Belirsizlik ve Bilginin Sınırları

Atomlar Hakkında Bilmek İsteyeceklerimizin Tamamını Neden Hiçbir Zaman Bilemeyeceğiz ve Neden Bu Gerçek Atomları Olası Kılıyor

Kuantum topraklarının içlerine doğru ilerledikçe, yolcularımız birçok ilginç olaya daha tanık oldu. Bunlardan biri de, küçük kütleleri yüzünden nerede oldukları zar zor belirlenebilen kuantum sivrisinekleriydi.
George Gamow

Aklını kaçırmış olmalıydı. Gıcır gıcır Ferrari’sini daha az önce garajına park etmişti. Hatta garaj kapısı otomatik olarak kapanırken önünde bir süre dikilmiş, duyduğu gurur ve keyfi son anına dek yaşamak istemişti. Ardından çakıllı yoldan evine doğru yürürken birdenbire rüzgar çıktı ve zemin hafif şekilde sarsıldı. İstemdışı olarak, gerisingeri garaj yoluna doğru yürüdü. Ferrari ‘si kapalı olan garaj kapısının önündeydi! Bu türden Houdini tarzı kaçış olayları elbette ki gündelik hayatımızda görülmez. Öte taraftan ultra-küçük parçacıkların dünyasında, bu olaylar sürekli vuku bulan şeylerdir.

Bir an için, bir atomu mikroskobik bir hücrenin içine kilitlersiniz ve bir an sonra, kelepçelerini kırıp atarak sessizce gecenin içine doğru süzülmüş bir atomunuz olur. Kaçmanın olanaksız olduğu hücrelerden bu mucize kabilinden kaçma becerisi, mikroskobik parçacıkların, dalgaların yaptığı her şeyi yapabilmesine imkan tanıyan dalgasal yüzüyle bağlantılıdır. Ve dalgaların yapabildiği şeylerden biri de, geçilemez görünen engelleri aşıp geçmektir.

Bu, apaçık şekilde ortada olan ya da herkes tarafından bilinen bir dalga özelliği değildir. Fakat bu özellik, cam bir blokun içinde yol alan ve blokun dışına kaçmaya çalışan bir ışık huzmesiyle gözlemlenebilir. Burada önemli olan, cam blokun havayla birleştiği sınır noktasında ne olduğudur.

Işık bu sınıra, yani camın kenarına dar bir açıyla çarpacak olursa, tekrar cam blokun içine doğru yansıtılır ve havaya kaçma girişimi başarısızlıkla sonuçlanır. Işık görünürde cam blokun içinde hapistir. Öte yandan blokun hemen yanına (aralarında ancak dar bir hava boşluğu kalacak kadar uzaklıktaki bir noktaya) bir başka cam blok konulduğunda, bambaşka bir şey gerçekleşir.

İkinci blokun yerleştirilmesinin ardından, cama çarpan ışığın bir kısmı -ilk durumda olduğu gibi- geri yansıtılır. Ancak bu defa, ışığın bir kısmı da, bloklar arasındaki hava boşluğunu aşarak ikinci cam blokun içinde yoluna devam eder.

Garajından kaçan Ferrari ve cam bloktan kaçan ışık arasındaki paralellik çok net olmayabilir. Ancak pratikte, Ferrari için kapalı garaj duvarı nasıl geçilemezse, bloklar arasındaki hava boşluğu da ışık için aynı şekilde aşılamaz olmalıdır. Işık dalgasının, önündeki engeli aşarak cam bloktan kaçabilmesinin nedeni, dalganın belli bir yerde bulunan değil, uzayda yayılan bir şey olmasıdır.

Işık dalgaları camhava engeline saldırıp yeniden camın içine yansıtıldığında, çarparak yansıtıldıkları yer aslında camın kenarı değildir – camın ötesindeki havanın içinde kısa bir mesafe katetmektedirler. Dolayısıyla çıktıkları cam blokun içine tekrar dönmeden önce bir başka cam blokla karşılaşırlarsa, yollarına devam edebilirler. İlk cam blokun hemen dibine, aralarında ancak bir saç teli kadar boşluk olacak şekilde bir başka blok yerleştirin; ışık çoktan aradaki hava boşluğunu atlamış ve tutulduğu hücreden kaçmıştır bile!

Geçilemeyeceği düşünülen engelleri geçebilme yetisi, ışık dalgalarından ses dalgalarına ve atomlarla bağlantılı olasılık dalgalarına dek, tüm dalga türleri için geçerlidir. Dalgaların bu özelliğini mikroskobik dünyada görebiliriz. Bu konu üzerine verilebilecek muhtemelen en çarpıcı örnek, alfa parçacığının atom çekirdeği gibi kaçmanın imkansız olduğu düşünülen bir hapishaneden kaçabildiği alfa bozunumu olayıdır.

Çekirdekten Kaçış

Alfa parçacığı helyum atomunun çekirdeğidir. Kararsız -radyoaktif- bir çekirdek, kendisini daha hafif ve kararlı bir çekirdeğe dönüştürmek için umutsuz bir girişimde bulunarak dışarı bir alfa parçacığı tükürebilir.

Şu anda basit bir şekilde ortaya koyuyor olsak da, bu süreç bizim için ciddi bir bilmece durumunda. Çünkü bildiklerimizin ışığında, bir alfa parçacığının bulunduğu çekirdeğin içinden çıkamaması gerekiyor. Yüksek atlama dalında yarışan bir olimpiyat atletinin önüne beş metrelik bir engel konduğunu düşünün. Bu atlet dünyanın en iyilerinden biri de olsa, bu yükseklikteki bir çıtayı aşması imkan dahilinde değildir. Dünya üzerindeki hiçbir insanın bu denli yüksek bir engeli aşmasını sağlayacak derecede güçlü bacakları yoktur.

