Bilim insanları, zamanın kendisinin aynı anda iki farklı durumda bulunabileceğini söylüyor

Bu haberi okuduğunuzda şunları öğreneceksiniz:

• Bilim insanları, kuantum dünyasında dalga fonksiyonu çöküşünü neyin tetiklediğinden emin değiller; ancak bazı radikal teorilere göre, bu süreçte kütleçekimi (yerçekimi) bir rol oynuyor olabilir.

• Bilim insanları, eğer bu teoriler doğruysa, zamanın ne kadar hassas bir şekilde ölçülebileceğine dair bir sınırın olması gerektiğini tespit ettiler.

• Bu sınır, hem bizim hem de son derece hassas atomik saatlerimizin algılayamayacağı kadar belirsiz olacaktır; ancak yine de bize, atom altı dünyadaki kütleçekiminin doğası hakkında daha fazla bilgi verecektir.

Kuantum mekaniği, popüler kültürde öncelikli olarak "tuhaflığı" ile tanınır. Klasik fizikte nesneler herhangi bir anda belirli bir konuma ve duruma sahipken, atom altı parçacıkların dünyasına adım attığınızda durum artık böyle değildir. Kuantum tuhaflığının temel ilkelerinden biri süperpozisyon ilkesidir; bu ilkeye göre bir parçacık, aynı anda birden fazla konumda bulunmak gibi, eşzamanlı olarak çoklu durumlarda var olabilir. Olası durumların aralığı (ki her birinin hesaplanabilir bir olasılığı vardır), dalga fonksiyonu olarak bilinen matematiksel bir varlık ile temsil edilir. Ancak bir ölçüm yapıldığında, dalga fonksiyonu tek bir sonuca çöker.

Ne var ki, bu dalga fonksiyonu çöküşünün temel nedeni bilinmemektedir. Bazı bilim insanları —Ghirardi–Rimini–Weber (GRW) modeli, sürekli kendiliğinden yerelleşme (CSL) modeli ve Diósi–Penrose (DP) modelini destekleyenler de dahil olmak üzere— bu çöküşün aslında nesnel ve fiziksel bir çöküş olduğunu düşünmektedir. Bu modellerin sonuncusu —1980'lerin sonlarında Nobel Ödüllü fizikçi Roger Penrose ve Budapeşte'deki Eötvös Loránd Üniversitesi'nden Lajos Diósi tarafından ortaya atılmıştır— dalga fonksiyonunun fiziksel çöküşünü açıklamak için kütleçekimi olgusuna dayanmaktadır.

Şimdi ise, Physical Review Research dergisinde yayımlanan yeni bir çalışmada bilim insanları, bu teorileri analiz etmiş ve söz konusu teorilerin zaman ölçümü üzerindeki etkilerinin neler olabileceğini araştırmışlardır. Araştırmacılar, eğer bu çöküş modelleri doğruysa, zamanın kendisinin tam ve kesin olmadığını —başka bir deyişle, bir saatin ne kadar hassas olabileceğine dair temel bir sınırın bulunduğunu— tespit ettiler. Çalışmaya göre bu durum, kütleçekim alanındaki dalgalanmaların "zamanın akışında içsel bir belirsizliğe yol açmasından" kaynaklanmaktadır. Enrico Fermi Müzesi ve Araştırma Merkezi'nde (CREF) doktora öğrencisi ve çalışmanın başyazarı olan Nicola Bortolotti, bir basın açıklamasında, “Bizim yaptığımız şey, çökme modellerinin kütleçekimiyle bağlantılı olabileceği fikrini ciddiye almaktı,” dedi. “Ve ardından çok somut bir soru sorduk: Bu durum, zamanın kendisi için ne anlama geliyor?”

