Savaş sonrası fizikçiler, fazla “felsefi” görülen kaygıların bastırılması yoluyla, bugün bilimi şekillendirmeye devam eden düşüncesiz bir dogma oluşturdular.

Teknolojik odaklı yaşamlarımızın büyük bir kısmı, kuantum mekaniğinin inanılmaz derecede etkili bilimsel teorisine dayanmaktadır. Aynı zamanda kafa karıştırıcıdır da. Teori nedensel ilişkinin altını oymakta ve fizikçileri, işlevsel olmasına rağmen, kesinlikler yerine olasılıklar aramaya sevk etmektedir. Bize hem canlı hem de ölü gibi görünen hayvanlar, dalga olan parçacıklar ve parçacık olan dalgalar ve kuantum dolanıklığı gibi anlaşılması zor fenomenleri çevreleyen bir ton ürkütücü kuantum tuhaflığı sağlar.

Efsaneler de çoktur. Örneğin, Danimarkalı bilim insanı Niels Bohr’un görüşleri yirminci yüzyılın başlarında, teorinin yazarları kendi aralarında tüm bunların ne anlama geldiğini tartışırken egemen olmaya başladı.

Bohr ve Albert Einstein arasındaki görüş ayrılıkları meşhurdur ve ikili 1920’ler ve 1930’larda hararetli tartışmalara girmiştir. Bohr’un daha yalnız ve boyun eğmeyen Einstein’ın gözünü korkutarak tartışmayı kazandığını söyleyen yaygın bir efsane vardır. Bohr’un “kilisesine” bağlı fizikçiler, ek tartışmaları bastırmak için aşırı derecede katıydılar. Bohr’un enstitüsünün merkezi olduğu için bu şekilde adlandırılan “Kopenhag yorumu “nu dogmatik bir ortodoksluk olarak tesis ettiler.

Bilim tarihçisi John Heilbron ile birlikte Kuantum Dramı kitabını yazan Jim Baggott, efsanenin tarihini ve daha sonra onu sorgulayacak olan eşsiz bireylere ilham vermedeki önemini araştırıyor. Halkın ilgisizliği karşısında gösterdikleri azim, 2040 yılına kadar on milyarlarca dolar değerinde olacağı tahmin edilen kuantum bilişim sektörünün kurulmasına katkıda bulunarak sonuç verdi.

Bilimsel bir efsane tesadüf ya da talihsizlik sonucu ortaya çıkmaz. Üzerinde çalışılması gerekir. 2014 yılındaki bir konferans oturumunda Heilbron, “Yanlış bir iddianın efsane olarak nitelendirilebilmesi için ısrarcı ve yaygın olması gerekir” ve “Kültürel açıdan acil bir önemi ve devamlılığı için makul ve atanabilir bir nedeni olmalıdır” demiştir. “Bu mitler yanlış ya da fantastik olsalar bile tamamen yanlış değildir ve abartıları bir durumun, ilişkinin ya da projenin başka türlü fark edilmeyecek unsurlarını vurgular.”

Bu bulguların kuantum mekaniğinin tarih boyunca geçirdiği evrimle nasıl ilişkili olduğunu incelemek için Bohr-Einstein tartışmasına daha yakından bakalım. Bohr’un 1927’de belirttiği gibi, teori ancak onun tamamlayıcılık ilkesi kabul edilerek anlaşılabilir. Bilim insanları kuantum deneylerini ve bulgularını açıklamak için klasik fizikten tamamen uyumsuz ancak birbirini tamamlayan kavramları kullanmak zorunda kalmaktadır.

Örneğin bir elektron, belirli bir deney türünde klasik bir dalga gibi davranır. Başka bir deneyde ise klasik bir parçacık gibi davranır. Hiçbir deney her iki davranışı da aynı anda gösterecek şekilde tasarlanamadığından, fizikçiler bir seferde bir tür davranışı gözlemlemekle sınırlıdır.