Atom çekirdeği içindeki alfa parçacığı da benzer bir durumla karşı karşıya sayılabilir. Parçacığı çekirdeğin içinde tutan engel, çekirdekteki nükleer kuvvetler tarafından oluşturulmuştur ve beş metrelik çıta bir atlet için ne denli aşılamaz durumdaysa, çekirdek içindeki engel de alfa parçacığı için aynı şekilde aşılamaz olmalıdır.

Fakat alfa parçacıkları atom çekirdeğinin içinden kaçabilmektedir. Ve çekirdeğin içinden kaçabilmeleri parçacıkların dalgasal yüzüyle bağlantılıdır. Cam bir blok içine hapsolmuş ışık dalgalan gibi, parçacıklar da önlerindeki geçilemez sanılan engeli aşarak sessizce dış dünyaya karışırlar.

Bu sürece kuantum tünellemesi (quantum tunnelling) denmektedir – alfa parçacıklarının atom çekirdeğinin içinden çıkabilmek için kendilerine bir tünel açtıkları söylenir. Kuantum tünellemesi aslında belirsizlik denilen ve mikroskobik dünya hakkında ne bilebileceğimiz ve ne bilemeyeceğimiz üzerine esas sınırı ortaya koyan, çok daha genel bir olayın tezahürüdür. Ve çift yarık deneyi belirsizliğin harikulade bir örneğidir.

Yorum Durumu: Yorum yok --- Kategori: Bilim --- Etiketler: , , , , , , ---

Çoklu Evren nedir?

Kuantum bilgisayarlarının aynı anda muazzam sayıda işlem yapabilmeye yönelik olağanüstü gücü bizim için bilmece durumundadır. Bununla birlikte, günümüzün kuantum bilgisayarları henüz ilkel bir düzeyde ve yalnızca bir avuç kubit üzerinden işlem yapabiliyor olsa da, aynı anda milyarlarca, trilyonlarca ya da katrilyonlarca işlem yapabilecek bir kuantum bilgisayarını hayal etmemiz imkansız değildir.

Aslında önümüzdeki 30 ya da 40 yıl içerisinde, aynı anda evrende var olan parçacıklardan daha fazla işlem yapabilecek bir kuantum bilgisayarı inşa edebiliriz. Bu varsayımsal durum önümüze zor bir soru koyuyor: Bu bilgisayar işlemlerini tam olarak nerede gerçekleştirecektir?

Sonuçta, bu türden bir bilgisayar aynı anda evrende var olan parçacıklardan daha fazla işlem yapabiliyorsa, o zaman evrenin işlem kaynaklarının bu makinenin gerçekleştireceği işlemler açısından yetersiz kalacağı öne sürülebilir.

Çözülmesi imkansız gibi görünen bu durumdan çıkmamızı sağlayabilecek olağanüstü bir olasılık, kuantum bilgisayarlarının işlemlerini paralel gerçekliklerde ya da evrenlerde gerçekleştiriyor oluşudur.

Bu fikir, 1957 yılında Princeton’da yüksek lisans eğitimine devam etmekteyken, kuantum teorisi atomların mikroskobik dünyasının dahiyane bir açıklaması olduğu halde, neden hiçbir zaman süperpozisyonları göremediğimizi merak eden, Hugh Everett adlı öğrenciye dayanmaktadır.

Everett’in bu soruya verdiği olağanüstü cevap, süperpozisyonun her bir farklı durumunun bütünüyle farklı bir gerçeklikte var olduğu olmuştur. Diğer bir deyişle, tüm olası kuantum olaylarının gerçekleştiği çok sayıda farklı gerçeklik (çoklu evren) söz konusudur.

Everett “Çoklu Dünyalar” fikrini, kuantum bilgisayarlarının ortaya çıkışından çok uzun zaman önce öne sürmüş olsa bile yine de konu üzerine faydalı bir açılımı olabilir. Çoklu Dünyalar fikrine göre, kuantum bilgisayarına bir problem verildiğinde, bilgisayar kendi kopyalarına ayrılmakta ve her bir kopya farklı bir gerçeklikte var olmaktadır.

Bu bölümün başında bahsettiğimiz küçük çocuğun kişisel kuantum bilgisayarının, birçok farklı kopyasına ayrılmasının nedeni budur. Bilgisayarın her bir kopyası problemin farklı bir parçası üzerinde çalışmakta ve en sonunda bu farklı parçalar girişim tarafından yeniden bir araya toplanmaktadır.

Bu bağlamda, Everett’in fikri açısından girişimin çok mühim olduğunu söyleyebiliriz. Farklı evrenler arasında köprü görevi gören, bu evrenlerin birbirleriyle etkileşime girmelerine ve birbirlerini etkilemelerine imkan tanıyan, girişimdir. Fakat Everett’in tüm bu paralel evrenlerin nerede bulunduğuna dair hiçbir fikri yoktu. Dahası, Çoklu Dünyalar fikrinin günümüzdeki savunucularının da buna tatmin edici bir cevabı olduğu söylenemez.

Douglas Adams’ın Otostopçunun Galaksi Rehberi’nde (Hitchhiker’s Guide to the Galaxy) alaylı bir ifadeyle belirttiği gibi: Paralel evrenler söz konusu olduğunda aklınızda tutmanız gereken iki şey vardır. Birincisi gerçekten paralel olmadıkları; ikincisi ise gerçekten evren olmadıkları !”

