Eınsteın’ın Büyük Yanılgısı >> Kuantum fiziğinde uzaktan etkinin varlığı kanıtlandı

Kuantum fiziğinin en temel özelliği dolanıklık olgusudur, yani iki atomaltı parçacığın birbirini uzaktan etkilemesi. Bunu milyarlarca ışık yılı uzakta olsalar bile anında yapıyorlar. Örneğin bir elektron kendi ekseninde sağa dönüyorsa dolanık eşi hemen sola dönmeye başlıyor.

Einstein parçacıklar arasında sanki ışıktan hızlı etkileşime izin veren bu özelliği hiç sevmiyordu ve ölene kadar da yanlış olduğunu kanıtlamaya çalıştı. Ancak yanılan kendisi oldu. ABD Ulusal Standartlar ve Teknoloji Enstitüsü’nde (NIST) çalışan fizikçiler kuantum fiziğinde uzaktan etki olduğunu kanıtladılar.

Peki dolanıklık nasıl gerçekleşiyor? Parçacıklar gerçekten birbiriyle ışıktan hızlı etkileşim kuruyor mu? En önemlisi de ünlü fizikçi John Bell’in yıllar önce tasarladığı Bell deneyini mükemmelleştiren Amerikalı fizikçiler uzaktan etkinin varlığını nasıl kanıtladılar? Birlikte görelim.

Kedi yumağından hallice

Düşünün, siz dünyanın en büyük fizikçilerinden birisiniz, Albert Einstein’sınız ve ömrünüzü Evren’de hiçbir şeyin ışıktan hızlı gidemeyeceğini gösteren görelilik teorisine adadınız.

Sonra 1920 yılında Niels Bhor ile Erwin Schrödinger gibi kuantum fizikçiler geliyor ve görünüşte ışıktan hızlı çalışan uzaktan etki var diyor. Ne yaparsınız? Tabii ki görelilik teorisine aykırı olduğunu için bunun yanlış olduğunu kanıtlamaya çalışırsınız. Einstein da bunu yaptı ama bu kez yanılıyordu.

İlgili yazı: Görelilik teorisi 100 yaşında

 

Tuhaf uzaktan etki

Einstein bunun bir saçmalık olduğunu göstermek için dolanıklığın adını “tuhaf uzaktan etki” koydu. Ancak, orijinal Bell deneyinden ilham alan üç yeni deney 2015’te Einstein’ın yanıldığını kanıtladı. Bu kanıtın Einstein’ın genel görelilik teorisini geliştirmesinin 100. yılına denk gelmesi ise ilginç bir tesadüf oldu.

Einstein, Boris Podolsky ve Ned Rosen’le birlikte 1935 yılında uzaktan etkiyi “gizli değişkenler teorisiyle” açıklamaya çalıştı. Aslında üç bilim adamı basit bir mantık yürüttüler: Parçacıklar birbirini uzaktan etkilemiyordu. Tıpkı diğer fiziksel etkileşimlerde olduğu gibi, birbirini deneylerle göremediğimiz bir takım gizli kuvvetlerle etkiliyorlardı.

 

 

Domino etkisi

Parçacıklar birbiriyle ışık hızında etkileşim kuruyorlardı (domino taşlarının devrilmesine benzeyen bir tür etkiyle), ama bu etki o kadar zayıftı ve bu gizli kuvvetleri taşıyan parçacıklar da o kadar küçüktü ki biz bunları göremiyorduk.

Deney aygıtlarımız yeterince hassas değildi. Ancak bir şekilde işin içinde gizli değişkenler olmalıydı. Bunlar uzaktan etkiyi açıklamalıydı.

Bilim adamları, her bir domino taşının sadece önündeki taşı devirmesinden yola çıkarak gizli değişkenleri yerel etkileşimler olarak tanımladılar ve böylece bilim felsefesinde yeni bir akım başlamış oldu: Yerel gerçekçilik.

30 yıl sonra

Aradan geçen zamanda Einstein vefat etti ve genç fizikçi John Bell uzaktan etkinin domino etkisi gibi çalışmadığını, dolanık elektronlar veya fotonların gerçekten birbirini uzaktan etkilediğini göstermek için Bell deneyini tasarladı.

