Kuantum Mekaniğinin Yorumları
Daha önce yazdığımız bir yazıda Einstein ile Bohr’un popüler bilim tarafında Ay biz bakmazken yok mu şeklinde lanse edilen tartışmalarında kuantum mekaniğinin Bohr’cu ya da diğer adıyla Kopenhag yorumuna değinmiştik. Bu yorumun batıl inanç ve şarlatanlıkla karıştırılıp insanlara yanlış umutlar sunması meselesinden de kuantum mekaniğiyle neden terapi yapılmaz yazımızda bahsetmiştik. Tüm bu garipliklerine rağmen kuantum mekaniğinin ve modern fiziğin kalanının klasik fizik denilen akımdan bir kopma mı yoksa yalnızca bir ilerleme mi olduğuna dair de bir başka yazımızda tartışmıştık. Kuantum mekaniğinin ve kuantum bilgi teorisinin mevcut durumuna dair de kuantum ışınlanma ve kriptografi özelinde iki yazıda değinmiştik (kriptografi yazısında açıkça belirtilmemiş olsa da RSA’i kıracak olan algoritma Peter Shor’un 1994 yılında geliştirdiği bir kuantum algoritmasıdır). Tüm bu yazıları özet geçiyor olmamızın sebebiyse bunların hiçbirinde kuantum mekaniğinin arkasında yatan hakikate değinmemiş olmamızdır. Hakikat kuramlarının önemine dair bir yazı kaleme aldıktan sonraysa bu konuyu artık atlamamak gerektiğine kanaat getirip bir başlangıç yapalım dedik. Nedir bu kuantum mekaniğinin arkasında yatan gerçek?
Temel Pratik Vurgular
Öncelikle şunu belirtmek gerekir ki kuantum mekaniğinin en yaygın kullanılan ve bilinen 4 temel yorumunda da matematiksel formalizm aynıdır, Bohmian mekanik (pilot-dalga kuramı) yorumunda gelen ek bir denklem dışında. Bu da bize daha baştan uygulanan matematikle arkasındaki hakikat arasında illa ki bire bir ilişki olmasının gerekmediğini gösterir. Pratikte eğer derdiniz yalnızca ‘iş’ yapmaksa hakikat gibi bir derdiniz olmak zorunda değil (en azından kuantum mekaniğinde). Ancak yaptığınız işin kuramına girmek, derdinizi başkalarına anlatabilmek ve daha da önemlisi eldeki kuramı yeni öngörüler üretecek şekilde genişletebilmek istiyorsanız hakikat meselesi bir şekilde uğraşlarınıza nüfuz edecektir. Yani eğer derdiniz kuantum telefon yapmaksa yorumları düşünmeden de hareket edebilirsiniz, fakat derdiniz kütleçekim kuvvetinin kuantize olup olmadığının yerçekimi adıyla gözlemlediğimiz fenomenle bağlantısını kurmaksa kuantum mekaniğinin yorumları meselesi uğraş alanınıza girer.
Temel Felsefi Pozisyonlar
Daha önce bir yazımızda kuantum mekaniğinin yorumlarından birisi olan çoklu-evren fikrinin bilimin gericiliğe karşı ideolojik mücadelesinde bir araca dönüşmesi meselesini ele almıştık. Bu boşuna değildi, zira çoklu-evren yorumu (Everett-Wheeler yorumu) felsefi olarak evrenin kaderciliğine karşı sunulabilecek en güçlü araçlardan biridir. Kuantum mekaniğinin yorumları tartışmasında temel felsefi pozisyonlardan birisi determinizm-indeterminizm meselesidir. Gerici kesimler ise determinizmi fatalizmle olan yakın bağlantısından ötürü tercih ederler.
