Dalga fonksiyonu nasıl çöker ve nesnel gerçekliği oluşturur?

Schrödinger’in kedisinden tanıdığımız kuantum olasılık dalga fonksiyonu nasıl çöker ve nesnel gerçekliği oluşturur… veya gerçekten çöker mi? Dalga fonksiyonu objektif olarak gerçek midir, yoksa nesnel gerçeklik istatistiksel veya öznel bir kurgu mudur? Bir parçacığın konumunu kesin olarak ölçebilir miyiz, yoksa konum bildiklerimiz bile konuma indirgenmiş momentumdan mı ibarettir?

Dalga fonksiyonunun çöküp çökmediği konusunda önceki “nesnel gerçeklik var mı” yazılarında Kopenhag yorumunu, çoklu dünyalar ile pilot dalga teorisini ve holografik evrende ancak öznel gerçeklik vardır savını ele aldık. Bu yazıda ise yepyeni ve farklı bir yaklaşımı göreceğiz: Nesnel çöküş teorileri.

Dalga fonksiyonu ve nesnel çöküş

Nobel ödüllü fizikçi Roger Penrose’a değinerek nesnel çöküş teorileri için “acaba dalga fonksiyonunu yerçekimi mi çökertiyor” diye soracağız. Bu bağlamda yerçekimiyle kuantum mekaniğini neden birleştiremiyor ve evrenin nasıl oluştuğunu açıklayan bir kuantum kütleçekim kuramı geliştiremiyoruz sorusuna yanıt arayacağız ve evet: Schrödinger’in kedisine de tekrar kısaca değineceğiz. 🙂 Varlık Felsefesi yazımı okuyanlar da bu konuyu çok sevecek. Hazırsanız başlıyoruz!

İlgili yazı: Stephen Hawking ve 4 Büyük Başarısı

 

Kuantum dünyasında dalga fonksiyonu

Kuantum mekaniği dünyasında parçacıkların aynı anda farklı durumda olması, iki yer arasında ışınlanarak geçiş yapması veya birbirini sanki uzaktan tuhaf etkiyle ışıktan hızlı etkilemesi normal şeylerdir. Bunlar sırasıyla süperpozisyon, kuantum tünelleme ve dolanıklıktır. Her ne kadar kuantum mekaniğindeki bu üç özellik sanıldığı kadar gizemli veya sağduyuya aykırı olmasa da oldukça şaşırtıcıdır. Neyse ki doğa bunu dengelemiştir ve kuantum dünyasının “gariplikleri” genellikle günlük hayatta görülmez. Bunları çıplak gözle görmek için bazı egzotik deneyler yapmamız gerekir.

Her durumda Kopenhag yorumu ve paralel evrenler gibi yaklaşımlar, aslında kuantum dünyasından yaşadığımız nesnel gerçeklik dünyasına geçişi açıklamak için geliştirilmiştir. Sonuçta kuantum mekaniğinde bir parçacığın davranışını ancak olasılıklar halinde hesaplayabiliriz. Bunu da Schrödinger’in olasılık dalga fonksiyonuyla yaparız. Dalga fonksiyonunun ne olduğu, gerçek olup olmadığı gibi sorular bir yana, dalga fonksiyonu bize geleceği söylemez; ancak gelecekte neler olacağına dair olasılıkları kesin olarak hesaplamamızı sağlar.

Yine de bir parçacığın davranışı (dalga fonksiyonunun ortaya koyduğu olasılıklar içinde) onun hangi özelliğini ölçtüğünüze veya parçacığın diğer parçacıklarla nasıl etkileşim kurduğuna bağlıdır. Bu da Kopenhag ekolü gibi kuantum yorumlarının temelidir. Gerçi bilim dünyasında genel olarak fiziksel etkileşimlerle ölçümlerin aynı şey olduğu kabul edilir ama bu çok tartışmalı bir konudur. Detaylar için blogda kuantum sözcüğüyle arama yapabilir ve özellikle Heisenberg mikroskobu, Kuantum Darwinizm ile Kuantum Bombası yazılarına bakabilirsiniz. Konumuza geri dönersek:

İlgili yazı: Kodlama İçin En Gerekli 16 Programlama Dili

 

 

Dalga fonksiyonu neden ve nasıl çöker?

Dalga fonksiyonu bir parçacığın geleceğiyle ilgili yalnızca olasılıkları hesaplamamıza izin verir dedim. Yine de sayısız olasılık içinde bu evrende sadece belirli olasılıklar gerçekleşmektedir. Örneğin yaşadığımız gerçek dünyada, nesnel gerçeklik dünyasında bir elektron ya sağdan ya da soldan gider. Hem sağdan hem soldan gitmez. Bu sebeple Schrödinger denklemindeki olasılık dalga fonksiyonunu, ölçüm yaptığınız zaman veya elektron başka parçacıklarla etkileştiğinde, elektronla ilgili yalnızca tek bir olasılığın gerçekleşeceği şekilde güncellemeniz gerekir.