Tüm bu bilmecelere rağmen, Everett tarafından öne sürülmesinin üzerinden geçen yarım yüzyılın ardından Çoklu Dünyalar fikri yeniden popülerlik kazanıyor. Her gün sayıları artmakta olan ve aralarında Oxford Üniversitesi ‘nden David Deutsch gibi önemli isimlerin de bulunduğu birçok fizikçi, bu fikri ciddiye alıyor.

Deutsch, Gerçekliğin Dokusu (The Fabric of Reality) isimli kitabında, “Paralel evrenlere yönelik kuantum teorisi, birtakım teorik muammalardan doğan baş belası bir yorum değildir,” demektedir. “Bu fikir sezgilere aykırı, ancak dikkate değer bir gerçekliğin açıklamasıdır – makul olan tek açıklama.”

Eğer Deutsch gibi düşünecek olursanız (ki Çoklu Dünyalar fikri düşünülebilecek her deney için kuantum teorisinin daha geleneksel yorumlarıyla aynı neticeyi öngörmektedir), o halde kuantum bilgisayarları köklü bir yeniliktir. Bu bilgisayarlar, birden çok gerçekliğin kaynaklarını kullanan, insan elinden çıkma ilk makineler olabilir.

Çoklu Dünyalar fikrine inanmasanız bile fikir gizemli kuantum dünyasında neler olup bittiğini anlayabilmemiz için basit ve kolaylıkla algılanabilen bir yol sunmaktadır.

Örneğin çift yarık deneyinde, aynı anda iki yarıktan birden geçen ve kendisiyle girişimde bulunan tek bir foton düşünmek şart değildir. Bunun yerine, bir yarıktan geçen bir foton, diğer yarıktan geçen bir başka fotonla girişimde bulunabilir. Hangi başka foton, diye sorabilirsiniz. Komşu bir evrendeki foton, elbette!

Yorum Durumu: Yorum yok --- Kategori: Bilim --- Etiketler: , , , , , , ---

Young Deneyi Girişim

Young’ın deneyinin bu modern yorumunda, ışık geçirmeyen bir perde üzerindeki çift yarık, artık kimsenin inkar edemeyeceği şekilde parçacık akımı olduğu anlaşılan ışıkla aydınlatıldı.

Yinelenen deneyde esas nokta, her seferde tek bir foton yollanmasını sağlayacak kadar zayıf bir ışık kullanmaktı. İkinci perdenin farklı noktalarındaki duyarlı dedektörler ise perdeye ulaşan fotonları sayıyordu. Fakat deneyin sürdüğü belli bir zaman diliminin ardından dedektörler dikkate değer bir şey gösterdi.

İkinci perde üzerinde bazı yerler üzerine foton yağarken, bazı yerlere ise kesinlikle foton ulaşmıyordu. Dahası, fotonların ulaştığı yerler ile hiçbir fotonun uğramadığı yerler, dikey çizgiler oluşturarak, dönüşümlü olarak değişmekteydi – tıpkı Young’ın orijinal deneyindeki gibi. Durun bir dakika!

Young’ın deneyinde oluşan karanlık ve aydınlık şeritlerin nedeni girişimdi. Ve de girişimin temel özelliği, aynı kaynaktan gelen iki farklı dalganın birbirine girmesiydi; bir yarıktan geçen ışığın, diğer yarıktan geçen ışıkla iç içe geçmesi gerekiyordu. Ancak gerçekleştirilen yeni deneyin her bir turunda, ilk perde üzerindeki çift yarığa ulaşan tek bir foton söz konusuydu. Her bir foton bütünüyle yalnızdı; kendisine eşlik eden ve girişimde bulunabileceği başka fotonlar yoktu. Öyleyse, herhangi bir girişim nasıl oluyordu?

Bir foton, diğer fotonların nereye ineceğini nasıl bilebiliyordu? Bunun olabilmesi için tek bir yol olduğu anlaşılarak, her bir fotonun bir şekilde aynı anda her iki yarıktan birden geçtiği düşünüldü. Yarıklardan geçtikten sonra ise kendi kendisiyle girişimde bulunuyordu.

Diğer bir deyişle, her bir fotonun, farklı iki durumun süperpozisyonunda olması gerekiyordu – soldaki yarıktan geçen fotonun bağlı olduğu bir dalga ve sağdaki yarıktan geçen fotonun bağlı olduğu bir diğer dalga. Çift yarık deneyi fotonlarla, atomlarla ya da diğer mikroskobik parçacıklarla gerçekleştirilebilir.

Bu deney, gözlemlenen parçacıkların (ikinci perde üzerinde nereye saldırabilecekleri ve nereye saldıramayacaklarını belirleyen) dalgasal benlikleri tarafından nasıl yönetildiklerini şematik olarak ortaya koymaktadır. Ancak çift yarık deneyinin gösterdiği yalnızca bu değildir.

Deneyle anlaşılan en önemli nokta, süperpozisyon durumuna geçen ayrı dalgaların pasif olmadığı; aksine, birbirleriyle aktif bir şekilde girişimde bulunabildikleri olmuştur. Bir süperpozisyonun ayrı durumlarının birbirleriyle girişimde bulunabilme yetisi, kuantum fenomenini tüm yönleriyle ortaya koyarak mikroskobik dünyanın kapılarını açan esas anahtardır.

