Bizim için bugüne dek bilimsel çalışmalarımıza ve düşüncelerimize temel oluşturmuş olan imgelerden vazgeçmenin ne kadar zor olduğunu bir kez daha anladım. – Einstein.
EPR kısaltması, üç bilim adamının Albert Einstein, Boris Podolsky ve Nathan Rosen soyadlarının baş harflerini içeriyor. Podolsky ve Rosen, Einstein’ın çalışma arkadaşlarıdır. Bu üçlü, Physical Review‘de Fiziksel Gerçekliğin Kuantum Mekaniksel Açıklaması Tamamlanmış Olarak Düşünülebilir mi? (1935) başlıklı kısa bir makale yayımladılar.[Physical Review 41, 777 (15 May 1935)].
Yazarlar, kuantum mekaniğinin eksik (tamamlanmamış) olduğunu, çünkü fiziksel gerçekliğin, deneysel olarak ulaşılabilir belirli determinist unsurlarına ulaşamadığını ileri sürdüler. Nesnelerin fiziksel özelliklerinin, ölçmeden bağımsız olarak kesin, belirli niceliklere sahip olduklarını düşünüyorlardı. Onlara göre her parçacığın ölçsek de ölçmesek de belirli bir konumu ya da belirli bir hızı vardı, bunu belirleyememek kuantum mekaniğinin bir yerlerde eksik/tamamlanmamış olduğunu gösteriyordu. ‘EPR Paradoksu’, ‘EPR Makalesi’ ve ‘EPR Deneyi’ gibi adlarla da anılan bu makalenin ana düşüncesini, şu ifadeler özetlemektedir.
Makalede özgün bir deney önerisi yoktur; ancak bir kaynaktan çıkan iki parçacığın fiziksel nicelikleri tartışılır. Deney önerisini daha sonra, 1951’de David Bohm (1917-1992) getirmiştir. Bu makale, bir kaynaktan çıkan iki parçacığın özelliklerinin birbirine bağlılığı, bu bağlılığın “yerellik” (locality) ve özel göreliliği ihlal edip etmediği, parçacık özelliklerinin önceden belirlenmiş olup olmadığı konularının tartışıldığı, hem bilimsel hem de felsefi bir doküman halini almıştır. EPR Makalesi, kuantum mekaniğine yönelik bir mantıksal itirazdır ve bu itiraz, yalnız teoride değil, deneylerle çürütülmüştür. Fakat, bu itiraz, hem kuantum mekaniğinin kurucularından olan Einstein tarafından yapılmış son büyük itiraz olması, hem de kuantum mekaniğinin anlaşılmasını sağlaması nedeniyle önemini korumuştur.
Einstein, kuantum mekaniğinin olasılık yorumunu ve belirsizlik ilkesini kabul etmeye asla yanaşmadı. Bir grup fizikçi onun safına katıldı. Bu konulara yönelik itirazlarını “Tanrı evreni yönetirken zar atmaz” diyerek dile getirdi. Kuantum teorisini savunma işi ise Niels Bohr’un başını çektiği Heisenberg, Pauli, Dirac, Born’un içinde bulunduğu diğer gruba kalmıştı.
Okurun bu tartışmayı izleyebilmesi için kısa bir tarihsel arkaplan açıklaması yapacağız. Sonra EPR’nin düşüncesiyle teori ve deneyin nasıl yüzleştiğini göreceğiz.
Kuantum Kuramının (Teorisinin) Doğuşu
Yirminci yüz yıl kuantum kuramı (1900, Max Planck) ile görelilik kuramlarının (1905, Özel Görelilik; 1915 Genel Görelilik, Albert Einstein ) doğuşuyla açıldı diyebiliriz. Bu kuramların bir özelliği görelilik kuramları neredeyse tek başına Einstein’ın başarısı olmasına karşın, kuantum kuramı özellikle 1920’lerin ortalarından itibaren bir çok bilim adamının katkısıyla geliştirilmiştir. Öte yandan Einstein, yalnız görelliğin değil kuantum kuramının da kurucuları arasında yer almıştır. Başka bir özellik, her iki kuram da yaklaşık 300 yıldır süren Newton fiziğinin yeterli olmadığını ortaya çıkarmıştır. Kuantum kuramı bir sistemin hızının ve enerjisinin sonsuz artırılamayacağını, atom ve atomaltı parçacıkların hem dalga hem parçacık özelliği gösterdiğini, parçacıkların konum ve memontumlarını aynı anda tam bir kesinlikle ölçemeyeceğimizi, bir parçacığın aynı anda iki yarıktan geçebilen özellikte olduğunu (dalga özelliği) göstermiştir.
Parçacık-dalga tartışması başladı. Bir şey nasıl olup da hem dalga, hem parçacık özelliği gösterebiliyordu? Parçacık, belirli boyutu, belirli bir yeri, kesikliliği işaret ederken; dalga, daha yayılmış bir konumu, bir sürekliliği işaret ediyordu. Bu hengame içinde bir yandan teori, öte yandan da deney gelişiyordu. Teorideki başlıca gelişme Schrödinger’in 1926’da keşfettiği
ünlü dalga denklemi ile Heisenberg’in bir yıl sonra keşfettiği belirsizlik ilkesidir. Deneysel gelişme ise 1927 yılında Davisson, Germer ve -onlardan bağımsız olarak-Thomson’ın elektron kırınımını gözlemeleridir.
