Kuantum dünyasında sonsuz derecede küçük parçacıklar, tuhaf ve mantığa aykırı davranışlar sıklıkla bulunmakta. Belki de bunların en tuhafı, nesnelerin iki veya daha fazla, görünüşte mantığa aykırı olan durumlarda aynı anda bulunması anlamına gelen süperpozisyon (üst üste binme) fikridir. Örneğin, kuantum mekaniğinin yasalarına göre, elektronlar aynı anda hem saat yönünde hem de saat yönünün tersi yönde spinlere sahip olabilir veya hem kararlı hem de uyarılmış durumlarda aynı anda bulunabilir.

Fizikçi Erwin Schrödinger, kuantum mekaniğinin yasalarına göre, bir kedinin bir kutu içerisinde radyoaktif kaynakla birlikte kapalı kaldığı ve hem ölü hem de diri olarak değerlendirilebilecek bir süperpozisyon halinde olduğuna dair bir düşünce deneyiyle, süperpozisyon fikrinin bazı tuhaf sonuçlarına 80 yıldan daha uzun bir süre önce dikkat çekmişti. O zamandan beri, bilim insanları parçacıkların gerçekten de kuantum ve atom altı seviyelerde süperpozisyon durumunda bulunabildiklerine dair deliller sağlamış durumdalar. Fakat böylesi tuhaf bir olayın büyük ölçekteki, günlük hayatımızda da gözlemlenip gözlemlenemeyeceği uzun zamandır üzerinde düşünülen bir sorun.

MIT fizikçilerinin son bulgularına göre, nötrino adı verilen atom altı parçacıklar, ayrı ayrı kimlikleri olmadan, kilometrelerce mesafeleri kat ederken süperpozisyon halinde bulunabiliyorlar. Physical Review Letters dergisinde yayınlanan bulguları, kuantum mekaniği yasalarına göre ölçülmüş en büyük mesafe olma özelliği taşıyor.

Durum Sınırları Boyunca Atom Altı Bir Yolculuk

Ekip, maddeyle çok az etkileşimde bulunan, herhangi bir etki göstermeden vücudumuzdan saniyede milyarlarcasının geçtiği nötrinoların salınım hareketlerini analiz etti. Nötrinolar, evrende ışık hızına yakın bir hızda yol alırken salınımlar yapabilir veya birbirinden farklı birkaç “çeşit” arasında değişebilir.

Araştırmacılar, verilerini Fermilab Ana Enjektör Nötrino Salınım Araştırması veya kısaca MINOS (İngilizce: Fermilab’s Main Injector Oscillation Search)’dan, yani nötrinoların, Chicago yakınlarındaki bir merkezde diğer yüksek enerjili hızlandırılmış parçacıkların saçılmasıyla üretilerek, 735 kilometre ötedeki Minnesota’daki bir detektöre gönderildiği bir deneyden elde ettiler. Nötrinolar, Illinois’i tek bir çeşit halinde terk etmelerine rağmen, yolculukları boyunca salınım yapabilirler ve Minnesota’ya tamamıyla farklı bir çeşitte ulaşabilirler.

MIT ekibi, Illinois’te üretilen nötrino çeşitlerinin dağılımı ile Minnesota’da tespit edilen nötrinoların dağılımlarını karşılaştırdılar ve bu dağılımların bir kuantum olgusuyla rahatlıkla açıklanabileceğini buldular: Nötrinolar reaktör ile detektör arasında hızlanmış oldukları için, istatistiksel olarak, büyük olasılıkla herhangi bir kesin çeşit veya kimliğe sahip olmadan süperpozisyon halinde bulundular.

Dahası, araştırmacılar, maddenin nasıl davranacağına yönelik daha klasik açıklamalarla, verilerin “yüksek gerilim” içerisinde olduklarını buldular. Özellikle, verilerin, nesnelerin süperpozisyon durumunda bulunmaktan ziyade daima kesin özelliklerde bulunduğu, Einstein’ın zamanında araştırmış olduğu herhangi bir model ile açıklanabilir olması istatistiksel olarak pek mümkün değildi.

MIT’den fizik profesörü olan David Kaiser: "Burada etkileyici olan şeyin, pek çoğumuzun kuantum mekaniğinin küçük ölçeklerde geçerli olduğunu düşünmeye eğilimli olmamız. Fakat sonradan fark ettik ki süreçleri büyük mesafelerde gerçekleştiği şeklinde tanımlasak bile, kuantum mekaniğinden kaçamıyoruz. Bu şeyler yüzlerce kilometre yol katettiği bir halden çıkıp diğerine girdikleri zaman bile kuantum mekaniksel tanımlamalarımızı bırakamıyoruz. Bence bu oldukça nefes kesici." diyor.

Ters Dönmüş Eşitsizlik

Ekip, MINOS verilerini, Legget-Garg eşitsizliği adındaki, ismini geliştiricileri olan fizikçiler Anthony Leggett ve Anupam Garg’dan alan, iki veya daha fazla ayrık duruma sahip bir sistemin kuantum veya klasik modelde davranıp davranmadığını test etmek üzere türetilmiş matematiksel bir ifadenin kısmen değiştirilmiş bir halini kullanarak analiz ettiler.