Kuantum bilgisayarlarını ele alalım. Bu bilgisayarların aynı anda birçok işlemi birden yapabilmesinin nedeni, farklı durumların süperpozisyonu olarak var olabilmeleridir. Örneğin 10 elementli (yani 10 kubitlik) bir kuantum bilgisayarı aynı anda 1024 farklı durumda bulunabilir ve dolayısıyla aynı anda 1024 işlem gerçekleştirebilir. Öte taraftan yeniden bir araya gelmedikleri sürece, bir işlemin farklı noktalara açılmış dallarının hiçbir değeri yoktur. Bunu gerçekleştiren ise girişimdir.

Girişim sayesinde, süperpozisyonun 1024 farklı durumu birbirleriyle etkileşime girebilir ve birbirlerini etkileyebilir. Yine girişim sayesinde, kuantum bilgisayarının elde ettiği tek bir cevap, 1024 paralel işlemin tümünde ne olup bittiğini yansıtır ve bir araya getirir. 1024 ayrı parçaya ayrılmış ve her bir parçanın üzerinde tek bir kişinin çalıştığı bir problem düşünün.

Problemin çözüme ulaştırılması için, söz konusu 1024 kişi birbirleriyle sürekli iletişim halinde olmalı ve elde ettikleri sonuçları değiş-tokuş etmelidir. Girişimin kuantum bilgisayarlarında mümkün kıldığı şey işte budur.

Burada bahsetmemiz gereken bir diğer önemli nokta, her ne kadar süperpozisyonlar mikroskobik dünyanın temel bir özelliği olsa da, aslında hiçbir zaman gözlemlenememeleridir. Tek görebildiğimiz varlıklarının sonuçlarıdır – bir süperpozisyonun farklı durumları birbirleriyle girişimde bulunduğunda ortaya çıkan sonuçlardır bunlar.

Örneğin çift yarık deneyine bakacak olursak, gözlemleyebildiğimiz yalnızca girişim desenidir; bu desen üzerinden, süperpozisyon durumunda olan ve aynı anda iki yarıktan birden geçen bir elektron olduğu sonucunu çıkarırız. Aynı anda iki yarıktan birden geçen bir elektronu yakalayabilmemiz ise imkansızdır.

Bir atomu aynı anda iki yerde birden görmenin değil, ancak aynı anda iki yerde birden bulunan bu atomun neden olduğu sonuçlan gözlemlemenin mümkün olabileceğine dair açıklamayla anlatılmak istenen de budur.

Yorum Durumu: Yorum yok --- Kategori: Bilim --- Etiketler: , , , , , , ---

Kuantum Bilgisayarlar

Günümüz bilgisayarının temel yapı taşı transistörlerdir. Transistörler iki farklı gerilim seviyesinde bulunabilir; bunlardan biri ikili basamaklardan (bitlerden) “0”ı, diğeri ise “l “i temsil eder. Sıfır ve birlerin oluşturduğu bir sıra, çok büyük bir sayıyı temsil edebilir ve bilgisayar içinde bu sayı, bir başka büyük sayıyla toplanabilir, çıkarılabilir, çarpılabilir ve bölünebilir.* Öte yandan bir kuantum bilgisayarının temel yapı taşları süperpozisyon konumunda da bulunabilir.

Diğer bir deyişle, aynı anda hem “0”ı hem de ” l “i temsil edebilirler. Fizikçiler, kuantum bitlerini normal bitlerden ayırt edebilmek için, şizofren
kuantum bitleri (ya da “kubit”) terimini kullanmaktadır.

Tek bir kubit iki durumda (0 ya da 1 ) , iki kubit dört durumda (00, 01 , 10 ya da 11 ), üç kubit sekiz durumda bulunabilir ve bu şekilde devam eder.

Dolayısıyla tek bir kubit üzerinde aynı anda iki farklı işlem, iki kubitle dört farklı işlem, üç kubitle sekiz farklı işlem yapabilirsiniz ve kubit sayısı arttıkça, aynı anda gerçekleştirebileceğiniz işlem sayısı da 2 ‘nin kuvvetleri olarak artar. Bu sizi etkilemediyse, 10 kubitle aynı anda 1024 işlem ve yalnızca 100 kubitle milyarlarca işlem yapabileceğinizi söylemek isterim!

Hiç de şaşırtıcı olmayan bir şekilde kuantum bilgisayarlarının bu potansiyeli karşısında fizikçilerin ağzı sulanmaktadır. Kuantum bilgisayarlarının günümüz bilgisayarlarını bazı hesaplamalarda performans açısından silip geçeceği anlaşılmıştır. Geleneksel bilgisayarlar performans açısından kuantum bilgisayarlarının yanında geri zekalı gibi görünmektedir.

Fakat bir kuantum bilgisayarının çalışması için, dalga süperpozisyonları tek başlarına yeterli değildir. Dalga süperpozisyonlarının ihtiyaç duyduğu bir başka şey de, girişimdir.

Thomas Young tarafından 18. yüzyılda gözlemlenen ışığın girişimi, ışığın bir dalga olduğu konusunda herkesin ikna olmasını sağlayan esas çalışma oldu. 20. yüzyılın başlangıcında, ışığın aynı zamanda bir parçacık akımı olarak da davrandığı ortaya konduğunda ise Young’un çift yarık deneyi yeni ve umulmadık bir önem kazandı. Deney, mikroskobik dünyanın en merkezi özelliğini ortaya çıkarıyordu.