Peki bu nasıl olur?

Kuantum ölçüm problemindeki en temel soru budur. Sonuçta dalga fonksiyonu bize hangi olasılığın gerçekleşeceğini söylemediği gibi neden gerçekleşeceğini de söylemez. Zaten nasıl söylesin? Heisenberg’in belirsizlik ilkesi gereği yüzde 100 kesin ölçümler yapmak imkansız olduğu gibi bir elektronu kesin bir şekilde kontrol etmek de imkansızdır. Yine de yazının devamında geri geleceğim üzere dalga fonksiyonu lineerdir. Bu yüzden fonksiyonu güncellediğinizde tek bir olasılık gerçekleşir.

Sanki dalga fonksiyonu sayısız olasılık arasında tek bir olasılığın gerçekleşeceği şekilde “çöker”! İyi de dalga fonksiyonunun daha gerçek olup olmadığını bilmiyoruz. Öyleyse bu nasıl olur? Dalga fonksiyonu çöker mi? Çökerse nasıl çöker? Kopenhag yorumundan paralel evrenlere kadar bütün kuantum mekaniği yorumları, argüman ve teorileri işte bu soruyu yanıtlamak için ortaya çıkar. Biz de bu yazıda acaba dalga fonksiyonu yerçekimiyle çöker mi diye soran nesnel çöküş teorilerine bakacağız. Önce kuantum yorumlarına aşina olduğunuz Schrödinger kedisinden başlayarak kısaca göz atalım:

İlgili yazı: Düz Dünya Teorisini Çürüten 12 Kanıt

 

Dalga fonksiyonu ve Schrödinger kedisi

Dalga fonksiyonu çöküyor diyoruz da nasıl çöküyor? Denizdeki dalgalara benzetirsek dalga genliğinin gerçekleşen tek olasılığı yansıtacak şekilde ip gibi daraldığını, dalganın inceldiğini söyleyebiliriz. Buna en ünlü örnek Schrödinger kedisidir. Şirin bir kediyi alıp içinde zehir şişesi olan bir kutuya koyarsınız. Şişenin üstünde tele takılı bir çekiç vardır. Tel koparsa çekiç düşer, şişeye çarpar, kırar, zehirli gazı açığa çıkarır ve bu da kediyi öldürür.

Öte yandan çekici tutan telin kopması radyoaktif bir atoma bağlıdır. Atomlar zayıf nükleer kuvvet uyarınca radyoaktif bozunuma uğrar. Bu sırada ortama bir parçacık yayarak daha küçük, hafif, daha kararlı ve dolayısıyla daha az radyoaktif bir atoma dönüşür. Atomun parçacık yayarak ne zaman bozunacağı belli değildir. Dalga fonksiyonu uyarınca örneğin 1 kg uranyumun yarısının 4,5 milyar yılda bozunup kurşuna dönüşeceğini biliriz o kadar.

Bir kedinin kuantum yazgısı

Telin radyoaktif bozunumla ne zaman kopacağını bilemediğimizden çekicin şişeyi ne zaman kıracağını da bilemeyiz. Pratikte kedinin yaşaması şansa kalmıştır. Atom yüzde 50 olasılıkla bozunur ve kedi ölür veya bozunmaz ve kedi bir süre daha yaşar. Kutunun içini açıp bakmadığınız, yani dışarıdan bu deney sistemine müdahale etmediğiniz sürece KEDİ SÜPERPOZİSYON HALİNDEDİR. Hem canlı hem ölüdür… Şey… aslında YA CANLI YA ÖLÜDÜR; çünkü kedi, kutu ve deney seti trilyonlarca atomdan oluşur. Bu yüzden gözle görülecek katar büyük olan bu sistem kuantum dünyasındaki belirsizliğe uymaz.

Zaten kedi sever Schrödinger de bunu düşünce deneyi olarak tasarlamıştı. 😊 Amacı kuantum dünyasının gözle görülür dünyada işlemediğini bir saçmalıkla gösteren uçuk bir deney yapmaktı. Evet, günümüzde makroskobik atom bulutlarını mutlak sıfıra soğutup dolanıklığa sokarak süperpozisyonu gözle görecek kadar büyütüyoruz ama bu da pek doğru değil. Gerçek dünyada cisimleri o kadar soğutamayız ve dolanıklık etkilerini de ancak detektörlerle görebiliriz. Çıplak gözle değil. Özetle kuantum dünyasının dalga fonksiyonu çöküşüyle (?) nesnel gerçekliğe nasıl geçiş yaptığını görmeliyiz:

