Heisenberg Belirsizlik İlkesi

Elektron gibi mikroskobik bir parçacığın perde üzerindeki her iki yarıktan birden aynı anda geçebilmesini mümkün kılan, bu parçacığın iki ayrı dalganın süperpozisyonu olarak var olabilmesidir.

Yarıkların birinden geçen parçacığın bağlı olduğu bir dalga ve yarıkların diğerinden geçen parçacığın bağlı olduğu bir diğer dalga söz konusudur. Ancak parçacığın söz konusu şizofren davranışının fark edilebilmesi için bu yeterli değildir; ihtiyaç duyulan, ikinci perde üzerinde bir girişim deseninin oluşmasıdır. Ancak bunun için de elbette ki, süperpozisyon içindeki farklı dalgaların girişimde bulunması gerekmektedir. Ve de, elektronun bahsettiğimiz tuhaf kuantum davranışını gösterebilmesi için asıl gerek duyulan unsurun girişim olması gerçeği, doğanın elektron hakkında ne kadar çok şey bilmemize müsaade edeceği üzerinde belirleyici durumdadır.

Çift yarık deneyinde her bir elektronun geçtiği yarığı saptamaya çalıştığımızı düşünelim. Bunda başarılı olursak, ikinci perde üzerindeki girişim deseni ortadan kaybolacaktır. Sonuçta, girişim iki şeyin birbirine karışmasını gerektirir.

Elektron ve elektronla bağlantılı olasılık dalgası yalnızca tek bir yarıktan geçecek olursa, ortada yalnızca tek bir şey olacaktır. Peki ama, pratikte bir elektronun hangi yarıktan geçtiğini nasıl saptayabiliriz?

Öncelikle, çift yarık deneyini zihnimizde canlandırmak açısından bir parça kolaylaştırmak için, elektronu makineli tüfekten çıkan bir kurşun ve perdeyi de, üzerinde iki dikey paralel yarık bulunan kalın madeni bir levha olarak düşünelim. Kurşunlar perdeye ateşlendiğinde, bazıları yarıklardan geçerek yollarına devam eder. Yarıkları kalın madeni levha içindeki derin kanallar olarak düşünecek olursak, kurşunlar kanalların iç duvarlarından sekerek ilerleyecek ve ikinci perdeye ulaşacaktır.

Kurşunlar perde üzerinde herhangi bir noktayı vurabilir. Ancak durumu basitleştirmek için, kurşunların perdeyi tam merkez noktasından vurduğunu ve bu merkez noktada kurşunlarla bağlantılı olasılık dalgalarının yapıcı bir şekilde girişimde bulunduğunu varsayalım. O zaman, söz konusu merkezi nokta üzerine sayısız kurşun yağacaktır.

Kurşun, yarığın içinde sekerek ilerlediğinde, metal perdenin zıt yönde geri tepmesine neden olur. Tenis oynuyorsanız, hızlı bir servisle gelen topun raketinize çarpmasına benzer bir durumu gözünüzün önüne getirebilirsiniz. Topla çarpıştığı anda raketiniz zıt yönde tepecektir.

Çift yarık deneyinde, perdenin geri tepmesi kurşunun hangi yarıktan geçtiğini anlamak için kullanılabilir. Eğer perde sola doğru hareket edecek olursa, kurşun sol taraftaki yarıktan; perde sağa doğru hareket edecek olursa, kurşun sağ taraftaki yarıktan geçmiş olmalıdır.

Öte yandan kurşunun hangi yarıktan geçtiğini saptayacak olursak, bunun ikinci perde üzerinde oluşacak girişim desenini yok edeceğini biliyoruz.

Dalga açısından bakıldığında bu, anlaşılması kolay bir durum. Tek elimizle bir şeyi alkışlamaya kalktığımızda nasıl hiç ses çıkaramıyorsak, kendi kendisiyle girişimde bulunan bir şeyi de göremeyiz.

Peki ama, dalgasal bakış açısıyla aynı ölçüde geçerli olan parçacık bakış açısından, bu durumu nasıl anlamlandırabiliriz?

İkinci perde üzerindeki girişim deseninin süpermarket barkoduna benzediğini hatırlayın. Bu perde, hiçbir kurşunun vurmadığı ve (bu şeritlerle dönüşümlü olarak değişen) birçok kurşunun vurduğu dikey şeritlerden oluşmaktadır. İşimizi kolaylaştırmak için, şeritleri siyah ve beyaz olarak düşünelim. Buradaki asıl soru şu olacaktır: Kurşunun bakış açısıyla, girişim desenini yok etmek için ne olması gerekiyor?

Cevap bir parça yalpalayacak olan kurşunlardadır. Eğer ki her bir kurşun, siyah bir şeride tam isabet edecek şekilde yol almak yerine, siyah bir şeritle birlikte hemen bitişikteki beyaz bir şeridi de vurabilecek şekilde rotasında bir parça yalpalayarak yol alacak olursa, bu durum girişim deseninin “dağılması” için yeterli olacaktır. Daha önce beyaz olan şeritler siyahlaşırken, siyah olan şeritler ise beyazlaşacaktır.

