Alain Aspect, John F. Clauser ve Anton Zeilinger 2022 Nobel Fizik Ödülünü Neden Kazandı?
yeni açıklanan 2022 nobel fizik ödülünün ne hakkında olduğunun en basit anlatımı ufkunuzu açabilir
internetten satış yapan bir işletme olduğunuzu hayal edin. ığdır'da yaşayan bir vatandaş sizden beyaz renkli bir elbise sipariş etti. izmir'de yaşayan başka biri ise siyah renkli elbise sipariş etti. siz bu iki siparişi iki ayrı kutuya koyup paketlediniz. sonra paketlerden birinin üzerine ığdır'dan gelen siparişin adresinin yazılı olduğu etiketi yapıştırdınız. diğerine de izmir'deki adresin. 2 gün sonra ığdır'da yaşayan kişi sizi telefonla aradı. siparişim yanlış olmuş. bana istediğim kıyafetin siyah renkli olanını göndermişsiniz. ben beyaz istemiştim dedi... bu bilgiyi öğrendiğiniz anda artık şunu da biliyorsunuz: izmir'e giden paket de yanlış. o paketin içindeki elbise siyah olması gerekirken beyaz. izmir'deki müşteri sizi aramadı. ama biliyorsunuz, çünkü bu iki paket bir birine dolanık. biri siyahsa, diğeri beyaz. iki kutudan birinin içindeki elbisenin ne renk olduğunu bildiğiniz anda diğer kutunun içindeki elbisenin ne renk olduğunu da bilirsiniz.
2022 yılında nobel fizik ödülü alan abilerimiz bu anlattığım olayın kuantum fiziği düzeyindeki halinin gözlemlenmesinin pratik yöntemlerini buldukları için bu ödülü aldılar.
peki bu neden bu kadar önemli?
bir birine dolanık elektronların dolanıklıklarını ölçmemiz bizim ne işimize yarayacak? anlatayım. teknolojinin ilerlediğini, insanlığın 70 ışık yılı uzaklıktaki bir gezegende koloni oluşturduğunu düşünün. oradaki insanlar dünya ile iletişim kurmak istediklerinde, bilgiyi evrendeki en yüksek hızla, yani ışık hızıyla dünyaya gönderseler bile bilgi dünyaya 70 sene sonra gelecek. bilgi dünyadan alınıp gerekli cevap verildiğinde o gezegene ulaşması da 70 yıl sürecek. yani o uzak gezegenden dünyadaki selin'e "selam selin, nasılsın?" diye sorduğumda selin bunu 70 sene sonra duyacak. ve bana cevap olarak "iyilik sen nasılsın?" dediğinde benim onun cevabını almam da 70 yıl sürecek. basit bir "nasılsın- iyiyim, sen nasılsın?" konuşması 140 yıl sürecek yani. bu korkunç bir şey.
işte bu abilerimiz bu korkunç duruma çözüm buldular. birbirlerine dolanık iki elektrondan birini o uzaktaki gezegene koyarsan ve birini de dünyada bırakırsan, elektronlardan birini açıp bakarsın: spin eksi ise, diğer elektron spin artı konumundadır. sen kendi gezegenindeki elektronun spinini değiştirirsen dünya'dakinin spini de aynı anda değişir. tüm bunlar eş zamanlı olur. kuantum parçacıklarının dolanıklığı çılgınca bir fenomen. bunu kullanmak, bilgi iletiminde ışık hızı bariyerini aşmamızı sağlar.
durumu anlaman için bir başka örnek vereyim
sen elini kaldırdığın anda, gölgenin eli de kalkıyor ya. bu olay, ışık hızında olan bir olay. sen elini kaldırdığında, elini kaldırmadan bir önceki andaki ışık geçer. ve bir an sonra elini kaldırdığın için ışık geçemez olur. böylece zeminde elini kaldırmış gölgen meydana gelir. elini kaldırmanla gölgenin oluşması arasında, ışığın elinle gölgenin oluştuğu zemin arasındaki mesafeyi kat etmesi için geçen süre kadar zaman farkı vardır. ya da sen tek gözünü kapadığında aynadaki görüntün de gözünü kapıyor ya. bunlar eş zamanlı olmuyor. seninle aynadaki görüntün arasında, ayna ile senin arandaki mesafe / ışık hızı x 2 kadar fark var. çünkü senin kapalı göz kapağına çarpan ışık aynaya ulaşacak. aynadan yansıyan görüntü sana ulaşacak. (işin içinde beynin algılama zamanı da var ama onu pas geçiyorum.)
