Kuantum Bombası Deneyi Nedir ve Nasıl Çalışır?
Kuantum bombası deneyi nedir ve nasıl çalışır? Kuantum mekaniği neden sandığınızdan daha acayiptir? Fotonları ikiye bölerek görelim. Bugüne dek kuantum fiziğinin anlaşılması için birçok yazı yazdım ki en yenisini geçen hafta yayınladım. Gerçi kuantumun zor anlaşılmasının en büyük sebebi matematik denklemleri değildir. Biraz yatkınlığınız ve lise düzeyinde iyi bir matematik temeliniz varsa 4 yıl üniversiteye giderek bunları öğrenirsiniz. Asıl sorun halkımıza ve hatta fizik okuyanlara denklemlerin ne anlama geldiğinin anlatılmamasıdır. Gerçekten de bazı denklemlerin ne anlama geldiğini bilmiyoruz.
Kuantum fiziğini doğru anlamak
Buna karşın öğrencilere denklemlerin birçoğunu en azından nasıl anlayacaklarına dair ipuçları ve şablonlar bile sağlamıyoruz. ABD’de çalışan bazı fizikçi dostlarım bu sıkıntıyı görüşmelerimizde defalarca ifade ediyor. Fizik değil ama kuantum fiziğini, insanlara sus ve hesapla mantığıyla ve sadece denklemlerle öğretiyoruz. Bu kaygıyı da anlıyorum: Bilim insanları bilgi sahibi olmadan fikir sahibi olmak istemiyor. Buna dikkat etmeliyiz… Oysa kuantum mekaniği tüm evreni açıklamıyor. Bu sebeple de olasılık dalgaları gibi birçok alanda Kopenhag yorumunda olduğu üzere “yorumlanıyor”.
Biz de kuantum fiziğinin gelişmesi için Platoncu bir matematik anlayışıyla sınırlı kalamayız. Eksik fizikte yapmamız gereken, doğruları bulmadan önce doğru soruları sormayı öğrenmektir. Bunu da ancak deneysel (ampirik) ve aygıtsal (enstrümantal) bir yaklaşımla yapabiliriz. Kısacası doğru deney ve gözlemler tasarlamalıyız. Öyleyse kuantum mekaniğinin sorununu sadece teorik fizikçilerin ders anlatma ve popüler bilim becerilerinin geliştirmesiyle çözemeyiz. Kuantum fiziğinin iyi anlaşılması ve iyi anlatılması bizzat bilimin ilerlemesi için şarttır. Gelelim kuantum dünyasının garip olmasına…
İlgili yazı: Gerçek Adem: ilk insan ne zaman yaşadı?
Kuantum fiziği nasıl gelişir?
Kuantum dünyasının zor anlaşılmasının nedeni süperpozisyon ya da dolanıklık gibi konular da değildir. Bunları anlamak aslında kolaydır. Sadece sağduyuya ve günlük sezgileri aykırı oldukları için biraz farklı düşünmeyi öğrenmeniz gerekir. Yoksa birçok fizikçinin de Youtube veya radyo programlarında gecikmeli seçim kuantum silgi ve çift yarık deneyi gibi örnekleri verdiğine tanık oluyorum. Oysa deneylerin yapılış mantığı ve ne anlama geldiğine odaklanmak yerine (biraz da sunucuların etkisiyle) işin magazinsel ve havalı tarafına odaklanıyorlar.
Buna karşın insanı hayrete düşürüp dünya görüşünü yıkan; bununla da kalmayarak bilim, varlık ve bilgi felsefesini kökten değiştiriyor görünen bu deneyleri anlatmak nispeten basittir. Bu sebeple bilim anlatıcılığı yanımızı ayrı bir beceri olarak geliştirmeliyiz. Yoksa modern fiziğin öncüsü olan kuantum fiziğini kitlelere anlatamaz ve insanlarda yeterince bilim sevgisi uyandıramayız. Konuyu bilmeyenler de kuantum fiziğini yeni bir ruhsal meditasyon kolu olarak görmeye devam eder. İşimiz medyatik olmak yerine gerçekten bilgi vermekse buna dikkat etmeliyiz.