Yorum Durumu: Bir yorum --- Kategori: Bilim, Bilişim --- Etiketler: , , , , , , , ---

Bir Atom Nasıl Aynı Anda Birden Çok Yerde Olabilir ve Birden Çok Şey Yapabilir

Abaküsle dünyanın en hızlı süper-bilgisayarı arasındaki farkı düşündüğünüz takdirde bile bir kuantum bilgisayarının günümüzün bilgisayarlarından ne kadar daha güçlü olduğunu anlamanın yakınından geçemezsiniz.
Julian Brown

Yıl 2041 . Küçük bir çocuk, odasındaki bilgisayarın başına oturuyor. Bu sıradan bir bilgisayar değil. Bu bir kuantum bilgisayarı. Çocuk bilgisayara bir komut veriyor. . . Aynı anda bilgisayar kendi binlerce kopyasına bölünüyor ve her biri problemin farklı bir dalı üzerinde çalışmaya koyuluyor.

Yalnızca birkaç saniye sonra, dallar yeniden bir araya geliyor ve bilgisayarın gösterge panelinde tek bir cevap yanıp sönüyor. Dünyadaki bütün bilgisayarlar bir arada çalıştırılsa bile bu cevabı bulmaları trilyonlarca yıl alırdı. Sonuçtan memnun olan çocuk bilgisayarı kapatıyor ve oyununa geri dönüyor. Bu akşam için ev ödevi bitmiş durumda.

working pattern internet abstract

Çocuğun bilgisayarının yapabildiğini aslında hiçbir bilgisayar yapamaz, değil mi? Bir bilgisayarın bunu yapabileceği gerçeği bir kenara, bu bilgisayarların taslak halindeki ilk versiyonları günümüzde bile mevcuttur. Üzerinde ciddi tartışmaların döndüğü asıl nokta ise, bu türden bir kuantum bilgisayarının yalnızca çok fazla sayıdaki bilgisayarın toplamı gibi mi çalışacağı, yoksa bazılarının inandığı gibi, kendi kendisinin paralel gerçeklikler veya evrenlerde var olan birçok farklı kopyasının bilgi işlem gücünden mi yararlanacağı sorusudur.

Kuantum bilgisayarının temel özelliği olan aynı anda birçok işlemi birden yapabilme yetisi, dalgaların (dolayısıyla da, dalgalar gibi davranan atom ve fotonların da) yapabildiği iki şeyden kaynaklanmaktadır. Bunlardan ilki, okyanus dalgalarında görülebilir.

Okyanusta hem büyük dalgalar hem de küçük dalgacıklar oluşur. Ancak rüzgarlı bir günde dalgalı bir denizi seyreden herkesin bilebileceği gibi, büyük dalgaların üzerinde küçük dalgacıklar da görebilirsiniz. Bu, tüm dalgaların genel bir özelliğidir. Eğer iki farklı dalga var olabiliyorsa, aynı şekilde, dalgaların bir kombinasyonu, yani süperpozisyonu da var olabilir.

ocean water wave photo

Süperpozisyon gerçeği, gündelik dünyada önemsiz bir şey gibi görünebilir. Ancak atomlar ve bileşenlerinin dünyasında, bu durumun etkileri sarsıcı düzeydedir.

Bir kez daha, pencere camına vuran fotonu düşünelim. Schrödinger denkleminin ortaya koyduğu gibi, foton ne yapacağı konusunda bir olasılık dalgası tarafından bilgilendirilir.

Fotonun camdan geçmesi de, geri yansıması da olasılık dahilinde olduğundan, Schrödinger denklemi iki dalganın varoluşuna imkan tanımalıdır – biri camdan geçip gidecek, diğeri de geri yansıyacak foton için. Burada şaşırtıcı bir durum yok. Fakat şunu unutmamak gerekiyor ki, aynı anda iki dalganın birden var olmasına imkan tanındığında, bu dalgaların bir süperpozisyonunun var olmasına da imkan tanınmış olur. Deniz dalgaları için konuşacak olursak, bu türden bir kombinasyon kimse için inanılmaz bir durum değildir. Ancak atomların dünyasında söz konusu kombinasyon olağanüstü sayılabilecek bir duruma tekabül eder: aynı anda hem camdan geçen hem de geri yansıyan bir fotonun varlığına. Diğer bir deyişle, foton aynı anda camın iki tarafında birden bulunabilmektedir.

Tahayyül sınırlarımızı zorlayan bu özellik, iki kaçınılmaz gerçekten kaynaklanıyor: fotonların dalgalar tarafından tanımlandığı ve dalgaların süperpozisyon hallerinin olası olduğu gerçeklerine.

Bu uçuk bir teori değil. Yapılan deneylerde, aynı anda iki yerde birden bulunan bir foton ya da atomu gözlemlemek gerçekten de mümkündür (daha doğru bir ifadeyle ortaya koyacak olursak, aynı anda iki yerde birden bulunan bir foton ya da atomun neden olduğu sonuçları gözlemlemek mümkündür). Bu durumun gündelik hayatımızdaki karşılığı, aynı anda hem San Francisco hem de Sydney’de bulunabilmenizdir. Dahası, üst üste binecek dalgaların sayısının bir sınırı olmadığından, bir foton ya da atom aynı anda üç, on ya da bir milyon yerde olabilir.

adult book boring face

Öte yandan mikroskobik bir parçacıkla bağlantılı olasılık dalgası, bu parçacığa nerede bulunabileceğinden daha fazla bilgi vermektedir. Olasılık dalgası, parçacığa tüm durumlar dahilinde nasıl davranacağını da bildirir (örneğin bir fotona, pencere camının içinden geçip geçmeyeceğini ya da camdan geri yansıyıp yansımayacağını).

Dolayısıyla atomlar ve türevleri yalnızca aynı anda birçok yerde bulunabilmekle kalmaz, aynı anda birçok işi de gerçekleştirebilirler. Bunun gündelik yaşantımızdaki karşılığı ise aynı anda ev temizliği yapmanız, köpeği dolaştırmanız ve haftalık süpermarket alışverişini halletmenizdir.