Belirsizlik ilkesinden önce 1926’da Schrödinger ünlü denklemini bulduğu zaman bu denklemin anlamı önce çözülemedi. Schrödinger denklemi, bir diferansiyel denklemdir. Başka bir denkleme dayanmaz, kendisi bir ilktir. Denklem çözüldüğü zaman, Schrödinger’in önerdiği Grek harfi (büyük psi) ile gösterilen bir dalga fonksiyonu elde edilir. Bu fonksiyon, x, y ve z uzaydaki bir noktayı ve t zaman değişkenini içerir. Denklem, atom ve moleküller konusunda hayret verici bir başarı gösterdi. Fakat dalga fonksiyonunun fiziksel anlamı konusu büyük bir tartışmaya yol açtı. Çünkü dalga fonksiyonu kompleks sayıları içeriyordu. Özellikle Max Born (1882-1970, Fizik Nobel 1954) ve Wolfgang Pauli (1900-1958, Fizik Nobel 1945), dalga fonksiyonunun istatistiksel bir anlamı olduğu sonucuna vardılar. Bir başka anlatımla dalga fonksiyonunun karesi (büyük psi kare), bir parçacığın bulunma
olasılığını gösterir. Kuantum mekaniği, yapısı gereği bir olasılık teorisidir. Bu olasılıkçı yorum, hem Einstein’ı hem de Schrödinger’i rahatsız etmişti. Yalnız onlar değil Max Planck ve de Broglie de sonuçtan mutsuzdu. Schrödinger, sonuçta kuramdan (gelişmesine katkıda bulunduğuna pişman olduğunu söyleyecek kadar!) soğudu. O ve Einstein, o yıllardan itibaren kuantum mekaniğinin mantıksızlığını açığa çıkaracak örnekler bulmaya çalıştılar. Einstein, 1930’da Kutudaki Saat deneyi ile bir itiraz yükseltmiş; ama Niels Bohr (1885-19622, Fizik Nobel 1922), kısa sürede deneydeki hatayı bulup sorunu çözmüştü. Einstein’ın EPR makalesini yayımladığı 1935 yılında Schrödinger de ünlü “Schrödinger’in Kedisi” diye anılan düşünce deneyini ortaya attı. Einstein savaşı başlatmıştı, Bohr da her defasında onun mantığındaki yanlışı yakalayıp duruyordu. Leon Lederman’ın (1985 Fizik Nobel), Tanrı Parçacığı’nda (1993) dediği gibi “ Einstein kötü çocuktu; bu çatışmaların çomak sokucusu. Din sınıfındaki baş belası bir çoçuk gibi. (“Eğer Tanrı’nın gücü her şeye yetiyorsa kendisinin de kaldıramayacağı kadar ağır bir kaya yaratabilir mi?”) Kuantum kuramındaki paradoksları ortaya atar dururdu. Bohr, Einstein’ın karşı çıkışlarını önleyen papazdı.”
Yine Lederman’ın anlattığına Einstein ve Bohr, tartışmalarını sürdürdükleri orman yüryüşlerinden birinde kocaman bir ayıyla karşılaşmışlar. Bohr, hemen sırt çantasındaki pahalı koşu ayakkabılarını çıkarıp aceleyle giyinmeye başlamış. Einstein, hayretle sormuş: “ Ne yapıyorsun Niels? Bir ayıdan daha hızlı koşabileceğini mi sanıyorsun?” Bohr, Einstein’a dönmüş “Ah. Ayıdan daha hızlı koşmam gerekmiyor sevgili Albert” demiş “yalnızca senden daha hızlı koşmam gerekiyor.” Bu iki büyük adam yaklaşık 30 yıl tartıştılar; ama ancak bilim adamlarında görülen muhteşem bir hoşgörü ve sevgiyle birbirlerini sevip saydılar.
Deterministik doğa anlayışına karşı olasılık yorumunu fazlaca “kesinsiz” bulan Einstein, “Tanrı zar atmaz” sözünü bu amaçla kullanmıştır. “Kuantum mekaniği çok saygıdeğer” diye yazmıştı Max Born’a “Ama içimden bir ses bana bunun gerçek Yakup olmadığını söylüyor. Teori çok fazla hasıla veriyor; ama İhtiyar Kişi’nin sırlarına bizi çok fazla yaklaştırmıyor. Her halükârda, onun zar atmadığı kanısındayım.”
Einstein’ın 1935’teki düşüncelerine daha yakından bakabiliriz artık.
EPR Düşünsel Deneyi
Einstein, kuantum kuramının olasılıkçı yorumuna ve belirsizlik ilkesine duyduğu kuşkuyu ömrü boyunca sürdürdü. Son aktif çıkışını iki arkadaşıyla birlikte 1935’te yaptı. Boris Podolsky (1896-1966) ve Nathan Rosen’le (1909-1995) birlikte kuantum mekaniğinin belirsizlik ilkesine yönelik bir saldırıydı bu. Bu yaylım ateşte olasılık genliklerinin nesnel gerçeği tanımlamaktan uzak olduğu ve dolaysıyla kuantum kuramının tam ya da tamamlanmış bir kuram olmadığı öne sürülüyordu. Kuantum mekaniğinin eksik olduğunu, çünkü fiziksel gerçekliğin, kendi iddialarına göre, deneysel olarak ulaşılabilir belli determinist unsurlarına ulaşamadığını ileri sürüyorlardı.