bu olaylar aynı anda olmuyor. ışık hızı süresi kısıtında oluyor. oysa dolanıklıkta olan her şey aynı anda oluyor. sen elini kaldırdığın anda gölgen bunu yapacağını biliyor ve sen elini kaldırırken bireysel olarak gölgen de aynı anda elini kaldırıyor... seni alıyoruz ve buradan çok uzaklara, 1 milyon ışık yılı uzaklıktaki bir yıldıza gönderiyoruz. sen elini kaldırdığın anda gölgen senin elini kaldırmaya başladığını biliyor ve yine elini kaldırıyor. aynı anda. dolanıklık işte böyle çılgınca bir şey.
işte tam da bu yüzden, çok çılgınca ve biraz da saçma olduğu için, bu fenomen einstein'ın aklına yatmamıştı. bir kişi ile gölgesi birbirinden mesafeden bağımsız olarak bağlantılıysa ve birbirlerinin hareketlerinden haberdarlar ise bu işin içinde bizim bilmediğimiz gizemli ek bir parçacık var demişti. bu parçacık bunları birbirine bağlıyor. o yüzden bu oluyor. biz şu an bilmiyoruz ama bu işin içinde bir iş var.
bu abilerimiz geliştirdikleri deney düzenekleri ile böyle bir bağlantıya yol açacak gizemli bir parçacığın ya da herhangi bir x faktörün olmadığını gösterdiler. mutlak sıfır derecesine yakın olarak soğuttukları özel şeritlere tek tek foton gönderdiler. ve oluşan elektrik akımını ölçtüler. bu özel şeritler çoook düşük sıcaklıklarda süper iletken özelliği gösteriyordu. yani elektrik akımına karşı dirençleri sıfırdı. bir foton bu süper iletken şerite temas ettiğinde fotoelektrik etki uyarınca bir elektrik akımı oluşturuyordu. direnç sıfır olduğu için foton tam olarak bir elektrik akımına dönüşüyordu. kayıpsız ve karakteri hiç değişmeden. böylece fotonun enerji paketini analiz edilebilir hale getiriyorlar. lazer soğutma denilen yöntemle birbirlerine dolanık iki elektrondan biri soğutulup spini değiştiğinde, diğer elektronun da spinini değişiyorlar. bunu süper iletken şeritlerle ölçüyorlar ve bunun böyle olduğunu görüyorlardı. bu abilerimiz var olduğunu düşündüğümüz kuantum dolanıklığı kavramını, ölçülebilir, kullanılabilir hale getiren teknolojinin gelişmesini sağladılar. arada bilinmeyen, gizemli bir ek parçacığın olmadığını ispat ettiler ve ödülü kazandılar
peki bunun bize ne faydası var?
başka ne işe yarar bu teknoloji?
şu an o kadar uzağa gidemeyeceğimize göre çok da işe yarar bir buluş değil diye düşünüyor olabilirsin. yanılıyorsun. bu teknoloji ve keşif şimdiden hayatımızı değiştirmeye başladı. kuantum şifrelemede bu yöntem kullanılıyor. şöyle ki: şifrenin bir kopyası senin elinde kuantum dolanıklığına sahip halde süperpoze durumda güvenle duruyor. fakat kötü adamlar boş durmuyor. senin şifreni ele geçirmeye çalıştığı anda senin elindeki süperpoze haldeki şifrenin dalga fonksiyonu çöker. ve sen birilerinin şifreye müdahale etmeye çalıştığı anda bu durumdan haberdar olursun. 4 haneli pin kodunu deneme yanılma yoluyla bulmaya çalışıyoruz ya! kuantum şifrelemede daha ilk yanlış denemeyi daha yapmaya teşebbüs ettiğin anda ilk haneye dokunduğunda sistem bir saldırı olduğunu anlar ve sistem kendini kilitler.
isviçre'de elektronik ortamda yapılan bir seçimin güvenliğini sağlamak için kuantum şifreleme yöntemi bir güvenlik unsuru olarak denendi. ve başarılı oldu. kaynak
bu başka ne işimize yarar?
günün birinde çalışan bir kuantum bilgisayarımız olursa, dolanıklık kuantum bilgisayarlarının temel yapı taşı olacak. nobel ödülü kazanan bu abilerimiz kuantum dolanıklığını hem şüphe götürmeyecek bir gerçek olduğunu hem ispatladılar hem de pratik, hayatta kullanılabilecek öncü teknolojileri geliştirdiler. geliştirdikleri teknolojiler hala çok işlevsel değil. çok özel koşullarda çalışıyor. ama zaman içinde, teknolojinin ilerlemesi için bunun yapılabilir olduğunu bilmemiz çok önemli.
