Kuantumu anlamak-8: Uzaktan hayalet etki

1935 yılında Einstein, Princeton'da iki genç meslektaşıyla — Boris Podolsky ve Nathan Rosen — birlikte bir makale yayımladı. Fizik tarihinde üç yazarın baş harfleriyle anılan az sayıda çalışmadan biridir: EPR makalesi.

Amaç kuantumu çürütmek değildi. Daha incesiydi: kuramı kendi mantığıyla sıkıştırıp, kabul edilemez bir sonuca vardığını göstermekti.

Einstein sonunda haksız çıkacaktı. Ama sorduğu soru o kadar keskindi ki, otuz yıl sonra felsefî bir tartışmayı laboratuvar deneyine dönüştürdü ve 2022'de Nobel'e konu oldu.

İki eldiven

Önce olgunun kendisini anlatalım. Bazı fiziksel süreçler parçacıkları çiftler hâlinde üretir ve bu çiftler ortak bir kurala bağlıdır. Mesela bir özellikleri toplandığında hep sıfır etmek zorundadır: biri "yukarı" çıkarsa öteki mutlaka "aşağı" çıkar.

Bu çifte dolanık denir. Birini alıp İstanbul'da bırakın, ötekini Tokyo'ya götürün. İstanbul'dakini ölçtüğünüzde, Tokyo'dakinin ne çıkacağını anında bilirsiniz.

Bir çift eldiven düşünün; birini bir kutuya, ötekini başka kutuya koyup dünyanın iki ucuna gönderin. Birini açtınız, sol çıktı. Öteki sağdır — hem de anında, hiçbir sinyal gitmeden.

Burada esrarengiz bir şey yoktur. Eldivenler kutulara konduğu anda zaten sol ve sağdı; biz bilmiyorduk sadece. Einstein'ın iddiası tam olarak buydu. Parçacıklar da böyledir, diyordu. Değerleri en baştan bellidir, kuram bunu göremediği için olasılıkla konuşur. Yani kuram eksiktir.

Alternatif ne? Alternatif şu: parçacıkların değeri gerçekten ölçüm anında belirleniyorsa, İstanbul'daki ölçüm Tokyo'dakinin sonucuyla anında uyumlanıyor demektir. Aralarında, mesafeyi hiçe sayan bir bağ olmalıdır.

Einstein bunu kabul edilemez buldu ve meşhur tabirini kullandı: uzaktan hayalet etki. Ona göre bu saçmalığa düşmemenin tek yolu, değerlerin baştan belli olduğunu kabul etmekti. Mesele burada kilitlendi. İki taraf da haklı görünüyordu ve tartışma felsefî kaldı; çünkü ikisini ayırt edecek bir deney yoktu.

Otuz yıl sonra: Bell'in dehası

1964'te, CERN'de çalışan Kuzey İrlandalı fizikçi John Stewart Bell bu düğümü çözdü. Hem de kimsenin aklına gelmeyen bir yoldan. Bell, "hangisi doğru" diye sormadı. Şunu sordu: eğer Einstein haklıysa, yani değerler baştan belliyse, bunun ölçülebilir bir sonucu olur mu?

Cevabı buldu. Parçacıkları hep aynı açıdan değil, farklı açılardan ölçerseniz sonuçlar arasındaki uyum bir sayıya bağlanır. Ve Bell şunu ispatladı: değerler baştan belliyse, bu sayı belli bir sınırı aşamaz. Buna Bell eşitsizliği denir. Kuantum kuramının öngördüğü değer ise o sınırın üstündedir. Ölçün, sınırın altında çıkarsa Einstein haklı. Üstünde çıkarsa Einstein haksız. Bell'in kendisi de Einstein'ın haklı çıkmasını umuyordu. Bell bir deney öngörmüştü ama kendi zamanında yapılamadı. Ölçmek kolay olmadı; teknoloji yetmiyordu. İlk ciddi denemeler 1970'lerde yapıldı. Asıl belirleyici deney, 1982'de Paris'te Alain Aspect ve ekibinden geldi.

Aspect'in getirdiği incelik şuydu: ölçüm açılarını, fotonlar yola çıktıktan sonra değiştiriyordu. Öyle hızlı değiştiriyordu ki, bir taraftaki ayarın bilgisi ışık hızıyla bile öteki tarafa yetişemezdi. Böylece "belki aletler bir şekilde haberleşiyordur" itirazı ortadan kalkıyordu.

Sonuç: Bell eşitsizliği ihlal edildi. Hem de kuantumun öngördüğü tam değerde.

Sonraki kırk yılda deney her açıdan tekrarlandı, bütün teknik kaçamaklar tek tek kapatıldı. 2015'te yapılan deneylerde son açıklar da giderildi. 2017'de Çin'de yörüngeye yerleştirilen bir uydu, dolanık fotonları 1200 kilometre aralıklı iki yer istasyonuna gönderdi; sonuç değişmedi.

2022 Nobel Fizik Ödülü, Alain Aspect, John Clauser ve Anton Zeilinger'e verildi.

Einstein kaybetti — ama neyi kaybetti?

Burada çok dikkatli olmamız gerekiyor, çünkü bu hikâye genellikle yanlış anlatılıyor.

Einstein'ın kaybettiği şey, "böyle bir tuhaflık olamaz" iddiasıydı. Doğa, onun kabul edilemez bulduğu tarafı seçti. Tuhaf bir şey oluyordu.

