Kuantumu anlamak-5: Çift yarık: Bütün gizem burada

Richard Feynman, yirminci yüzyılın en etkili fizikçilerinden biriydi ve öğretme kabiliyetiyle tanınırdı. Kuantum mekaniği derslerinde bir deneyi anlatırken şunu söyledi: bu olgu, klasik hiçbir yoldan açıklanamaz ve kuantumun bütün gizemini içinde taşır. Aslında, dedi, kuantumun tek gizemi budur.

Bugün o deneyi anlatacağım. Anlatması kolay, kabul etmesi zor.

Önce dalgaların ne yaptığını görelim

Bir deney kuralım. Bir duvara iki dar yarık açalım, arkasına da bir perde koyalım.

Yarıklara dalga gönderin — mesela bir su teknesinde dalga üretin. Her yarık, arkasında yeni bir dalga kaynağı gibi davranır. İki dalga perdeye doğru yayılırken birbirine karışır.

Karışmanın iki türü vardır.

İki dalganın tepesi aynı yere denk gelirse birbirini güçlendirir; oradaki etki iki katına çıkar. Bir dalganın tepesi ötekinin çukuruna denk gelirse birbirini götürür; orada hiçbir şey kalmaz.

Sonuç, perdede düzenli bir şeritler dizisidir: güçlü, hiç, güçlü, hiç. Buna girişim deseni denir.

Bu desen dalgalara mahsustur. Tanecikler bunu yapamaz. İki yarıktan mermi atarsanız perdede iki yığın oluşur — yarıkların tam karşısında. Mermiler birbirini götürmez.

Yani girişim deseni, bir imzadır. Perdede onu görürseniz, oradan bir dalga geçtiğini bilirsiniz.

Tamam şimdi bunu anladıysak artık elektron göndermemizin zamanı geldi.

Aynı düzeneği kurun ama bu sefer su dalgası değil, elektron gönderin. Elektron bir parçacık; kütlesi var, yükü var, dedektöre çarptığında tek bir noktada iz bırakıyor.

Beklentimiz ne olur perde de mermilerde olduğu gibi iki yığın görmek...

Peki olan nedir: girişim deseni. Şeritler...

Bunu geçen yazıda zaten konuşmuştuk aslında; elektronun bir dalga yüzü olduğunu biliyoruz. Şaşırtıcı ama hazmedilebilir. Tuhaflık şimdi başlıyor.

Teker teker gönderin

Belki elektronlar bir kalabalık hâlinde gidiyor ve birbirleriyle itişip kakışarak bu deseni oluşturuyorlardır. Makul bir şüphe.

O hâlde kaynağı kısın. O kadar kısın ki, düzenekte aynı anda tek bir elektron bulunsun. Biri perdeye varmadan öteki yola çıkmasın.

Deney yapıldı — 1970'lerde Bolonya'da, sonra 1989'da Japonya'da Akira Tonomura ve ekibi tarafından çok daha net biçimde. Tonomura'nın kaydettiği görüntüler bugün ders kitaplarındadır. İnternette videoları bulabilirsiniz. (Çift yarık deneyi diye arayabilirsiniz)

İlk elektron perdede tek bir noktada iz bırakıyor. Gayet parçacık gibi. İkincisi başka bir noktada. Üçüncüsü başka. Noktalar rastgele dağılmış görünüyor.

Yüz tane olduğunda hâlâ anlamsız bir serpinti.

Bin tane olduğunda bir düzen sezilmeye başlıyor.

Yüz bin tane olduğunda karşınızda kusursuz bir girişim deseni duruyor.

Şimdi meselenin ağırlığını hissedin. Elektronlar birbirini görmedi; hepsi tek başına yol aldı. Yine de her biri, sanki bütün desenin neresine düşmesi gerektiğini biliyormuş gibi yerini aldı.

Tek bir elektron, kendisiyle girişim yapmıştı. İnanılmaz ama olan bu.

"Peki hangi yarıktan geçti?"

Buradaki mantıklı soru şudur: tek bir elektron iki yarıktan birinden geçmek zorunda. Hangisinden geçtiğini tespit edelim, mesele çözülsün.

Yarıkların yanına birer dedektör koyun. Elektron geçerken hangisinden geçtiğini kaydetsin.

Deney bunu da yaptı. Ve sonuç, fiziğin en rahatsız edici bulgusudur.