(i) Fiziksel nesneler, ölçümden bağımsız olarak, önceden belirli fiziksel gerçekliklere sahiptir. Örneğin bir elektronun spini, hızı, momentumu ve yeri ölçülmeden önce ona doğanın taktığı kimlik kartında yazılıdır.
(ii) Birbirine bağlı harekete başlayan parçacıklar arasında ilişkinin sürüyor olması, yani ‘uzaktan hayalet etkisi’, özel göreliliği ihlal etmektedir; ayrıca bu ilişki, fiziğin “yerellik (lokality) özelliğine aykıdır.
Bu makalede özgün bir deney anlatımı yoktur. Deney önerisini 1951’de İngiltere doğumlu fizikçi David Bohm (1917-1992) ileri sürmüştür. Yine de EPR Deneyi diye anılan bu deneyde, başlangıçta birleşik olan ve sonra ayrılan iki parçacığın birbiriyle “ilişkisi” tartışılır. Einstein, başlangıçtaki birleşik olan iki parçacıktan birini ölçerek belirsizlik ilkesinin hakkından gelmek istiyordu. Bir helyum atomundaki zıt spinli iki elektron ya da nötr piyondan oluşan bir elektron- bir pozitron çifti böylesi bir parçacık çiftine örnektir. Elektron-pozitron çiftini örnek alalım. Zıt yönlerde hareket eden elektron ve pozitrondan diyelim ki elektronun spinini saat yelkovanı yönünde ölçersek, yolu yok pozitronun o andaki spini saat yelkovanının tersi yöndedir! Bu, açısal momentumun korunumu gereği böyledir (Daha teknik bir dille konuşursak elektron ve pozitron, spini 1/2 olan parçacıklardır. Sıfır spinli piyondan doğdukları için elektronu +1/2 spinli bulursak, pozitronu kesinlikle -1/2 spinli bulacağız demektir). Daha baştan bulacağımız sonucun zıt spinli olacağını biliyoruz. Buraya kadar bir sorun yok. Devam edelim, böyle bir zıt spinlilik ilişkisi, iki parçacık birbirinden çok uzak olsa da sürer mi? Kuantum kuramına göre sürer. Einstein, nasıl yani bizim yerel olarak işleyen fizik ilkeleri yerle bir mi oluyor? Sizin şu elektron ve pozitronunuz, ışık hızındah daha hızlı bir yolla birbirleriyle iletişim mi kuruyor? diye sorar arka planda! Bohr’un buna son yanıtı, insanın önüne gelmekte olan parçacığın spinini önceden bilemeyeceğini, karar verebilmek için her iki olayı da ölçen gözlemciyi içermek zorunda olduğunu söylemek oldu. Yani bir kere ölçme eylemini gerçekleştirmeliyiz. Ayrıca birçok ölçüm yapmamız gerekir. Ayrıca diyelim ki ben Dünya’daki ölçümlerin bir listesini tutuyorum, birisi de Mars’taki ölçümlerin listesini tutması gerekir ki, sonuç listeleri karşılaştırabilelim. İş deneye gelip dayanıyor! Şimdi de bu iki parçacık arasındaki “ilişki”ye bakalım; yani birinin ötekinin spinini “belirlemesi”, bunlar birbirinden çok uzaklarda iken de sürer mi? Kuantum kuramı, böyle bir ilişki olasılığını sıfır görmez iken, yerel nedensellik bunun olamayacağını ileri sürer. İşi, EPR lehine biraz daha abartarak söylemek gerekirse elektron ile pozitron ışık yıllarıyla anlatılan bir uzaklıkta olsa bile aralarında bir “ilişki” olduğu ortaya çıkıyor! Böyle bir ilişki her şeyden önce özel görelilik kuramıyla çelişiyor. Çünkü eğer elektron ve pozitron ışık yıllarıyla birbirinden uzak ise birbirinden nasıl haber alıyor? Haber alıyor demek, ışıktan hızlı bilgi iletiliyor demektir!
Einstein-Podolsky-Rosen makalesinin amacı, kuantum mekaniğinin öngörüde bulunmak ve verileri açıklamaktaki inkar edilemez başarısına rağmen, mikroevrenin fiziği ile ilgili son söz olamayacağını göstermekti. Stratejileri basitti: Her parçacığın belli bir zamanda belirli bir hızı ve konumu olduğunu göstermek ve buradan da belirsizlik ilkesinin, kuantum mekaniğine özgü yaklaşımdaki temel bir sınırlılığı açığa çıkardığı sonucuna varmak istiyorlardı. Eğer her parçacığın belirli bir konumu ve hızı varsa, fakat kuantum mekaniği gerçekliğin bu özelliklerini gösteremiyorsa, kuantum mekaniği evrenin yalnızca bir kısmını betimleyebiliyor demekti. Dolaysıyla kuantum mekaniğinin fiziksel gerçeklikle ilgili tamamlanmamış bir kuram olduğunu ve belki de ilerde keşfedilecek, daha derin bir çerçeveye yönelik bir adım olduğunu göstermek istiyorlardı. Aslında çok daha olağandışı bir şeyin, kuantum dünyasının yerel olmama özelliğinin kanıtlanmasına zemin hazırlamışlardı.