İlgili yazı: Her Kara Delikte Başka Evren Var

 

Dalga fonksiyonu ve belirsizlik ilkesi

Dalga fonksiyonunun çöktüğü fikrini (belirsizlik ilkesinden yola çıkarak) Werner Heisenberg ortaya attı. Heisenberg ve modern atom teorisinin kurucusu Neils Bohr dalga fonksiyonunun gerçekten çöktüğüne inanıyordu. Bu da kuantum mekaniğinin Kopenhag Yorumu oldu. Oysa iki fizikçi de dalganın ne zaman, nasıl ve nerede çöktüğünü bilmiyordu. Bu yüzden ünlü “orasını karıştırma” çığırını açarak bilim insanlarına SUS VE HESAPLA dediler.

Oysa sesimizi çıkarmasak da dalga fonksiyonunun çökmesi çok kafa karıştırıcıydı. Sonuçta fiziksel sistemler trilyonlarca atomdan oluşur ve bunlar birbirine kısmen veya tam dolanık olabilir. Zamanla bunu Kuantum Darwinizm konjonktürüyle çözdük ama 20. yy’ın ilk yarısında elimizde bu mekanizma yoktu. Böylece insanlar Kopenhag yorumu üzerinde düşünmeye ve alternatif yorumlar geliştirmeye başladılar. Bir grup, gayet anlaşılır bir şekilde, dalga fonksiyonunun ölçüm sırasında güncellemesinden yola çıkarak ölçümleri insanlar yapar, demek ki dalga fonksiyonunu insan bilinci çökertir dediler.

Tabii ucu holografik ilkeye kadar uzanan bu görüş nesnel gerçekliği tümüyle reddediyor ve yerine öznel idealizmi koyuyordu. Oysa o zaman da 7,8 insan milyar arasında hangimizin gerçekliği daha gerçek sorusu doğuyordu. Kuantum bilinç yorumunun tam karşısında ise dalga fonksiyonu çökmüyor ki diyenler vardı. Adeta kuantum mekaniği fizikçilerin elinden çıkıp yorumcuların eline geçmişti. Buna tepki olarak dalga fonksiyonu için nesne çöküş teorileri ortaya çıktı ama ondan önce pilot dalga ve paralel evrenler teorisi geldi:

İlgili yazı: Okyanuslar Hakkında Yanıtını Bilmediğimiz 7 Soru

 

 

Dalga fonksiyonu ve paralel evrenler

Louis de Broglie ve David Bohm’un geliştirdiği pilot dalga teorisi içlerinde en kolay anlaşılanıdır; çünkü kuantum fiziğini klasik fiziğe indirger. Buna göre olasılık dalga fonksiyonu aslında mekanik bir dalgadır. Parçacıkları uzayda dalgalar taşır ve biz parçacıkların konumuyla momentumunu kesin olarak ölçemesek de “yerel gizli değişkenler” derinlerde kuantum mekaniğini klasik fiziğe indirger. Bell eşitsizliği deneyleri yerel gizli değişkenler olmadığını çok kesin bir şekilde göstermiştir.

Diğer yorum ise Hugh Everett’in geliştirdiği ve günümüzde Sean Carroll’un savunduğu ÇOKLU DÜNYALAR yorumudur. Halk arasında buna paralel evrenler teorisi deriz. Buna göre bu dünyada gerçekleşmeyen her olasılık farklı kopyalarınızın alternatif hayatlar sürdüğü paralel evrenlerde gerçekleşir. Bugün kahve yerine çay içtiğiniz veya o erkekle evlenmek yerine bekar kaldığınız evrenler… Bu açıdan bakarsanız paralel evrenler dalga fonksiyonundaki her olasılığa ayrı bir evren atadığı için kuantum mekaniği yorumları içinde pilot dalga teorisinden bile daha objektiftir!

Siz de 5 soruda paralel evrenler yazısından başlayarak arama kutusuna çoklu dünyalar ve paralel evrenler yazıp çıkan başlıkları okuyabilirsiniz. Eskiden yeniye doğru okumanızı öneririm 😉 Evet, bütün bu yorumları ilgili yazılarda anlattım ama bir konu eksik kaldı: Nesnel çöküş teorileri. Özellikle de Nobel ödüllü fizikçi Roger Penrose’un dalga fonksiyonu yerçekimiyle çöker teorisi:

İlgili yazı: Dünyadaki En Ölümcül 5 Toksin Nedir?