Hangi yarıktan geçtiğini ölçtüğünüz anda girişim deseni kayboluyor. Perdede iki yığın beliriyor — tıpkı mermilerde olduğu gibi.

Dedektörü kapatın, desen geri geliyor.

Yani elektronun davranışı, onu izleyip izlemediğinize göre değişiyor. İzlemiyorsanız iki yarıktan birden geçen bir dalga gibi davranıyor. İzliyorsanız tek yarıktan geçen bir tanecik gibi.

Deneyi daha da zorlaştırdılar: dedektörü yarıktan sonraya koydular, yani elektron yarıkları çoktan geçtikten sonra ölçmeye karar verdiler. (geciktirilmiş çift yarık deneyi) Sonuç değişmedi. Ölçüm varsa desen yok.

En kritik paragraf: "Gözlemci" ne demek

Şimdi şuraya da dikkat çekeyim. Çünkü kuantum adına satılan hemen her hurafe, tam bu noktadaki bir kelime oyunundan besleniyor.

Fizikte "gözlemci" demek, bakan insan demek değildir.

"Ölçüm" demek, bizim anladığımız manada bir bilincin farkına varması demek değildir.

Ölçüm, bir etkileşim demektir. Elektronun hangi yarıktan geçtiğini bilmek istiyorsanız, ona bir şey çarptırmanız gerekir — bir foton göndermeniz, bir alanla etkileşmesini sağlamanız. Bilgi bedavaya gelmez. Bilgiyi almak, sisteme dokunmaktır.

Ve dokunduğunuz anda elektronun dalga yüzü bozulur.

Dedektörü kurup odadan çıkın, kimse bakmasın, kayıtları bir yıl sonra okuyun — desen yine oluşmaz. Dedektörü kurun ama kapalı tutun, herkes başında dikilip baksın — desen oluşur.

Belirleyici olan insan bilinci değil, etkileşimin olup olmadığıdır.

Peki elektron gerçekte ne yapıyor?

Şimdi asıl soru. Elektron ölçülmediğinde nerededir? İki yarıktan birden mi geçiyor? Bölünüyor mu? Aynı anda iki yerde mi?

Fiziğin dürüst cevabı şudur: bilmiyoruz. Ve kuantum kuramı bu soruyu cevaplamaz.

Kuramın yaptığı şey şudur: ölçüm yapıldığında elektronun nerede bulunacağının olasılığını kusursuz doğrulukla verir. Deseni tahmin eder, şeritlerin yerini tahmin eder, yoğunluklarını tahmin eder. Bugüne kadar bir kez bile şaşmamıştır.

Ama "ölçüm arasında ne oluyordu" sorusuna dair söylediği hiçbir şey yoktur.

Bunu bir eksiklik olarak görüp "demek ki kuram tamamlanmamış" diyenler oldu — başlarında Einstein. Bunu doğanın kendisi olarak kabul edip "sorunun kendisi anlamsız" diyenler oldu — başlarında Bohr. Bu tartışma otuz yıl sürdü ve dizinin ilerleyen bölümlerinde ayrıntısıyla konuşacağız.

Şimdilik şunu aklınıza yazın: kuantum kuramı ne olacağını söyler; ne olduğunu, niçin olduğunu söylemez.

Bu bir düşünce deneyi değil

Yazıya son vermeden önce bir not. Çift yarık, anlatım kolaylığı için uydurulmuş bir örnek değildir. Yapılmıştır, defalarca tekrarlanmıştır ve giderek büyük nesnelerle yapılmaktadır.

Elektronla yapıldı. Nötronla yapıldı. Bütün atomlarla yapıldı. 1999'da Viyana'da altmış karbon atomundan oluşan futbol topu biçimli moleküllerle yapıldı — ve o devasa moleküller bile girişim deseni verdi. Sonraki yıllarda çok daha büyük moleküllerle tekrarlandı.

Sınırın nerede olduğu hâlâ araştırılıyor. Şimdiye kadar bulunan bir sınır yok; sadece nesne büyüdükçe deneyi yapmak zorlaşıyor. Çünkü büyük nesneyi çevresinden yalıtmak — yani hiçbir şeyle etkileşmemesini sağlamak — neredeyse imkânsız hâle geliyor.

Yarın, bu tablodan çıkan ve adı en çok yanlış kullanılan ilkeyi konuşacağız: belirsizlik. Ve en baştan söyleyeyim, o ilke "biz ölçerken bozuyoruz" demek değildir.