun kopyasını, deney odasındaki milyarlarca foton içinden sadece birkaç tanesine bakarak okuyabiliyorsak; yani deney fotonuna ait bilgiyi edinmek için bize sadece birkaç foton yeterli oluyorsa Kuantum Darwinizm kanıtlanmış olacaktı.

Nitekim başardılar

Gerçekten de iki ayrı deneyde bunu yaptılar^1,2: Deney fotonunu bozmamak için ona değil de deyim yerindeyse aynadaki görüntüsüne (yani ortam fotonlarına) baktılar ve deney fotonunun bilgisini yalnızca birkaç fotondan toplamayı başardılar.

İlgili yazı: Zamanda Yolculuk İçin Büyükbaba Paradoksu Çözüldü

 

Üçüncü deney

Almanya’daki Ulm Üniversitesi’nden Fedor Jelezko ile ekibi bu deneylerle yetinmeyerek 2018’de Zurek’ten yardım aldı ve bugüne dek tasarlanan en gelişmiş Kuantum Darwinizm deneyini yaptı. Bu deneyde tek bir foton yerine koca bir elmas kullanıldı. Ayrıca bu, azot boşluk etkisine maruz kalmış olan defolu bir elmastı.

Tabii ki tek atomdan oluşan bir defoyu çıplak gözle göremezsiniz. Bu yüzden elmas endüstrisinde bu elmaslar defolu sayılmazlar. Ancak, elmas dediğimiz şey karbon atomlarından oluşan bir kristaldir ve bazen atomik kristal kafesindeki karbon atomlarının birinin yerini bir azot atomu alır. Sonuç olarak azot boşluk etkisi, nesnel gerçekliğin oluşumunu çok daha kesin ölçmemizi sağlar.

Neden derseniz bizzat atomik kafes sayesinde: Karbon atomlarına göre azot atomunun fazladan bir elektronu bulunuyor. Bu elektron da fazla geldiği için elmasın kristal yapısını oluşturan karbon atomlarıyla kimyasal bağ oluşturamıyor. Sonuçta boşlukta kalıp kendi başına dönüyor.

İşte kafese kapatılmış olan bu elektron, aynı zamanda ortamdaki gürültü sinyallerinden de korunmuş oluyor. Biz de tutsak elektronun spin durumunu fotonlardan çok daha kesin ölçerek Kuantum Darwinizm teorisini daha net test edebiliyoruz.  Sonuçta boşlukta kalan azot elektronunun spini genellikle süperpozisyon halinde bulunuyor!

İlgili yazı: Heisenberg Belirsizlik İlkesi Yanlış mı?

 

Peki testi nasıl yapıyoruz?

Bir elmasın içindeki bütün karbon atomları 12 elektron içermez. Bazıları karbon izotopu olup 13 elektron içerebilir. İşte bunların da boşlukta kalan ve kafese tıkılan fazladan bir elektronları vardır. Sonuçta ister karbon boşluk etkisi ister azot boşluk etkisi olsun, boşlukta kalan elektronların birbiriyle dolanıklığa girme şansı vardır. Bu da ortalama olarak yüzde 0,3’tür.

Bu elektronlar diğer karbon elektronlarıyla dolanıklığa giremez; çünkü bunlar elmas kristali oluşturmak üzere birbirine bağlanmış ve klasik fiziğe tabii olmuştur. Öte yandan, boşlukta kalan elektronlar birbirine ne kadar yakınsa dolanıklığa girme olasılıkları da o kadar artar.

Örneğin, boşlukta kalan bir azot elektronu, 1 nanometre (metrenin milyarda biri) mesafeye kadar 4 adet karbon 13 izotopuyla (onların boşlukta kalan elektronlarıyla) dolanıklığa girebilir. İşte fizikçiler lazer ışınları ve radyo dalgaları kullanarak bu elektronların birbiriyle dolanıklığa girme hızını ölçtüler.³

Sonuçta dolanıklıkta ortaya çıkan işaretçi durumlar, elmasın içindeki diğer boş elektronlara tam Kuantum Darwinizm teorisinde öngörülen sıklıkta yayıldı. Her ne kadar işaretçi durumlar deney için yapay olarak yaratılsa da süperpozisyona ait enformasyonun sisteme yayılma ve sistemi çökertme hızı, evrime dayalı Kuantum Darwinizm teorisindeki doğal seçilimi doğruluyordu.

İlgili yazı: Kuantum Zaman: Gözünüz 12 Milyar Yıllık Işıkla Dolanık

 

Kuantum Darwinizm onaylandı

Fizikçiler buna hiç şaşırmadılar. Sonuçta Kuantum Darwinizm teorisi standart kuantum mekaniğinin, çevreyle etkileşime giren bir kuantum sistemine çok dikkatli ve sistematik bir şekilde uygulanmasıyla kendiliğinden ortaya çıkıyor.

