Bu ‘yanıltıcı derecede basit’ soru karşısında kuantum fiziğinin bulanık sularına doğru bir dalış yapmak gerekiyor.
Bedenlerimiz biz fark etmediğimiz zaman bile sürekli hareket ediyor. Güneş sisteminde sallanan bir gezegen üzerinde ilerliyor, yer değiştiren tektonik levhaların üstünde duruyor, otonom ve somatik fonksiyonlardan oluşan bir senfonide gece gündüz alçalıp yükseliyor ve bir o yana bir bu yana dönüyoruz. Bu durum her ne kadar baş döndürücü görünse de yaşam, temel yapı taşlarına (moleküllere) kadar sürekli hareket halinde.
Moleküller elektronları paylaşan atomlar şeklinde düşünülebilir. Yay biçiminde görselleştirilebilen elektronik bağlar oluşturuyor ve maruz kaldıkları ısı enerjisine tekabül eden bir ölçüde sallanıyorlar. Moleküller ne ölü ne de canlı olsalar da hareket etmeyi asla bırakmıyorlar; bilim insanları enerjilerini yapabildikleri kadar tüketmeye çalıştığında bile. Moleküllerin neden hiç hareket etmeyi bırakmadığının ayrıntılarına inmeden ve kuantum mekaniğinin temel tuhaflığında kaybolmadan önce, biraz daha kolay bir şeyi açıklığa kavuşturmamız gerekiyor: Sıcaklık nedir?
Gündelik hayatta rüzgarlı hava sizi iliklerinize kadar üşütebilir ve bir bardak sıcak çay dudaklarınızı ısıtabilir. Sıcaklıktan bahsettiğimizde bunu sıklıkla kendi konfor seviyemize, vücut ısıldüzenlemesine veya iklim değişikliğine göre yapıyoruz. Fakat mikroskop altı bir seviyede sıcaklık, bir cisim ya da bileşendeki moleküllerin ya da parçacıkların ortalama kinetik enerjisini ölçer. Ne kadar ısınırlarsa o kadar fazla hareket ederler; bu yüzden onları “durdurmak” için tüm ısı enerjilerini götürüp mutlak sıfıra veya 0 Kelvin’e ulaşmamız gerekir, değil mi?
Los Angeles – California Üniversitesinde çalışan yardımcı kimya profesörü Justin Caram, Popular Science ile yaptığı bir telefon görüşmesinde, “bir molekülü içinde bulunduğu ortamdan hiçbir zaman tamamen soyutlayamazsınız” diyor. “İster havadaki diğer moleküllere (veya atomlara) çarpıyor olsun, ister ışığı emip yeniden yayıyor olsun; her zaman içinde bulunduğu ortamla etkileşime giriyordur” diye ekliyor. “Cisimleri geçici şekilde soğutabilirsiniz ve bu sayede çok, çok, çok az hareket ederler; çok düşük bir sıcaklığı böyle tanımlarız, değil mi? Fakat kuantum mekaniği ilkelerinde, sistemdeki hareketin tamamını hiçbir zaman bütünüyle ortadan kaldıramazsınız.”
İyi ama… neden?
Bu noktada iş başında olan klasik ve tanıdık bir etmenle başlayalım: Gözlemci etkisi. Bu durumda bir şeyin sıcaklığını sadece ölçmeye çalışmak, o şeyin sıcaklığını etkileyebilir çünkü “bu molekül, ölçüm aparatı da dahil diğer şeylerle etkileşime girebilir” diye açıklıyor Southern California Üniversitesinde çalışan mühendislik, fizik ve gökbilim profesörü A. F. J. Levi, Popular Science‘a gönderdiği bir e-postada. Fakat belirsizlik ilkesi tabloya girdiğinde, kuantum mekaniğinde işler daha da tuhaf hale geliyor. Bu arada Levi, moleküler hareketle ilgili daha geniş kapsamlı sorumuzu “yanıltıcı şekilde basit” biçiminde adlandırıyor.