Kuantum bilgisayarının muazzam gücünün ardındaki giz budur. Atomların aynı anda birçok işi yapabilme yetisini kullanan kuantum bilgisayarları, aynı anda çok sayıda hesaplamayı yapabilmektedir.

Yorum Durumu: Yorum yok --- Kategori: Bilim --- Etiketler: , , , , , , ---

Tanrı neden zar atar?

Öngörülemeyeni Öngörmek

Penceremize geri dönelim. Her fotonun yüzde 95 camdan geçme ve yüzde 5 de geri yansıma olasılığı var. Fakat bu olasılıkları ne belirliyor?

Işığın parçacık ve dalga olarak çizilen iki farklı portresi de aynı sonucu vermek durumundadır. Şayet dalganın yarısı geçiyor ve yarısı yansıyorsa, dalga ve parçacık görüşlerini bağdaştırmanın tek yolu, her bir parçacığın da yüzde 50 geçme ve yüzde 50 yansıma olasılığı olmasıdır. Aynı şekilde, eğer dalganın yüzde 95’i geçiriliyor ve yüzde 5’i yansıtılıyorsa, her bir foton için buna karşılık gelen geçme ve yansıma olasılıkları yüzde 95 ve yüzde 5 olmalıdır.

background beautiful blossom calm waters

Işığın bu iki portresi arasında bir uyum olabilmesi için parçacık davranışının, dalga davranışı hakkında bir şekilde “bilgi sahibi” olması gerekir. Bir başka deyişle, mikroskobik dünyada yalnızca dalgalar parçacık gibi değil, parçacıklar da dalga gibi davranmaktadır! Burada mükemmel bir simetri söz konusu. Aslına bakılacak olursa, bu ifade bir anlamda, kuantum kuramı hakkında bilmeniz gereken (birkaç detay dışında) tek şeydir. Geriye kalan her şey bunu kaçınılmaz bir şekilde takip eder. Tüm bu tuhaflık ve mikroskobik dünyanın hayret verici zenginliği, gerçekliğin temel yapı taşlarının dalga-parçacık ikiliğinin doğrudan bir sonucudur.

abstract background beach color

Ancak ışığın dalga hali, parçacık halini nasıl davranacağı hakkında tam olarak nasıl bilgilendiriyor? Bu hiç de kolay bir soru değil.

Işık kendisini, bir parçacıklar akımı olarak veya dalga şeklinde açığa vurur. Hiçbir zaman bir madalyonun aynı anda iki yüzünü birden görmeyiz . Yani ışığı parçacıklar akımı olarak incelediğimizde, ortada parçacıkları nasıl davranacakları konusunda bilgilendirecek bir dalga yoktur. Dolayısıyla fizikçiler fotonların bir dalga tarafından yönlendirilerek (camın içinden gitmek gibi) bir şeyler yaptığını açıklamakta problem yaşamaktadır.

Bu problemi kendilerine özgü bir yoldan çözmeye girişen fizikçiler, gerçek dalganın yokluğunda, soyut bir dalga hayal etmektedir – matematiksel bir dalga. Kulağa gülünç geliyorsa, şunu söyleyeyim ki, bu fikir ilk olarak 1920 yılında Avusturyalı fizikçi Erwin Schrödinger tarafından ortaya atıldığında, fizikçilerin tepkisi de sizinkiyle aynı olmuştu.

Schrödinger tıpkı gölette yayılan bir su dalgası gibi, uzayda yayılan, engellerle karşılaşarak yansıyan ve iletilen soyut bir matematiksel dalga hayal etti. Dalga yüksekliğinin arttığı yerlerde bir parçacığın bulunma olasılığı en üst düzeydeyken, dalga yüksekliğinin düşük olduğu noktada bu olasılık en alt düzeye inmekteydi. Böylelikle Schrödinger olasılık dalgasıyla, sadece fotonları değil; bir atomdan, atomu teşkil eden elektronlara kadar, tüm mikroskobik parçacıkları nasıl hareket edecekleri hakkında bilgilendiren dalga fonksiyonunu vaftiz etmiş oldu.

Burada ince bir nokta söz konusu. Fizikçiler Schrödinger’in yaklaşımını, herhangi bir noktada parçacık bulunma ihtimali ancak olasılık dalgasının o noktadaki yüksekliğinin karesiyle orantılıysa gerçeğe uydurabiliyorlardı.

Başka bir deyişle, uzayda herhangi bir noktada olasılık dalgası başka bir noktada olduğunun iki katı yükseklikteyse, parçacığın orada bulunma ihtimali diğer noktaya göre dört kat büyük olmalıdır.

Olasılık dalgasının kendisinin değil de karesinin fiziksel bir gerçeği ifade ediyor olması, günümüzde bu dalganın, evrenin altında yatan gerçek bir şey mi, yoksa kullanışlı matematiksel bir gereç mi olduğu tartışmalarını doğurmuştur. Bilim adamlarının büyük çoğunluğu ikinci görüşe taraftır.

Olasılık dalgasının kesin bir öneme sahip olmasının nedeni, maddenin dalgasal tarafıyla, su dalgalarından deprem dalgalarına kadar tanışık olduğumuz diğer tüm dalga türleri arasında bağlantı kurmasıdır. Tüm dalgalar, dalga denklemi olarak bilinen bir denkleme riayet eder. Bu denklem, dalgaların uzayda nasıl yayıldığını tanımlayarak, fizikçilerin herhangi bir yer ve zamanda dalga yüksekliğini öngörebilmesine imkan tanımaktadır.

