Atomların ve parçacıkların mikro dünyasını yöneten teori olan kuantum mekaniği kesinlikle X faktörüne sahiptir. Fiziğin diğer birçok alanından farklı olarak, tuhaf ve sezgilere aykırıdır, bu da onu göz kamaştırıcı ve ilgi çekici kılar. 2022 Nobel fizik ödülü , kuantum mekaniğine ışık tutan araştırmaları nedeniyle Alain Aspect, John Clauser ve Anton Zeilinger’e verildiğinde , bu heyecan ve tartışmaları ateşledi .
Ancak kuantum mekaniği hakkındaki tartışmalar – sohbet forumlarında, medyada veya bilim kurguda – bir dizi ısrarcı mit ve yanlış anlama sayesinde genellikle karışık hale gelebilir. İşte dört tane.
1. Bir kedi hem ölü hem de diri olabilir
Erwin Schrödinger , Schrödinger’in kedisi adlı düşünce deneyinin 21. yüzyılda internet meme statüsüne ulaşacağını muhtemelen asla tahmin edemezdi.
Rastgele bir kuantum olayı – örneğin radyoaktif bozunma – tarafından tetiklenen bir öldürme anahtarı olan bir kutuya sıkışmış şanssız bir kedinin, kutuyu kontrol etmek için açmadığımız sürece aynı anda hem canlı hem de ölü olabileceğini öne sürüyor.
Kuantum parçacıklarının aynı anda iki durumda – örneğin iki konumda – olabileceğini uzun zamandır biliyoruz. Buna süperpozisyon diyoruz.
Bilim adamları bunu, foton veya elektron gibi tek bir kuantum parçacığının bir duvardaki iki farklı yarıktan aynı anda geçebildiği ünlü çift yarık deneyinde gösterebildiler. Bunu nasıl bilebiliriz?
Kuantum fiziğinde her parçacığın durumu da bir dalgadır. Ancak yarıklardan tek tek bir foton akışı gönderdiğimizde, yarığın arkasındaki bir ekranda birbiriyle girişim yapan iki dalgadan oluşan bir model oluşturur. Her bir fotonun yarıklardan geçerken müdahale edecek başka fotonları olmadığına göre, bu, aynı anda her iki yarıktan da geçerek kendi kendine müdahale etmesi gerektiği anlamına gelir (aşağıdaki resim).
Bununla birlikte, bunun çalışması için, her iki yarıktan geçen parçacığın üst üste binmesindeki durumların (dalgaların) ” tutarlı ” olması, yani birbirleriyle iyi tanımlanmış bir ilişkiye sahip olması gerekir.
Bu süperpozisyon deneyleri, giderek artan boyut ve karmaşıklığa sahip nesnelerle yapılabilir. 1999’da Anton Zeilinger tarafından yapılan ünlü bir deney , “bucky topları” olarak bilinen büyük Karbon-60 molekülleri ile kuantum süperpozisyonunu gösterdi.
Peki bu zavallı kedimiz için ne anlama geliyor? Kutuyu açmadığımız sürece gerçekten hem canlı hem de ölü mü? Açıkçası, bir kedi, kontrollü bir laboratuvar ortamındaki bireysel bir foton gibi değildir, çok daha büyük ve daha karmaşıktır. Kediyi oluşturan trilyonlarca atomun birbiriyle sahip olabileceği herhangi bir tutarlılık son derece kısa ömürlüdür.
Bu, biyolojik sistemlerde kuantum tutarlılığının imkansız olduğu anlamına gelmez, yalnızca kediler veya insanlar gibi büyük yaratıklar için genellikle geçerli olmayacağı anlamına gelir.
2. Basit analojiler karışıklığı açıklayabilir
Dolaşma, iki farklı parçacığı birbirine bağlayan bir kuantum özelliğidir, böylece birini ölçerseniz, ne kadar uzakta olurlarsa olsunlar diğerinin durumunu otomatik olarak ve anında bilirsiniz.
Bunun genel açıklamaları, klasik makroskobik dünyamızdaki zarlar, kartlar ve hatta tek renkli çoraplar gibi günlük nesneleri içerir . Örneğin, arkadaşınıza bir zarfa mavi, diğerine turuncu bir kart koyduğunuzu söylediğinizi hayal edin. Arkadaşınız zarflardan birini alıp açarsa ve mavi kartı bulursa, turuncu kartın sizde olduğunu anlar.
Ancak kuantum mekaniğini anlamak için, zarfların içindeki iki kartın ortak bir süperpozisyonda olduğunu, yani aynı anda hem turuncu hem de mavi olduklarını (özellikle turuncu/mavi ve mavi/turuncu) hayal etmeniz gerekir. Bir zarfın açılması, rastgele belirlenen bir rengi ortaya çıkarır. Ancak ikinciyi açmak, her zaman karşıt rengi ortaya çıkarır çünkü “ürkütücü bir şekilde” ilk kartla bağlantılıdır.
