Başlamadan şunu söylemem gerekir: Büyük çoğunluk kuantum deneylerinin izole bir ortamda yapıldığını söylemez -ya bilmediğinden ya da bilse de bunun öneminin ne olduğunu bilmediğinden dile getirmez- veya bunun üzerinde durulmayıp göz ardı edilir. Hâlbuki bu önemlidir, aksi hâlde -deneylerden çıkan sonuçların insanı çıldırtması yetmezmiş gibi bunun bilinmemesi de- insanların kafasını karıştırabilir. Bu kuantum deneyleri (altta art arda verdiğim Çift Yarık, Gecikmiş Seçim ve Gecikmiş Seçimli Kuantum Silicisi deneyleri) izole ortamlarda yapılır yani deneyin yapıldığı yer, tüm aletler, parçacıklar da dâhil ve diğer her şey yalıtılmıştır, bu yüzden bu deneyler normal evrende geçerli değildir, çünkü evrenin tamamı parçacıklarla (yani gözlemci ve gözlenenlerle) dolu olduğu için durmadan (anbean, domino etkisi gibi) bir çökme yaşanır. Ama deney sonuçlarında görülenlerin -deneylerin izole olmasından ve normal evrendeki çökmeden ötürü- normal evrende görünmemesi, bunların önemsiz olduğu anlamına gelmez, tam tersine evrenimizin temeli kuantum olduğu için bize evrenimizin “ne olduğuna (neliğine)” dair çok güzel cevaplar (ipuçları) verir. Bunlar da bizim çıldırmamıza sebep olur![1]
Kuantumda “Çift Yarık” deneyinin ne olduğuna bakalım. Alttaki figür 1c’de bir foton fırlatma makinesinden ekrana -açık bir fener gibi- ışık tutulmaktadır. Ortada da iki tane açık aralığı (yarığı) bulunan bir bariyer (engel) vardır. Normalde ışık demeti bu yarıklarından geçip aşağıdaki figür 1b’nin ekranındaki (veya figür 2b’deki) -noktalardan oluşan aydınlık iki şerit- gibi bir görüntü olması beklenir. 2b, 1b’deki ekranın büyük görüntüsüdür. Elbette yarıklar arası mesafe, yarıkların eni-boyu, yarıkların şekli vs. gibi özellikler, ekranda hangi görüntü oluşursa oluşsun bundan etkilenir, o yönde olur ama bu, sonucu (sonuçları) değiştirmez. Tek yarık olsaydı figür 1a’daki gibi olurdu. Figür 1a, 1b ve 1c’deki ekran görüntülerindeki veya bunların büyük-net olarak 2a, 2b ve 2c’deki (tıpkısının aynısıdır) noktaların her biri foton parçacıklarının ekranda bıraktığı izlerdir. Figür 1b’ye (2b) geri dönelim, normalde ışık o iki yarıktan geçtiğinde ekranda (1b-2b) noktalardan oluşan aydınlık iki şerit gibi bir görüntü olması beklenir. Fakat ışığın en küçük yapı taşı olan foton, olasılık dalgası (kuantum dalga fonksiyonu) özelliği gösterdiği için figür 1c’nin ekranındaki (veya 2c) gibi bir “girişim” deseni oluşmaktadır. Bunun sebebi yarıklar ve ekran arasında tek tek fotonların olasılık dalgalarının birbiri ile etkileşmesidir. Olasılık dalgaları, kuantum ölçme probleminden dolayı gözlemlenemez ama “var” olduğu kabul edilir. Bu etkileşimi beynimizde canlandırmak adına (örnek her ne kadar gerçek ve hatta gerçeğe yakın olmasa da) su dalgaları -mecburiyetten- verilebilir.
Bir su dalgası arka arkaya (yüksek) tepeler ve (derin) çukurlardan oluşur. İki su dalgasının birbirine doğru gelmesini sağlarsak tepeler kesiştiğinde -birbirine kavuştuğunda- orada bu iki tepenin yüksekliğinin toplamı kadar suyun yüksekliği artar, çukurlar kesiştiğinde ise bunların toplamı kadar suyun derinliği artar, tepe ve çukur karşılaştıklarında ise hangisi daha fazlaysa -bu fazlalık kadar- suyun o bölgesinde yükseklik veya derinlik oluşur, eğer tepe ve çukurun boyları eşitse birbirbirlerini tam olarak götürürler ve suyun o noktası dümdüz olur. Bu durum “madde”nin (veya her ne ise o “şey”in) olasılık dalgasının “somut” olarak bir parçacık şeklinde çökmesinin “sözde (güya)” bir benzerliği gibi düşünülebilir (yazı ilerledikçe burada ne demek istediğimi anlayacaksınız).
