Dolaşık ışıkla yapılan zarif deneyler, gerçekliğin kalbindeki derin bir gizemi ortaya çıkardı!
Son yarım yüzyıldaki en rahatsız edici keşiflerden biri, evrenin yerel olarak gerçek olmadığıdır. Bu bağlamda "gerçek", nesnelerin gözlemden bağımsız olarak belirli özelliklere sahip olduğu anlamına gelir - kimse bakmasa bile bir elma kırmızı olabilir. "Yerel" ise nesnelerin yalnızca çevrelerinden etkilenebileceği ve herhangi bir etkinin ışıktan daha hızlı hareket edemeyeceği anlamına gelir. Kuantum fiziğinin sınırlarında yapılan araştırmalar bunların her ikisinin de doğru olamayacağını ortaya koymuştur. Bunun yerine kanıtlar, nesnelerin yalnızca çevrelerinden etkilenmediklerini ve ölçümden önce belirli özelliklerden yoksun olabileceklerini göstermektedir.
Bu elbette günlük deneyimlerimize son derece aykırıdır. Albert Einstein'ın bir keresinde bir arkadaşına yakındığı gibi, "Bakmadığın zaman ayın orada olmadığına gerçekten inanıyor musun?" Yazar Douglas Adams'ın bir sözünü uyarlayacak olursak, yerel gerçekçiliğin ölümü pek çok insanı çok kızdırdı ve yaygın olarak kötü bir hamle olarak kabul edildi.
Bu başarının sorumluluğu artık doğrudan üç fizikçinin omuzlarına yüklenmiştir: John Clauser, Alain Aspect ve Anton Zeilinger. "Dolaşık fotonlarla yaptıkları deneyler, Bell eşitsizliklerinin ihlalini ortaya koymaları ve kuantum bilgi bilimine öncülük etmeleri" nedeniyle 2022 Nobel Fizik Ödülünü eşit olarak paylaştılar. ("Bell eşitsizlikleri" 1960'ların başında 2022 Fizik Nobel'inin temellerini atan Kuzey İrlandalı fizikçi John Stewart Bell'in öncü çalışmalarına atıfta bulunmaktadır). Meslektaşları, üçlünün bunu hak ettiği ve bildiğimiz gerçekliği alaşağı ettikleri için bu hesaplaşmayı hak ettikleri konusunda hemfikirdi. İngiltere'deki Bristol Üniversitesi'nde kuantum fizikçisi olan Sandu Popescu, "Çok gecikmiş bir ödüldü," diyor. "Hiç kuşkusuz, bu ödül fazlasıyla hak edildi."
IBM'de seçkin bir kuantum araştırmacısı olan Charles Bennett, "Clauser'in ilk deneyiyle başlayan ve devam eden deneyler, bu şeyin sadece felsefi olmadığını, gerçek olduğunu ve diğer gerçek şeyler gibi potansiyel olarak yararlı olduğunu gösteriyor" diyor. Massachusetts Teknoloji Enstitüsü'nde fizikçi ve tarihçi olan David Kaiser, "Her yıl, 'Belki de bu yıl o yıldır' diye düşünürdüm," diyor. "Bu yıl gerçekten öyleydi. Çok duygusal ve çok heyecan vericiydi."
Uç fikirlerden popülerliğe uzanan yolculuk uzun sürmüştür. Yaklaşık 1940'tan 1990'ın sonlarına kadar, sözde kuantum temelleri üzerine yapılan çalışmalar genellikle en iyi ihtimalle felsefe, en kötü ihtimalle de çılgınlık olarak değerlendirildi. Pek çok bilimsel dergi konuyla ilgili makaleleri yayınlamayı reddetti ve bu tür araştırmalara müsamaha gösteren akademik pozisyonlara gelmek neredeyse imkansızdı. 1985 yılında Popescu'nun danışmanı onu bu konuda doktora yapmaması konusunda uyardı. Popescu, "Bak, eğer bunu yaparsan beş yıl boyunca eğlenirsin, sonra işsiz kalırsın," dedi.