Her ne kadar kuantum belirsizliği, ölçmeyle bozma açıklamasının gösterdiğinden daha derin ise de EPR, bütün belirsizlik kaynaklarını ortadan kaldırıyormuş gibi görünen zekice ve ikna edici bir deney (düşünsel) öneriyordu. Bir parçacığın hem hızını hem de konumunu parçacığı hiç etkilemeden, dolaylı bir yoldan ölçmenin bir yolu var mıydı? Radyoaktif bir atomun bozunduğunu ve zıt yönlerde, zıt spinlere sahip iki parçacık saldığını düşünelim. İki parçacığın spini hakkında belirli bir ilişki olduğunu bilmemize karşın, gözlemci önüne gelen parçacığın sipinini (ya da hızını) öngöremez, önceden bilemez. Sadece tek bir parçacığa bakan bir gözlemci, onun sağa mı yoksa sola mı döneceğini öngöremez. Ancak gözlemci, ölçüm yapar da parçacığın sağa döndüğünü ölçerse, diğer parçacığın sola döneceğini öngörebilir. (Aynı akıl yürütme parçacığın hızı ya da konumu için de söylenebilir. Hızını sağa ve sola giden iki parçacığın hızını deneye tabi tutuyoruz. Gözlemci ölçmek istediği parçacık önüne gelmeden onun hızının gerçek sayısal değerini bulamaz ve bilemez. Yalnızca parçacığın belli bir noktada hızının ne olacağı konusunda kuantum teorisinin olasılıkçı tahminini kullanabilir.)
EPR ise bu ilişkileri kulanarak, aslında belirli bir zamanda iki parçacığın da kesin bir hızı ve kesin bir konumu olduğundan yola çıkıyordu. Bu kesinliği, olasılığa dönüştüren, belirsizlik ilkesinin yetersizliğindendi! Şimdi deneye devam edelim. Diyelim ki sola giden parçacığın spinini ölçtük. Sağa giden parçacığa hiç dokunmadığımız halde onun spinini de belirlemiş oluyoruz. Benzer düşünceler hız veya momentum için de söylenebilir. Demek ki, zıt yöndeki parçacığın kesin bir spini (kesin bir hızı, kesin bir konumu) var ki, biz de onu, üstelik parçacığa hiç dokunmadan belirleyebiliyoruz. Parçacıklar birbirinden ayrı ve uzakta oldukları için ölçmenin birine yaptığı etkiden diğerinin haberi olmayacaktır. Gerçekten durum böyle mi? Aslında EPR’nin önerdiği deney sürecini izlemekle parçacıkların özniteliklerini belirleyemeyiz. Birinci olarak her seferinde parçacığın yalnızca bir eksendeki spinini ölçebiliriz. Bir parçacığın spinini aynı anda birden fazla eksende belirleyemeyiz. İkincisi siz ölçüm yaptığınızda bulduğunuz sonuç, siz ölçüm yapmadan parçacığın sahip olduğu spin hakkında hiçbir bilgi vermez. Ölçüm anında bir dizi olasılıktan birisi kendini gösterir. Ölçme işlemini yapmadan neyi bulacağımızı kesin bir dille söyleyemeyiz. Newton ve Einstein fiziğinden farklı olarak artık bir parçacığın kesin bir t anında kesin bir x konumunda bulunduğunu söyleyemeyeceğiz. Bunun yerine, yararlı olan tüm bilgi, x konumu ve t zamanında kuantum dalga değerini belirleyen dalga fonksiyonunun karesini, ölçüm araçlarıyla gözlemleyeceğiz. Şu zamanda şurada bulunma olasılığı şudur diyebileceğiz. İşte birçok tartışmaya temel olan olasılık teorisi budur.
Bilim, bu esrarengiz gibi görünen olayı nasıl açıklamaktadır? Çift yarık deneyini anımsıyor musunuz? Kuantum nesneleri, aynı anda çift yarıktan geçerek kendi kendisiyle girişim yapabiliyordu. Bu bir elektronun, bir fotonun, bir atomun bölünmesi değil, dalga özelliği göstermesiyle ilgili; ama esrarengiz. Dalga-parçacık ikiliğini hayal etmenin belki de en iyi yolu Amerikalı fizikçi Richard Feynman’ın (1918-1988, Fizik Nobel 1963) ortaya koyduğu ‘çoklu geçmiş’ düşüncesidir. Buna göre bir noktadan bir başka noktaya giden parçacık, yalnızca tek bir geçmişe ya da tek bir yola sahip değildir. Tersine bu iki nokta arasındaki mümkün olan tüm yollardan gidebilir. Her yolun bir genliği ve konumu vardır; bu yolların toplamından parçacığın bir noktaya varma olasılığı hesaplanır. Feynman Diyagramları ya da Feynman Yol İntegralleri bu olasılıkları hesaplamanın aracıdır.Zıt yönlerde hareket eden elektron ve pozitron çifti örneğimize dönelim. Genellikle aşağıdaki gibi bir sistem bu tür deneylerin örneğini oluşturur. Ortada bir ışık kaynağı var, zıt yönlerde foton çiftleri gönderiyor. Fotonların fiziksel özelliklerini ölçmek için sistemlerinizin özdeş olmasının yanısıra uzaysal konumlarının da ayarlanabilir olması gerekir.
