Kategori: 1. Kuantum Fiziğini Neden Anlayamayız?

1. Kuantum Fiziğini Neden Anlayamayız?

Bilim tarihinde eşi görülmemiş bir durum var, yüz yıldır süren bir tuhaflık; kuantum fiziğinde kullanılan matematiksel ifadelerin gerçekte fiziksel olarak neye karşılık geldiğini bilmiyoruz. Yazıda kuantum fiziğinin ortaya çıktığı süreçte bilim adamlarının psikolojine, kuramın yüz yıldır tartışmalara konu olan “acayipliklerine” değineceğim.

Yazıyı 9 parçaya ayırdım. Hepsi bu yazıda site içi bağlantılarla mevcut.

“Kuantum mekaniği” kuramın matematik olarak ifadesidir, hesap kitap kısmıdır ve benim anlamam mümkün değil, sıkı bir matematik bilgisi gerektirir. Ancak “kuantum fiziği”ne benim gibi sıradan insanların kavramsal olarak yaklaşması, felsefi sorgulamalar yapması mümkündür.

Kuantum dünyasındaki garipliklere fizikçiler alışsa da kuramın halk arasında gizemli, mistik bir havaya bürünmesine engel olmadı. Ama önce sözünü etmeyeceğim şeyleri netleştireyim. “Dut hasırı”ndan bahsetmiyor bu yazı. 2. Nedir dut hasırı?

KUANTUM KURAMINA NEDEN GÜVENİYORUZ?

Bilim tarihinde şu ana kadar, bu denli kusursuz işleyen, bu kadar kesinlikle sonuç veren ve sonuçları bu kadar fazla alana uygulanan başka bir teori var olmadı. Kuantum mekaniği binlerce kez kanıtlanmıştır.  Kuantum mekaniğini yanlışlamak için yapılan çok hassas deneyler de henüz onun yanlış olduğunu ispatlamış değildir.  Kuantum kuramı olmasa; güneşin neden parladığını, gökyüzünün neden mavi olduğunu, neden masanın üstünde duran kitapların yere düşmediğini, kimyasal reaksiyonları, radyoaktiviteyi, atomların sabitliğini vb. yüzlerce, binlerce olayı açıklayamayız. Bilim insanları teoriye her alanda hakimler, onu uyguluyor ve araştırıyor, oradan elde edilen bilgileri işe koşuyorlar. Sonuçları kuramın öngörüleriyle uyan deneyler yapıyorlar. Katı fiziği, nükleer fizik, parçacık fiziği, elektronik, kimya  uygulama alanlarının başlıcaları.  Yine hiçbir teori bu kadar fazla teknik uygulamanın kapısını açmadı. Bilgisayar, lazer, transistörler gibi mekanizmalar bu modelin uygulamaları. (Transistör denen şey insanlık tarihinin en önemli buluşlarından ve bilgi ve iletişim çağının temel elemanı, kullandığımız elektronik aletlerin hepsinde bolca mevcut.) Aşırı hassas atomik saatler, kırılamayan kodlar, süper güçlü bilgisayarlar, gelişmiş mikroskoplar, DNA’nın yapısı kuantum olgularının bulunduğu yerler. Aslına bakarsanız bugün hayatımızdan kuantum fiziği sayesinde elde ettiklerimizi çıkarsak dımdızlak kalırız.

O HALDE SORUN NE?

Her fizik kuramı matematiksel bir çatı üzerine kuruludur. Bu yalnızca fiziğin, niceliğin işin içine
girdiği her bilim gibi, sayıları kullanmasından kaynaklanmaz. Daha önemlisi, her fiziksel
kavramın matematiksel bir karşılığı olması gerekir. Uzay, zaman, konum, enerji, kütle, hız gibi
fiziksel terimlerin her birinin bir matematiksel temsili vardır.

Kuantum fiziği ile uğraşan birisi hesaplamalarını yaparken hiçbir sorun yok. Ancak yaptığı iş hakkında, kullandığı matematiksel formüller için “Gerçekte olan biten nedir, ben ne ile uğraşıyorum?” sorusunu sormaya görsün. Bu sorunun yüz yıldır net bir cevabı yok.

Durum şuna benziyor;  bir evladınız var, okula gidiyor, derslerine çalışıyor, spor yapıyor, arkadaşlarıyla buluşuyor, oyun oynuyor, odasını topluyor, size sevgi gösteriyor, işlerinize yardım ediyor vb. Bir evladın ne yapması gerekirse yapıyor, hayatınızın her alanında var olan bir evlat. Tek sorun şu; evladınız bir insan değil, bir matematik formülü.

