Kuantum Silgi ile Zamanı Geri Almak Mümkün mü?
1999’da yapılan Gecikmeli Seçim Kuantum Silgi Deneyi, çift yarık deneyinden sonra kuantum mekaniğinin en popüler deneyidir. Aynı zamanda bilim insanlarının en yanlış anladığı deneydir; çünkü deneyi tekrarlayanlar zamanı geri alabileceğimiz öne sürmüştür. En azından kuantum parçacıklar için… Günümüzde Fermilab’de çalışan, hatta Higgs bozonunu bulan ekipte olan teorik fizikçilerin bile popüler bilim videolarında bile konuyu yanlış anlattığını gördüm. Peki kuantum silgi nedir ve nasıl çalışır?
Neden kuantum silgi?
Okurlarım uzun zamandır gecikmeli seçim kuantum silgi deneyini anlatan bir yazı istiyor. Deneyin teknik ayrıntılarını önceki kuantum silgisi ve fizikçiler zamanı tersine çevirdi yazılarında anlatmıştım. Zamanı geriye almaktan çok bir parçacığın evrende izlediği yol, izlemediği yolların toplamıdır önermesini kullandığımızı belirtmiştim. Kuantum silginin kuantum bilgisayarda veri yazma, silme ve yeniden yazma işlemlerinde nasıl kullanılabileceğine değinmiştim.
Özetle kuantum silgi zamanı geri almaz. Ben de önceki yazılarda bunu yeterince net belirtmediğim için okurların istekleri doğrultusunda bu yazıyı yazmaya karar verdim. Sandığınızdan daha basit ve anlaşılır bir yazı olacak. Hazırsanız başlıyoruz! Kuantum silgi zamanı veya başka bir şeyi silmez ama çok daha ilginç şeyler yapar:
Önce kuantum mekaniğiyle hiç ilgisi olmayan bir beyin alıştırmasıyla başlayalım. Toygan 39 yaşında olup bir kuru yük gemisinin kaptanıdır. Gemisiyle 100 km uzaklıktaki iki liman arasında gidip gelmektedir. Bunlara A ve B limanları diyelim. A limanına doğru yarıya kadar dolu bir gemiyle yola çıkar. Yolun dörtte üçüne geldiğinde gemiye daha çok kuru yük alır ve bu da gemi hızını yarıya düşürür. B limanından A’ya geri dönüş yolunda ise gemisi boştur. Peki kaptan kaç yaşındadır?
İlgili yazı: Gerçek Adem: ilk insan ne zaman yaşadı?
Kuantum silgi ve bilimi yorumlamak
Kaçınız soruyu okurken anımsadı bilmiyorum ama kaptan 39 yaşındadır. Bunun anlattıklarımla hiçbir ilgisi yok fakat sorunun yanıtını başta söyledim. Sonradan söylediklerim ise gereksiz şeyler olup sadece kafanızı karıştırmaya yönelikti. İşte bu durum bazen popüler bilim anlatan fizikçilerin de başına gelir. Kuantum mekaniği deneyleri çok karmaşıktır. Bu yazıdaki basit açıklamalardan daha karmaşıktır. Öyle ki fizikçilerin teknik ayrıntı labirentinde kaybolarak kendi yaptıkları deneylerin sonuçlarını bile yanlış yorumlamasına sebep olabilir.
