Gözümüzle gördüğümüz, elimizle tuttuğumuz şeyin gerçek olduğundan emin olabilir miyiz?

Erwin Schrödinger, kendi denklemlerinin yarattığı sonucun tuhaflığını ortaya koymak için meşhur “Schrödinger’in Kedisi” düşünce deneyini tasarlamıştı. Eugene Wigner bu düşünce deneyini bir adım ileri taşıdı, kuantum dalga fonksiyonunu çökerten şeyin “bilinçli gözlemci” olduğunu öne süren “Wigner’in arkadaşı” düşünce deneyini tasarladı

HİKMET CAN PERTAN

Sağolsun, Alev Alatlı sayesinde ülkemizde “Schrödinger’in Kedisi” lafını duymayan kalmadı. Alev Alatlı’nın bu iki kitaplık serisi sayesinde çok sayıda insan “Schrödinger’in Kedisi” lafını biliyor ama sadece Türkiye’de değil dünyada da çok az sayıda insan bu önemli düşünce deneyinin tam olarak neyi ifade ettiğini biliyor.

Önce düşünce deneyinin mucidi olan Erwin Schrödinger’in kim olduğunu konuşalım. Schrödinger, üç aşağı beş yukarı aynı anda Werner Heisenberg’le birlikte bugün adına “kuantum dalga fonksiyonu” dediğimiz denklemleri geliştiren isim.

Heisenberg’i ve Schrödinger’i bu denklemleri geliştirmek zorunda bırakan şey, en basit atom olan hidrojen atomunda, çekirdeğin etrafında dönüp duran o bir tane elektronun tuhaf davranışlarıydı. Elektron, bazen birden fazla yerde varmış gibi duruyordu; bazen bir anda bir yerde yok oluyor, sonra başka bir yerde ortaya çıkıveriyordu. Elektronun enerji seviyesi hızla değişebiliyordu.

Heisenberg ile Schrödinger birbirlerinden habersiz bu sorunu anlamaya çalışan birer matematik geliştirdiler. İkisinin denklemleri aynı konuyu ele alıyordu ama tamamen farklı matematiksel yöntemlerden hareket ediyordu. Bugün, biraz daha kullanışlı diye Schrödinger’in yöntemi daha yaygın kullanılıyor ama bu Heisenberg’in matrikslerini daha az doğru sonuç verir kılmıyor.

Çat orada çat kapı arkasında

Peki nedir “kuntum dalga fonksiyonu”? Artık hepimiz biliyoruz; Heisenberg’in meşhur belirsizlik ilkesi bize, bir elektronun aynı anda hem hızını hem yerini bilemeyeceğimizi söyler. “Kuantum dalga fonksiyonu bu ilkenin matematikleşmiş halidir” desem kötü bir basitleştirme yapmış olmam.

Schrödinger’in ve Heisenberg’in denklemlerinden ortaya çıkan “dalga fonksiyonu” bize, bizim gündelik hayat deneyimimizle hiç uyuşmayan bir şeyi söyler:

Diyelim ki hidrojen atomundan söz ediyoruz; bu atomun çekirdeğinin etrafında dolaşan o yegane elektron, eğer biz bir ölçüm yapmıyorsak, matematiksel olarak olası bütün yörüngelerinde birden olabilir. Yani elektronun bir belirli yörüngede olma olasılığı diğer yörüngelerde olma olasılığından daha fazla değildir.

Bu da bize, biz oraya doğru bakmazken elektronun aynı anda her yerde birden olacağını kabul etmemiz gerektiğini söyler. Ancak baktığımızda, o elektronun nerede olduğunu ölçtüğümüzde, bütün olası yörüngeleri aynı anda ve eşit derecede geçerli gören dalga fonksiyonu “çöker” ve yerine bir tane ölçüm sonucu gelir.

Bu anlattığım şey, kabaca son 100 yıldır herkesin kafasını karıştıran ve pek çok kişiyi de olmadık sonuçlar çıkartmaya yönelten bir şey. Böyle, çünkü bizim aklımıza, mantığımıza ve gündelik hayat tecrübemize uymayan, kabul edemeyeceğimiz bir şeyi söylüyor bu denklemler.

Mesela Albert Einstein tam da bu sebeple, “Ne yani” demişti, “Biz ona doğru bakmıyorken Ay ve yıldızlar orada değiller mi?”

Kendisi buldu ama ona göre de saçmaydı

Merak etmeyin, bu durumun kabul edilemez derecede saçma olduğunu ilk düşünenlerden biri de, bizzat o denklemi ortaya çıkaran iki isimden biri olan Erwin Schrödinger’in kendisiydi.