Bu öyle bir deney olacaktı ki dolanıklığın yerel olmadığını gösterecekti. Örneğin, fotonların birbirine hiçbir enerji göndermeden birbirini uzaktan etkilediğini kanıtlayacaktı.

 

 

Işık hızını sakın aşma!

Bel deneyinin ilkesi basitti. Işık iki parçacık arasındaki mesafeyi aşmadan önce bu parçacıkların birbirini etkilediğini göstermesi yeterliydi. Ancak, burada mikroplardan binlerce ve binlerce kat küçük parçacıklardan bahsediyorduk. Bu parçacıkları kontrel edip deney yapmak zordu.

İkincisi kuantum fiziğine göre atomaltı parçacıklar çok hassastı. Bunları ölçmek ve gözlemlemek bile fiziksel özelliklerini değiştiriyordu. Dolayısıyla parçacıkları onları etkilemeden, yani dolaylı olarak gözlemlemek gerekiyordu.

Bell parçacıklara değil de aynadaki görüntülerine bakarak onları gözetlemenin bir yolunu buldu. Böylece parçacıklar gözlemciler tarafından değil, sadece dolanık eşleri tarafından etkileneceklerdi.

İlglii yazı: Kara deliğe düşen astronota ne olur?

 

Bell deneyi nasıl çalışıyor?

Bell deneyinde amacımız Einstein’ın gizli değişkenlerini elimine etmek. Bunun için iki fotonu alıyor ve birbiriyle dolanık hale getiriyoruz. Ardından bunları birbirinden ayırıyor ve bulundukları yerde iki “kuantum durumundan” birini seçmelerini sağlıyoruz.

Ancak bu seçim tümüyle tesadüfü olacak. Örneğin bir fotonu gözlemleyip A durumunda olduğunu görürsek diğeri biz bakmasak bile mutlaka B durumunda olacak. Buna bir öğrenciye sadece iki şıkkı olan bir soru sormak da diyebiliriz.

 

 

Kırmızı hap mı, mavi hap mı?

Fotonları gözlemlerken onları yanlışlıkla etkilemek istemiyoruz. Bu yüzden de bir fotonu A veya B durumuna sokmaya çalışmıyoruz.

Sadece öyle bir deney yapıyoruz ki foton baktığımız zaman ya A durumunda ya da B durumunda olacak ve hangi durumda olursa olsun eşi de mutlaka ters durumda olacak. Haydi kolaylık olsun: Biri kırmızıysa diğeri mavi olacak diyelim.

 

 

Bugüne dek emin olamadık

Çünkü kusursuz Bell deneyi yapamıyor ve bu yüzden de gözlem sonuçlarından emin olamıyorduk. Fotonların sadece birbirini etkilemesini sağlayamıyor ve bilmediğimiz başka bir şeyden etkilenmediğini garanti edemiyorduk.

Volkswagen skandalı gibi

Colorado Boulder’da yer alan Ulusal Standartlar ve Teknoloji Enstitüsü (NIST) fizikçisi Krister Shalm’a göre, Bell deneylerinin nasıl yanılabileceğini göstermek için Volkswagen otomobilleriyle ilgili egzoz skandalını örnek gösterebiliriz.

Volkswagen şirketi, otomobillerin egzozundaki zehirli gaz oranının yüksek olmasına rağmen devlet yetkililerini yanıltmanın bir yolunu bulmuştu. Bunun için devletin güvenli egzoz gazı oranlarını tahmin ettiler ve teste gönderilen motorların egzoz çıkışını buna göre ayarlayarak testleri yanılttılar. Çünkü Amerika ve diğer ülkelerde testlerde olabilecek güvenlik açıklarına bakılmıyordu.

Aynı şey bugüne dek yapılan Bell testleri için de geçerli. Bu testlerin doğruluk oranı yüzde 60’la sınırlı kaldı. Testlerde güvenlik açıkları olduğunu biliyorduk ama elimizde bu açıkları tespit edecek teknoloji yoktu. Dolayısıyla kuantum fiziğinde uzaktan etkinin varlığını kesin olarak kanıtlayamadık, yani bugüne kadar.