Örneğin aşağıdaki ölçme sistemimizde A ve A’ birbirine paralel konumdadır ve bu eksenlerde fotonların davranışları beklentilerimizle uyumlu olur. Ama diyelim ki Dedektör 1, aynı konumda kalırken Dedektör 2, B’ açısına getirilirse (300) dedektörlerden elde edilen sonuçlar aynı olmayacaktır.
Örneğin bu pozisyonda sağdaki detektörün aynı sonucu verme olasılığı cos230 = 0.25′ tir. Aynı doğrultuda ölçülen spinler uyumlu; ama farklı eksenlerdeki spinleri ölçemiyoruz; yalnızca onların olasılığını verebiliyoruz. Gözlemciyi (deneyciyi) dışarda tutan bir öngörüde bulunamıyoruz. O halde parçacıkların her doğrultu için onların sicillerine yazılmış bir sabit spin durumu söz konusu değil.
Yeniden soralım, bir parçacığın konumunu ve momentumunu aynı anda ölçebilir miyiz? Yani belirsizlik ilkesinin üzerinden atlayarak elektron şurada şu hızda ya da pozitronun momuntumu şu değer, konumu da şurası diyebilir miyiz? Hayır, bunu yapamayız. Bunun hiçbir yolu yok. EPR, bir parçacığın belirli bir anda hem hızını hem de konumunu belirleyemeyeceğini gayet iyi biliyordu. Ama EPR’nin kullandığı mantık, biz ölçsek de ölçmesek de her bir parçacığın kesin bir konumu ve kesin bir hızı olduğu varsayımını kullanıyordu. Onlara göre bu bir gerçeklik sorunudur; bir kuram bu gerçeklikleri betimleyemediği sürece tam bir kuram olma iddiasında bulunamaz. Öte yandan vardıkları sonuca göre, kuantum mekaniği “lokal gerçeklik” (kendi ibareleri değil) konusuna duyarsızdı, özel göreliliğe aykırı bir durum söz konusuydu. İki parçacık arasında eğer böyle bir iletişim varsa, kuantum mekaniğinin belirlenemezliğini dışta bırakan, daha derinlerde bir teori vardı: Gizli değişkenler teorisi.
Bell Eşitsizliği
Bohr, Einstein’ın ve Schrödinger’in itirazlarına bitmez bir sabırla çözüm bulmaya çalıştı ; 
ama kuantum teorisi konusundaki bu beyin fırtınasının laboratuvara taşınmadan dinmesi pek mümkün değildi. Bu başarıyı 1964 yılında İrlandalı fizikçi John Stewart Bell (1928-1990) yakaladı. Bu yıllara gelindiğinde artı Max Planck, Albert Einstein ve Erwin Schrödinger, bu dünyadan göçmüşlerdi. Bell, kendi adıyla anılan bir eşitsizlik türeterek, sağ duyunun beklentileriyle kuantum mekaniğinin kestirimlerinin karşılaştırılmasını sağladı. Bell Eşitsizliğini sitemizde inceleyebilirsiniz. Biz burada yalnızca sonucu özetleyeceğiz. Bell 1964’te, pek tanınmayan bir dergide “Einstein-Podolsky-Rosen Paradoksu Üzerine” başlıklı kısa ama yaman bir makale yayımladı. Makalenin kilit noktası, bir matematiksel eşitsizlik teoremiydi (Bell Teoreminin daha geniş bir açıklamasını ve bir eşitsizlik örneğini sitemizde bulabilirsiniz). Bu teorem, lokallik varsayımını karşılayan her gizli değişken teorisi için geçerliydi; ama beklendiği gibi kuantum mekaniği için geçerli değildi. Başka sözlerle mantıksal olarak geçerli olması gereken eşitsizlik, kuantum mekaniği tarafından geçersiz kılınıyordu. Einsten haksız, kuantum mekaniği haklıydı.
Bell, iki anahtar kabulde bulundu.
(i) Her prçacık, her hangi bir yönde her zaman belirli bir spin projeksiyonuna sahiptir.
(ii) Bir fiziksel niceliğin değeri, ölçüm aygıtının hareketinden ve ya pozisyon değşikliğinden etkilenmez.
