2016 yılı Mayıs ayında yapılan bir deneye göre, kuantum mekaniğinin farklı bir yorumlanışı olan ve atomaltı dünyanın en şaşırtıcı özelliklerinden bazılarını gerektirmeyen Pilot Dalga Kuramı'na karşı onlarca yıldır yapılan eleştiriler boşa çıkabilir. Toronto Üniversitesi'nden fizikçi Aephraim Steinberg ve meslektaşlarının gerçekleştirdiği çalışmanın ayrıntıları Science Advances dergisinde yayımlanan bir makale ile açıklandı.

Bohm Mekaniği

Kuantum mekaniğinin, gündelik yaşamdan edindiğimiz sağduyuya aykırı gelen özelliklerinden biri, parçacıkların gözlemlenene dek kesin bir konumlarının olmamasıdır. Bunu sindirmek zor olsa da, kuantum mekaniğinin Kopenhag Yorumu olarak adlandırılan standart değerlendirme böyledir. Newton fiziğindeki açıkça belli konumlar ve hareketler yerine, dalga fonksiyonu olarak adlandırılan bir matematiksel yapı ile tanımlanan olasılık bulutları vardır. Dalga fonksiyonu zamanla değişirken, bu değişim Schrödinger Denklemi ile kodlanan kesin kurallara uyar. Matematik yeterince nettir, ama parçacıkların gerçekte nerede oldukları pek öyle sayılmaz. Bir parçacık gözlemlenene kadar, yani dalga fonksiyonunun çökmesine neden olacak bir gözlemlenme olayına maruz kalana dek, konumu hakkında bir şey söylenemez.

Albert Einstein'ın da aralarında bulunduğu çok sayıda bilimci buna karşı çıkmıştır. Einstein'ın biyografisini yazan Abraham Pais şöyle der: "Nesnel gerçekliğe ilişkin düşünceleri üzerinde sıklıkla tartışmışızdır. Bir yürüyüşümüz esnasında birden durup bana dönerek, Ay'ın sadece biz ona baktığımızda varolduğuna gerçekten inanıp inanmadığımı sorduğunu anımsıyorum."

Aslında kuantum mekaniğinde parçacıkların daima net bir konumlarının olduğu bir başka değerlendirme daha var; hem de neredeyse 100 yıldan beri. Bu alternatif bakış açısı Pilot Dalga Kuramı veya Bohm Mekaniği olarak biliniyor. Hiçbir zaman Kopenhag Yorumu kadar popüler olmamasının nedeni, büyük olasılıkla dünyanın başka açılardan daha da garip bir yer olmasını gerektirmesi olsa gerek.

Özellikle 1992 yılında yapılan bir çalışmada Bohm Mekaniği'nin acayip sonuçları gözler önüne serildi, ki bu kavramsal yönden ölümcül bir darbe gibiydi. Söz konusu makalenin yazarları şu sonuca varmıştı: Bohm Mekaniği kurallarına uyan bir parçacığın sonunda izleyeceği yörünge (kuantum kuramının çarpıttığı standartlara göre bile) öylesine "fiziksel olmayan" bir hal alır ki, gerçeküstü (sürreal) sıfatını hak eder.

Bu düşünceyi sınamayı amaçlayarak çeyrek asır kadar sonra yapılan Toronto deneyinin sonuçları, eğer ayrıntılı çözümlemelerden sağlam çıkmayı başarırsa, geleneksel yorumdan daha az bulanık fakat kimi açılardan daha da acayip olan Bohm Mekaniği'nin sahalara dönüşüne tanık olabiliriz.

Pilot Dalga Denklemi

Bohm Mekaniği ilk olarak 1927'de Louis de Broglie tarafından önerilmiş, daha sonra bağımsız olarak 1952'de David Bohm tarafından ortaya atılmış ve 1992'deki ölümüne dek geliştirilmişti. Bu yüzden "de Broglie–Bohm Kuramı" olarak adlandırıldığı da olur.