Bugün kuantum bilgi bilimi, tüm fizikteki en canlı alt alanlar arasında yer alıyor. Einstein'ın genel görelilik teorisini, kara deliklerin hala gizemli olan davranışları aracılığıyla kuantum mekaniğine bağlıyor. Depremlerden karanlık maddeye kadar her şeyi incelemek için giderek daha fazla kullanılan kuantum sensörlerinin tasarımını ve işlevini belirler. Ve modern malzeme bilimi için çok önemli olan ve kuantum hesaplamanın kalbinde yatan bir fenomen olan kuantum dolaşıklığın genellikle kafa karıştırıcı doğasını açıklığa kavuşturuyor. "Bir kuantum bilgisayarı 'kuantum' yapan nedir?" Ulusal Standartlar ve Teknoloji Enstitüsü fizikçilerinden Nicole Yunger Halpern retorik bir şekilde soruyor. "En popüler cevaplardan biri dolanıklıktır ve dolanıklığı anlamamızın ana nedeni Bell ve Nobel Ödülü kazanan bu kişilerin katıldığı büyük çalışmadır. Bu dolaşıklık anlayışı olmasaydı, muhtemelen kuantum bilgisayarları gerçekleştiremezdik."
ÇANLAR KİMİN IÇIN ÇALIYOR?
Kuantum mekaniğiyle ilgili sorun hiçbir zaman yanlış tahminlerde bulunması değildi - aslında teori, fizikçilerin 20. yüzyılın ilk on yıllarında tasarladıkları ilk andan itibaren mikroskobik dünyayı muhteşem bir şekilde tanımlıyordu. Einstein, Boris Podolsky ve Nathan Rosen'in 1935 tarihli ikonik makalelerinde açıkladıkları gibi, teorinin gerçeklik için rahatsız edici çıkarımlarıydı. Baş harfleri EPR olarak bilinen analizleri, kuantum mekaniğinin saçmalığını göstermeyi amaçlayan bir düşünce deneyine odaklanıyordu. Amaç, belirli koşullar altında teorinin nasıl kırılabileceğini ya da en azından gerçeklik hakkındaki en derin varsayımlarımızla çelişen saçma sonuçlar verebileceğini göstermekti.
EPR'nin basitleştirilmiş ve modernize edilmiş bir versiyonu şöyledir: Ortak bir kaynaktan farklı yönlere gönderilen parçacık çiftleri, her biri güneş sisteminin farklı uçlarında bulunan Alice ve Bob adlı iki gözlemciyi hedef alır. Kuantum mekaniği, ölçümden önce tek tek parçacıkların kuantum özelliği olan spini bilmenin imkansız olduğunu belirtir. Alice parçacıklarından birini ölçtüğünde, spininin ya "yukarı" ya da "aşağı" olduğunu bulur. Elde ettiği sonuçlar rastgeledir ve yine de yukarı ölçtüğünde, Bob'un rastgele, belirsiz bir spine sahip olan karşılık gelen parçacığının şimdi ne olması gerektiğini anında bilir. İlk bakışta bu o kadar da garip değil. Belki de parçacıklar bir çift çorap gibidir - Alice sağ çorabı aldıysa, Bob da sol çorabı almış olmalıdır.
Ancak kuantum mekaniği altında parçacıklar çorap gibi değildir ve ancak ölçüldüklerinde yukarı ya da aşağı bir dönüşe sahip olurlar. Bu, EPR'nin temel muammasıdır: Alice'in parçacıkları ölçüme kadar bir spinden yoksunsa, o zaman (Neptün'ü geçerken) Bob'un parçacıklarının güneş sisteminden diğer yönde uçarken ne yapacağını nasıl biliyorlar? Alice her ölçüm yaptığında, Bob yazı tura atarsa ne elde edeceğini parçacıklarına sorar: yukarı mı aşağı mı? Bunu arka arkaya 200 kez bile doğru tahmin etme olasılığı 1060'ta birdir; bu sayı güneş sistemindeki tüm atomlardan daha büyüktür. Yine de parçacık çiftlerini birbirinden ayıran milyarlarca kilometreye rağmen, kuantum mekaniği Alice'in parçacıklarının Bob'un parçacıklarına telepatik olarak bağlıymış gibi doğru tahminde bulunmaya devam edebileceğini söylüyor.
Kuantum mekaniğinin eksikliğini ortaya çıkarmak için tasarlanan EPR, sonunda teorinin en akıl almaz ilkelerini pekiştiren deneysel sonuçlara yol açtı. Kuantum mekaniğine göre doğa yerel olarak gerçek değildir: parçacıklar ölçümden önce spin yukarı veya spin aşağı gibi özelliklerden yoksun olabilirler ve mesafe ne olursa olsun birbirleriyle konuşuyor gibi görünürler. (Ölçümlerin sonuçları rastgele olduğu için, bu korelasyonlar ışıktan hızlı iletişim için kullanılamaz).
