Kitap: Kuantum mekaniği kuramı ve tartışmalar

Yirminci yüzyılın başlarında bir avuç Avrupalı fizikçi, maddeyi oluşturan atomlar ya da ışığı oluşturan fotonlar gibi çok küçük cisimlerin davranışlarını belirleyen yasaları anlamak için yola çıktı. Sonuç olarak ürettikleri teori, garip olduğu kadar devrimciydi: Şimdiye dek yaratılmış en kesin fizik teorisi, kuantum mekaniği.Albert Einstein için kuantum mekaniğinin olasılıksal yönü tatmin edici değildi ve bu yüzden, 1920’lerin sonundan itibaren, teorinin iç çelişkilerini araştırmakla uğraştı. 1927’de Brüksel’de yapılan ünlü Solvay Kongresi‘nde Einstein, tek parçacıklı olaylar ve Heisenberg’in eşitsizlikleri ile ilgili birtakım çelişkilere işaret etmeye başlamış; ancak kongre boyunca, Einstein’ın formalizmdeki tutarsızlık gösterimlerinin her birine Danimarkalı fizikçi Niels Bohr karşı koymuş ve tatmin edici yanıtlar getirmişti. Einstein ve Bohr arasında şekillenmeye başlayan dev tartışma, gizemli bir fenomenin varlığını ortaya koyacaktı: kuantum dolanıklık (bir çift foton veya elektron gibi iki parçacık dolanık hâle geldiğinde, çok uzak mesafelerle ayrılmış olsalar bile özellikleri bakımından birbirlerine bağlı kalırlar).

Einstein’a göre dolanıklık, fiziksel gerçekliğin temel ilkelerinden biriyle çelişiyordu: Bu ilke, iki ayrı cismin birbirini anlık olarak etkileyemeyeceğini öngören yerellik (locality) ilkesiydi (bir cismin bir noktadaki değerinin yalnızca uzayda ve zamanda çok yakın bölgeler tarafından etkilenebileceği ilkesi). Einstein, dolanıklığın imkânsızlığından yola çıkarak, kuantum mekaniğinin—her ne kadar hesaplamalar bakımından son derece doğru sonuçlar verse de—eksik, yani tamamlanmamış bir teori olduğu sonucuna vardı. Einstein’ın görüşüne karşı koyan Bohr’a göre ise kuantum mekaniği kuramı, bizleri yerel olmayan bir dünya görüşünü kabul etmeye zorlasa da, eksiksizdi.

Jim Baggott ve John L. Heilbron’un Oxford University Press’ten çıkan Quantum Drama başlıklı yeni kitabı, Einstein ile Bohr’un önderliğinde gerçekleşip başka pek çok bilim insanını içine çeken, kuantum mekaniği ile ilgili bu büyük entelektüel çatışmayı ele alıyor. ^[1]J. Baggott ve J. L. Heilbron, Quantum Drama, from the Bohr-Einstein Debate to the Riddle of Entanglement, Oxford University Press, 2024.

***

20. yüzyıldan önce, cisimlerin hareketini hesaplamak için Newton’un klasik mekaniğine başvurulurdu. Klasik mekaniğin arkasındaki fikir basittir: Dünya, ölçülebilen özelliklere (konum, momentum, vb.) sahip cisimlerden oluşur. Newton mekaniğinin en büyük gücü, bu özelliklerin anlık değerlerini bilmemizi sağlayan formüller üretmiş olmasıdır. Günümüzde hâlâ sıkça kullanılmaktadır.

Atom ve temel parçacıklar düzeyinde geçerli olan kuantum mekaniğinde ise, işler oldukça farklıdır. Ölçüm yapılmadan önce cisimlerin özellikleri belirsizdir; teori, bir cisim üzerinde ölçüm yapılması durumunda, belirli bir değerin elde edilme olasılığının hesaplanmasına izin verir. Başka bir deyişle fiziksel değerleri yaratan, ölçüm olayının kendisidir.

Einstein, olasılık hesabının kullanımına elbette karşı değildi, hatta kendi çalışmalarında bu hesap türüne bizzat başvuruyordu; ancak onun itirazı, temel nitelikte bir teorinin olasılıkçı olamayacağı, olasılıkçı bir teorinin altında mutlaka daha kesin—teorinin ulaşamadığı birtakım “gizli değişkenler”in belirlediği—bir fiziksel gerçekliğin olması gerektiği yönündeydi.