Şimdi diyeceksiniz ki “Ama hocam, kuantum elektrodinamik teorisini (QED) geliştiren ünlü Feynman bile her kim kuantum fiziğini anladığını sanıyorsa hiç anlamamış demektir diyor. Siz kuantum dünyasını fizikçilerden daha iyi anladığınızı mı öne sürüyorsunuz?” Diyorum ki fizikçiler ne kadar iyi anlarsa biz de o kadar iyi anlatabiliriz. Nitekim bu yazıda size kuantum fiziğinin neden gerçekten garip olduğunu anlatacağım. Kuantum mekaniği sandığınız kadar garip değil ama sandığınızdan çok daha acayiptir:
İlgili yazı: Evrenin En Büyük Yıldızı UY Scuti mi?
Kuantum bombası ve olasılık dalgaları
Kuantum fiziğiyle yeni tanışanların anlamakta zorlandığı konulardan biri olasılık fonksiyonudur. Schrödinger denklemi olasılık dalga fonksiyonunu tanımlar. Gerçi bu fonksiyonu ek matematik yöntemleriyle hesaplarız. Böylece evrendeki parçacıkların nasıl davranacağına dair olasılıkları elde ederiz. Bunun insanları asıl zorlayan yanı ise olasılık dalgalarını gözle göremiyor olmamızdır. Evet, olasılık dalgalarının cismani olmadığını biliyoruz. Bunlara deniz dalgaları gibi dokunamayız. Öte yandan kuantum fiziğinde bildiklerimizle sınırlı kalırsak olasılık dalga fonksiyonu sadece bir denklemdir.
Parçacıklar ister dalga ister tanecik olsun (Lanet olası federaller! parçacıklar her ne olursa olsun) onların davranış olasılıklarını hesaplamamızı sağlar. Schrödinger denklemi kuantum fiziğini çalıştırmamızı sağlayan bir matematik aracıdır. Nitekim matematik doğanın dili mi, yoksa herhangi bir dil mi diye sorarsanız bu konumuzun dışında kalır. Oysa Amerikalı bazı fizikçiler felsefenin modası geçti dese de bu önemli soru bilim felsefesinin konusudur. Ayrıca tartışırız.
Olasılık dalgalarını öğrenmek istiyorsanız işe bunların matematik denklemi olduğuyla başlayın. Nasıl ki ortalama bir yetişkin günde 8 saat uyumalıdır deriz, işte öyle. Ortalama yetişkinin gerçek olmadığı ve yanaklarını sıkamayacağınızı biliyorsunuz değil mi? Bu da ona benzer. Kuantum fiziğinde parçacıkların konumu ve momentumu gibi bilgileri ölçmeden öğrenemezsiniz. Dahası bu bilgiler siz ölçmeden (özünde fiziksel etkileşim olmadan) belirlenmez. Özetle kuantum mekaniğinin soyut matematiğini fiziksel dünya ile bir tutmak zorunda değilsiniz. Bu da bizi Schrödinger’in kedisine getiriyor:
İlgili yazı: Düz Dünya Teorisini Çürüten 12 Kanıt
Hem canlı hem ölü kedi
Schrödinger’in kedisi deneyini iki kez farklı açılardan yazdım. Siz de kedinin hem canlı hem ölü olduğunu duymuş olabilirsiniz. Bu saçma geliyorsa haklısınız! Kutuyu açıp bakmadığınız zaman kedinin hem canlı hem ölü olduğunu söylemek saçmalıktır. Böyle bir şey yok. Bir kere kediye bakarsanız ya canlı ya ölüdür. Bir elektrona bakarsanız ya spin aşağı ya spin yukarı durumdadır. Hiçbir elektronu hem spin aşağı hem yukarı halde göremezsiniz. O sebeple bunun gözle görülür ölçekteki dünyayla da ilgisi yoktur.