Schrödinger’in büyük başarısı, atomlar ve türevlerinin olasılık dalgalarının davranışını tanımlayan dalga denklemini bulmasıdır. Schrödinger denklemini kullanarak uzayda herhangi bir yer ve zamanda bir parçacık bulunma olasılığını hesaplamak mümkün. Örneğin pencere camına vuran fotonları tanımlamak ve fotonlardan birini camın diğer tarafında bulmanın yüzde 95’lik olasılığını öngörmek için bu denklem kullanılabilir. Aslında Schrödinger denklemi, foton ya da atom olsun, herhangi bir parçacığın herhangi bir davranışı sergileme olasılığını tahmin etmek için kullanılabilir. Bu durum, fizikçilere mikroskobik dünyada olup bitenleri öngörebilmek için bir köprü oluşturur, yüzde 100 kesinlikle olmasa da, en azından öngörülebilir bir belirsizlik dahilinde !

Olasılık dalgaları üzerine bu konuştuklarımız bizi nereye götürüyor? Mikroskobik dünyada dalgaların parçacıklar gibi hareket ediyor olduğu gerçeği, ister istemez , mikroskobik dünyanın gündelik yaşantımızdan tamamen farklı bir mekanizmaya sahip olduğunu anlamamıza yol açıyor. Mikroskobik dünyada rastlantısal bir belirsizlik hüküm sürmektedir. İlk kez ortaya çıktığında bu gerçek, saat gibi işleyen öngörülebilir bir evrene inanan fizikçiler için tam anlamıyla sarsıcı bir darbe olmuştu. Ve anlaşıldığı kadarıyla bu durum sadece başlangıçtı. Zaman içinde, doğanın zulasında birçok sarsıcı gerçek daha olduğu anlaşıldı. Yalnızca dalgaların parçacık gibi davranıyor olmayıp, parçacıkların da dalga davranışları sergiliyor olması, su ve ses dalgaları gibi bize daha tanıdık gelen dalgaların yapabildiği her şeyi , atomların, fotonların ve türdeşlerinin davranışlarını ileten olasılık dalgalarının da yapabileceğini anlamamızı sağladı.

Yani? Durum şu ki, dalgalar birçok farklı davranışta bulunabilir. Ve bu davranışların her birinin mikroskobik dünyada yarı-mucizevi sonuçlar doğurduğu anlaşılmıştır.

Dalgaların yapabileceği şeylerden en açık olanı, süperpozisyon halinde var olabilmeleridir. Süperpozisyon, bir atomun aynı anda iki farklı yerde bulunabilmesine imkan tanır. Sizin aynı anda hem Londra hem de New York’ta bulunmanız gibi.

Yorum Durumu: Yorum yok --- Kategori: Bilim --- Etiketler: , , , , , , , , ---

Kuantum Kesinsizliği

Bir pencere bulun. Şayet yakından bakacak olursanız, kendi yüzünüzün zayıf bir yansımasını görebilirsiniz. Bunun nedeni camın tamamıyla saydam olmamasıdır. Üzerine çarpan ışığın yüzde 95’ini geçirirken, kalan yüzde 5’ini geri yansıtır.

Eğer ışık bir dalgaysa, bunu kavramak oldukça kolaydır. Pencereye vuran ışık dalgası, camdan geçen büyük bir dalgaya ve geri dönen daha küçük bir dalgaya ayrılır. Bir sürat teknesinin kıç tarafında oluşan dalgayı düşünün. Bu tekne, yarıya kadar suya batmış bir şekilde sürüklenen bir tahta parçasına rastladığında, oluşturduğu dalganın büyük bir kısmı yoluna devam ederken, küçük bir dalga parçası ise tahta üzerinden geri döner.

lights water blur rain

Öte yandan ışığı bir dalga olarak kabul ettiğimizde bu davranışı anlamak ne denli kolaysa, özdeş parçacıklardan oluşan bir akım olarak düşündüğümüzde de aynı ölçüde zordur. Sonuçta tüm fotonlar özdeşse, pencerenin bu fotonların her birini aynı şekilde etkilemesi gerektiğini düşünürüz. Bir futbolcunun defalarca serbest vuruş kullandığını düşünün. Eğer futbol topları özdeşse ve futbolcu her birine tamamen aynı şekilde vurursa, hepsi havada aynı falsoyu alır ve hedefi aynı noktadan vurur. Bu bakış açısıyla, topların çoğu hedefi aynı noktadan vururken, bir kısmının auta çıkacağını düşünmek mantıksız olacaktır.

Öyleyse nasıl oluyor da, birbirinin tamamen aynısı parçacıklardan oluşan bir akım pencereye çarptığında, yüzde 95’i camın içinden geçip giderken, kalan yüzde 5’i geri dönebiliyor? Einstein’ın ortaya koyduğu üzere, bunun tek bir yolu var. “Özdeş” kelimesinin mikroskobik dünyada, gündelik hayatımızdakinden çok daha farklı bir anlama gelmesi gerekiyor – indirgenmiş ve budanmış bir anlama.

Görünen o ki, mikroskobik dünyada, özdeş şeyler özdeş koşullar altında özdeş davranışlar sergilemiyor. Bunun yerine, yalnızca, herhangi bir şekilde davranmak açısından özdeş bir şansa sahipler. Pencereye varan her bir fotonun, pencereden geçme (yüzde 95) veya yansıma şansı (yüzde 5), diğer fotonların sahip olduğu şansın aynısı.

