Ana Sayfa Kuantum Felsefesi Karl Popper’in Kuantum Mekaniği Üzerine Görüşleri

Karl Popper’in Kuantum Mekaniği Üzerine Görüşleri

30
0

20. Yüzyılın en etkili düşünürlerinden biri olan Karl Popper, özellikle bilim ve siyaset felsefesi alanındaki çalışmalarıyla tanınmış ve eleştirel rasyonalizm gibi bilim felsefesine damga vuran görüşler geliştirmiştir. Elbette yapıtlarının çoğu bilim felsefesi üzerine olan bir filozofun, dönemin en tartışmalı bilimsel kuramlarından olan kuantum mekaniği üzerine çalışmalar yapmaması düşünülemez. Bu yazıda Karl Popper’in, bilime dair görüşleri çerçevesinde kuantum mekaniğine yönelik tutumu incelenecek ve önerdiği bakış açısının bugünkü geçerliliği sorgulanacaktır.

1902 yılında Viyana’da doğan Popper ortaokul yıllarından itibaren felsefeye ilgi duymaya başlamış, 1920li yıllardan itibaren de Viyana Üniversitesi’ndeki mantıksal pozitivistlerle ilişki kurarak akademik düzeyde felsefe çalışmaya başlamıştır. O dönem mantıksal pozitivistlerin temel çabası bilimden metafizik ve teolojik unsurları ayıklamak ve felsefeyi de bilimsel bir temele oturtmaktı. Bu amaç doğrultusunda savundukları görüş bilimsel bir önermenin ya mantıksal ya da deneysel olarak doğrulanabilir olması gerektiğiydi. Felsefe ise dil çözümlemeleriyle sınırlı kalmalı, bilimsel önermeleri dilsel ilişkiler çerçevesinde incelemeli, önermelerin net olmamasından kaynaklı oluşabilecek kafa karışıklıklarının önüne geçmeliydi. Bu çerçevenin dışında kalan uğraşlar ise anlamsız oldukları için bilim ve felsefeden dışlanmalıydı. Karl Popper de her ne kadar benzer bir amaç gütse de (kendi değimiyle fizikötesini bilimden dışlamayı amaçlasa da), düşüncesini mantıksal pozitivistler gibi deneysel doğrulama temelinde değil, deneysel yanlışlama temelinde oluşturmuştur. Buna göre bir kuramın bilimselliği, kuramı çürütebilecek olası gözlemlerin imkanıyla belirlenebilir. Bilimsel kuramlar da tekil gözlemlerin tümevarım yoluyla genellenmesiyle değil, genel kuralların tümdengelimsel bir şekilde sürekli test edilmesi ve yanlışlananların elenmesi yoluyla oluşturulur. Bu şekilde test edilecek genel kurallar bilim insanları tarafından rasyonel olmayan, sezgisel tarafı ağır basan bir süreç sonucunda ortaya atılabilir. Burada önemli olan kuramın nasıl test edileceğinin ve test sonuçları ne çıkarsa yanlışlanmış sayılacağının açık olmasıdır.

Görsel 2: Belirli bir pozisyondaki parçacık, çok sayıda düzlem dalganın toplanmasıyla elde edilen bir dalga paketi şeklinde ifade edilebilir.

Popper’in kuantum mekaniğine bakışı da bu genel görüşleriyle şekillenir. “Bilimsel Araştırmanın Mantığı” isimli kitabının kuantum mekaniğine ayırdığı dokuzuncu bölümünde kitap boyunca savunduğu görüşleri kuantum mekaniğine uygular. Popper’e göre Heisenberg atom mekaniğini temellendirirken deneysel olarak aynı anda ölçülemeyecek büyüklüklerin birlikte var olabilecekleri durumları kuramdan dışlamak istemiş, ancak bu temelden yola çıkarak oluşturmaya çalıştığı kuramı başarıyla sonuçlandıramamıştır. Heisenberg’in bu çabasına yönelik iki farklı yaklaşım vardır.

Birinci yaklaşıma göre fiziksel sistemlerde ölçülemeyen birtakım nicelikler olsa da bunlar gözlemlenememelerine rağmen varlıklarını devam ettirmektedirler. Örneğin konum ve momentumun aynı anda kesin olarak ölçülemeyeceğini belirten belirsizlik ilkesini göz önüne alırsak bu yaklaşımın savunucularına göre belirsizliğin sebebi ölçüm sırasında sistemin fiziksel etkilere maruz bırakılarak bozulmasıdır, dolayısıyla ölçüm yapılmadan önce tam kesinlikte konum ve momentum değerleri mevcuttur ancak sistemi bozmadan ölçme imkanı olmadığı için bunlar bilinememekte, yalnızca olasılıksal olarak ifade edilebilmektedir.