Neyse ki fizikçiler yanıldığında onları düzelten başka fizikçiler vardır; çünkü bilim ekip işidir. Öte yandan onların bile yanılabildiği bir konuyu tek kaynaktan yazmaya çalışan popüler bilim yazarlarının işi çok daha zor olur. Genellikle de yanlış anlamaları kitlelere yaymaktan başka bir şey yapamazlar. İşte kuantum silgiye doğrudan odaklanan yeni bir yazı yazmamın sebebi budur. İster fizikçi olun ister bilime meraklı bir okur, bilimin nasıl yapıldığını öğrenmemiz gerekiyor. Fizikçilerle öğretmenlerin bilimi yorumlamayı ve anlatmayı da öğrenmesi gerekiyor. Bunun için de dersi anlamak yetmez, konuyu kavramak da gerekir. Bağlamı verdiğimize göre hemen konuya geçelim:
İlgili yazı: Kodlama İçin En Gerekli 16 Programlama Dili
Çift yarık deneyi
Kuantum silgi deneyi iki temel kuantum etkiden yararlanır: Girişim ve dolanıklık… Girişimi çift yarık deneyinde test edebilirsiniz. Bir masa alın ve bir ucuna parçacık ışın tabancası koyun (evet, var öyle bir şey, adı o kadar havalı olmasa da 😊). Masanın ortasına, üzerinde iki ince dikey yarık olan bir bariyer koyun (karton bile olur). Masanın diğer ucuna ise sinema perdesi benzeri bir perde yerleştirin. Ardından perdeye tutarlı parçacık ışınları yollayın. Bunlar iki dikey yarıktan geçerek perdeye ulaşacaktır.
Parçacıklar perdeye çarpar ve perdenin kimyasal bileşimi uygunsa üstünde izler yaratır. Bunlar sıradan ışık parçacıkları, yani fotonlarsa perdeyi aydınlatır. Her durumda perdenin üzerinde dikey yarıklara karşılık gelen çizgiler oluşur. Bunlar genellikle beş ila yedi dikey çizgidir ama ışınların iki yarıktan geçmesine rağmen iki değil! Bu biraz da kayalıkların arasından geçen deniz dalgalarına benzer:
Parçacıklar aynı zamanda dalga olduğu için ışın dalgaları yarıklardan geçerken kırılır ve girişim yapar. Dalga tepeleri üst üste binince güçlenir ve dalga tepeleriyle çukurları üst üste binince dalga silinir. Silinen yerler perdeye yansımaz. Güçlenen yerler ise dikey çizgiler olarak görülür. Çift yarık deneyinde şaşırtıcı olan şey, sadece tek bir parçacık ateşlesiniz bile, yarıklardan geçerken kırılarak perdeye dalgalar halinde yansımasıdır. Çift yarık deneyi parçacıkların aynı zamanda dalga olduğunu gösterir.
İlgili yazı: Düz Dünya Teorisini Çürüten 12 Kanıt
Çift yarıktan kuantum silgi deneyine
Bu deneyden yola çıkarak ve daha önce anlattığım sebeplerle kuantum parçacıkları, Grekçe psi harfiyle gösterilen dalga fonksiyonuyla tarif ederiz. Oysa deneyin acayiplikleri burada bitti sanıyorsanız yanılıyorsunuz. Yarıklara detektör koyup parçacıkların tek tek hangi yarıklardan geçtiğini ölçerseniz girişim deseni kaybolur. Parçacıklar dalga gibi davranmak yerine perdeye parçacık olarak çarpar. Böylece her yarığın hizasında ve perde üzerinde, perdeye çarpan çok sayıda parçacıktan oluşan iki büyük yuvarlak leke görürsünüz.
Aslında görmezsiniz de…
…bugüne dek okuduğunuz veya izlediğiniz popüler bilim içerikleri genellikle öyle söyler. Çift yarık deneyi kuantum silginin öncüsüdür ve hatalı anlatım buradan başlar. Dalga fonksiyonu dalganın hangi yarıktan geçtiğini biliyorsunuz diye yok olmaz ki! Bir kere dalga fonksiyonu yüzünden parçacıkların gittiği yol, gitmediği yolları da saymayı gerektirir. İkincisi bir parçacığın sağ yarıktan geçtiğini görmek, sadece sağ yarıktan geçmesini sağlayan dalga fonksiyonunun sağda çok belirgin olduğunu gösterir. Sol yarıktan geçen dalga fonksiyonu yine var ama ihmal edilecek kadar küçüktür.
