Kuantum Fiziğinde Doğru Bilinen 3 Yanlış

Elektronlar hem parçacık hem dalga mı? Yoksa bazen parçacık bazen dalga mı? Nesnel gerçekliği beyniniz mi yaratır? Siz bakmıyor olsanız evren yok olur mu? Kuantum parçacıklarına mikroskop veya detektörle baktığınız zaman bunlar kuantum mekaniğine tabi olmaktan çıkıp klasik fiziğe göre davranmaya başlar mı? Bilgi Üniversitesi Amazing Science dersi öğrencilerime söylediğim gibi biraz da efsane avcılığına soyunarak kuantum fiziğinde doğru bilinen üç yanlışı düzeltelim:

Kuantum fiziği gariptir

İnsan beyni doğayı anlamak için değil doğada hayatta kalmak için evrim geçirdiği ve bedenimizin tek gerçek amacı da bütün o süslü, iddialı uygarlık hayallerimize rağmen yalnızca genlerimizi gelecek kuşaklara aktarmak olduğu için kuantum fiziğini anlamakta zorlanıyoruz.

Örneğin elektronları hem parçacık hem de dalga olarak gözlemleyebiliyoruz. Bu detektörlerimizle elektronu nasıl ölçtüğümüze göre değişiyor. O zaman da elektron parçacık mı yoksa dalga mı diye soruyoruz ve kafamız karışıyor. Keza elektronlara baktığımız zaman mı dalgadan parçacığa dönüşüyor veya biz bakmazsak evren yok olur mu gibi sorular aklımızı kurcalıyor.

Kuantum fiziğinde paralel evrenlere yol açan çoklu dünyalar yorumu, Niels Bohr’un ünlü Kopenhag yorumu ve David Bohm’un pilot dalga teorisi gibi birbiriyle çelişen kuantum modellerinde göreceğiniz gibi fizikçiler de aşağıdaki üç soru üzerinde pek anlaşamıyor. Ancak, düzenli takipçilerim bilir: Her hafta bir yazımı bilim hakkında doğru bilinen yanlışları gidermeye ayırırım. Bu kez de kuantum fiziğindeki üç şehir efsanesi çürüterek fizikte bildiğimiz kadarıyla en doğrusunu açıklayacağım:

İlgili yazı: Tip III Uygarlıklar Antiyerçekimi ile Neler Yapabilir?

 

1. Kuantum fiziğinde parçacık ve dalga efsanesi

Derler ki elektronlar bazen parçacık ve bazen dalga olarak davranır. Hatta bunu düzeltmek için de derler ki elektronlar hem parçacık hem dalgadır. Onlara parçacık gözüyle bakarsak gözümüze parçacık olarak gözükürler. Buna parçacık-dalga ikiliği deriz ve varlık felsefesi açısından güzel bir konudur ama yanlıştır. Peki elektronlar ve fotonlar gibi kuantum parçacıkları gerçekte nedir?

Maddenin küçük parçalarına net bir şekilde parçacık deriz. Bunlar klasik fizikteki tanımıyla elektron, proton ve nötron gibi parçacıklardır. Hepsi de standart modelde tanımlıdır ama kuantum fiziğinde de her zaman parçacık olarak tanımlanırlar. Açıkçası sorun elektronların parçacık olup olmaması değil. Sorun bizim parçacıktan ne anladığımız:

Örneğin klasik fizikte parçacıklar misket gibi katı ve sert cisimlerdir. Mikroskobik bilyelerdir. Kuantum fiziğinde ise parçacıklar uzay boşluğunu dolduran kuantum alanlarındaki titreşimlerdir. Dolayısıyla bizim önce parçacıktan ne anladığımızı güncellememiz gerekiyor.

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

 

Kuantum fiziğinde kuantum alanları

Şimdi diyeceksiniz ki “Ama hocam, çift yarık deneyi yaparak elektrona yarıklardan geçerken baktığımızda hep tek bir yarıktan geçtiğini görüyoruz. O zaman elektron parçacık oluyor. Elektrona yarıktan geçerken bakmazsak bu kez de kendisiyle girişim yapıp dalga halinde iki yarıktan birden geçiyor ve arkadaki perdeye girişim gölgeleri yaparak yansıyor; yani elektron dalga gibi davranıyor.”