Diğer örnekler
"tüm bunları anladım. ama hala bu kuantum dolanıklığının çok işlevsel olduğuna inanmıyorum. şifreleme tamam. kuantum bilgisayarları tamam. çok uzaktaki yıldızdaki arkadaşlarla konuşmak, evet tüm bunlar güzel ama bence hala çok aşırı önemli değil. keşke bunlarla uğraşmak yerine kelliğe çözüm bulsalardı!" diyorsan sana bir başka kullanım alanı söyleyeceğim.
işitme engelli insanlara elektronik işitme cihazı takarak işitmelerini sağlayabildiğimizi biliyor olmalısın... kişinin organik kulağı çalışmıyor. ama dijital bir kulak, beynine gereken ses algısını gönderiyor. ve senin benim gibi konuşuyor. müzik dinliyor. beyin bu bilgi bana inorganik bir kulaktan geldi demiyor. elindeki bilgiyi işliyor.
peki, bu kişinin aynı zamanda kör olduğunu düşün. ve işitme cihazları kadar işlevsel yapay gözlerimiz olduğunu hayal et. bir kamera görüntüyü alıyor ve beyine gönderiyor. bu kişi hem gördüğü hem işittiği şeyleri organik olmayan inorganik araçlar ile elde eder. ama dünyayı algılaması, büyük bir meme gördüğünde hissettikleri, güzel bir müzik duyduklarına yaşadığı deneyim senin deneyimlerinle tıpa tıp aynısı olur.
peki biraz daha ileri gitsek?
koku tat, dokunma gibi diğer duyularımızı da algılayan araç setimiz olsa? boyundan aşağı felç olmuş yatağında yatan biri kör ve sağır biri, onu temsil eden bir robot dünyada onun yerine dolaşıyor. görüyor. duyuyor. kokluyor. dokunuyor ve tüm bunlardan elde ettiği bilgi yatakta yatan kişinin beynine geliyorsa, bu kişi yatağında yatar ama robotun içinde yaşar. peki bu robot 1 milyon ışık yılı uzaktaki bir galaksideyse ne olur?
bu sefer o kişi o galaksiye gitmiş, orada yaşamaya başlamış olur. ve bilgi kuantum dolanıklığı ile ışık hızı engeline takılmadan oradan buraya gelir. kişi yatağında yatarken elini kaldırdığı anda, robotun eli kalkar. gözünü kırptığı anda robot gözünü kırpar. eş zamanlı, aynı anda!
bu durumun seni bir anda yüzlerce ışık yılı öteye anında götürme faydasının yanında bir başka faydası daha var. senin yerine oradaki yıldızda dolaşan robotun başına göktaşı düştüğünde, sana hiçbir şey olmaz. robot ölür, sen hayatta kalısın. sonra gider kendine yeni bir robot beden bulursun.
yıldızlar arası uygarlık günün birinde var olacaksa, kuantum dolanıklığına mutlak şekilde ihtiyacımız var. bu, işin bilim kurgu boyutu...
konudan sıkılmadıysanız işin bilim kurgu ve magazinsel boyutunu bırakıp biraz da bilimsel yönüne geçelim
bu kuantum dolanıklığı nedir? ve neden böyle bir şey var? kuantum fiziği çok kuramsal bir konu olduğu için ben kuantum fiziğini fizik bilenlere değil sıradan insana anlatma misyonundaki biri olduğum için her şeyi görselleştirecek örneklerle açıklıyorum. bu metnin boyutunu artıyor ve okunmasını zorlaştırıyor ama bildiğim daha iyi bir yol yok. bu yüzden yine aynı şeyi yapacağım:
şimdi bir futbolcusunuz ve penaltı kullandınız. topa vurdunuz. ve top tam doksan olarak ifade ettiğimiz yere gittiğini düşünün. (sol köşe.)
top o anda penaltı noktasından 2.44 metre yükseklikte, 3.66 metre solda, 10.97 metre uzaklıktadır ve topun vurulduğu andan 0.2 sn sonra oraya ulaşmıştır. top uzay zamanda 4 ayrı koordinatın birleştiği yerdedir. x, y, z düzlemi + zaman. topun o an bulunduğu konumda o an hava dahil hiçbir şey yoktur. kaleci topu kurtarmış olsa bile kalecinin eli topun uzay zamanda kapladığı yerin içine girmez. topun dış yüzeyine temas eder. belli bir anda uzay zamanda belirli noktada tek bir madde var olabilir.
kuantum evreninde de benzer şey geçerli. bir elektron çekirdeğin etrafında dolaşırken 4 değişkene sahiptir. ve bu 4 değişken elektronu tanımlar. bu değişkenler n, l, mı, ms harfleri ile kodlanır:
ana kuantum sayısı
yörüngesel açısal momentum kuantum sayısı
manyetik kuantum sayısı
manyetik kuantum spin sayısı
bir çekirdeğin etrafında yer alan ve bu 4 değerin aynı olduğu hiçbir elektron var olamaz. topun belirli bir anda var olduğu bir yerde başka hiçbir şeyin var olamadığı gibi. şu ana kadar her şey sanırım anlaşılır. devam ediyorum... şimdi iki elektron hayal edelim: n, l, mı sayıları aynı sadece kuantum spin sayıları birbirinden farklı olsun. kuantum spin sayısı sadece ikidir: ya yukarıdan aşağı dönüyor, ya aşağıdan yukarı dönüyor.