Bohr, tamamlayıcılığın çelişkili olmadığını, çünkü bu geleneksel fikirlerin sadece sembolik bir şekilde kullanıldığını savunmuştur. Elektronların gerçekten parçacık mı yoksa dalga mı olduğu sorusu söz konusu değildi. Bu, bilim insanlarının elektronun ne olduğunu hiçbir zaman tam olarak anlayamayacaklarını ve bunun yerine gerektiğinde dalga ve parçacıkların sembolik temsilleriyle yetinmek zorunda kalacaklarını fark etmekle ilgiliydi. Bohr bu sınırlamayı teorinin sonu olarak gördü ve daha fazla geliştirmeye gerek olmadığını düşündü.

Böyle bir ifade çok önemli bir soruyu gündeme getirir. Fizik neyi başarmayı amaçlamaktadır? Fizikçilerin bu tanımları kavrayıp kavrayamadıklarından bağımsız olarak, birincil amaç fenomenler üzerinde her zamankinden daha ayrıntılı tanımlar ve kontrol elde etmek midir? Başka bir deyişle, maddi dünyanın doğasına ilişkin her zamankinden daha derin anlayışlar için hiç bitmeyen bir arayış mıdır?

Einstein bu konuda son söz olarak tamamlayıcılığı reddetmiş ve bunun yerine ikinci yanıtı tercih etmiştir. Bohr ile tartışması sırasında teorinin belirsizliklerini, çelişkilerini ve eksikliklerini vurgulamak için bir dizi karmaşık düşünce deneyi yarattı. Bunlar harfi harfine alınmak için değil, daha ziyade önemli felsefi konulara dikkat çekmek içindi.

dolaşık olasılıklar
Einstein’ın eleştirilerinin konusu, 1935 yılında Princeton, New Jersey’deki İleri Araştırmalar Enstitüsü’nde meslektaşları Boris Podolsky ve Nathan Rosen ile birlikte kaleme aldığı bir çalışmaydı. Yazarların EPR olarak adlandırdıkları düşünce deneyinde iki parçacık (A ve B) etkileşime girer ve ayrılır.

Her parçacığın, belirli bir alet konfigürasyonuyla bağlantılı olarak ölçülen iki kuantum özelliğinden birine sahip olma şansının eşit olduğunu varsayalım. Eğer bu özellikleri birbirine bağlayan fiziksel bir yasa varsa, o zaman A’nın “yukarı” olduğu ölçülürse, B’nin de “aşağı” olması gerekir ve bunun tersi de geçerlidir. Dolanık, Avusturyalı fizikçi Erwin Schrödinger tarafından bu tür durumları tanımlamak için ortaya atılmış bir terimdir.

Fizikçiler, dolaşık parçacıkların birbirlerini etkileyemeyecek kadar uzaklaşmalarına izin verilirse artık “nedensel temas” içinde olmadıklarını iddia edebilirler. Kuantum mekaniğinin öngörülerine göre, bilim adamları A’yı ölçebilmeli ve böylece B’nin ilişkili niteliğini kesin olarak belirleyebilmelidir.

Ancak, teorinin bize sağladığı tek şey olasılıklardır. A için sonucun ne olacağını önceden tahmin etmemizin hiçbir yolu yoktur. Uzaktaki, nedensel olarak bağlantısız B, dolaşık ortağıyla nasıl ilişki kuracağını ve A’nın “aşağı” olduğu tespit edilirse “yukarı” sonucunu nasıl üreteceğini nasıl “bilebilir”? Bunu yapmak, bağlantıyı kuran fiziksel yasayı ihlal edeceğinden, parçacıklar bağlantıyı koparamazlar.

Parçacıklar yeterince uzak olduğunda, fizikçiler basitçe bunların farklı ve bağımsız ya da etkileşim anında her parçacık için sabit niteliklere sahip “yerel olarak gerçek” olduklarını varsayabilirler. A’nın “yukarı” özelliğine sahip bir ölçüm cihazının yönünde hareket ettiğini varsayalım. Kurnaz bir araştırmacının cihazın ayarlarını A geldiğinde artık “aşağı” olarak ölçülecek şekilde değiştirmesi kesinlikle yasal olacaktır. Peki bu ilişkinin varlığı nasıl kanıtlanır? Parçacıklar hala bir şekilde birbirleriyle etkileşime girerek, Einstein’ın özel görelilik teorisine meydan okuyarak birbirleriyle iletişim kuruyor ya da ışıktan daha yüksek hızlarda uzak mesafeler boyunca birbirlerini etkiliyor mu?