Kopenhag yorumunda olduğu gibi, burada da Schrödinger Denklemi yönetiminde bir dalga fonksiyonu bulunur. Yanı sıra, her parçacığın gözlenmediği zaman bile belli bir konumu vardır. Parçacıkların konumundaki değişimler bir başka denklemle verilir: Pilot Dalga Denklemi (Yöneltme denklemi, ). Kuram bütünüyle deterministiktir; eğer sistemin başlangıç durumunu biliyorsanız ve elinizde dalga fonksiyonu varsa, her parçacığın son konumunu hesaplayabilirsiniz.

Bu sanki klasik mekaniğe geri dönüş gibi gelebilir, ama çok önemli bir fark var. Klasik mekanik bütünüyle yereldir; sadece birbirlerine bitişik şeyler birbirlerini etkileyebilirler (veya elektrik alan gibi bir tür alan yoluyla etki edebilirler ve bu etki ışık hızını aşamaz). Kuantum mekaniği ise tam tersine, yapısal olarak yerel değildir (İng. non-local). Bu yerel olmayışın en iyi bilinen örneği, Einstein'ın da 1930'larda kafa yorduğu, birbirleri ile bir şekilde bağlı olan parçacıklardan biri ölçüldüğünde, çok uzakta olsa bile diğerinin durumunun etkilenmesi olayıdır. Einstein bu düşünceyi gülünç bularak, alaycı bir tonda "uzaktan hayaletimsi etki" tabirini kullanıyordu. Ancak 1980'lerden başlayarak yapılan çok sayıda deney, bugün dolaşıklık adını verdiğimiz bu etkinin doğruluğunu onayladı.

Bohm'un bakış açısından yerel olmayış daha da belirgindir. Herhangi bir parçacığın izlediği yol, aynı dalga fonksiyonu ile tanımlanan tüm diğer parçacıkların ne yaptığına bağlı olur. En önemlisi de, dalga fonksiyonunun coğrafik limiti yoktur. İlkesel olarak, tüm evreni kapsayabilir. Bu da tüm uzayın tuhaf biçimde birbirine bağlı olduğu anlamına gelir; en uzak uçların bile. Rutgers Üniversitesi'nden Sheldon Goldstein'ın yazdığı gibi, dalga fonksiyonu uzak parçacıkları tek bir indirgenemez gerçeklikte birleştirir¹.

Çift Yarık Deneyi

Bohm ve Kopenhag yorumları arasındaki fark, klasik çift yarık deneyine baktığımızda daha açık şekilde anlaşılabilir. Deneyde parçacıklar, örneğin elektronlar bir çift dar yarıktan geçerek, varışlarının kaydedileceği bir ekrana düşerler. Elektronlar dalga gibi davranarak, ekranda "girişim deseni" adı verilen belli bir desen oluştururlar. İşin en olağanüstü yan da, bu elektronlar teker teker gönderildiklerinde, sanki her biri tek başına iki yarıktan birden aynı anda geçmişçesine, yine yavaş yavaş girişim deseni oluştururlar.

Kopenhag yorumunu kabul edenlerin, bu türden olaylarla yaşamaya alışması gerekir. Sonuçta biz ölçene dek bir parçacığın nerede olduğundan söz etmek anlamsızdır. Bazı fizikçiler bunun yerine, kuantum mekaniğinin Çoğul Dünyalar Yorumu'nu (İng. Many Worlds Interpretation) kabul eder. Çoğul Dünyalar Yorumu'na göre bazı evrenlerdeki gözlemciler elektronun sol yarıktan geçtiğini görürken, diğer evrenlerekiler de sağ yarıktan geçtiğini görür. Sonsuz sayıda göremediğiniz evrenin olabileceği düşüncesi sizi rahatsız etmiyorsa, bu yorum gayet iyidir.