Bu saçmalığı anlatmak için bugün dünyanın en meşhur düşünce deneyi haline gelen deneyini tasarladı. Deney bize, Schrödinger’in kedisinin kutunun içinde aynı anda hem ölü hem canlı olduğunu kabul etmemiz gerektiğini söyler. Bir şey aynı anda hem ölü hem canlı olabilir mi? Olabilir.

Schrödinger bir Avusturyalıydı. Onu yıllar sonra bir başka Avusturyalı fizikçi, Eugene Wigner izledi. Wigner, her hangi bir kuantum dalga fonksiyonunu çökertecek gözlemin ancak “bilinçli” bir şey tarafından yapılabileceğini savunuyordu.

Yani, Ay’ın ve yıldızların orada olması için onları bir bilincin gözlemesi gerekiyordu. Bu tez, tabii Heisenberg ve Schrödinger denklemlerini yazdığından beri konuşulan ve açıkçası fizikçileri rahatsız eden bir şeydi. Fiziki gerçeklik denen şeyin insan beyninin, insan bilincinin bir sonucu olduğunu ima ediyordu. Einstein o yüzden, “Biz bakmıyorken Ay orada değil mi?” diye sormuştu. Eugene Wigner, Schrödinger’in kedisi fikrini bir adım ileri götürdü, bugün “Wigner’ın arkadaşı” adı verilen düşünce deneyini tasarladı.

Bilinç yoksa gerçek de yok mu?

Bu düşünce deneyinde, “Wigner’ın arkadaşı” olan fizikçi bir laboratuvarda bir kuantum sistemiyle ilgili ölçüm yapar. Schrödinger’in kedisinin durumu gibi (canlı/ölü) iki ihtimal olsun, bunlara 0 ve 1 diyelim. Ölçüm öncesi 0 ve 1 aynı anda geçerliydi ama fizikçi ölçümü yaptı, sonucu biliyor artık.

Ama bir de laboratuvarın dışında duran Wigner’ın kendisi var. Wigner açısından bakıldığında laboratuvarda ölçümü yapan arkadaşı bir çeşit “kuantum süperpozisyonu” halinde. Yani, kedinin aynı anda ölü ve canlı olması gibi, Wigner açısından da fizikçi arkadaşı ya ölçümde 0 bulmuş, laboratuvarıyla birlikte 0 pozisyonunda ya da ölçümde 1 bulmuş ve laboratuvarıyla birlikte 1 pozisyonunda.

Arkadaşı açısından kuantum dalga fonksiyonu çoktan çöktü, çünkü o ölçümü yaptı bitirdi. Ama Wigner açısından henüz çökmedi; çünkü arkadaşının yaptığı ölçümün sonucunu bilmiyor.

Bu düşünce deneyinde Wigner’ın söylemek istediği son derece basit aslında: Bir kuantum dalga fonksiyonunu çökertmek için bilinçli gözlemciye ihtiyacımız var ve “bilinç” öyle hafife alınacak bir şey değil. Ama öte yandan, fizik bilimiyle ilgili konulara içinde “bilinç” geçen şeyleri sokmak da tehlikeli sulara girmek anlamına gelir.

Wigner’dan önce de vardı, onun 1961’de ortaya attığı düşünce deneyinden sonra daha da hızlandı; bu kuantum dalga fonksiyonunu gerçekte neyin çökerttiğiyle ilgili bitmez tükenmez bir tartışmamız var.

Türlü çeşitli yorumlar

Kuantum dalga fonksiyonunun çöküş sebepleriyle ilgili teorileri anlatmaya belki “öyle bir çökme yok” diyen teoriden başlamak gerekir. Veya, “Hayır, fonksiyon çökmüyor ama gerçeklik ikiye ayrılıyor” diyen “çoklu dünya” teorisini anlatmak lazım. Ama gelin önce en başa dönelim. Albert Einstein, kuantumun beraberinde getirdiği tuhaflıklara karşı çıkarken kuantum fiziğini reddediyor değildi. Zaten böyle bir fizik dalının kurulmasına çok önemli, çok temel katkıyı bizzat kendisi sunmuştu. Einstein’ın itirazı, kuantum teorisinin “eksik” olduğu fikri üzerinde yoğunlaşıyordu. Yani, gerek deneysel olarak ve gerekse teoride henüz bilmediğimiz çok şey vardı; o yüzden kuantum teorisine de “tamam” diyemezdik, daha tamamlamamız gereken eksikler vardı çünkü.

