Kuantum mekaniği doğanın açıklanmasında elimizdeki en başarılı teorilerden biri olmasıyla birlikte, belki de en çok ”garip”liğiyle tanınır. Kuantum teorisi -ve onun matematiksel aracı olan dalga fonksiyonu- deneylerin sonuçlarının olasılıklarını öngörmede bu zamana kadar sorun yaşamamıştır. Fakat neredeyse bir yüzyıl süren tartışmadan sonra, birçok fizikçi ve bilim felsefecisinin üzerinde uzlaştıkları tek önerme kuantum teorisinin gerçek dünya üzerinde aslında ne söylediğinin belli olmamasıdır. Bu da küçük ölçekli bir ”kuantum teori yorumları” sanayisine, sayısı yüzlere varacak şekilde, yol açmıştır.

Bu bataklığın merkezinde ”dalga fonksiyonu” yer almaktadır. Dalga fonksiyonunu (matematiksel sembolü Ψ) kullanarak, fizikçiler bir kuantum ölçümün alacağı belirli bir sonucun olasılığını hesaplarlar. Bu prosedürün başarısı bize beklenmeyecek ölçüde bir kesinlikte atom altı dünyasını kontrol imkânı vermektedir: IPad, akıllı telefon ve dizüstü bilgisayarları için kuantum teorisine teşekkür (ya da lanet) edebilirsiniz. Fakat klasik fiziğin aksine, kuantum mekaniği bir ölçümün sonucu hakkında sorulacak basit bir soru için verilecek tek ve belirli bir cevap sağlayamamaktadır. Onun yerine, birçok farklı olası sonuçlar sunan bir olasılık dağılımı sunmaktadır. Ancak biz ölçüm gerçekleştikten sonra, oturmuş, öngörülebilir ve klasik bir sonuç alabiliyoruz. Bu noktada dalga fonksiyonumuz “çökme” haline gelmektedir.

Bu bize gerçek ve fiziksel evren ile dalga fonksiyonun bize tasvir ettiklerinin arasında bir boşluk olduğunu belirtmektedir. Bu durumda dalga fonksiyonu aslında neyi temsil etmektedir? Ve aslında, eğer varsa, çöken nedir? Simdi, teorik ve deneysel fizikçiler bu şeytanca, karmaşık tartışmaya dair yeni açılar (ve yeni veriler) sunmaktadırlar.

Dalga fonksiyonu tartışması

Filozoflar ”ontik” kelimesini evrendeki gerçek objeler ve olaylar için kullanırlar. Bunlar, herhangi bir kişinin gözleyip gözlemlemesine bağlı olmadan var olurlar. Eğer ki evreni bir video oyunu gibi görürsen, ”Ψ-ontik” adlı görüş dalga fonksiyonunun kaynak kodu olduğunu söyler. Bu perspektiften hareketle, dalga fonksiyonu direkt olarak fiziksel gerçekliğe isabet eder, bütüncül bir betimleyim kendinde barındırır ve filozofların tabiriyle ”dünyanın eşyası” olma özelliğini taşır. Bu ”Ψ-ontolojistler” için (karşıtlarının kendileriyle alay ettikleri şekliyle), kuantum teorisi ve gerçekliğin kendisi nihayetinde dalga fonksiyonun, Schrödinger denklemine göre nasıl biçimlendiğine bakar. Kuantum gerçekçi görüşte, Ψ bir şekilde ”her şeyin olduğu şey”dir.

Bu kamptaki birçok düşünüre göre, dalga fonksiyonun çökme anında olağanüstü bir durum yaşanmamaktadır. Bu gözüken anlık çöküş aslında biçimsel-izole edilmiş bir kuantum sisteminin çevresiyle girdiği etkileşim olarak hızlı bir süreçtir.