Herhangi bir fotona ne olacağını kesin olarak bilebilmenin yolu yok. Söz konusu fotonun camdan geçmesi ya da geri yansıması bütünüyle şansa bağlı ve rastgele gerçekleşmekte.

20. yüzyıl başlarında bu öngörülemezlik, dünya için kökten bir yenilikti. Rulet döndükçe üzerinde sıçrayan topu düşünün. Rulet durduğunda topun hangi sayının üzerinde kalacağını bilemeyeceğimizi varsayarız. Ancak durum gerçekte böyle değildir. Şayet topun harekete başladığı rotayı, ilk hızını, hava akımının kumarhanede bir andan diğerine nasıl değişiklik gösterdiğini ve bu türden diğer bilgileri bilebilseydik, fizik kurallarını kullanarak topun nerede duracağını yüzde 100 kesinlikle belirleyebilirdik.

close up shot of a roulette

Aynı şey yazı-tura atmak için de geçerlidir. Fırlatma anında ne kadar kuvvet uygulandığını, paranın tam olarak şeklini ve diğer verileri bilebilseydik, fizik kuralları paranın yazı mı tura mı geleceğini yüzde 1 00 kesinlikle belirleyebilirdi.

Gündelik hayatta hiçbir şey kesinlikle öngörülemez değildir. Aynı şekilde, hiçbir şey tamamıyla rastlantısal da değildir. Rulet oyununda veya yazı-tura atıldığında sonucu tahmin edemememizin sebebi, hesaplayabileceğimizden çok daha fazla verinin göz önüne alınması gerekliliğidir.

Fakat prensip olarak (esas nokta da budur) , her ikisini de tahmin etmemizi engelleyecek hiçbir şey yoktur. Fotonların mikroskobik dünyası ise bunun tam tersidir. Ne kadar veriye sahip olduğumuzun hiçbir önemi yoktur.

Bir fotonun camdan geçeceğini ya da geri yansıyacağını tahmin etmemiz prensipte bile imkansızdır. Bir rulet topunun her hareketinin bir nedeni vardır; çok sayıda küçük kuvvetin karşılıklı etkileşimi geçerlidir. Ancak bir fotonun gerçekleştirdiği eylemin hiçbir sebebi yoktur! Esas olan, mikroskobik dünyanın öngörülemez oluşudur. Ve bu durum gerçekten de, dünya üzerinde yepyeni bir şeydir. Ve fotonlar için geçerli olan bu durum, mikroskobik dünyanın tüm sakinleri için de aynı şekilde geçerlidir.

Bir bomba, zamanlayıcısı tetiklediği için, titreşimlerden dolayı veya içeriğindeki kimyasallar aniden indirgendiği için patlayabilir. Kararsız (veya “radyoaktif”) bir atom ise herhangi bir duruma bağlı olmadan patlayabilir. Şu anda patlayan bir atomla patlamadan önce 10 milyon yıl bekleyen özdeş bir atom arasında gözlemlenebilir hiçbir fark yoktur.

Pencereden her baktığınızda yüzünüze vuran sarsıcı gerçek, tüm evrenin rastlantısallık üzerine kurulmuş olduğudur. Einstein bu fikre o kadar bozulmuştu ki, dudaklarını büküp şu açıklamada bulundu: “Tanrı evrenle zar atmaz !”

five dice on sand

Sorun ise Tanrı’nın bunu yapmasıdır. İngiliz fizikçi Stephen Hawking’in alaycı bir dille ifade ettiği gibi: “Tanrı evrenle zar atmakla kalmaz, bazen zarları bizim göremeyeceğimiz yerlere de atar!”

Einstein 1921 yılında Nobel Fizik Ödülü’nü ünlü görelilik kuramıyla değil, fotoelektrik olayını açıklamasıyla aldı. Üstelik bu Nobel kurulunun hatalı bir kararı değildi.

Einstein’ın kendisi de, “kuantum” üzerine yaptığı çalışmanın, bilim dünyasında gerçekleştirdikleri içinde devrimsel olan tek şey olduğuna inanıyordu. Nobel kurulu da kendisiyle tamamen aynı fikirdeydi.

Işık ile maddenin arasını bulma çabalarından doğan kuantum teorisi, o güne dek bilinen tüm bilimle çatışma halindeydi. l900’lerden önce fizik, geleceği tam bir kesinlikle tahmin etmenin reçetesi olarak görülüyordu. Bir gezegen belirli bir noktadayken, Newton’un hareket kanunları ve kütleçekim kanunu kullanılarak ertesi gün hangi noktaya ilerleyeceği kesin bir şekilde öngörülebiliyordu. Uzayda başıboş dolaşan bir atomun durumu ise bunun tam zıttıdır. Bu atom üzerine hiçbir şey kesin bir doğrulukla bilinemez.

Öngörebileceğimiz yalnızca olası rotası ile olası son noktasıdır.

Kuantum belirsizlik üzerine kurulmuş olsa da, fiziğin kalanı kesinlik üzerinedir. Bunun fizikçiler için bir sorun olduğunu söylemek biraz hafif kalır! “Fizik verilen koşullar altında neler olabileceğini çözme probleminden vazgeçmiştir,” der Richard Feynman. “Yalnızca olasılıkları öngörebiliriz.”

Mikrodünya bütünüyle öngörülemez olsaydı, evren kaosun hüküm sürdüğü bir yer olurdu. Ancak durum bu denli kötü değil. Atomlar ve türevlerinin ne yapacağı öngörülemez olsa da, en azından bu öngörülemezlik durumu öngörülebilir!

Yorum Durumu: Yorum yok --- Kategori: Bilim --- Etiketler: , , , , , , ---