 

Nesnel çöküş teorilerine giriş

Her şey 1986’da üç İtalyan fizikçiyle başladı: Giancarlo Ghirardi, Alberto Rimini ve Tullio Weber ki o yıl yayınladıkları makalede, kendi adlarının baş harfleriyle anılan GRW nesnel çöküş teorisini ortaya attılar. Marjinal fizikçiler bunu çok sevdi ve kısa zamanda koca bir GRW teorileri grubu ortaya çıktı. Bunu anlamak izin Schrödinger olasılık dalga fonksiyonu denklemine geri dönelim. Bu denklem lineerdir. Nitekim doğrusal denklemlerde iki sonucun toplamı da yine geçerli bir sonuçtur. Bütün bir süperpozisyon olayı buradan çıkar zaten.

Hatta olasılıkları yüzde 100 kesin hesaplamak da bu yüzden mümkündür; çünkü evrenimizin dalga fonksiyonu sonsuz olasılık içerse bile hepsinin toplamı 1’e eşit olacaktır. Bu açıdan Schrödinger denklemi, hele normalleştirilmiş haliyle yarı klasik bir teoridir. Bunun için denizdeki dalgaları düşünün. Hafif meltemli bir yaz gününde dalgalar ip gibi üst üste biner ama yok olmaz. Tülsü desenler oluşturduktan sonra çözülüp kendi yoluna gider. Dalgaların üst üste binmesi süperpozisyondur. Kendi yoluna gitmesi ise çoklu dünyalar yorumuna göre paralel evrenlerin varlığını gösterir.

Peki ya zaman geçmişe akarsa?

Schrödinger denkleminin diğer özelliği zamanda simetrik olmasıdır; yani zamanı film gibi geri sarsak fizik yasaları aynen işleyecekti. Öte yandan bu dünyada sadece bazı olasılıklar gerçekleşir. Bu da dalga fonksiyonun bir şekilde çökmesiyle olur. Üstelik bu tersinmez bir olaydır; yani çöken dalgayı denizde üst üste binen dalgalar gibi tekrar ayıramazsınız. Paralel evrenler teorisi bununla uyumludur; çünkü ayrılan dalgalar çatallanan olasılıklar, yani kök sebepten türeyen alternatif evrenler yaratır.

İşin ilginci Bell eşitsizliği uyarınca yerel gizli değişkenler yoktur ama dalga fonksiyonu yerel olmayacak şekilde çöker; yani çay yerine kahve içtiğinizde dalga fonksiyonu tüm evrende güncellenir. Nitekim bunu süper determinizm ve özgür irade yazısında anlattım. John Bell bile süper determinizmi anlamamıştır. Sonuç olarak bir olasılık gerçekleştikten sonra onu geriye alamazsınız.

Zaten Heisenberg’le Bohr da Kopenhag yorumunu gerçekleşen olasılıklar Schrödinger denkleminin artık bir parçası olmadığı için geliştirdi ve dalga fonksiyonu çöker dedi. Biz de böylece dalga fonksiyonuyla ilgili yeterince bilgi edindik. Özellikle de dalga fonksiyonunun lineer olmasının ne anlama geldiğini öğrendik. Şimdi nesnel çöküş GRW teorilerinin ayrıntılarına geçebiliriz:

İlgili yazı: Stephen Hawking ve Sandalyesi Nasıl Çalışıyor?

 

Dalga fonksiyonu doğrusaldır

Ghirardi, Rimini ve Weber dalga fonksiyonunun nesnel olarak çökmesi için denkleme lineer olmayan bir terim eklediler. Bunun bilim dünyası ve bilim felsefesinde nasıl bir cadı kazanı kaynattığını başka zaman anlatırım; ancak dalga fonksiyonu lineer olmasa geçmişe yolculuk ve ışıktan hızlı gitmek mümkün olabilir dersem sorunu anlarsınız. 😊 Yine de GRW teorisinde dalga fonksiyonunun tümüyle lineer olmaktan çıkarmıyoruz. Sadece denkleme lineer olmayan terimler ekliyoruz. İkisini karıştırmayın.

Her durumda bu terim dalga fonksiyonunun objektif olarak çökmesi ve kuantum sisteminden nesnel gerçekliğe geçmesini sağladı. Bunu Kuantum Darwinizmle de karıştırmayın. O konjonktürde dalga fonksiyonu istatistiksel olarak çöküyor, nesnel ve kesin olarak değil. Bu yüzden GRW teorileri nesnel gerçeklik olarak kuantum mekaniğinin genel kabul gören istatistiksel yorumundan ayrılır. Bu arada bilim felsefesinin (felsefeyi küçümseyen Amerikan ekolünün tersine) bilimde nasıl büyük bir rol oynadığını da görmüş oluyoruz. Peki denkleme terim eklemek de nedir?