“Gerçekte neler oluyor?”  sorusu kuram ilk keşfedildiğinde çoğu kişi tarafından sorulmuş, defalarca uzun ve hararetli tartışmalar yapılmış o yıllarda. Ama bir sonuca ulaşmamış, bu arada kuram da meyvelerini vermeye devam edince, “üzümünü ye bağını sorma”  hesabı bir kabulleniş hakim olmuş fizik dünyasına. Bu yaklaşımı şöyle tarif ediyorlar, “Kapa çeneni ve hesaplamana devam et!” 

Ancak herkesi tatmin eden bir açıklama ortaya konamadığı için kuramın kavramsal yanına dair tartışmalar hiç bir zaman tam olarak bitmemiş.

NEDEN BÖYLE OLMUŞ?

Bilimde, daha önce bir kuram gelişirken tarihsel sıra şöyle işliyor; önce yorumlar ve kavramlar gelişiyor; örneğin elektrik yükü tanımlanıyor, artılı-eksili yüklerin hareketi inceleniyor, elektrik ve manyetik alan kavramı geliştiriliyor, bunlar arasındaki ilişkiler gözleniyor… Yani kavramlar gayet yerine oturmuş ve Maxwell de gelip kavramları bir araya koyarak elektromanyetik teoriyi oluşturuyor. Mekanik için de durum aynı: Neden “hız” değil de “momentum” kullanıyoruz, neden “ağırlık” değil de “kütle” tanımlıyoruz? Neden “kinetik enerji” ve “potansiyel enerji” tanımlayıp kullanıyoruz?  Çünkü tarih içinde bu kavramlar tek tek tanımlanıp doğru oldukları görülmüş ve iyice yerleşmişler. Newton da gelip bu kavramlar bütünü üzerinden kendi teorisini oluşturmuş.

Kuantum mekaniğinde ise bu sıra işlememiş; gelişmesi sırasında yerleşik kavramlar bütününden faydalanılamamış.  Pratikte karşılaşılan bazı problemleri çözmeye çalışırken, belli ilk kurallar -gözlemle uyduğu için- kabul edilmiş, fizikçiler o kuralları matematiğe uyarlamış, ortaya bir yığın veri çıkmış; hepsi de matematiksel olarak tutarlı, deneylere ve gözlemlere uygun.

Kuram, 1900’lerin başında ilk bulgularını veriyor, 1930’lara kadar Avrupa’nın çeşitli ülkelerinde fizikçiler tarafından geliştiriliyor. Göttingen, Kopenhag, Paris, Berlin, Cambridge gibi şehirlerdeki fizikçiler (Planck, Bohr, Born, Einstein, Schrödinger, Heisenberg, Jordan, Dirac, De Broglie…) güçlü matematiksel yöntemlerle kuantum mekaniğini geliştirmişler ki hangi probleme uygulansa öngörülebilen sonuçlar verir hale gelmiş. Matematik önden gidip fiziksel gerçeklikler arkada kalınca kavramsal ve felsefi sorunlar çıkmış. Kuramda Ψ(Psi) diye bir dalga fonksiyonu hesaplıyorsunuz ama bu Ψ dalga fonksiyonunun fiziksel olarak ne anlama geldiğini bilen yok. (Bu, kuramın gelişmesine de uygulanmasına da etinden/sütünden faydalanmamıza da engel olmamış, şimdiye kadar kuram sayesinde elde ettiğimiz her şey, “Kapa çeneni ve hesaplamana devam et!” düsturuna rağmen sağlandı).

Matematik önden gidip veriler birikince -1930’ların başında- “Ya, bu formüller ne demek acaba?” aşamasına gelince fark etmişler ki, o formüller, denklemler gündelik hayattaki mantığımıza uymuyor, acayip acayip şeyler oluyor mikro dünyada.  Kuramın yorumlanmaya ihtiyacı olduğuna kanaat getirmişler; bu da bilim tarihinde ilk, normalde bir kuramın bir tane yorumu olur çünkü. Ortaya 4-5 tane yorum çıkmış. Matematik formülü olan evlat benzetmesinden devam edersek, bir yorum diyor ki, senin evladın sarı saçlı mavi gözlü bir kız; diğeri hayır, senin evladın esmer, dalyan gibi bir delikanlı; diğeri senin sayısız evladın var, her biri birbirinden habersiz başka evrende yaşıyor vb. farklı farklı gerçeklik tanımları. Günümüzde çeşitli fizikçiler bu yorumlardan herhangi birine inanıyor, tek bir yorum üzerinde fikir birliği yok. Evladınızın neye benzediğini düşünmediğiniz, işlevine odaklandığınız sürece sorun da yok, neye benzerse bensesin “Bakkaldan iki ekmek al”deyince alıp getiriyor.

Kuramın nasıl geliştiğine ve ilerlediğine bakalım:

Kaynaklar