İkincisi kedinin hem canlı hem ölü olmasına süperpozisyon derler ama bu da yanlıştır. Süperpozisyon halindeki bir parçacığın bir kuantum durumu belirsizdir. Belirsiz olması elektronun aynı anda hem sağa hem sola dönmesi değildir. Belirsiz olmak, adı üstünde parçacıkların durumunun belirsiz olmasıdır. Buna gereksiz mistik ve gerçek dışı anlamlar yüklemeyelim. Peki fizikçiler süperpozisyondan ne anlıyor? Bu modüler matematikte bir denklemdir. Süperpozisyon örneğin bir elektronunun spin yukarı durumda olma olasılık dalgasıyla spin aşağı durumda olma olasılık dalgasının matematiksel toplamıdır.
Evet, sadece bir toplamdır. Nasıl ki -1’in karesi de 1’dir, +1’in karesi de 1’dir. Bu da öyledir. Bunun matematiğini öğrenmek de nispeten kolaydır. Daha zor olan matematiğin ne anlama geldiğini yorumlamaktır. Örneğin 1 sayısı size -1’in veya +1’in karesi olup olmadığını söylemez. İşte bu yüzden bir parçacığın durumu biz o durumu ölçene dek belirsizdir. Bunda da sihirli bir şey yok. Ayrıca bir parçacığın bütün kuantum durumları aynı anda süperpozisyonda olmaz. Sadece belirli bir durumu olur (özellikle de tam dolanıklıkta). Buna dikkat etmezseniz parçacıklar biz bakmıyorsak yoktur dersiniz.
Böyle bir şey de yok!
Tabii ki evren siz bakmasanız da vardır. İnsanlar yaklaşık 320 bin yıl önce ortaya çıktı ama Dünya gezegeni 4,54 milyar ve evren 13,77 milyar yaşında. Süperpozisyonla ilgili asıl garip olan şeyi söyleyeyim… Diyelim ki bir elektron iki spin durumu için süperpozisyonda… Siz de iki ayrı odada iki ekip halinde elektronla deney yapıyorsunuz. Bir ekip elektrona bakıyor ve onu spin yukarı durumda gözlemliyor ama bu sonucu diğer ekibe söylemiyor! Onlar da elektronu ısrarla ölçmüyor. Dolayısıyla bir ekip için elektronun spin durumu belliyken diğeri için süperpozisyondaki belirsizliği koruyor! 😮 Peki bu nesnel gerçekliğin olmadığı anlamına mı geliyor?
İlgili yazı: Kodlama İçin En Gerekli 16 Programlama Dili
Kuantum bombası ve nesnellik
Tersine nesnel gerçekliğin kuantum dünyasında nasıl ortaya çıktığını gösteriyor. Dolayısıyla deneyin bu sonucu vermesine şükretmeliyiz. Ayrıca ortada çelişkili bir durum yok… Elektronla deney yapan iki ekip sonuçlarını birbiriyle paylaşmamışlar. Dolayısıyla her biri kendi gerçekliğini yaşıyor. Peki bu size ne söylüyor? Öncelikle Einstein’ın eşdeğerlilik ilkesi kuantum mekaniğinde de geçerlidir… Nesnel gerçeklik yereldir. İki yerel ölçüm birbiriyle iletişim ve etkileşim kurmadığı sürece uyumsuz olabilir. Kısacası birbirinizden izole olduğunuz sürece birbirine zıt iki farklı bilgi edinebilirsiniz.
İkincisi bu durum kuantum mekaniğinin yerel olmadığını, evrenin en temelde nesnel olmadığı ve nesnelliğin kuantum temel üzerinde sonradan ortaya çıktığını gösteriyor. İşte bu yüzden kuantum dolanıklıkla ışıktan hızlı iletişim kuramazsınız. Örneğin dolanık elektronların durumu siz ölçmeden belirli değildir. Bu sebeple elektron çiftinin birbirini anında etkilemesi ışıktan hızlı iletişim kurmanızı sağlamaz. Önce kendi elektronunuzu ölçünce ne sonuç aldığınızı arkadaşınıza ışık altı hızda bildirmeniz gerekir. Peki öyleyse dolanıklık nedir?
