“Kuantal Bilgi”
“Yakın zamana kadar yapılan deneyler, kuantal dünyayla klasik dünyayı barıştırma çabasını paylaştılar. Santa Barbara Üniversitesi’ndeki James Hartle ve California Teknoloji Enstitüsü’nden Murray Gell-Man (1969 Nobel Fizik Ödülü), bağıntısızlaşmanın zaman içinde tersine döndürülemeyeceğini kanıtladılar: Bir fincan kahvedeki küp şekerin, çözündükten sonra tekrar bütün hale dönüşünden söz edilemeyeceği gibi tekillenmiş sistemin durum çoğulluğuna dönüş yapması da mümkün olamazdı. Bu örneklemeyle, zamanın yönelimi de vurgulanmış oluyordu.
“Öte yandan, Paris Üniversitesi profesörü Roland Onnes, tuhaflıklarına rağmen (durum çoğulluğu, rastlantının rolü vs.) kuantal yasaların nasıl tekil, determinist, yani ‘normal’ gibi gözüken olayları meydana getirdiklerini mantık alanında göstermek üzere kolları sıvadı: ‘Bugüne kadar fizik yasalarını anlamak, onları klasik felsefe kalıplarına mahkum ederek açıklamak anlamına geliyordu. Bugün ters yönde ilerlemeli.(*) Ortak sağduyunun mantığı, defalarca doğrulanmış kuantal ilkelerden yola çıkarak bulunabilir ve anlaşılabilir. Bu yeni yaklaşım ‘anlamak’ kelimesinin gerçekten ters yüz edilmesidir. Kant’ın önsel (a priori) sentetik yargılarını kuantal fizik aracılığıyla kanıtlıyoruz.’
“Bağıntısızlaşma teoremine borçlu olduğumuz ters yüz edilen bir başka perspektif ise bilgi kavramının kuantum teorisine girişidir. Şöyle ki, anlık sistem çevre etkileşimini, kuantal sistemden dış dünyaya sızan bir haber olarak yorumlayalım. Tüm haber sızıntılarında çoğul durumlar, birbirlerinden ayrışacaktır (bağıntısızlaşma). Titreşim girişiminde bulunabilmeleri (kuantal) davranmaları için tek şart, çoğul durumların birbirlerinden ayrılmadığı, yani haber sızıntısının olmadığı bir dinginliğin varlığıdır. Ve şöyle bir etrafımıza baktığımızda, evrende gözümüze çarpar durum tekilliği, bize çevrenin, kapsadığı kuantal sistemleri kesintisiz biçimde ölçtüğü, bu sistemlerden haber sızdırmaya çalıştığı ve onları klasikleşmeye zorladığı izlenimi verir. Görüldüğü gibi, doğa, tüm işin üstesinden gelebiliyor…
“Bağıntısızlaşma teorisi, fizikte bir devrim olarak nitelenebilir mi? ‘Devrim’ yerine ‘çözülme’ kelimesini kullanmamız, kuşkusuz daha doğru bir ifade olur. Çünkü teori, yüzyılın son üç çeyreğinde yayınlanmış kuantal ilkelerden hiçbirini devirmiyor. Aksine bilimi bu denli ‘yolundan eden’ kuantum fiziğinin klasik dünyamızı ne şekilde oluşturduğunu açıklıyor.
“Jean Marc Levy-Leblond, kuantal teorinin daha çok bir devrimin sonu, tüm sistemin işleyişinin anahtarı olduğunu düşünüyor. Leblond’a göre Bağıntısızlaşma, sistemin yolunu açan temel bir ilke. Doğru pist üzerinde bulunduğumuz açık; ne var ki problemlerin tümünün çözüme ulaştığını iddia etmek imkansız. ‘Kuantal-klasik sınırı’ meselesi, ‘dalga paketi indirgenmesi’ uğraşısından daha kök söktürücü: Henüz klasik özelliklerin kuantal ilkelerden çıkarılması hakkında herhangi bir bilgimiz yok. Örneğin fizikçiler, bir çakıltaşının sert olma nedenini ya da suyun 100 derecede kaynama gerekçesini anlamak için milyarlarca parçacık üzerinde yapmaları gereken hesaplamaları uygulayabilmiş değiller.
“Görüldüğü gibi Bağıntısızlaşma teorisi, makroskopik dünyayla parçacıkların dünyası arasında bulunan dipsiz uçuruma ilk sağlam köprüyü atarak, kuantal modelin fizikteki egemen rolünü benimsetiyor.” (Bilim ve Ütopya Dergisi’nin Temmuz ‘99, 61. sayısında yayınlandı.)