Kazandığı şey ise şudur: ortada ciddiye alınması gereken, açıklanmayı bekleyen gerçek bir olgu bulunduğunu söylemişti ve bunda kesinlikle haklıydı. Bohr'un "bu soru fiziğin alanı dışındadır" tavrı, o deneylerden sonra savunulamaz hâle geldi. Çünkü soru, ölçülebilir bir sonuç verdi.

Yani, bu deneyler dolanıklığın var olduğunu gösterdi. Nasıl olduğunu göstermedi.

Elimizde sonuçları kusursuz bilen bir denklem var. Ama o denklemin arkasında yatan mekanizmaya dair hiçbir fikrimiz yok. İki parçacık arasında ne var? Bilmiyoruz. Bağ nerede duruyor, neyin üzerinden kuruluyor? Bilmiyoruz. "Uzaktan hayalet etki" değilse, nedir? Cevap yok.

Bu, astronomideki karanlık madde meselesine benzer. Gökadaların dönüş hızlarından, orada görünmeyen bir kütle olması gerektiğini biliyoruz; denklemler bunu kesin söylüyor. Ne olduğunu ise bilmiyoruz. Varlığını tespit etmek, açıklamış olmak değildir.

Dolanıklıkta da durum budur. Olgu kesin, mekanizma meçhul. Doğa bize bir cevap değil, daha büyük bir soru verdi.

Bunu iyi kavrayın: dolanıklık "uzaktan etki" değil, uzaktan uyumdur.

Peki gerçekten ne işe yarıyor

Dolanıklık işe yaramıyor değil. Ama işe yaradığı yerler, sanılanın tam tersi yerler.

Kuantum şifreleme. Bir hattın dinlenip dinlenmediğini tespit etmek için kullanılıyor. Mantığı şu: dinlemek demek ölçmek demektir, ölçmek de sistemi bozar. Yani casus, bıraktığı izle kendini ele verir. Matematiksel zorluğa değil, fizik yasasına dayanan bir güvenlik. Bankacılıkta ve devlet iletişiminde kullanılmaya başlandı.

Kuantum bilgisayarlar. Dolanık durumlar, belli hesap türlerinde klasik makinelerin yapamayacağı kısayollar sağlıyor. Henüz emekleme aşamasında ama üzerinde ciddi bir yarış var.

Kuantum ışınlama. Adı yanıltıcıdır; madde ışınlanmaz, insan ışınlanmaz. Bir parçacığın durumu bir başkasına aktarılır — ve bu işlem sırasında mutlaka klasik bir kanaldan bilgi gönderilmesi gerekir. Yani ışık hızı yine aşılmaz.

Einstein'a hakkını verelim

Bu hikâyenin sonunda Einstein haksız çıktı. Ama fizik tarihinde haksız çıkarken bu kadar faydalı olmuş başka biri yoktur.

EPR makalesi yazılmasaydı Bell o soruyu sormazdı. Bell sormasaydı Aspect ölçmezdi. Ölçülmeseydi kuantum şifreleme diye bir sanayi doğmazdı.

Einstein, kuramı sarsmak isterken ona en sağlam temelini kazandırdı. İyi bir itiraz, kötü bir onaydan daha değerlidir.

Kapanan değil, açılan kapı

Bu diziye, 1900 yılında fizikçilerin işin bittiğini düşündüğünü anlatarak başlamıştık. Lord Kelvin'in iki küçük buluttan bahsettiğini yazmıştık.

Şimdi sekiz yazının sonunda nerede olduğumuza bakın.

Işığın hem dalga hem parçacık olduğunu biliyoruz — ama bunun ne demek olduğunu bilmiyoruz. Ölçüm anında dalga fonksiyonuna ne olduğunu bilmiyoruz; doksan yıldır tartışılıyor ve fizikçiler arasında ortak bir görüş yok. Dolanıklığın gerçek olduğunu biliyoruz, mekanizmasını bilmiyoruz. Genel görelilik ile kuantumu birbiriyle barıştıramıyoruz; evrenin en büyük ölçeğini anlatan kuramla en küçük ölçeğini anlatan kuram aynı masaya oturmuyor.

Bunlara evrenin kendisinden gelen soruları ekleyin. Gökadaların dönüşünden, ortada görünmeyen bir kütle olduğunu anlıyoruz; evrenin genişlemesinin hızlanmasından, bilmediğimiz bir enerji olduğunu çıkarıyoruz. İkisi birlikte, evrendeki madde ve enerjinin ezici çoğunluğunu teşkil ediyor. Yani kâinatın büyük kısmı hakkında, adını koymaktan başka bir şey yapabilmiş değiliz.

Bir asır önce fizik bittiğini sanıyorduk. Bugün, o günden çok daha fazla açık soru var.

Ve asıl ders bu. Her cevap yeni bir kapı açtı; her kapının arkasında daha büyük bir salon çıktı. İnsan aklı ilerledikçe bilgisi arttı ama bilmediğinin haritası daha da genişledi.

Bunu bir başarısızlık saymayın. Bilimin gücü, cevaplarının kesinliğinde değil; bilmediğini söyleyebilme dürüstlüğündedir.

Yarın, bu kuramın dünyayı nasıl inşa ettiğini konuşacağız — çünkü bütün bu meçhullere rağmen kuantum, insanlığın kurduğu en işe yarar kuramdır.