Bir diğer temel felsefi pozisyon ise tartışmaların daha fizik-içi kısmında kalan yerellik problemidir. Einstein kuantum mekaniğine yaptığı eleştirilerde kuantum mekaniğinin Kopenhag yorumunun ya realizmi ya da yerelliği (dolayısıyla göreliliği) ihlal ettiğini söyler (tam böyle söylemez ama dedikleri buna varır). Einstein için ikisi de fizik açısından vazgeçilmez felsefi pozisyonlar olan bu değerlerin ihlali fizik tarihinin en başarılı kuramını onun gözünde bir başarısızlık abidesi kılar. Fakat tarihin keyifli bir cilvesidir ki Einstein’ın kuantum mekaniğini çürütmek amacıyla ‘keşfettiği’ ve daha sonra kuantum dolanıklık olarak adlandırılan fenomen şu an ikinci kuantum devrimi diye anılan bir sürecin öncü fenomenlerindendir.
Son temel felsefi pozisyon ise mikroevren-makroevren ayrımıdır. Kuantum mekaniği çok küçüklerin fiziğidir. Genelde molekül düzeyinin bile altına inmek gerekir kuantum mekaniksel etkileri hakkıyla gözlemleyebilmek için. Bu durumda da masanın sandalyenin bilgisayarın kuantum mekaniksel davranışlar sergilemesini beklemek abesle iştigal olur. Fakat bazı fizikçiler için bu kabul edilemez bir durumdur zira evren sırf bir şeyler daha büyük diye farklı yasalarla, hatta ve hatta farklı felsefi prensiplerle işlemeye başlamaz. Bazı fizikçiler içinse bu mesele dahi değildir, eğer kuantum masa yapmaya çabalamıyorsanız niye bunu dert edesiniz ki diye düşünürler (ki kuantum masa yapmaya çalışan eminim vardır, ancak o fizikçilerin iki önceki cümlede bahsettiğimiz insanlar arasından çıkması daha büyük bir olasılıktır).
Sonuç olarak özetlemek gerekirse kuantum mekaniğinin yorumlarında temel felsefi pozisyonlar determinizm-indeterminizm, yerellik-küresellik ve mikro-makro evren ayrılığıyla tüm evrenin bütünselliği aralarındaki çatışmalarda yatıyor denilebilir. Elbette buraya realizm meselesini de kısmen eklemek gerekir ancak realizm tartışması katı koşullarda ele alındığında kuantum mekaniğinin olasılıksal yapısıyla (ve matematiğiyle) çelişen bir argüman olmasından ötürü temel bir felsefi pozisyondan ziyade bir sapma olarak da ele alınabilir. Kuantum mekaniğinin kendisi klasik fizikten bir sapma olduğundan ötürü de aslında realizm tartışması kuantum mekaniğini biraz daha klasik fizikleştirme çabası olarak ilk nesil modern fizik felsefecilerinin çağında kalmıştır. Yine de burada tartışacağımız yorumlarda kendisine bir yer bulacağını da söylemeden geçmemek gerekir.
Kopenhag Yorumu
Eğer okulda veya bir ders kitabından kuantum mekaniği çalıştıysanız karşınıza çıkan aksiyomlar ve anlatı çok büyük ihtimalle Kopenhag yorumuna ait olacaktır. Niels Bohr’un ve Werner Heisenberg’in öncülüğünü yaptığı bu düşünce okulu çoğu modern fizikçi tarafından “sus ve hesap yap (shut up and calculate)” yaklaşımı olarak görülür. Kopenhag yorumu indeterministtir, yereldir ve realist değil belirsizdir (Heisenberg’in belirsizlik ilkesi). Makroevrenle mikro evren arasında bir ayrım yapmaz, ancak mikroevrenin kendine has bir varoluşu olduğunu da savunmaz. Basitçe kuantum mekaniğinin geçerli olduğu mikroevreni göz ardı eder, felsefesine girmez sadece matematiğine ve deney sonuçlarına bakar (‘evren’ makroevrenden ibarettir). Örneğin dalga-parçacık ikiliği bu yorumda elzemdir ancak bunun ‘nasıl’ olduğu sorusuna cevap verilmez, bir fenomen olarak ele alınır ve o şekilde ‘iş’ yapılır.