Bölümün başında kuantanın bulunuşuyla birlikte, atomdan parçacıklara, klasikten kuantum fiziğine bir geçiş yapılıyordu. Maddeye ilişkin atom düzeyinde olan bilgimiz, maddenin daha üst formlarından daha alt formlarına doğru inilirken maddenin oluşumunu, onu oluşturan ve bir arada tutan parçacık ve etkileşim kuvvetleriyle birlikte kavramamız yönünde derinleşti. Başlangıçta maddenin daha üst formlarından, makrobüyüklüklerden, daha alt formlarına, mikrobüyüklüklere geçişte kurulan bağıntı (Etki Kuantumu, Karşılama İlkesi vd.) kuantal fizik alanındaki sağlanan ilerlemeyle diğer yönden, kuantal fiziksel alandan gelinerek kurulmaktadır. Maddesel süreçlerin bütünlüğü, metafiziğe boşluk bırakmayacak biçimde doğrulanmış bulunmaktadır.
Kuantum fiziksel araştırmalar bugün hangi düzeyde?
Kuantum fiziği, fiziğin bütünü için temel oluşturduğu gibi mikromaddelerin yapı ve özelliklerinin bilinmesi, bilimlerin temeldeki bağıntısını kurarak, diğer doğabilimlerinin gelişiminin de önünü açıyor. Kuantum fiziğinde elde edilen her sonuç biyogenetik, kuantum kimyası, optik, evren, bilgisayar, telekomünikasyon, elektronik, askeri teknoloji… pek çok alanda bilimsel gelişim ve üretimde açılım sağlamaktadır.
Çalışmalar iki düzeyde, kuramsal ve deneysel araştırmalar olarak sürdürülüyor. Binlerce bilim adamı ekipler halinde çalışıyorlar. Çok “küçük ayrıntı”lar üzerine yıllarca çalışılıyor. Kuramsal düzeyde ifade edilmiş bir tezin, deneysel olarak kanıtlanması çok daha sonraları gerçekleşebiliyor. Yakın zamana kadar, matematik destekli kuramsal fizik çalışmaları ile deneysel çalışmalar arasındaki açı çok genişlemişti. Deneysel çalışmaların teorik fizik çalışmalarını yakalayabilmesine olanaksız gözle bakılıyordu. Bugün de bir açı bulunmakla birlikte, 30 yıl kadar süren bir tıkanıklık döneminden sonra deneysel araştırmalar da hız kazandı. Avrupa’daki CERN ve Amerika’daki merkezlerde yüksek hızlandırıcılarla önemli deneyimler gerçekleştiriliyor. Deneyim yapabilme olanağı sağlayan çok gelişkin yeni araçların kullanıldığı çalışmalarda, parçacıklar birbirleriyle çarpıştırılarak yeni parçacıklar bulunuyor, özellikleri tanımlanıyor, birbirlerine dönüşümleri izleniyor, ayrıştırılıp birleştiriliyorlar. (Yukarda sözünü ettiğimiz, kuramsal olarak varlığı, belirtileriyle kesin gözüyle bakılan Higgs alan parçacığı da bu yüksek hızlandırıcılarda bir çarpıştırma sonucu bulunacak. Teknik alt yapısı hazırlanıyor.) Araştırmalar bilgisayar simülasyonlarıyla deneysel düzeyde desteklendiği gibi bilgisayarlar, sonuçların irdelenmesinde de büyük önem taşıyor.
Araştırmalarda elde edilen sonuçlarla, kuramla deneyim arasındaki açıklıklar giderilmekte olduğu gibi ulaşılan sonuçlar varolan kuramsal modellerin güçlendirilmesi ve bütünsel bir teori yaratma yönünde değerlendiriliyor.
Kuantum kuramı, esasları ortaya çıkmış, bulgulanmış, genel düzeyde tamamlanmış bir kuram. Sorunun bugün kilitlenme noktası, aynı zamanda bütün fizikçilerin düşü olan, Einstein’ın bulmak için büyük çaba sarfettiği Büyük Birleşik Kuramla da ilişkili olan kuantum kuramı ile görelilik ilkelerinin bağdaştırılması. Bununla ilgili yürütülen çalışmaları özetleyerek (Bitmemiş Senfoni/J. Madelaine Nash, Cumhuriyet Bilim Teknik, Ocak 2000, sayı 669) aktaracağız.
