Kuantum parçacıklar garip biçimlerde davranır ve onlar üzerinde deneysel çalışma yapmak çoğu zaman zordur. Oyun kuramından alınan matematiksel yöntemler kullanarak Ludwig Maximilian Üniversitesi fizikçileri, aynı durumda bulunmayı seven bozonların nasıl çoklu gruplar oluşturabildiğini gösterdiler.

Bilimciler kuantum parçacıkların gizemli davranışını incelerken, kısa sürede deneysel araştırma limitlerine dayandılar. O noktadan sonra ilerleme ancak kuramsal düşüncelerle mümkündü. NIM (Nanosystems Initiative Munich) araştırmacısı Prof. Erwin Frey ile İstatistiksel ve Biyolojik Fizik Bölümü'ndeki ekibi de bozonların davranışı üzerinde çalışmak için bu yolu izledi. Bozonlar, birlikte kümelenen kuantum parçacıklardır. Ama oyun kuramının matematiğinden ödünç aldıkları yöntemler uygulayarak, fizikçiler bozonların hangi koşullar altında çoklu gruplar oluşturduklarını açıklamayı başardı.

Sosyal bozonlar

Doğada iki tür parçacık bulunur: Fermiyonlar ve bozonlar. Bir parçacığın bunlardan hangisi olduğu, içsel açısal momentumuna yani spinine bağlıdır. Fermiyonların spini hep buçuklu değerler alır ve bunlara en bilinen örnek elektrondur. Bozonların ise spini tamsayı olur; fotonların olduğu gibi.

Tabi eğer spini tamsayı ise bir atom da bozon gibi davranır. Bozonlar sosyal takılmayı sever. İsterler ki hepsinin dalgaboyu aynı olsun; yani fizikçilerin deyişiyle aynı kuantum durumunda olmak isterler. Bozonlar mutlak sıfıra yakın bir noktaya kadar soğutulduklarında ise sanki tek bir "süper-parçacık"mışlar gibi davranmaya başlayabilirler. Bunun nedeni o kadar düşük sıcaklıklarda tüm bozonların mümkün olan en düşük enerji düzeyine düşmekte ısrar etmeleridir.

Söz konusu süper-parçacığa "Bose-Einstein yoğuşuk maddesi" adı verilir. Burada 'yoğuşuk madde' terimi, tümü aynı biçimde davranan bir grup parçacığı ifade etmektedir. Böyle bir nesnenin yaratılabileceği ilk olarak 1924 yılında Bose ve Einstein tarafınfan kuramsal olarak öne sürülmüştür. 1990'lı yıllarda ultra-soğuk gazları inceleyen deneyciler bu yıllanmış öngörüyü doğrulamıştır.

Grup oluşumu

Bozonların çok sayıda yoğuşuk madde oluşturabilme becerileri olması gerektiği bilimcilerin aklına yakın zamanda gelmiş bir düşünce. Ancak bunun gerçekleşmesi için, bozonların dışarıdan sürekli enerji takviyesi alan açık bir sistemde bulunması gerekiyor. Enerji beslemesi örneğin lazer ile yapılabilir ve her bir bozon çevreye enerji salar. Nature Communications dergisinin son sayısında Erwin Frey ve ekibi, bozonların denge durumunda olmayan böyle sistemlerde neden çoklu yoğuşuk maddeler hâlinde gruplaştığını açıklıyor.

Fizikçiler çoklu grup oluşumunu açıklamak için oyun kuramından yararlanmışlar. Bu matematiksel kuram çok çeşitli amaçlarla kullanılıyor. Sağladığı en büyük avantaj, toplulukların davranışlarını ve etkileşimlerini açıklayabiliyor olması. Oyundaki her katılımcının kendi stratejisi var; bu "ajan" ister avını kovalayan bir avcı olsun, isterse taş-kağıt-makas oynarken taş taktiğini izleyen bir çocuk. Basitliğinden ötürü taş-kağıt-makas oyunu, oyun kuramının en ünlü modellerindendir. Ama kuram çok daha ciddi karar verme süreçlerini ve toplulukların düşünce geliştirmesini tanımlayabilir. Son çalışma ise kuramın toplu bozon davranışına bile uyarlanabileceğini ortaya koyuyor.

Düzen zaman içinde belirir

Frey'in ekibinden doktora öğrencisi Johannes Knebel şöyle diyor: "Kuramımız sezgisel bir kavramı temel alıyor. İlk başta her bozon kendi kafasına göre hareket eder. Ama sisteme enerji giriş-çıkışı olabildiği için bozonlar eninde-sonunda belli kuantum durumlarında toplanır. Benzer biçimde, farklı stratejilere sahip çok sayıda oyuncunun teke tek karşılaştığı bir oyunda sadece başarılı stratejiler kalır; diğerleri zamanla kaybolup gider. Bir yuvarlak masa toplantısında bile aynı dinamik gözlemlenebilir. Önce herkesin farklı bir düşüncesi vardır. Bir süre sonra ise az sayıda düşünce katılımcı grupları tarafından benimenmiş olur." Knebel'in vurguladığı gibi zamanla beliren düzen, entropinin azalması cinsinden formüle edilebiliyor. Bu da bozonların toplu davranışlarına rehberlik ediyor.

Bilimciler kuantum sistemlerinin doğasını bütünüyle anlamak ve uygulama geliştirmek için sabırsızlanıyor. "Bulgularımızın doğrudan bir uygulama alanı şu an için yok. Bununla beraber, bu tür çok temel düzeyli araştırmaların beklenmedik buluşlara yol açması da hiç nadir değil. Örneğin bozonların toplu davranışına ilişkin çalışmalar daha şimdiden süper-akışkanlık ve süper-iletkenlik teknolojilerinin geliştirilmesine katkıda bulundu," diyor Frey. Yanıtlanmayı bekleyen asıl soru ise kuramcıların bu çalışmasının deneyciler tarafından onaylanıp onaylanmayacağı.