Kuantum dünyası neden tam olarak bu kadar garip?

Kuantum alemini basit matematik kullanarak tanımlayabiliriz – ancak bu fikirleri gerçek dünyaya çevirmeye çalıştığımızda işler garipleşir. Kuantum köşe yazarı Karmamsela Padavic-Callaghan nedenini açıklıyor

Aşağıda, Lost In Space-Time Bültenimizden bir alıntıdır. Her ay, evrenin köşesinden büyüleyici fikirler hakkında bilgi vermek için klavyeyi bir fizikçiye veya matematikçiye teslim ediyoruz. Uzay zamanında Kayıp için kaydolabilirsiniz.

Üniversiteye girmeden önce, kuantum fiziğinin, aynı anda iki yerde var olan parçacıklarla dolu en gizemli fizik türü olduğunu öğrendim, aslında sallanmayan dalgalar ve davranışı evrenimizin diğer tarafında olan şeylere bağlı olabilecek nesneler. Huşu içindeydim – üniversitemin fizik bölümünde bir akşam yemeği beni caydırana kadar. Pizza üzerinden, kuantum optik uzmanında bir uzmana çalışmaları hakkında sordum. “Hepsi sadece doğrusal cebir,” dediler.

Gizemi ne kadar hızla çıkardıklarından şok oldum. Ancak matematiği ve araştırmacıların deneylerde gördükleri karşılaştırma söz konusu olduğunda, kuantum fizik gülünç derecede iyi bir şekilde yığıldığı doğrudur. Bu anlamda, en başarılı – en başarılı olmasa da bilimsel teorilerden biridir. Söz konusu, mantıksız, zihin büken kuantum tuhaflığını “sadece” bir tür cebir türü kadar basit bir şeye kaynatma konusunda yanlış bir şey yoktur. Öyleyse neden tuhaf olduğu için itibarından kaçamıyor?

Cevap, kuantum mekaniğinin dünya deneyimimizle hizalanma biçiminde yatmaktadır. Çoğu zaman, kuantum matematik alanını terk eder etmez, neredeyse akıl almaz hale gelir. Benim için, kuantum fiziğinin gerçek tuhaflığı ve çekiciliğinin çoğu, dünyayı anlamak için icat ettiğimiz araçların sadece şimdiye kadar gitme olasılığı ile bizi nasıl karşıladığı konusunda yatıyor. Ayrıca gerçekten bir kuantum sezgisi geliştirip geliştiremeyeceğimi merak ediyor.

Her fizik teorisi kendi matematik türlerini kullanır. Aşağı doğru kaymayı önlemek için bir bisiklete ne kadar hızlı pedal çevirmeniz gerektiğini tahmin etmeye yardımcı olabilecek Isaac Newton yasalarını alın – bunlar sadece bir dizi diferansiyel denklemdir. Başka bir örnek, teorisi üç boyutlu hesapla ifade edilen elektromanyetizmdir. Bununla birlikte, en önemlisi, kendinizi bir tepeden aşağı yuvarlamaktan alıkoymak için fonksiyon türevlerini alma konusunda uzmanlığa ihtiyacınız yoktur, ne de bir vektör ürününün buzdolabınıza bir mıknatıs yapıştırmak için ne olduğunu bilmeniz gerekmez. Deneyiminiz ve vücudunuzun refleksleri gereken tek şeydir. Matematik öğrenmek sadece açıklıyor.

Kuantum fiziği de kendi matematik köşesini iddia etti, ancak bunu teoriyi anlamak için nasıl kullandığımız çok daha az basit. Sezgimizin “imkansız” dediği bazı durumlarda, matematik aksini kanıtlar.

Kuantum teorisi, Werner Heisenberg, Erwin Schrödinger ve Max Born gibi en tanınmış kurucularından bazıları tarafından matrisler, dalga denklemleri ve olasılığı ile çalışmıştır. Hatta sayfadaki matematikten deneyimlediğimiz fiziksel dünyaya sıçradılar bile alışılmadık derecede zor olurdu. Müdahale onlarca yıl, bu zorluğun fizik uygulamasının gerçekliği tam olarak yakalayamayacağını sorgulayacak kadar büyük olduğunu kanıtladı.

Schrödinger, 1935’te “Gerçeklik bir model aracılığıyla taklit direniyor,” diye yazdı ve fizikçilerin dönemin öncü kuantum deneylerini anlamasındaki boşlukları yaktı. Heisenberg, 1958 kitabında müzakere eden gerçeklik ve matematik arasındaki ilişki konusunda daha da rahatsız oldu Fizik ve Felsefe: Modern Bilimde Devrim Matematik tarafından tanımlanamayan fenomenlerin bile ortaya çıkabileceği hakkında.

Genellikle en tuhaf olarak görülen kuantum davranışlarından birini ele alalım: parçacıklar, ne tam olarak ne de orada değil, devletlerin bir üst üste binmesinde var olabilir. Bu, ünlü çift katlı deneyin önemli bir parçasıdır. Burada, elektron veya başka bir atom altı parçacık gibi bir kuantum nesnesi, iki dar yarık kesilmiş bir bariyere doğru gider. Bariyerin arkasında, parçacığın bir yarıktan geçtiğinde bir iz bırakacağı bir ekran var.