Bütün bunlar, aynı zamanda EPR’nin dayandığı mantıksal temeldi. Bell’in makalesi beş yıl gözardı edildi. Derken birden bire denel fizikçilerin aklına, Bell teoreminin EPR vargılarına uluşmanın bir başka yolundan ibaret olmadığı dank etti. Ortaya konan eşitsizlik, deneyle kontrol edilebilirdi. Bell’in kısa bir profilini çizen Amerikalı fizikçi Jeremy Bernstein şöyle yazar: “Bu testte riske atılan şey, kuantum teorisinin geçerliliği ve anlamıydı, daha aşağısı değil. Eğer Bell’in eşitsizliği sağlanırsa, kuantum teorisinin özündeki eksiklik hakkındaki Einstein’ın bütün sezgilerinin baştan beri doğru olduğu anlamına gelecekti bu. Eğer eşitsizlik bozulursa, en azından birçok fizikçinin kanısınca, Bohr ve Heisenberg’in baştan beri haklı olduğu ve klasik fiziğe dönüşün mümkün olmadığı anlamına gelecekti bu.” Deneyler kolay değildi, dolaşık fotonlar ya da parçacıklar elde etmek için uygun yöntemler bulunmalıydı. Karşılıklı ilişkilerin kontrol edilebilmesi ve bir noktadaki etki ile diğer noktadaki sonucu arasında geçen zamanın ölçülebilmesi için, fotonlar birbirlerinden kilometrelerce ayrılan uzak yerlere gönderilmesi gerekirdi. İlk deneylerin bulguları 1970’lerin başlarında bildirildi. İnce gedikleri bertaraf etmek için, sonraki yıllarda da deneyleri geliştirme ve pürüzlerinden arındırma çalışmaları sürdürüldü. Deneysel verilerin Bell teoremiyle çatıştığı artık açık seçik ortadadır, kuantum mekaniği için zafer, Einstein’ın lokal gerçekçilik kavramı içinse bozgun anlamını taşır bu. “Einstein’ın bir lokal determinist teoriyle kuantum teorisinin ‘defterini dürme’ programının yanlış güdümlü olduğunu gösteren ezici kanıtlar var şimdi” diye yazar Bernstein. “Lokal gerçeklik düpedüz dikiş tutmamış bulunuyor.”
Bell Teoremi, EPR Paradoksunun laboratuvara taşımayı da hedefliyordu; ama o zaman deneyler için gerekli teknoloji yoktu, 1970’lerde ise bu teknoloji vardı. Berkeley’den Stuart Freedman ve John Clauser’ıın başlattığı Teksas A&M’den Edward Fry ve Randall Thomson’un sürdürdüğü deneyler, 1980’lerin başında Fransa’da çalışan Alain Aspect ve arkadaşalarınca daha da yetkinleştirildi.
Aspect Deneyi ve Sonrası
Bell Teoremi konusunda en yetkin deney uygulaması 1982’de Paris’te Alan Aspect tarafından yapıldı. Deney aslında A tarayıcısı sonuçlarının B tarayıcı sonuçlarıyla ilişkili olduğu sayıyı ölçüyordu, yani sola dönüş ve sağa dönüş ya da tersi. Deney açık olarak Bohr’un analizinin doğru, Einstein’ın yanlış olduğunu gösterdi. Açıkça parçacıklar arasındaki bu uzun mesafe karşılıklı ilişkileri doğanın çalışma biçimiydi.Deneyler, kuantum mekaniği için zafer, Einstein’ın yerel (lokal) gerçeklik kavramı için ise bozgun sonucunu verdi. Aspect deneyinde, birbirlerinden 13 metre uzaktaki iki dedektörün tam ortasına yüksek enerjili kalsiyum atomları içeren bir kaynak yerleştirildi.
Yüksek enerjili her kalsiyum atomunun iki foton salarak düşük enerjili konuma geçtiği bilinen bir bilimsel veridir. Bu fotonlar, ters yönlere doğru hareket eder ve spinleri de –elektronlar gibi- tamamen bağıntılıdır. Şimdi deneyi anlamak için gözlerinizi kısın! Deneyde dedektörlerin ayarları aynı iken iki fotonun ölçülen spinlerinin aynı yönde olduğu görüldü. Eğer Aspect’in dedektörlerine saat yönünde spin belirlediklerinde kırmızı, ters yönde belirlediklerinde ise mavi ışık verecek bir düzenek eklenseydi, gelen fotonlar her iki dedektörün de aynı renkte ışık vermesine yol açacıktı. Ama bütün bu söylediklerimiz “dedektörlerin ayarları aynı” iken geçerli. Şimdi kuralları değiştiriyoruz. Burası çok önemli, Aspect defalarca tekrarlanan bu deneyin sonucunda elde edilen verileri- soldaki ve sağdaki dedektörlerin ayarlarının her zaman aynı olmadığı, her deneyde rastgele ve birbirinden bağımsız olarak değiştirildiği deneyler sonucunda elde edilen veriler- incelendiğinde, dedektörlerin yüzde 50’den fazla oranda uyuşmadığını buldu. Bunun çok çarpıcı bir sonuç olduğunu anlıyor musunuz? Hatırlayın. EPR haklı olsaydı, birbirinden çok uzağa yerleştirilmiş dedektörlerin bulduğu sonuçların birbiri ile yüzde 50’den fazla uyuşması gerekiyordu. Çünkü dedektörler aynı ayarda iken tüm fotonlar, “önceden sahip oldukları spin durumuna göre” onlardan geçebiliyorsa, dedektör açıları birbirinden bağımsızca değiştirildiğinde de çoğu geçebilmesi gerekir.