Her ne kadar günlük hayattaki insan beyni gibi süper karmaşık sistemler, nesnel gerçekliğin oluşumunu test edemeyeceğimiz kadar zorlu olsa da Kuantum Darwinizmi laboratuar deneylerinde test edebiliriz. Öyle ki Kuantum Darwinizm bizzat kuantum teorisinin kendi kendisini kontrol etmesiyle ortaya çıkan doğal bir teoridir.

Öte yandan, Seville Üniversitesi’nden Adán Cabello, kuantum dünyasından nesnel gerçekliğe geçiş konusunda Kuantum Darwinizm teorisinin henüz kesin olarak kanıtlanmadığını belirtiyor. Bir kere ideal şartlarda sadece birkaç basitleştirilmiş deney yapılmış oluyor. Bunların sayısı artmalı.

İkincisi bu deneyler nesnel gerçekliğin kuantumdan ortaya çıkmasıyla ilgili diğer alternatif teorileri de henüz yanlışlamadı: Mesela Polonya’daki Gdańsk Teknoloji Üniversitesi’nden Pawel Horodecki ve ekibinin geliştirdiği tayf yayınlama teorisi de var (spectrum broadcasting).

İlgili yazı: Fizikçiler Paralel Dünyalar Deneyi Yapacak

 

Kuantum Darwinizm ve tayf yayınlama

Bu teoriyi de başka bir yazıda anlatacağım; ama bilinçli gözlemcilerin bir kuantum sistemini bozmadan gözlemlemeyi nasıl başardığını anlamaya yönelik olduğunu söyleyebilirim. Sonuçta bu mümkündür ve eğer mümkün olmasaydı biz de hiçbir parçacığı süperpozisyon halinde göremezdik.

Örneğin, bir parçacığın süperpozisyonunu bozmadan ayna görüntüsüne bakamazdık. Bu da kuantum fiziğini dolanıklık ve süperpozisyonu açıklayarak geliştirmemizi önlerdi. Yine de nesnel gerçekliğin oluşumu açısından bu teorinin açıklamasına değil ama kapsamına kısaca girebiliriz:

Tayf yayınlama teorisi, Kuantum Darwinizm fikrinden bir adım öne gidiyor ve sadece insanların bir kuantum sistemine ait enformasyona (bu asla birebir kusursuz olmasa da) oldukça yüksek kesinlikle ulaşabileceğini göstermekle kalmıyor. Aynı zamanda, insanların bu bilgiyi bozmadan aralarında nasıl paylaşabildiğini de kuantum ölçeğinde açıklıyor.

Zaten insanlar arasında objektif bilgi paylaşımı imkansız olsaydı bir şeyi kitaptan veya blogdan okuyarak, videodan izleyerek ya da öğretmenden dinleyerek öğrenmek de mümkün olmazdı. Yine de tayf yayınlama teorisini henüz test etmedik ve bunun için Kuantum Darwinizm teorisinden çok daha karmaşık testler yapmamız gerekiyor ki elimizdeki teknoloji henüz buna yeterli değil.

İlgili yazı: Neuralink İnsan Beyni ve Bilgisayarları Birleştirecek

 

Kuantum Darwinizm için sonsöz

Bu teori bize gösterdi ki kuantum sistemleri, termodinamik yasalarına bağlı otomatik enerji optimizasyon süreçleri ile kendi kendine çökerek klasik fiziğe tabi olan sağduyulu dünyayı ve nesnel gerçekliği ortaya çıkarabilirler.

Bu durumda evrenin boşluktan nasıl oluştuğunu bilimsel olarak açıklamamız da teorik olarak mümkündür. Sonuçta evrenimiz sonsuzluktan rastgele olarak ortaya çıkmamıştır. Evrime dayalı Kuantum Darwinizm uyarınca ve tıpkı bir kuantum bilgisayar gibi çalışıp uzay-zamanda dolanıklık yoluyla hata düzeltme yaparak sonsuzlukları tek başına elemiş, böylece kendi kendisini var etmiştir.

Termodinamik yasalarına bağlı kuantum evrim süreci, gözlemlenebilir evrenin sadece kendi başına oluşmakla kalmayıp; enerji optimizasyonu sürecinin doğal bir sonucu olarak önce canlıları ve sonra da biyolojik evrimi ortaya çıkarmasını sağlamıştır.

Peki bu durumda evren, tıpkı Kuantum Makinisti Profesör Seth Lloyd’un dediği gibi, kendi kendisinin simülasyonunu yapan bir bilgisayar olabilir mi? Onu da Evren Simülasyonu Yapan Kara Delik Bilgisayar yazısında okuyabilir ve paralel dünyalar ile ayna evrenleri de hemen şimdi görebilirsiniz. 180 Resimde Varoluşun Kısa Tarihine göz attıktan sonra evrenin nasıl yok olacağına da göz atabilirsiniz. Esenlikle kalın.

Zurek Kuantum Darwinizm anlatıyor

¹Experimental signature of quantum Darwinism in photonic cluster states
²Emergence of Classical Objectivity of Quantum Darwinism in a Photonic Quantum Simulator
³Revealing the emergence of classicality in nitrogen-vacancy centers