Dikkate alınması en az onun kadar tedirgin edici olan diğer olasılık ise dolaşık parçacıkların özerk varlıklar olmadığıdır. “Yerel olmayan” oldukları için, içlerinden biri üzerinde bir ölçüm yapılana kadar niteliklerinin sabit olmadığı ima edilmektedir.

Einstein bu iki seçeneği de kabul edemediği için kuantum mekaniğinin kapsamlı olamayacağı sonucuna varmıştır.

Bohr’un tarafı EPR düşünce deneyi karşısında şaşkınlığa uğradı, ancak Bohr bunu (ikna edici olmasa da) hızla reddetti. Einstein teoriyi eleştirmeye istekli olsa da, Bohr’un tamamlayıcılığının yerine geçecek bir şey üzerinde anlaşma yoktu, dolayısıyla meydan okuması yetersizdi. 1950’lerin başında Einstein’ın ünü azalmaya başlamıştı çünkü bilim camiası bir bütün olarak Bohr’un tartışmada galip geldiğine inanıyordu.

Einstein, Bohr’un aksine kendine ait bir okul kurmamıştı. Yerçekimi ile elektromanyetiği birleştirecek ve kuantum mekaniğine olan ihtiyacı tamamen ortadan kaldıracak bir teori bulma çabası içinde, bunun yerine kendi düşüncelerine çekilmişti. “Yalnız gezgin”, kendini böyle tanımlıyordu. ABD’li teorik fizikçi J. Robert Oppenheimer, 1948 yılında Time dergisi yazarıyla konuşurken bu gözlemi yapmış ve yaşlı Einstein’ın “bir dönüm noktası olduğunu ama bir işaret olmadığını” belirtmişti.

Kuantum tarihinin bu dönemine ilişkin yorumların ardından, Kopenhag yorumunun kabul gören bilgelik haline geldiğine dair ısrarlı ve popüler bir inanç vardı.

Örnek olarak iki hikaye üzerinde duruyor yazarımız;

ABD’li fizikçi N. David Mermin, 1950’lerde Harvard Üniversitesi’nde kuantum mekaniği alanındaki doktora çalışmaları sırasında hocalarının kavramsal sorularına verdiği tepkilere dair canlı anılar yaşadı. Mermin hocalarını “Kopenhag ajanları” olarak görüyordu. Hocaları ona, “Böyle saçmalıklarla dikkatini dağıtmana izin verirsen asla doktora yapamazsın; bunun yerine ciddi bir çalışmaya dön ve bazı sonuçlar göster” demişler. Başka bir deyişle, sadece çeneni kapa ve matematiği yap.

Muhaliflerin ciddi sonuçlara katlanacağı anlaşılıyordu. 1970’lerin başında kuantum mekaniğinin deneysel testlerinin öncüsü olan John Clauser, ABD’li bir fizikçiydi ve neden akademik bir pozisyon bulmakta zorlandığını biliyordu. Kopenhag kilisesinin ve Bohr’un, kendisinin de uyması gereken bir “din” yarattığına inanıyordu: “Bu temelleri açıkça eleştiren ya da ciddi bir şekilde sorgulayan herhangi bir fizikçi… derhal ‘şarlatan’ olarak damgalanıyordu.” Şarlatanların kendi alanlarında saygın kariyerler edinmekte zorlandıklarını söylemeye gerek yok.