Diyelim ki partikülleri her seferinde bariyere doğru çektiğinizi varsayalım. Bunu yüz kez yaptıktan sonra, ekranda yarıklardan birinin arkasında büyük bir işaret ve diğerinin hemen arkasında başka bir büyük işaret bulmayı bekleyebilirsiniz, ancak aralarında parçacıkların yollarının engellendiği iz yok. Bu mükemmel makul bir varsayım – sezgisel, hatta – ama yanılıyorsunuz.

Bunun yerine, ekrana yayılmış bir desen görürsünüz, parçacıkların her yarıktan hemen arkasından daha fazla yere gittiğini düşündürür.

Kuantum teorisi, bunun nasıl gerçekleştiğine dair bir açıklamaya sahiptir. Her şey bir artı işaretine bağlı.

Bu hesaplamayı üniversitedeki ilk kuantum fizik kursumda öğrendim. İlk olarak, “parçacık sol yarıktan geçer” ve “parçacık sağ yarıktan geçer” anlamına gelen bir işlev yazıyorsunuz. Sonra, küçük bir sihirbazın yetenekleriyle, aralarında bir artı işareti koyarsınız. Daha sonra, bu tür işlevlerle nasıl başa çıkılacağı, dalga fonksiyonları adı verilen mükemmel matematiksel kurallara uyuyorsunuz ve ekranda görünen deseni – karşı, ama doğru bir şekilde – tahmin ediyor.

Bu noktada, tam olarak ne hesapladığınızı anlama umuduyla bir ders kitabına ulaşabilirsiniz. Bu artı işareti yazdığınızda, parçacığın sol yarıktan mı yoksa doğru olandan mı geçip geçmediğini söylemenin imkansız olduğu “süperpozisyon durumu” olarak adlandırılan özel bir toplam oluşturduğunuzu söyleyecektir. Bazen, bu iddia daha radikal bir şekilde yorumlanır, artı işaretini ortaya koymak, parçacığın her iki yarıktan eşzamanlı olarak hareket ettiği anlamına gelir. Bu, bir matematiksel sembol için çok fazla güç ve şimdiye kadar hiç kimse parçacığın bu büyülü eylemi yürütmesini doğrudan izleyemedi.

Eğer müdahale etmeyi düşünürseniz daha iyi olmaz. Çift Slit Deneme’de, bir parçacığın ne zaman kesin olarak geçtiğini veya geçmediğini daha doğrudan görmek için yarıklardan birinin yanına bir dedektör eklerseniz, ekrandaki desen değişir.

Bazı kuantum fenomenleri hala daha garip. Dolaşma, biri için. Matematik, bu fenomenin bir parçacığın kuantum özelliklerini geniş mesafelerde diğerine ışınlamak için kullanılabileceğini öne sürüyor – ve son birkaç on yılda kanıt gördük. Bunu gösteren birkaç deney o kadar iyi çalışıyor ki, bunları yepyeni bir iletişim sisteminin temeli olarak kullanmaya yönelik çabalar var. Bu kuantum teorisinin bir zaferidir: en mantıksız tahminleri bile deneysel incelemeye ve kanıtlanmış yararlıdır.

Yine de, bu rahatsız edici bir zafer, çünkü kuantum teorisini yorumlamanın en iyi yolu konusunda hala bir fikir birliği yok ve her durumda kuantum nesnelerine her zaman tam olarak ne olduğunu kesin olarak söylemek. Kuantum teorisi bana bu artı işaretin aslında sezgi ve deneyimime tamamen yabancı olmayan bir şekilde ne anlama geldiğini söyleyebilecek mi? Bu soru üzerinde bir öğrenci olarak yaptığımdan daha az uykuyu kaybediyorum, ancak matematik yapabilmek ve gerçekliği deneyimlemek arasındaki gerilim hala kafamda kirasız yaşıyor.

Heisenberg, bu boşluğun bilimi yapmanın ne anlama geldiğini kavramsallaştırma şeklimizden kaynaklandığını, kendimizi dünyanın geri kalanından ayırdığımız ve ona mükemmel anlaşılabilir ve bağımsız bir nesne olarak ele aldığımız idealize bir görüşten kaynaklandığını savundu. Dünyayı daha küçük ve daha küçük bitlere ayırabilirsek, her şeyi tam olarak anlayabileceğimizi düşünebilirsiniz. Kuantum fiziği bizi defalarca gerçekten bu kadar basit olup olmayacağını sormaya teşvik ediyor.

Kuantum fiziğini bu kadar sarhoş edici yapan şey budur. Uzun zamandır bir parçacığın aynı anda iki yerde olma olasılığı hakkında üzüldüm. Ama başka hiçbir teori ya da bilim dalı beni – ya da herhangi birinin – “sadece doğrusal cebir” ötesinde fiziksel gerçekliği anlayabilip anlayamayacağım ve kemiklerimin derinliklerinde tam olarak bilmeyeceğim konusunda çok fazla endişelenmedi. Bunu başardıysanız, lütfen bana doğrusal cebirin nasıl hissettiğini söylemek için yazın.