bir atomun çevresinde 4 özellikten 3'ü aynı olan sadece spinleri farklı var olmaları mümkündür. bu varlıklarının imkansız olduğu tek durum ise, bu elekronların spinlerinin aynı hale gelmesidir. bu olasılık dışıdır. aynı metrobüs durağına birden çok otobüs gelir ve yolcu alır. ama aynı anda iki metrobüs aynı noktada olamaz. 4 değişkenden biri farklı olmalı. bu yüzden bu konumdaki elektronlar birbirine dolanık elektronlardır. 3 değişken aynıysa 4. değişken farklıdır. birisi negatif spinliyse, diğeri pozitif spinli olur. negatif spinliyi pozitif spinli hale getirirsek, pozitif spinli de negatif spninli hale gelir. ve bu iki elektronu alıp çok uzaklara taşısak bile bu durum değişmez. çünkü onlar var olma algoritmaları birbirinin tersi spinli olacak şekildedir. algoritmaları sen pozitif spinlisin, sen negatif spinlisin diye değil, sen dolanık olduğunun tersi spinlisin şeklindedir.
peki bu algoritma neden böyle?
mıknatısların bir eksi kutbu vardır, bir de artı kutbu. yanına başka bir mıknatıs geldiğinde mıknatıslar dolanık hale gelmezler. eksiyle eksi yan yana gelince birbirini iter, artılar çeker. iki tane birbirinin spini aynı olan elektronda bir araya gelince birbirini itsin ve aynı konumda (kuantum durumu demek daha doğru ama top metaforuyla anlattığım için konum ifadesini kullanıyorum) bulunamasınlar.
evet iyi bir fikir. ama bu fikir kuantum dünyasında işlemez. çünkü kuantum dünyasındaki parçacıklar gerçekte bir parçacık değil birer dalgadır. mıknatıs her zaman bir parçacık gibi davranır. ama elektronlar dalgadır. biz onları gözlemlediğimizde dalga durumu çöker ve bir parçacık gibi davranmaya başlar. dalgaların spini bulunmaz. yani elektronlar biz onları gözlemlemediğimiz sürece ne aşağıdan yukarı dönerler, ne yukarıdan aşağı dönerler. elektronlar dalga formundayken yüzde elli olasılıkla negatif spinli yüzde elli olasılıkla pozitif spinlidir. bu iki olasılık süperpoze oldukları halde bulunur. yarı ölü yarı diri, schrödinger'in kedisi durumu. fakat bu süperpoze durum büyük bir sorun meydana getirir. elektronlar tekil bir gerçekliğe sahip değil de tüm olasılıkların eş zamanlı varlığı halinde var olduğunda ve iki tane elektron birbirinin yanına yaklaştığında işler karışır.
3 değişkeni aynı sadece spini farklı olan elektron birbirlerine yaklaştığında, ikisi de hem negatif spinili hem pozitif spinli formlarının süperpoze hallerinde var olamazlar. çünkü var olan olasılıkların yüzde 50 si olması imkansız olasılıktır.
+ / +
-/- spinli olasılıklar imkansız durumlar.
+/-
-/+ spinli haller olanaklı
süperpoze halde bu ihtimallerin hepsi aynı anda var ise, bu elektronların var olması imkansız hale gelir. imkanlı hale muhalefet eden %50 imkansız hal var çünkü. ve iki hal eş zamanlı olarak geçerli.
bu kural tanımaz çelişki ortadan kalksın diye kuantum dünyasının fizik kurallarını yazan kişi, dolanıklık kavramını oluşturmuş. siz eş özellikli dalgasal yapılı kuantum parçacıkları, sizler dolanıksınız. ve varlığınız diğer varlığın spine bağlıdır demiş. ve kural koymuş, boşluğa bırakılan cisim yere düşer kuralı gibi bir kural koymuş: dolanık elektronların spinleri birbirinin zıttıdır. biriniz artısınız, birini eksi demememiş. siz birbirinizin zıttısınız demiş.
işte bu yüzde yüz birbirlerinin tersi durumda olmaları onları zamandan ve mekandan bağımsız olarak birini değiştirdiğinde diğerini tam zıttı yönde değiştirmeye yol açan gücü meydana getirir. garip ama gerçek... 2022 nobel fizik ödülü bu konuyu kanıtlayan ve pratik yöntemlerle işe yarar teknolojiler geliştirmeyi sağlayan ölçüm yöntemleri bulan 3 bilim adamına verildi.
hak etmişler mi?
bence çook hak etmişler.
not: sağlık ile ilgili paylaşım yaptığım instagram sayfama da beklerim.