Kütle çekiminin doğanın öbür kuvvetleriyle birleştirilmesi, Büyük Birleşik Kuram’ın oluşturulması için kuramsal çerçevede yürütülen çalışmalar içerisinde kuramsal fizikçiler J. Schwartz ve Joel Scherk 1974 yılında geliştirdikleri denklemlerin, umdukları türden parçacıkları değil, titreşen telleri (sicimleri) temsil ettiği sonucuna vardılar. Çalışmalarını derinleştirdiklerinde hala kuramsal olmakla birlikte gravition adı verilen kütleçekimini taşıyan parçacıklar olduğuna karar verdiler.
Parçacık özelliğinin sicimler biçiminde tanımlanmasının, kuantum mekaniği ile genel görelilik ilkelerinin bütünleştirilebilmesinde varolan sorunun çözüm halkalarından birisi olduğu düşünülüyor. Fizikçilerin en zor, bezdirici problemlerden birinin çözüldüğünü düşünmeleri şöyle: Atomaltı ölçeklerde uzay (mekan) sürekliliğini kaybetmektedir. Mesafeler inanılmaz ölçülerde kısa olduğundan uzay sürekliliğini yitirmekte ve bazılarını kuantum köpüğü olarak adlandırdığı fokurdama oluşmaktadır. Noktasal parçacıklar, kuantum köpüğün üzerinde okyanuslardaki büyük dalgalar üzerindeki sallar gibi, sallanarak gelişigüzel savrulurlar. Oysa sicimler birkaç dalgayı kapsayacak büyüklükleriyle bu tür gelişigüzel savruluşları yaşamadan ‘okyanusta’ yol alabilen minyatür gemiler gibidirler.
Kuantum kuramı ile görelilik ilkelerinin birbirine uyumu sorunu bugüne kadarki bilgilerin içerisinde çözülebilmiş değildir. Sicim kuramı (kuramları demek daha doğru olur, çünkü beş ayrı sicim kuramı bulunmaktadır) ile bu sorun çözülmek istenmektedir. Bunun için bilinen dört boyuta (uzunluk, genişlik, yükseklik, zaman) yedi boyut daha eklenmesi zorunlu görülmektedir. Keza kuramın bütünlüğü için yeni bir atomaltı parçacık sınıfına süpersimetrik parçacıklara gereksinme duyulmaktadır.
1995′te İleri Araştırmalar Enstitüsü’nden Edward Witten tarafından tüm süpersimetrik sicim kuramlarının çok daha genel bir kuramın farklı öngörülerine karşılık geldiği ileri sürüldü. Daha kapsamlı olan bu kurama M Kuramı denilmektedir. M Kuramı’nın çözmeye çalıştığı uzun yıllar sürebilecek olan, zar (brane) adı verilen tuhaf parçacıklarla dolu 11 boyutlu bir dünya! Kendi terminolojisinde sicim, tek boyutlu zarlara (brane), mebranlar ise iki boyutlu zarlara karşılık geliyor. Daha çok boyutlu zarların bulunması da olası. Bükülüp katlanmalı, farklı özelliklere sahip olacak bu zarların ortaya çıkartacağı soruların yanıtlarını bulmak ise büyük uğraşlar gerektirecek. (I. Newton hareket yasalarını oluşturmak için diferansiyel ve integral hesabını geliştirmişti, sicim kuramının da yeni hesap yöntemlerinin geliştirilmesine gereksinmesi olduğu düşünülüyor.)
M Kuramı’nı ileri süren ve yaşayan en büyük fizikçilerden biri olduğu söylenen E. Witten, Sicim Kuramı’nı “20. yüzyılda tesadüfen bulunan bir 21. yüzyıl yapıtı” olarak tanımlıyor.
Sürmekte olan bu çalışmalar, kuantum fiziksel alanda ve evrenbilimde yeni açılımların habercisi olduğu gibi, doğaya ilişkin bilgimizin mükemmelleşme düzeyini, bilginin tam bilgiye doğru gelişimini de göstermektedir.