Kuantum fiziği, daha çok Niels Bohr ve Kopenhag’da onun etrafında toplanan parlak isimlerin geliştirmekte olduğu bir şeydi. O isimlerin pek çoğu Einstein gibi düşünüyor, karşılarına çıkan tuhaflıkları anlamlandırmaya çalışıyorlardı. İşte onlardan biri David Bohm adlı fizikçiydi ve onun kuantum dalga fonksiyonunun çökmesiyle ilgili görüşü herkesten farklıydı. Aynen Einstein gibi o da, kuantum sistemleri tahmin etmek için yeterli bilgiye sahip olmadığımızı söylüyordu. Bugün bu görüş bir hayli yaygın.

İki ayrı fizik kanunları seti olamaz

Tabii bir sorun daha var: Kuantum dünyasında tanık olunan tuhaflıkların hiçbirini bizim gündelik hayatımızda görmememizin nedeni olarak bize hep “Kuantum evreni çok küçük şeylerin evreni, atom altı dünyanın evreni oysa biz makroskopik bir evrende yaşıyoruz, bu evrende Einstein’ın fiziğinin kuralları geçerli” cümlesi söylendi. Yani iki ayrı fizik kanunu vardı; küçük şeylerde kuantum, büyük şeylerde Einstein.

Oysa bu doğru değil. Evreni, ister büyük olsun ister küçük, yöneten kurallar aynı olmalı, farklı değil.

O yüzden araştırmacılar kuantum dalga fonksiyonunun hangi büyüklüğe gelindiğinde çökmeyi bıraktığı konusunu araştırmaya başladı. Son olarak içinde 2000’den fazla atom olan moleküllere kadar incelendi; kuantum kurallarının geçerli olduğu görüldü.

Ama Eugene Wigner’ın kendisi veya arkadaşı gibi büyük ve karmaşık objelerin veya Schrödinger’in kedisinin kuantum kurallarına tabi olacağını söylemek kolay değil.

Avustralya’daki Griffith Üniversitesi’nden kuantum fizikçisi Nora Tischler ve arkadaşları yakın zamanda bir deney yaptılar ve ”Wigner’in arkadaşı” düşünce deneyinin kuantum teorisine bir sınır getirip getirmediğine baktılar. Acaba kuantum evreninde “gözlemci” ne demekti ve “gözlemci”nin rolü tam olarak neydi?

Şimdi fizik dünyası Nora Tischler ve arkadaşlarının yaptığı deneyin sonuçlarını tartışıyor. Deney, fizikten çok felsefi bir içerik taşıyor; çünkü gerçekliğin anlamı üzerinde yoğunlaşıyor aslında.

Tischler, bir süre sonra aynı deneyi tekrar yapacaklarını, bu kez “Wigner’in arkadaşı” rolünde bir kuantum bilgisayarı kullanacaklarını söylüyor.

Gerçekliğin ne olduğu ve nasıl ortaya çıktığı konusunda hepimizin kafası karışık; kuantum fiziği bu karışıklığı daha da arttırıyor. Gördüğümüz veya elimizle tuttuğumuz bir şeyin, hatta kendimizin gerçekliğinden nasıl emin olabiliriz, fizikçilerin cevap aradığı sorulardan biri artık bu.

Bazı fizikçilere göre kuantum mekaniğinden tamamen vaz geçmedikçe ve yerine yeni bir teori koymadıkça bu kafa karışıklıklarımız sona ermeyecek.

Fizikçiler, hangi kuantum yorumunun daha doğru olduğu konusunda son 100 yıldır anlaşamıyorlar. Belki her şeye en baştan başlamak en doğrusu.

Hidrojen ekonomisine doğru: İsrail’de “fotokataliz”i başardılar

Elektriği yeşil kaynaklardan elde etmek yetmez, onu bir de depolayabilmek gerekir. Hidrojen burada devreye giriyor. Şimdi onu yeşil elektrikle üretmek mümkün olduğu gibi yeni geliştirilen yöntemle doğrudan güneş ışığı kullanarak elde etmek de mümkün.

Bir yandan dünyanın enerji ihtiyacı büyüyor; bir yandan da bu enerjiyi temiz kaynaklardan, doğaya ve atmosfere zarar vermeyen kaynaklardan elde etme mecburiyeti artıyor.

Enerji ihtiyacımızı artık mümkün olduğunca fosil olmayan kaynaklardan karşılamamız gerek ve bu kaynaklar da o kadar sınırsız değil açıkçası. Bir, akarsulardan, rüzgardan ve bir ihtimal denizlerdeki ve okyanuslardaki dalgaların kinetik enerjisinden yararlanan yöntemler var. Basitçe, doğadaki o kinetik enerjiyi mekanik enerjiye çeviriyoruz, dönen türbin elektrik üretiyor. Barajlarda elektriği böyle üretiyoruz; rüzgar güllerinde ve jeotermal santrallarda da aynı şeyi yapıyoruz.