Dolanıklık parçacıkların evrendeki davranışını hesaplamayı sağlayan olasılık dalgaların dolanık, yani süperpozisyonda olmasıdır. Üstelik bunun için iki parçacığın aynı anda süperpozisyona girmesi gerekir; ancak bu konu da çok yanlış anlaşılır… Örneğin 10 milyar ışık yılı uzaktaki iki foton birbirine dolanık olabilir. Oysa bunun için önce o iki fotonun birbirine yakın ve süperpozisyonda olması gerekir. Sonra fotonların arasını istediğiniz gibi açabilirsiniz. Bu da dolanıklığın ışık hızını aşmadan gerçekleştiğini göstermek açısından çok önemlidir. Oysa soruyu yanıtlamadık. Bu şartlar altında dolanıklık nedir?
İlgili yazı: Okyanuslar Hakkında Yanıtını Bilmediğimiz 7 Soru
Kuantum bombası ve dolanıklık
Dolanıklık iki parçacık arasındaki yerel olmayan bağıntıdır. Mesela ikiz kızlarınız ve bunların birlikte çekilmiş bir fotoğrafı olsun. Şimdi fotoğrafı ortadan yırtın ve Ayşe’nin kısmını Ayşe’ye, Elif’in kısmını da Elif’e gönderin. Fotoğraf yırtılmadan önce bu resimler tek karenin parçasıydı, yani aralarında yerel bir bağıntı vardı. Peki kızlarınızdan biri Antalya ve diğeri Bodrum’da ise ne olacak? Hiç! Resimleri onlara gönderince arası açılacak. Yerel bağıntı, yerel olmayan bağıntıya dönüşecek.
Kuantum dolanıklık için de aynı şey geçerlidir. Diyelim ki elimde bir parçacık var ve bunu ikiye böldüm. Öyle ki biri negatif ve diğeri pozitif enerjiye sahiptir. Öyleyse iki parçacığın toplam enerjisi 0 olacaktır. Bunlardan birine x ve diğerine -x diyebiliriz. İkisi de tek bir parçacığın bölünmesiyle oluştuğu için yerel olarak bağıntılıdır. Bunların arasını açarsanız bağıntı aynen korunur ve yerel olmayan bağıntıya dönüşür. Kuantum mekaniğindeki tek fark şudur… Siz bu bağıntının ne olduğunu bilmezsiniz ve ölçüm yapana dek bağıntı ile o bağıntının sonuçları belirsizdir (BKz. Kuantum ölçüm problemi).
Dolayısıyla dolanıklık Einstein’ın dediğinin tersine uzaktan tuhaf etki gerektirmez ki bunu yazdım… Belirsizlik de adı üstünde Heisenberg’in belirsizlik ilkesinden ileri gelir. Bir parçacığı onu etkileyip değiştirmeden ölçemezsiniz. Bu nedenle ölçüm yapılan parçacıkların dolanıklığı bozulur. Dolanıklık sadece ölçülmemiş ve süperpozisyondaki parçacıklar arasında olur. Öyleyse buraya dek anlattıklarımız kuantum fiziği hakkında ne söyler? Kuantum mekaniğinde bir parçacığın önceden ne yapacağını bilemezsiniz. Sadece ne yapabileceğine dair olasılıkları bilirsiniz fakat bunları yüzde 100 kesin bilirsiniz.
İlgili yazı: Zamanda Yolculuk Etmenin 9 Sıra Dışı Yolu
Asıl kuantum bombası acayiptir
Buraya dek ele aldığımız konuların hiçbiri garip ve anlaşılmaz değildi. Oysa şimdi kuantum mekaniğinin asıl acayip yanını göreceğiz. Zaten Richard Feynman kuantum fiziğini kimse tam olarak anlamıyor derken bunu kastetmişti. Kuantum bombası deneyi nedir ve nasıl çalışır? Bu deneyi 1993 yılında Eliza ve Weidman önerdi. Diyelim ki elinizde fünyesi tek bir fotonla çalışarak patlayıcıyı ateşleyen bir bomba var… Bu bomba canlı veya bozuk olabilir, bilmiyorsunuz. Bomba canlıysa foton gelince patlayacak ve değilse patlamayacaktır. Umarım deney masasının başında durmuyorsunuz!
