Kuantum fiziğinde kullanılan matematiksel ifade ve denklemlerin fiziksel karşılıklarının ne olduğunu bilmediğimizi hatırlayalım. Matematik kısmında kuşku kalmamış, trilyonda bir hassasiyetle işleyen denklemler söz konusu. Ancak elde edilen sonuçların yorumlanması ihtiyacı doğmuş. Yorumlama ile kast edilen; örneğin dalga fonksiyonu neyi temsil ediyor fiziksel hayatta ya da diğer matematik değerleri neyi temsil ediyor? (Yorumlar, çift yarık deneyini açıklamaya da yaradığı için aşağıda çift yarık deneyi ile ilgili uyarlamalara da rastlayacaksınız.)
Kuram ortaya çıktığından beri on/on beş civarında farklı yorum yapılmış ancak çoğu problemli olduğundan temel olarak dört yorum bugüne kalmış. Şu anda herkes tarafından kabul gören bir yorum yok, bazı fizikçiler bir yoruma bazıları diğerine yatkın olabiliyor.
- Kopenhag Yorumu
- Everett Yorumu (Çoklu Evrenler)
- Kuantum Bilgi Kuramı Yorumu
- Pilot Dalga Yorumu (De Broglie-Bohm Yorumu)
Bu dört temel yorumda da –Pilot dalga kuramı yorumunda gelen ek bir denklem dışında- matematiksel yapı aynıdır. Bir fizikçi kuantum fiziğini kullanarak bir cihaz yapmaya çalışıyorsa yorumları düşünmeden işini yapabilir ancak kuramı geliştirmek, yeni öngörüler üretecek şekilde genişletmek isterse “gerçekte ne olduğu” meselesi yoluna çıkar ve yorumlar önem kazanır. Laboratuvarlarda farklı yorumları benimsemiş pek çok fizikçi yan yana aynı amaca yönelik olarak birlikte çalışabiliyor, makale üretebiliyor, üzerinde konuşmamışlarsa hangi yoruma yatkın olduklarını bile bilmiyorlar.
Çeşitli fizikçiler, doğru yorumlamanın bir kez ortaya çıktığında her şeyin apaçık görünebileceğini iddia etmişler, henüz oraya ulaşmadık. Herkesi tatmin edecek bir yorum ortaya çıkana kadar da yorum tartışmaları sürecek gibi görünüyor.
KOPENHAG YORUMU
Kuantum kuramı denince akla gelen, Kopenhag Yorumu. Kuantum mekaniği hakkında okullarda öğretilen, ders kitaplarında yazılanlar büyük ihtimalle Kopenhag yorumuna ait. Ben de önceki bölümleri yazarken Kopenhag yorumunda geçen kavramları mutlak doğrular gibi ele aldım bazen. (Bütün başarılarına rağmen Kopenhag Yorumu tamamen doğru diye bir şey söylenemez ancak yanlış olduğuna dair bir bulgu da yok.)
Kopenhag, Bohr’un yaşadığı yer; kuvvetli bir kişiliği varmış ve fizikçileri etrafında toplamış Bohr. Yorum da, Bohr ve Heisenberg öncülüğünde olan ekibe ait. Kabaca özellikleri şöyle:
- Kopenhag yorumunun temelinde dalga fonksiyonunun olasılık yorumu yatar: Dalga fonksiyonu (Ψ) kendi başına bir anlam ifade etmez. Fiziksel olarak ölçülebilir bir niceliğe karşılık gelmez. Bir ölçüm sonucu belirli bir değeri elde etmenin olasılığı |Ψ|² ile verilir. Doğanın betimlenmesi kuantum mekaniğinde olasılıksaldır, olasılık ve ona bağlı olan belirsizlikler doğanın özünde bulunur. Sistemin durumunu tam olarak ölçemeyiz, gelecekte ne yapacağını da tam olarak kestiremeyiz, ama farklı sonuçların olasılıklarını kestirebiliriz.
- Makroskopik sistemler klasik fizik kuralları, mikroskopik sistemler ise kuantum mekaniğinin ilkeleri ile değerlendirilmelidir.
- Dalga fonksiyonu sistemin belli bir noktada değil, bölgede olduğunu söyler. Yani elektron parçacık olarak kaynaktan çıkıyor ancak aynı zamanda bir potansiyeller dalgası olduğu için yarıklara ulaştığında her ikisinden de aynı anda geçerek kendisi ile girişiyor ve ekranda girişim deseni oluşturuyor.
- Gözlemler dalga fonksiyonunu çökertir. Bir niceliği gözlemek üzerine ışık tutmak anlamına gelir ve elektron, foton ile etkileşebilecek kadar küçüktür. Bu etkileşim sonucu dalga fonksiyonu özelliğini kaybeder ve sadece parçacık özelliği gösterir.
