2022 Nobel Fizik Ödülü, tüm doğal fenomenlerin en gizemlilerinden birini anlamada çığır açan katkılarda bulunan üç bilim insanına verildi: kuantum dolaşıklığı.

En basit ifadeyle, kuantum dolaşıklık, dolanık bir çiftin bir parçacığının yönlerinin, birbirlerinden ne kadar uzakta olduklarına veya aralarında ne olduğuna bakılmaksızın, diğer parçacığın yönlerine bağlı olduğu anlamına gelir. Bu parçacıklar, örneğin elektronlar veya fotonlar olabilir ve bir yön, içinde bulunduğu durum olabilir, örneğin şu veya bu yönde “dönüyor” olabilir.

Kuantum dolaşıklığın tuhaf yanı, dolanık bir çiftteki bir parçacıkla ilgili bir şeyi ölçtüğünüzde, aralarında milyonlarca ışık yılı uzakta olsalar bile, diğer parçacık hakkında hemen bir şeyler bilmenizdir. İki parçacık arasındaki bu tuhaf bağlantı anlıktır ve görünüşe göre evrenin temel bir yasasını çiğner. Albert Einstein fenomeni ünlü olarak “uzaktan ürkütücü eylem” olarak adlandırdı.

Yirmi yılın daha iyi bir bölümünü kuantum mekaniğine dayanan deneyler yaparak geçirdikten sonra, tuhaflığını kabul etmeye geldim. Her zamankinden daha kesin ve güvenilir araçlar ve bu yılın Nobel kazananları Alain Aspect, John Clauser ve Anton Zeilinger’in çalışmaları sayesinde, fizikçiler artık kuantum fenomenlerini olağanüstü bir kesinlik derecesiyle dünya hakkındaki bilgilerine entegre ediyor.

Bununla birlikte, 1970’lere kadar bile, araştırmacılar hala kuantum dolaşıklığının gerçek bir fenomen olup olmadığı konusunda bölünmüşlerdi. Ve haklı nedenlerle – kendisinden şüphe eden büyük Einstein’la kim çelişmeye cüret edebilir? Sonunda bu gizemi sona erdirmek için yeni deneysel teknolojinin geliştirilmesi ve cesur araştırmacılar gerekti.

Aynı anda birden fazla eyalette mevcut

Kuantum dolaşıklığının ürkütücülüğünü gerçekten anlamak için önce kuantum süperpozisyonunu anlamak önemlidir. Kuantum süperpozisyonu, parçacıkların aynı anda birden çok durumda var olduğu fikridir. Bir ölçüm yapıldığında, parçacık süperpozisyondaki durumlardan birini seçmiş gibidir.

Örneğin, birçok parçacığın, analizörün belirli bir oryantasyonu için “yukarı” veya “aşağı” olarak ölçülen spin adı verilen bir özelliği vardır. Ancak bir parçacığın dönüşünü ölçene kadar, aynı anda yukarı ve aşağı dönüşün bir süperpozisyonunda var olur.

Her duruma bağlı bir olasılık vardır ve birçok ölçümden ortalama sonucu tahmin etmek mümkündür. Tek bir ölçümün yukarı veya aşağı olma olasılığı bu olasılıklara bağlıdır, ancak kendisi tahmin edilemez.

Çok tuhaf olmasına rağmen, matematik ve çok sayıda deney, kuantum mekaniğinin fiziksel gerçekliği doğru bir şekilde tanımladığını göstermiştir.

İki dolaşmış parçacık

Kuantum dolaşıklığının ürkütücülüğü, kuantum süperpozisyonunun gerçekliğinden ortaya çıkar ve 1920’lerde ve 1930’larda teoriyi geliştiren kuantum mekaniğinin kurucu babaları için açıktı.

Dolaşık parçacıklar yaratmak için, bir sistemi esasen, parçaların toplamının bilindiği ikiye bölersiniz. Örneğin, spini sıfır olan bir parçacığı, toplamları sıfır olacak şekilde mutlaka zıt spinlere sahip olacak iki parçacığa bölebilirsiniz.

1935’te Albert Einstein, Boris Podolsky ve Nathan Rosen , evrenin temel bir yasasına meydan okuyan görünen bir kuantum dolaşıklığı saçmalığını göstermek için tasarlanmış bir düşünce deneyini anlatan bir makale yayınladılar.