Kartlar, başka türde bir ölçüm yapmaya benzer şekilde, farklı renklerde görünmeye zorlanabilir. “Yeşil mi yoksa kırmızı mı?” sorusunun sorulduğu bir zarfı açabiliriz. Cevap yine rastgele olacaktır: yeşil veya kırmızı. Ancak en önemlisi, kartlar birbirine dolanmışsa, aynı soru sorulduğunda diğer kart her zaman tam tersi bir sonuç verirdi.
Albert Einstein bunu klasik sezgiyle açıklamaya çalıştı ve kartların, belirli bir soru verildiğinde onlara hangi renkte görüneceklerini söyleyen gizli, dahili bir talimat seti ile sağlanmış olabileceğini öne sürdü . Ayrıca, kartların birbirlerini anında etkilemelerine izin veren görünüşte “ürkütücü” eylemi de reddetti; bu, Einstein’ın teorileri tarafından yasaklanan ışık hızından daha hızlı iletişim anlamına gelirdi.
Bununla birlikte, Einstein’ın açıklaması daha sonra Bell teoremi (fizikçi John Stewart Bell tarafından oluşturulan teorik bir test) ve 2022’nin Nobel ödüllüleri tarafından yapılan deneyler tarafından reddedildi. Dolaşmış bir kartı ölçmenin diğerinin durumunu değiştirdiği fikri doğru değil. Kuantum parçacıkları, günlük mantık veya dil ile tanımlayamayacağımız şekillerde gizemli bir şekilde ilişkilidir – Einstein’ın düşündüğü gibi, gizli bir kod içerirken iletişim kurmazlar. Dolaşma hakkında düşündüğünüzde günlük nesneleri unutun.
3. Doğa gerçek dışıdır ve ‘yerel değildir’
Bell’in teoreminin genellikle doğanın “yerel” olmadığını, bir nesnenin yakın çevresinden doğrudan etkilenmediğini kanıtladığı söylenir. Diğer bir yaygın yorum, kuantum nesnelerinin özelliklerinin “gerçek” olmadığını, ölçümden önce var olmadıklarını ima ettiğidir.
Ancak Bell’in teoremi , aynı anda birkaç başka şeyi varsayarsak, kuantum fiziğinin doğanın hem gerçek hem de yerel olmadığı anlamına geldiğini söylememize izin verir . Bu varsayımlar, ölçümlerin yalnızca tek bir sonucu olduğu (ve birden fazla değil, belki paralel dünyalarda), neden ve sonucun zamanda ileriye doğru aktığı ve her şeyin önceden belirlenmiş olduğu bir “saat gibi işleyen evrende” yaşamadığımız fikrini içerir. zamanın şafağı.
Bell’in teoremine rağmen, zamanın ilerlemesi gibi sağduyu olarak kabul ettiğimiz diğer bazı şeyleri ihlal etmeyi kabul ederseniz , doğa pekala gerçek ve yerel olabilir. Ve daha fazla araştırma, umarız kuantum mekaniğinin çok sayıda potansiyel yorumunu daraltır. Ancak masadaki seçeneklerin çoğu – örneğin zamanın geriye akması veya özgür iradenin olmaması – en az yerel gerçeklik kavramından vazgeçmek kadar saçma.
4. Kimse kuantum mekaniğini anlamıyor
Klasik bir alıntı (fizikçi Richard Feynman’a atfedilmiştir , ancak bu form aynı zamanda Niels Bohr’u da açıklamaktadır ) şu varsayımda bulunmaktadır: “Kuantum mekaniğini anladığınızı düşünüyorsanız, anlamıyorsunuz demektir.”
Bu görüş kamuoyunda yaygın olarak tutulmaktadır. Kuantum fiziğinin anlaşılması, fizikçiler de dahil olmak üzere sözde imkansızdır. Ancak 21. yüzyıl perspektifinden bakıldığında, kuantum fiziği bilim adamları için ne matematiksel ne de kavramsal olarak özellikle zor değil. Kuantum olaylarını yüksek hassasiyetle tahmin edebileceğimiz, oldukça karmaşık kuantum sistemlerini simüle edebileceğimiz ve hatta kuantum bilgisayarları oluşturmaya başlayabileceğimiz bir noktaya kadar, onu son derece iyi anlıyoruz .
Süperpozisyon ve dolaşıklık, kuantum bilgisi dilinde açıklandığında, lise matematiğinden fazlasını gerektirmez. Bell’in teoremi herhangi bir kuantum fiziği gerektirmez. Olasılık teorisi ve doğrusal cebir kullanılarak birkaç satırda türetilebilir.
Belki de gerçek zorluğun yattığı yer, kuantum fiziğini sezgisel gerçekliğimizle nasıl uzlaştıracağımızdır. Tüm cevaplara sahip olmamak, kuantum teknolojisinde daha fazla ilerleme kaydetmemizi engelleyemez. Sadece susup hesap yapabiliriz .
Neyse ki insanlık için Nobel ödüllü Aspect, Clauser ve Zeilinger susmayı reddettiler ve nedenini sormaya devam ettiler. Onlar gibi başkaları da bir gün kuantum tuhaflığıyla bizim gerçeklik deneyimlerimizi uzlaştırmaya yardımcı olabilir.