Schrödinger’in Kedisi Kuantum Fiziği

Erwin Schrödinger kimdir, 1933 yılında Kuantum mekaniğine olan katkıları ve Schrödinger Denkleminin kurucusu olması sebebiyle Nobel Ödülü kazandı.
Erwin Schrödinger, 12 Ağustos 1887‘de Avusturya, Viyana‘da Erdberg ilçesinde Rudolf ve Georgine Emilia Brenda Schrödinger’in tek çocuğu olarak doğmuştur. Tam adı Erwin Rudolf Josef Alexander Schrödinger’dır. Babası mumlu bez imalatçısı ve botanikçi olan bir zengin bir iş adamı olduğu için evde özel dersler alarak yetiştirildi. 1898 yılında (Kraliyet Akademik Lisesi)’nde okumaya başladı ve 1906 yılında mezun oldu. Aynı yıl Viyana Üniversitesi‘nin fizik bölümüne kabul edildi. 1906’dan 1910’a kadar Viyana Üniversitesi’nde okudu.

Kuantum mekaniği, hiç şüphesiz insanlığın en büyük keşfidir. Çıkışından sonra öyle tartışmalara sebebiyet vermiştir ki, kuantum mekaniğinin temel dalga denklemini yazan Erwin Schrödinger de sonraki yorumları kabullenemeyenler arasındadır. Schrödinger, sonuçta kuramdan (gelişmesine katkıda bulunduğuna pişman olduğunu söyleyecek kadar) soğudu. Bundan sonra o da Albert Einstein gibi kuramın “mantıksızlığını” çarpıcı biçimde ortaya koyacak örnekler aramaya koyuldu. 1935’te ortaya koyduğu “Schrödinger’in Kedisi” adı ile anılan düşünce deneyi bunların en ünlüsüdür. Aynı yıl Einstein, Podolski ve Rosen, EPR Deneyi adıyla bir düşünsel deneyle kuantum kuramının aldığı biçimi eleştirmeye çalıştılar. Ama zaman, Einstein’i değil, kuantum kuramını haklı çıkardı. Şimdi Schrödinger’in düşünce deneyini görelim:
Sağlıklı bir kediyi hava alabilen bir kutu içine koyalım. Kutuda zehirli bir gaz şişesi bulunsun ve bu gazın şişeden salınmasını sağlayacak mekanizma, bozunma yarı ömrü 1 saat olan bir radyoaktif parçacık ile kontrol edilsin. Bu mikroskobik parçacığın davranışını ancak kuantum mekaniği ile ifade edebiliriz, fakat şimdi makroskobik bir sistem olan kedinin kaderi de artık parçacığın davranışına bağlanmış oluyor. Schrödinger’in iddiasına göre 1 saat sonunda kedinin canlı ve ölü olma olasılıkları eşit. Dalga fonksiyonunun anlamı ‘ya bozunma oldu ve kedi öldü ya da olmadı ve kedi hayatta’ gibi uç iki olasılığı anlatmaktan ibaret değil. Schrödinger’in analizi doğru ise kuantum kuramı, (birisi bakıp durumu bu iki seçenekten birine indirgeyene kadar) kedinin iki durumunun yan yana bulunduğunu söylüyor. Yarı ölü-yarı diri. Schrödinger, bu kadar mantığa zıt bir kuramın düzeltilmeye muhtaç olduğu sonucuna varıyor. Buna karşılık birçok fizikçi (Hawking, Gell-Mann ve başkaları) bu problemin yapay olduğu görüşündeler.

Kuantum mekaniğinin getirdiği belki de en önemli yenilik, tamamen aynı şekilde hazırlanan özdeş sistemlerde yapılan yine özdeş ölçümlerin farklı sonuçlar verebilmesiydi. Gerçi kuantum mekaniği bu sonuçların gözlenme olasılıklarını tam bir kesinlikle veriyordu ama ölçüm öncesi için tahminde bulunmak, yıllar sonra John Bell’in de göstereceği gibi, düşünsel olarak dahi, mümkün değildi. Radyoaktif bir atom tarafından tetiklenen zehirli bir maddeyle aynı kutuya kapatılan kedi deneyi de buna bir örnekti. Deneyde, belirlenmiş bir sürede radyoaktif atomun bozunma olasılığı %50, atom bozunursa zehir açığa çıkıyor ve kedi ölüyor. Atomun bozunmadan (kedinin de canlı) kalmasıyla, atomun bozunup zehiri açığa çıkararak kedinin ölümüne yol açması durumları, kuantum mekaniğine göre bir gözlemci kutuyu açıp kedinin ne halde olduğuna bakmadan ayırt edilemezdi. Eğer atom, kuantum mekaniği yasalarına uygun şekilde bozunma öncesi ve sonrası hallerinin üst üste binmesiyle tasvir ediliyorsa aynı şey kedi içinde geçerli olmalı yani kutu açılıncaya kadar kedi hem ölü hem de canlı olmalıydı.
Farklı kuantum mekaniği yorumlamalarının amaçlarından biri de bu tür makroskopik hallerin ortaya çıkaracağı paradokslardan kaçınmaktı. En yaygın düşüncelerden biri, büyük sistemlerin çevreden yeterince yalıtılamayacağı ve bu nedenle kuantum özelliğinin (üst üste binme durumunun) kontrolsüz bir şekilde ortadan kalkacağı şeklindeydi. Fakat, aradan geçen zaman, giderek artan büyüklükteki sistemlerin de ancak kuantum kuramıyla izah edilebilen özellikler sergileyebildiğini gösterdi. Bir kedinin canlı ve ölü halleri iyi tanımlanmış durumlar olmayabilir ama yeterince büyük sistemlerin büyük ölçekte ayrılabilen hallerinin üst üste bindiği durumları artık gözleyebiliyoruz.
Kimi iletkenlerin çok düşük sıcaklıklarda (cıva için yaklaşık eksi 270 santigrat) dirençlerinin kaybolduğu 1911’de gözlenmişti. Süperiletkenlik adı verilen bu davranışın ancak kuantum mekaniğiyle izah edilebileceğinin anlaşılması için neredeyse yarım asır beklemek gerekti. Süperiletken kuantum girişim aygıtları (SQUID) çok duyarlı birer algılayıcı oldukları gibi günümüzde kuantum bilgisayarlarının temel yapı taşları olarak da kullanılıyor. SQUID’lerin bir diğer önemli katkısı, Schrödinger’in kedisi kadar büyük olmasa da, büyük ölçekte kuantum özelliklerini gözlediğimiz ilk sistemler olmalarıdır. Süperiletken bir halka üzerinde ters yöndeki iki akımın üst üste bindiği hallerin ölçülmesi, giderek daha büyük sistemlerde benzer özellikler gözlenebileceğinin ilk işaretleriydi. Akımın saat yönünde ve saatin tersi yönde aktığı durumların yaklaşık bir milyar elektronu ilgilendirdiğini düşününce SQUID deneylerinin önemi daha iyi anlaşılıyor.