Einstein, hayatının geri kalanını, Bohr ve Kopenhag Okulu’nun (Werner Heisenberg, Max Born, Wolfgang Pauli vd.) “yorum”una karşı mücadele ederek geçirecekti. Bu amaçla, 1935 yılında, kuantum mekaniğinin eksik olduğunu göstermek amacıyla fevkalade önemli bir makale yayımlayacaktı: Meslektaşları Boris Podolsky ve Nathan Rosen ile birlikte kaleme aldığı bu makale, yazarlarının soy isimlerinden dolayı tarihe “EPR makalesi” olarak geçecekti.

EPR makalesinde yazarlar, kuantum dolanıklığının yol açtığı çözümsüzlükleri göstermek amacıyla tasarlanmış bir düşünce deneyi yürütmeyi önerirler (quantum entanglement—kuantum dolanıklık—deyimini Schrödinger’e borçluyuz). Basitleştirerek, dolanık iki parçacık varsayalım. Yazarlara göre, ilk parçacığın (örneğin) konumu ölçüldüğünde, ikinci parçacık üzerinde yapılacak konum ölçümünün değeri tahmin edilebilirdi. Dolayısıyla ikinci parçacık, herhangi bir ölçümden bağımsız olarak belirli bir konum değerine sahiptir. Oysa kuantum mekaniği teorisi, herhangi bir cismin ölçüm öncesi fiziksel özelliklerinin bilinmediğini öne sürerek, bu değeri dikkate almamaktadır: Bu nedenle eksik bir teoridir ve tamamlanmaya muhtaçtır.

Niels Bohr, Einstein’ın saldırısının önemini anlamış ve yanıt vermeyi görev bilmişti. Bohr son derece derin bir fizikçiydi ancak EPR makalesine verdiği yanıtı anlamak gerçekten kolay değildir, çünkü Bohr’a göre iki parçacığın oluşturduğu küme—hatta buna ölçüm düzeneği de dahil edilmeliydi—bir bütündür: ölçülen cisim, bu bütünden soyutlanamaz. Dolayısıyla Bohr için EPR argümanı geçersizdir çünkü iki parçacığın her birine bağımsız bir gerçeklik atfetmek imkânsızdı: aralarındaki mesafe ne olursa olsun bu iki parçacık birbirine ‘bağlı’ydı. Kuantum dolanıklık, kuantum mekaniğinin yadsınamaz gerçeği olarak kabul edilmeliydi.

1949 yılına gelindiğinde Einstein tartışmayı şu şekilde özetlemiştir: İki iddiadan birini terk etmeliyiz: (1) Kuantum mekaniğinin açıklamaları eksiksizdir, (2) Uzamsal olarak ayrılmış iki cismin durumu birbirinden bağımsızdır. Başka bir deyişle, eğer kuantum mekaniği tamsa, o zaman fiziksel gerçeklik yerel değildir.

Günlük bilimsel/teknolojik çalışmalar üzerine etkisi olmadığından dolayı, zamanın fizikçilerinin çoğu Bohr-Einstein tartışmasına yabancı kalmıştır. Bu kişileri anlayabiliriz, çünkü onlar, olağanüstü pratik uzantıları olan kuantum mekaniğini her gün çalışmalarında kullanan insanlardı: Dolayısıyla sonuçta felsefi nitelikte bir tartışmayla kaybedecek zamanları yoktu. Kuantum mekaniği sayesinde örneğin kimyasal bağlar veya moleküllerin şekilleri anlaşılacak, transistor, lazer ve benzeri teknolojiler icat edilecekti.

Einstein’ın 1955’teki ölümü ardından kuantum mekaniği etrafındaki tartışmalar bir ölçüde hız kesti (Bohr 1962 yılında hayata veda edecekti). Ta ki bir gün John Bell adında İrlandalı bir fizikçi, Bohr-Einstein tartışmasını yeniden canlandırıp yepyeni bir mecraya oturtana kadar.