Net sonuç ise tekdüze bir gri olur. Artık girişim deseni dağılmıştır. Herhangi bir kurşunun siyah bir şeride mi yoksa hemen bitişiğindeki beyaz bir şeride mi çarpacağını önceden bilebilmek imkansız olduğundan, her bir kurşunun yalpalayarak yol alış şeklinin bütünüyle öngörülemez olması gerekmektedir. Ve bütün bunların sebebi, perdenin geri tepmesine bakarak kurşunun hangi yarıktan geçtiğini ölçmemizdir.

Diğer bir ifadeyle, elektron gibi bir parçacığın yerini saptama girişimi, parçacığa öngörülemez bir yalpalama kazandırarak hızını ve yönünü belirsiz kılar. Ve bu durumun tam tersi de aynı şekilde geçerlidir (bir parçacığın hızını saptama girişimi, yerini belirsizleştirir) . Bu etkiyi ilk kez tanımlayarak sayısallaştıran kişi Alman fizikçi Werner Heisenberg’dir ve ortaya çıkan durum da Heisenberg belirsizlik ilkesi olarak anılmaktadır.

Belirsizlik ilkesine göre, mikroskobik bir parçacığın hem yerini hem de hızını tam bir kesinlikle bilmenin imkanı yoktur. Öte yandan bu iki veri arasında tam bir zıtlık söz konusudur. Bir parçacığın yeri ne denli net bir şekilde belirlenirse, hızı da aynı ölçüde belirsizlik kazanır. Ve tam tersi şekilde, parçacığın hızı ne denli kesin olarak belirlenirse, yeri aynı ölçüde belirsizleşir.

Bu kısıtlamanın gündelik dünya hakkında bildiklerimiz üzerinde de geçerli olduğunu düşünelim. Bir jet uçağının hızına dair elimizde net bir bilgi olduğu takdirde, uçağın Londra mı yoksa New York üzerinde mi olduğunu bilemeyiz. Ve uçağın bulunduğu yere dair elimizde kesin bir bilgi olduğu takdirde ise bu defa da saatte 1000 kilometreyle mi gittiğini yoksa saatte 1 kilometreye dek yavaşlayarak yere çakılmak üzere mi olduğunu söyleyemeyiz.

Belirsizlik ilkesi, kuantum teorisini korumak için vardır. Atomlar ve türevlerinin özelliklerini, belirsizlik ilkesinin müsaade edeceğinden daha ileri bir düzeyde ölçebiliyor olsaydınız, atomların dalga davranışlarını (daha kesin bir ifadeyle, girişimi) yok etmiş olurdunuz. Ve girişim olmaksızın, kuantum teorisi var olamaz.

Bu bağlamda, bir parçacığın konumunu ve hızını, belirsizlik ilkesinin izin vereceğinden daha yüksek bir kesinlikte ölçmek imkansızdır. Heisenberg belirsizlik ilkesi nedeniyle, çok yakından bakmaya kalkıştığımız takdirde mikroskobik dünya netliğini yitirecek ve aşırı şekilde büyütülmüş bir gazete resmi gibi bulanık olacaktır.

İnsanı çileden çıkartacak şekilde, doğa ölçmek istediğimiz şeyleri istediğimiz kesinlikte ölçmemize müsaade etmez. Bilebileceklerimizin bir sınırı vardır. Bu sınırlama, yalnızca çift yarık deneyine özgü bir tuhaflık değil, temel bir gerçektir.

Richard Feynman‘ın ortaya koyduğu gibi: “Bugüne dek hiç kimse belirsizlik ilkesinin etrafından dolaşmanın bir yolunu bulamadı. Hatta böyle bir yol olabileceğini düşünen bile olmadı. Bundan sonra da olacağını sanmıyorum.”

Bunun nedeni, alfa parçacıklarının, hiçbir şekilde kaçılamaz sanılan atom çekirdeği hapishanesinden kaçmalarına imkan tanıyan dalgasal karakteridir. Öte yandan Heisenberg belirsizlik ilkesi bu olayı parçacığın bakış açısından anlamamızı mümkün kılar.

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

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: , , , , , , ---

Neden Yalnızca Küçük Şeyler Kuantumdur

Kuantum bilgisayarları, inşası aşırı derecede zor olan makinelerdir. Bunun nedeni, bir kuantum süperpozisyonunun farklı durumlarının birbirleriyle girişimde bulunma yetisinin çevresi tarafından yok edilmesi ya da ciddi bir şekilde indirgenmesidir. Bu yıkım çift yarık deneyinde canlı bir şekilde görülebilir. Yarıkların birinden geçen bir parçacığı ayırt edebilmek için bir tür parçacık dedektörü kullanılacak olursa, perdedeki girişim şeritleri hemen gözden kaybolur ve yerini, az çok tekdüze bir aydınlanma alır.

Parçacığın hangi yarıktan geçtiğini gözlemleme davranışı, parçacığın aynı anda her iki yarıktan birden geçtiği süperpozisyon durumunu yok etmek için yeterlidir. Ve tek bir yarıktan geçen bir parçacığın girişim sergilemesini beklemek, tek elinizle bir şeyi alkışlamaya çalışırken ses çıkmasını beklemekten farksızdır. Gerçekte burada olan şey, parçacığın dış dünya tarafından yerinin saptanması ya da ölçülmesi için çalışılmasıdır.