Peki bombaya foton ateşleyerek canlı olup olmadığını BOMBAYI PATLATMADAN bulabilir misiniz? Klasik fizikte bu imkansız ama kuantum fiziğinde mümkündür. Önce resimdeki gibi bir foton tabancası alın ve önüne dört köşe aynalar dizin. Tabancanın hemen önünde bir ışın ayırıcı vardır. Bu da fotonu süperpozisyona sokarak ikiye bölecek ve yüzde 50 olasılıkla alttan veya üstten gönderecektir. Öyle ki fotonlar ya alttan ya da üstten gidecektir. Dahası resimdeki gibi ışın ayırıcının üstünde bir ayna var.
Bu ayna yukarıya giden fotonu üst yoldan ileri yansıtacaktır. Aşağıdan giden fotonu da karşıdan üst yola yansıtacak bir ayna vardır. Işın ayırıcının çaprazında ise ikinci bir ışın ayırıcı (prizma) vardır. Bunun görevi alttan ve üstten gelen fotonları birleştirmektir. Ya fotonlar yıkıcı girişim yaparak prizmada birbirini sıfırlar ya da yapıcı girişim yaparak prizmanın dışına çıkar. Deneyi böyle yürütürseniz LIGO’nun kütleçekim dalgalarını saptamasını sağlayan bir lazer girişimölçer yapmış olursunuz. Oysa bugün daha garip bir şey yapacağız. Bununla kuantum bombası patlatacağız!
İlgili yazı: Enceladus Uydusunda Metan Var. Peki Hayat Var mı?
Son ışın bükücü
Nasıl ki fotonların alttan ve üstten gitme olasılığı yarı yarıyadır, köşegendeki ışın ayırıcıda birleşip deney masası dışına çıkma olasılığı da yüzde 50’dir. Böylece prizmanın üstüne ve dışına birer detektör koyarız. Resimdeki gibi yeşil detektör yapıcı girişimle dışarı çıkan fotonları görür. Kırmızı detektör ise fotonların birbirini sıfırlayıp ışığın söndüğünü görür. Bu da aslında kırmızı detektöre hiç foton gitmemesi demektir. Şimdi alttan giden fotonun yoluna, ışık almaçlı fünyesi olan bir bomba koyalım. Üst yolu ise boş bırakalım. Böylece kendi kuantum bombanızı yapmış oldunuz.
Şimdi ne olacak peki? Bomba bozuksa sorun yok. Foton alttan gitse bile patlamaz. Alttan ve üstten giden fotonlar birleşerek yeşil detektöre ulaşır veya birbirini sıfırlar ki bunu da kırmızı detektör görür. Öte yandan bomba canlıysa kendisi de bir detektör olarak çalışır. Bu durumda yüzde 50 olasılıkla alttan giden foton bombayı patlatır. (Bomba fotonu saptamış olur). Bu bariz ama asıl ilginç olan şeye gelince… Bomba patlamazsa alttaki fotonun önünü kesmiş ve foton fünye yerine bombanın gövdesine çarpmıştır. Böylece geriye sadece üstten giden foton kalır.
Sonuç olarak üstteki ışın ayırıcıya tek bir foton ulaşır. Böylece prizma iki fotonu birleştirmez. Öyle ki foton ya prizmadan geçip yukarı saparak kırmızı detektöre ulaşır ya da prizmadan geçerek yeşil detektöre ulaşır. Bu sonuçlardan birinin gerçekleşme olasılığı da yüzde 50’dir. Bununla birlikte fotonun yukarıdan gitme olasılığı zaten yüzde 50’dir. Dolayısıyla iki detektörden birine girme olasılığı yüzde 25 olacaktır. Sonuçta yüzde 50 olasılıkla bomba patlar ve patlamazsa üstten giden foton yüzde 25 olasılıkla detektörlerden birine ulaşır. Şimdi büyük duyuru zamanı:
İlgili yazı: 14 Yaşında Kendini Donduran Kız
Kuantum bombası patlamayınca
Foton yeşil detektöre ulaşırsa bombanın patlayıp patlamadığını bilemezsiniz. Oysa foton kırmızı detektöre ulaşırsa bu durum bombanın canlı olduğu ama patlamadığını gösterir! Bu durumda kuantum mekaniği size fotonun gitmediği yol hakkında veri sağlar. Fotonun hangi yoldan gitmediğini de söyler! Öyle ki fotonun belirli bir yoldan gittiğini söylemek için gitmediği yolları da hesaba katmak gerekir. Heisenberg’in belirsizlik ilkesinde bütün olasılıkların toplamının 1’e eşit olmasının anlamı budur. İşte asıl bu deney, bize kuantum mekaniğinin gerçekten yerel olmadığını gösterir.