Siz de pratikte sadece sağ yarıktan geçen bir dalga fonksiyonu görüp buna “Aha! Parçacık!” dersiniz. Peki bu kez perdeye ne yansır? Bu kez de perde de tek yarıklı bir kırılım deseni görürsünüz ama o ne? Duvara çarpan tabanca mermisi gibi tek bir delik görmezsiniz. Yine bir girişim deseni görürsünüz. Bu da yuvarlak lekedir ama çok bulanık bir lekedir. Peki bu kez detektörü sol yarığa koyarsanız ne olur? O zaman da o yarıktan geçen parçacıkları, pardon dalga fonksiyonunu görürsünüz. O da perdede kendi bulanık yuvarlak lekesini yapar.
Kuantum silgi deneyinin gerçek sonucu
Üstelik ayrı ayrı iki yarıktan geçen iki parçacığın lekelerini yan yana koyarsanız şey… bunları yan yana koyamazsınız; çünkü kısmen üst üste biner ve tek bir büyük bulanık leke gibi olurlar. Demek ki tek yarıktan gecen bir parçacık bile güya geçmediği yarıkla girişim yapmaktadır! Dalga işte! Oysa videolarda bu iki lekeyi yan yana duran iki ayrı leke gibi gösterirler. Adeta çift yarık deneyi sonuçlarını kendi hatalı yorumlarına uydurmak istercesine! Bu eleştiriye aşırı detaycılık diyebilirsiniz ama kuantum silgi deneyi için çok önemlidir. Lütfen akılda tutun.
Ayrıca bunun çift yarık deneyi için bir önemi yoktur. Tek tek yarıklardan elde ettiğiniz beneklerin toplamı ile iki yarıkta birden girişim yapan dalga fonksiyonun perdede ürettiği beneklerin toplamı birbirine eşit değildir! Birazdan göreceğimiz gibi eşitsizlik gerçektir ama kuantum silgi deneyinde yanlış yorumlanmıştır. Öyleyse çift yarık deneyi kuantum mekaniğiyle ilgili bize aslında ne öğretir? Bir ölçümün sonucu neyi ölçtüğünüze bağlıdır. İşte bu çok gariptir ve kuantum silgide karşımıza çıkacaktır. Gerçi kuantum silgi deneyindeki ikinci kuantum etkisi dolanıklıktır demiştik. Şimdi onu görelim:
İlgili yazı: İnternetinizi Uçuracak En İyi 10 Modem
Kuantum silgi deneyi nasıl yapılır?
Kuantum dolanıklığı o kadar çok konuştuk ki burada yazı için gereken minimum ayrıntının ötesine geçmeyeceğim. Birbiriyle temas halinde olan iki parçacığın belirli bir kuantum durumu dolanıklığa girebilir. Örneğin parçacıkların spini dolanık olabilir. Dolanık parçacıklar birbiriyle enformasyon alışverişinde bulunmaz. Sadece birbirini sonsuz uzaklıktan bile etkileyecek şekilde dolanıktır. Dolanıklığın ne olduğunu bilmiyoruz ama olağanüstü bir etkileşimdir.