Büyük Birleşik Kuram ya da Her Şeyin Kuramı olarak adlandırılan tüm fizikçilerin peşinden koştukları kuramsal model, kuantum kuramındaki boşlukları gidereceği gibi evrenbilim alanında da sıçrama oluşturacaktır. Elektrik ve manyetizma, zayıf etkileşim, kuvvetli etkileşim, kütle çekimi ve sonuncusu hariç diğerlerin bağıntılanmasıyla oluşan elektromanyetik kuram, elektrozayıf kuram, standart model fiziğin ve kuantum kuramının gelişiminin köşe taşlarını oluşturmaktadır. Modern fiziği de ortaya çıkaran bu gelişmeler, doğaya ilişkin bilgimizi ve insanın doğa üzerindeki etkinliğini artırmıştır. Bunların üzerinde yükselecek bir final kuram olarak da nitelenen Büyük Birleşik Kuram, kuantum fiziksel standart model ile kütle çekiminin birleştirilmesini amaçlamaktadır. Bunun bugüne kadar niçin başarılamadığını elektrozayıf kuvveti bulan iki fizikçiden biri olan Stewen Weinberg’ten (1979 Nobel Fizik Ödülü) dinleyelim:
“Ancak standart modelin kapsamadığı bir kuvvet var: Kütle çekimi kuvveti. Einstein’ın genel görelilik kuramı, sıradan uzaklıklarda kütle çekiminin iyi bir açıklamasını vermekte olup canımız isterse bunu standart modele iliştirebiliriz. Ama bunu minicik -en güçlü parçacık hızlandırıcılarıyla incelenebilen uzaklıklardan on bin trilyon kat kısa uzaklıklarla ayrılmış parçacıklara uygulamaya kalktığımızda, ciddi matematiksel tutarsızlıklarla karşılaşıyoruz.” (Time, 10 Nisan 2000, aktaran Cumhuriyet Bilim Teknik, 20 Mayıs 2000)
Steven Weinberg’in önemli genel vargılarına geçmeden standart model ile kütle çekimini birleştirmek için yürütülen çalışmaları değerlendirelim. Daha önce de standart model ile kütle çekiminin Sicim Kuramı modelleriyle bir araya getirilmeye çalışıldığını belirtmiştik. S. Weinberg de:
“Kuramcılar kütleçekiminin ve tüm diğer yani elektrozayıf ve yeğin kuvvetlerin tutarlı bir birleştirilmiş kuramına bir aday bile buldular: Üstün sicim kuramı. Bunun bazı tipleri, parçacık olarak görülen nesnelerin aslında 10 boyutlu bir uzay zamanda varolan sicimsi halkalar olduklarını önermektedir.” (age, Ötesi olmayan bir her şeyin kuramı elimize geçecek mi?)
Son cümlede yoğunlaşmış olarak ifade edilen bu bölümde aktardıklarımızdan kuantum fiziksel alanda bugüne kadar olan tüm bulguların üzerinde yükselen yeni bir sıçramanın eşiğinde olunduğu anlaşılacaktır. (S. Weinberg de bunu hemen yarın parlak bir doktora öğrencisinin başarabileceği gibi belki de daha bir yüzyıl başarılamayabileceğini, temel bir fizik ilkesinden hareketle salt matematiksel bir çıkarsamayla başarılabilirse de muhtemelen yeni deneysel bulgulardan esinlenmek gerektiği, sözleriyle belirtiyor.) Çıkarsama yaparak söyleyecek olursak, kavramsal ve matematiksel düzeyde yeni bir perspektif genişlemesine ulaşıldığını görmekteyiz. Işığın tanecik, dalga, tanecik ve birbirlerini dışarlayan bir tümleyicilik ilişkisi içerisinde tanımlanan ‘dalga/parçacık ikiliği’ biçimindeki görüşlerin ilerisine geçen De Broglie’nin madde dalgası tanımlamasıydı. Bu tanımlama -parçacığa eşlik eden dalga- hareket halindeki mikro maddelerin bir ve aynı şeyin görünümlerinin birbirleriyle içsel bağıntısını kurmamızı olanaklı kılıyordu. Bugün geliştirilen sicim kuramlarında buradan bir devamlılık görüyoruz.(*)
Steven Weinberg’in özetleyerek aktardığı “Parçacık olarak görülen nesnelerin 10 boyutlu bir uzay zamanda varolan sicimsi halkalar oldukları” görüşü sadece standart modelin görelilik kuramıyla bağıntısını kurmuyor, konum, momentum, enerji, zamanın klasik fiziğin kavramsal çerçevesi içerisindeki ölçümlerinden daha farklı bir bağıntılandırmanın da önünü açıyor… Dolayısıyla bu matematiksel düzeyde de kuantum mekaniği ve dalga mekaniğinin hesaplama tekniklerinden ayrı yöntemlerin devreye girmesi anlamına gelmektedir.