Klasik kuantum mekaniğinde dalga fonksiyonu tıpkı radyoaktif bozunum gibi kesinlikle ölçülemeyen ve yüzde 100 rastlantısal şekilde çöker. Öte yandan GRW’de parçacıklar arasındaki fiziksel etkileşimler, tıpkı bilardo toplarının birbirine çarpması gibi dalga fonksiyonuna YİNE RASTGELE çarpar ama fonksiyonu kesin bir fiziksel etkileşimle çökertir. Hangi olasılığın gerçekleşeceğini yine önceden bilemeyiz ama GRW bize dalganın nasıl çöktüğünü gösteren kesin bir matematiksel mekanizma sağlar. İşte NESNEL ÇÖKÜŞ teorilerinin özü budur. Peki bunu neden lineer olmayan bir terimle yaparız?

İlgili yazı: İlk Temas: Uzaylılar Dünya’yı ziyaret ederse onlarla nasıl anlaşırız?

 

Burasını mühendisler çok sevecek

Doğada fiziksel sistemler lineer olmayan, yani diferansiyel denklemlerle işler. Aslında diferansiyel denklemler olmadan hiçbir şeyi hesaplayamayız. Schrödinger denklemi bile özgün lineer haliyle hesaplanamaz. Olasılıkları hesaplamak için onu “normalleştirmek” gerekir ki Feynman diyagramları bunun kolay bir yolunu sunar. Bu durumda GRW de Schrödinger denklemine terim ekleyerek onu diferansiyel bir dinamik denkleme dönüştürüyor diyebiliriz. Tabii biraz basitleştirerek anlattım.

Teknik tanım isterseniz: Doğrusal olmayan bir diferansiyel denklem, BİLİNMEYEN FONKSİYON VE TÜREVLERİNDE DOĞRUSAL OLMAYAN bir diferansiyel denklemdir. Burada doğrusal ve doğrusal olmayan denklem nedir tartışmasını girmeyeceğim. Kuantum fiziği profesörlerine sorun. Yalnız GRW ve Kuantum Darwinizmin birbirine benzediği bir nokta vardır: Her ikisinde de dalga fonksiyonu peyderpey çöker. Bakın burası da çokomelli. Demek istiyorum ki Kopenhag yorumunda dalga fonksiyonu yerel olmayan gizli değişkenler sebebiyle tüm evrende gizemli bir şekilde anında çöker.

Kuantum Darwinizm ve GRW nesnel çöküş teorilerinde ise evrende ışık hızında yayılarak peyderpey çöker. Bunun süper determinizmle ilişkisi için gerçekten ayrı bir yazı yazmalıyım. Yerel olmayan gizli değişkenlerin Kopenhag yorumunu mu, yoksa Kuantum Darwinizmi mi desteklediğini ben de çok merak ediyorum. Oysa en azından size nesnel çöküş teorileriyle ilgili bir perspektif verdiğimi düşünüyorum. Şimdi gelelim Schrödinger denklemindeki şu doğrusal olmayan terimin tam olarak nasıl işlediğine:

İlgili yazı: Zamanda Yolculuk Etmenin 9 Sıra Dışı Yolu

 

Dalga fonksiyonu ve nesnellik

Nesnel çöküş teorisinin gerçekliği tanımlaması için dalga fonksiyonunun çöküşünü tetikleyecek nesnel (fiziksel) parçacık “darbelerinin” nadiren gerçekleşmesi gerekir. Nitekim atık ısı arka planı dahil olmak üzere ortamdan, dış uzaydan neredeyse tümüyle yalıtılmış tek bir parçacık süperpozisyon halini uzun süre korur. Dalga fonksiyonu tek bir parçacığın kendi kendisini etkilemesiyle nadiren çöker. Radyoaktif bozunum da tek bir parçacık için düşük ama 1 kg uranyum için hesaplanacak kadar yüksek bir olasılıktır.

Geri kalan süreç Kuantum Darwinizm’e benzer: Dalga fonksiyonu peyderpey çöker. GRW teorileri ile Kuantum Darwinizm arasındaki asıl fark da burada ortaya çıkar: GRW’de büyük nesneler özünde kuantum değildir. Kuantum Darwinizm konjonktüründe de büyük nesneler nesnel ama özünde kuantumdur. Yalnızca kuantumluk büyük dünyada istatistiksel olarak bastırılmıştır.

İlgili yazı: 18 Ayda Nasıl 24 Kilo Verdim?

 

Peki nesnel çöküşü nasıl test ederiz?

Öyle ya! Bu bilim, felsefe değil. Bu iş akıl yürütmeyle olmaz. Test etmek ve doğada öyle olup olmadığını göstermek lazım. GRW de bilimsel bir teori olarak test edilebilir öngörülerde bulunuyor: Buna göre darbeler parçacık başına 10^-16 saniye sıklıkla gerçekleşmeli; yani tek bir parçacığın fonksiyonunun kendi başına çökmesi için 100 milyon yıl geçmesi gerekir. Oysa bir Avagadro sayısı kadar parçacığınız varsa (6 x 10²³ parçacık), dalga fonksiyonu saniyenin 10 milyarda birinde çöker. Bu da büyük nesnelerin neden kuantum olmadığını gösterir.