Bu bir anlamda doğru ve ben de kolay anlaşılsın diye öyle anlatırım ama kuantum fiziğinde işin rengi başka: Kuantum dünyasında bütün parçacıkların etkileşime girdiği, titreştiği, hareket ettiği bir kuantum alanı vardır. Elektronun kuantum alanı da elektron alanıdır. Elektron bu kuantum alanındaki bir titreşimdir (tahrik edilmiş/uyarılmış titreşim, eksitasyon).

Öte yandan kuantum alanları illa enerji alanı olmak zorunda değildir. Örneğin elektron ve fotonları etkileyen elektromanyetik alan bir kuantum enerji alanıdır ama elektron alanı bir enerji alanı değildir. Bunun yerine elektronun evrende alabileceği, bulunabileceği bütün kuantum durumlarını içeren bir olasılıklar alanıdır. Elektronların elektron alanında nasıl davranacağı ve elektromanyetik alanla nasıl etkileşime gireceğini Schrödinger dalga fonksiyonu (olasılık dalgaları) belirler.

Dolayısıyla siz çift yarık deneyinde elektrona parçacık gözüyle baktığınız zaman aslında onun parçacık gibi davranma olasılığını ve dalga gözüyle baktığınız zaman da dalga gibi davranma olasılığını artırmış olursunuz. Öyleyse efsaneyi çürütelim:

Elektron gibi kuantum parçacıkları ne parçacık ne dalgadır. Onlar gözle görülür dünyada karşılığı olmayan ve beynimizin Platon’un benzer benzeri bilir ilkesiyle kavrayamayacağı kuantum nesneleridir. Peki elektrona parçacık gözüyle bakarak onun parçacık olma olasılığını artırmak ne demektir? Bu da bize sadece kısman çözebildiğimiz ikinci efsaneye, yani kuantum ölçüm problemine getiriyor:

İlgili yazı: Kodlama İçin En Gerekli 16 Programlama Dili

 

2. Kuantum fiziğinde ölçüm problemi

Her şey Heisenberg’in belirsizlik ilkesiyle başlıyor. Buna göre bir parçacığın konum, spin ve momentum gibi farklı kuantum özelliklerini aynı anda kesin olarak bilemezsiniz. Örneğin bir parçacığın konumunu bilmek için ona çok kısa dalga boylu ışınlar gönderirsiniz. Bu ölçümler parçacığın enerji kazanarak rastgele titremesine yol açar. Böylece konumunu bildiğiniz parçacığın momentumu belirsizleşir.

Kuantum parçacıklarını yukarıdaki gibi ne dalga ne parçacık olan kuantum alan titreşimleri olarak düşündüğünüzde bunu kavramak kolaylaşır. Örneğin elektronun konumunu ölçtüğünüz zaman elektron konum dalgasının frekansını artırır ve o dalgayı elektron hali bozulmadan bir parçacık olarak tanımlanabileceği en küçük torbaya; yani elektronun var olabileceği en küçük kuantum enerji paketine sıkıştırırsınız (dalganın salınımı). Bu da momentumunu belirsizleştirir:

Momentumu belirsiz bir elektron rüzgar esmeyen denizdeki belli belirsiz bir dalga gibidir: Elektronun olasılık dalgası genleşerek bütün kuantum alanına yayılır. Bu da momentumu kesin ölçmenizi imkansız hale getirir. Elektron kuantum alanında herhangi bir momentuma sahip olabilir. Momentum ve konum olasılıkları Schrödinger olasılık dalga fonksiyonuna göre belirlenir.

Dolayısıyla elektrona parçacık gözüyle bakmak demek onun parçacık olarak belirli bir konumda görünme olasılığını artıracaktır. Ancak, bu elektronun dalga gibi davranma olasılığını asla sıfırlamaz; çünkü kuantum fiziğinde olasılıkların toplamı her zaman 1’e eşittir. Öyle ki bir parçacığın konumu veya hızını ancak istatistiksel olarak belirli bir olasılıkta, standart sapmayla hesaplayabilirsiniz. Peki standart sapma nedir?  