Bununla birlikte, tarihsel süreçleri incelemek Mermin ve Clauser’in yaşadığı zorluklara alternatif bir yorum getirmektedir. 1940’ların sonlarında kuantum mekaniği üzerine savaş sonrası ilk öğrenci ders kitaplarını kaleme alanların Bohr’un teorisinin (bazen çarpıtılmış) versiyonlarını dahil etmekten başka seçenekleri yoktu çünkü tamamlayıcılık uygulanabilir tek alternatifti. Bohr kaçamak cevapları ve çoğu zaman anlaşılması zor olmasıyla ünlüydü. Genellikle, teorinin öncüllerine ilişkin garip sorular göz ardı edilirdi. Öğrenciler için fikrin nasıl uygulanacağını anlamak, anlamı hakkında endişelenmekten daha önemliydi.

Bunun önemli bir istisnası, ABD’li fizikçi David Bohm’un 1951 tarihli Kuantum Teorisi kitabıdır; bu kitapta teorinin nasıl anlaşılacağı ayrıntılı olarak ele alınmakta ve EPR ile ilgili sorunlara değinilmektedir. Ancak Bohm, Bohr’un o zamanki düsturuna bağlı kalmıştır.

İkinci Dünya Savaşı sonrası fizik daha fazla Amerikanlaştı, bu da hiçbir yararlı bulgu üretmeyen “felsefi” tartışmaların reddedildiği anlamına geliyordu. “Rakamlara ulaşma” hedefi, Bohr ve Einstein’ın anlamsız tartışmasının istenen ya da zamanı olan bir şey olmadığı anlamına geliyordu. Pragmatik olan kazandı. Fizikçiler öğrencilerine ya potansiyel işverenlere cazip gelecek ya da akademik kariyer için iyi bir temel oluşturacak araştırma konuları seçmelerini tavsiye ediyorlardı. Kuantum temelleri araştırması bunlardan biri değildi.

Bu değişiklikler bir araya gelerek biraz farklı bir ortodoksi biçimi yarattı. ABD’li filozof Thomas Kuhn, 1962 tarihli Bilimsel Devrimlerin Yapısı adlı kitabında “normal” bilimi, bilim insanlarının baskın bir “paradigma” çerçevesinde rutin problem çözme faaliyetleri olarak tanımlar. Bu, bilimsel bilginin temelini oluşturan temel yapı olarak düşünülebilir. Kuhn’a göre normal bilim alanında çalışan bilim insanları, temel teorileri olduğu gibi kabul etme ve bu fikirlerin parametreleri dahilinde çözüm arama eğilimindedir. Ancak çözülemeyen sorunlar, koşulların tahammül edilemez bir noktaya geldiği zaman paradigma “değişebilir”; Kuhn bu süreci siyasi bir devrime benzetir.

Hakim bakış açısı aynı zamanda bilim camiasının hoş göreceği ve bilim insanlarının araştırmaya teşvik edildiği (ve finansal olarak desteklendiği) konuların türlerini de belirler. Kuhn kitabında, “birçoğu daha önce standart olarak kabul edilen bazı sorunların metafizik olduğu, başka bir disipline ait olduğu ya da zaman ayırmaya değmeyecek kadar zor olduğu gerekçesiyle reddedildiğini” belirtmiştir.

Kuhn’un sıradan bilimle ilgili gözlemlerini “ana akım” fiziğe uygulamak mümkündür. Fizik camiası, 1950’lere gelindiğinde ana akımın bir parçası olmayan temel konulara olan ilgisini büyük ölçüde kaybetmişti. Bu tür soruların bir felsefe dersine ait olduğuna ve felsefenin fizikte yeri olmadığına karar verildi.

Mermin’in başlangıçta inandığının aksine, hocaları “Kopenhag’ın ajanları” değildi. Sonradan bana söylediğine göre, hocaları “Bohr’u anlamakla hiç ilgilenmiyorlardı ve Einstein’ın [kuantum mekaniğine] duyduğu hoşnutsuzluğun aptalca olduğunu düşünüyorlardı”. Daha ziyade, “sadece felsefeyle ilgilenmiyorlardı”. Tamamen durdu. Kuantum mekaniği teorisi geçerliydi. Anlamı neden umursanmalıydı?