Leggett ve Garg, böylesi bir sistemin ölçümlerinin ve ölçümler arasındaki istatistiksel ilişkilerin, klasik veya kuantum fiziği yasalarına göre davranıp davranmadığına bağlı olarak farklı olması gerektiğini fark ettiler.

Kaiser bu durumu şöyle açıklıyor: “Süperpozisyon veya realizm durumunda bulunup bulunmadığına göre, tekil bir sistemin ölçümleri arasındaki korelasyonlara dair zamanla farklı öngörülerde bulunacağını fark ettiler." Burada “realizm” kavramı, Einstein türü modelleri, yani parçacıkların daimi bazı kesin durumlarda bulunduğu modelleri ifade ediyor.

Formaggio, zamanla tekrarlanan ölçümlerin değil, nötrino enerjileri aralığındaki ölçümlerin uygulanması için ifadenin kısmen değiştirilmesi gerektiği fikrine sahipti. MINOS deneyinde, çeşitli enerjilerde çok büyük sayıda nötrinolar üretiliyor, sonrasında ise Kaiser’e göre, Dünya’ya doğru, sert bir kayaya doğru yalpalayarak ilerliyor ve çok az bir tutamı detekte ediliyor, 735 kilometre uzaklıkta.

Leggett-Garg eşitsizliğinin Formaggio versiyonuna göre, nötrino çeşitlerinin dağılımı (detektöre ulaşmayı başarabilen tip nötrinolar), nötrinoların üretildiği enerjilere bağımlı olmalıydı. Dahası, bu çeşitlerin dağılımı, nötrinoların yolculukları boyunca belirli kimliklere sahip olduğu veya herhangi bir kesin çeşitte bulunmadan süperpozisyon halinde olduğu varsayıldığında, tamamıyla farklı görünmeliydi.

İçinde Yaşadığımız Büyük Dünya

Leggett-Garg ifadesinin düzenlenmiş versiyonunu salınım yapan nötrinolara uyguladıklarında, ekip detektöre ulaşmayı başaran nötrinoların dağılımını, Einstein benzeri bir teoriyle uyumlu klasik bir biçimde veya bir kuantum halinde, süperpozisyon durumunda olup olmadıklarını önceden tahmin etmeyi başardı. Önceden tahmin ettikleri dağılımları karşılaştırdıklarında, aralarında adeta bir örtüşme olmadığını fark ettiler.

Daha da önemlisi, bu dağılımları MINOS deneyinde gözlemlenen nötrino çeşitlerinin gerçek dağılımıyla kıyasladıklarında, verilerin bir kuantum sistemi için öngörülen dağılıma doğrudan uyduğunu buldular. Bu da nötrinoların büyük olasılıkla; detektörler arasında yüzlerce kilometre yol kat ederken tek başlarına kimlikleri olmadığı anlamına geliyor.

Peki ya bu parçacıklar hayalet gibi, ne orada ne de burada var olan bir tür kuantum fiziği hayaletimsileri olmaktan ziyade, aslında her bir zaman diliminde belirgin çeşitlerde olsaydı? Bu nötrinolar, Einstein’ın realizm tabanlı görüşüne uygun şekilde davransalardı? Her şeye rağmen, cihazlardaki hatalardan dolayı istatistiksel rastlantılar olabilirdi, bu da araştırmacıların gözlemlediği nötrino dağılımını yine de üretebilirdi. Kaiser’e göre, durum bu olsaydı ve “dünya Einstein’ın sezgilerine tamamıyla itaat etseydi”, gözlemlenen verileri hesaba katan böylesi bir modelin oluşması “milyarda birlik” bir ihtimal olurdu.

Kaiser araştırmaya dair şöyle bir yorumda bulunuyor: "İnsanların aklını kurcalayan şey, kuantum mekaniğinin nicelik bakımından kesin olması ve hal böyle iken tüm bu kavramsal yükle birlikte gelmesi. İşte bu yüzden böylesi deneyler hoşuma gidiyor: Bırakalım bu parçacıklar çoğu insanın sıradan bir aile yolculuğu sırasında kat ettiklerinden fazla yol alsın ve içinde yaşadığımız büyük dünyaya doğru, yüzlerce kilometrelik mesafede dalış yaparken bunları izleyelim, sadece kuantum mekaniğinin garip dünyasında değil. Ve o zaman bile kuantum mekaniğinin ilkelerini kullanmayı bırakamayız, Kuantum etkilerinin makroskopik mesafelerde de var olmaya devam ettiğini gözlemleriz."

---

Kaynak ve İleri Okuma:
- J. A. Formaggio, D. I. Kaiser, M. M. Murskyj, and T. E. Weiss. Violation of the Leggett-Garg inequality in neutrino oscillations. Phys. Rev. Lett., 2016 (accepted)
- Weird quantum effects stretch across hundreds of miles. Phy.org.
http://phys.org/news/2016-07-weird-quantum-effects-hundreds-miles.html (accessed on August 8, 2016)

---