Kuantum ve Kütleçekim: İki Düşman Aynı Odada

Şöyle düşün: Elinde tek bir atom tutuyorsun ve onu aynı anda iki farklı yerde var olacak şekilde düzenleyebiliyorsun. Bu kuantum süperpozisyonu. Duydğunda delice geliyor, değil mi? Ama atomlar aslında sen bakmadığın her an bunu yapıyor.

Şimdi onu düşür.

Ne olur?

İşte tam olarak bu soruyu bir fizikçi ekibi test etti. Cevap hem bariz hem de inanılmaz derecede ilginç.

Fizik Dünyasının İki Büyük Sorunu

Bu deneyin neden önemli olduğunu anlamak için önce iki devasa teoriyi konuşturmamız gerekiyor.

Bir tarafta kuantum mekaniği var. Atomların ve diğer küçük parçacıkların nasıl davrandığını açıklayan teori. Garip, sezgilerimize ters, ama muhteşem işliyor. Parçacıklar aynı anda birden fazla durumda olabiliyor. Duvarların içinden geçebiliyorlar. Einstein'ı bile rahatsız eden bağlantılar kurabiliyorlar (bunu "uzaktan ürkütücü etki" diye adlandırmıştı).

Diğer tarafta Einstein'ın kütleçekim teorisi var: Genel görelilik. Bu teori neden düştüğümüzü, gezegenlerin nasıl döndüğünü, zamanın hıza ve büyük cisimlere yakınlığa göre nasıl farklı aktığını açıklıyor. Zarif, defalarca kanıtlanmış, kozmik ölçekte evreni betimliyor.

Sorun şu: bu iki teori birbirini sevmiyor.

Yani sevmiyor demiyorum, saçma olur — ama fizikçiler neredeyse bir asırdır bunları tek bir teoride birleştirmeye çalışıyor ve henüz kimse başaramadı. Her biri kendi alanında mükemmel çalışıyor ama ikisini aynı anda uygulamaya başladığınızda her şey çöküyor.

İki arkadaş gibi düşün: İkiside harika bireyler ama aynı odaya girdiklerinde felaket.

Bilim İnsanları Ne Yaptı?

Science Advances'da yayınlanan deney, Ben-Gurion Negev Üniversitesi, Ulm Üniversitesi ve Oxford Üniversitesi'nden araştırmacılar tarafından yürütüldü. Aralarında Fizik alanında Nobel Ödülü sahibi efsanevi Roger Penrose da vardı.

Yaptıkları şeye Kuantum Galileo İnterferometresi dediler. Biliyorum, çok jargon. Ama basit hali şu:

Ridinyum atomları aldılar — mutlak sıfıra yakın, aşırı soğuk — ve her atomun kuantum dalgasını iki ayrı yola böldüler. Bir yol yerinde kaldı, manyetik alanlarla sabitlendi. Diğer yol serbestçe düşmeye bırakıldı, havaya fırlattığın bir top gibi.

Sonra — işte ilginç kısım — bu iki yolu tekrar birleştirdiler ve dalgaların nasıl girişim yaptığını izlediler.

Gölde iki taşı biraz farklı zamanlarda bırakıp dalgaların nasıl etkileştiğini izlemeye benziyor. Dalgalardaki fark, her taşın yolculuğu sırasında başına gelenler hakkında bilgi veriyor.

Denklik İlkesi Kuantum Dünyasında Test Ediliyor

Şimdi Einstein tekrar devreye giriyor.

Einstein'ın denklik ilkesi, kütleçekim teorisinin temellerinden biri. Temel fikir zarif bir şekilde basit: kütleçekimi ve ivmeyi ayırt edemezsin. Kapalı bir odadaysan, ağırlık hissetmenin nedeni Dünya'da durman mı yoksa oda uzayda hızlanıyor mu bunu anlayamazsın. Serbest düşen biri, kütlesi ne olursa olsun ağırlıksız hisseder.

Bu ilke normal, gündelik nesnelerle tekrar tekrar test edildi ve her seferinde doğru çıktı.

Ama soru şu: "nesne" aslında tek bir yerde olmadığında da işe yarıyor mu? Süperpozisyonda olan, aynı anda iki farklı yolu takip eden bir kuantum dalgası olduğunda?

İşte deneyi bu kadar özel yapan da bu. Bir top düşürmüyorlardı. Metafiziksel olarak iki yerde olan bir şey düşürüyorlardı ve görmek istedikleri şey, kütleçekimin Einstein'ın tahmin ettiği gibi her iki yola da aynı davranıp davranmadığıydı.

Cevap? Evet.

Ölçtükleri kuantum fazı — düşen dalgadan kalan ince kuantum "imzası" — Einstein'ın denklik ilkesini bir kuantum nesnesine uyguladığınızda alacağınız tam sonuçla eşleşti.

Neden Önemli?

Tamam, bazı bilim insanları atomları karmaşık bir düzenekle düşürdü ve Einstein yine haklı çıktı. Ne var ki?

İşte bu önemli çünkü: Hâlâ kuantum mekaniği ve kütleçekimi başarıyla birleştiren bir teorimiz yok. Adaylar var — sicim teorisi, döngüsel kuantum kütleçekimi — ama kimse kodu kırmayı başaramadı. Bunun bir nedeni, bu iki dünyanın kesiştiği noktada iyi deneysel veriye sahip olmamamız.

Bu deney bize o bölgeye ilk gerçek bakışımızı sunuyor. O tartışan iki arkadaşı aynı odaya koyuyor ve dikkatle nasıl etkileştiklerini izliyoruz.

Çalışmayı yöneten Profesör Ron Folman güzel ifade etti: "Bu, zorlu bir deneyi felsefi yorumla birleştiren, fizikdeki en temel sorulardan birini ele alan benzersiz bir makale."

Oxford'dan Profesör Vlatko Vedral da şöyle ekledi: "Bu deney, kuantum mekaniğini en ilginç sınırlarından biri olan kütleçekime itiyor ve gösteriyor ki..."

Alıntı orada kesilmiş ama nereye gittiğini tahmin edebiliriz: Kuantum mekaniği kütleçekim devreye girdiğinde çözmüyor. En azından bu rejimde.

Geleceğe Ne Getiriyor?

Söz veriyorum bu deneyin her şeyi çözdüğünü iddia etmeyeceğim. Hâlâ her şeyi açıklayan birleşik teoriden çok uzaktayız. Ama bu tür deneyler bizi oraya götürebilecek izler.

Kuantum ile klasik, küçük ile büyük arasındaki sınırı her zorladığımızda yeni bir şey öğreniyoruz. Ve şu ana kadar evren bize her iki "en iyi" teorimizin düşündüğümüzden daha fazla gerçek içerdiğini söylüyor — aynı odada olduklarında bile.

Birisi size fiziğin her şeyi çözdüğünü söylerse, Einstein ve kuantum mekaniğinin hâlâ bir arada çalışamadığını hatırlatabilirsiniz.

Ama en azından artık aynı odada olmaya razı olduklarını biliyoruz.