İkinci yaklaşıma göre ise bu tür ölçülemeyen niceliklerin varlığından söz etmek doğru değildir, çünkü fiziksel gerçeklikte bunların karşılığı yoktur, yani kesin konum ve momentum değerlerine sahip bir parçacıktan bahsetmek fiziksel olarak anlamsızdır. Bu nedenle ilke olarak bir parçacığın yörüngesi kestirilemez. Kopenhag yaklaşımının çıkış noktası olan bu ikinci görüşün temelinde dalga ve parçacık özelliklerinin ilişkisi yatmaktadır. Momentum dalga boyu ile ilişkili olduğu için tek bir dalga boyuyla ifade edilebilen düzlem dalga belirli momentuma sahip ancak çok geniş bir konum aralığına yayılmış bir fiziksel sistem olarak düşünülebilir. Bunun yanında çok sayıda düzlem dalganın toplanmasıyla daha küçük bir alana yayılmış dalgalar elde etmek de mümkündür, ki bu durumda da küçük bir konum aralığı çok sayıda momentum değerine karşılık gelmiş olur (Görsel 2). Bohr’a göre bunun anlamı evreni betimlemek için dalga ve parçacık özelliklerinin ikisine de ihtiyaç olduğu, yalnızca biri kullanılarak bu tür bir betimleme yapılamayacağı, bu nedenle de belirsizlik bağıntılarının bilgi eksikliğinden değil gerçekliğin içkin yapısından kaynaklandığıdır. Başka bir deyişle dalga kavramı aslında belirsizlikten kaynaklanan olasılıksal bir dağılımı ifade eder, yani örneğin momentumu kesin olarak bilinen bir parçacığın konumu ölçüldüğünde elde edilebilecek tüm olası sonuçlar dalga fonksiyonu tarafından içerilir.

Popper’e göre bu ikinci yaklaşım fizikötesi öğeler barındırmaktadır çünkü ilkesel olarak ölçüme kadar parçacığın konum ve momentumu istenilen kesinlikte hesaplanabilmekte, belirsizlik bağıntıları ancak ölçüm sonrasında geçerli olmaktadır. Heisenberg doğrudan gözleme dayanmayan bu hesaplamaların kestirimde kullanılabileceğini reddettiği ve ölçüm yapan gözlemcinin gözlemlenen sistemden ayrı düşünülemeyeceği şeklinde, Kant’ın evrendeki kendindeşeylerin bilinemeyeceği, ancak onların insan görüsüyle birleşmiş hallerinin algılanabileceği tezine benzer bir yaklaşımı savunduğu için belirlenimci olmayan bir fizikötesine kuramında yer vermektedir (gözlemcinin etkisi üzerine tartışmaları şurada okuyabilirsiniz). Bu fizikötesi görüşlerin kuantum kuramından dışlanması için de, kuramın olasılıksal yapısının yeniden değerlendirilmesi gerekmektedir.

Popper’e göre belirsizlik bağıntılarının izin verdiğinden daha kesin ölçümler kuantum mekaniğinin diğer ilkeleriyle ters düşmemektedir, dolayısıyla Heisenberg’in bu bağıntıları yorumlayışı kuramdan mantıksal olarak çıkan kesin bir kural değil, ek bir öngörüdür. Başka bir deyişle her ne kadar belirsizlik bağıntıları dalga denkleminden matematiksel olarak çıkarılabilse de bu bağıntılar ölçüm kesinliği üzerindeki bir kısıtlama olarak yorumlanmak zorunda değildir, bu şekilde de yorumlanmamalıdır. Esasında belirsizlik bağıntıları biçimsel olasılık önermeleridir, yani her ne kadar tekil olaylara atfedilen olasılıklar olarak görünse de aslında bir dizi olaydan çıkarılıp bu (ideal olarak sonsuz sayıda olay barındıran) olay dizisi göz önünde bulundurularak tanımlanabilir. Bu bağlamda belirsizlik bağıntıları tekil bir parçacığın konum ve momentumu arasındaki bir ilişkiden ziyade, bir parçacık kümesinden seçilen belirli bir özelliğe sahip (örneğin belirli bir konumdaki) parçacıkların bağıntıda belirtilen diğer özelliklerinin (bu durumda momentumlarının) istatistiksel dağılımı olarak yorumlanmalıdır. Popper’in bu tarz bir yorumu tercih etmesinin sebebi ise dalga denklemi istatistiksel olarak yorumlandığı için bu denklemden matematiksel olarak türetilen belirsizlik bağıntılarının da istatistiksel olarak yorumlanması gerektiğini düşünmesidir. Böylece tekil fiziksel deneylerde belirsizlik bağıntılarını ihlal edeceği düşünülen kesinlikte ölçümler, bu bağıntılar istatistiksel bir anlam taşıdığı, yani tekil sistemler için kesin bir sınırlama getirmediği için aslında bir ihlal yaratmayacaktır.