Klasik fizikte fotonun gitmediği yol gittiği yolu etkilemez, belirlemez ve fotonun gittiği yol da gitmediği yollar hakkında bilgi sağlamaz. Buna karşın kuantum mekaniğinde fotonun gittiği yol gitmediği yollara bağlıdır. Kuantum mekaniğinin asıl acayip yanı budur. Bu acayiplik de kuantum dolanıklığı açıklar. Dolanık elektronların olasılık dalgaları birbirine dolanıktır. Bunlar da kuantum alanlarındaki dalgalanmalardır. Bu yüzden yerel olarak dolanıklığa giren parçacıklar birbirini sonsuz uzaklıktan da etkiler… çünkü parçacıklar dolanık olmadığı durumlara ait olasılık dalgalarından da etkilenir!
Parçacıkların dolanık olmadığı durumlara ait olasılık dalgaları ise kuantum alanlarındaki rastgele titreşimlerdir. Böylece parçacıklar birbirini uzaktan anında etkiler. Oysa biz sadece ölçümlerde gördüğümüz olasılığı biliriz. Masa örneğinde sadece fotonun gittiği yolu biliriz. Teknik ifadesiyle kuantum mekaniği yerel olmayan bir görüngüdür ve işte bu yüzden, sadece bu yüzden son derece acayiptir. Kuantum mekaniğinin kuantum olduğu tek durum budur. Klasik fiziğe aykırı olan diğer durumlar bundan türer ve biz de bunun anlamını bilmiyoruz. Kuantum fiziğini bu yüzden anlamıyoruz.
Kuantum bombası için sonsöz
Elbette bilim insanları üniversitelerde fotodetektör fünyeli boru bombalarla deney yapmıyor. 😀 Bu deneyin asıl adı [insanlı] etkileşim olmadan yapılan kuantum mekaniği ölçüm deneyidir. Bu deney kuantum fiziğinin acayipliğine rağmen nesnel gerçekliğin bilinçli gözlemci gerektirmediğini göstermiştir. Sonuçta deneyde elde edilen bilgi gözlemciden bağımsız olan foton hangi yoldan gitti bilgisidir. Nesnel gerçekliğin nesnel olmayan kuantum mekaniğinden türemesi, bence bu fiziğin en acayip yanıdır ama merak etmeyin. Yarın bilinçli gözlemci ve nesnel gerçeklik ilişkisini yazacağım.
Kısacası kuantum mekaniğindeki belirsizlik ilkesi gereği ölçümler ölçtüğünüz şeyleri etkiler. Buna karşın kuantum mekaniğinde ölçümler değil, sadece ölçüm bilgileri belirleyicidir. Bundan daha acayip ne olabilir? Meleklerle kanat çırparak Taksim Meydanı’na inmek bile bunun yanında sıradan kalır.
Siz de kuantum parçacıklar nedir ve nasıl çalışır ve kuantum bilgisayarların gerçek matematiği nedir diye sorabilirsiniz. Entropi nedir ve kuantum dolanıklıkla nasıl oluşur ile sanal parçacıklar gerçek mi sorularını merak edebilirsiniz. Kuantum fiziğinde dolanıklık nedir ve kuantum alanlarıyla parçacıklar neden titreşir konularını araştırabilirsiniz. Kendinizi cesur hissediyorsanız evrenin üç paradoksla hiçlikten nasıl oluştuğuna da bakabilirsiniz. Bilimle ve sağlıcakla kalın. 😊
Animasyonlu kuantum bombası deneyi
1Quantum Mechanical Interaction Free Measurements
2Experimental Realization of Interaction Free Measurements
