Maddeyi anlamak-3: Gölet paket paket dalgalanır

Dün bir soruyla ayrılmıştık. Maxwell'e göre ışık, evrene yayılmış elektromanyetik alanın dalgasıydı ve bu dalga pürüzsüzdü; istediğiniz kadar küçülebilirdi. Oysa Planck ve Einstein ışık enerjisinin paketler hâlinde geldiğini göstermişti. Yarım paket olmazdı.

Yirmi yıl boyunca fizik bu iki gerçekle yaşadı ve ikisini birleştiremedi. Kuantum dizisinde konuştuğumuz "hem dalga hem parçacık" ikilemi, aslında bu birleşememenin adıydı. Düğümü çözen, fizik tarihinin en tuhaf karakterlerinden biri oldu.

Paul Dirac 1902'de İngiltere'nin Bristol şehrinde doğdu. Sert bir öğretmen olan babası, sofrada yalnızca Fransızca konuşulmasını şart koşuyordu; Fransızcası zayıf olan küçük Paul susmayı öğrendi ve ömür boyu az konuştu. Ama kâğıdın başında dönemin en berrak zihinlerinden biriydi. Ona göre bir denklem doğru olmakla yetinmemeli, güzel de olmalıydı.

1927'nin başında, yirmi dört yaşındayken, Maxwell'in alanını kuantum kurallarına uyduran makalesini yayımladı.

Dirac'ın fikrini anlamak için kuantum dizisinden tanıdık bir resme dönelim: Bohr'un atomu. Bohr, elektronun atom içinde ancak belirli basamaklara oturabileceğini söylemişti. Bir rampada her yükseklikte durabilirsiniz; bir merdivende ise ya birinci basamaktasınızdır ya ikinci. Arası yoktur.

Dirac aynı kuralı alana uyguladı. Maxwell'in göleti her türlü titreşimi taşıyabilir. Klasik fiziğe göre her titreşim istediği kadar güçlü ya da zayıf olabilirdi, yani bir rampa gibi. Dirac şunu gösterdi: alan kuantum kurallarına uyduğunda, her titreşimin enerjisi ancak belirli basamaklarla artıp azalabilir. Yarım basamak yoktur.

Basamağın yüksekliği titreşimin hızına bağlıdır. Hızlı titreşen mavi ışığın basamakları yüksek, yavaş titreşen kırmızı ışığınkiler alçaktır. Bu, Planck'ın 1900'de çaresizlikten koyduğu kuralın ta kendisidir; ama artık bir hile değil, alanın doğasıdır.

Ve işte cevap: bir foton, alanın tek bir basamak titreşmesidir. Uzayda uçan küçük bir bilye değil, göletin bir adım kıpırdaması. Gündelik hayatta gördüğümüz ışık o kadar çok basamaktan oluşur ki merdiven bize rampa gibi görünür; Maxwell'in pürüzsüz alanı da buradan çıkar.

Paranın kendisi

İlk yazıda bir söz vermiştim: paranın iki yüzünü değil, paranın kendisini gösterecektik. Bunun için kuantum dizisinin kalbi olan çift yarık deneyine dönelim ve üç soruyu sırayla soralım.

Işık neden dalga gibi davranır? Çünkü titreşen şey alandır. Bir foton, belli bir noktada duran bir bilye değil, göletin geniş bir bölümüne yayılmış bir kıpırtıdır. Bu kıpırtı iki yarığın önüne birden ulaşır ve iki yarıktan birden geçer. Öbür tarafta iki yoldan gelen titreşimler üst üste biner; bazı yerlerde birbirini güçlendirir, bazı yerlerde söndürür. Ekrandaki aydınlık ve karanlık şeritler buradan doğar.

Işık neden parçacık gibi davranır? Çünkü basamak bölünemez. Yayılmış titreşim ekrana vardığında, ekrandaki milyarlarca atomdan biri o basamağı almak zorundadır ve onu ya bütünüyle alır ya hiç almaz. İki atom bir basamağı paylaşamaz. Enerji tek bir noktaya geçer, ekranda tek bir nokta yanar. Biz buna "parçacık çarptı" deriz. Oysa çarpan bir bilye değil, tek noktada bütünüyle teslim edilen bir titreşimdir.

Ölçüm yapınca desen neden kayboluyor? Yarıkların yanına ışığın hangisinden geçtiğini tespit eden bir alet koyduğunuzda girişim deseni siliniyor, ekranda iki düz şerit kalıyordu.