Bunun karşısında alternatif olarak ”Ψ-epistemiği” görüşü ise dalga fonksiyonu, kaynak kodu olmaktan ziyade sistemin durumunu bizim sınırlı bilgimiz dahilinde temsil edebilir fakat bu kaynak kodundan öğrenebileceğini -eğer varsa böyle bir şey- sadece oyunun belli bir kısmından alır. Bazı ”Ψ-epistemolojist”leri için dalga fonksiyonu sadece gerçekliğin bir kısmını yansıtan bir araç olsa bile, bir gerçek ontik durum var olmaktadır. Diğer bir kısmı ise, fiziksel bir ontik durumun, gözlemciden bağımsız şekilde olsa bile var olamayabileceğini söylemektedirler: ”Oyun eğer orada oynayacak biri yoksa var olamaz”. Tüm bu tartışmaların çoğu, dalga fonksiyonunun gerçekliğin hepsini ya da bir kısmını kapsayıp kapsamamasından bağımsız bir şekilde, ”realist” bir pozisyonda, yani gözlemciden bağımsız şekilde var olan gerçek, fiziksel bir dünya kabulünde durur.

”Ψ-epistemiği”nde dalga fonksiyonu gerçek bir fiziksel süreç olarak görülmez. Bunun yerine, sistemin durumu hakkında neredeyse anlık bir bilgi güncellenmesini temsil eder. Bu gözlemciyi bir çeşit, istense ya da istenmese de, özel konuma koymayı gerektirir. Buna ek olarak, bu görüşte uygunsuz kuantum üst üste bindirme, Schrödinger’in kedisi düşünce deneyinde olduğu gibi, sadece matematiksel illüzyonlardır, sadece olasılıkların toplamıdır, gerçeklik değillerdir. Bunlardan tamamen habersiz olsak bile, belli bir zamanda maddenin asil gerçekliği olarak dururlar. Gerçekleşen sadece bizim kesikli bir biçimde değişen bilgilerimizdir, kedinin gerçek durumu değil.

Yeni kavrayışlar

Dalga fonksiyonu nesnel gerçeklik mi yoksa sadece öznel bilgi mi? Bu iki zıt kutuptaki görüşün dalga fonksiyonu konusunda aynı anlama “çökmemesi şaşırtıcı olmayacaktır. Şimdilerde, Matthew Pusey, Jonathan Barrett ve Terry Rudolph (PBR) adlı teorik fizikçiler ontik görüş lehinde güçlü bir teorik kanıt geliştirdiler. Bazı varsayımlardan hareketle epistemik görüşün kuantum mekaniğinin öngörüleriyle çeliştiğini gösterdiler. Kuantum teorisinin şaşırtıcı deneysel başarısı altında, gerçekten dalga fonksiyonunun nesnel gerçekliğe karşılık geldiği ve epistemik görüşün dışarda kaldığı görünüyor.

O kadar hızlı değil diyor şüpheciler. Yukarıda bahsettiğim ”bazı varsayımları” hatırlayın. Bu varsayımlardan bir tanesi, bağımsız şekilde hazırlanan sistemlerin bağımsız fiziksel ontik durumlara sahip olması. Mesela Viyana’daki bir fotonun Cambridge’deki bir fotonla mutlak anlamda hiçbir ilgisi yoktur. Fakat neredeyse deneysel ve gözlemsel anlamda ulaşabildiğimiz her şey geçmişte ortak bir nedensel ilişki tarihine sahiptir. Pratikte Viyana’da hazırlanan bir kuantum sisteminin yaklaşık olarak bağımsız olduğunu kabul etsek bile, Dünya kozmik anlamda ufak bir yer ve ışığın onu geçmesi sadece birkaç milisaniye sürer. Dahası, Dünya’daki her şeyin içindeki atomların hepsi ortak bir kozmik nedensellik geçmişini paylaşıyorlar, yaklaşık 14 milyar yıl öncesine uzanan bir yol.

Deneysel araçların ya da kuantum sisteminin hiçbir parçasının diğer bir sistemle kuantum mekaniksel olarak dolanıklık içinde olmayacağından nasıl emin olabiliriz, az bir derecede de olsa? Her sistem tabii ki kendi yerel çevresiyle dolanıklık halindedir ve gittikçe artan sayıda ele alınan çevreyle birlikte geniş çevrenin her iki deneyi kapsaması fazla sürmeyecektir.

