Einstein yanılmış mı oluyor?

2020 yılı Nobel Fizik Ödülü "kara delikler"i, 2021 ise" iklim değişikliği"ni merkeze almıştı. Bu yıl ödülün odak noktasında " kuantum dolanıklık" yer aldı.

Nobel Komitesi tarafından yapılan açıklamada ödül, "dolanık fotonlarla deneyler, Bell eşitsizliklerinin ihlalini tespit etme ve kuantum bilgi bilimine öncülük etme" alanındaki çalışmalar için verildi.

Üç bilim insanı, Alain Aspect, John F Clauser ve Anton Zeilinger, Einstein'ın "uzaktan ürkütücü eylem" olarak nitelendirdiği kuantum etkisi üzerine yaptıkları çalışmalarıyla Nobel Fizik Ödülü'nün sahibi oldular.

Bu bilim insanları için;"iki dolanık parçacığın ayrıldıklarında bile tek bir bütün gibi davrandığı dolanıklık durumlarını kullanarak çığır açan deneyler yaptılar. Onların sonuçları, kuantum bilgiye dayalı yeni teknolojilerin yolunu açtı", deniyor.

Onlar için, ömürlerini bu çalışmalara adamışlardı demek daha doğru.

75 yaşındaki Alain Aspect, 79 yaşındaki John F Clauser ve 77 yaşındaki Anton Zeilinger ödülden eşit pay alacaklar.

Üçlünün ödül getiren çalışmaları, Albert Einstein tarafından "uzaktan ürkütücü eylem" olarak adlandırılan ve "kuantum dolanıklık" olarak bilinen bir kuantum etkisi üzerinedir. Araştırma sonuçlarının kuantum hesaplama, güvenli bilgi aktarımı ve algılama teknolojilerinin gelişmesinde önemli bir rol oynaması bekleniyor.

Uzaktan ürkütücü eylem

Kuantum öncüleri bir yüzyıl önce bizlere bambaşka bir dünyanın kapılarını açmışlardı. Ancak orada işler farklı kurallara tabiydi ve bu kurallara kuantum etkileri deniyordu. Anlaşılması oldukça zor olan bu etkiler bilim insanları arasında da kafa karışıklığı yarattı.

Kafa karıştırıcı bu kuantum etkilerinden biri de "kuantum dolanıklık" olgusuydu. Buna göre birbirine dolanık iki kuantum parçacığından birinin özellikleri, aralarında çok uzak mesafeler olsa bile, ikinci parçacığın özellikleri hakkında ve anında bilgi edinilmesini sağlıyordu.

Bunu hayal etmenin kolay bir yolu olarak biri beyaz, diğeri siyah iki toptan birinin sizde olduğunu, diğerinin de çok uzak bir konumda bulunduğunu düşünün. 

Eğer size verilen beyaz top ise, konumu ne olursa olsun diğer topun siyah olduğunu bilirsiniz. Ancak kuantum kurallarına göre topa bakmadan bu bilgiye sahip olamazsınız. Yani bakılana kadar her iki topun da rengi gridir. Bakılması ile birinin beyaz, diğerinin siyah olduğu anlaşılacaktır. Schrödinger'in kedisi paradoksunda olduğu gibi.

O dönemde, Einstein'e göre bu açıklama yeterli değildi.

Çünkü Einstein'ın "ürkütücü" olarak nitelendirdiği şey, birbirinden uzakta iki parçacığın aralarında herhangi bir fiziksel etkileşim (sinyal vs) olmaksızın birbiri ile iletişim içinde olmasıdır.

Bu bir anlamda "yerellik ilkesi"nin ihlali demektir. Dünyanın bir yerinde olan bir olayın, uzakta olanları anında etkileyemeyeceğini öne süren "yerellik ilkesi" temel bir varsayım olarak kabul görmektedir. Dolayısıyla Albert Einstein, "uzaktan ürkütücü eylem"e izin veren dolanıklık özelliğini oldukça şüpheli karşılamıştı.

Einstein, Boris Podolsky ve Nathan Rosen 1935 yılında bir makale yayınladılar ve bu makalede kuantum mekaniğinin öngördüğü ‘fiziksel gerçeklik' tanımının eksik olduğunu ileri sürdüler.