Kuantum mekaniğine şüpheyle yaklaşan fizikçiler bu bilmecenin gizli değişkenlerle, yani atom altı alemin altında, gerçekliğin algılanamayan bir seviyesinde var olan ve bir parçacığın gelecekteki durumu hakkında bilgi içeren faktörlerle açıklanabileceğini öne sürdüler. Gizli değişken teorilerinde, doğanın kuantum mekaniği tarafından reddedilen yerel gerçekçiliği geri kazanabileceğini umuyorlardı. Popescu, "Einstein, Podolsky ve Rosen'in argümanlarının o anda bir devrim yaratacağı ve herkesin gizli değişkenler üzerinde çalışmaya başlayacağı düşünülebilirdi," diyor.
Ancak Einstein'ın kuantum mekaniğine yönelik "saldırısı", kuantum mekaniğini olduğu gibi kabul eden fizikçiler arasında tutmadı. Bu, yerel olmayan gerçekliğin düşünceli bir şekilde kucaklanmasından ziyade çok fazla düşünmeme arzusuydu - daha sonra Amerikalı fizikçi N. David Mermin tarafından "sus ve hesapla" talebi olarak özetlenen kuma gömülmüş bir kafa. Bu ilgisizlik kısmen, saygın bir bilim adamı olan John von Neumann'ın 1932 yılında gizli değişken teorilerini dışlayan matematiksel bir kanıt yayınlamış olmasından kaynaklanıyordu. Von Neumann'ın ispatı, sadece üç yıl sonra genç bir kadın matematikçi olan Grete Hermann tarafından çürütüldü, ancak o zamanlar kimse bunu fark etmemiş gibiydi.
Yerel olmayan gerçekçilik sorunu, Bell tarafından paramparça edilmeden önce otuz yıl daha çürüyecekti. Bell kariyerinin başından beri kuantum ortodoksisinden rahatsızdı ve gizli değişken teorilerine sempati duyuyordu. İlham 1952'de Amerikalı fizikçi David Bohm'un kuantum mekaniğinin yerel olmayan gizli değişken yorumunu formüle ettiğini öğrendiğinde geldi - von Neumann'ın imkansız olduğunu iddia ettiği bir şey.
Bell, Cenevre yakınlarındaki CERN'de parçacık fizikçisi olarak çalıştığı işinin bir yan projesi olarak yıllarca bu fikirler üzerinde düşündü. 1964 yılında von Neumann'ın argümanında Hermann ile aynı kusurları yeniden keşfetti. Ve sonra, titiz düşüncenin bir zaferi olarak Bell, yerel gizli değişkenler sorununu metafizik bataklığından çıkarıp deneyin somut zeminine sürükleyen bir teorem geliştirdi.
Tipik olarak yerel gizli değişken teorileri ve kuantum mekaniği birbirinden ayırt edilemeyen deneysel sonuçlar öngörür. Bell'in fark ettiği şey, hassas koşullar altında ikisi arasında ampirik bir tutarsızlığın ortaya çıkabileceğidir. Kendi adını taşıyan Bell testinde (EPR düşünce deneyinin bir evrimi), Alice ve Bob aynı eşleştirilmiş parçacıkları alırlar, ancak şimdi her birinin iki farklı dedektör ayarı vardır - A ve a, B ve b. Bu dedektör ayarları Alice ve Bob'un görünür telepatisini bozmak için ek bir hiledir. Yerel gizli değişken teorilerinde, bir parçacık diğerinin hangi soruyu sorduğunu bilemez. Aralarındaki korelasyon gizlice önceden ayarlanmıştır ve güncellenen dedektör ayarlarına duyarlı değildir. Ancak kuantum mekaniğine göre, Alice ve Bob aynı ayarları kullandıklarında (her ikisi de büyük harf veya her ikisi de küçük harf), her parçacık diğerinin sorduğu sorunun farkındadır ve ikisi mükemmel bir şekilde korelasyon kuracaktır - hiçbir yerel teorinin açıklayamayacağı bir şekilde senkronize olacaktır. Tek kelimeyle, dolaşıktırlar.
Dolayısıyla korelasyonun birçok parçacık çifti için birden fazla kez ölçülmesi hangi teorinin doğru olduğunu kanıtlayabilirdi. Korelasyon Bell teoreminden türetilen bir limitin altında kalırsa, bu gizli değişkenlerin gerçek olduğunu gösterirdi; Bell'in limitini aşarsa, kuantum mekaniğinin akıllara durgunluk veren ilkeleri üstün gelirdi. Gelgelelim, gerçekliğin doğasını belirlemeye yardımcı olma potansiyeline rağmen, Bell'in teoremi yıllarca nispeten karanlık bir dergide fark edilmeden kaldı.