Meslektaşlarının çoğunun aksine Bell, Einstein’ın fikirlerine yakın, yerellik ilkesinin korunacağı, gizli değişkenlere başvuran yeni bir kuantum teorisi inşa etmeye çalıştı. Ancak 1964 yılında vardığı sonuçlar onu hayrete düşürdü: Yerelliğe dayalı herhangi bir teorinin kuantum mekaniğiyle matematiksel olarak uyuşamayacağını fark etti. Biraz farklı söylersek, Bell, özelliklerin yerel olduğunu varsaydığında, kuantum mekaniğiyle çelişen ve dolayısıyla kuantum mekaniğinin yanlış olduğunu gösteren eşitsizliklere ulaştı. Ancak kuantum mekaniğinin son derece kesin ve doğru olduğu gösterilmişti. Demek ki Einstein’ın eleştirisinin ana direğini oluşturan yerellik argümanı savunulamazdı…

Buraya kadar anlattığımızla başlayan kitap, ilerleyen bölümlerinde bizlere zaman olarak daha yakın gelişmeleri ele alıyor.

Bunlar arasında, Bell’in teorik sonuçlarını, dolanık fotonlar üzerinde yürüttüğü deneyler sayesinde doğrulayan ve bu nedenle iki meslektaşıyla birlikte 2022 Fizik Nobel Ödülü’ne layık görülen Fransız fizikçi Alain Aspect’nin çalışmaları yer alıyor.

Şunu da belirtelim ki bu kitapta yazarlar, sadece kuantum mekaniği kuramı ve onunla ilgili tartışmaları tasvir etmekle kalmıyorlar. Bunun ötesinde, örneğin kuantum kavramının fizikçiler, biyologlar ve filozoflar arasında yol açtığı fikir ayrılıklarına ve çekişmelere de yer vererek, konuyla ilgili oldukça geniş bir perspektif sunuyorlar. Bu vesileyle, özgür iradenin var olup olmadığı ve kuantum fiziği ışığında açıklanıp açıklanamayacağı konusunun günümüzde ortaya çıkan bir tartışma olmadığını, bilim insanlarını aslında oldukça erken bir tarihten bu yana meşgul eden bir konu olduğunu öğreniyoruz. Ayrıca kitabın, dönemin hâkim sosyo-politik koşullarını oldukça canlı bir şekilde yansıttığının altını çizelim. Yazarlar, kuantum enformasyon, kuantum kriptografi ve kuantum bilgisayar konularına da değiniyorlar son bölümlerde.

Quantum Drama’nın okunması, bir fizik eğitimi almamış okur için yer yer zor olabilir, kaldı ki bazı kavramların matematiğe başvurmadan açıklanamayacağı kabul edilmesi gerekir. Ancak kitabın büyük kısmı, genel okurun anlayabileceği tarzda yazılmış. Dolayısıyla eser hem fizikçilere, hem de genel anlamda bilim meraklısı okurlara hitap ediyor.

Sonuç olarak Quantum Drama, kuantum mekaniği ve onunla ilişkili çok boyutlu tartışma ve gelişmeleri açık bir dille aktaran ve toparlayan, günümüze dek yazılmış en iyi kitaplardan biri olarak ortaya çıkıyor. Hâlihazırda salt İngilizce versiyonu bulunan bu eserin dilimize çevrilmesi şüphesiz çok faydalı olacaktır.

Yazarlar Hakkında

Jim Baggott (d. 1957), bir İngiliz bilim ve bilim tarihi yazarıdır. Oxford ve Stanford üniversitelerinde bilim eğitimi almış, Reading Üniversitesi’nde öğretim üyeliği yapmıştır. Ayrıca uzun yıllar farklı sanayi sektörlerinde çalışmış ve danışmanlık hizmeti vermiştir. Kitaplarında ağırlıklı olarak kuantum ve parçacık fiziği ile ilgili konuları işlemiştir.

John L. Heilbron (1934—2023) fizik tarihi ve astronomi tarihi alanlarındaki çalışmalarıyla tanınan Amerikalı bir bilim tarihçisidir. Fizik eğitimi aldıktan sonra bilim tarihi okumuş, Berkeley Üniversitesi’nde tarih profesörlüğü yapmış ve rektör yardımcılığı görevini yürütmüştür. Bilimsel konuları ele alan birçok kitabı mevcuttur.