Figürleri yapan: Alper Çadıroğlu
(bk. sonnot 242) (bk. Figür Kaynakları, Figür 42-47)
Figürleri yapan: Alper Çadıroğlu (Noktalar tek tek atılmıştır.)
(bk. sonnot 242) (bk. Figür Kaynakları, Figür 42-47)
Şimdi deneye geri dönelim. Bir fotonun olasılık dalgası da su dalgasındaki tepeler ve çukurlara sözde benzerdir. Figür 1c-2c’den devam ediyoruz. Yarıklara tutulan ışık demetindeki foton parçacıklarının her biri yarıklara geldiği anda iki tane olasılık dalgasına ayrılır ve tüm bu foton parçacıklarının olasılık dalgaları -bir ölçüm cihazı olan- ekrana gidene kadar -su dalgalarında olduğu gibi- birbirleriyle kesişir, bu kesişmelerle ekrana ilerler, ekrana çarptıkları sırada -ki burada ölçülmüş oluyorlar ve bu yüzden de olasılık dalgaları çöktüğünden parçacığa dönüşüyor- tepeler kesişiyorsa o noktada ekran aydınlanır -kesişen tepe yükseklikleri ne kadar fazlaysa aydınlık şiddeti de o kadar artar-, çukurlar kesişiyorsa da yine o noktada ekran aydınlanır -kesişen çukur derinlikleri ne kadar fazlaysa aynı şekilde aydınlık şiddeti de o kadar artar-, fakat tepe ve çukur kesiştiklerinde ne kadar birbirlerini götürürse ekranın o noktası da o kadar az aydınlanır (veya o kadar karanlığa yakın olur), tam olarak götürürse -yok ederse- de o nokta karanlık kalır. Burada “aydınlık şiddeti” ve “karanlık”tan kasıt olasılıktır: Aydınlık şiddeti fazlaysa beliren parçacık o noktayı daha fazla aydınlatıyor değil veya aydınlık şiddeti azsa daha az aydınlatıyor değil yani ekranda farklı noktalarda iz bırakarak beliren parçacıkların bıraktığı bu iz noktalarının bazısı daha fazla aydınlık, bazısı daha az aydınlık diye bir şey yok -üst üste binen noktaların kesişimleri bize oraların daha çok aydınlık gibi gözükmesini sağlar ama bunun konumuzla alakası yok, devam edelim- yani o tüm farklı noktaların opaklığı aynı; sonuçta -örnekte- aydınlık şiddetinin arttığı yerlerde fotonun belirme olasılığı artıyor, tersinde azalıyor, yine örnekte tepe-çukurun tam olarak birbirini götürmesiyle o nokta karanlık olur demek, fotonun o noktada belirmesinin olasılığı en düşük demektir ama hiç yok değil, o noktada da çok düşük ihtimalle belirebilir. Açıklamadan önceki kaldığımız yerden devam ediyoruz, bu sayede ekranda figür 1c’de (2c) gösterilen -noktaların birleşmesiyle aydınlık ve karanlık şeritlerden oluşan- bir girişim (ışık güç) deseni oluşur. Noktaların fazla olduğu yerler aydınlığa, az olduğu yerler karanlığa yakındır. Ekrandaki desen şu şekilde oluşur: “Foton”lar olasılık dalgaları hâlinde ekrana ilerlerken, ekrana çarptıklarındaki “kesişme anı”nda -ekranla etkileşime girdikleri için çöküp- parçacığa dönüşmüştür veya o anda bir ışık çakımı olarak ekranda iz bırakmıştır. Fotonlar ekrana çarpmadan önce onu ölçen bir şey olmadığından o olasılık dalgaları hâlindedir (kısaca dalgadır da diyebiliriz), ekrana çarptığı an parçacık olur (1c-2c).