Bu endişelerin çoğunun kuantum deneylerinin sonuçlarını etkilemesi önemsiz olmakla birlikte, PBR teoremi bunların mutlak bağımsız şekilde hazırlanmasını şart koşar. Bu önermenin herhangi bir şekilde bozunumu, ne kadar küçük olursa olsun, bu sonuçları geçersiz kılacaktır. Gerçekte, bu mantıklı gözüken varsayımı sorgulamak ya da bilim insanlarının deneylerini tamamen bağımsız şekilde kurup kuramayacağını anlamak, beni ve MIT’deki meslektaşlarımı Bell eşitsizliğini test etmek için kullanacağımız deney setinde nedensel olarak birbirinden kopuk kuasarlar kullanmaya teşvik etti.

Laboratuvara dönüş

Geçen yılın sonunda, Queensland Üniversitesindeki Profesör Andrew White’ın grubunda çalışan, içinde başyazarın Martin Ringbauer olduğu bir grup deneysel fizikçi ekibi ”Ψ-ontik” ya da ”Ψ-epistemik” görüşünün mü belli kuantum deneylerini en iyi açıklayacağını test etmek için, PBR’nin kullandığı varsayımlara dayanmadan, bir deney tasarladılar. Kritik olan husus, bazı kuantum durumlar, ”dik” olarak adlandırılanlar, deneysel açıdan birbirinden ayrılması görece daha kolay olanlardır: Örnek olarak ”yatay” olarak polarize olmuş fotonla ”dikey” olarak polarize olmuş foton. Deneyci ilerideki olasılıkları bilse dahi, diğer ”dik olmayan” durumları birbirinden tamamen ayıramaz.

”Ψ-ontik” veya ”Ψ-epistemik” bakış açıları neden bu ”dik olmayan” kuantum durumlarının laboratuvarda ayırmanın zor olduğunu farklı anlatımlarla içerirler. ”Ψ-ontik” görüşte, kuantum durum ”bir değerli” şekilde ontik durum tarafından belirlenir. Fakat ”Ψ-epistemik” resimde ise birden fazla kuantum dalga fonksiyonu aynı ontik gerçeklik tarafından temsil edilebilir. Ormanda düşen ağaç hakkındaki eski, bayat bir espriyi hatırlayalım: Gözlemcinin olmadığı durumda dahi ağacın bir ontik durumunun var olduğunu şimdilik varsayalım. Ontik durum ya ”düştü” ya da ”düşmedi” olabilir ve kuantum durumu ise ”ses” ya da ”ses yok” olabilir. ”Ses yok” olan kuantum durumu iki farklı gerçekliğe karşılık gelebilir -birincisi düşmediği, ikincisi orada o sesi duyacak kimsenin olmaması- yani kuantum durumunu bilmek tek başına bize doğru ontik durumu vermemektedir.

Görsel olarak bu durumu bir grafik kullanarak gösterebiliriz. Gerçekten arka planda bir ”gerçekliğin” var olduğunu varsayalım. ”Ψ-ontik” modelde iki bağımsız durumun dalga fonksiyonları iç içe giremez. Fakat ”Ψ-epistemik” modelde iki farklı dalga fonksiyonu aynı ontik duruma karşılık gelebilmektedir. (Sağ üst grafikteki iki dalga fonksiyonun çakıştığı mor alan.)

Şimdi düşünün ki elimizde birbirinin içine girmiş iki-boyutlu eğriler yerine üç-boyutlu küreler olsun. (Fazladan kredi olarak ve garantili baş ağrısıyla dört-boyutlu hiperküreler düşünebilirsiniz.) Daha fazla boyut ekledikçe iç içe geçmenin göreli oranı da azalmaktadır. Kuantum mekaniğinde bunun anlamı sisteme ait daha fazla parametre ölçtükçe -mesela sadece polarizasyon değil hareketin yönü gibi- aynı ontik duruma sahip olacak iki dalga fonksiyonunu bulmak zorlaşacaktır.

