Parçacıkların İki Kabilesi

Çekirdeklerin farklı olduğu durumu (karbon ve helyum) hatırlayın ve iki olası çarpışma olayını yeniden değerlendirin. Birinde, çekirdekler birbirlerini sıyırarak geçerken, diğerinde kafa kafaya çarpışarak geldikleri yönde geriye sekerler. Bunun anlamı, 9:00 yönünden gelen çekirdek için, 4:00 ve 10:00 yönlerine yönelmesiyle bağlantılı iki dalganın olmasıdır.

Burada anlaşılması gereken temel nokta, bir olayın olasılığının, bu olayla bağlantılı dalganın yüksekliğiyle değil, dalganın yüksekliğinin karesiyle bağlantılı olmasıdır. Dolayısıyla 4:00 yönündeki olayın olasılığı 4:00; 10:00 yönündeki olayın olasılığı ise 10:00 yönündeki dalga yüksekliğinin karesidir. İşte tam da burada, yukarıda bahsettiğimiz ince nokta devreye giriyor.

10:00 yönünde uçan çekirdekle bağlantılı dalganın ters döndüğünü varsayalım. Bu durumda dalganın dip noktaları tepe, tepe noktaları ise dip noktaları olacaktır.

Devamını oku “Parçacıkların İki Kabilesi”

Işınlanma (Teleportasyon) mümkün mü?

Belki de dolanıklığın potansiyel kullanım alanları içinde en çekici olanı, bir nesnenin tam tanımının uzak bir yere gönderilmesi ve bu uzak yerdeki yetkin bir makinenin aldığı bilgiyle nesnenin kusursuz bir kopyasını çıkarabilmesidir. Bu, sizin de tahmin ettiğiniz üzere, Enterprise mürettebatını rutin olarak bir yerlere “ışınlayan” Uzay Yolu ışınlayıcısının yöntemidir.

Katı bir nesneyi yalnızca bu nesneyi tanımlayan bilgiyle yeniden oluşturmak, sahip olduğumuz teknolojinin çok ötesinde bir durum. Fakat uzak bir noktada herhangi bir nesnenin kusursuz kopyasını yaratma fikri çok daha basit bir şeye dayanıyor. Heisenberg belirsizlik ilkesine göre, bir nesneyi kusursuz bir şekilde tanımlamak imkansızdır tüm atomlarının pozisyonları, bu atomların her birinin içindeki elektronların pozisyonları gibi verilerden bahsediyoruz. Peki öyleyse, bu türden bilgilerin tamamı olmaksızın kusursuz bir kopya nasıl oluşturulabilir?

Devamını oku “Işınlanma (Teleportasyon) mümkün mü?”

Kuantum Dolanıklık

Yerel olmamanın tam merkezinde, etkileşime giren parçacıkların birbirlerini sarmak ya da “dolanmak” yönündeki eğilimi yer almaktadır. Böylece birinin özellikleri sonsuza dek diğerinin özelliklerine bağlı olur. Duruma elektron çiftleri açısından yaklaştığımızda, birbirlerine bağlı olan, elektronların spinleridir. En somut anlamıyla, birbirlerine dolanık parçacıklar artık ayrı varoluşlar olmaktan çıkarlar. Tıpkı aşık bir çift gibi, göbek bağıyla birbirlerine bağlı garip bir mevcudiyete geçerler. Ne denli birbirlerinden uzağa itilirlerse itilsinler, sonsuza dek birbirlerine bağlıdırlar.

Dolanıklığın en tuhaf tezahürü, hiç kuşku yok ki, yerel olmamaktır. Aslına bakılacak olursa, yerel olmamayı pratik bir kullanıma dönüştürebiliyor olsaydık, anında iletişim sistemleri oluşturabilir; bu sistemlerle, dünyanın diğer ucunu hiçbir gecikme olmaksızın telefonla arayabilirdik. Hatta salise kaybı yaşamadan evrenin diğer ucunu bile arayabilirdik! İnsanın keyfini kaçıran ışık hızı engelini de artık dert etmek zorunda kalmazdık.

Fakat yerel olmama, anlık iletişim sistemleri kurmak için değerlendirilemez. Uzun mesafeli bir mesaj yollamak için parçacıkların spininden yararlanmaya kalkıştığınızda, spinin doğrultularından birini “0”ı, diğerini ise “1”i kodlamak için kullanabiliriz. Ancak “0” mı yoksa “1” mi gönderdiğinizi bilmek için, parçacığın spinini kontrol etmeniz gerekir. Ve bu kontrol de, anlık etki için kesinkes şart olan süperpozisyonu yok eder. Spini kontrol etmeden mesaj gönderdiğinizde ise, ” 1 ” mi yoksa “0” mı gönderdiğinizden emin olmanız yüzde 50’lik bir olasılığa tekabül eder. Bu belirsizlik düzeyi de hiçbir anlamlı mesajın iletilmesine izin vermez.