Aspect’in sonuçları, EPR’nin haklı olmadığını gösterdi. Hem de deneysel olarak; yani kuramsal olarak değil, düşünce yoluyla değil, bizzat doğa yoluyla kanıtlıyordu. Bu da Einstein, Podolski ve Rosen’in, parçacıkların kesin değerler almaları belirsizlik ilkesi tarafından yasaklanmış özelliklerinin aslında kesin değerleri- örneğin birbirinden farklı eksenlerdeki spin değerleri- olduğu sonucuna ulaşırken kullandıkları akıl yürütme biçiminin, yanlış olduğu anlamına geliyordu. EPR’nin şu temel varsayıma dayandığını anamsayalım: Eğer verili bir anda bir cismin bir özelliğini, ondan uzakta olan bir başka cisim üzerinde yapılan bir deneyle belirleyebiliyorsanız, o zaman ilk cisim debaştan beri bu özelliğe sahiptir. Çünkü, ilk cisim orada iken, ölçme işlemi burada yapılmıştır. İki cisim birbirinden ayrı olduğu için de ölçme işlemi ilk cisim üzerinde etkili olmuş olamaz! Olursa ne olur? Birincisi, yerellik ilkesi ihlal edilmiş olur; birbirinden çok uzakta olan cisimler arasında ilişki kurmuş olursunuz. İkincisi, özel göreliliği ihlal etmiş olursunuz, çünkü birbirinden çok ayrı cisimlerin birbirine ışık hızını aşan hızlarda ileti gönderdiğini benimsemiş olursunuz! Son derece mantıklı değil mi? Bu akıl yürütme, dedektörlerin ölçümlerin yarısından fazlasında aynı sonuçları bulacağı öngörüsüne yol açıyor; ama deneyler bu öngörüyü çürütüyor. Böylece EPR mantığının, kuantum evrenin işleyiş mantığı olamayacağı sonucuna varıyoruz. Deneyler, dolaylı ama açık bir şekilde, oradaki bir cismin, buradaki bir cisme ne yaptığınızla ilgisi olan sonuç verdiğini gösteriyor.
Kuantum mekaniği her ne kadar parçacıkların ölçüldükleri anda rastgele şu veya bu özelliği aldığını göstermekteyse de, rastgeleliğin uzayda ilişkilendirilebileceğini öğreniyoruz. Uygun biçimde hazırlanmış parçacık çiftleri- bunlara dolanık parçacıklar denir- ölçülen özelliklerini bağımsız olarak edinmez. Sihirli bir çift zara benzerler. Biri Atlantic City’de, diğeri Las Vegas’ta atılır, her birinde rastgele bir sayı gelir, yine de her seferinde iki zardaki sayılar bir şekilde aynı olur. Dolanık parçacıklar da benzer şekilde davranır, tek farkları ortada sihir olmayışıdır. Dolanık parçacıklar, uzamsal olarak ayrık olsalar da kendi başlarına davranmazlar.
1997’de Nicolas Gisin ve Cenevre Üniversitesi’ndeki çalışma arkadaşları, Aspect deneyinin bir benzerini yaptı. İki detektörün birbirinden 11 kilometre uzağa yerleştirildiği bu deneyde sonuçlar değişmedi. Fotonun dalga boyu olan mikro ölçeklere göre 11 kilometre çok büyük bir uzaklıktır. Aslında mesafe 11 milyon kilometre veya 11 milyar ışık yılı da olsa fark etmezdi. Detektörler birbirinden ne kadar uzağa yerleştirilirse yerleştirilsin, fotonların arasındaki dolanıklığın süreceğini düşünmek için çok neden var.
Bu insana son derece acayip geliyor. Ama artık kuantum dolanıklığı adı verilen bu olguyu destekleyen çok fazla kanıt var. Eğer iki foton dolanıksa, bunlardan birinin bir eksendeki spinin başarıyla ölçülmesi, uzakta olan diğer fotonu aynı eksende, aynı spine sahip olmaya “zorluyor”. Bir fotonun ölçülmesi işlemi, uzaktaki fotonu olasılık sisinden çıkıp belli bir spin değeri, uzaktaki eşiyle kesinlikle aynı olan bir spin değeri seçmeye mecbur ediyor. Bu da insanın aklını durduruyor.
Tüm yaşamını sağlam, değişmez yasalara göre işleyen, bizden bağımsız, dışarıda uzay ve zamanda geçen fiziksel fenomenlerin objektif dünyasına adamıştı. Fiziksel denklemler, bu objektif dünyayı resmetmek ve böylece bu dünyada gelecekte olabilecek fenomenler hakkında önceden tahminde bulunmayı mümkün kılmalıydı. Şimdi ise atomlara kadar inildiğinde, zaman ve uzayda böylesine objektif bir dünyanın asla olmadığı ve kuramsal fiziğin matematiksel sembollerinin gerçek olanı değil, mümkün olanı verebileceğini öğrenmiş bulunuyoruz. Kuantum kuramının yetkin öğretmenlerinden Cornell Üniversitesi’nden N. David Mermin 1985’te “Hiç Kimse Bakmadığı Zaman Ay Orada mıdır?” başlıklı bir makale yazmış ve EPR’nin bu nesnel gerçeklik anlayışını tartışmıştı. Orada Pascual Jordan’ın (1902-1980) bir anısını aktarır. Jordan’in Einstein’la ilgili anımsadığı şudur: “Onun nesnel gerçeklik görüşünü sık sık tartışırdık. Hatırlıyorum, bir yürüyüşteydik Einstein birden durdu, bana döndü ve Ay’ın yalnız ben ona baktığım zaman varolduğuna gerçekten inanıp inanmadığımı sordu.” Felsefi bakış açısından hiç kimse ona bakmasa da Ay oradadır; yalnız hiç kimsenin hakkında hiçbir şey bilmediği bir cisim hakkında zihin yormak başka bir şeydir ve bu, bilimin kafa yorduğu bir konu değildir. Böyle bir tartışma konusunda ünlü fizikçi Wolfgang Pauli, her zamanki pratik yaklaşımıyla şöyle demişti: “ İnsanın hakkında hiçbir şey bilmediği bir şeyin yine de var olup olmadığı konusunda zihin yorması, bir iğnenin ucuna kaç meleğin sığacağı sorusunun cevabını aramasından daha anlamlı değildir.” Fizik ve daha genel olarak bilim, evrenin ölçülebilir özelliklerini açıklamakla yükümlüdür.