Sonra isterseniz dolanık parçacıkların arasını 1 milyar ışık yılı açın. Bunların spini dolanıksa bir parçacığın spini değiştiği zaman diğeri de ona göre değişir. Bunun için de parçacıkların birinin spini ölçmeniz gerekir. Kısacası parçacıkların spini siz ölçene dek süperpozisyon halindedir. Belirli bir spin durumunda olmadığından enformasyon da içermez. Enformasyon siz ölçünce oluşur. Bu yüzden dolanık parçacıklar aralarında bilgi paylaşmaz ve kuantum dolanıklıkla ışıktan hızlı iletişim kuramazsınız. Çok garip değil mi? Uzayzamanın bile büyük olasılıkla türedi bir yapı olduğunu düşünürsek belki de o kadar garip değil…
Ve geldik kuantum silgi deneyine
1) Kolaylık açısından deneyi fotonlarla yapıyor ve bir ışık ışını oluşturuyorsunuz. 2) Işını çift yarıklı bir engelden geçirip ikiye ayırıyorsunuz. 3) Ardından birbirine paralel giden bu iki ışını bir kristalden geçiriyorsunuz. Bu da ışınları oluşturan fotonları dolanık foton çiftlerine dönüştürüyor. Böylece birbirine dolanık fotonlardan oluşan iki ışın üretiyorsunuz. 4) Sonra dolanık eşleri iki ayrı ışın yolundan bir ekrana yansıtıyorsunuz ve birbiriyle çift yarık deneyindeki gibi girişim yapıp yapmadıklarına bakıyorsunuz. Resimde kolaylık olsun diye mavi ve sarı çizmişler ama ışınlar her renkte olabilir. Genellikle de bunlar aynı renkte veya renksizdir.
Sonuç olarak dolanık foton çiftlerini çift yarıktan geçtikten sonra dolanıklığa sokarsanız foton dalga fonksiyonu fotonların hangi yarıktan geçtiğine göre değişecektir. Bu enformasyon dolanık çiftlerin yaratıldığı yerden kaynaklanır ve buna genellikle “hangi yoldan gitti enformasyonu” deriz. Bu bilgiye sahip olduğunuz zaman ne olur? Sistem tıpkı çift yarık deneyinde yarıktan geçen fotonları ölçmüşünüz gibi davranır. Bu yüzden foton dalgaları ekranda tam girişim yapmaz.
Yine de çift yarık ve kristalden geçen fotonların sadece çizimin sol üst köşesindeki ekrana yansımadığına dikkat edin. Bu ışınlar aynı zamanda çizimde sağa doğru yansıyor. Çift yarık deneyinin tersine, asıl şimdi sağa giden ışınların önüne birer detektör koyuyorsunuz. D1 ve D2 detektörleri resimdeki gibi hangi fotonun sağ yarık ve hangisinin sol yarıktan geçtiğini ölçüyor. O zaman da sol üst köşedeki ekranda girişim görmüyorsunuz. Oysa bu detektörleri kapatıp ışınların sağ alt köşedeki aynalara ulaşmasını sağlayabilirsiniz. O zaman ışınlar eş açılı aynalardan yansıyarak geri seker. Ne olur o zaman?
İlgili yazı: 18 Ayda Nasıl 24 Kilo Verdim?
Işın bölen kuantum silgi
Dikkat ederseniz aynaların arasında yatay bir ışın ayırıcı vardır. Bu yarısı ışığı geçiren ve yarısı yansıtan bir prizmadır. Işığı geçiren taraftan geçen ışınlar birleşir, geri kalanı ise aynalara geri yansır. Bu nokta kafa karıştırıcı gibi gelebilir ama ışınları birleştirdiğiniz zaman onları oluşturan VE birbiriyle dolanık olan fotonların hangi yarıktan geçtiği (hangi yoldan gittiği) bilgisini silmiş olursunuz. Artık D3 ve D4 detektörleri fotonların hangi yolda gittiğini ölçemez. Ardından D3 detektöründen geçen fotonların ekrandaki dağılımlarını ölçersiniz. Hangi yarıktan geçtiklerini bilmediğiniz şekilde girişim yapacaklardır.
Keza D4 detektöründen geçen fotonların ekrandaki dağılımı da yine hangi yarıktan geçtiklerini bilmediğiniz için girişim yapacaktır. Bu kuruluma kuantum silgi denir. Sanki fotonların yol bilgisini silmiş ve D3 ile D4 detektörlerinden gelen fotonların girişimlerini ekranda tek girişim deseni olarak birleştirmişsinizdir. Gecikmeli seçim kısmı ise D3 ve D4 detektörlerinin D1 ile D2’den, hatta ışınların ışın ayırıcısından geçtikten sonra ölçüm yapmış olmasıdır. Gelelim meselenin özüne:
İlgili yazı: Zamanda Yolculuk Etmenin 9 Sıra Dışı Yolu
Kuantum silgi videoları neden yanlıştır?