Kuantum Bilgi Kuramı Yorumu
Einstein’ın kuantum mekaniğini düzeltmek için öne sürdüğü ‘gizli değişkenler’ yaklaşımı 1964'de J.S. Bell tarafından kısmen çürütüldü. Bu da kuantum dolanıklığın aslında Einstein’ın öne sürdüğü gibi bir saçmalıktan ziyade gerçekten olabileceğinin ilk büyük kanıtıydı. Sonrasında 1981'de Alain Aspect tarafından ilk deneysel gözlemlerin yapılması kuantum bilgi kuramı denilen alanın önünü açtı. Şu an her yerde lafı sözü geçen kuantum bilgisayarlar, kuantum kriptografi, kuantum ışınlanma gibi uğraşların tamamı kökenini bu insanların çalışmalarına borçlu. Elbette kuantum bilgi kuramı yalnızca dolanıklık fenomeniyle sınırlı kalmadı ve kısa zamanda başlı başına kuantum fiziğin bir dalı haline geldi (kendi formalizmi dahi vardır).
Bu fizik dalının kuantum mekaniğine dair yorumuysa adıyla uyumlu olarak fiziksel analizin temel biriminin bilgi (enformasyon) olduğu fikrine dayandırıldı (konuya dair biraz ileri düzey bir makale için). Bu yorum da indeterministti ancak yerellik koşula bağlanmıştı (ışıktan hızlı bilgi aktarılması mümkün değildi ancak dalga fonksiyonundaki değişimler küresel — evrensel olabilme yetisine sahipti, ortada dolanıklık olduğu sürece). Bunun yanında mikro-makro evren ayrışması hala tam çözülmemişti fakat iki olası akım vardı. İlki aslında ortada tek bir evren olduğunu ancak kuantum etkilerin boyut büyüdükçe uyumsuzlaştıklarından (decoherence) ötürü gözlenemediklerini öne sürüyordu. Bir diğer akım ise Kopenhag yorumunun tutumunu benimseyip bu ayrımı bir problem meselesi etmiyordu. Bir nevi meseleyi mesele etmezseniz ortada mesele kalmaz tutumu sergiliyordu.
Realizm konusundaysa yine belirsizlik ilkesini benimsemelerinin yanında artık temel birim enformasyon olduğundan ötürü enformasyonun ‘gerçekliği’yle alakalı bir problem görmüyorlardı. Önemli olan sistemdeki toplam bilgi miktarının korunmasıydı, bu bilginin sistem içerisinde oradan oraya ‘salınım’ yapması gerçeklik koşulunu bozmuyordu. Yani realizm problemini de kuantum mekaniğini gerçekçilikten koparan fiziksel gerçeklik tanımını değiştirerek çözmüşlerdi.
Çoklu-Evrenler Yorumu
Everett-Wheeler yorumu olarak da bilinen bu yaklaşım popüler fizik anlamında kuantum mekaniğinin en çok ilgi gören yorumlarından birisidir. Bunun sebebiyse açık, paralel evrenlerin hayalgücünü etkileyen çekicilikleri. Şu anki halinizden çok daha iyi veya zengin olduğunuz bir evren de vardır, çok daha kötü halde olduğunuz da, sayısız evrende hiç olmamışsınızdır bile! Aslında elbette kuantum mekaniksel bir yorumun sizin bireysel yaşantınızdaki olasılıkları dert ederek ortaya atılmamış olduğu açıktır.
Kuantum mekaniğinin formalizminde dalga fonksiyonunun çökmesi (state collapse) önemli bir problemdir ve ‘gözlem’in ne’liği sorunuyla da yakından alakalıdır. Örneğin elimizde 1 veya 0 durumunda olabilecek bir sistem olsun (açık-kapalı, canlı-ölü vs. vs.). Kopenhag yorumuna göre ölçüm alınmadan önce bu sistem ne 1 ne 0 durumunda değildir, bir nevi araftadır. Kuantum bilgi kuramı yorumuna göreyse hem 1 hem 0'dır, daha doğrusu 1 ve 0 olma olasılıklarının bir kombinasyonu şeklindedir. İki yorum için de ölçüm alındıktan sonra (misal sonuç 1 çıksın) ortada bir problem yoktur, artık sistemimiz 1 durumundadır. Ancak bazı akıllı fizikçilerin sorduğu üzere “eee 0 olduğu duruma ne oldu?” demek mümkündür. Ne Kopenhag yorumu ne kuantum bilgi teorisi bu durumda size ‘felsefi’ açıdan ikna edici güçlü argümanlar sunmakta başarılı değillerdir, böyle oldu çünkü böyle demenin ötesinde zaten sunulabilecek bir argüman da yok gibidir.