Bu belirsizlikler günlük hayatımızı etkilemiyor. Hatta, zamanı on dokuzuncu ondalık basamağa kadar ölçebilen en hassas atom saati bile, bu dalgalanmadan etkilenmeye yaklaşamıyor bile. Ancak elde edilen sonuçlar, zamanın kendisinin bulanıklaştığı teorik bir sınırın varlığına işaret ediyor.

Çalışmanın ortak yazarlarından Catalina Curceanu, “Çalışmamız, kuantum mekaniğine dair en radikal fikirlerin bile hassas fiziksel ölçümlerle sınanabileceğini ve —iç rahatlatıcı bir şekilde— zaman ölçümünün modern fiziğin en istikrarlı sütunlarından biri olmaya devam ettiğini gösteriyor,” dedi.

Elbette, dalga fonksiyonu çökmesinin kütleçekiminden kaynaklanıp kaynaklanmadığına dair belirsizlikler hâlâ mevcut; ancak bu durum, kuantum mekaniği dünyası keşfedilirken karşımıza çıkan, zamanla ilgili tuhaf garipliklerin tek örneği olmaktan çok uzak. Örneğin geçen ay yayımlanan bir çalışma, zamanın kendisinin de bir süperpozisyon durumuna girerek, akışının aynı anda hem hızlı hem de yavaş gerçekleşmesiyle sonuçlanabileceği fikrini, yani “kuantum ikiz paradoksunu” inceledi. Bilim insanlarının, kuantum dünyasında zamanın yeni davranışlarını tetiklemek amacıyla “sıkıştırılmış bir duruma” (squeezed state) getirilen ultra hassas atom saatlerini kullanarak bu etkileri bir gün gözlemleyebilmeleri umuluyor.

Kuantum dünyasının gariplikleri giderek daha da tuhaf bir hal alıyor.

Kaynak: PM

'Negatif zaman' doğrulandı: Akıl almaz deney, kuantum fiziğinin bir tuhaflığı sayesinde ışığın bir atom bulutuna girmeden önce oradan çıkabildiğini gösteriyor

Bir ışık demeti bir atom bulutunun içinden geçtiğinde, fotonların (ışık parçacıklarının) orada bazen negatif miktarda zaman geçiriyormuş gibi bir izlenim yarattığı; yani ışığın, buluta henüz girmemişken oradan çıkıyormuş gibi göründüğü durumlar yaşanır. Şimdi ise fizikçiler, bizzat atomların kendisine sorarak bu kuantum tuhaflığını doğruladılar.

Çalışmanın ortak yazarı ve Avustralya'daki Griffith Üniversitesi'nden teorik kuantum fizikçisi Howard Wiseman, Live Science'a verdiği demeçte, "Bu durum, bir zaman makinesi veya benzeri bir şey inşa etmenin eşiğinde olduğumuz anlamına gelmiyor," dedi. "Her şey standart fizik kurallarıyla açıklanabilir; ancak bu, insanların daha önce varlığından şüphelenmediği, kuantum fiziğinin bir başka tuhaf özelliği daha."

Bir atom bulutunun içinden geçen fotonlar, geçici olarak soğurulabilir (absorbe edilebilir). Bu fotonlar, yeniden yayımlanmadan önce, ışık parçacıkları olarak ortadan kaybolur ve atomik uyarılmalar —bir tür depolanmış enerji— şeklinde yeniden ortaya çıkarlar. İletilen fotonlar olarak adlandırılan bazı fotonlar, buluttan girdikleri yönle kabaca aynı yönde ilerleyerek çıkmayı başarır; diğerleri ise rastgele yönlere saçılır.

1993 yılına dayanan deneyler, iletilen fotonların, kendi ışık atımlarının (nabızlarının) merkezi henüz buluta girmemişken bile bir dedektöre ulaşma eğiliminde olduklarını zaten ima etmişti. Bu durum, negatif bir geçiş süresine işaret etmektedir.

