Fizikteki en şaşırtıcı çıkarımlardan biri şudur: Bir karmaşık (İng. complex) sistem kendi hâline bırakıldığında, gelecekteki bir anda, neredeyse tam tamına aynı başlangıç durumuna döner. Örneğin bir kabın içinde kaotik biçimde dolaşan gaz parçacıkları, bir süre sonra hemen hemen aynı başlangıç konumlarına dönebilir. “Poincaré Yineleme Teoremi” adı verilen bu teorem, modern kaos kuramının temelidir. Onlarca yıldır fizikçiler bu teoremin kuantum fiziğine nasıl uygulanabileceğini araştırıyorlardı ve sonunda Viyana Üniversitesi’nden araştırmacılar, çok-parçacıklı bir kuantum sisteminde bir çeşit “Poincaré yinelemesi” olduğunu göstermeyi başardı.

19.yüzyılın sonlarında Fransız bilimci Henri Poincaré, tam bir doğrulukla çözümlenemeyecek olan sistemleri ele aldı; örneğin çok sayıda gezegen ve gezegencik (asteroid) bulunan bir güneş sistemi ya da birbirlerine çarpıp duran gaz parçacıklarının oluşturduğu sistem gibi. Bulduğu sonuç hayret uyandırıcıydı: Fiziksel olarak olanaklı olan her durum, zamanın birinde sistem tarafından işgal edilecekti. Eğer yeterince uzun süre beklersek, günün birinde tüm gezegenler düz bir çizgi üzerinde dizilecekti; tamamen tesadüfi olarak. Kutu içindeki gaz parçacıkları ilginç desenler sergileyecekti ya da deney başladığından bulundukları duruma geri döneceklerdi.

Kuantum Sistemlerinde Yineleme Olur mu?

Kuantum sistemleri için de benzer bir teorem kanıtlanabilir. Fakat orada bütünüyle farklı kurallar geçerlidir: “Kuantum fiziğinde, problemi ele almanın bütünüyle yeni bir yolunu bulmamız gerekir. Çok temel nedenlerden dolayı, çok sayıda parçacıktan oluşan büyük bir kuantum sisteminin durumu asla tam olarak ölçülemez. Bundan başka, parçacıklar bağımsız nesneler olarak ele alınamaz; onların kuantum mekaniksel olarak dolaşıklaştıklarını hesaba katmamız gerekir,” diyor Viyana Teknik Üniversitesi’nden Prof. Jörg Schmiedmayer.

Kuantum sistemlerde Poincaré yinelemesi etkisinin gösterilmesine yönelik bazı girişimler daha önce olmuştu; fakat şimdiye dek bu sadece durumları oldukça net ölçülebilen çok az sayıda parçacıkla yapılabilmişti. Bu iş aşırı derecede karmaşık ve sistemin başlangıç durumuna dönmesi içi gereken süre, parçacık sayısının artışıyla dramatik biçimde büyüyor.

Schmiedmayers ve ekibi ise farklı bir yol tutmuş: “Biz sistemin içsel durumunun tamamıyla ilgilenmedik, ki zaten bu ölçülemezdi. Onun yerine şu soruyu sorduk: Sistemin bütünü hakkında bize ilginç bir şeyler söyleyebilecek hangi nicelikleri gözlemleyebiliriz? Ve acaba bu toplu niceliklerin başlangıçtaki durumlarına geri döneceği zamanlar var mıdır?” diyor ekipten Bernhard Rauer.

Bu amaçla Viyana ekibi, bir çip üzerinde elektromanyetik alanlarla yerinde tutulan ve binlerce atomdan oluşan ultra-soğuk bir gazın davranışlarını inceledi. “Böyle bir kuantum gazının özelliklerini tanımlayan birkaç farklı nicelik var; örneğin gazdaki eşevrelilik (İng. coherence) uzunlukları ve uzaydaki farklı noktalar arasındaki bağlaşıklık (korelasyon, fonksiyonları gibi. Bu parametreler bize parçacıkların kuantum mekaniksel etkiler ile ne kadar yakından bağlantılı olduklarını söyler,” diyor bir diğer ekip üyesi Sebastian Erne.

Toplu Niceliklerde Yineleme Gözlemlenebilir

Tek bir parçacığa karşılık gelmeyip, sistemi bir bütün olarak karakterize eden böyle nicelikleri ölçerek, uzun zamandır aranan kuantum yinelemeyi gözlemlemek kesinlikle olanaklıydı. Üstelik sırf o da değil: “Atom çipimiz ile sistemin belli bir duruma dönmesi için gereken süreyi bile etkileyebiliyoruz. Bu tür bir yinelemeyi ölçerek, atomların toplu dinamiğine ilişkin çok şey öğreniyoruz; örneğin gazda sesin hızı ya da yoğunluk dalgalarının saçılma olayı hakkında,” diyor Schmiedmayer.

Böylece kuantum sistemlerin yineleme sergileyip sergilemeyecekleri hakkındaki soru nihayet yanıtlanmış oldu: Evet. Ama yineleme kavramının birazcık farklı tanımlanması gerekiyor. Sistemin içsel kuantum durumunun bütününü haritalamaya çalışmak yerine, kuantum deneylerinde ölçülebilecek niceliklere yoğunlaşmak daha mantıklı. Böyle niceliklerin başlangıç değerlerinden uzaklaştıkları ve sonunda yeniden başlangıç değerlerini alabildikleri gözlemlenebiliyor.