İkinci yöntem ise güneşten gelen fotonları doğrudan elektriğe çevirmek. Bu ikinci yöntem de giderek gelişiyor, enerji verimi giderek artıyor. (Nükleer santrallar da karbon salımı olmadan elektrik üretimi yapıyor ama nükleer atık sorunu da önemli bir sorun.)

Tabii bu iki yöntemin bütün fosil yakıt/enerji üretim modelinin yerine geçebilmesi için çok daha fazla gelişmesine ve bir de bizim etkili enerji depolama sistemleri geliştirmemize ihtiyaç var. Enerji depolaması çok kapsamlı ve karmaşık bir konu. Bu işin bütün derinliklerine girmeye burada gerek yok; çünkü bugün burada hidrojen ekonomisiyle ilgili yeni bir gelişmeyi aktarmak istiyorum esas olarak.

Enerji depolamanın, daha doğrusu enerjiyi başka bir forma çevirip saklamanın etkili yollarından biri hidrojen. Bu doğada en çok bulunan atomu doğrudan bir yakıt olarak kullanmak da mümkün, ondan kimyasal tepkime yoluyla elektrik üretmek de.

Fotokataliz ile hidrojen üretmek

Ama zorluk bütün bu bolluğuna rağmen hidrojeni saf halde tutmakta ve saf hidrojen üretmekte. Eğer “yeşil hidrojen” yani doğayı kirletmeyen yöntemlerle elde edilmiş hidrojen üretmek istiyorsak önümüzde iki yol var: Ya güneş veya rüzgardan elde ettiğimiz ucuz elektrikle lise kimya derslerinden beri bildiğimiz “elektroliz” yöntemini uygulayacak, sudaki oksijen ve hidrojeni ayrıştıracağız ya da daha yeni geliştirilen “fotokataliz” adlı yöntemi kullanacağız.

Fotokataliz, doğrudan güneş ışığının suya verilmesi ve suya yerleştirilen bazı nano materyalin güneşle de etkileşime girerek suyun içindeki oksijen ve hidrojeni ayrıştırmasına verilen isim. Bitkilerin yaptığı fotosenteze benziyor açıkçası.

Amerikan Enerji Bakanlığı, ister elektroliz olsun ister fotokataliz, bu yöntemlerin ekonomik anlamda verimli olabilmesi için en azından yüzde 5 verimlilik yaratması gerektiğini hesaplamış. Yani verdiğiniz enerjiden en az yüzde 5 daha fazlasını elde etmelisiniz. İsrailli bir araştırma grubu, geçen hafta Amerikan Kimya Derneği’nin sanal ortamda düzenlediği fuarda geliştirdiği yeni fotokataliz yöntemini tanıttı. Yöntem ciddi bir heyecana neden oldu çünkü enerji verimliliği yüzde 5’in üzerindeydi. Eğer laboratuvar ortamında çalışan sistemi ticarileştirmeyi de başarırlarsa, dünyanın çok önemli bir sorunu çözüm yoluna giriyor olabilir. Dünyamızın kurtuluşu biraz da hidrojen ekonomisinde yatıyor çünkü.

‘Kripto Haydut’ sanal paraları çalmanın en kolay yolunu bulmuş

Hiç kripto paranız oldu mu? Benim oldu. Yıllar önce bir alışveriş için Amerika’da birisine 1 Bitcoin’den az bir para göndermem gerekiyordu, mecburen bir ‘kripto cüzdanı’m oldu. Şimdi yıllar sonra aynı cüzdanı bu yazıyı yazmak için tecrübe olsun diye yeniden kullandım; bu sefer 1.36 Ethereum ...

Dünya sigarayı bıraktı ama akciğer kanseri yine de azalmadı

Korelasyon, birbirinden bağımsız iki farklı şeyin birlikte oluş sıklığına istatistik analizde verilen isim. Mesela otomobil kazalarının sayısındaki artışla -bir haftayı bulan, hatta geçen- dini veya milli bayram tatilleri arasında bir ilişki var. Tatil oluyor, insanlar arabalarına binip ...

Hayalet parçacık evrenin sırlarını saklıyor

Amerikalı yazar Paul Auster’in filmi de çekilen meşhur romanı ‘SmokeDuman’da şöyle bir kısa sahne vardır. New York Brooklyn’deki mahallenin bir nevi sosyal merkezi işlevini gören tütüncü dükkanında, dükkan sahibi ile müşterilerden biri, puronun dumanının ağırlığını nasıl hesaplayacakları ...