En basit atom olan hidrojeni gözünüzün önüne getirmeye çalışın. Bundan 100 yıldan fazla zaman önce Danimarkalı büyük fizikçi Niels Bohr bu atomun modelini yaptı, hala okullarda o atom modeli çizimi öğrencilere gösteriliyor.
Ortada nötron ve protondan oluşan bir çekirdek ve o çekirdeğin etrafında dolaşan sadece bir tane elektron. Örnek güneş sistemiydi, ortada güneş, etrafında dolaşan gezegenler.
Acaba o elektronun yörüngesi, aynen güneşin etrafındaki gezegenlerin yörüngesi gibi bire bir hesaplanabilir, dolayısıyla o elektronun davranışları önceden belirlenebilir mi?
Bu konuyu kafaya takan kişi, büyük Alman fizikçi Werner Heisenberg’di. Almanya’nın Kuzey Denizi’ndeki bir adasında kapandığı evden elinde tam olarak kendisinin de hakim olmadığı farklı bir matematiksel modellemeyle çıka geldi. Elektronun yörüngesini tahmin etmeyi başarmıştı.
Onunla hemen hemen aynı sırada bir başka dev fizikçi, Avusturyalı Erwin Schrödinger de aynı konuya kafaya takmıştı. O da tamamen farklı bir başka matematikle çıktı geldi.
Heisenberg, hesaplarını ‘matrix’ adı verilen matematiksel yöntemle yapmıştı; Schrödinger ise daha bilindik olan alan fonksiyonu denklemlerini kullanmıştı. İki fizikçi aslında aynı şeyi bulmuşlardı ama yöntemleri farklıydı. Fizik dünyası, kullanması daha kolay ve tanıdık olduğu için Schrödinger’in alan fonksiyonu denklemlerini tercih etti. Meşhur kuantum alan fonksiyonu denklemi ortaya çıkmıştı.
Denklem, elektronun o an bulunabileceği yerlerle ilgili bize istatistiki bir tahmin verir. Elektron bu denklemin olasılık dizgesine göre aynı anda birden fazla yerde olabilir.
Bunun sebebini Heisenberg daha sonra ortaya attığı ‘belirsizlik’ ilkesiyle açıkladı: Çünkü bir elektronun hem hızını hem de o an bulunduğu yeri aynı anda bilemeyiz; ya birini ya diğerini bilebiliriz. Bu da elektronun bir sonraki davranışını bilmemizi imkansızlaştırır. İşte o yüzden elektronun o an bulunduğu yer hakkında sadece bir tahminimiz olabilir.
Fakat Schrödinger’in alan fonksiyonu denkleminin bir başka ilginç sonucu daha vardı: Denklemin bize söylediği elektronun olası yerlerinin her biri ‘gerçek’ti; ta ki biz o elektronu gözleyip tam nerede olduğunu saptayana kadar. Biz bu saptamayı yaptığımızda diğer bütün olasılıklar aynı anda ‘çöküyor’du, gerçeklik sayısı bire düşüyordu.
Yani fizikçiler, bir gözlem yapana kadar denklemin söylediği bütün olası pozisyonları ‘gerçek’ kabul etmek zorundaydı. Buna, yani elektronun aynı anda birden fazla yerde olabileceğine dair kabule ‘kuantum süper pozisyonu’ adı verildi.
Kuantum süper pozisyonunun ne anlama geldiğini en iyi anlatan örneklerden biri, bizzat Erwin Schrödinger’in geliştirdiği meşhur bir düşünce deneyi. Onu hepimiz ‘Schrödinger’in kedisi’ diye biliyoruz. Bir kutu içinde ve ölümcül bir tuzakla birlikte duran kedinin biz kutuyu açıp bakana kadar yaşıyor olma olasılığı ile ölmüş olma olasılığı yüzde 50 eşit. O yüzden kutu kapalı duruyorken kedi aynı anda hem ölü hem yaşıyor. Süper pozisyon tam olarak bu.
Buraya kadar bir anormallik yok aslında. Yazı tura atmak için parayı havaya fırlattığınızda da sonucu bilemiyorsunuz; yazı gelme olasılığıyla tura gelme olasılığı eşit. Dolayısıyla burada da bir süperpozisyon var.
Ancak işler fizikçiler bu süper pozisyonun bir istatistik değil doğanın bir gerçeği olduğunu, yani ‘gerçek’ adını verdiğimiz şeyin birden fazla olabildiğini kanıtladığında karışmaya başladı.
Bir elektron birden fazla yerde olabiliyorsa ve elektron etrafımızda gözlediğimiz ‘gerçek’in temel yapı taşlarından biriyse, o zaman ‘gerçek’ de birden fazla olabilirdi.
Bazıları bu düşünceyi aldı en ucuna kadar götürdü: Schrödinger’in alan fonksiyonu denkleminin söylediği bütün olasılıklar ‘gerçek’ti, o zaman tek tek her bir ‘gerçek’in geçerli olduğu ayrı ayrı evrenler (paralel evrenler) vardı. Bizim yaşadığımız, o evrenlerden sadece bir tanesiydi. Üstelik her seferinde ortaya yeni yeni gerçeklerin yeni yeni evrenleri çıkıyordu.
Fakat tabii bu durum bizim her gün tanık olduğumuz dünya ve evrenle çelişiyordu. Örneğin Albert Einstein, ‘Ne yani’ demişti bir seferinde, ‘Siz ona bakmıyorken Ay orada değil mi?’
Haksız değildi. Çünkü evet elektron kah orada kah kapı arkasındaydı belki ama benzer bir durumu biz daha büyük nesnelerde gözlemiyorduk. Evimizdeki sandalye her seferinde evin farklı bir köşesinde belirmiyordu, nerede bıraktıysak orada oluyordu.
Çok küçük nesnelerin üzerinde etkisi olan kuantum süper pozisyonunun bir büyüklük sınırı var mıydı? Yani elektronlar düzeyinde gözlenen bu durum, örneğin atomlar seviyesinde, birden fazla atomdan oluşan moleküller seviyesinde de gerçekleşiyor muydu?
Evet, fizikçiler deneylerle bunu gösterdiler.
İsviçre’nin Zürih kentindeki meşhur ETH Üniversitesinde bir deney yapılmış, 10 üzeri 16 tane (1’in yanına 16 tane daha sıfır koyun) atomdan oluşan bir kristalde de kuantum süper pozisyonu gözlenmiş.
Peki ama sahiden kuantum süper pozisyonunun artık işlemediği bir üst sınır var mı? Varsa bunun anlamı ne, yoksa ne?
Gelin haftaya bunu konuşalım.