David Bohm’a atfedilen bu düşünce deneyinin basitleştirilmiş bir versiyonu, pi mezon adı verilen bir parçacığın bozunmasını ele alıyor. Bu parçacık bozunduğunda, zıt spinli ve birbirinden uzaklaşan bir elektron ve bir pozitron üretir. Bu nedenle, elektron dönüşü yukarı olarak ölçülürse, o zaman pozitronun ölçülen dönüşü yalnızca aşağı olabilir ve bunun tersi de geçerlidir. Parçacıklar birbirinden milyarlarca mil uzakta olsa bile bu doğrudur.

Elektron dönüşünün ölçümü her zaman yüksek ve pozitronun ölçülen dönüşü her zaman düşük olsaydı bu iyi olurdu. Ancak kuantum mekaniği nedeniyle, her parçacığın dönüşü, ölçülene kadar hem kısmen yukarı hem de kısmen aşağıdır. Sadece ölçüm gerçekleştiğinde, spinin kuantum durumu ya yukarı ya da aşağı “çöker” – diğer parçacığı anında ters dönüşe çöker. Bu, parçacıkların ışık hızından daha hızlı hareket eden bazı yollarla birbirleriyle iletişim kurduğunu gösteriyor gibi görünüyor. Ancak fizik yasalarına göre hiçbir şey ışık hızından daha hızlı hareket edemez. Elbette bir parçacığın ölçülen durumu, evrenin uzak ucundaki başka bir parçacığın durumunu anında belirleyemez mi?

Einstein da dahil olmak üzere fizikçiler, 1930’larda kuantum dolaşıklığının bir dizi alternatif yorumunu önerdiler. Ölçümden önce bir parçacığın durumunu belirleyen gizli değişkenler olarak adlandırılan bazı bilinmeyen özellikler olduğunu teorileştirdiler. Ancak o zamanlar fizikçiler, kuantum teorisinin gizli değişkenleri içerecek şekilde değiştirilmesi gerekip gerekmediğini test edebilecek net bir ölçüm teknolojisine veya tanımına sahip değildi.

Bir teoriyi çürütmek

Cevap için herhangi bir ipucunun bulunması 1960’lara kadar sürdü. Nobel Ödülü’nü almak için yaşamamış parlak bir İrlandalı fizikçi olan John Bell, gizli değişkenler kavramının anlamlı olup olmadığını test etmek için bir plan tasarladı.

Bell, şimdilerde Bell’in eşitsizliği olarak bilinen, her zaman kuantum mekaniği için değil, gizli değişken teorileri için her zaman ve yalnızca doğru olan bir denklem üretti. Bu nedenle, gerçek dünya deneyinde Bell denkleminin karşılanmadığı bulunursa, yerel gizli değişken teorileri, kuantum dolaşıklığı için bir açıklama olarak göz ardı edilebilir.

2022 Nobel ödüllü kişilerin, özellikle Alain Aspect’in deneyleri, Bell eşitsizliğinin ilk testleriydi. Deneyler, birçok düşünce deneyinde olduğu gibi, bir elektron ve bir pozitron çifti yerine dolaşmış fotonları kullandı. Sonuçlar, dolaşmış parçacıkların durumlarını önceden belirleyecek gizemli bir özellik olan gizli değişkenlerin varlığını kesin olarak dışladı. Toplu olarak, bu ve birçok  takip  deneyi kuantum mekaniğini haklı çıkardı. Nesneler, kuantum mekaniğinden önceki fiziğin açıklayamadığı şekillerde büyük mesafeler boyunca ilişkilendirilebilir.

Daha da önemlisi, ışıktan hızlı iletişimi yasaklayan özel görelilik ile de bir çelişki yoktur. Çok uzak mesafelerdeki ölçümlerin korelasyonlu olması, bilginin parçacıklar arasında iletildiği anlamına gelmez. Dolanık parçacıklar üzerinde ölçümler yapan birbirinden uzak iki taraf, bilgiyi ışık hızından daha hızlı iletmek için fenomeni kullanamaz.

Bugün fizikçiler kuantum dolaşıklığı araştırmaya ve potansiyel  pratik uygulamaları araştırmaya devam ediyor. Kuantum mekaniği, bir ölçümün olasılığını inanılmaz bir doğrulukla tahmin edebilmesine rağmen, birçok araştırmacı gerçeğin eksiksiz bir tanımını sağladığı konusunda şüpheci olmaya devam ediyor. Yine de kesin olan bir şey var. Kuantum mekaniğinin gizemli dünyası hakkında söylenecek çok şey var.