Kuantum Dolanıklığı Nedir? Bir Fizikçi Einstein’ın “Uzaktaki Spooky Action “ını Açıklıyor
Kuantum dolanıklığı, iki veya daha fazla nesnenin kuantum durumlarının ilişkili hale geldiği bir olgudur; yani nesneler büyük mesafelerle ayrılmış olsalar bile bir nesnenin durumu diğer(ler)inin durumunu etkileyebilir. Bunun nedeni, kuantum teorisine göre parçacıkların aynı anda birden fazla durumda bulunabilmeleri (süperpozisyon olarak bilinen bir kavram) ve fiziksel olarak ayrılmış olsalar bile ayrılmaz bir şekilde bağlantılı veya “dolaşık” olabilmeleridir.
Üç araştırmacı, doğanın en şaşırtıcı fenomenlerinden biri olan kuantum dolanıklığını anlamaya yönelik çığır açan çalışmaları nedeniyle 2022 Nobel Fizik Ödülü’ne layık görüldü.
Kuantum dolanıklık, en basit ifadeyle, dolanık bir çiftin bir parçacığının özelliklerinin, birbirlerinden ne kadar uzakta olduklarına veya aralarında ne olduğuna bakılmaksızın, diğer parçacığın özelliklerine bağlı olduğu anlamına gelir. Bu parçacıklar örneğin elektronlar veya fotonlar olabilir ve bir yönü, bir yönde veya başka bir yönde “dönüyor” olması gibi içinde bulunduğu durum olabilir.
Kuantum dolaşıklığının tuhaf yanı, dolaşık bir çiftteki bir parçacık hakkında bir şey ölçtüğünüzde, milyonlarca ışık yılı uzakta olsalar bile, diğer parçacık hakkında hemen bir şey bilmenizdir. İki parçacık arasındaki bu tuhaf bağlantı anlıktır ve görünüşe göre evrenin temel bir yasasını çiğnemektedir. Albert Einstein‘ın bu fenomeni “uzaktan ürkütücü eylem” olarak adlandırmasının nedeni budur.
Yirmi yılın büyük bir bölümünü kuantum mekaniğine dayanan deneyler yaparak geçirdikten sonra, bu olgunun tuhaflığını kabul etmeye başladım. Her zamankinden daha hassas ve güvenilir cihazlar ve bu yılın Nobel kazananları Alain Aspect, John Clauser ve Anton Zeilinger’in çalışmaları sayesinde, fizikçiler artık kuantum fenomenlerini dünya hakkındaki bilgilerine olağanüstü bir kesinlik derecesiyle entegre ediyorlar.
Bununla birlikte, 1970’lere kadar bile araştırmacılar kuantum dolanıklığının gerçek bir olgu olup olmadığı konusunda bölünmüş durumdaydı. Ve iyi nedenlerden dolayı – kendisi de bundan şüphe duyan büyük Einstein’a karşı çıkmaya kim cesaret edebilirdi ki? Bu gizemi nihayet ortadan kaldırmak için yeni deneysel teknolojilerin ve cesur araştırmacıların geliştirilmesi gerekti.
Aynı anda birden fazla durumda var olmak
Kuantum dolanıklığının ürkütücülüğünü gerçekten anlamak için öncelikle kuantum süperpozisyonunu anlamak önemlidir. Kuantum süperpozisyonu, parçacıkların aynı anda birden fazla durumda var olduğu fikridir. Bir ölçüm yapıldığında, sanki parçacık süperpozisyondaki durumlardan birini seçiyormuş gibi olur.
Örneğin, birçok parçacığın spin adı verilen ve analizörün belirli bir yönü için “yukarı” ya da “aşağı” olarak ölçülen bir özelliği vardır. Ancak siz bir parçacığın spinini ölçene kadar, parçacık aynı anda spin yukarı ve spin aşağı süperpozisyonunda bulunur.
Her duruma bağlı bir olasılık vardır ve birçok ölçümden ortalama sonucu tahmin etmek mümkündür. Tek bir ölçümün yukarı veya aşağı olma olasılığı bu olasılıklara bağlıdır, ancak kendisi öngörülemezdir.
Çok tuhaf olsa da, matematik ve çok sayıda deney kuantum mekaniğinin fiziksel gerçekliği doğru bir şekilde tanımladığını göstermiştir.
Dolaşık iki parçacık
Kuantum dolaşıklığının ürkütücülüğü kuantum süperpozisyon gerçeğinden kaynaklanır ve 1920’lerde ve 1930’larda teoriyi geliştiren kuantum mekaniğinin kurucuları için açıktı.
Dolaşık parçacıklar yaratmak için esasen parçaların toplamının bilindiği bir sistemi ikiye bölersiniz. Örneğin, spini sıfır olan bir parçacığı, toplamları sıfır olacak şekilde mutlaka zıt spinlere sahip olacak iki parçacığa bölebilirsiniz.
1935 yılında Albert Einstein, Boris Podolsky ve Nathan Rosen, evrenin temel bir yasasına meydan okuyan kuantum dolanıklığının görünüşteki saçmalığını göstermek için tasarlanmış bir düşünce deneyini anlatan bir makale yayınladılar.