- Ölçüm (çökme): Sistemi geri dönülemez şekilde değiştirir. “Dalga fonksiyonu indirgenmesi” olarak anılır ki Bohr bunu yeni bir tür fiziksel aksiyom olarak kabul etmiştir. Bohr, pragmatik olarak; “Ölçüm özel bir durumdur, ölçülen parçacığın özelliklerini sabitleyen tek şeydir; ölçüm dışında bu özellikler tanımlı değildir,” der. Buradan, maddenin ölçüm dışındaki varlığının kesin olmadığı, hatta bu sorunun hiçbir şekilde ele alınamayacağı sonucu çıkarılır.
Kopenhag Yorumuna Eleştiriler
Dalga fonksiyonu indirgenmesi (çökmesi) nasıl olur, mekanizması nedir? Kopenhag yorumu bu indirgenmenin olasılıklarını verir ancak mekanizmasına dair bir şey söyleyemez. Sayısı prensip olarak sonsuz olan tüm bu durumlardan (bileşenlerden) hangisine çökeceğine doğa nasıl karar veriyor? Tek bir büyüklük, tek bir durum, ama hangisi? Bu soruyu yanıtlamayı reddediyor Kopenhag yorumu; tamamen rastlantıya bağlı diyor.
Dalga-parçacık ikiliği bu yorumda elzemdir ancak bunun nasıl olduğu sorusuna cevap verilmez, bir fenomen olarak ele alınır ve o şekilde “iş” yapılır.
Evren, makroevrenden ibarettir; ölçümden önceki kuantum mekaniğinin geçerli olduğu mikroevreni göz ardı eder, felsefesine girmez sadece matematiğine ve deney sonuçlarına bakar. “Gerçeklik, onu ölçmeden önce yoktur,” der. “Önceden ne vardı,” sorusu sorulamaz, kuram buna izin vermez ve “soru anlamlı değildir” der. Sadece ölçüm sonucu bulunanlar gerçek kabul edilir. Bunun dışında gerçek hakkında hiçbir şey söylenemez. Kopenhag yorumuna göre elektron gibi kuantum varlıklarının siz onlara bakmıyorken ne yaptıklarını sormak anlamsızdır. Yani biz ölçmeden önce “elektron belki şurada” belki de atom çekirdeğinin sağında” gibi ifadelerin de anlamı yok; elektronun yeri ölçmeden önce belli değildir ve bu belirsizlik doğanın yapısında var.
Kafasında soru işareti olan varsa da, ilke net: Kapa çeneni ve hesaplamana devam et.
(Not: Zamanında ölçmenin/gözlemcinin sonuca etkisi fark edilince “bilinç”in dalga fonksiyonunu çökerten şey olduğunu öne sürenler olmuş ancak bilincin ortak kabul görmüş bir tanımı olmadığı gibi nasıl oluştuğunu bilmiyoruz. O nedenle havada kalıyor bu fikirler.)
ÇOKLU EVRENLER YORUMU
Dalga fonksiyonu indirgenmesi yani “çökme” diye bir şey olmadığını söyler. Her olasılık birbirinden bağımsız, paralel olarak vardır, her olasılık aynı derecede gerçektir, der. Everett, “Gerçek, teoriye uymalı ve tek olamamalı” demiş ve her olasılığa bir evren fikri doğmuş. Ancak bu paralel evrenleri gözlemleyemeyiz. Gerçekleşen şey durum çoğulluğunun (olasılıkların) tekilliğe indirgenmesi değil, tüm olası durumların ayrık evrenlerde teker teker gerçekleşmesidir. Elektronun nerede olduğuna baktığınızda dalga fonksiyonu çökmez ama gözlemci de dahil tüm evren bölünür. Üst üste binme durumları aslında çoklu evrenlerdir. Evren, kuantum dünyasında ne zaman seçim yapmak durumunda kalınırsa, kaç tane alternatif kuantum durumu varsa o kadar parçaya bölünür. Bu yorum sayesinde olasılık yorumundan kurtulunmuş (sonsuz sayıda paralel evren gibi bir detayı kabullenmek koşuluyla). Onca paralel evren aralarında iletişim kuramayacağına göre ispatlama zorunluluğu da yok. Kulağa epey radikal gelen çoklu evrenler yorumu tutarsız değilmiş; matematiksel olarak bu yorum mümkün olduğundan hala bununla uğraşanlar varmış. Benden ırak olsunlar 🙂
Çoklu Evrenler Yorumuna Eleştiriler
En temel eleştiri “Bu yorum, bilimin tanımı içinde mi?” konusunda. Bilim, “3000 yıl sonra, şu gözlem aleti keşfedilince kanıtlanacak” denilen bir hipotezi kapsamaz. “Varlığı fiziksel yöntemlerle sınanamayan evrenler ve süreçler bilimsel sayılabilir mi?” şeklinde de soruluyor bu soru. İşin ilginci bu soruları genelde felsefeciler soruyormuş. Bilim adamları ise anladığım kadarıyla matematiğe çoktan paçayı kaptırdığından matematiksel olarak mümkün olan her durumu kabullenmeye alışmışlar galiba.