ÇANLAR SENİN İÇİN ÇALIYOR
1967'de Columbia Üniversitesi'nde John Clauser adında bir yüksek lisans öğrencisi tesadüfen Bell'in makalesinin bir kütüphane kopyasına rastladı ve gizli değişken teorilerinin doğruluğunu kanıtlama olasılığı karşısında büyülendi. Clauser iki yıl sonra Bell'e yazıp testi gerçekleştiren olup olmadığını sorduğunda, bu Bell'in aldığı ilk geri bildirimler arasındaydı.
Bundan üç yıl sonra, Bell'in teşvikiyle Clauser ve yüksek lisans öğrencisi Stuart Freedman ilk Bell testini gerçekleştirdiler. Clauser, amirlerinden izin almıştı ama fon bulmakta zorlanıyordu, bu yüzden daha sonra verdiği bir röportajda söylediği gibi, bazılarını Freedman'la birlikte bantladıkları ekipmanı güvence altına almak için "çöplüğe dalma" konusunda ustalaştı. Clauser'in düzeneğinde - elle dikkatli bir ayarlama gerektiren kayık büyüklüğünde bir cihaz - foton çiftleri, durumlarını veya polarizasyonlarını ölçebilen dedektörlere doğru zıt yönlere gönderiliyordu.
Ne yazık ki Clauser ve onun gizli değişkenlere olan tutkusu yüzünden, Freedman ile birlikte analizlerini tamamladıklarında, aleyhlerinde güçlü kanıtlar buldukları sonucuna varmak zorunda kaldılar. Yine de, deneyde gizli değişkenlerin etkisinin fark edilmeden geçmesine izin verebilecek çeşitli "boşluklar" nedeniyle sonuç pek kesin değildi. Bunlardan en endişe verici olanı yerellik boşluğuydu: foton kaynağı ya da dedektörler bir şekilde bilgi paylaşmış olsalardı (ki bu bir kayık büyüklüğündeki bir nesne içinde akla yatkındı), sonuçta ölçülen korelasyonlar yine de gizli değişkenlerden kaynaklanabilirdi. David Kaiser'in açıkladığı gibi, eğer Alice Bob'a dedektör ayarını söylemek için tweet atarsa, bu girişim gizli değişkenleri dışlamayı imkansız hale getirir.
Yerellik boşluğunu kapatmayı söylemek yapmaktan daha kolaydır. Fotonlar hareket halindeyken dedektör ayarının hızla değiştirilmesi gerekir - "hızla" derken sadece nanosaniyeler içinde. 1976'da genç bir Fransız optik uzmanı olan Alain Aspect, bu ultra hızlı değişimi yapmanın bir yolunu önerdi. Grubunun 1982'de yayınlanan deneysel sonuçları Clauser'in sonuçlarını destekledi: yerel gizli değişkenler pek olası görünmüyordu. Bell, Aspect'in testine yanıt olarak "Belki de Doğa kuantum mekaniği kadar tuhaf değildir" diye yazdı. "Ancak deneysel durum bu açıdan pek iç açıcı değil."
Ancak başka boşluklar da vardı ve Bell bunların kapanışına tanık olamadan 1990 yılında öldü. Aspect'in deneyi bile yerel etkileri tamamen dışlamamıştı, çünkü çok küçük bir mesafede gerçekleşmişti. Benzer şekilde, Clauser ve diğerlerinin de fark ettiği gibi, eğer Alice ve Bob parçacıkların temsili olmayan bir örneğini tespit ederse -sadece sağ elini kullanan insanlarla temas eden bir anket gibi- deneyleri yanlış sonuçlara ulaşabilirdi.
Hiç kimse bu boşlukları kapatmak için hırslı ve girişken bir Avusturyalı fizikçi olan Anton Zeilinger'den daha istekli davranmadı. 1997'de o ve ekibi Aspect'in daha önceki çalışmalarını geliştirerek, o zamana kadar görülmemiş bir mesafe olan yaklaşık yarım kilometre üzerinde bir Bell testi gerçekleştirdiler. Kayık büyüklüğündeki deneylerden gerçekliğin yerel olmayışını keşfetme dönemi sona ermişti. Nihayet 2013 yılında Zeilinger'in grubu bir sonraki mantıksal adımı atarak aynı anda birden fazla boşluğu ele aldı.
