John Stewart Bell neden onlarca yıldır kuantum mekaniğine musallat oluyor

“Bell testi” 1960’larda kuantum dünyasında neler olup bittiğini ortaya çıkarmak için tasarlandı, ancak bugün alakalı olmaya devam ediyor, diyor Karmela Padavic-Callaghan

Bazı insanlar tavanlarında bir poltergeist olduğunu düşünüyor, bazıları karanlık gecelerde hayaletler gördüklerini söylüyor – John Stewart Bell’im var. Fizikçinin araştırması ve muazzam mirası yıllardır beni rahatsız ediyor.

Sanırım şaşırmamalıyım. Gerçek olarak deneyimlediğimiz şeyin aslında, nesnel olarak, açık bir şekilde gerçek olduğunu hiç düşündünüz mü? Mekanın ve zamanın doğası ve kuantum alemindeki karmaşık gidişler hakkında yazamadım ya da yazamadım. Bell de bu şeyleri düşünmeyi sevdi ve çalışmaları onları anladığımızı sonsuza dek değiştirdi.

1928’de Belfast’ta doğdu ve tüm hesaplarla son derece meraklı ve parlak bir çocuktu. 16 yaşındayken ilk konserini bir laboratuvar teknisyeni olarak inerek fizike erken kilitledi. Hem teorik hem de deneysel fizik konusunda eğitildi ve kariyerinin çoğunu parçacık hızlandırıcılar dünyasında inşa etti, burada o kadar karmaşık hesaplamalar üzerinde çalıştı ki, şimdi onları süper bilgisayarlara devre dışı bıraktı. Ancak Bell’i geceleri gerçekten ayakta tutan şey, kuantum teorisinin temellerinde görebileceği çatlaklardı.

Bugün, bu yerleşik bir fizik alanıdır ve uygulayıcılarının çoğu sayfalarında yer almıştır. Yeni bilim adamı – Çağdaş fizik, fizik, matematik ve felsefe sınırında oturan sorular soranlara düşmanca değildir. Bununla birlikte, Bell bir araştırmacı olarak ortaya çıktığında, fizikçiler hala Quantum Teorisi’nin ilk büyük dalgası – Niels Bohr ve Albert Einstein gibi insanlar – tartışmalar tarafından ele geçirildi ve ya onları yerleşti ya da geriye kalanların fizikten ziyade bir felsefe meselesi olduğunu düşündüler.

Yani, Bell sadece saatler sonra, neredeyse bir hobi olarak çalıştı. Bu, 1963’te, aynı zamanda başarılı bir fizikçi olan karısı, hızlandırıcı çalışmalarından bir sabbatikal aldıklarında ve Bell o zamanı hobisini bir çift seminal makaleye ayırmak için kullandıklarında değişti. Fanfare olmadan alınmış ve yıllarca büyük ölçüde göz ardı edilmelerine rağmen, önemleri abartılamaz.

Bell bu felsefi sorgulamanın bir çizgisini aldı ve bir laboratuvarda araştırılabilecek bir şeye dönüştürdü. Kuantum mekaniğinde “gizli değişkenler” fikrine odaklanmıştır.

1920’lerde ve 30’larda Bohr ve meslektaşları tarafından geliştirildiği gibi, Quantum Mechanics kesin ya da determinizm için bir dost değildir. Kötü bir şekilde, onunla etkileşime girene kadar kuantum nesnesi hakkında kesin olan çok az şey söyleyebilirsiniz. Ölçüm üzerine hangi özelliklere sahip olabileceğini tahmin edebilirsiniz, ancak sadece olasılıkla. Örneğin, bir elektronun ölçtüğünüzde belirli bir miktarda enerjiye sahip olma şansının yüzde 98 ve başka bir enerjiye sahip olma şansına sahip olduğunu, ancak hangisinin tamamen rastgele olduğunu bilebilirsiniz.

Doğa size rastgele hizmet vereceğine nasıl karar verir? Bir açıklama, aslında burada oyunda rastgele olmadığı, ancak bazı özelliklerin – bazı değişkenlerin – araştırmacılardan gizlendiğidir. Bu gizli değişkenlerin ne olduğunu tespit edebilseydi, fizikçiler kuantum teorisine mutlak öngörülebilirlik getirebilirler.

Bell, kuantum teorisini değiştirmek veya en azından değiştirmek için rekabetten büyük bir gizli değişken teoriler alanını ortadan kaldıracak bir test tasarladı. Bu test, tipik olarak Alice ve Bob takma adlı iki deneyciyi gerektirir. Dolaşmış parçacık çiftleri tekrar tekrar üretilir, daha sonra her çiftte bir parçacık Alice’e gönderilirken, ortak parçacığı uzak bir laboratuvarda Bob’a gider. Parçacıklarını aldıktan sonra, Alice ve Bob, bağımsız olarak belirli bir özelliği ölçmeyi seçerler. Örneğin, Alice parçacığının dönüşünü ölçebilir.