İlgili yazı: Işıktan hızlı yolculuk, zamanda seyahat

 

Peki ne değişti?

Bell deneyinin NIST versiyonunda foton üreten bir foton kaynağı ve dolanık foton çiftlerini tek tek görmek için de birbirinden uzak olan iki detektör kullanıldı. Bunların üçü de binadaki farklı odalarda bulunuyor.

Foton kaynağı dolanık foton çiftleri üretiyor. Bunlar ışın ayırıcı ile birbirinden ayrıldıktan sonra fiber optik kablolarla diğer odalardaki detektörlere gönderiliyor.

 

Dile kolay

Fotonlar yolda giderken fizikçiler de özel bir yazılım kullanarak rastgele sayılar üretiyor ve bu sayıları kullanarak deney aygıtlarını şifreliyorlar. Aslında bu yazılım bir tür sanal yazı tura atıyor ve bilim adamları fotonları tespit edecek detektörlerin ayarını çıkan sonuca göre yapıyor.

Detektörler fotonlarla etkileştiği için yazıya göre ayarlanan detektör, örneğin fotonun kırmızı görülmesini ve turaya göre ayarlanan detektör de fotonun mavi görünmesini sağlıyor. Böylece fizikçiler dolaylı yöntemler kullanarak ve sanki fotonun aynadaki görüntüsüne bakarak fotonları etkilemeden ölçüm yapabiliyor.

 

 

Açıkları nasıl giderdiler?

İlk olarak adil örnekleme açığını gidermeleri gerekiyordu. Bunu da hileli yazı tura parasıyla açıklayabiliriz (üçkağıtçılar kullanır). Hileli parayı nasıl anlarsınız? 100 kez yazı tura atarsınız. Kaç kere tura ve kaç kere yazı geldiğine bakarsınız.

70 kez yazı ve 30 kez tura gelmişse para büyük olasılıkla hilelidir. Elbette Bell testinde detektörlerimizi ayarlamak için iki ayardan birini rastgele seçmek üzere hileli para kullanmıyoruz. Hilesiz para kullanarak rastgele seçimler yapmak istiyoruz. Böylece fotonlarımız detektörlerden değil, sadece dolanık eşlerinden etkilenmiş olacaklar.

 

 

İstatistik yasaları

Ancak deney yine hatalı olabilir. Nasıl mı? Diyelim ki 100 kez yazı tura attık, ellisinde para dik geldi (hani şu Kemal Sunal’ın hayatının kurtulduğu film sahnesinde olduğu gibi 😀 ).

Esprili bir sonuç ama bir sorun var: Para hileli olduğu için 50 kez dik gelmiş olabilir ve deney aygıtlarımız hassas olmadığı için bunu fark edemeyebiliriz.

O zaman sadece paranın dik gelmediği diğer 50 atışı sayarız. Bu atışların gerçekten tesadüfü olduğunu varsayabiliriz fakat bu da bizi yanıltabilir: Pratikte 100 yerine 50 kez yazı tura atmış sayılacağımız için deneyimizin kesinlik oranı azalır. Deney sonuçları belirsiz olur.

İlgili yazı: Kara delik yıldızı nasıl yuttu?

 

Eski Bell testlerinde bu oldu

Bugüne kadar yapılan Bell deneylerinde kesinlik oranı yüzde 72’nin altında kalıyordu. Bu yüzden de kuantum fiziğinde uzaktan etki olduğunu kanıtlayamadık. NIST deneyi ise yüzde 75 doğruluk oranına ulaştı; yani deneyin doğru sonuç verme ihtimali çok yüksekti.

Kuantum fiziğinde Heisenberg’in belirsizlik ilkesi yüzünden, bir şeyi yüzde 100 kanıtlamak imkansızdır. Bu yüzden NIST sonuçları yüzde 75 doğruluk payıyla uzaktan etkiyi kanıtlamış sayıldı.