Çoklu-Evrenler yorumuysa farklı bir açıdan yaklaşır ve “eğer biz 1 ölçtü isek başka bir evrende de 0 ölçülmüştür” der. Bu ilk bakışta absürt bir fikir gibi gelebilir, her kuantum ölçüm nasıl yeni bir evren yaratabilir ki? Fakat işi her ölçümün bir Büyük Patlama yaratmasından ziyade hali hazırda sonsuz paraleli olan bir evrenin içinde evrenlerin birbirlerinden farklılaşması olarak görürseniz ortada bir sorun kalmaz. Dolayısıyla çoklu-evrenler kuramı bu bağlamda nevi şahsına münhasır bir pozisyondadır. Deterministtir ama realist değildir, deterministtir çünkü olabilecek her şey olduğundan ötürü gelecek bellidir, olabilecek her şey olacaktır. Fakat tek tek evrenlerde baktığınızda kuram size sanki indeterministmiş gibi görünür, çünkü kendi evreninizde ölçüm sonucunuz ne geleceğini bilemezsiniz.
Pilot-Dalga Kuramı Yorumu
Belki de kuantum mekaniğinin yorumları arasında tarih boyu en dışlanmış ancak bir yandan da en büyük potansiyel taşıdığı düşünülen kuram pilot-dalga kuramıdır. Sebebiyse basit, pilot-dalga kuramı kuantum mekaniğinin matematiğini de genişletme potansiyeli olan bir yaklaşımdır.
Yukarıdaki üç yorumda da dalga-parçacık ikiliği mikroevrendeki fiziksel nesnelerin bazen parçacık-mış gibi bazen de dalga-ymış gibi davranması yaklaşımıyla çözülür. Oysa bu bize mikroevrendeki fiziksel nesnelerin ‘ne’ olduklarına dair açık bir cevap vermez. Pilot-dalga kuramıysa burada farklı bir çözüm önerisi sunar ve mikro-makro fark etmeden tüm evrende parçacıkların parçacık, dalgaların ise dalga olduklarını söyler. Boyutlar küçüldükçe dalga-parçacık etkileşimi daha önemli hale gelir ve aslında her parçacığa bir dalga yol göstericilik yapar.
Parçacığın hareketleri dalgayı, dalganın hareketleriyse parçacığı etkiler. Dolayısıyla elimizde birbirine bağlı iki değişken vardır ve iki değişken tek denklemle çözülemez. Bu nedenle de pilot-dalga kuramında kuantum mekaniğinin bel kemiğini oluşturan Schrödinger denkleminin yanında bir de yol gösterici dalga denklemi kullanılır.
Bu yorumda ortada bir dalga-parçacık ikiliği yoktur, süperpozisyon gibi “hem şöyle hem böyle-ymiş gibi” yaklaşımlara da. Evren realisttir, deterministtir, mikro-makro evren ayrımına gerek yoktur çünkü evrenin tamamı aynı şekilde davranır. Ancak pilot-dalga kuramının tüm bu pozitif felsefi özelliklerine rağmen benimsenmemiş olmasının büyük bir sebebi vardır, bu kuramda yol gösterici dalganın yerelliği yoktur, tüm evrene yayılır ve tam bilgiye sahiptir.
