- David Wineland Serge Haroche
Bir sistemi ölçmek, onun üzerine bir etki yaratır mı ve
öyleyse, kaçmanın yolu var mıdır?
Bu seneki Nobel Fizik ödülü, yaptıkları çalışma ile ölçüm probleminde de Heisenberg belirsizlik ilkesini bozmaya gerek kalmadan (rahat olun hepsini aşağıda anlattım), ölçüm sırasında kullanılan sistem ile ölçülen parçacığın arasındaki etkileşmenin ölçülen parçacığı olasılık bazında etkilemeden, sadece dalga fonksiyonunun fazını değiştirerek ölçmeyi başaran Fransız fizikçi Serge Haroche’ ye ve ABD’ li fizikçi David J. Wineland’ a verilmiştir. Yaptıkları bu muhteşem çalışmadan dolayı (ne kadar muhteşem aşağıda yazıyor) isimlerini tarihe geçirmeyi başaran Haroche ve Wineland, sırasıyla iyonları kullanarak ışığı ve ışığı kullanarak iyonları sorunsuzca ölçmeyi başarmışlardır. İkisine de tebrikler!
Kısa Kısa (!) Bilgiler
20. yüzyılın başlarında bir dizi deney sayesinde evrenin Newton’ un dediği gibi işlemediğini anlayan fizikçiler, yepyeni iki “aykırı” kuramın doğuşuna şahitlik etiştir. Bunlardan birisi Einstein’ ın görelilik kuramı olup çok yüksek hızlarda Newton fiziğinin bariz hatalarla gerçekle uyuşmadığını göstermiştir. Bir diğeri ise şimdi hakkında biraz bilgi vereceğim kuantum kuramıdır
Görelilik, onun yanında sadece bir düzeltme!
Kuantum kuramı, aynen görelilik kuramı gibi, Newton fiziğinin gerçekle olan uyuşmazlığının çok fazla olduğu sınır durumlarından biri ile ilgilenir. Bu sınır durumu, maddenin küçük ama çok çok küçük mesafelerde, zamanlarda, kütlelerdeki davranışlarını anlayabilmek amacıyla incelenmiş, üzerinde deneyler yapılmış ve Newton fiziği ile ilgili büyük farklılıkları olan yepyeni bir teorinin inşa edilmesi gerektiği görülmüştür.
Velhasıl, seminerler düzenlendi, fizikçiler mektuplaştı, her biri çorbaya birer kaşık tuz attı derken kuantum kuramı ortaya çıkmıştır. Matematiksel açıdan determinist olarak görünmeyen bu kuram, bu özelliği sayesinde görelilik kuramından çok daha temel bir değişikliğe neden olarak Richard Feynmann’ ın kuantum ile ilgili “Görelilik, onun yanında sadece bir düzeltme!” demesine neden olmuştur.
Kuantum kuramı, süperpozisyon durumları dediğimiz parçacığın aynı anda farklı iki fiziksel durumda olabilmesi gibi birçok sağduyumuza aykırı fiziksel sonuçları olan bir kuramdır. Sağduyuya karşıdır karşı olmasına ama deneyler göstermektedir ki bizim sağduyumuz yıllar boyuncca yanılmıştır. İşin matematiksel boyutu harika sonuçlar vermektedir ama fizikçiler veya fizik felsefecileri sadece matematiğin yeterli olmayacağı gibi haklı bir görüşe sahip olduklarından, kuantumun bu gariplikleri hakkında baya kafa yormuşlardır. Örneğin süperpozisyon durumuna yapılan ortak yorum, parçacığın durumunu betimleyen dalga fonksiyonu denilen şeyin aslında olaılık yoğunluğu ile ilgili olduğu yorumudur. Ama ölçüm problemi ile ilgili yorumlar genelde ortak değildir ve pekçok yorum vardır. Bu yazıda bu yorumlrdan bahsetmeyeceğim.
Ölçüm problemi
Ölçüm probleminin temel sebebi farklı yorumlarda farklı şeyler olmasına rağmen ölçüm sırasında parçacığın nasıl davranacağı matematiksel olarak betimlenmiş olup her yorum için aynıdır. (Tabi nasıl davranacağı betimli derken sadece olasılık dağılımlarnı hesaplayabiliyoruz!!) Problem esasında ölçüm yaparken parçacıkla etkileşime girmemizden kaynaklanır. Bunu gözünüzde canlandırabilmeniz için şöyle bir örnek vereyim: diyelim ki bir yayınız olsun. Bu sistemle momentum ölçeceğiz. Bir topun momentumunu ölçmek için onun yayda ne kadar yol aldığına bakacağız. Şimdi şuna dikkat edelim, topun momentumunu ölçtük ama bun yaparken momentumunu değiştirdik, çünkü etkileşime girdik. Dolayısıyla top, artık ölçtüğümüz momentum değerine sahip değil. Bu problemi makro evrende, yani Newton fiziğinin çok az hatayla işlediği boyutlarda, etkileşmeyi çok çok küçülterek çözebiliyoruz. Kuantum ise bu hataya evrensel bir alt limit koyuyor.
Her ne kadar ölçüm işini yapmak imkansız gibi görünse de yılmaya gerek yok. Çünkü olasılık, dalga fonksiyonuna kare işlemiyle bağlıdır: yani olasılık, dalga fonksiyonunun mutlak değerinin karesidir. Dalga fonksiyonunun faz kayması, onu mutlak değeri 1 olan bir sayıyla (reel olmak zorunda değil) çarpmaya eşdeğerdir ve olasılık dağılımını etkilemez. Yani eğer biz parçacığı sadece faz kayması yaşatacak biçimde etkileyerek ölçüm yaparsak, esas olan olasılık dağılımı olduğu için, parçacığın etkilenmemiş halini ölçerek aslında bu hali ile aynı durumda olan etkilenmiş halini ölçmüş olacağız. İşte evreka dememiz gereken yer burası!
David Wineland’ ın çalışmasının resmi
Bu da Serge Haroche’ nin çalışmasının resmi