Peki fizikçiler bunu nasıl başardılar? Dolanık foton çiftleri üretmekte daha hassas bir foton kaynağı seçerek ve duyarlı olması için aşırı soğutulan foton detektörlerinde süperiletkenler kullanarak.

 

 

Kuantum iğneden iplik geçirmek

Evet, fizikçi Kristen Shalm böyle diyor: “Bu iş o kadar zor ki yaptığımız deneye kuantum iğneden iplik geçirmek diyebiliriz. Mikroskobik bir iğneden mikroskobik iplik geçirmekten daha zor bir şey başardık. Ürettiğimiz iki fotonu birbirinden ayırıp her biri sadece 10 mikron kalınlığında olan iki fiber optik kablonun içinden geçirdik.”

Shalm ve ekibi metrenin milyonda biri kalınlığındaki fiber optik kablodan tek bir foton geçirdi. Üstelik bunu iki kablo ve iki foton için toplamda iki kez yaptı. Aferin!

İlgili yazı: Manyetik solucan deliği ve radar dalgalarını görünmez yapan makine

 

Işıktan hızlı iletişim yok

Foton detektörleri birbirinden birkaç yüz metre uzakta. Bunun sebebi iki foton arasında ışık hızında bir etkileşim olmadığını kanıtlamak.

Bilim adamları detektörleri öyle bir yerleştirdiler ki fotonları ikisi arasında yanlışlıkla gönderilebilecek ve deneyi bozacak olan bir sinyal hedefine ulaşmadan önce ölçeceklerdi. Bu sayede fotonların bilinmeyen dış faktörlerden etkilenmesini önleyeceklerdi.

Buraya kadar güzel ama bunu yapmak kolay değil. Yüzlerce metre uzunluğundaki bir fiber optik kablodan tek bir foton geçireceksiniz ve bu da hedefine sinyal kaybı olmadan ulaşacak. Aferin!

 

 

617 nanosaniye

Star Wars markasının yeni filmini çeken Abrams’ın Lost ve diğer dizilerinde bir şekilde 47 sayısını kullandığını bilirsiniz. 617 nanosaniye de bizim sihirli sayımız olsun, çünkü bu sayı yüksek kesinlikli Bell deneyi yapmamızı sağladı ama Abrams dizilerinin tersine, bu sayının hiçbir gizemli bir yanı yok.

Nanosaniye, saniyenin milyarda biri demek ve bu da ışığın NIST tesislerinde kullanılan bir detektörden diğerine gitmesi için gereken süre. Oysa bilim adamları Bell deneyini 40 nanosaniye önce tamamladılar. Fotonlar arasındaki uzaktan etkiye dış faktörlerin karışmadığını böyle garanti ettiler.

 

 

Üçüncü ve son güvenlik açığı

Burada özgür irade sorununa geliyoruz. Ne yazık ki bu sorunu tümüyle gidermemiz imkansız. Çünkü fizikçiler felsefe olmadan bilim yapmaya çalışıyor ve kuantum fiziğinde elde ettikleri sonuçları eksik yorumluyor.

Felsefeciler de fizik bilmiyor ve bu yüzden fiziksel varlık ile bilginin özü nedir gibi ancak kuantum fiziğiyle cevap verilebilecek soruları yanıtlayamıyor. Fizikçi Shalm da bunu kabul ediyor: “Özgür irade konusunda fizikten çıkıp metafiziğe giriyoruz” diyor.

 

 

Özgür iradenin ne ilgisi var?

Şöyle: Bir grup fizikçiye göre kuantum fiziğindeki gözlem sonuçları bilinçli insan gözlemlerinden etkileniyor (bu konuyla ilgili olarak Yapay Zekanın Şafağı yazı dizisine bakabilirsiniz). Bir grup fizikçi de hayır diyor, gözlem sonuçları insan bilincinden etkilenmez. Sadece fiziksel etkileşimlerden etkilenir (ve insan bilinci fiziksel etkileşimlerle ortaya çıkar).