Dikkat! Ölçüm yani çökme işlemini gözlemci (izleyen veya gözleyen) yapar, ama burada gözleyeni sadece insan olarak düşünmeyin, bu büyük bir hatadır, çünkü her cisim proton, nötron, elektron ve (veya) foton gibi parçacıklardan oluştuğu için her bir şey hem gözleyendir hem de gözlenendir, kuantum deneylerinin izole ortamlarda yapıldığını da unutmayın, normal evrenin tamamı izole olmadığından -olamayacağından çünkü evrenin tamamı parçacıklarla doludur, örneğin evrenin her yeri Büyük Patlama’dan arta kalan fon ışınımı fotonlarıyla doludur- yani evrenin tamamı gerek fotonlarla gerekse de diğer tüm parçacıklarla dolu olduğundan çökmüş bir durumdadır ki zaten aksi olsaydı evren diye bir şey olmazdı. (Şu anda evrenin her metreküpünden ∼400 milyon tane fon ışınımı fotonu geçer, ∼55 milyon da nötrino geçer.)
Deneye geri dönecek olursak deney sonucu bize şunu gösterir: Foton hem “dalga”dır hem de “parçacık”tır [Tamamlayıcılık ilkesi, Niels Henrik D. Bohr (1885-1962)]. Ekran aslında bir ölçüm cihazıdır. Ekrana çarpmakla ölçülmüş olur, bu sayede parçacık olarak görünür (bilinir) duruma gelir.
Dikkat! [Konu dışı olsa da -veya içi mi (?)- bu paragrafın nerede duracağını bilemedim ama yazmam gerektiğini düşündüm.] Herhangi bir parçacığı gören yok, yani parçacığı parçacık yapanın veya parçacığın özünün veya parçacığın kendisinin ne bir resmini ne de bir görselini hiçbir yerde bulamazsınız, zaten yoktur, bu yüzden fizikte parçacıklar “sıfır boyut”lu birer “nokta” olarak kabul edilir, yani ne kütlesi ne hacmi ne de başka bir şeyi vardır, zaten bunları da etrafıyla etkileşmesiyle sözde (dolaylı olarak) kazanırlar, bizler parçacığın sadece bıraktığı çeşitli etkileri-izleri ölçeriz, deneyimleriz, bu yüzden de parçacığın bıraktığı izlerden, etrafında oluşturduğu etkilerden dolayı, şuradadır veya buradadır, deriz. [Kuantum kuramı “atom altı parçacıkların (elektronlar, protonlar ve nötronların) küçük bilardo toplarından ziyade, soyut özellik demetleri gibi davrandığını ortaya koydu”.]
Kuantum deneylerinde foton kullanımı daha basit olduğundan çoğunlukla foton tercih edilir ama bu deneylerde proton, nötron, elektron vs. de -yani evrendeki bütün parçacıklar da- (yani her şey) hem dalga hem de parçacık olduğundan -bu iki özelliği birden gösterdiklerinden- bu ve diğer kuantum deneylerinden çıkan sonuçlar aynen onlar için de geçerlidir, yani bu deneylerde onlar da kullanılmıştır ve aynı sonuçlar alınmıştır.
Gönderilen ışığı (foton parçacıklarını) azalttığımızı düşünelim. İstediğimiz kadar azaltalım, hatta 5-10 tane fotonlar hâlinde göndersek bile figür 1c’deki (2c) gibi yine bir girişim deseni oluşur. Peki, art arda birer tane (yani tek tek) foton gönderirsek ne olur? Girişim deseni oluşur mu? Cevap, evet oluşur! (Parçacıkların tek tek gönderilmesi arasındaki geçen sürenin bir önemi yok, herhangi bir süre olabilir.) Yukarıda birbiriyle kesişen olasılık dalgalarını gördük, ama burada kesişecek dalga yok, diye düşünebilirsiniz, yanlış düşünürsünüz, zaten üstte de ipuçlarını verdiğimiz üzere o tek foton parçacığı yarıklara geldiğinde iki tane olasılık dalgasına ayrılır ve iki yarıktan aynı anda geçer, bu iki olasılık dalgasını da tepeler ve çukurlardan oluşan su dalgaları gibi düşünün, bu dalgalar ekrana doğru ilerlerken ekrana çarptığı anda herhangi bir kesişme noktasında çöküp birden belirir, bu belirme de -olasılıksal olarak- “tesadüfen (şans eseri, rastgele)” olur. Zaten ışık demeti olarak gönderildiğinde de bunun aynısı olmaktadır. Yani foton, kendi olasılık dalgalarıyla etkileşerek ekranda çöker, belirir. Bu belirmelerin toplamı da girişim desenini oluşturmuş olur veya yeteri kadar parçacık gönderildiği zaman bu belirmelerle o girişim deseni de zaten oluşmuş olur.