Bir şeyi tespit etmek, ona dokunmadan olmaz. Yarığın yanındaki alet, oradan geçen titreşimle etkileşmek, üzerinde bir iz bırakmak zorundadır. Kuantum dizisinde "gözlemci bir bilinç değil; ölçüm bir etkileşimdir" demiştik. İşte o etkileşim burada iş görür.

Girişim deseninin oluşması için tek bir şart vardır: iki yoldan gelen titreşimlerin, aynı titreşimin iki yarısı olarak kalması. Ancak o zaman buluşup birbirini güçlendirip söndürebilirler. Yarıkta bir alet titreşimle etkileştiği anda bu şart bozulur. Bir yoldan geçen kısım dünyada iz bırakmıştır, öbürü bırakmamıştır. İki yarım artık aynı hikâyenin parçası değil, iki ayrı hikâyedir. Ayrı hikâyeler birbirini söndüremez, sadece yan yana dizilir. Ekranda iki düz şerit bu yüzden belirir.

Açık kalan soru

Alan teorisi çok şey açıkladı ama her şeyi değil.

Deneyi bir milyon fotonla tekrarlayın: kuram, ekranın hangi bölgelerinin sık, hangilerinin seyrek yanacağını kusursuz bir kesinlikle önceden hesaplar. Ama tek bir foton gönderip "bu nereye düşecek?" diye sorun; kuram cevap veremez, sadece ihtimalleri söyler. Tıpkı zar gibi: bin atışta her yüzün aşağı yukarı altıda bir geleceğini bilirsiniz, tek atışın ne geleceğini bilemezsiniz.

Yani kuram şu soruyu cevapladı: enerji neden tek bir noktaya teslim ediliyor? Çünkü basamak bölünemez. Ama şu soruyu cevaplamadı: neden bu sefer tam da bu noktaya? Fizikte buna ölçüm problemi denir ve yüz yıldır açıktır. Bu belirsizlik, bizim doğaya erişim biçimimizin bir sınırıdır. Paranın kendisini bulduk; paranın neden bu sefer yazı geldiğini hâlâ bilmiyoruz.

Işık doğar ve ölür

Dirac'ın fikri, Demokritos'tan beri süren "bölünmez cevher" tasavvurunu da sarstı.

Lambayı yaktığınızda fotonlar bir kutuda bekliyor değildir. Lambadaki atomlar enerji alıp bir basamak yukarı çıkar, sonra geri iner; kaybettikleri enerji alana geçer ve alan bir basamak titrer. Foton o an doğar. Gözünüze ulaştığında bir molekül o basamağı alır ve foton yok olur. Tıpkı bir zilin sesi gibi: ses zilin içinden çıkarılmış bir nesne değil, havanın titreşmeye başlamasıdır.

Parçacıklar o güne kadar ezelî, değişmez tuğlalar sayılıyordu. Dirac gösterdi ki en azından foton böyle değil; doğar, ölür, sayısı değişir. Çünkü o bir tuğla değil, bir titreşimdir.

Denklem bir şey daha söylüyor

1928'de Dirac elektronu tarif eden kuantum denklemini Einstein'ın özel göreliliğiyle uyumlu hâle getirdi. Ortaya sade ve zarif bir formül çıktı, ama içinde rahatsız edici bir şey vardı: her elektron çözümünün yanında, aynı kütlede ama zıt yükte bir ikiz çözüm. Kimse böyle bir şey görmemişti. 1931'de Dirac cesur bir adım attı: doğada henüz bulunmamış bir karşıt elektron olmalıydı.

Ertesi yıl Kaliforniya'da Carl Anderson, uzaydan gelen ışınların izlerini incelerken elektron gibi kıvrılan ama ters yöne dönen bir iz fotoğrafladı. Dirac'ın parçacığı oradaydı: pozitron. Kuantum dizisinde PET taramasında gördüğümüz parçacık; dokudaki elektronla karşılaşınca ikisi de yok olur, geriye iki foton kalır.

Son cümleye bir daha bakın: bir elektron ile bir pozitron karşılaşıyor, ikisi de yok oluyor, yerlerine fotonlar doğuyor.

Fotonu alanın titreşimi olarak anladık. Ama elektron da yok olabiliyor, elektron da doğabiliyorsa, o da ezelî bir tuğla olamaz. O da bir şeyin titreşimi olmalı.

Yarın bu düşüncenin vardığı yeri konuşacağız: evrende yalnızca ışığın değil, her parçacığın kendi göleti var. Ve bu göletler, tamamen boş sandığımız yerde bile durmadan kıpırdıyor.