• Evreni anlamaya çalışan fiziğin en büyük çıkmazlarından biri, gerçekliğin neden bu kadar kesin göründüğüdür. Kuantum fiziğinin belirsizliği ile gerçek dünya arasındaki bu vurucu fark herşeyin teorisinin peşinde olan bilim insanlarını farklı açıklamalara itiyor.

 

Gündelik dünyada nesneler yerli yerindedir. Bir masa aynı anda odanın iki ucunda bulunmaz. Bir kitap rafta durur. Bir saat ileri doğru işler. Oysa atomların ve atomaltı parçacıkların dünyasına indiğimizde bu kesinlik kaybolur. Kuantum mekaniğine göre bir parçacığın konumu, ölçülmeden önce tek ve belirli bir değer değil, olasılıklar bulutudur. Bir parçacık aynı anda birden fazla konumda bulunabilir; buna süperpozisyon denir. Ancak ölçüm yapıldığında bu olasılıklar ortadan kalkar ve sistem tek bir sonuca çöker.

Peki kuantum dünyanın belirsiz olasılıkları, nasıl oluyor da bizim yaşadığımız somut ve kesin gerçekliğe dönüşüyor?

1980’lerde Giancarlo Ghirardi, Alberto Rimini ve Tullio Weber, kuantum dalga fonksiyonlarının kendiliğinden çökebileceğini öne sürdü. Bu yaklaşım, ölçüm problemini yorumlarla değil fiziksel bir mekanizmayla çözmeye çalışıyordu. Daha sonra Macar fizikçi Lajos Diósi ve Oxfordlu matematikçi Roger Penrose, bu çöküşte yerçekiminin rol oynayabileceğini savundu.

Diósi-Penrose modelinin temel fikri şu: Bir kütleyi iki farklı yerde aynı anda süperpozisyona sokarsanız, bu kütle uzay-zamanı iki farklı biçimde bükmek zorunda kalır. Ancak klasik anlamda uzay-zaman buna izin vermez. Uzay-zamanın bütünlüğü, kuantum olasılıklarına karşı baskın gelir ve dalga fonksiyonu çöker.

Bu durumda küçük parçacıklar uzun süre süperpozisyonda kalabilir. Çünkü onların kütlesi çok küçüktür ve uzay-zaman üzerindeki etkileri zayıftır. Ancak kütle büyüdükçe süperpozisyonun ömrü kısalır. Büyük nesnelerin aynı anda iki yerde bulunamamasının nedeni, onların yerçekimsel etkilerinin kuantum belirsizliğini hızla yok etmesi olabilir.

Eğer bu doğruysa, gerçeklik dediğimiz şey, kuantum dünyanın sınırsız olasılıklarının yerçekimi tarafından budanmış halinden ibarettir. Başka bir deyişle, yerçekimi yalnızca cisimleri birbirine çekmez; gerçekliği de belirginleştirir.

Daha büyük süperpozisyonların peşinde…

Bu fikir uzun süre kuramsal düzeyde kaldı. Ancak son yıllarda deney teknolojilerindeki gelişmeler, giderek daha büyük nesneleri kuantum süperpozisyonuna sokmayı mümkün hale getirdi.

Tek tek atomlar, moleküller ve hatta binlerce atomdan oluşan nanoparçacıklar süperpozisyon deneylerine dahil ediliyor. Yakın zamanda yapılan bir deneyde 7 binden fazla atom içeren sodyum nanoparçacıklarıyla rekor kırıldı. Bu parçacıklar bazı virüslerden daha büyük yapılardı.

Ama Diósi-Penrose türü modelleri gerçekten test etmek için daha da büyük kütlelere ihtiyaç var.

Roger Penrose ve çalışma arkadaşlarının ilgilendiği bir deney çizgisi, atomları ya da daha büyük parçacıkları yerçekimi etkisi altında farklı kuantum durumlarına sokmayı hedefliyor. Ron Folman liderliğindeki bir ekip, rubidyum atomunu iki durumun süperpozisyonuna yerleştirdi: Bir durumda atom havada tutulurken, diğer durumda serbest düşüşe bırakıldı. Elde edilen girişim deseni, mikroskobik ölçekte süperpozisyon ilkesinin genel görelilikle uyumlu olduğunu gösterdi.

Fakat Penrose’a göre bu deneyler daha büyük kütlelere taşındığında farklı bir sonuç verebilir. Eğer bir nesne yeterince büyükse, süperpozisyondaki iki durumu arasında kendi yerçekimsel çekimini hissedebilir. Nesne hem burada hem orada olduğunda, kendi kütlesi iki olası uzay-zaman geometrisi yaratır. İşte o noktada kuantum girişim deseninin kaybolması beklenir. Bu kayıp, süperpozisyonun yerçekimsel öz-etkileşim nedeniyle çöktüğü anlamına gelebilir.

Bazı önerilerde nanoelmasların süperpozisyona sokulması gündemde. Eğer bu elmaslar yeterince büyük kütleye sahip olur ve iki mikrometre kadar ayrılabilirse, yerçekimsel çöküşün bir saniyeden kısa sürede gerçekleşebileceği hesaplanıyor. Bu tür deneyler henüz çok zor, ancak alanın yönünü gösteriyor.

Yerçekimi rastgele olabilir mi?

Yerçekiminin gerçekliği belirginleştirdiği fikrinin bir başka radikal versiyonu daha var: Belki de yerçekimi temel düzeyde rastgeledir.

Jonathan Oppenheim’in geliştirdiği post-kuantum yerçekimi yaklaşımı, yerçekimini kuantumlaştırmak yerine klasik ama rastgele bir alan olarak ele alıyor. Bu fikre göre mikroskobik ve makroskobik dünya aynı kurallarla çalışmak zorunda değildir; yine de birbirleriyle tutarlı biçimde etkileşebilirler. Oppenheim’in temel önermesi şudur: Yerçekimi alanı klasiktir. Geri kalan sonuçlar bu varsayımdan çıkar.