Clauser büyük olasılıkla ana akım fiziğin geleneksel bilgeliğine katılmıyordu. 1972’de kuantum mekaniği üzerine deneyler yaptığında, sonuçlar ya görmezden gelindi ya da daha agresif bir şekilde aldatmaca veya uç bilim olarak reddedildi. Nihayetinde, kuantum fiziği Clauser’in testlerini başarıyla yerine getirdiği için yeni bir keşif yapılmadığı iddia edilebilir. Clauser’in akademisyen olarak işe alınmasını engelleyen şey Kopenhag yorumunu sorgulamaya cesaret etmesi değil, statükoyu sorgulamaya cesaret etmesiydi. Bir meslektaşı daha sonra Clauser’e, Clauser’in başvurduğu bir üniversitedeki fizik profesörlerinin “tüm alanın tartışmalı olduğunu düşündüklerini” açıkladı.

Ancak uzun süredir devam eden Kopenhag yorumunun doğruluk payı olduğunu kabul etmek de kritik önem taşıyor. Bohr’un güçlü ve heybetli bir tavrı vardı.

Einstein’ın görelilik teorileriyle ilişkilendirilmesine benzer şekilde, Bohr da kuantum teorisiyle özdeşleştirilmek istemiştir. Bohr’un okulundaki fizikçiler tamamlayıcılığın bu konudaki son söz olduğuna inanıyordu. En açık sözlü olanlar Werner Heisenberg, Wolfgang Pauli ve Bohr’un “buldogu” Leon Rosenfeld’di, ancak hepsi de sonunda yorumun gerçek anlamı konusunda anlaşmazlığa düştüler.

Muhaliflerini susturmaya çalıştılar. Pauli 1927’de Fransız bilim adamı Louis de Broglie’nin, gerçek parçacıkların gerçek bir dalga tarafından yönlendirildiği bir teoride nedensellik ve determinizmi yeniden tesis eden “pilot dalga” yorumunu reddetti. Yaklaşık otuz yıl sonra, ABD’li fizikçi Hugh Everett tarafından ortaya atılan çoklu dünyalar ya da göreli durum teorisi, Rosenfeld’in daha sonra belirttiği gibi “umutsuzca yanlış fikirler” olarak reddedildi. Rosenfeld’e göre Everett “tarif edilemeyecek kadar aptaldı ve kuantum mekaniğindeki en basit şeyleri bile anlayamıyordu”.

Ancak Kopenhag yorumu efsanesinin önemli bir işlevi vardı. Aksi takdirde çok az ilgi görecek olan bir projeye ilham verdi. Bohm’un Kuantum Teorisi Einstein’ı etkiledi ve 1951 baharında Princeton’da onunla görüşmek istedi.

Konuşmalarının ardından Bohm, Bohr’un teorilerini terk etti ve de Broglie’nin pilot dalga teorisini yeniden tasarladı. Buna ek olarak, EPR meydan okumasına karşı, sonunda gerçek bir deney olarak uygulanabilecek bir karşı öneri oluşturdu.

İrlandalı fizikçi John Bell, Bohrcu muğlaklıktan şaşkına döndükten sonra 1964’te Kopenhag yorumuna direndi, öğrenci ders kitaplarında rahatlık bulamadı ve Bohm’dan ilham alarak şimdi ünlü olan teoremi yarattı. Kuantum fiziği ile tutarsız olan tahminler, dolaşık A ve B parçacıklarının yerel olarak gerçek olduğu varsayımından kaynaklanmaktadır. Bu artık sadece filozoflar için değil, gerçek bir fizik meselesiydi.

Clauser’in beyni “bunu yapmayı reddetti”, bu nedenle Columbia Üniversitesi’nde ileri kuantum mekaniği üzerine aldığı yüksek lisans dersini geçmesi üç denemesini aldı. Bohm ve Bell’i keşfetti, Bohr ve Kopenhag’a sorumluluk yükledi ve 1972’de dolaşık fotonları kullanarak Bell’in teoremini deneysel olarak gösteren ilk kişi oldu.

Ekonomik büyümeyi engellemeden kuantum bilişim nasıl uygulanır?