Ayrıca derler ki bu yorumu savunan yüksek bir meblağ karşılığında Rus ruleti oynasın, çünkü bu paralel dünyalardan birinde çok zengin olarak hayatta kalacağı kesin.
KUANTUM BİLGİ KURAMI YORUMU
Einstein kuantum mekaniğinin olasıcı yapısını kabullenemeyince onu düzeltmek için bir düşünce deneyi önermiş ancak geçen yıllar, Einstein’ı haksız çıkarmış ve “dolanıklık” adı verilen bir kuantum olayı deneylerle kanıtlanmış. Einstein yanılmış olsa da bu çabaları boşa gitmemiş, 1981’de Alain Aspect tarafından dolanıklığın ilk deneysel gözlemlerinin yapılması “Kuantum Bilgi Kuramı” denilen alanın önünü açmış. Kuantum bilgisayarlar, kuantum kriptografi, kuantum ışınlanma vb. kökenini bu insanların çalışmalarına borçlu. Dolanıklık kavramı ile başlayan Kuantum Bilgi Kuramı kısa zamanda başlı başına kuantum fiziğinin bir dalı haline gelmiş hatta kendi matematiksel yapısını oluşturmuş.
Bu yorumda enformasyon (bilgi) fiziksel analizin temel birimi olarak ele alınır; belirsizlik ilkesini yine benimsiyor ama artık temel birim enformasyon olduğundan ötürü enformasyonun “gerçekliği”yle alakalı bir problem görmüyorlar. Yani gerçekçilik problemini de kuantum mekaniğini gerçekçilikten koparan fiziksel gerçeklik tanımını değiştirerek çözmüşler.
Eleştiri: Burada da ölçümden önce olası olan diğer durumlara ne olduğunu soramıyorsunuz; tatmin edici bir cevap yok.
PİLOT DALGA YORUMU (BOHMIAN MEKANİK)
En gariban, en çok görmezden gelinmiş, tarih içinde en dışlanmış olan yorum bu. Oysa kuantum mekaniğinin matematiğini de genişletme potansiyeli en fazla olan yorummuş.
De Broglie-Bohm yorumu olarak da geçiyor. Bu yorum; matematiğin büyüsüne kapılmadan, objektif fiziksel gerçekliklere uygun olarak geliştirilmiş.
Yukarıdaki üç yorumda da dalga-parçacık ikiliği mikroevrendeki fiziksel nesnelerin bazen parçacık gibi bazen de dalga gibi davranması yaklaşımıyla çözülür. Oysa bu bize mikroevrendeki fiziksel nesnelerin ‘ne’ olduklarına dair açık bir cevap vermez. Pilot dalga kuramıysa burada farklı bir çözüm önerisi sunar ve mikro/makro fark etmeden tüm evrende parçacıkların parçacık, dalgaların ise dalga olduklarını söyler. Boyutlar küçüldükçe dalga-parçacık etkileşimi daha önemli hale gelir ve aslında her parçacığa bir dalga yol göstericilik yapar. Parçacığın hareketleri dalgayı, dalganın hareketleriyse parçacığı etkiler.
Dolayısıyla elimizde birbirine bağlı iki değişken vardır ve iki değişken tek denklemle çözülemez. Bu nedenle de pilot dalga kuramında kuantum mekaniğinin bel kemiğini oluşturan Schrödinger denkleminin yanında bir de yol gösterici dalga denklemi kullanılır.
Çift yarık deneyi için: Pilot dalga her bir yarıktan geçer ve burada parçacığın dalgaların yapıcı girişime sahip olduğu ve yıkıcı girişime sahip olmadığı yerlere çekildiği bir girişim deseni oluşturur.
Eleştiri: Ancak pilot-dalga kuramında yol gösterici dalganın yerelliği yoktur, tüm evrene yayılır ve tam bilgiye sahiptir. Yani bu yorum da tüm evrene yayılan bir değişkeni gerektiriyor. Yine de bununla da uğraşanlar ve geleceğini parlak görenler var.
Yorumlar böyle. Hangisi doğru bilemiyoruz, bunlar sadece yorum, gözlemlenen sonuçları açıklamak için getirilmiş yaklaşımlar; teori değiller ve deneyler yaparak onları ayırt etme şansımız yok şimdilik. Bir gün aralarından birini öne çıkaracak deneyler yapılana kadar da aralarındaki farklar felsefi düzeyde kalacak çünkü matematik açısından durum fark etmiyormuş.