Aynı zamanda, Bob aynı zamanda ölçümler yapıyor ve bunları nasıl yapacağını seçiyor, ancak Alice ve Bob deney sırasında iletişim kurmuyor. Sonunda, ilgili verilerini Bell’in 1964’te elde ettiği bir denkleme takıyorlar. Bu “eşitsizlik” denklemi, Alice’in ve Bob’un ölçümleri arasındaki korelasyonlar için verileri test ediyor. Kuantum etkileri olmasa bile, bazı korelasyonlar tesadüfen ortaya çıkabilir. Ancak Bell, başka bir şeyin devam ettiğini gösteren bir korelasyon seviyesi belirledi: parçacıklar sadece kuantum fiziğinde var olacak şekilde ilişkilidir ve yerel gizli değişkenler varsa var olamaz.

Bu şekilde, Bell’in testi, kuantum teorisini gerçekliğimizin bu deterministik, gizli değişken teorilerden daha iyi bir açıklaması olarak teşhis etmekten daha fazlasını yapar-aynı zamanda gerçekliğimizin tuhaf bir özelliği gibi görünen bir şey olarak “yerellik dışı” nın garip özelliğini de sıfırlar. Yerellik dışı, kuantum nesnelerinin bir bağlantıyı koruyabileceği ve davranışlarının ne kadar uzak olduklarına bakılmaksızın ayrılmaz bir şekilde ilişkili kalabileceği anlamına gelir. Einstein bunun büyük bir eleştirmeniydi, kısmen, özel görelilik teorisi tarafından kesinlikle yasak olan nesneler arasındaki anlık iletişime rahatsız edici bir şekilde yakındı.

Bell, Einstein’ın bir acolyte biriydi, ama fiziksel gerçekliğin kaprisleri onu nihayetinde idolünün yanlış olduğunu kanıtlamasına yol açtı. Onun testi, özellikle kuantum teorisi ile Einstein tarafından geliştirilen en iyi yerçekimi anlayışımız arasında görünüşte kırılamaz bir uçurum söz konusu olduğunda, araştırmacıların bugün hala güreştikleri, dünyamızın kuantum olmasına doğru sağlam bir parmağını işaret etti.

Bell’in aslında testinin deneysel uygulamaları üzerinde çalıştığından bahsedemedim ve uzun zamandır teknolojik olarak zor olduğu kanıtlandı. Bu tür ilk deney 1972’de tamamlanırken, 2015’e kadar, son çiviyi yerel gizli değişken teorilerin tabutuna koymak için mümkün olduğunca titiz bir şekilde-boşluklardan arınmış bir test için aldı. 2022’de fizikçiler Alain Oryası, John F. Clauser ve Anton Zeilinger, bu deneyler üzerindeki onlarca yıllık çalışmalarından dolayı Nobel Fizik Ödülü’ne layık görüldü.

Öyleyse neden hala John Stewart Bell’i döndüğüm yerde görüyorum? Bazı kuantum lanetine maruz kaldım mı?

Kısa cevap, çalışmasının ve onu test eden tüm deneylerin, kuantum fiziği ve cevap vermeye başladıkları gibi fiziksel gerçekliğin doğası hakkında neredeyse çok fazla soru açmasıdır. Örneğin, birçok fizikçi dünyamızın basitçe yerel olmadığı konusunda hemfikir olsa da, bazıları hala hangi fiziksel mekanizmanın yerellik dışı olduğunu tam olarak anlamaya çalışıyor. Diğerleri, Bell’in testi ile stysifed edilemeyen yeni gizli değişken teoriler geliştirmeye çalışıyorlar. Yine de diğerleri, Bell’in 1960’lardan itibaren gazetelerinde yaptığı tüm matematiksel varsayımları özenle çözüyor. Hepsi, Bell’in çalışmalarında yeni bir açı bulmanın veya içinde göz ardı edilen bazı karmaşıklıkların, kuantum teorisinin yorumlarını mevcut durumunun ötesine itmek ve hatta belki de her şeyin zor bir teorisini oluşturmak için bir iskelet anahtarı olabileceğine inanıyor gibi görünüyor.

Bell’in çalışmalarından gelen dalgalanma etkileri kuantum fiziğinde her yerde. Aslında, son 50 yılda çan testleri yapmaya çalışarak parçacıkları dolaşmada daha iyi olduk. Ama bu sadece başlangıç. Birkaç hafta önce, Bell’in özgür iradenin kısmi olup olmadığı, yani seçim özgürlüğümüzün bazı durumlarda kozmik olarak kısıtlanıp kısıtlanamayacağı için kuantum testleri tasarlamak için bir yoldan yararlanmanın bir yolunu bulan fizikçilerle çok zaman harcadım. Sonra, muhtemelen yerçekimi ve uzay ve zamanın doğasını tartışmak için farklı bir araştırmacı ekibiyle telefona girdim, ancak yine de Bell hakkında konuştum. Bu fizikçiler yaklaşımından ilham aldı ve kuantum olanlardan ziyade gerçekliğin yerçekimi özellikleri için ona benzer bir test tasarlamak istiyorlardı.

Bence bu da Bell’den kaçamadığımın bir parçası – felsefi meseleleri somut gerçeklik testlerine dönüştürme yeteneği, fiziğin özündeki cazibeyi yansıtıyor. Fizik vaadi, deneyler yoluyla dünyanın en kafa karıştırıcı gizemlerinde parçalanmamıza yardımcı olabilmesidir ve Bell’in testi, bu vaatin inanılmaz zarif bir düzenlemesidir.

Bir şey tarafından perili olmak zorunda kalırsam, dürüstçe daha iyi bir hayalet isteyemedim.