Erwin Schrödinger, daha kuantum mekaniğinin temellerinin atıldığı yıllarda (1935), üst üste binme (superposition) ilkesinin, büyük sistemlere uygulanması halinde, çok çarpıcı durumlarla karşılaşılacağını fark etmişti. Örneğin, Schrödinger’in adıyla anılan kurgu deneyde olduğu gibi, bir kedinin canlı ve ölü hallerinin üst üste bindiği durumlar ortaya çıkabilirdi.
Kuantum mekaniğinin getirdiği belki de en önemli yenilik, tamamen aynı şekilde hazırlanan özdeş sistemlerde yapılan yine özdeş ölçümlerin farklı sonuçlar verebilmesiydi. Gerçi kuantum mekaniği bu sonuçların gözlenme olasılıklarını tam bir kesinlikle veriyordu ama ölçüm öncesi için tahminde bulunmak, yıllar sonra John Bell’in de göstereceği gibi, düşünsel olarak dahi, mümkün değildi. Radyoaktif bir atom tarafından tetiklenen zehirli bir maddeyle aynı kutuya kapatılan kedi deneyi de buna bir örnekti. Deneyde, belirlenmiş bir sürede radyoaktif atomun bozunma olasılığı %50, atom bozunursa zehir açığa çıkıyor ve kedi ölüyor. Atomun bozunmadan (kedinin de canlı) kalmasıyla, atomun bozunup zehiri açığa çıkararak kedinin ölümüne yol açması durumları, kuantum mekaniğine göre bir gözlemci kutuyu açıp kedinin ne halde olduğuna bakmadan ayırt edilemezdi. Eğer atom, kuantum mekaniği yasalarına uygun şekilde bozunma öncesi ve sonrası hallerinin üst üste binmesiyle tasvir ediliyorsa aynı şey kedi içinde geçerli olmalı yani kutu açılıncaya kadar kedi hem ölü hem de canlı olmalıydı.
Farklı kuantum mekaniği yorumlamalarının amaçlarından biri de bu tür makroskopik hallerin ortaya çıkaracağı paradokslardan kaçınmaktı. En yaygın düşüncelerden biri, büyük sistemlerin çevreden yeterince yalıtılamayacağı ve bu nedenle kuantum özelliğinin (üst üste binme durumunun) kontrolsüz bir şekilde ortadan kalkacağı şeklindeydi. Fakat, aradan geçen zaman, giderek artan büyüklükteki sistemlerin de ancak kuantum kuramıyla izah edilebilen özellikler sergileyebildiğini gösterdi. Bir kedinin canlı ve ölü halleri iyi tanımlanmış durumlar olmayabilir ama yeterince büyük sistemlerin büyük ölçekte ayrılabilen hallerinin üst üste bindiği durumları artık gözleyebiliyoruz.
Kimi iletkenlerin çok düşük sıcaklıklarda (cıva için yaklaşık eksi 270 santigrat) dirençlerinin kaybolduğu 1911’de gözlenmişti. Süperiletkenlik adı verilen bu davranışın ancak kuantum mekaniğiyle izah edilebileceğinin anlaşılması için neredeyse yarım asır beklemek gerekti. Süperiletken kuantum girişim aygıtları (SQUID) çok duyarlı birer algılayıcı oldukları gibi günümüzde kuantum bilgisayarlarının temel yapı taşları olarak da kullanılıyor. SQUID’lerin bir diğer önemli katkısı, Schrödinger’in kedisi kadar büyük olmasa da, büyük ölçekte kuantum özelliklerini gözlediğimiz ilk sistemler olmalarıdır. Süperiletken bir halka üzerinde ters yöndeki iki akımın üst üste bindiği hallerin ölçülmesi, giderek daha büyük sistemlerde benzer özellikler gözlenebileceğinin ilk işaretleriydi. Akımın saat yönünde ve saatin tersi yönde aktığı durumların yaklaşık bir milyar elektronu ilgilendirdiğini düşününce SQUID deneylerinin önemi daha iyi anlaşılıyor.
Kuantum mekaniğinin çarpıcılığını en açık şekilde ortaya koyan deneylerden biri çift yarıkta girişim olayıdır. Gelişen laboratuvar teknikleri sayesinde sadece ışık tanecikleri fotonların değil tek tek gönderilen elektronların, atomların ve moleküllerin de üzerinde iki yarık olan bir plakayı geçerek tıpkı dalgalar gibi bir girişim deseni oluşturduklarını görmek mümkün oldu. Altmış karbon atomundan oluşan moleküller bunların en ilgi çekenlerindendi. Karbon atomları tıpkı futbol topunda olduğu gibi kimyasal bağları yirmi altıgen ve on iki beşgen oluşturan ve köşelerinde karbon atomlarının oturduğu altmış atomluk moleküller halinde bir araya gelebilirler. Yaklaşık bir nanometre çapındaki bu topların tek tek gönderildiği çift yarık sistemlerinde girişim gözlenmesi yani oldukça büyük olan bu moleküllerin hareketinin dalga özellikleri sergilemesi kuantum mekaniğinin bu ölçekte de belirleyici olduğunu gösteriyor. Yalnız bu deneylerde, tek tek atomların değil, moleküllerin kütle merkezlerin hareketlerinin gözlendiğine dikkat etmeliyiz. Gravitasyonel dalgaların tespiti için tasarlanan deneylerden birinde, onlarca kilogramlık bir bloğun kütle merkezinin kuantum mekaniksel özellikler gösterdiği, harmonik osilatör adı verilen sistem gibi davrandığı, iddialarını da yabana atmamak gerekiyor. Yeterince yalıtılmış yapıların, daha doğru bir deyişle serbestlik derecelerinin (örneğin kütle merkezi hareketinin) kuantum özellikleri sergilemesini önünde bir engel gözükmüyor.
Evrensel çekim yasası için, Descartes’a öykünerek “düşüyorum, öyleyse varım” demek yanlış olmasa gerek. Kaçınılmaz olarak tüm parçacıkları etkileyen bu kuvveti kuantum mekaniğiyle nasıl bağdaştıracağımızı bulduğumuzda, büyük ölçekli sistemlerin kuantum özelliklerini çok daha iyi anlayacağımızı umuyoruz.
Schrödinger’in kedisi, dolaşıklık (entanglement) adı verilen çok çarpıcı, Schrödinger’e göre en çarpıcı, kuantum davranışlarından birine de örnek teşkil ediyor. Kedi ve atom çekirdeği arasındaki bu ilintinin çok derin sorunlara yol açabileceğini ilk görenler de Albert Einstein, Boris Podolsky ve Nathan Rosen oldular.
Zafer Gedik
Sabancı Üniversitesi Mühendislik ve Doğa Bilimleri Fakültesi öğretim üyesi
