Alis Harikalar Diyarında’yı okuyanlar Cheshire Kedisi’ni anımsayacaktır. Öykünün yazarı Lewis Carroll onu “kedisiz bir sırıtış” şeklinde tanımlamıştı. Harikalar Diyarı’nı bilmeyenlerin bu ifadeden bir anlam çıkarması zor ama anlatmaya çalışalım. Bir ağaç dalında sırıtarak Alis’le konuşan Cheshire Kedisi sözlerini bitirirken gözden kaybolmaya başlar, fakat sırıtışı olduğu yerde kalır. Bu durum fizikçilerin kafasında uyanan şu soruyu akla getirir: “Bir nesneyi, özelliklerinden ayırmak mümkün müdür?”
2013 yılında Yakir Aharonov ve çalışma arkadaşları, fotonun polarizasyonundan (dalganın salınım yönünü gösteren özelliğinden) ayrılabileceğine işaret eden bir deney tasarlamıştı. Ertesi yıl Tobias Denkmayr ve arkadaşları, benzer bir deneyle nötronların spinlerinden (içsel açısal momentumlarından) ayrılabileceğini göstermişti. Aharonov’un ekibi bu etkiye “Kuantum Cheshire Kedisi” adını verdi.
Geçtiğimiz günlerde New Journal of Physics dergisinde yayımlanan makalelerinde, Brezilyalı araştırmacılar Raul Corrêa, Pablo Saldanha, Marcelo Santos ve C. H. Monken sonuçlara yapılan bu yorumları ele alıyor. Deney sonuçlarını inceleyen ekip, olayların bir “özelliklerinden ayrılan parçacıklar” durumu olmayıp, standart bir kuantum etkisi olan “kuantum girişim” ile açıklanabileceğini ileri sürüyor. Yani tek bir parçacığın, dalga benzeri özelliklerinden ötürü kendi kendisiyle girişim yapması sonucu, ortaya böyle bir durum çıkabileceği kanısındalar.
Corrêa düşüncelerini şöyle açıklıyor: “Bir parçacığın kendi içsel özelliklerinden ayrılabilme olasılığı, çok temel bir kavramı sorguluyor: Nesnelerin özelliklerinin nesnelere ait olmasını. Örneğin hiç kimse renklerin etrafta herhangi bir nesneye ait olmadan bulunduğunu göremez. Biz Aharonov ve Denkmayr deneylerinin bütünüyle hatasız sonuçlarını alıp, bunları herhangi bir parçacığı özelliklerinden ayırmaya gerek duymadan, yani bir paradoks ortaya atmadan açıkladık. Kuantum girişim zaten yeterince garip bir görüngü, ama deney sonuçlarına anlam verebilmek için daha fazla tuhaflığa gerek yok.”
Bilinmeyen geçmişler
Corrêa ve arkadaşlarının açıklamasına göre çelişkinin temelinde yatan nokta, fiziksel gerçeklik olarak algılanamayacak bir duruma fiziksel gerçeklik atfetmeye kalkışmak. Elimizdeki durumda, fiziksel olarak gerçek kabul edilemeyecek durum, interferometreden geçen parçacıkların geçmişleri.
Interferometre, parçacıkların iki koldan birinden aşağı gitmesine izin verir ve Cheshire Kedisi ilk olarak bu aygıt kullanılarak gösterilmiştir. Deneylerde fizikçiler, aygıtı uyaran parçacık üzerinde ölçüm yaparak, fotonun ya da nötronun hangi koldan geçmiş olduğunu söyleyebileceklerini düşünmüşlerdir. Örneğin foton kullanıldığında, fotonların belli miktardaki yer değiştirmelerinin sol koldan geçişe işaret ediyor olmalıydı; çünkü sol koldaki bir aygıt (ince bir cam katmanı örneğin) fotonları özellikle o kadar kaydırmak için koyulmuştu. Öte yandan fotonların polarizasyon ölçümleri, aynı fotonların benzer nedenlerle sağ koldan geçtiklerine işaret ediyordu.
Deneyi gerçekleştiren fizikçiler mantığa uygun olarak şöyle bir çıkarım yaptılar: Fotonlar sol koldan, ama fotonların polarizasyon özellikleri sağ koldan geçiyordu! Fakat şimdi Corrêa ve ekibi sonuçlara farklı bir yorum getirdi. Fotonların kaymalarına ilişkin yapılan ölçümler, fotonlar interferometreyi uyardıktan sonra yapılıyordu ve bu ölçümlerin geçmişte izlenilen yollar hakkında bilgi vermesi beklenmemeliydi. Yani geçiş sonrası yapıla bir ölçüm, geçişin sağ koldan mı yoksa sol koldan mı olduğunu söyleyemezdi.
Böyle basit bir varsayımın yapılamamasının nedeni kuantum girişimdir. Fotonlar interferometreden geçerken, konumları foton yayılım demeti ile ölçülür. Yeterince büyük bir demet “güçlü ölçüm” demektir ve geniş bir foton kaymasına neden olarak, araştırmacıların fotonun geçtiği kolu belirlemesini sağlar. Bununla birlikte, söz konusu deneyleri yapan araştırmacılar “zayıf ölçüm“ler üzerinde çalışmışlardır ve öyle ölçümlerin neden olduğu kayma fotonun hangi koldan geçtiğinin bilinmesini sağlamaz.
Corrêa şöyle açıklıyor: “Aharonov ve ekibinin ele aldığı zayıf ölçümlerde, kaymalar demet çapına kıyasla çok küçüktür ve dolayısıyla her bir kola düşen demet parçaları ve polarizasyonlar üst üste gelerek örtüşür. Bu girişim demektir ve bizi fotonun geçtiği kolu belirlemekten alıkoyar. Probleme bu açıdan baktığımızda, ortada fotonun ayrı yerde polarizasyonun ayrı yerde olması gibi bir durum kalmaz. Geriye kalan tek gizem, kuantum mekaniğinin bildik garipliği olur.”
Farklı yorumlar
Makale kuantum mekaniğinin çok temel bir özelliğini vurguluyor ki, o da yorumlamanın kuantum dünyasını anlamakta üstlendiği başrol. Her ne kadar, makalede Kuantum Cheshire Kedisi etkisinin doğru olmayabileceği ileri sürülse de, yerine önerilen kuantum girişim olgusu da son derece şaşırtıcıdır. Sadece biraz daha tanıdık bir garipliğe sahiptir. Sonuçları yorumlamanın pek çok yolu olunca, çelişki ve çıkmazların ortaya çıkması kaçınılmazdır. Kuantum dünyasını yüz yıl kadar incelemiş olan fizikçiler bilir ki, sağduyuya güvenmek yanıltıcı olabilir.
“Bunun kesinlikle böyle olduğunu iddia etmiyoruz. Bilimde alışıldık bir durum olduğu üzere, yeni açıklamalar hep ortaya çıkar ve iyi karşılanırlar. Bilimin gelişimi böyle olur. Önceki araştırmacıların yorumunu yanlışladığımızı da söylemiyoruz. Biz sadece farklı bir bakış açısı sunduk,” diyor Correa.
Referans: Raul Corrêa, et al. “‘Quantum Cheshire Cat’ as simple quantum interference.” New Journal of Physics. DOI: 10.1088/1367-2630/17/5/053042
Kaynak: Phys.org “Quantum Cheshire Cat effect may be explained by standard quantum mechanics”
<http://phys.org/news/2015-06-quantum-cheshire-cat-effect-standard.html>