Buna kıyasla Bohm görüşü daha yumuşak sayılabilir: Elektronlar gerçek parçacıklar gibi davranır. Herhangi bir andaki hızları, dalga fonksiyonuna bağlı olan pilot dalga tarafından bütünüyle belirlenmiş durumdadır. Bu bakış açısına göre, her elektron bir sörfçüye benzer: Zamanın her bir anında belli bir yeri işgal eder, yine de hareketi yayılan dalganın hızı tarafından belirlenir. Elektronun hangi yarıktan geçeceği pilot dalga tarafından net bir şekilde belirlenmiş olmakla birlikte, pilot dalga yarıkların ikisinden de geçer. Sonuçta ortaya çıkan desen, standart kuantum mekaniğinde görülenle aynıdır.

Çift Yarık Deneyi: Bir dedektörün önünde bulunan paralel iki yarıklı bir panele elektron demeti gönderilir. Eğer elektronlar dedektöre varana dek hiçbir gözlem yapılmazsa, elektron demeti bir girişim deseni oluşturur (A). Ancak eğer her bir elektronun hangi yarıktan geçtiğini saptayacak bir gözlem yapılırsa, girişim deseni oluşmaz (B).
Kopenhag Yorumu: Herhangi bir gözlem yapılmadığı sürece, elektronların belli konumları yoktur. Her elektron tıpkı bir dalga gibi yaygındır ve yarıkların ikisinden de eşzamanlı geçer. Kendisiyle girişim yaparak girişim deseni oluşturur. Eğer her elektronun hangi yarıktan geçtiğine ilişkin gözlem yapılacak olursa, elektron konumu belli bir noktaya çöker (dalga fonksiyonu çöker) ve girişim deseni oluşmaz.
Pilot Dalga Yorumu: Bohm mekaniğinde her elektronun konumu daima bellidir; bunu bilen hiçbir gözlemci olmasa bile. Elektron, konumunu etkileyen yönlendirici bir “pilot dalga” tarafından itilir. Elektronun kendisi yarıklardan sadece birinden geçse de, pilot dalga ikisinden birden geçer. Pilot dalgadaki girişim, gözlemlenen desene neden olur. Yarıklarda yapılacak bir gözlem, pilot dalgayı çökertir ve elektronun nerede olduğunu gösterir.
Telif: Lucy Reading-Ikkanda

Gerçeküstü Rotalar

Bazı kuramcılara göre, Bohm yorumunun karşı konulmaz bir çekiciliği vardır. "Kuantum mekaniğini anlamlandırmak için tek yapmanız gereken, kendinize şöyle demek: Parçacıkları hakkında konuşurken, gerçekten de parçacıkları kastediyoruz. O zaman tüm sorunlar yok oluyor. Nesnelerin konumları belli. Belli bir yerdeler. Eğer bu fikri ciddiye alırsanız, kendinizi anında Bohm'da bulursunuz. Bu ders kitaplarında bulacağınızdan çok daha basit bir kuantum mekaniği versiyonudur," diyor Goldstein. Tabi herkes böyle düşünmüyor. Yıllardan beri Bohm görüşü kabul görmek için uğraşıyor, ama hep Kopenhag yorumunun ve hatta Çoğul Dünyalar yorumunun da gerisinde kalıyor.

Konuya ilişkin dikkate değer bir ilgi, Aralık 1992'de Zeitschrift für Naturforschung A dergisinde yayımlanan ve yazarlarının soyadlarının baş harflerinden oluşan ESSW kısaltmasıyla anılan "Gerçeküstü Bohm Yörüngeleri (İng. Surrealistic Bohm Trajectories)" başlıklı makale sonucunda ortaya çıkmıştı².

ESSW makalesi, çift yarık deneyi sırasında parçacıkların basit Bohm yolları izleyemeyeceğini iddia ediyordu. Yarıkların yanlarına birer dedektör yerleştirdiğimizi ve hangi parçacığın hangisinden geçtiğini kaydettiğimizi varsayalım. ESSW deneyi bir fotonun sol yarıktan geçtiği halde, Bohm bakış açısından sağ yarıktan geçmiş olarak kaydedilebileceğini gösterdi. Bu olanaksız görünüyor; ESSW makalesine göre fotonlar gerçeküstü yolları izlemiş varsayılıyor. Bu argüman, Bohm yorumuna yapılmış ciddi bir felsefik itirazdı.