Diğer videoları izlerseniz size D3 ve D4 detektörlerinde yaptığınız ölçüm seçimlerinin, geriye dönük olarak fotonların hangi yarıktan geçtiğini daha siz bu seçimi yapmadan önce değiştirdiğini, dolayısıyla da zamanı geri aldığınızı söyleyecektir. Bu vidolara göre en azından kuantum dünyasında geçmişi değiştirmek mümkündür. Oysa bunun büyükbaba paradoksuna yol açması gerekir! Ama kaygılanmayın, o konuya hiç girmeyeceğim; çünkü hem videolar hem de ben sizi yanılttık. Ben size kuantum silgi deneyini anlatmaya başlamadan önce ölçülen fotonlar ekranda girişim yapmaz demedim mi? O zaman deneyin işleyişi hakkında anlattığım her şey gereksiz detay olup aklınızı karıştırmaya yönelikti. 😉
Peki kuantum silgi deneyinde gerçekte ne oldu? Siz fotonların hangi yarıktan geçtiğini bilgisini silip geçmişi değiştirmediniz. Sadece bu bilgiyi detektörler ve kendi gözünüzden gizlediniz. Buna karşın hangi fotonun hangi yoldan gittiği baştan belli olup bilgi silinmemiştir. Nasıl derseniz şunu sorun… Peki D3 ve D4 fotonlarının ekrandaki dağılımını birleştirdiğinizde ne oluyor? Hiiç! İki yarıktan geçen iki ayrı foton grubunun girişim desenlerini KISMEN ekranda birleştirmiş oluyorsunuz.
Oysa iki deseni yan yana koymak fotonları hiç ölçmeseydiniz ekranda oluşturacakları girişim desenini üretmez, üretemez! Lütfen Heiseberg’in mikroskobu yazımı okuyun. Bir şeyi ölçmeden değiştiremezseniz. Dolayısıyla fotonları ölçtükten sonra bu bilgiyi sizden gizleyerek ürettiğiniz girişim deseni, her zaman ama HER ZAMAN, fotonları ölçmeseniz ekranda göreceğiniz girişim deseninden farklı olacaktır. D1 ve D2’de yaptığınız ölçümler yüzünde fotonlar zaten ekranda girişim yapamaz.
Sıfır toplam oyunu
Diğer videolarda nedense sözü edilmeyen detayı eklersem: D1 ve D2 fotonlarının tekil ölçümleri girişim yapmaz (yol bilgisi var), ölçüm toplamı yapar. D3 ve D4 fotonlarının tekil ölçümleri girişim yapar (yol bilgisi yok) ama ölçüm toplamı yapmaz. Ezcümle, D3 ve D4 detektörlerinden gelen fotonların ekrandaki toplam dağılımıyla D1 ve D2 fotonlarının toplam dağılımı EŞİT olacaktır. Yine de bileşik benekler olarak gördüğünüz bu kısmi girişim, fotonları ölçmeden elde edeceğiniz tam girişim deseninden farklıdır. Yazının başındaki zihin alıştırmasında kaptanın 39 yaşında olduğunu söylediğim satır gibi düşünün bunu.
İlgili yazı: Gezegenler Güneş Çevresinde Nasıl Dönüyor?
Sonuç olarak
Siz aynalar ve ışın ayırıcıyla sadece “hangi fotonları ölçeceğinize ve hangilerini ölçmeyeceğinize” karar veriyorsunuz. Daha beteri hangi kararı aldığınızı kendinizden bile gizliyorsunuz. Oysa bunun kuantum mekaniğiyle zerre kadar ilgisi yok. Bu bildiğiniz klasik fizik ve klasik mekaniktir. Bu, internette ve blokzincir sistemlerindeki şifreli iletişimde kullanılan çift kör yöntemidir. Peki bu durum kuantum silgi deneyinde kuantum mekaniğiyle ilgili hiçbir gariplik görmediğimiz anlamına mı geliyor? Kesinlikle hayır. Çift yarık deneyiyle aynı acayiplik var ama ek gariplik yok, o kadar.