İlgili yazı: Zamanda Yolculuk İçin Büyükbaba Paradoksu Çözüldü

 

Kuantum fiziğinde standart sapma

Her şeyden önce kuantum fiziği tümüyle istatistiksel fiziktir. Bu yüzden kuantum fiziği okuyacaksanız kara delikler ve solucandeliklerinden önce istatistiği öğrenmeniz gerekiyor. Nitekim yazılımcılar ve ekonomistlerin kuantum fiziğine geçmesi nispeten daha kolaydır ama sıkıntı yok. Bütün lise ve üniversite öğrencileri standart sapmayı notlarını etkileyen çan eğrisinden bilirler. 😊

Bunun için elektronun dalga fonksiyonundan söz edelim. Bunu deniz dalgası gibi hayal edebilirsiniz. Dalganın tepe ve çukurları vardır. Dahası elektronlar elektromanyetik kuvvetle etkileşime girer ve bu kuvvetin taşıyıcısı olan fotonlardan etkilenir. Her ne kadar görünür ışığın dalga boyu elektronu göremeyeceğimiz kadar büyük olsa da (elektron dalganın tepe ve çukurlarının arasında kalarak gizlenir ve görünür ışık elektronları es geçer) fotonlar elektronları etkileyecektir.

Böylece dalga fonksiyonunu çökerterek elektronun örneğin belirli bir konumda parçacık olarak gözükmesini sağlayacaktır. Her ne kadar dalga fonksiyonun tam olarak ne olduğunu bilmesek de (enerji alanı olmadığını biliyoruz) elektronun dalga fonksiyonunun nasıl çökeceğini istatistikteki standart sapmayı, yani çan eğrisini kullanarak hesaplayabiliriz.

Resimde gördüğünüz gibi çan eğrisi elektronun yüzde 60 olasılıkla masanın sağında mı, yoksa solunda mı görüneceğini öngörmenizi sağlar. Öyle ki kuantum fiziğinde bir parçacığın geleceğini önceden bilemez ama geleceğine dair olasılıkları kesin olarak hesaplayabilirsiniz. Daha net söylersek: Konumu bilinen elektronun momentumu belirsizdir demek, aslında konumu bilinen parçacığın konuma dair standart sapması çok dar bir aralıkta ve momentumu da çok geniş bir aralıkta görülür demektir.

İlgili yazı: Zamanda Yolculuk Etmenin 9 Sıra Dışı Yolu

 

Belirsizlikler hep standart sapmadır

Örneğin resimde 0’dan 100’e uzanan üniversite sınav notlarını görüyorsunuz. Notların yüzde 68’i dalganın tepesine denk gelen ortalamadan (kesikli çizgi) sadece bir standart sapma aralığı içinde dağılmış bulunuyor. Yüzde 95’i de iki standart sapma aralığında vb… Belirsizlik ilkesi yüzünden standart sapmayı sıfırlayarak ortalama değer çizgisine asla getiremezsiniz. Az da olsa belirsizlik olacaktır. Konum ve momentum için söylersek iki değerin çarpımı sıfırdan büyüktür.

Bu durumda elektrona parçacık gözüyle bakarsanız konum sapması daralır ve parçacık gibi görünür ama bu kez de momentumu daha çok dalga gibi davranmaya başlar. Standart sapması büyür ve daha belirsiz olur. Özetle elektron ne parçacık ne dalgadır ama tam olarak ne olduğunu bilmiyoruz ki buna kuantum fiziğinin en büyük sorunu olan kuantum ölçüm problemi diyoruz.

Her durumda kuantum parçacıklarını parçacık olarak gözlemlesek bile kuantum fiziğinde onları hep dalga olarak düşünmek daha doğrudur. Parçacık hesaplamalarını bile elektronu bir dalga olarak düşünerek standart sapmayla yapıyoruz. Bu da kuantum fiziğinin eksik olduğunu gösteriyor. Ne zaman ki daha kapsamlı bir fizik teorimiz olur, o zaman elektronun tam olarak ne olduğunu söyleyebiliriz.

İlgili yazı: Işık Suda ve Camda Neden Kırılır?

 

3. Kuantum fiziği ve kuantum bilinç

Günümüzde teorik fizik ve parçacık fiziğinde ilerleme kaydetmek için yapmamız gereken deneyler elimizdeki deney teknolojisini aşıyor. Bu açığı kapatmak için de astrofizik, parçacık fiziği ve kozmoloji alanında bilgisayar simülasyonları yapıyoruz. Bu da evren bir bilgisayar simülasyonu mu bağlamında elektronun dalga fonksiyonu sadece baktığımız zaman mı çöküyor sorusunu getiriyor.