Benzer mücadeleler, tamamlayıcılık konusunda kafası karışan ve “Bohr’u anlamak imkansız” diye düşündükten sonra Bell’i keşfeden Fransız fizikçi Alain Aspect tarafından da verildi. Aspect, 1982 yılında parçacıklar uçuş halindeyken dolaşık foton çiftlerinin özelliklerini ölçmek için kullanılan cihazların parametrelerini değiştirerek Bell’in teoreminin ikonik bir testine dönüşecek olan şeyi gerçekleştirdi.

Üzerlerinde yapılacak ölçümlerin niteliği, birbirlerinden çok uzaklaşana kadar belirlenmediğinden, bu durum fotonların aralarında iletilen sinyaller veya etkiler yoluyla bir şekilde birbirleriyle ilişki kurmalarını engelledi. Tüm bu deneylerin sonuçları, yerel olmayışa ve kuantum fiziğine işaret ediyordu.

Kuantum mekaniğini test etmek fizik camiası tarafından hala uç bir bilim dalı ve zaman kaybı olarak görülürken, kuantum dolanıklığı ve daha önce beklenmeyen bir fenomen olan yerel olmama ortaya çıkana kadar bu böyle devam etti. Bell teoreminin kendi versiyonunu 1981’de yayınlayan ve bir kuantum bilgisayarı yaratmanın uygulanabilirliği hakkında tahminlerde bulunan ABD’li fizikçi Richard Feynman, Aspect’in davasına katkıda bulundu.

Dolanıklık, 1984 yılında Montreal Üniversitesi’nden Kanadalı araştırmacı Giles Brassard ve IBM’den Charles Bennett tarafından yeni bir kuantum kriptografi sisteminin temeli olarak önerildi.

Bu ilerlemelerin kuantum temelleri üzerindeki çalışmalar için sonun başlangıcını işaret ettiğine ve onu meşru fizik statüsüne yükselttiğine inanmak kolaydır. Ama hiç de öyle değil. Kuantum bilgi alanının gelişmesine ve bir kuantum teknolojisi potansiyeline yardımcı olan Avusturyalı fizikçi Anton Zeilinger’e göre kuantum bilgi alanında çalışanlar bile temellerin “doğru şey olmadığına” inanıyor. “Bunun nedeni bizim anlayışımızın ötesinde. Zeilinger’e göre bunun derin ve psikolojik nedenleri olmalı. Pragmatik fizikçi, dolanıklığın nasıl işlediğini açıklayacak herhangi bir fiziksel mekanizma olmamasına rağmen rakamlara ulaşıyor.

Clauser, Aspect ve Zeilinger’in 2022 Nobel Fizik Ödülünü alacak olmalarının da gösterdiği gibi, Nobel ödülleri bir organizasyon olarak her zaman temel araştırmaları desteklememiştir. Duyuruya cevaben Nobel Fizik Komitesi Başkanı Anders Irbäck şunları söyledi: “Yeni bir kuantum teknolojisi kategorisinin gelişmekte olduğu giderek daha açık hale geliyor. Kuantum fiziğinin yorumlanmasına ilişkin en temel sorgulamaların ötesinde bile, ödül sahiplerinin dolaşık sistemlerle yaptıkları çalışmaların son derece önemli olduğu açıktır. Alternatif olarak, çalışmalarının bu kadar önemli olmasının nedeni, Bell ve Bohm gibi az sayıdaki muhalifin, Kopenhag yorumunun ısrarlı yanlışlığı olarak gördükleri ana akım fiziğin kabul edilmiş bilgeliğine meydan okumaya istekli olmalarıdır.

Bohr-Einstein ve dolanıklık muammasından çıkarılması gereken ders budur. Kurguyu kabul etmeye istekli olsak bile dikkatli hareket etmeliyiz. Heilbron, “Bugün öldürdüğünüz efsane, yarın ihtiyacınız olan bir gerçeği içerebilir,” diyerek ahlaksız cinayete karşı bir uyarıda bulunmuştur.

Kaynak: nature.com/articles/d41586-024-01216-z – Jim Baggott