Peki nedir o kuantum garipliği?
Bir parçacığı ölçmezseniz kendisiyle girişim yaparak yine dalga olur. Yok ölçerseniz bu kez de ölçümün doğru çıkması için parçacığın bu evrende izlemediği diğer tüm yolları sanki izlemiş gibi sonuca katmanız gerekir. Yoksa olasılık dalga fonksiyonunu tanımlayan Schrödinger denklemi ölçümlerinizle bağdaşan çözümler vermez. Peki bu ölçüm sonucunun geçmişi belirlediği anlamına mı gelir? Hayır. Sadece ölçümde fotonun sağdan geçtiğini görürseniz o olasılık, gerçekleşen tek olasılık olarak kabul edeceğiniz kadar artar. Diğer yolların olasılıkları da yok sayılacak kadar azalır.
Bence bu yeterince garip bir şeydir! Ölçüm yapmadan fotonun hangi yoldan geçtiği bilgisi yoktur. Olmadığı için de bir foton ölçülmese dahi kendisiyle girişim yapar. Parçacıklar işte bu yüzden ölçülmediği zaman dalga olarak davranır. Dalgalar hangi yol bilgisini içermez. Dolayısıyla dalgayı ölçüp parçacık olarak gördüğünüzde dalganın geçmişini değiştirmezsiniz; çünkü o olasılık dalgası olup geçmişi yoktur. Denizdeki dalgaların bile geçmişi var ama kuantum dalgalarının yoktur. Garip değil mi?
Peki ölçümden sonra artık gerçekleşmeyecek dalga fonksiyonu çözümlerine, hiç görmeyeceğimiz alternatif dalgalara ne olur? Sean Carroll gibi kuantum fizikçilere sorarsanız bu dünyada gerçekleşmeyen her olasılığın görüldüğü paralel evrenler vardır. O erkekle değil de çocukluk aşkınızla evlendiğiniz dünyalar var örneğin… Paralel evrenlerle iletişim kurmayı daha geçenlerde yazmıştım; ama kuantum silgi deneyini en iyi açıklayan fizikçilerden biri Sean Carroll’dur. Gerçi o da çoklu dünyalar teorisine destek olsun diye yaptı ama kuantum silgi yorumu doğru. Öyleyse kuantum silgiden ne öğrendik?
İlgili yazı: Dikdörtgen galaksiler nasıl oluşur?
Kuantum fiziği silgiden daha gariptir
Öncelikle çift yarık ve güya ondan farklı olan kuantum silgi deneyinden çok daha garip olan bir deney var. Bana göre en garip kuantum deneyi kuantum bombadır ve onu da blogda yazdım. Toparlarsak kuantum fiziği gariptir ama bazı fizikçilerin inanmanızı istediği kadar garip değildir. Teorik fizikçiler de üstün güçlere sahip bir kabal değildir. Okuyup çalışan herkes teorik fizikçi olabilir. Bizim de Profesör Serkant Ali Çetin gibi çok değerli hocalarımız var ki siz de fizikçi olun! Bir ülke teknolojiyle kalkınır ama teknoloji temel bilimlere çalışarak gelişir. Bana inanmayan CERN parçacık hızlandırıcısına baksın. Evet arkadaşlar, seviyorsanız okuyun bence ve teorik fizikçi olun. Gelecek yazıda görüşmek üzere bilimle ve sağlıcakla kalın. 😊
1Classical model of delayed-choice quantum eraser
2A Delayed Choice Quantum Eraser
3Demystifying the Delayed-Choice Quantum Eraser