Süperpozisyonun dış dünya tarafından bilinmesi, yok olması için kafidir. Bu bağlamda, kuantum süperpozisyonlarının neredeyse gizli bir şey olduğu söylenebilir.

Anlaşıldığı anda yok olacak bir giz ! Süperpozisyonlar sürekli olarak kendi çevreleri tarafından ölçülmektedir. Tek bir fotonun süperpozisyondan sekerek dış dünyaya bilgi taşıması, süperpozisyonun yok olmasına yetecektir. Bu doğal ölçüm sürecine evre uyumsuzluğu denmektedir. Gündelik dünyada tuhaf kuantum Decoherence davranışlarını görmüyor oluşumuzun nedeni evre uyumsuzluğudur.

Naif bir şekilde kuantum davranışlarının insanlar ya da ağaçlar gibi büyük şeylerin değil, atomlar gibi küçük şeylerin bir özelliği olduğunu düşünebiliriz. Fakat böyle kesin bir kaide de yoktur. Kuantum davranışı aslında yalıtılmış şeylerin bir özelliğidir. Bu davranışı gündelik hayat yerine mikroskobik dünyada görmemizin nedeni, küçük bir şeyi kendisini çevreleyen unsurlardan yalıtmanın, büyük bir şeye nazaran çok daha kolay olmasıdır. Bu nedenle, kuantum şizofrenisinin ihtiyaç duyduğu şey yalıtımdır.

Atom gibi mikroskobik bir parçacık dış dünyadan yalıtılmış bir şekilde kaldığı sürece, aynı anda birçok şey yapabilir. Bu durum, kuantum şizofrenisinin gündelik bir olay olduğu mikroskobik dünyada zor bir şey değildir. Öte taraftan içinde yaşadığımız ve her saniye içinde katrilyonlarca fotonun nesnelere çarparak sektiği büyük ölçekli dünyamızda, bu neredeyse imkansız bir durumdur.

Kuantum bilgisayarları üzerinde çalışan fizikçilerin önündeki temel engel, bilgisayarı çevresinden yalıtılmış bir şekilde tutabilmektir. Bugüne dek yapılabilen en büyük kuantum bilgisayarı yalnızca 10 atomdan oluşmakta ve 10 kubit üzerinden işlem gerçekleştirmektedir. Burada fizikçilerin tüm gücünü yönelttiği şey, makineyi oluşturan 10 atomu herhangi bir süre boyunca çevresinden yalıtılmış bir şekilde tutmaktır.

Tek bir foton bile bilgisayardan sekerse, 10 şizofren atom anında 10 sıradan atoma dönüşür. Evre uyumsuzluğu, kuantum bilgisayarlarının bir sınırını ortaya koyduğu halde, bu gerçek, kuantum bilgisayarları hakkında çıkan abartılı haberlerde çok fazla yer almaz.

Bir cevap almak için, dış dünyadan birisi (diyelim ki siz) makineyle etkileşime geçmek durumundadır. Bu etkileşim de süperpozisyonu anında ortadan kaldırır; kuantum bilgisayarı birdenbire normal bir bilgisayara dönüşür. 10 kubitlik bu makine, 1024 farklı işlemin sonucunu vermek yerine aynı anda ancak tek bir hesaplama yapabilen sıradan bir makine olur.

Dolayısıyla kuantum bilgisayarlarının yapabildiği, yalnızca tek bir yanıtı olan paralel işlemlerle sınırlanmıştır. Bu nedenle, günümüzde kuantum bilgisayarının çözebileceği sınırlı sayıda problem vardır. Genelde söylenegeldiği üzere, kuantum bilgisayarları dilimlenmiş ekmekten bu yana en büyük icat da değildir. Yine de bir kuantum bilgisayarının güçlü yanlarına hitap eden bir problem bulunduğunda, bu kuantum bilgisayarı, normalde evrenin sonuna dek sürecek bir hesaplamayı birkaç saniye içinde gerçekleştirerek, performans açısından günümüzün süperbilgisayarlarını gülünç bir duruma düşürebilir.

Kuantum bilgisayarlarını üretmek için didinen uzmanların en büyük düşmanı olan evre uyumsuzluğu, aynı zamanda bu uzmanların en büyük müttefikidir de. Sonuçta, girişimde bulunan tüm farklı dallarıyla işlem sürdüren bir kuantum bilgisayarının süperpozisyon durumunun en sonunda bozulmasının nedeni, evre uyumsuzluğudur.

Bu türden bir makinenin işimize yarayacak bir çıktı, yani tek bir duruma indirgenerek tek bir sonuç vermesi için süperpozisyon durumunun bozulması gerekir. Haklısınız, kuantum dünyası paradokslarla örülü.

Yorum Durumu: 2 yorum --- Kategori: Bilim, Bilişim --- 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: , , , , , , , ---

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: , , , , , , , , ---