Ringbauer ve meslektaşları bu önermeyi test etmek adına, üç ya da dört parametreye sahip ve özel şekilde hazırlanmış fotonları ölçtüler. Kümeye bir yeni kuantum durumu eklemek bir yeni küre eklemek anlamına gelir. Daha fazla küreler ya da boyutlar ekledikçe, bütün kürelerin birbirlerinin iç içe geçmiş hallerini bulmak daha da zorlaşacaktır. Bu analojiyi akılda tutarak, Queensland grubu bulgularına göre her kuantum durumu için olan parametre sayısını ve ayrım yapmaya çalıştıkları durum sayılarını artırdıkça, deneysel sonuçlar artan şekilde ”Ψ-epistemik” görüşün öngörülerinden uzaklaşıyorlar. Neticede deneylerin sonuçları ”Ψ-epistemik” modelin ”iç içe” geçme resmiyle çelişiyor ve bunun neticesinde ”Ψ-epistemik” görüşe itirazları güçlendiriyor.

Gene de yeni sonuçlar tartışmalı varsayımlardan bağımsız değiller. Örnek olarak, Ringbauer ekibi gözlemciden bağımsız nesnel fiziksel özellikler diye şeylerin var olduğunu varsaymışlardır. (Yani, Einstein’ın bir zamanlar dediği gibi, Ay ona bakmadığın zamanda da var olur.) Argümanları aynı zamanda, John Bell’in 1964’de kendi meşhur Bell teoremini ortaya koyarken geliştirdiği çerçeveyi daha da derinleştirerek, fiziksel modelin ”Ψ-epistemik” mi yoksa ”Ψ-ontik” olan mı olduğunu gösteren özel bir yaklaşıma dayanmaktadır. Fakat PBR teoremin kullandığı, bağımsız hazırlama varsayımını da kullanmamışlardır. Toparlarsak, bu hoş yaklaşım bize derin ve temel bir meseleyi deneysel verilerle nasıl ele alabileceğimizi göstermiştir.

Eğer bu sonuçlar bize gerçekliğin doğasını anlamada yardımcı olacaksa, şüphesiz birçok fizikçi bir “Ψ-iç rahatlamasını” dile getirebilirler. Tüm ciddiyetimle, bu teorik ve deneysel çalışmaların dalga fonksiyonu üzerinde birbirine zıt iki görüşün uzlaştırılmasına yardımcı olacağını umut ediyorum. Her iki kamp da hem kendi lehlerinde olumlu noktalara sahipler hem de en azından kısmi haklılık payları içerirler.

Doğanın gerçekliğini anlama arayışımızda, temel varsayımlarımızı sürekli bir şekilde sorgulamamız, bilgisizliğimizi de hem ölçmemiz hem de kabul etmemiz gerekir ve varsayımlarımızda açık olmamız şartı mevcuttur. Bunların hepsi yüzyıllık, hala tam anlaşılmayan, kuantum teorisinin karmaşık, matematiksel beygiri olan dalga fonksiyonunu anlamaya biraz daha yaklaşmada önkoşullarımızdır.

Andrew Friedmann: Ulusal Bilim Kuruluşunda Bilim, Teknoloji ve Toplum doktora sonrası araştırmacı olarak MIT’de (Massachusetts Institute of Technology) çalıştı. Şu anda Misafir Araştırmacı bilim insani olarak MIT’de Teorik Fizik Merkez’inde çalışmaktadır. MIT’den önce Harvard’dan Astronomi ve Astrofizik doktorası ve California Berkeley’den Fizik ve Astrofizik lisansı almıştır. Şimdilerde teorik ve gözlemsel kozmoloji projelerinde çalışmaktadır.

[pbs.org’daki İngilizce orijinalinden Bekir Baytaş tarafından Sendika.Org için çevrilmiştir]