Evrendeki parçacıkların olasılık dalgası -yani bir fotonun ya da herhangi bir parçacığın olasılık dalgası (veya kuantum dalga fonksiyonu)- o parçacığın aslında evrenin her yanına (her tarafına) yayıldığını gösterir. Belirli alanlarda belirme (ortaya çıkma veya görülme) olasılığı daha fazladır -buna “dağınım (decoherence)” denir, zaten bu yüzden Güneş, Dünya, insan gibi makro cisimler olduğu yerde “durur” değil de durağanımsıdır-. Fakat bu olasılık evrenin tamamıdır. Yani evrendeki herhangi bir “parçacık” herhangi bir an (parçacıkların etkileşmesiyle veya gözleyen-gözlenen etkisiyle çöküp) “tesadüfen” evrenin herhangi bir yerinde ortaya çıkabilir, belirebilir (Evrenin tamamına devasa bir ekran dersek parçacıklar da o ekrandaki filmi oynayan oyunculardır, diyebiliriz, sevdim bu sözümü.). Sadece deney için söyleyecek olursak deney izole olduğundan bu olasılık dalgası (%50 olarak) iki tane yarıktan birden geçerek ikiye bölünür ve “kendisiyle” etkileşerek ekranda olasılıklar (tesadüfler) sonucu bir girişim deseni oluşturur.
Bir foton veya bir parçacık ölçülmeden önce her yerde olabilir, ama ölçüldüğü anda dalga fonksiyonu (olasılık dalgası) çöker, insanların laboratuvarlarda yaptıkları ölçümler de bir ölçme olduğundan bu ölçümlerde bir parçacık, ölçüldüğü anlarda hep aynı noktada belirmez, her ölçüldüğünde farklı noktalarda belirir. Bu da bize kuantum dünyasının “belirsiz ve olasılıksal” olduğunu gösterir.[2]
Şimdi de Çift Yarık deney sisteminde -bu sefer- elektron yollayıp başka bir deney yapalım. Sistemde bir tek elektron yollandığında iki yarıktan geçer, ama yarıklara el feneri tutulduğunda elektron tek yarıktan geçer (çünkü elektron, elektron-foton parçacık etkileşmesiyle çöker). Ardı ardına (tek tek) elektron yollayalım. Fenerin de pili azalsın, yani ışığı gittikçe azalsın. Elektronlardan kimi dalga özelliği kimi de parçacık özelliği gösterir. Çünkü şiddeti azalmış -yani foton sayısı azalmış- fenerden çıkan fotonlar elektrona bazen çarpar bazen çarpmaz. Foton elektrona çarptığında elektron, parçacığa dönüşür, yani tek yarıktan geçer; çarpmadığında elektron, dalga olarak kalır, yani iki yarıktan aynı anda geçer. Dikkat! Ayrıca kuantumda bir parçacığın “aynı anda iki farklı yerde” göründüğü kanıtlanmıştır.[3]
Kaynaklar
[1] age., s. 148-151, 225, 248, 253, 255-261, 613.
[2] age., s. 21, 102-151, 192, 204, 213, 218-224, 226, 227, 230-233, 242, 244-248, 250-264, 310, 311, 344, 371-376, 386, 387, 389, 398-405, 408, 417, 421-424, 426, 427, 432, 433, 451, 452, 514, 516, 520, 532, 547, 549, 567-570, 588, 593, 599-603, 608, 611, 612, 613, 619, 620, 624, 626, 628, 633, 635-638. (Bu sonnot -yani üstteki bu sayfalar-, bu kitapta kuantum adı geçen tüm yerleri de ayrıca -ayrıyeten olarak- kapsamaktadır.) (“atom altı parçacıkların… küçük…” alıntısı, Jim Holt, age., s. 218.)