Kuantum mekaniğinin çarpıcılığını en açık şekilde ortaya koyan deneylerden biri çift yarıkta girişim olayıdır. Gelişen laboratuvar teknikleri sayesinde sadece ışık tanecikleri fotonların değil tek tek gönderilen elektronların, atomların ve moleküllerin de üzerinde iki yarık olan bir plakayı geçerek tıpkı dalgalar gibi bir girişim deseni oluşturduklarını görmek mümkün oldu. Altmış karbon atomundan oluşan moleküller bunların en ilgi çekenlerindendi. Karbon atomları tıpkı futbol topunda olduğu gibi kimyasal bağları yirmi altıgen ve on iki beşgen oluşturan ve köşelerinde karbon atomlarının oturduğu altmış atomluk moleküller halinde bir araya gelebilirler. Yaklaşık bir nanometre çapındaki bu topların tek tek gönderildiği çift yarık sistemlerinde girişim gözlenmesi yani oldukça büyük olan bu moleküllerin hareketinin dalga özellikleri sergilemesi kuantum mekaniğinin bu ölçekte de belirleyici olduğunu gösteriyor. Yalnız bu deneylerde, tek tek atomların değil, moleküllerin kütle merkezlerin hareketlerinin gözlendiğine dikkat etmeliyiz. Gravitasyonel dalgaların tespiti için tasarlanan deneylerden birinde, onlarca kilogramlık bir bloğun kütle merkezinin kuantum mekaniksel özellikler gösterdiği, harmonik osilatör adı verilen sistem gibi davrandığı, iddialarını da yabana atmamak gerekiyor. Yeterince yalıtılmış yapıların, daha doğru bir deyişle serbestlik derecelerinin (örneğin kütle merkezi hareketinin) kuantum özellikleri sergilemesini önünde bir engel gözükmüyor.
Evrensel çekim yasası için, Descartes’a öykünerek “düşüyorum, öyleyse varım” demek yanlış olmasa gerek. Kaçınılmaz olarak tüm parçacıkları etkileyen bu kuvveti kuantum mekaniğiyle nasıl bağdaştıracağımızı bulduğumuzda, büyük ölçekli sistemlerin kuantum özelliklerini çok daha iyi anlayacağımızı umuyoruz.
Schrödinger’in kedisi, dolaşıklık (entanglement) adı verilen çok çarpıcı, Schrödinger’e göre en çarpıcı, kuantum davranışlarından birine de örnek teşkil ediyor. Kedi ve atom çekirdeği arasındaki bu ilintinin çok derin sorunlara yol açabileceğini ilk görenler de Albert Einstein, Boris Podolsky ve Nathan Rosen oldular.

KUANTUM BELİRSİZLİK VE SÜPERPOZİSYON
Öncelikle Erwin Schrödinger’in hiçbir şekilde kedilere garezi yoktu. Schrödinger Kedisi deneyi ile sadece atomaltı kuantum dünyasına özgü garipliklerin, gözle görülebilir kadar büyük olan gerçek dünyada geçerli olmadığını ve insanların dünyasını etkilemediğini göstermek istiyordu.
Schrödinger Kedisi düşünce deneyini de bunun saçma olduğunu göstermek için tasarladı ve hayır, deneyde kesinlikle gerçek kedi kullanmadı. Kuantum dünyasının garip özellikleri derken de belirsizlik, süperpozisyon ve dolanıklığı kast ediyoruz. İlk ikisini özetledik. Kuantum ışınlama, kuantum internet ve kuantum bilgisayarlarda kullanılan üçüncüsüne gelince:
İki fotonu veya elektronu alıp dolanıklığa sokar ve birinin kuantum durumunu değiştirirseniz diğerinin kuantum durumu da anında değişecektir. Örneğin, dolanık elektron çiftindeki eşlerden biri sağa dönüyorsa diğeri anında sola dönmeye başlayacaktır.
Hatta elektronlardan birini 3,8 milyar ışık yılı uzaktaki başka bir galaksiye taşısanız bile, biri sola dönerken diğeri sağa dönecektir. Yeter ki dolanık olsunlar. Nitekim kuantum bilgisayarlar belirsizlik ilkesinden türeyen süperpozisyon özelliği ve dolanıklık ile çalışıyor. Bizim de kuantum bilgisayarlarda hata düzeltme yaparak düzgün çalışmalarını sağlamak için bu özellikleri doğru kullanmamız gerekiyor.