Hatırlarsanız yukarıda J.S. Bell’in 1964'te gizli değişkenler yaklaşımını kısmen çürüttüğünden bahsetmiştik. Kısmen dememiz boşa değildi, çünkü Bell yalnızca ‘yerel’ gizli değişkenlere dayanan kuramları çürütmüştü. Oysa yerel olmayan (iki noktası arasındaki etkileşimin sınırını ışık hızının belirlemediği) gizli değişkenlere dayalı bir kuantum mekaniği kuramı hala çürütülmüş değil. Dolayısıyla evreni realist, determinist ve bütünsel bir yer haline getirmek istememizin karşılığında yerellik koşulundan vazgeçmeyi kabul edersek şu an bunu yapmamızın önünde herhangi bir engel bulunmuyor.
Elbette sırf fizikçiler veya insanlar istiyor diye evrenin doğası o ya da bu çıkmayacak. Tüm bu yorumların Kopenhag yorumuyla aynı sonuçları verdiğini ve aralarından birisini diğerine daha tercih edilebilir kılacak güçlü deneylerin henüz geliştirilemediğini söylemek yanlış olmaz. Bu günün birinde böylesi deneyler gerçekleştirilemeyeceği anlamına gelmez, ancak bu deneyler gerçekleştirilip bir yorum diğerlerinin çok önüne çıkmadığı sürece birisini diğerine tercih etmek yaptığınız fizikten ziyade felsefi tercihlerinizle alakalı halde kalacaktır diyebiliriz.
Toparlarsak
Yukarıdaki tablo yazının başından beri yapılmış tartışmaları özetleme amacıyla konulmuştur ve bize çok şey anlatır. Öncelikli olarak yerellik veya yerel nedensellik (herhangi bir etkinin ışık hızından hızlı uzayın başka bir noktasını etkileyemeyeceği fikri) pilot-dalga kuramı hariç tüm yorumlarda vardır. Aynı şekilde gerçekçilik/realizm dediğimiz yaklaşımsa pilot-dalga kuramı hariç hiçbirinde yoktur. Dolayısıyla bu iki felsefi pozisyonun bir arada bulunamadığını görmek önemlidir (aralarındaki bağın araştırıldığı pek çok fizik makalesi mevcuttur). Bunun dışında determinizmin başka bazı kavramlardan (yerellik veya sonsuz sayıda evren olmaması gibi) feragat edilmediği takdirde kuantum mekaniğinde korunamayacağını da gösterir.
Son olarak ise bu tablo bize makro-mikro evren ayrımının kuantum mekaniğinde oynadığı role işaret eder. Eğer bir buzdolabına dair yapabileceğiniz tüm yorumları bir elektron için de yapabileceğiniz bir evren kuramı istiyorsanız bu durumda ya elektronu ‘buzdolabıymış gibi’ ya da buzdolabını ‘elektronmuş gibi’ düşünmeye başlamanız gerekir. Bu da doğal olarak bazı problemler yaratır (örneğin buzdolabımız durduk yere kendiliğinden bazen üst kata çıkmaz veya ne hikmetse tepetaklak durmaz).
Peki sonuç olarak bunların hangisi doğru? Açıkçası bilmiyoruz, daha doğrusu bilebilmenin yolunu dahi bilmiyoruz. Aralarında ayrım yapmamızı sağlayabilecek deneyler geliştirebilmiş değiliz. Fakat yazının başlarında da belirttiğimiz gibi mevcut kuramın dışına çıkma ve genişletme gayesi barındırmıyorsanız bu yorumlardan herhangi birini benimsemiş olmanız yapacağınız işi etkilemiyor. Bir Bohr’cuyla Einstein’cı aynı laboratuvarda koyun koyuna çalışıp çok da güzel makaleler basabiliyor ve eğer bu konular üzerine tartışmadılarsa birbirlerinin görüşlerinden haberdar dahi olmayabiliyor. Belki de fen bilimlerinin esas başarısı ve güzelliği burada yatıyor, epistemolojik, ontolojik, etik veya politik olarak taban tabana zıt insanlar olsak dahi atılan taş hepimizin kafasını aynı şekilde yarıyor. Yine de bazen durup kafamıza yediğimiz taşların doğası üzerine düşünmek de merak bazlı bilim yapmanın ayrılmaz bir parçası oluyor.