Çünkü fiziksel sonuçlar insan bilincinden etkileniyorsa “İnsan türü ortaya çıkmadan önce Evren nasıl tek başına var oldu?” sorusunu yanıtlamak zorunda kalırız. Uzatmayalım, konunun Bell deneyi ile ilgisi şu: Deney aygıtlarının sonuçlarına kimse bu detektörlere bakmasa bile, yani deneyi sadece bilgisayarlar yapsa bile güvenebilir miyiz? Özgür irade sorunu derken bunu kast ediyoruz.

İlglii yazı: Işınla beni Scotty! Kuantum ışınlama teknolojisi

 

Kuantum şifreleme

Neyse ki NIST fizikçileri Bell deneyinde en azından insan bilincinin işe karışmadığını makul ölçüde gösteren bir güvenlik önlemi almayı başardılar. Nasıl mı? Deney verilerini rastgele sayılarla şifreleyerek (rastgele sayıları iki farklı süreci birleştirerek ürettiler).

Ayrıca kimsenin dışarıdan işe karışmadığından emin olmak için yazılımla şifreledikleri verileri film ve dizilerden aldıkları rastgele görüntülerle tekrar şifrelediler. Kısacası insan bilinci sihirli bir şekilde gözlemlere karışmaya çalışırsa veya kötü niyetli ya da şakacı bir bilim adamı deneye müdahale etmeye kalkarsa bunu başaramayacaktı.

Çünkü kimsenin, ama kimsenin deney verilerini Geleceğe Dönüş 2 filmindeki hangi sahnelerle ve çok basamaklı Pi sayısının hangi basamaklarıyla şifrelendiğini önceden bilmesine imkan yoktu. Metafiziğe meraklı olanlar için ekliyorum, işin içinde insan ruhu olsa bile, insan ruhu deney sonuçlarını uzaktan etkileyebilse bile bu bilinçli bir eylem olamayacaktı. Kimse bu 3 katmanlı şifreyi “önceden bilemezdi”.

Bu kadar felsefe yeter

Artık konumuza dönelim diyeceğim ama bu kez de Krister Shalm, Bell deneyini açıklarken felsefe yapmadan duramıyor:

“Deneyimizin insan bilincinden etkilenmesi için birinin deney başlamadan önce hem fotonları, hem fotonları üreten aygıtı, hem de detektörleri ayarlamakta kullandığımız rastgele sayı üretecini fiziksel olarak tespit edemeyeceğimiz bir şekilde etkilemesi gerekir. Üstelik de bunu yaparken Pi sayısının hangi basamaklarını ve Geleceğe Dönüş filminden hangi sahneyi seçeceğimizi bilerek yapması lazım.”

 

 

Yok öyle yağma!

Ama şu var: Ya deneyi yapan bilim adamları, (kuantum fiziğinin Kopenhag yorumunu tercih ettikleri için) deney kurulumunu farkında olmadan kendi görüşlerine göre ayarlarsa? Belki de kuantum fiziğinin Kopenhag yorumu değil de Penrose yorumu doğrudur. Bu durumda belki de deney ayarları yanlış yapıldığı için uzaktan etki aslında kanıtlanmamıştır.

Şansımıza deneydeki bu “bonus güvenlik açığını” gidermenin de bir yolu var. Krister Shalm, bu deneyi kuantum fiziğini farklı yorumlayan bir fizikçi rakibine yaptırdı. Evet, Bell deneyini uzaktan etkiye inanmayan bir fizikçi yaptı! 😀

Shalm isim vermiyor ama “O iyi bir fizikçi” diyor. “Kanıtı görünce fikrini değiştirdi fakat yas tutmak için zamana ihtiyacı vardı. Yanıldığını görünce enstitü koridorlarında birkaç gün boyunca resmen süründü. İnsanların derin bir acıyı atlatmak için geçirdiği o 5 psikolojik aşamayı gözlerinden neredeyse tek tek okuyabiliyordunuz.”

İlgili yazı: Kuantum fiziğnide uzaktan etki solucandelikleriyle açıklanabilir mi?

 

Zor ötesi deney

Öyle zor ki onlarca fizikçi günde 20 saat ve haftada 7 gün çalışarak gerekli bütün ayarları yaptılar. Milyonlarca veri noktasını incelediler ve milyarda bir hassaslıkta deney yaptılar.