Aslında Kuantum Darwinizm diye popülerleştirdiğimiz Süreğen Doğaçlama Yerelleştirmesi teorileri de GRW nesnel çöküş teorilerinden esinlenmiştir. Sadece onların istatistiksel Kopenhag yorumuna uyarlanmış halidir. Dilerseniz bunu da CSL diye kısaltalım da kolaylık olsun. CSL’de fizikçiler moleküllerin mekanik etkileşimini gösteren Brown denkleminden esinlenir. Nitekim bununla sudaki polen taneciklerinin nasıl dalgalandığını gösteririz. Öyle ki CSL’de Brown hareketiyle tanımlanan su yüzeyini rastgele titreşen bir kuantum alanı olarak (yani yarı klasik olarak) faz uzayında yeniden tanımlarız.

Böylece dalga fonksiyonunun istatistiksel olarak peyderpey çöküşünü açıklarız. Gerçi bir sorun var: Ne CSL ne de GRW, ilk bakışta sanabileceğinizin aksine dalga fonksiyonunun temel çöküş mekanizmasını açıklar. Elimizde yerçekimini tanımlayan bir kuantum kütleçekim teorisi olmadığı için biz sadece çöküş mekanizmalarını yarı klasik olarak gösterebiliriz: CSL’de istatistiksel ve GRW’de nesnel olarak; ancak GRW bile bir parçacığın tam olarak nasıl bir mekanizmayla dalga fonksiyonunu çökerttiğini açıklayamaz.

Bunun yerine

Her ikisi de dalga fonksiyonunu bilinmeyen bir kuantum alanının çökerttiğini varsayar. Peki nedir bu kuantum alanı? Sonuçta pek sıra dışı olmalıdır. Mesela elektromanyetik alanın dalga fonksiyonunu çökertmediğini biliyoruz. Peki geriye ne kalıyor? İşte bu bizi GRW teorileri arasında yer alan en yeni kurama, Penrose’un savunduğu YERÇEKİMSEL DALGA FONKSİYONU ÇÖKÜŞ TEORİSİNE getiriyor:

İlgili yazı: Çernobil Nükleer Reaktörü Neden Patladı?

 

Peki ya yerçekimi çökmesi?

Önce Lajos Diósi ve sonra Roger Penrose yeni bir kuantum alanına, yani beşinci bir fizik kuvvetine gerek olmadığını düşündüler. Buna göre elimizde bugüne dek kullanmadığımız bir alan vardı: Yerçekimi. Yerçekimini bir türlü kuantumlaştıramadığımız için GRW’de yerçekimini kullanmak da aklımıza gelmemişti. Oysa elimizde Higgs alanı var.

Büyük patlama anındaki yüksek enerjilerde madde parçacıklarına kütle kazandıramayan Higgs alanı, evrenin genişleyerek soğuması neticesinde çok kısa sürede faz geçişi yaşamış ve kütleyi türeten bir Higgs mekanizması oluşturmuştu. Diósi ve Penrose’a göre bunu yapmak için Einstein’ın yerçekimini tanımlayan genel görelilik teorisini Higgs alanına entegre etmek gerekir.

Böylelikle iki teorik fizikçi şunları açıklamaya çalıştılar: 1. Kuantum dünyasından klasik dünyaya geçiş nasıl oluyor ve 2. Yerçekimini neden diğer kuvvetler gibi kuantumlaştıramıyoruz? GRW dahil tüm çöküş teorileri birinci soruyu açıklamaya çalışıyordu ama ikinci soruyu kimse açıklamaya çalışmamıştı. Onlara göre sorunun yanıtı da basitti… Yerçekimini kuantumlaştıramıyoruz, bir türlü kuantum kütleçekim kuramı geliştiremiyoruz; çünkü yerçekimi alanı bir kuantum alanı değildir.

Öyleyse dalga fonksiyonunun yerçekimiyle çökmesi, yani teknik terimle yerçekimsel eşevresizlik (Gravitational Objective Collapse, GOC) iki soruyu da yanıtlayacaktır. Peki bu mümkün mü? Yazımızın son kısmında bunu anlatalım:

İlgili yazı: Kök Hücrelerle Körlük Tedavisi Ne Zaman Geliyor

 

Dalga fonksiyonu ve yerçekimi

Diósi ve Penrose dedi ki yerçekimi ve üç kuantum kuvveti fiziğin iki ucunda yer alır. Kuantum mekaniği küçük şeyleri ve yerçekimi de büyük dünyayı tanımlar. Bunun için de uzaydaki belirli bir bölgeye yeterli sayıda kütleli parçacık eklemek yeterlidir. Nasıl ki GRW’de yeterli sayıda parçacık eklemek yetiyordu (trilyonlarca atomdan oluşan büyük bir nesne) Penrose’un teorisinde de yeterli sayıda KÜTLELİ parçacık eklemek yetiyor. Bu bağlamda ne GRW ne de GOC olasılık dalga fonksiyonunun ne olduğunu söyler.

