Simülasyonlar, kuantum mekaniğinin çoklu dünya yorumuna göre üretilen çok evrenin, bizim kararlı, klasik evrenimizle nasıl uyumlu olabileceğine dair ipuçları sunuyor.
Kuantum mekaniğini, atomik spektrumlardan nötron yıldızlarının yapısına kadar uzanan son derece doğru tahminler yapacak kadar iyi anlıyoruz ve bu tahminleri lazerler, MRI makineleri ve tünelleme mikroskopları gibi cihazlarda başarıyla kullanıyoruz. Yine de, bu tür cihazların veya kediler, aylar ve insanlar gibi nesnelerin katı gerçekliğinin soyut bir matematiksel uzaydaki belirsiz bir kuantum dalgasından nasıl ortaya çıktığına dair genel olarak kabul görmüş bir açıklama yoktur. Bazı fizikçiler sorunu görmezden gelmeyi tercih ediyor, sadece “susup hesap yapmalıyız!” diyorlar. Diğerleri, kuantum teorisini çeşitli şekillerde değiştirerek veya kuantum teorisinden nasıl kararlı yapıların ortaya çıkabileceğini açıklamanın yollarını arayarak cevaplar arıyor.
İkinci yaklaşımı benimseyen Philipp Strasberg ve İspanya’daki Barselona Otonom Üniversitesi’nden meslektaşları, simülasyonlar kullanarak, büyük ölçeklerde, ayrıntılı mikro yapılarından bağımsız olarak, geniş bir kuantum sistemleri sınıfı için klasik özelliklere sahip sağlam bir gerçekliğin ortaya çıkabileceğini göstermektedirler [1]. Sonuçları, klasik dünyamızın ortaya çıkışının, her ölçüm yapıldığında sayısız paralel dünyanın birbirinden ayrıldığı kuantum mekaniğinin “çoklu evren yorumu” bağlamında nasıl açıklanabileceğini öne sürüyor. Gevşek bir şekilde ifade etmek gerekirse, fikir, büyük ölçekli klasik özelliklerin, bir bahçe sulama sisteminin kararlı makroskopik su jetlerinin, bireysel su moleküllerinin sayısız mikroskopik yuvarlanan yollarından ortaya çıkması gibi, temel kuantum dinamiklerinden ortaya çıktığıdır. (Şekil 1). Sonuçların kozmolojiden istatistiksel mekaniğe kadar geniş potansiyel etkileri vardır.
Ünlü Schrödinger’in kedisi paradoksu, hem parçalanmış hem de parçalanmamış bir radyoaktif atomun kuantum etkisini büyük ölçekli bir etkiye hem ölü hem de canlı olan bir kediye büyütmekle ilgilidir. Ama böyle kediler görmüyoruz. Daha genel olarak, etrafımızdaki dünya, klasik fizik tarafından iyi bir şekilde tanımlanan özelliklere sahip kararlı nesnelerden oluşur. Ancak bu kararlı nesneler, kuantum fiziği tarafından yönetilen birçok mikroskobik sistemden oluşur. Bu iki tabloyu nasıl uzlaştıracağız?
Bunu yapmanın bir pratik yaklaşımı, iki tür kuantum dinamiği öngörür: İlki, izole bir kuantum sisteminin kuantum dalga fonksiyonunun evrimini yöneten Schrödinger denklemi; ikincisi ise sistemin klasik bir sistemle etkileşime girdiğinde meydana gelen bu dalga fonksiyonunun çöküşüdür. Ancak hesaplamalar için faydalı olsa da, bu yaklaşım yalnızca bir kuantum-klasik ayrımını varsayar ve bunu açıklamaz. Daha sofistike yaklaşımlar ise Schrödinger denkleminin kendisinin değiştirilmesi gerektiğini, dalga fonksiyonunun herhangi bir nesnenin kütle merkezinin etrafında çökmesine neden olacak şekilde ayarlanmasını önerir. Bugüne kadar, ancak, bu tür değişikliklere dayanan yaklaşımlar deneylerle desteklenmemiştir [2].
Farklı bir yaklaşım, klasik bir dünyanın ortaya çıkışını Schrödinger denkleminin kendisinin doğal bir sonucu olarak açıklamaktır. Örneğin, çoklu evren yorumunda, bu denklem, kuantum olayları sonucunda sürekli olarak yeni dünyalara dallanan paralel dünyalar kümesini tanımladığı şeklinde anlaşılır [3].
Schrödinger’in kedisi, her dünyada atomun o dünyada parçalanıp parçalanmadığına göre ya ölü ya da canlıdır. Bu yaklaşımın vaadi, kuantum evrimini ve algıladığımız gerçekliği birleştirmektir: Her şey en küçük ve en büyük ölçeklerde kuantumdur, değiştirilmiş dinamiklere veya dalga fonksiyonu çöküşlerine ihtiyaç yoktur. Ancak, birçok fizikçi bu vaadin yerine getirildiğinden emin değil: Dünyaların sürekli dallanması, kedilerin, ayların ve insanların sürekli varlığına nasıl yol açar, tamamen kaotik bir rastgelelik yerine?
