Işık hızına yaklaşan hızlarda uzay ve zamanın davranışları gerçekten de tuhaflaşır. Ancak bu davranışların kimse için sürpriz olmasına da gerek yok. Her ne kadar doğanın yavaş kulvarındaki gündelik deneyimlerimiz bize, bir kişinin zaman aralığının bir başkasının zaman aralığı ve bir kişinin uzay aralığının da bir başkasının uzay aralığıyla aynı olduğunu öğretmiş olsa da, aslında bu konudaki inançlarımız oldukça temelsiz varsayımlara dayanmaktadır.
Zamanı ele alalım. Tüm yaşamınızı zamanı tanımlamak için boş yere harcayabilirsiniz. Öte yandan Einstein tek kullanışlı olanın, pratik bir tanım olduğunu fark etti. Zaman aralıklarını saatlerimizle ölçeriz. Dolayısıyla Einstein da, “Zaman, bir saatin ölçtüğü şeydir,” demiştir (işte, bazen apaçık ortada olan bir durumu ortaya koymak için dahi olmak gerekebiliyor)
Eğer herkes iki olay arasında aynı zaman aralığını ölçecek olursa, bunun anlamı herkesin saatinin aynı hızda işlediği olacaktır. Ancak bu hemen hiçbir zaman olmaz. Çalar saatiniz biraz yavaş çalışırken, kol saatiniz biraz hızlı olabilir. Günümüzde, saatlerimizi arada bir ayarlayarak gündelik problemlerin üstesinden gelmeye çalışıyoruz. Örneğin birine saatin kaç olduğunu soruyor ve saatimizi ayarlıyoruz. Ya da BBC’de her saat başı gelen bip’leri bekliyoruz. Ancak bu bip’leri kullanırken varsaydığımız nokta, BBC stüdyosundan gönderilen bip’lerin radyomuza ulaşmasının hiç zaman almadığı. Radyoda spikerin saatin altı olduğunu söylediğini duyduğumuzda, basit bir şekilde saatin altı olduğunu kabul ediyoruz.
Işığın yakalanamazlığı başka bir şekilde de ortaya konabilir. Kozmik hız sınırının gerçekten de sonsuzluk olduğunu düşünelim. Ve de, savaş uçağından atılan bir roketin sonsuz hızla yol aldığını varsayalım. Yerden bakan birisi için roketin hızı, sonsuzluk artı uçağın hızı mı olur? Eğer öyleyse, roketin hızı, yere bağlı olarak, sonsuzluktan daha büyük olacaktır. Ancak sonsuzluk tasavvur edebileceğimiz en büyük sayı olduğundan, bu imkansızdır. Anlamlı olan tek şey, roketin halen sonsuz bir hızı olduğudur. Diğer bir ifadeyle, roketin hızı, kaynağının, yani uçağın hızına bağlı değildir.
Sonsuz hızın rolünü ışık hızının oynadığı evrende de, ışığın hızı, yayıldığı kaynağın hızına bağlı değildir. Işık kaynağı ne denli hızlı yol alıyor olursa olsun, saniyede 300.000 kilometre olan ışık hızı değişmez.
Işık hızının, çıktığı kaynağın hareketinden bağımsızlığı, “mucizevi yılı” olan 1905’te Einstein’ın, uzay ve zamanın devrimsel bir analizini yaptığı “özel” görelilik teorisinin iki önemli dayanak noktasından biridir. Diğer dayanak noktası ise aynı ölçüde önemli olan, görelilik ilkesidir.
Bir kilise orgu içinde hapsolmuş ses dalgalarının ancak kısıtlanmış yollardan titreşim sağlayabildiğini hatırlayın. Aynı durum, atomun içine hapsolmuş bir elektronla bağlantılı dalgalar için de geçerlidir. Her bir farklı titreşim, bir elektronun, atomun merkezindeki çekirdeğe göre belirli bir mesafede bulunan olası bir yörüngesine ve belirli bir enerji düzeyine denk gelmektedir (elbette ki, elektron ya da diğer mikroskobik parçacıklar için yüzde 100 kesinlikte bir rota olmadığından, söz konusu yörünge bir elektronu bulmak için en olası yer olarak kabul edilir).
Fizikçiler ve kimyagerler yörüngeleri numaralandırmaktadır. Taban durumu (ground state) olarak da bilinen en içteki yörünge 1, ardı sıra gelen yörüngeler ise içten dışa doğru 2, 3, 4 … şeklinde numaralandırılmıştır. Bu kuantum numaralarının mevcudiyeti, mikroskobik dünyada (söz konusu olan elektron yörüngeleri olduğunda bile) her şeyin nasıl ara değerler olmaksızın, ayrık adımlarla meydana geldiğini ortaya koymaktadır.
Elektron bir yörüngeden, çekirdeğe daha yakın olan bir başka yörüngeye “sıçradığında,” atom enerji kaybeder ve bu enerji dışa bir ışık fotonu olarak yayılır. Bu fotonun enerjisi tam olarak, iki yörünge arasındaki enerji farkına eşittir. Bunun zıt doğrultusunda bir atlamada ise atom, iki yörünge arasındaki enerji farkına eş düzeyde enerji taşıyan bir fotonu soğurur. Bu durumda, elektron bir yörüngeden çekirdeğe daha uzak olan bir başka yörüngeye sıçrar.
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.
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.
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.
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.
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.
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 !”
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!