David Bohm’a atfedilen bu düşünce deneyinin basitleştirilmiş bir versiyonunda pi mezonu adı verilen bir parçacığın bozunumu ele alınmaktadır. Bu parçacık bozunduğunda, zıt spinli ve birbirlerinden uzaklaşan bir elektron ve bir pozitron üretir. Bu nedenle, elektronun spini yukarı olarak ölçülürse, pozitronun ölçülen spini yalnızca aşağı olabilir ve bunun tersi de geçerlidir. Parçacıklar birbirinden milyarlarca mil uzakta olsa bile bu doğrudur.
Elektron spininin ölçümü her zaman yukarı ve pozitronun ölçülen spini her zaman aşağı olsaydı bu iyi olurdu. Ancak kuantum mekaniği nedeniyle, her parçacığın spini ölçülene kadar hem kısmen yukarı hem de kısmen aşağıdır. Sadece ölçüm gerçekleştiğinde spinin kuantum durumu ya yukarı ya da aşağı olarak “çöker” – diğer parçacığı anında zıt spine çökertir. Bu, parçacıkların birbirleriyle ışık hızından daha hızlı hareket eden bir yolla iletişim kurduğunu gösteriyor gibi görünüyor. Ancak fizik yasalarına göre hiçbir şey ışık hızından daha hızlı hareket edemez. Şüphesiz bir parçacığın ölçülen durumu, evrenin uzak ucundaki başka bir parçacığın durumunu anında belirleyemez mi?
Einstein da dahil olmak üzere fizikçiler 1930’larda kuantum dolanıklığına ilişkin bir dizi alternatif yorum önerdiler. Ölçümden önce bir parçacığın durumunu belirleyen – gizli değişkenler olarak adlandırılan – bilinmeyen bir özellik olduğunu teorize ettiler. Ancak o zamanlar fizikçiler, kuantum teorisinin gizli değişkenleri içerecek şekilde değiştirilmesi gerekip gerekmediğini test edebilecek teknolojiye ya da net bir ölçüm tanımına sahip değildi.
Bir teorinin çürütülmesi
Bu sorunun cevabına ilişkin ipuçlarının ortaya çıkması 1960’ları buldu. Nobel Ödülü alacak kadar yaşamayan İrlandalı parlak fizikçi John Bell, gizli değişkenler kavramının mantıklı olup olmadığını test etmek için bir plan geliştirdi.
Bell, şimdi Bell’in eşitsizliği olarak bilinen ve kuantum mekaniği için her zaman değil ama gizli değişken teorileri için her zaman doğru – ve sadece doğru – olan bir denklem üretti. Dolayısıyla, Bell’in denkleminin gerçek dünyadaki bir deneyde karşılanmadığı tespit edilirse, yerel gizli değişken teorileri kuantum dolanıklığı için bir açıklama olarak göz ardı edilebilir.
2022 Nobel ödüllü bilim insanlarının, özellikle de Alain Aspect’in deneyleri Bell eşitsizliğinin ilk testleriydi. Deneylerde, birçok düşünce deneyinde olduğu gibi elektron ve pozitron çiftleri yerine dolaşık fotonlar kullanılmıştır. Sonuçlar, dolaşık parçacıkların durumlarını önceden belirleyecek gizemli bir özellik olan gizli değişkenlerin varlığını kesin olarak ortadan kaldırdı. Toplu olarak, bu ve bunu takip eden birçok deney kuantum mekaniğini doğrulamıştır. Nesneler, kuantum mekaniğinden önceki fiziğin açıklayamadığı şekillerde büyük mesafeler boyunca ilişkilendirilebilir.
Daha da önemlisi, ışıktan daha hızlı iletişimi yasaklayan özel görelilikle de bir çelişki yoktur. Büyük mesafelerdeki ölçümlerin korelasyonlu olması, parçacıklar arasında bilgi aktarıldığı anlamına gelmez. Dolaşık parçacıklar üzerinde ölçümler yapan birbirinden uzak iki taraf, ışık hızından daha hızlı bilgi aktarmak için bu olguyu kullanamaz.
Günümüzde fizikçiler kuantum dolanıklığını araştırmaya ve potansiyel pratik uygulamaları incelemeye devam etmektedir. Kuantum mekaniği bir ölçümün olasılığını inanılmaz bir doğrulukla tahmin edebilse de, birçok araştırmacı gerçekliğin tam bir tanımını sağladığı konusunda şüpheci olmaya devam ediyor. Yine de kesin olan bir şey var. Kuantum mekaniğinin gizemli dünyası hakkında söylenecek çok şey var.
Andreas Muller tarafından yazılmıştır, Fizik Doçenti, Güney Florida Üniversitesi.
Bu yazı Astrafizik.com tarafından Türkçeye aktarılmış olup yazının aslı scitechdaily.com sitesine aittir, orijinaline mümkün olduğunca sadık kalmak koşuluyla dilimize çevirilmis olsa da editoryal tarafından katkılarda bulunulmuştur. Bu sebeple Astrafizik.com içerik izinlerine tabidir. Astrafizik.com referans gösterilmek koşuluyla 3. tarafların kullanımına izin verilmiştir.