Strasberg ve işbirlikçileri bu sorunu yenilikçi bir şekilde ele alıyorlar. Önceki birçok çalışma, cevabı çevre kaynaklı dekohorans fikriyle ilişkilendirir; bu durumda, kararlı nesneler bir kuantum sisteminin birçok bileşeninin dış çevreleriyle etkileşimlerinden ortaya çıkar [4]. Bu etkileşimler, kuantum girişim etkilerini birçok uzak çevresel serbestlik derecesinin derinliklerinde etkili bir şekilde gizler, bu da pratikte gözlemlenmesini imkansız hale getirir. Ancak, bu yaklaşım sorunlu bir ince ayar yapısından muzdariptir, bu da yalnızca belirli türdeki etkileşimler ve başlangıç dalga fonksiyonları için iyi çalıştığı anlamına gelir. Dahası, genellikle yalnızca son derece basitleştirilmiş modeller için incelenmiştir. Buna karşılık, Strasberg ve meslektaşları, birçok enerji seviyesine sahip bir dalga fonksiyonunun olası evrimlerinin geniş bir yelpazesi için, gözlemlenebilir kaba ölçeklerde kendine tutarlı bir dizi kararlı özelliklerin ortaya çıktığını gösteriyorlar. Ayrıca, modelleri ince ayar gerektirmiyor: Bu özellikler, başlangıç koşullarının seçimine ve küçük ölçeklerde enerji seviyeleri arasındaki etkileşimlerin detaylarına karşı dayanıklıdır.
Sonuçlarına ulaşmak için, araştırmacılar modern bilgisayarların muazzam gücünden yararlanarak kuantum evrimini etkileyici 50.000 enerji seviyesine kadar simüle ediyorlar. Böyle bir sayı, günlük klasik fenomenleri simüle etmek için gerekenle karşılaştırıldığında hala mütevazıdır, ancak çok daha basit sistemler üzerindeki önceki simülasyonlarla karşılaştırıldığında hala önemlidir. Ekip, geniş bir yelpazede bağlanma kuvvetlerini ve başlangıç dalga fonksiyonlarını dikkate alıyor. (randomly selected within particular classes of evolutions described by Hamiltonians with the same broad form). Sonuçları, bu seçimlerden bağımsız olarak, yaklaşık olarak aynı büyük ölçekli kararlı dallanma yapısının ortaya çıktığını göstermektedir. Bu sonuç, dış bir ortama veya ince ayara başvurmadan elde edilen, klasik gerçekliğimizin tamamen kuantum bir alt yapıdan kendi kendine yükselme yeteneğine sahip olduğunu desteklemektedir.
Sonuçlar, gizemli kuantum-klasik ayrımını anlamak için önemlidir ve birçok dünya yorumunun bazı algılanan eksikliklerini çözmeye zemin hazırlayabilecek yenilikçi bir ab initio sayısal yaklaşım sunar. Ancak çalışma, evrenimizde zaman okunun ortaya çıkışını açıklamaya yönelik girişimleri de içeren istatistiksel mekaniğin fikirleriyle de ilişkilidir. Örneğin, araştırmacılar ana sonuçlarını (kararlı ve yavaşça evrilen makroskopik yapının ortaya çıkışı) mikroskalada kuantum fazlarının doğasında bulunan rastgeleleşmeden kaynaklandığı şeklinde yorumluyorlar klasik istatistiksel mekaniğin, basınç ve sıcaklık gibi makroskopik özelliklerin entegrasyona tabi olmayan veya kaotik mikroskopik hareketten kaynaklandığına benzer şekilde. Ayrıca, inceledikleri evrim sınıfı için, bazı dallanmaların entropinin genellikle arttığı dünyalara, bizim Evrenimizde olduğu gibi, ve bazılarının entropinin genellikle azaldığı dünyalara yol açtığını gösteriyorlar bu da zıt entropik zaman oklarına sahip iki dünya sınıfına yol açar. İlginç bir şekilde, bu dünyalar zaman simetrisinin küresel olarak saygı gördüğü tek bir kapsamlı çok evrenin parçası olacaktır.
Sonuçlar, çoklu evren yorumuyla ilgili tüm bekleyen soruları ve deneyimlediğimiz tek dünyayı açıklamak için sayısız dünya ve dal gereksinimini çözmüyor. Örneğin, araştırmacılar, dünyaların ve dallanmaların kararlı bir kümesinin olduğunu gösteriyorlar, ancak bu kümenin benzersiz olduğunu kanıtlamıyorlar. (although they qualitatively argue that this is likely the case). Ve çoklu evrenin erişebildiğimiz tek dalında neden enerji korunumu veya Born kuralı gibi yasaları deneyimlediğimizi—bu kural, bir kuantum sistemindeki bir ölçümün belirli bir sonucu elde etme olasılığını belirler—açıklayamıyorlar. (our world). Ekibin iki araştırmacısının son çalışmaları, burada izlenen yakına benzer bir yaklaşımın son konuyu aydınlatabileceğini öne sürüyor [5]. Açıkça, bu alanlarda ilerleme kaydetmek için daha fazla çalışmaya ihtiyaç var.
Referanslar
- P. Strasberg et al., “First principles numerical demonstration of emergent decoherent histories,” Phys. Rev. X 14, 041027 (2024).
- A. Bassi et al., “Collapse models: A theoretical, experimental and philosophical review,” Entropy 25, 645 (2023).
- L. Vaidman, “Many-worlds interpretation of quantum mechanics,” in The Stanford Encyclopedia of Philosophy, edited by E. N. Zalta (Metaphysics Research Lab, Stanford University, 2021), edition Fall; https://plato.stanford.edu/archives/fall2021/entries/qm-manyworlds/.
- W. H. Zurek, “Decoherence, einselection, and the quantum origins of the classical,” Rev. Mod. Phys. 75, 715 (2003).
- P. Strasberg and J. Schindler, “Shearing off the tree: Emerging branch structure and Born’s rule in an equilibrated multiverse,” arXiv:2310.06755
Kaynak: https://physics.aps.org/articles/v17/155
Hazırlayan: Yusuf Havvat – Çukurova Üniversitesi Fizik Bölümü