Bu noktada kuantum fiziğinde uzaktan etki olduğunu kanıtlayan Shalm’ın gözleri yaşarıyor: “Deney için canla başla çalıştım. Deneyin ortasında evlendim ve düğün gecesi elimdeki verileri analiz ettim. Karım beni terk etmediği için çok mutluyum.”

 

 

Deneyden çıkarılan dersler

Kuantum fiziğinde uzaktan etkinin kanıtlanması sadece “Varlık nedir ve Evren’in doğası nedir?” gibi temel soruları kısmen yanıtlamakla kalmıyor.

Aynı zamanda bize bilimin kendi hatalarını düzeltmek için nasıl kılı kırk yararak çalıştığını gösteriyor. Bilimsel deneyler işte bu kafayla yapılıyor. Bu neyin kafası derseniz bilim kafası derim. Bu sebeple bilime diğer tüm düşünme biçimlerinden, örneğin felsefeden daha fazla güvenebiliriz.

Bu felsefenin veya dinsel görüşlerin yanlış olduğunu göstermiyor. Sadece bilimin kendi hatalarını düzeltmek için planlı, programlı ve kesin olarak belirlenmiş yanlışlama yöntemleri kullandığını gösteriyor. Açıkçası hiçbir düşünme disiplini kendini bilim kadar eleştirmiyor, bilim kadar düzeltemiyor.

İlgili yazı: Fizikçiler zaman paradoksunu çözdü

 

Tekrarlanan deneyler

Kuantum fiziğinde uzaktan etki sadece NIST’in Bell deneyi ile kanıtlanmadı. Diğer üniversiteler de buna benzer yöntemlerle uzaktan etkiyi kanıtladılar. Zaten fizikte bir şeyin doğru olması için aynı şartlar altında yapılan çok sayıda deneyin aynı sonuçları vermesi gerekiyor. Yoksa bir şey kanıtlamış sayılmazsınız.

Nitekim 2014’te Hollanda Delft Teknoloji Üniversitesi kendi Bell deneyini yapmıştı. Viyana Üniversitesi de başka bir Bell deneyi ile aynı sonuçlara vardı. Bu daha güzel değil mi? Farklı yöntemlerle yapılan deneyler de aynı sonucu veriyor.

Kuantum bilgisayarlar

Üstelik kuantum fiziğinde uzaktan etkinin kanıtlanması en çok kuantum bilgisayar geliştirmek isteyen D-Wave gibi teknoloji şirketlerini sevindirdi. Çünkü ABD Ulusal Güvenlik Dairesi (NSA) internetteki bütün şifreleri kısa sürede kırmak için kuantum bilgisayar icat etmek istiyor.

Ancak bunun için 1) Kuantum bilgisayarların gerçekten kuantum bilgisayar gibi çalıştığını kanıtlamak lazım (yukarıda değindiğimiz hassaslık problemi) ve 2) Kuantum fiziğinin temeli olan uzaktan etkiyi kanıtlamak lazım (yüzde 75 oranında kanıtlandı).

Siz de dolanıklığın ne olduğunu merak ediyorsanız şu yazıyı okuyabilirsiniz: Kuantum bilgisayar nedir ve nasıl çalışır?

 

Uzaktan etki nedir, nasıl çalışır?

Einstein, A; Podolsky, B; Rosen, N. (1935) “Can Quantum-Mechanical Description of Physical Reality be Considered Complete?” Physical Review 47 (10): 777–780
Bell, John S. (1964) “On the Einstein-Podolsky-Rosen Paradox,” Physics 1: 195–200.
Giustina, Marissa et al. (2015) “A significant loophole-free test of Bell’s theorem with entangled photons,” Physical Review Letters (submitted).
Hensen, B. et al. (2015) “Loophole-free Bell inequality violation using electron spins separated by 1.3 kilometers,” Nature 526: 682-686.
Shalm, L.K. et al. (2015) “A strong loophole-free test of local realism,” Physical Review Letters (submitted).