"Kuantum mekaniğinden önce aslında mühendislikle ilgileniyordum. Ellerimle bir şeyler inşa etmeyi seviyorum" diyor Zeilinger ile birlikte çalışan Google'da kuantum araştırmacısı olan Marissa Giustina. "Geriye dönüp baktığımda, boşluksuz bir Bell deneyi dev bir sistem mühendisliği projesidir." Birden fazla boşluğu kapatan bir deney yaratmanın gerekliliklerinden biri, fiber optik kablolara erişimi olan mükemmel düz, boş 60 metrelik bir tünel bulmaktı. Anlaşıldığı üzere, Viyana'daki Hofburg sarayının zindanı, yüzyıllık tozla kaplı olması dışında neredeyse ideal bir ortamdı. Bell'in 2015'te yayınlanan sonuçları, kuantum mekaniğini her zamanki gibi kusursuz bulan diğer iki grubun benzer testleriyle aynı zamana denk geldi.
BELL'İN TESTİ YILDIZLARA ULAŞIYOR
Kapatılması ya da en azından daraltılması gereken son bir büyük boşluk kalmıştır. Geçmişte ne kadar uzak olursa olsun, bileşenler arasındaki herhangi bir fiziksel bağlantı, ne kadar eskide kalmış olduğuna bakılmaksızın, bir Bell testinin sonuçlarının geçerliliğine müdahale etme olasılığına sahiptir. Alice bir uzay gemisiyle yola çıkmadan önce Bob'un elini sıkarsa, bir geçmişi paylaşmış olurlar. Yerel bir gizli değişken teorisinin bu boşluklardan yararlanması görünüşte mantıksızdır, ancak yine de mümkündü.
2016 yılında Kaiser ve Zeilinger'in de aralarında bulunduğu bir ekip kozmik bir Bell testi gerçekleştirdi. Kanarya Adaları'ndaki teleskopları kullanan araştırmacılar, dedektör ayarları için rastgele kararlarını gökyüzünde birbirinden yeterince uzak yıldızlardan aldılar; böylece birinden gelen ışık yüzlerce yıl boyunca diğerine ulaşamayacak ve ortak kozmik geçmişlerinde yüzyıllar süren bir boşluk oluşacaktı. Ancak o zaman bile kuantum mekaniği yine galip geldi.
Bell testlerinin önemini hem halka hem de şüpheci fizikçilere açıklamakta karşılaşılan başlıca zorluklardan biri, kuantum mekaniğinin doğruluğunun kaçınılmaz bir sonuç olduğu algısıdır. Ne de olsa araştırmacılar kuantum mekaniğinin pek çok önemli yönünü milyarda 10 parçadan daha büyük bir hassasiyetle ölçmüşlerdir. Giustina, "Aslında bunun üzerinde çalışmak istemedim," diyor. "Hadi ama, bu eski fizik. Hepimiz ne olacağını biliyoruz' diye düşündüm." Ancak kuantum mekaniğinin doğruluğu yerel gizli değişkenler olasılığını dışlayamazdı; bunu yalnızca Bell testleri yapabilirdi.
"Bu Nobel sahiplerinin her birini konuya çeken ve John Bell'in kendisini de konuya çeken şey aslında [şu soruydu], 'Dünya bu şekilde işleyebilir mi?" diyor Kaiser. "Ve bunu gerçekten güvenle nasıl bilebiliriz?" Bell testlerinin fizikçilere sağladığı şey, insan merkezli estetik yargıların önyargısını denklemden çıkarmaktır. İnsan bilişinin, ürkütücü bir şekilde açıklanamayan dolanıklık olasılığı karşısında geri çekilen ya da gizli değişken teorileriyle bir toplu iğnenin başında kaç meleğin dans edebileceğine dair tartışmalar olarak alay eden kısımlarını çalışmalarından arındırıyorlar.
Bu ödül Clauser, Aspect ve Zeilinger'i onurlandırmakla birlikte, kuantum mekaniğine ilişkin yüzeysel açıklamalarla tatmin olmayan ve popüler olmadığı zamanlarda bile sorularını soran tüm araştırmacıların bir kanıtıdır. "Bell testleri," diye bitiriyor Giustina, "gerçekliğe bakmanın çok yararlı bir yoludur."
Daniel Garisto tarafından kaleme alınan, scientificamerican.com adlı sitede 6 Ekim 2022 tarihinde yayınlanan makalenin çevirisidir:
https://www.scientificamerican.com/article/the-universe-is-not-locally-real-and-the-physics-nobel-prize-winners-proved-it/
Comments