Bu durumda ve üç uzay boyutlu evrenimizi kuantum fiziğindeki holografik ilke uyarınca iki boyutlu yassı bir hologram olarak tanımlayabilmemizden hareketle evren içi boş bir hologram mıdır? Peki nesnel gerçekliği insan bilinci mi ortaya çıkarıyor? Doğrusu bu konu evrene öznel idealist, hatta solipsist açıdan bakan spiritüalistler tarafından çok istismar ediliyor ve konuya kuantum fiziği çerçevesinde cevap vermek gerekiyor. İddia şu: Gerçeklik yalnızca bilinçli gözlemciler olduğu için var.

Yukarıda özetlediğim gibi bu yanılgıya düşmek çok kolay ama bu yanlış: Gerçeklik biz olsak da olmasak da baksak da bakmasak da vardır. Hani şu güneş balçıkla sıvanmaz dediklerinden… Evrenin var olmak için insan türüne, bilinçli zihinlere ve hatta yaşama ihtiyacı yok. Biz rastlantısal ve mutlu yan etkileriz o kadar. 🙂 Elektronun dalga fonksiyonu insanlar baktığı için değişmez. Elektron fiziksel ortamı oluşturan kuantum alanlarıyla etkileşime girdiği için değişir.

Bu değişim de peyderpey gerçekleşir: Elektron sensörle, sensör detektörle, detektör kabloyla, kablo bilgisayarla, bilgisayar monitörle, monitör gözümüzle ve gözümüz beynimizle etkileşime girer. Her seferinde elektronun konumunu belirsizleştiren dalga fonksiyonunun standart sapması gittikçe daralır ve nihayet elektronu parçacık olarak görmüş oluruz. Siz de dalga fonksiyonunun aşamalı olarak çökmesini Kuantum Darwinizm yazısında okuyabilirsiniz. Toparlarsak:

İlgili yazı: Renk Körlüğünü Düzelten Gözlük EnChroma

 

Kuantum fiziğinde sonsöz

İnsan zihninin evreni belirleyecek kadar etkili olmadığını biliyoruz. Her ne kadar bilim insanları bir tanım hatası yapıyor olsa da özgür irade bir yanılsamadır önermesi gittikçe daha çok kabul görüyor. Siz de insan zihninin gerçekliği etkileme sınırlarını ve bilinçaltından ne kadar bağımsız olabileceğini bilinç bilinçsiz beyinden nasıl çıkar başlığında okuyabilirsiniz ama konuyu bitirirken üç yanlışın doğrusunun özetini geçmek istiyorum:

• Kuantum parçacıkları ne dalga ne parçacıktır. Kendine özgü ve henüz tam bilmediğimiz kuantum nesneleridir. Hem dalga hem parçacık olarak görünebilirler.
• Kuantum parçacıkları siz onlara bakınca parçacığa dönüşmez. Kuantum fiziğinden çıkıp klasik fiziğe tabi olmaz. Belirsizlik denilen şey olasılık dalga fonksiyonundaki istatistiksel standart sapmayla gösterilir. Kuantum fiziğindeki ölçüm problemi fizikte bilmediğimiz en önemli eksikliktir.
• Evren siz bakınca var olmaz. Sizden bağımsız bir nesnel gerçeklik vardır. En azından bilinciniz nesnel gerçekliği dar aralıklı ve yüksek kesinlikli bir standart sapmayla etkileyemez. Dalga fonksiyonu peyderpey çökerek nesnel gerçekliği oluşturur. Atomaltı dünyada nesnel gerçeklik yoktur.

Peki kuantum alanları tam olarak nedir ve parçacıklar bunların içinde nasıl hareket eder? Onu da hiçliğin fiziğinde görebilir ve maddeye kütlesine kazandıran Higgs parçacığına bakabilirsiniz. Kainatta birden fazla evren olabilir mi sorusunu fizikte tanrı var mı ve evrenin bilgi işlem kapasitesi nedir yazılarında inceleyebilirsiniz. Bununla da yetinmeyerek çoklu evren kanıtı olabilecek karanlık akış ile çarpışan evrenlere göz atabilirsiniz. İş telaşları başlamadan önce muhteşem bir Ağustos geçirmeniz dileğiyle her daim bilimle kalın.

Ne parçacık ne dalga

¹Wave-particle duality revisited: Neither wave nor particle
²On the quantum measurement problem
³Quantum Darwinism