Öte yandan ikisi de dalga fonksiyonunun fiziksel gerçeklik taşıdığını öne sürer. Bu ayrıntıları veriyorum ki kolay anlaşılsın; çünkü fizikçiler genellikle halka kendi inandığı teorileri, o alandaki tek kurammış gibi anlatıyor. O zaman da insanlar tek bir kuantum kütleçekim kuramı, sicim teorisi, nesnel çöküş teorisi vb. var sanıyor. Hayır. Bunlar teori ve konjonktür, yani matematikle desteklenmiş olan varsayım grupladır.

Buradan devam edersek:

Penrose’a göre yerçekimi kuantumlaştıramaz ama kuantum mekaniği sınırlayarak “özelleştirilebiliriz”. Penrose bunu nasıl gerekçelendiriyor derseniz aslında basit: Diyor ki kütle uzayı, aslında uzayzamanı büker. Oysa kuantum mekaniğine göre bir parçacık aynı anda iki kuantum durumunda olabilir. Hatta Heisenberg’in belirsizlik ilkesi uyarınca bir parçacığın yerini kesin olarak ölçemeyeceğimiz için momentum belirsizliği de vardır. Öyle ki tek bir kuantum parçacık aynı anda iki yerde birden olabilir.

Buna karşın bir yerde ve aynı anda birbirinden farklı iki uzayzaman geometrisi olamaz. Bu imkansızdır. Penrose’un teorisini savunmak gibi olmasın ama gerçekten de yerçekimini kuantumlaştırabilsek belirli bir yerde ve aynı anda iki farklı uzayzaman geometrisinin olması gerekecekti. Doğada böyle bir şey görmüyoruz. Mesela kara delik birleşmeleri gibi tekil cisimlerden yerel olarak türeyen kütleçekim dalgaları bile bir klasik fizik alanı olarak uzaya süreğen yayılıyor. Dolayısıyla en azından yerçekimini kuantumlaştırmanın imkansız olduğu konusunda Penrose’a katılıyorum. Pekala, Diósi-Penrose YERÇEKİMSEL ÇÖKÜŞ teorisinin bağlamı ve geliştirme gerekçelerini verdik. Peki bu teori nasıl çalışıyor?

İlgili yazı: Nükleer Radyasyon Nedir ve İnsana Ne Kadar Zararlı?

 

Teori ve yorum arasındaki fark nedir?

Penrose’a göre kütlenin oluşturduğu yerçekimi alanı kuantum mekaniğinde konum–momentum belirsizliğini atomaltı mesafeyle sınırlayan bir yerçekimi alanı yaratır. Kuantum mekaniğini özelleştirir, adeta mikroskobik ölçekte 3B kafese hapsederek etkilerinin yarı klasik ve tümüyle klasik mekanizmalar dışında uzaya yayılmasını önler. Dahası ister GRW teorilerini ister GOW teorisini kabul edin, kuantum mekaniği ile yerçekimi alanı veya o bilinmeyen 5. kuantum alanı arasındaki etkileşim dalga fonksiyonunun dengesini bozar.

Onu içerdiği olasılıklardan sadece birini gerçekleştirmek üzere çökmeye zorlayarak kararsızlaştırır. Bunu da Schrödinger denklemine doğrusal olmayan bir terim ekleyerek gösteririz. Yalnız pilot dalga, Kopenhag, holografik evren ve çoklu dünyalar yorumlarının tersine yerçekimsel çöküş dahil, tüm nesnel çöküş teorilerini bilimsel olarak test edebiliriz. Bu yüzden bunlar kuantum mekaniği yorumları değil, kuantum kuramlarıdır. Öyleyse test edelim!

Kuantum dolanıklık nedir?

İlgili yazı: Evrenin En Büyük Yıldızı UY Scuti mi?

 

 

Dalga fonksiyonu testlerine bakalım

Çöküş modellerini doğrudan test etmek için mutlak sıfıra soğutulmuş atom bulutları gibi nesneleri alır ve bunları süperpozisyona sokarsınız. Sonra da süperpozisyon çökmesinin ne kadar sürdüğüne bakarsınız. Mesela bir uranyum atomunun ne zaman bozunacağını bilemez ama 1 kg uranyumun yarısının 4,5 milyar yılda bozunacağını bilirsiniz. Dolanık atom bulutlarına bakmak da deneyi tamamlamak için milyarlarca yıl beklemek yerine saniyenin ufak bir kesrinde sonuç almanızı sağlar.

