Bir tren istasyonunda durduğunuzu ve yanınızdan geçen bir tramvayı izlediğinizi hayal edin. Tramvaydaki bir kız parlak kırmızı bir top düşürüyor. Kız için top doğrudan aşağıya doğru düşmektedir. Ancak platformdan baktığınızda, topun tramvayın zeminine düşmeden önce bir yay çizdiğini görürsünüz. İkiniz de aynı olayı gözlemliyorsunuz, ancak biri tramvaya, diğeri platforma sabitlenmiş farklı referans çerçevelerinden.
Referans çerçeveleri fikrinin klasik fizik tarihinde önemli bir geçmişi vardır: Isaac Newton, Galileo ve Albert Einstein, hareket çalışmalarında bunlara dayanmışlardır. Bir referans çerçevesi esasen bir koordinat sistemidir (bir sıfır noktası veya “orijin” ile ilgili olarak konumları ve zamanları belirtmenin bir yolu) ve kendisi de hareket halinde olabilir. Einstein, uzay ve zamanın evrenin sabit arka planları olmadığını, aksine esneyebilen, ezilebilen ve eğrilebilen elastik varlıklar olduğunu ortaya koyan görelilik teorilerini geliştirmek için referans çerçevelerini kullanmıştır.
Ancak kuantum fiziği referans çerçevelerini büyük ölçüde göz ardı etmektedir. Kuantum fiziğindeki birçok deneydeki kurgusal gözlemciler Alice ve Bob, genellikle farklı fiziksel konumlarda bulunur, ancak ortak bir referans çerçevesine sahip oldukları varsayılır. Bu varsayım artık geçmişte kalıyor. Fizikçiler, Alice’in bağlı olduğu referans çerçevesinin (tramvay ya da peron gibi) aynı anda birden fazla olası konumda bulunabileceğini ya da Bob’un zamanı ölçmek için kullandığı saatin kuantum belirsizliğine tabi olabileceğini göz ardı edemeyeceklerini fark etmektedirler.
“Kuantum dünyasında, referans çerçeveleri [aynı zamanda] kuantum teorisinin formülasyonu ile tanımlanmalıdır,” diyen İsviçre Federal Teknoloji Enstitüsü Zürih’teki teorik fizikçi Renato Renner, bu düşünceyi desteklemektedir.
Bu yıl yayımlanan bir makalede, Viyana Üniversitesi ile Kuantum Optiği ve Kuantum Enformasyonu Enstitüsü’nden (IQOQI) fizikçi Časlav Brukner ve meslektaşları, kuantum referans çerçevelerinin süperpozisyon ve dolaşıklık gibi uzun süredir incelenen kuantum fenomenlerine yeni bir bakış açısı getirdiğini gösterdi. Bu bulgular, Renner’in kuantum referans çerçevelerinin, kuantum düşünce deneylerinde ortaya çıkan bazı garip paradoksları çözmeye yardımcı olabileceğini düşünmesine yol açtı.
Daha da iddialı bir şekilde, Brukner ve meslektaşları, kuantum referans çerçevelerinin mantığını düşünmenin, kütleçekimi diğer temel kuvvetlerle aynı teorik çerçeveye dahil etmeye çalışan bir araştırma programı olan kuantum kütleçekim hakkında yeni içgörüler sunabileceğini ummaktadırlar.
Kuantum referans çerçevelerine yapılan bu yeni girişimle, Renner, “Çok büyük bir şeyin sadece başlangıcındayız” diyor.
Bulanık Konumlar
Kuantum referans çerçeveleri kavramı ilk olarak 1984’te tanıtıldı; ancak 2019 civarında birden fazla grup bu fikri yeniden canlandırdı ve bu durum yakın zamandaki çalışmalarda büyük bir ivme yakaladı Bu tartışmalar, bize iki temel kuantum özelliği hakkında düşünme biçimimizi değiştirmemiz için meydan okuyor: Süperpozisyon, yani bir nesnenin aynı anda birden fazla olası durumda bulunabilmesi, ve Dolaşıklık, yani farklı parçacıkların tek bir kuantum durumunu paylaşması; bu kuantum durumunda, bir parçacığın ölçülmesi, aralarındaki mesafe ne olursa olsun diğerinin durumunu anında belirler.
Nasıl olduğunu görmek için iki referans çerçevesini düşünelim; bunlara A ve B diyelim. A’nın orijininin, çeşitli konumlarda bulunma olasılıklarına sahip bir kuantum nesnesine bağlı olduğunu varsayalım. B’nin perspektifinden, A’nın konumu bir bölgeye yayılmış gibi görünür. Ancak A’nın perspektifinden, B’ye olan mesafe dağılmıştır. Bu durum A’ya B’nin süperpozisyonda olduğu izlenimi verir.
Dahası da var. Peki ya B de iki konumun süperpozisyonunda olan bir kuantum nesnesine bağlı ise? O zaman A’nın kuantum durumu, B’nin olası konumlarına bağlı olarak iki farklı şekilde dağılmış olur. Çünkü B’nin kuantum durumunu belirlemek, A’nın durumunu belirler; bu durumda A ve B dolaşık hale gelir.
Yukarıdaki örnekte, kuantum sistemlerinin iki temel özelliği olan süperpozisyon ve dolaşıklık, referans çerçevesine bağlı olarak değişşmektedir “Ana mesaj şu ki, çok önemli olduğunu düşündüğümüz ve bir bakıma mutlak kabul ettiğimiz pek çok özellik aslında ilişkiseldir (görecelidir)”, diyor yakın zamanda yayımlanan makalenin ortak yazarlarından biri olan Anne-Catherine de la Hamette.