Görsel 3: Popper’in önerdiği ilk deney. a1 ve b1 doğrultularından gelen parçacıklar çarpışıp a2 ve b2 doğrultularına saçılıyorlar.

Bu noktada Popper belirsizlik ilkesinin sağlanmadığı durumlar olabileceğini göstermek için bir deney önerir. Bu deneye göre biri aynı momentumlu diğeri aynı konumdan gelen parçacıklardan oluşan iki demet çarpıştırılırsa belirli ölçümler yapılarak parçacıkların yörüngeleri kesin olarak belirlenebilir (Görsel 3). Ancak bunun için çarpışan parçacıklardan birinin hem momentumunun hem konumunun ölçülmesi gerekir, ki böylece diğer parçacığın konumu ve momentumu hesaplanıp parçacık çiftlerinin başlangıçtan itibaren tüm yörüngeleri belirlenebilsin. Popper tam da bu noktada hatalı bir yaklaşımda bulunarak art arda yapılan momentum ve konum ölçümleri sayesinde hem iki ölçüm arasında parçacığın izleyeceği yolun, hem de parçacığın ilk ölçümden önceki yörüngesinin hesaplanabileceğini savunur. Ancak herhangi bir momentum ölçümü konumda belirsizliğe yol açacağından bu şekilde ölçümlerle bir yörünge belirlenemez. Burada Popper’in düştüğü hatanın sebebi Heisenberg belirsizlik ilkesine yönelik yukarıda bahsettiğim iki yaklaşımdan ilkine yakın durmasıdır. Buna göre, eğer belirsizlik ilkesinin sebebi ölçüm sırasında parçacıklarla meydana gelen etkileşimse, parçacıkların özelliklerini ölçmek yerine, parçacık grubu arasından belirli özellikteki parçacıkları minimum etkileşimle seçersek bu tür bir belirsizlikten kaçınabiliriz. Böylece basit bir filtre kullanılarak yapılan seçim sonucunda elde edilen belirli momentumlu parçacıkların daha sonra konumları da ölçülürse, konum ölçümüne kadar parçacıkların izlediği tüm yol belirlenebilir.

1935 yılında Einstein, Popper’e yazdığı bir mektupla bu yaklaşımın tamamen hatalı olduğunu, belirli momentumlu bir dalga matematiksel olarak birçok konumun bir arada var olmasına denk geldiği için etkileşim minimum olsa dahi filtrenin konumu bulanıklaştıracağını açıklamış ve bugün EPR yaklaşımı olarak bildiğimiz kendi görüşünü sunmuştur. Popper, Einstein’in bu eleştirisini kabul etmiş ve bundan sonra Kopenhag yorumuna yönelik eleştirilerini EPR yaklaşımını temel alarak geliştirmiştir.

EPR yaklaşımında savunulan görüş belirsizlik ilkesinde bir arada istenilen kesinlikte var olamayacağı belirtilen değişkenlerin fiziksel olarak tam kesinlikte var olması gerektiği, bunun olmaması durumunda birtakım çelişkilerin ortaya çıkacağı ve bu nedenle de kuantum mekaniğinin fiziksel gerçekliği tam olarak yansıtmadığıdır. Basitçe açıklamak gerekirse iki kuantum sistemi etkileştikten sonra birinde ölçüm yapılırsa diğerinin dalga fonksiyonu da değişebilmektedir. Ölçümle eş zamanlı böyle bir değişim Einstein’a göre yerellik ilkesiyle çeliştiği için kuantum kuramı tam olamaz, yani henüz keşfedilmemiş birtakım gizli değişkenler, gerçekliğin tam bir betimlemesini yapmak için kurama dahil edilmelidir. Her ne kadar bu görüş başta Bohr olmak üzere birçok fizikçi tarafından kabul görmese de, Popper’e göre Kopenhag yorumunun terkedilmesi için yeterliydi. “Quantum Theory and the Schism in Physics” isimli yapıtında Popper açıkça Einstein’ın haklı olduğundan hiçbir şüphesi olmadığını, çoğu fizikçinin bunu kabul etmemesinin tek nedeninin Bohr’un yarattığı dogma üzerine kafa yormamaları olduğunu belirtmekteydi.