Ancak bu düzenekte bir sorun vardı: Bir ışık atımının ön kısmında yer alan fotonların, arka kısmındakilere kıyasla buluttan geçme olasılığı daha yüksek olabilirdi. Eğer sadece buluttan iletilerek geçen fotonlara bakarsanız, elbette bunlar erken gelmiş gibi görünürler. Ancak bu durum, daha basit bir açıklama için kapıyı açık bırakıyordu.

Wiseman, Live Science'a verdiği demeçte, "İnsanlar, bu durumun aslında kulağa geldiği kadar çılgınca olmadığına kendilerini inandırıyorlardı," dedi.

Çılgınlığı doğrulamak

13 Nisan'da Physical Review Letters dergisinde yayımlanan yeni bir makalede fizikçiler, farklı bir yaklaşım denediler. Fotonun bir dedektöre ne zaman ulaştığını izlemek yerine, foton bulutun içinden geçerken atomların uyarılmış bir halde olup olmadığını takip ettiler.

Bir foton bir atom tarafından soğurulduğunda, enerji şeklinde depolanır ve atomun, fizikçilerin uyarılmış hal olarak adlandırdığı bir duruma geçmesine neden olur. Atom, fotonu yeniden yayımlayana kadar bu uyarılmış halde kalmaya devam eder. Dolayısıyla, atomun uyarılmış halde kaldığı süreyi ölçmek, fotonun atom tarafından ne kadar süreyle soğurulmuş olduğunu ortaya çıkarır. Ekip, bunu, atomların uyarılma düzeylerine bağlı olarak çok küçük bir faz kaydını algılayan ikinci bir ışık hüzmesi kullanarak ölçtü. Bu ışık hüzmesi, atomların an be an neler deneyimlediğine dair canlı bir okuma aracı işlevi gördü.

Bu atomik okuma, önceki deneylerin kuantum çılgınlığını doğruladı.

Wiseman, "Eğer atomlara, 'Foton sizinle ne kadar süre kaldı?' diye sorarsanız, aynı cevabı alırsınız," dedi. "Onlar da size bir cevap vereceklerdir ki bu cevap, negatif bir süredir."

Bir milyon deneylik bir dönüm noktası

Bu cevabı almak hiç de kolay değildi; zira kuantum sistemlerini ölçmek, bu sistemlerin yapısını bozucu bir etki yaratır. Bu özel durumda ölçüm işlemi, fotonun hiç soğurulmamasını bile engelleyebilirdi. Bu nedenle ekip, nazik ancak aşırı derecede gürültülü olan "zayıf ölçümler" yöntemine başvurdu. Deneyin her bir tekil uygulaması gürültüye boğuluyordu; öyle ki bu rastgele dalgalanmalar, herhangi bir bireysel ölçümde sinyali gürültüden ayırt etmeyi imkansız kılıyordu. Ancak yaklaşık 1 milyon deney uygulamasının ortalaması alındıktan sonra net bir sinyal ortaya çıkabildi. Yaklaşık yedi farklı deneysel parametre seti genelinde, toplam veri toplama süreci yaklaşık 70 saat sürdü.

Wiseman, "Böylesine gerçekten basit bir olguda bile —yani bir fotonun atomlarla etkileşiminde— insanlar neredeyse 100 yıl önce bile hesaplamalar yapıyorlardı," dedi. "Aradan geçen onca zamana rağmen, bu olgunun hâlâ sürprizler barındırabiliyor olması bile başlı başına ilginç bir durum."

Ekibin bir sonraki hedefi, atom bulutunu aşıp geçemeyen fotonlar. Teoriye göre, bu saçılan fotonlar fazladan bir pozitif uyarılma süresi taşıyor. Bu süre, bulutu aşan fotonların negatif süresini dengelemeye yetmekte; böylece ışık hüzmesinin genel ortalamasını sıfırda veya sıfırın üzerinde tutmaktadır. Bu teorik öngörü ise bugüne dek hiç test edilmemiştir.

Kaynak: LS