Etkinliklerin sırası bile kuantum referans çerçevelerinin titiz kurallarına boyun eğmektedir. Örneğin, bir referans çerçevesinden, bir dedektörün tıklamasını belirli bir zamanda gerçekleşirken gözlemleyebiliriz. Ancak başka bir referans çerçevesinden, tıklama başka bir olaydan önce ve sonra gerçekleşiyormuş gibi süperpozisyonda görünebilir. Tıklamayı belirli bir zamanda mı yoksa farklı olay sıralarının süperpozisyonu şeklinde mi gözlemlediğiniz, seçtiğiniz referans çerçevesine bağlıdır.
Kütleçekime Giden Basamak
Araştırmacılar, kütleçekimin kafa karıştırıcı doğasını anlamak için bu değişen kuantum perspektiflerini kullanmayı ummaktadırlar. Einstein’ın genel görelilik kuramı (klasik bir kütleçekim teorisi olarak) kütleçekimin, büyük bir cismin uzay-zaman dokusunu bükmesi olduğunu söyler. Ancak cisim, iki konumun süperpozisyonunda ise uzayzaman nasıl bükülecek? Brukner grubundan bir araştırmacı ve yeni makalenin ortak yazarlarından biri olan Viktoria Kabel, “Bunu olağan kuantum fiziği ve kütleçekim teorileri ile cevaplamak çok zor,” diyor.
Ancak orijini süperpozisyonda olan bir referans çerçevesine geçtiğinizde, büyük kütleli nesne belirli bir konuma gelebilir. Böylece, cismin kütleçekim alanını hesaplamak mümkün hale gelmektedir. Kabel, “Uygun bir kuantum referans çerçevesi bularak, çözemediğimiz bir problemi, bildiğimiz standart fizik kurallarıyla çözülebilen bir probleme dönüştürebiliriz,” dedi.
Böyle bir perspektif değişikliği, son derece küçük kütleleri süperpozisyonlara koymayı amaçlayan gelecekteki deneyleri analiz etmek için faydalı olabilir. Örneğin, Oxford Üniversitesi’nden fizikçiler Chiara Marletto ve Vlatko Vedral, iki adet kütleyi birer ikili-konum-süperpozisyonu durumuna sokmayı ve sonra bu durumun kütlelerin kütleçekim alanlarını nasıl etkilediğini incelemeyi önermişlerdir. Kuantum referans çerçevelerini resmi olarak tanımlama çabaları, kütleçekim ile kuantum teorisi arasındaki ilişkiyi araştırmaya yardımcı olabilir; bu, kuantum kütleçekim teorisine giden önemli bir basamaktır.
Renner, kuantum referans çerçevelerinin kuantum fiziğinin temellerini aydınlatmada da merkezi bir rol oynayabileceğini düşünüyor. Birkaç yıl önce, o ve meslektaşı Daniela Frauchiger, mantıksal bir çelişki yaratan bir kuantum düşünce deneyi tasarladı. Ortaya çıkan paradoks, fizikçilerin dünyamızla ilgili çok kabul görmüş yaygın kavramların en az birinden vazgeçmek zorunda kalmaları gerektiğini ima ediyor; örneğin, kuantum teorisinin evrensel olduğu ve yalnızca atomlara değil, aynı zamanda insanlara da uygulandığı düşüncesi gibi.
Ancak Renner, bu paradoksun temelde fizikçilerin referans çerçevelerini dikkatlice hesaba katmamış olmalarından kaynaklandığını düşünüyor. Renner, henüz kimse bu veya diğer düşünce deneylerini kuantum referans çerçevelerini kullanarak nasıl yeniden formüle edeceğini bulamadı, ancak bunu yapmak “büyük olasılıkla bizi paradoksların çözümüne götürecektir” dedi.
Bu kolay olmayacak, çünkü kuantum referans çerçeveleri birçok çözülmemiş sorunla birlikte geliyor. Örneğin, klasik referans çerçevelerinde, bir çerçeveden diğerine bakış açınızı değiştirdiğinizde, bu dönüşüm tersine çevrilebilir: orijinal bakış açınıza geri dönebilirsiniz. Bunun şu anda kuantum referans çerçeveleri ile evrensel olarak mümkün olup olmadığı belirsizdir.
Ayrıca, bu noktada kuantum referans çerçevelerini tanımlamanın ve bunlar arasında dönüşüm yapmanın standart bir yöntemi yok. Farklı fizikçi grupları farklı yaklaşımlar benimsemektedir. Renner, “Hepsi ilk bakışta mantıklı görünüyor, ancak birbirleriyle eşdeğer değiller,” diyor.
Nihayetinde, kuantum referans çerçeveleri kuantum dünyasını anlamlandırmak için gerekli olabilir.
Çeviren: Hatice Etlik
Redaktör: Deniz Adıgüzel, Büşra Arslan
Bilimsel Redaktör: Saba Bozpolat
Kaynaklar
- https://www.quantamagazine.org/in-the-quantum-world-even-points-of-view-are-uncertain-20241122
- https://www.wired.com/story/in-the-quantum-world-even-points-of-view-are-uncertain/
- https://www.quantamagazine.org/frauchiger-renner-paradox-clarifies-where-our-views-of-reality-go-wrong-20181203/
Görsel Kaynak
- DALL·E 2