Bugün klasik fiziğin kavramsal çerçevesi içerisinden ilerlenerek gerçekleştirilen kesinsizlik, olasılık hesaplamaları vb. olarak yapığımız tanımlama ve hesaplamalar, kuantum fiziksel alana daha uygun bir kavramsal çerçeve içerisinde bütünüyle değişebilecektir.
Fizikteki temel kuramların birleştirilmesi, doğa yasalarının birbirleriyle bağıntılandırılarak açıklanması; etkileşimi sağlayan kuvvetlerle birlikte en elemanter parçacıklardan başlayarak maddenin sonsuz dönüşümünün tüm formlarıyla birlikte bütünsel bir tablosunu ortaya çıkartıyor. Geliştirilen kuramlar, bu tablonun temel dayanklarını oluşturmakta ve bu tablo detaylarıyla birlikte bir ressam titizliğiyle çizilmektedir. Dünyanın maddesel birliğini gösteren bu tablo statik bir yapıda değildir; madde yapısal özellikleri ve bu özellikler arasındaki iç bağıntılarla, birbirine dönüşebilen sonsuz formları içerisinde en elemanter parçacıklardan en yüksek, karmaşık yapılara -bilinmektedir. Maddeye ilişkin bilgi, onun tüm özelliklerinin ve en elemanter parçacıkların bilinmesi yönünde derinleşirken, kütle enerjinin korunumu ve etkileşim kuvvetleriyle bağıntısı içerisinde ulaşılan madde kavrayışı, uzay zaman içerisinde evrensel bütün bağıntıları ve bütün biçimleri içerisinde maddenin kavranışı, maddenin diyalektik kavranışındaki, doğa/evrenin diyalektik kavranışındaki derinleşmeyi göstermektedir. Doğaya ilişkin insan bilgisinin ulaştığı düzey, fizikçileri, “her şeyin kuramı” diyebilecek kadar ileri düzeyden cesaretle konuşmaya sevketmektedir.
Doğabilimlerindeki bütün gelişmeler, her yeni bugu diyalektik materyalizmi güçlendirmektedir. Buna karşın, yüzyılın başından bu yana fizikteki her yeni bulgu, modern fizikte krize yol açıp derinleştirmiş, bu kimi fizikçiler tarafından felsefeye aktarılmıştır. Fakat fizikçilerin çoğunluğu, diyalektik materyalist bir kavrayış düzeyine çıkamamakla birlikte doğabilimsel düzeyde materyalizme bağlı kalmışlardır. Bugün de doğabilimsel düzeyde pek çok dalda ve pek çok konuda sağlanan ilerlemeler, dünyayı bilmekten evreni bilmeye doğru genişleyen bilgimiz, sıçramalı gelişmeler ve yeni sıçrama eşiklerine gelinmiş oluşuyla pek çok bilim adamını cesaretle ve güvenle konuşmaya sevketmektedir. Steven Weinberg de onlardan birisidir. “Doğayı betimleyişimiz artarak basitleşiyor. Gittikçe daha az temel ilke yardımıyla gittikçe daha çok şey açıklanıyor” dedikten sonra doğa bilimlerindeki büyük bir atılımın gerçekleştiği, 17., 18. yüzyıllara devrimci bir gönderme yaparak; “Ötesi olmayan bir kuramın bulunması, modern bilimin ortaya çıkışında hissedilenlerle kıyaslanabilir bir kültürel etki de yapacaktır. 17. ve 18. yüzyıllarda bilimsel ruhun yaygınlaşmasıyla arkası kesilen şeylerden birisinin de cadı avı ve yakılması olduğu söylenir. Bir ötesi olmayan kuramın kişiden bağımsız ilkelerinin evreni nasıl yönettiğinin bilinmesi; insanlığın inatçı batıl itikatlarına ket çekmeyebilir ama hiç olmazsa bunlara biraz daha az yer bırakacaktır.” Bu, bilim tarihine felsefi düzeyden gerici bir bakış gerçekleştiren Heisenberg ve izleyicilerinden, postmodernistlerden karşı yönde bakan, doğa bilimlerindeki her yeni bulgunun materyalizmi güçlendirdiğini, insanlığı mistik idealist görüşlerden biraz daha uzaklaştırdığını bilen kuantum fizikçisi bir bilim adamının görüşüdür.