Bu noktada Popper kuramın olasılıksal yapısı hakkındaki görüşlerini bir miktar değiştirmiştir. Olasılık ifadeleri belirli olayların meydana gelme sıklığı olarak objektif veya bir bireyin olayın meydana geleceğine yönelik inanç derecesi olarak sübjektif şekilde yorumlanabilir. Popper’in Kopenhag yaklaşımına yönelik ilk saldırısı bu yorumun gözlemciyi işin içine katarak sübjektivist bir olasılık anlayışı içerdiğine yönelikken, artık sorunun kaynağının kuramdaki olasılık ifadelerinin objektivist ve sübjektivist yaklaşımların bir karışımı olarak yorumlanması olduğunu düşünmektedir. Bu bağlamda olasılığa doğru yaklaşımın meyil veya eğilim olarak Türkçeye çevrilebilecek “propensity” yaklaşımı olduğunu savunmaktadır.

Kendisi de objektivist bir yorum olan bu yaklaşımın diğer objektif yaklaşımlardan temel farkı olasılığı fiziksel sistemlerin belirli bir sonucu verme eğilimi olarak tanımlamasıdır. Standart objektivist yaklaşımda ise olasılık, bir olay defalarca tekrarlandığında belirli sonuçların ortaya çıkma sıklığı olarak tanımlanır. Kuantum mekaniği göz önünde bulundurulduğunda “propensity” yaklaşımının sağladığı avantaj, olasılığı bir olay dizisi üzerinden tanımlamayıp tekil olaylara olasılık atfetmeye fiziksel bir temel kazandırmasıdır. Böylece henüz keşfedilmemiş bazı fiziksel süreçlerin (gizli değişkenler) sonuçlar üzerinde etkili olmasına da imkân sağlanmış olacaktır.

1970’lerden itibaren EPR yaklaşımını test etmek üzere tasarlanmış deneyler gerçekleştirilmeye başlanmıştır ve sonuçlar Einstein’ın, dolayısıyla da Popper’in öngördüğünün tam tersi çıkmıştır. “Quantum Theory and the Schism in Physics” isimli kitabına sonradan yazdığı giriş notlarında Popper deneylerden çıkan sonuçların kendisi için beklenmedik olduğunu itiraf ederken deneylerin yanlış yorumlanmakta olabileceğini de eklemektedir.

Görsel 4: Popper’in önerdiği ikinci deney. Kopenhag yorumu doğruysa B yarığı kaldırılsa bile, A yarığından kaynaklı saçılmanın sağdaki detektörlerle ölçülebilmesi gerekir.

Buna göre orijinal EPR tartışmasında konum-momentum arasındaki belirsizlik ilişkileri kullanılırken, deneylerde farklı doğrultulardaki spin değerleri kullanılmıştır ve belirli bir doğrultuda spin ölçümü sırasında diğer doğrultulardaki spin değerleri değişeceği için bu ölçümlerin orijinal EPR deneyiyle aynı sonuçları vermemesi mümkündür. Buradan hareketle Popper konum ölçümüne dayanan başka bir deney önerir.

Görsel 4’te resmedilen bu deneyde ortadaki kaynaktan ters yönlere doğru salınan dolanık parçacıklar sağda ve solda bulunan yarıklardan geçerek yarıkların arkasında dizilmiş detektörler tarafından tespit edilir. Bu durumda parçacığı tespit eden detektörün konumu sabit olduğu için parçacığın konumu belirlenmiş olur. Yarıklar çok dar olursa konumun belirsizliği az olacağı için momentum belirsizliği çok olur ve parçacıkların en aşağıdaki ve en yukarıdaki detektörler tarafından tespit edilme olasılığı artar. Buradaki kritik nokta parçacıklar dolanık olduğu için Kopenhag yorumuna göre yarıklardan birinin genişliğini değiştirerek diğerindeki parçacığın ne kadar sapacağını etkilemenin mümkün olmasıdır. Popper bunun yapılabilmesi durumunda ışık hızından hızlı bir fiziksel etki gözlemlenmiş olacağı için görelilik teorisinin yanlışlanmış olacağını savunmaktadır.