Şubat ayında yayımladıkları makalede ESSW deneyini gerçekten yaptıklarında neler olduğunu anlatan Toronto ekibi, foton rotalarının hiç de gerçeküstü olmadığını buldu. Daha açık konuşmak gerekirse, rotaların gerçeküstü görünmesi olayı ile ancak Bohm kuramında yapısal olarak bulunan yerel olmayış hesaba katılmazsa karşılaşılabileceğini belirtiyorlar.

Toronto Deneyi

Steinberg ve ekibinin gerçekleştirdiği deney, standart çift yarık deneyine oldukça benziyor. Elektronların yerini fotonlar alıyor ve bunlar iki yarığa değil, bir demet ayırıcıya (kutuplanmasına bağlı olarak fotonu iki yoldan birine yönlendiren aygıta) gönderiliyorlar. Fotonlar, son konumlarının ölçülmesi için geleneksel deneydeki ekran yerine tekil-foton kamerasına ulaşıyorlar. "Parçacık hangi yarıktan geçti?" sorusu da böylece "Foton hangi yolu izledi?" sorusuna dönüşüyor.

Buradaki önemli nokta, araştırmacıların bireysel fotonlar değil, dolaşık fotonlar kullanmış olması. Bu sayede bir fotonu sorgulayarak diğer foton hakkında bilgi edinebiliyorlar. İlk foton demet ayırıcıdan geçtiğinde, ikinci foton ilkinin hangisinden geçtiğini "biliyor". Ekip ikinci fotondan aldığı bu bilgiyi kullanarak, ilkinin rotasının izini sürebiliyor. Her dolaylı ölçüm, sadece bir adet yaklaşık değer veriyor ama bilimciler çok sayıda ölçüm yapıp ortalama alarak, ilk fotonun rotasını ortaya çıkarabiliyorlar.


Ekip fotonların izlediği yolun gerçekten de gerçeküstü gibi göründüğünü buldu; tıpkı ESSW öngörüsünde olduğu gibi. Foton bazen ekranın bir tarafına çarparken, dolaşık eşi diğer yoldan gittiğini söylüyordu. Peki ama ikinci fotonun verdiği bilgiye güvenilebilir mi? İşte çalışmanın en önemli kısmı burada: Steinberg ve çalışma arkadaşları, ilk fotonun hangi yolu izlediğine ilişkin soruya alınacak yanıtın, sorunun ne zaman sorulduğuna bağlı olduğunu ortaya koydu.

İlk başta, yani birinci foton demet ayırıcıdan geçtikten hemen sonra izlediği yol, ikinci foton ile güçlü bir bağlaşıklık içindedir. Fakat ilk foton uzaklaştıkça, ikinci fotonun bilgisi giderek güvenilirliğini yitirir. Bunun nedeni yerel olmayıştır. Fotonlar dolaşık olduklarından, ilk fotonun izlediği yol ikincisinin kutuplanmasını etkileyecektir. İlk foton ekrana ulaştığında, ikincisinin kutuplanmasının her iyi yönde olma olasılığı da eşitlenir. Dolayısıyla bu aşamada, ilk fotonun izlediği yola ilişkin bir fikri kalmaz.

Steinberg sorunun Bohm rotalarının gerçeküstü olması olmadığını ifade ediyor. Sorun ikinci fotonun öyle olduğunu söylemesi, ki yerel olmayıştan dolayı onun sözüne güvenemiyoruz.

 

---

Kaynak: Quanta Magazine, "New Support for Alternative Quantum View"
< https://www.quantamagazine.org/20160517-pilot-wave-theory-gains-experimental-support/ >

İlgili Makale: Science Advances, "Experimental nonlocal and surreal Bohmian trajectories"
< http://advances.sciencemag.org/content/2/2/e1501466 >

Notlar:
http://plato.stanford.edu/entries/qm-bohm/#nl
http://www.degruyter.com/view/j/zna.1992.47.issue-12/zna-1992-1201/zna-1992-1201.xml

---