Dolayısıyla anında etki evrenimizin temel niteliklerinden biri olsa da, doğanın, gerçek bir mesaj gönderebilmemiz açısından bu unsurun değerlendirilemez olması için ne gerekiyorsa yapmakta olduğu ortaya çıkmaktadır. Işık hızı engelinin, gerçekte kırılmadan, kırılmasına izin vermesi de böyle bir durumdur. Doğa bir eliyle verdiğini, diğer eliyle gaddarca geri almaktadır.

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.

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.

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.

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.

Işık nedir? Madalyonun iki yüzü

Işık ve maddenin etkileşimi günlük yaşantımız açısından çok önemlidir. Ampul telindeki atomlar ışık yaymasaydı, evlerimizi aydınlatamazdık. Gözünüzdeki retina tabakasını oluşturan atomlar ışığı soğurmasaydı, bu kelimeleri okuyamazdınız. Problem şu ki, ışık bir dalga olsaydı, atomlar tarafından yayımlanması ve soğurulmasım açıklamak mümkün olmazdı.

Atom uzayda oldukça küçük bir boşluğa sabitlenmiş bir şeyken, ışık dalgası yayılan ve oldukça büyük boşluk kaplayan bir şeydir. Peki öyleyse, ışık atom tarafından soğurulduğunda, böylesi büyük bir şey nasıl olur da küçücük bir şeyin içine sığar? Ve ışık atom tarafından yayımlandığında, böylesi küçük bir şey nasıl olur da kocaman bir şeyi çıkartmayı başarabilir?

Sağduyumuzu kullanarak konuya yaklaşacak olursak, ışığın böylesine küçük ve uzayda belli bir yerde bulunan bir şey tarafından soğurulabilmesi veya yayımlanabilmesi için, ancak kendisinin de aynı oranda küçük ve belli bir yerde bulunan bir şey olması gerektiğini çıkarabiliriz.

Söylenegeldiği üzere, “bir yılanın içine en iyi sığan şey yine bir yılandır.”

Fakat ışık, dalga olarak biliniyordu. Fizikçiler için bu güç durumdan kurtulmanın tek yolu, umutsuzluk içinde kollarını açmaları ve ışığın hem dalga hem de tanecik olduğunu kabul etmeleriydi. Ancak aynı anda hem bir dalga gibi dağınık hem de uzayda yeri belli olan bir şey olamazdı. Gündelik hayatta bu tam anlamıyla doğrudur. Ne var ki, burada gündelik hayattan değil, mikroskobik dünyadan bahsediyoruz.

Atom ve fotonların mikroskobik dünyasının yakından tanıdığımız hiçbir şeye benzemediği ortaya çıkmaktadır. Hem, aşina olduğumuz nesnelerden milyonlarca kez daha küçük olduklarını düşünürsek, neden benzesinler ki?

Işık gerçekten de hem bir parçacık hem de bir dalgadır. Daha doğru bir ifadeyle , ışık, kullandığımız dilde herhangi bir karşılığı ve günlük yaşantımızda mukayese edebileceğimiz herhangi bir benzeri olmayan, “başka bir şeydir.”

Tıpkı bir madalyon gibi, tüm görebildiğimiz onun ya parçacık yüzü ya da dalga yüzüdür. Işığın gerçekte ne olduğu ise doğuştan görme engelli bir insan için renklerin ifade ettiği şey kadar bilinmezdir.

Işık bazen bir dalga, bazense parçacık akımı gibi davranır. Bu durum, 20. yüzyılın b aşlarında fizikçiler için kabul edilmesi çok güç bir şeydi. Fakat bir tercih şansları da yoktu; doğanın ortaya koyduğu net olarak buydu.

İngiliz fizikçi William Bragg, 192l’de, “Pazartesi, çarşamba ve cuma günleri dalga teorisini; salı, perşembe ve cumartesi günleri ise parçacık teorisini öğretiyoruz,” diyerek yaşanan ikilemi kendi mizahi bakış açısıyla değerlendirmişti.

Bragg’ın pragmatist yaklaşımı takdire şayan olsa da, bu mizahi bakış açısı fiziği yıkımdan kurtarmaya yeterli değildi. İlk olarak Einstein tarafından fark edildiği üzere, ışığın ikili dalga-parçacık doğası fizik için tam bir felaket demekti. Ortaya çıkan durum, yalnızca zihinde canlandırılması imkansız değil, aynı zamanda o güne dek bilinen tüm fizikle de tam bir uyumsuzluk içindeydi.