Einstein, ayakları altındaki zeminin çekilmesine hazır değildi. Bunun için kuantum kuramı fiziğin önemli bir bölümünü oluşturduğunda Einstein görüşünü değiştiremedi. O, kuantum kuramını atomsal görüngülerin geçici, kesin olmayan bir açıklaması olarak gördü.
Newton fiziği büyük şeyler için geliştirilmişti; atomun içinde, parçacıklar dünyasında bu kuram çalışmaz. Schrödinger’inki ise mikrodünya için geçerli. Yine de Schrödinger’in eşitliği makroskopik koşullara uygulandığında Newtonunkilerle aynı sonuçları verir.
EPR’nin Görüşleri (Özet): Einstein, Podolsky ve Rosen, kuantum mekaniğinin getirdiği evren tanımının eksik olduğunu göstermek üzere yola çıkmışlardı. Bu üçlünün çalışmalarının esinlediği kuramsal fikirler ve deneysel sonuçlar, yarım yüzyıl sonra, onların analizini tepetaklak edip, akıl yürütmelerindeki en temel, sezgisel açıdan en mantıklı ve klasik olarak en anlamlı kısmının yanlış olduğu sonucuna varmamıza neden oluyor: Evren yerel değildir. Sola ve sağa giden fotonların verili bir eksendeki spinlerini ölçerek, bunların birinden diğerine bilgi göndermenin ya da ışık hızının aşıldığının bir belirtisi var mı? Hayır. Dedektörlerin verdiği sonuçlar, birbirinden bağımsız, rastgele bir spinler dizisidir; çünkü deneyin her yapılışında fotonun şu ya da bu yönde dönme olasılığı eşit. Hiçbir ölçümün sonucunu öngöremeyiz ve onun üzerinde kontrol kuramayız. Ayrıca bu iki ölçüm listesini yanyana getirmeden tahminlerimizin derecesini bilemeyiz. Bu listeler, ışıktan daha yavaş bir araçla (fax, e-posta, telefon vb) ile yanyana getirilmek durumunda.
Kuantum kuramı, atomik ölçeklere dayanan akıl almaz bir teknoloji doğurmuştur. Televizyon ve bilgisayarlar gibi elektronik aygıtların temel unsurları olan transistörlerin ve integral devrelerinin işleyişinden tutun da, parçacık hızlandırıcılarına, laserlere, süper akışkanlık ve süper iletkenlik olgularına, antimadde olgusuna uzanan pek çok alanda etkilidir. Bu kuram ayrıca yalnız parçacık fiziğinin değil, kimyanın, biyolojinin ve hatta astronominin de temeli olmuştur.
“Tanrı zar atmaz” cümlesi Einstein’ın hiçbir şekilde sarsılmasına izin vermediği bir ilkeydi. Bohr, buna sadece şöyle yanıt verebiliyordu: “Ama Tanrı’nın dünyayı nasıl yöneteceğini göstermek bizim gücümüz değildir.” Stephen Hawking de genel görelilik kuramının belirsizlik ilkesini, yani kuantum kuramının rastlantısal öğesini kapsamadığını belirterek şöyle demektedir: “ Bununla birlikte, bütün kanıtlar, Tanrı’nın bir hayli kumarbaz olduğunu gösterir. Evreni, her olayda zarların atıldığı veya çarkların döndürüldüğü bir kumarhane olarak gözünüzün önünde canlandırabilirsiniz.” (atomevren.com)RK
Hazırlayan Ramazan Karakale
Kaynakça
1. Brian Greene, Evrenin Dokusu (2005), Çeviren: Murat Alev, TÜBİTAK Yayınları 2010
2. Leon Lederman and Dick Teresi, Tanrı Parçacığı(1993), Çeviren: Emre Kapkın, Evrim Yayınları 2001
3. N. David Mermin, Is the Moon There When Nobody Looks? Reality and the quantum theory,Physics Today / April1985
4. Stephen Hawking, Ceviz Kabuğundaki Evren (2002), Çeviren: Kemal Çömlekçi, Alfa Bas Yayım Dağıtım 2002
5. Tony Hey and Patrick Walters, The New Quantum Universe, Cambridge Unversity Press 2003
Yorum Ekle