Bu deneye yönelik getirilen en önemli eleştiri parçacıkları üreten kaynağın konum-momentum belirsizliğinin Popper tarafından göz ardı edilmesidir. Buna göre kaynağın konumunda belirsizlik olmazsa parçacıkların momentumlarındaki belirsizlik sonsuz olacak ve bu nedenle yarıklarda ekstra bir belirsizlik ortaya çıkmayacaktır. Kaynağın konumunda belirsizlik olması durumunda ise yarıklardan birinin diğerine göre daha dar olması, daha geniş olan yarıktaki parçacığın da daha fazla saçılmasına neden olacak, ancak bu saçılma sadece parçacıkların belirsizlik ilişkileri kullanılarak hesaplanandan daha az olacaktır. Kaynak için olan belirsizlik ilişkileri de hesaba katılırsa bu ikinci durumdaki saçılmanın ne kadar olacağı hesaplanabilir.

1999 yılında Popper’in ölümünden beş yıl sonra deney gerçekleştirilmiş ve kaynağın belirsizliğinin hesaba katılmaması nedeniyle saçılma, Popper’in öngörülerine uygun olarak, belirsizlik bağıntılarından hesaplanan değerden daha düşük çıkmıştır. Bu durum birtakım tartışmaları beraberinde getirse de sonunda, önceki paragrafta anlattığım sebeplerden dolayı, sonuçların kuantum mekaniği ile uyumlu olduğu ve kuantum mekaniğinin yapısında bir güncelleme gerektirmediği kabul edilmiştir.

Sonuç olarak, Karl Popper’in kuantum mekaniği üzerine görüşlerinin bugün savunulabilir olmadığı açıktır. Öngörülerinin aksine, dolanıklığın deneysel olarak gösterilmesiyle özel görelilik teoremi terk edilmemiş, tam tersi kuantum kuramıyla birleştirilmesiyle ortaya çıkan kuantum alan kuramı gibi teoriler bilim insanlarınca kabul edilmiştir. Hızı ışık hızını aşan etki sorunu, yine Popper’in karşı çıktığı şekilde bilgi iletiminin ışık hızından hızlı olamayacağı kabulüyle çözülmüş, ayrıca entropi gibi fiziksel niceliklere bilgi temelli yaklaşım da kabul görmeyi sürdürmüştür. Popper’in düşüncesini geliştirirken yaptığı başlıca hatalar bilime dair bir teoremi eleştirirken felsefi görüşlerini gereğinden fazla ön planda tutması (yeri geldiğinde kendi yanlışlanabilirlik ilkesini bile ihlal edecek düzeyde), kuramın yaratıcılarına karşı fazlasıyla saldırgan bir tutum takınması (ki kendisi daha sonra bu konuda özeleştiri de yapmıştır), önerdiği ilk deneyde görüldüğü üzere kuramı tam olarak anlamadan kuram üzerine yorum yapması şeklinde sıralanabilir. Bunlara rağmen Popper’in görüşleri kuantum kuramının temel varsayımlarını ve bu varsayımların yol açtığı tartışmaları yansıtması açısından üzerine düşünmeye değerdir.

Bu içerik Yalın Başay tarafından QTurkey adına kaleme alınmıştır.

Yazıyı Medium hesabımızda görüntülemek için buraya tıklayınız.

Kaynaklar ve İleri Okuma

[1] Bilimsel Araştırmanın Mantığı – Karl Popper.

[2] Can the quantum mechanical description of physical reality be considered complete? – Albert Einstein, Boris Podolsky, and Nathan Rosen.

[3] Quantum Theory and the Schism in Physics – Karl Popper.

[4] Understanding Popper’s Experiment – Tabish Qureshi.

[5] Experimental Realization of Popper’s Experiment: Violation of the Uncertainty Principle? – Yoon-Ho Kim & Yanhua Shih.

Bu içeriği paylaş
Önceki İçerikAraştırmacılar, Donmuş Tardigradın Tarihteki İlk ‘Kuantum Dolaşmış’ Hayvan Olduğunu İddia Ediyor.
Sonraki İçerikZAPATA UK Entity’nin Lansmanı ile Kuantum Yazılım Geliştirmede Küresel Liderliğini Genişletiyor
QTurkey, Türkiye’deki kuantum teknolojileriyle ilgili faaliyetler için bir iletişim ve işbirliği ağıdır. “Kuantum Programlamaya Giriş” çalıştayları düzenliyor, ilgili konulardaki ilgili öğrenciler için çalışma grupları ve toplantılar organize ediyoruz ve ülke düzeyinde kuantum meraklıları için bir buluşma alanı oluşturabilme amacıyla hareket ediyoruz.

CEVAP VER

Lütfen yorumunuzu giriniz!
Lütfen isminizi buraya giriniz