Kara delikler çarpıştığında meydana gelen yer çekimi dalgaları gibi kozmik ölçekli olayları açıklamak için görelilik teorisi kullanılabilir. Bir atomdaki bireysel elektronların hareketi gibi parçacık ölçeğindeki fenomenleri tanımlamak için ise kuantum teorisi iyi çalışır. Bununla birlikte, ikisini tam olarak memnun edici bir şekilde birleştirmek henüz mümkün olmadı. “Kütle çekiminin kuantum teorisi” arayışı, bilimin hala çözemediği önemli sorunlardan biridir.
Bunun nedeni, bu alanın matematiksel olarak oldukça karmaşık olmasıdır. Aynı zamanda uygun deneyler yapmak zordur. Çünkü hem görelilik kuramının fenomenlerinin (örneğin ağır kütleler tarafından bükülen uzay-zaman) hem de kuantum etkilerinin (örneğin ışığın parçacık ve dalga özelliği gösterdiği ikili yapısı) önemli olduğu durumları oluşturmak gerekir.
KUANTUM SİMÜLATÖRÜNDE EĞRİ UZAY-ZAMAN
Avusturya, Viyana’daki TU Wien’de bu amaçla yeni bir yöntem geliştirildi. Bu tür soruların temelini oluşturmak için bir “kuantum simülatörü” kullanılıyor. İlgili sistemi yani eğri uzay-zamandaki kuantum parçacıklarını doğrudan araştırmak yerine bir “model sistem” oluşturulur ve analoji aracılığıyla ilgili sistem hakkında bilgi edinilebilir. Araştırmacılar şu an bu kuantum simülatörünün mükemmel bir şekilde çalıştığını gösterdiler. Girit Üniversitesi, Nanyang Teknoloji Üniversitesi ve
FU Berlin’den fizikçiler, bu uluslararası işbirliğinin sonuçlarını ABD Ulusal Bilimler Akademisi Bildiriler Kitabı’nda (PNAS) yayınlandı.
Bir sistemden diğer sistem hakkında bilgi alma
Kuantum simülatörünün temel ilkesi anlaşılırdır: Birçok fiziksel sistem birbirine benzemektedir. Daha derin düzeyde, bu sistemler aynı yasalara ve denklemlere uyabilir. Bu, tamamen farklı türlerdeki parçacıklar veya ilk bakışta birbirleriyle pek ilgisi olmayan farklı ölçeklerdeki fiziksel sistemler olabilir. Böylece birinin başka bir sistemi inceleyerek başka bir sistem hakkında bilgi edinebilmesi sağlanır.
TU Wien Atom Enstitüsü’nden Prof. Jörg Schmiedmayer, “Deneylerde çok iyi kontrol edebileceğimizi ve ayarlayabileceğimizi bildiğimiz bir kuantum sistemini alıyoruz.” diyor. “Bizim durumumuzda bunlar, elektromanyetik alanlara sahip bir atom çipi tarafından tutulan ve manipüle edilen ultra soğuk atomik bulutlardır.” diye de ekliyor. Özelliklerinin başka bir kuantum sistemine çevrilebilmesi için bu atomik bulutların doğru bir şekilde ayarlandığı varsayılsın. Bu durumda, bir atomik bulut model sisteminin ölçümünden başka bir sistem hakkında bilgi edinilebilir. Örneğin metal bir yaya bağlı bir kütlenin salınımından bir sarkacın salınımı hakkında elde edilen bilgi gibi: Bu iki sistem ayrıdır. Fiziksel sistemlerden biri diğerine dönüştürülebilir.
Yer çekimsel mercek etkisi
Viyana Kuantum Bilimi ve Teknolojisi Merkezi’nden (VCQ) – TU Wien’den Mohammadamin Tajik, “Artık uzay-zamanın eğriliğine benzemek için kullanılabilecek efektleri bu şekilde üretebileceğimizi gösterebildik.” diyor. Işık, sözde “ışık konisi” boyunca boşlukta yayılır. Işık hızı eşittir. Yani ışık eşit zaman aralıklarında her yönde aynı mesafeyi kat eder. Ancak ışık, güneşin yer çekimi gibi ağır kütlelerden etkilendiğinde bu ışık konileri bükülür. Eğri uzay-zamanlarda ışık yolları tam anlamıyla düz değildir. Buna “yer çekimi merceği etkisi” denir.
Atomik bulutlar artık aynı şeyi gösterebilir. Işık hızı yerine ses hızı incelenir. Mohammadamin Tajik, “Artık uzay-zaman eğriliğine veya yer çekimsel merceklemeye karşılık gelen bir etkinin olduğu bir sistemimiz var. Ancak aynı zamanda kuantum alan teorileriyle tanımlayabileceğiniz bir kuantum sistemi var.” diyor. “Bununla, görelilik ve kuantum teorisi arasındaki bağlantıyı incelemek için tamamen yeni bir aracımız var.”
Kuantum yer çekimi için bir model sistem
Deneylerin gösterdiğine göre ışık konilerinin şekli, merceklenme etkileri, yansımaları ve diğer fenomenleri atomik bulutlarda tam olarak göreli kozmik sistemlerde beklendiği gibi gösterilebilir. Bu sadece temel teorik araştırma için yeni veriler üretmek için ilgi çekici değildir. Aynı zamanda katı hal fiziği ve yeni malzeme arayışı benzer yapıya sahip sorularla karşılaşır ve bu tür deneylerle çözümler üretebilir.
Jörg Schmiedmayer. “Daha geniş kapsamlı verileri belirlemek için bu atomik bulutları kontrol etmek istiyoruz. Parçacıklar arasındaki etkileşimler hala çok hedefli bir şekilde değiştirilebilir.” diye söylüyor. Bu şekilde kuantum simülatörü, süper bilgisayarların bile hesaplayamayacağı kadar karmaşık fiziksel durumları yeniden oluşturabilir.
Böylece kuantum simülatörü; doğrudan deneyler, teorik hesaplamalar ve bilgisayar simülasyonları gibi kuantum araştırmaları için yeni bir bilgi kaynağı haline gelir. Araştırma ekibi, atomik bulutları incelerken, şimdiye kadar tamamen bilinmeyen ve aynı zamanda kozmik ölçekte meydana gelen yeni fenomenlerle karşılaşmayı umuyor. Bu fenomenler, küçük parçacıkların yardımı olmadan asla keşfedilmemiş olabilir.
Kaynak: Bridging Quantum Theory and Relativity: Curved Spacetime in a Quantum Simulator (scitechdaily.com)
Derleyen: Esra Taşçı