Bu modelde uzay-zaman pürüzsüz ve kesin değil, gürültülü ve dalgalıdır. Nesneler yerçekimi altında kusursuz çizgiler izlemez; yörüngelerinde temel, öngörülemez küçük salınımlar bulunur. Bu rastgelelik kuantum süperpozisyonlarını bozabilir. Böylece kuantum sistemlerin ölçümde neden rastgele sonuçlardan birine düştüğü de açıklanabilir.

Bu görüş herkes tarafından kabul edilmiyor. Bazı fizikçiler, rastgeleliğin kaynağı açıklanmadığı sürece sorunun yalnızca ertelendiğini düşünüyor. Ancak bu yaklaşımın güçlü yanı, deneysel olarak test edilebilir tahminler üretmesidir. Eğer yerçekimi gerçekten rastgele bir gürültü taşıyorsa, bu gürültünün maddede, ısıda, radyasyonda, sarkaç hareketlerinde ya da saatlerin hassasiyetinde iz bırakması gerekir.

Gerçekliğin sınırlarını test eden deneyler

Yerçekimsel çöküş ya da rastgele yerçekimi modellerini test etmek için bazı deneyler öne çıkıyor.

Birincisi, kendiliğinden yayılan radyasyonu aramak. Eğer rastgele bir yerçekimi alanı yüklü parçacıkları sürekli hafifçe sarsıyorsa, bu parçacıklar küçük miktarda radyasyon yaymalıdır. Araştırmacılar bu etkiyi saptamak için son derece iyi yalıtılmış ortamlarda malzemeleri inceliyor. Örneğin germanyum kristalleri kurşunla sarılıyor, yerin bir kilometreden fazla altına indiriliyor ve beklenmeyen ışık parlamaları aranıyor. Şimdiye kadar belirgin bir anormal radyasyon tespit edilmedi. Bu da bazı basit modelleri dışlıyor, ancak tüm çöküş teorilerini ortadan kaldırmıyor.

İkinci yol, sarkaçlar ve serbest düşen kütleler. Eğer yerçekimi alanı rastgele dalgalanıyorsa, çok hassas sarkaçların hareketinde açıklanamayan küçük sapmalar görülebilir. Benzer biçimde Avrupa Uzay Ajansı’nın LISA Pathfinder görevi, uzayda neredeyse kusursuz serbest düşüş halinde bulunan küçük metal kütleleri izleyerek bu tür rastgelelikler için çok sıkı sınırlar koydu.

Üçüncü yol ise zamanın kendisi. Eğer yerçekimsel gürültü maddeyi sarsıyorsa, saatlerin işleyişini de temel düzeyde etkileyebilir. Bu, bizi çok eski bir insan arayışına, zamanı daha iyi ölçme çabasına geri götürür.

Zaman da bulanık olabilir

Saatler insanlık tarihinin en önemli teknolojilerinden biridir. Kum saatlerinden mekanik saatlere, sarkaçlı saatlerden atom saatlerine kadar her gelişme, zamanı daha hassas ölçme arzusunun ürünüdür. Ancak yerçekimsel çöküş modelleri doğruysa, bu arayışın mutlak bir sınırı olabilir.

Nicola Bortollotti liderliğindeki bir ekip, yerçekimini içeren çöküş modellerinin zaman kavramı üzerinde zorunlu sonuçlar doğurduğunu gösterdi. Rastgele bir yerçekimi alanı maddeyi titretiyorsa, zamanı ölçme hassasiyetine de temel bir sınır koyar. Bu sınır, daha önce ölçülebilecek en küçük zaman aralığı olarak düşünülen Planck zamanından çok daha büyük olabilir.

Bu şu anki en iyi atom saatlerinin bile erişemeyeceği kadar küçük bir etki. Fakat saat teknolojisi ilerledikçe, gelecekte bu tür sınırlar test edilebilir hale gelebilir. Eğer belli bir hassasiyetin ötesinde saatlerin doğruluğu kaçınılmaz olarak bozuluyorsa, bu yalnızca teknik bir kusur değil, doğanın temel yapısından kaynaklanan bir sınır olabilir.

Bu durumda zaman, sandığımız gibi pürüzsüz ve mutlak bir akış olmayabilir. Çok küçük ölçeklerde zaman ölçümü rastgeleleşebilir. Bu da yalnızca kuantum mekaniğini değil, zaman kavramımızı da değiştirmemizi gerektirir.

Bütün bu çalışmalar henüz kesin bir sonuca ulaşmış değil. Yerçekiminin kuantum dalga fonksiyonlarını çökerttiği kanıtlanmış değil. Rastgele yerçekimi de hala tartışmalı bir öneri. Ancak bu fikirler fiziğin en temel sorununu deneysel alana çekiyor: Kuantum belirsizliği neden gündelik dünyada görünmez hale gelir?

Eğer yerçekimsel çöküş modelleri yanlış çıkarsa, bu da önemli olacaktır. Çünkü böylece kuantum mekaniğinin sınırları daha net çizilecek ve alternatif teoriler daraltılacaktır. Ama eğer deneyler beklenmeyen bir etki bulursa, bu modern fiziğin yönünü kökten değiştirebilir.

O zaman yerçekimi artık yalnızca gezegenleri yörüngede tutan, yıldızları şekillendiren, kara delikleri oluşturan kuvvet olarak görülmeyecek. Aynı zamanda kuantum olasılıklarını gündelik gerçekliğe dönüştüren temel mekanizma olarak anlaşılacak.