Buna karşın yerçekimsel çöküş teorisini test etmeye yetecek kadar büyük atom bulutlarını dolanıklığa sokmayı henüz başaramadık. Bu yüzden bazı kurnazlıklar yaparak yaklaşık hesaplarla işi çözmeye çalışıyoruz. Açıkçası olasılık dalga fonksiyonunun ne sıklıkla çöktüğünü dolaylı olarak anlamaya çalışıyoruz. Bu bağlamda ışığı oluşturan fotonların kütlesi yoktur ama kütle uzayı büker ve bükülen uzay da fotonları yolundan saptırır. Demek ki elektromanyetik kuvvetin taşıyıcısı fotonlar ve elektrik enerjisini taşıyan elektronlarla nesnel çöküş teorilerini test edebiliriz.

Mesela yerçekimi alanı kütleli elektronları sarsar ve onlar da kazandığı enerjiyi ısı yayarak ortama geri verir. Biz de böylece yerçekimsel çöküş teorilerini test edebiliriz. Nitekim İtalya, Trieste’deki bilim insanları bu radyasyon etkisini ölçtüler. Bunun için beşe on kalas gibi sekize sekiz santimetrelik bir germanyum kristalini aldılar, bir kriyostata koyup mutlak sıfıra soğutarak ne kadar radyasyon yaydığına baktılar. Yerçekimsel çöküş varsa kristalin Brown hareketine bağlı rastgele kuantum salınımlarından daha fazla ısı yaymasını beklediler. Isı farkı o kadar düşüktü ki ortam gürültüsü (ışıması) yüzünden bu testi üniversite laboratuarında yapmaları imkansızdı. Bu yüzden yeraltına indiler:

İlgili yazı: Paralel Evrenler Arasında İletişim Mümkün mü?

 

Dalga fonksiyonu için şimdilik sonsöz

Neyse ki yeraltında yer alan Gran Sasso laboratuarında deneyi bozacak ana radyasyon gürültüsü kaynağı olarak uzaydan gelen kozmik muonların etkisini 1 milyon kat azaltmak mümkündü. Dahası fizikçiler germanyum kristalini bakır ve kurşun katmalarıyla sararak iyice izole ettiler. Bu şartlar altında yapılan kesin ölçümlerde germanyumdan yayılan fotonları tek tek ölçebildiler. Peki sonuç?

İki ayda 576 foton ölçtüler. Bu sayı Penrose’un yerçekimsel nesnel çöküş teorisini kanıtlamaya veya yanlışlamaya yeterli değildi. Yine de Diósi–Penrose modelinin doğru olması için gereken radyasyon şiddeti aralığını oldukça kesin bir şekilde belirlediler. Hatta Penrose’un orijinal teorisini yanlışlamayı başardılar ve bu yüzden Penrose GOW teorisini güncellemek zorunda kaldı. Ayrıca yerçekimsel olmayan nesnel çöküş teorileri de test edilmeyi bekliyor.

Açıkçası Penrose’un yerçekimsel çöküş teorisini ve anestezi profesörü Hameroff’la birlikte bundan türettiği kuantum bilinç teorisini dahice buluyorum. Kuantum dolanıklığı görmek için cisimleri mutlak sıfıra soğutmaya gerek kalmadan, insan beyni sıcaklığında bile yerçekimsel dolanıklıkla çalışan kuantum bilinç fikri insanda hayranlık uyandırıyor. Buna karşın Penrose’un kuantum bilinç ve muhtemelen de Schrödinger denklemindeki olasılık dalga fonksiyonunun yerçekimsel olarak çökmesi konusunda yanıldığını düşünüyorum.

Yine de GRW teorilerini bilimsel olarak test ederek dalga fonksiyonu nedir, fiziksel olarak gerçek midir ve çökerse nasıl çöker gibi doğrudan kuantum mekaniğini masaya yatırma imkanına sahip olmamız heyecan verici! Dalga fonksiyonu nedir sorusuna ve yerçekimsel çökmeye ileriki yazılarda geri döneceğiz. Kuantum dünyasının rastlantısal olarak sürekli değişen rastgele kuantum salınımlarının, içinde yaşadığımız somut nesnel gerçekliği nasıl ortaya çıkardığını anlamak da müthiş bir şey olacak. Pazar günü 21.30’daki Starbasekozan canlı yayında görüşmek üzere bilimle ve sağlıcakla kalın!

Schrödinger’in kedisi

¹Unified dynamics for microscopic and macroscopic systems
²On the Gravitization of Quantum Mechanics 1: Quantum State Reduction