EPR (Einstein, Podolsky, Rosen ) paradoksu olarak bilinen bu öngörüyle iki dolanık parçacıktan biri üzerinde yapılan bir etkinin diğerini anında etkileyemeyeceğini savundular. Çünkü Görelilik Kuramı'na göre bilginin ışıktan daha hızlı iletilmesi mümkün olamazdı. Bu, ışık hızının ihlali demekti.

Parçacıkların özelliklerini belirleyen bazı" gizli bilgi" veya "gizli değişkenler" olmalıydı. Kuantum Kuramı bir şeyleri gözden kaçırıyor olabilir miydi?

Daha sonra ‘gerçekliğin EPR kriteri' olarak tanımladıkları bir ilke geliştirerek ikinci parçacığın ölçümden önce belirli bir konum ve momentum değerine sahip olması gerektiği sonucuna vardılar.

Ancak bu fikir, Niels Bohr ve Werner Heisenberg'in görüşlerine aykırıydı. Onların görüşüne göre, bir kuantum parçacığı, ölçüm gerçekleşene kadar momentum gibi bir özelliğin kesin bir değerine sahip olamazdı.

Bell eşitsizliği

Tartışmalar sürüp giderken 1960'larda İrlandalı fizikçi John Stewart Bell, kendi adıyla anılan matematiksel bir eşitsizlik geliştirdi. Bell eşitsizliği olarak adlandırılan bu yaklaşıma göre, eğer gizli değişkenler varsa, çok sayıda ölçümün sonuçları arasındaki korelasyon asla belirli bir değeri geçemezdi.

John Stewart Bell

Bu durumda, eğer yerellik ilkesi geçerliyse, kuantum dolanıklık deney sonuçlarının korelasyonu yüzde 67'den fazla olmamalıydı. 

Öte yandan kuantum mekaniği savunucuları ise bunun tersini ileri sürüyorlardı. Parçacıklar, çok uzak mesafelerde bile bir dolanıklık içinde olduğundan, yapılacak bir deneyin Bell eşitsizliğini ihlal edeceğini ve deneyin mümkün olandan daha güçlü bir korelasyonla sonuçlanacağını söylüyorlardı.

1970'lerden itibaren, araştırmacılar yaptıkları deneylerde kuantum dolanıklık içindeki parçacıkların güçlü bir korelasyon içinde (yüzde 67'den fazla) olduklarını doğruladılar.

Yani Bell eşitsizliği ihlal edilmiş oluyordu.

Dolanıklık: Teoriden teknolojiye

2022 Nobel ödülü alan fizikçiler, Einstein'ın yanıldığını ve kuantum mekaniği öncülerinin görüşlerinin kanıtlandığını gösterdiler.

2022 Nobel Fizik ödülü sahipleri: Anton Zeilinger, John Clauser ve Alain Aspect

John Clauser, kalsiyum atomları tarafından yayınlanan dolanık fotonları kullanarak bazı pratik deneyler tasarladı ve yaptığı bir seri ölçümlerde, Bell eşitsizliğinin açıkça ihlal edildiğini gösterdi.

Alain Aspect, John Clauser'ın deneyini geliştirdi. Ölçüm ayarlarını değiştirerek yaptığı deneylerin sonucu etkilemediğini ortaya koydu.

Anton Zeilinger, daha gelişmiş bir ekipman ve uzun deneyler dizisi kullanarak Bell eşitsizliğini test etti ve dolanık kuantum durumlarının, parçacıkların çok uzaklara taşınması ile bozulmadığını kanıtladı. 

Dolanık parçacıklardan birine bakarak, birbirlerinden çok uzakta olsalar bile, diğer parçacığa ne olacağı bilinebilecektir. Dahası, bir uzaysal iletim söz konusu olmadığından ışık ihlali de söz konusu değildir.

Dahası bu kanıtlar, Kuantum Kuramı'nın gizli değişkenler kullanan bir başka teori ile yer değiştiremeyeceği anlamına gelmektedir.

Sonuç olarak, bilim insanları kuantum öncülerinin görüşlerini kanıtlamış oldular.

Einstein yanılmıştı. 

Artık önümüzde kuantum bilgisayarları, kuantum ağları ve güvenli kuantum şifreli iletişimi içeren geniş bir araştırma alanı var.

Belki de, hayal bile edemeyeceğimiz bir başka teknolojik evreye doğru savruluyoruz!

Kaynakça

https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2022/summary/

https://www.washingtonpost.com/science/2022/10/04/nobel-prize-physics/