Moleküllerin nasıl hareket ettiğiyle ilgili konuştuğumuzda, bu hareketin “atomlar arasındaki kütle merkezine ve göreli harekete ayrılabileceğini” açıklıyor bilim insanı. “Molekül birbirine bağlanmış atomlardan oluştuğundan, en düşük enerji bağı içeren en az bir durumun var olduğu varsayılıyor (en düşük enerjili bir ‘temel durum’ olduğu fikri, deneyle gerekçelendirilen çok önemli bir varsayım).”
Levi şöyle devam ediyor: “Kuantum mekaniğinin matematiği, iletmez operatörlerin lineer cebiri şeklinde düşünülebilir ve bu durum doğrudan belirsizlik ilkesine öncülük eder. Belirsizlik ilkesi, bir molekülün en düşük enerji bağı durumunun aynı anda sıfır momentuma ve kesin, belirli şekilde ölçülen bir pozisyona sahip olmasına izin vermez. Fiziksel olarak bir molekülün konumunu ona moment vermeden kesin şekilde ölçmek imkansızdır.”
Levi’nin yanıtı ilk önce beynimi bulandırdı, bu yüzden Caram’ı ikinci kez telefonla arayıp konuyu biraz daha konuştum. Bu defa Heisenberg’in belirsizlik ilkesinin Kimya 101 seviyesindeki bir açıklamasını sundu.
“Belirsizlik ilkesi, konum ve momentin… Şey, burada matematiksel bir terim var. İletilmiyor diyorlar. Asıl anlamı ise bunları eş zamanlı şekilde ölçemiyor olmanız.” Caram’a göre bunun daha doğru şekilde ifade edilmesi pek ölçümle ilgili değil. Temelde “bir cisim her iki özelliği de aynı anda sergileyemez” diye açıklıyor.
Sebebiyse kuantum kuramının, yeterince yakından baktığınız zaman her şeyin bir dalga olduğunu söylemesi; parçacıklar dahil.
Telefonda dalga-parçacık ikiliğiyle alakalı varoluşsal triplere girerken, Caram birtakım kelimelerle beni rahatlatıyor: “Bu bahsettiğim şey kuantum mekaniğinin temel ve ciddi anlamda can sıkıcı tuhaflıklarından sadece biri” diyor Caram. “Maddeyi dalgalar şeklinde tanımlamamız gerekiyor. Yani tuhaf bir şey; bizim düşünmemiz çok bir anlam ifade etmiyor ama matematik ve gözlemler çözüm üretiyor.”
Caram’a, vücutlarımızda moleküler ve makro seviyelerde gerçekleşen bu daimi hareketi hiç düşünüp düşünmediğini soruyorum. Bana düşünmemeye çalıştığını söylüyor: “Vücutlarımızın yaptığı her şeyi düşünmek biraz huzursuz edici. Yani, bilmiyorum. Fazla düşünmemeye çalışıyorum çünkü bazen ‘Durduğu zaman ne olur?’ diye endişeleniyorum. Başka nasıl yanıt verilir bilmiyorum.”
Peki! Yeterli! Moleküler hareket, felsefenin ötesinde kuantum bilişimin bazen heyecan verici alemiyle de bağlantı kuruyor.
Caram, UCLA’da “çalıştığımız araştırma alanlarından birinin de mümkün olduğu kadar az hareket eden moleküller geliştirmekle ilgili” olduğunu söylüyor ve şöyle devam ediyor: “Belli ki, dediğim gibi bunun sınırı yok; yani temel sınırları. Fakat bu molekülleri ne kadar yavaşlatır ve hallerini kontrol ederseniz, bir nevi o kadar kuantum algoritma yapabilir ve kuantum bilgisayarları daha iyi çalışır hale getirebilirsiniz.”
İnsanlar moleküllerin hareketini hepten durduramasa da; onları büyük ölçüde yavaşlatma bakımından ilerleme kaydediyoruz. “Aslında Dünya’da, uzayın herhangi bir derinliğinden daha soğuk alanlar meydana getirdik” diyor Caram, “çünkü uzayın derinliklerine daima mikrodalga arka plan ışıması adı verilen bir şey nüfuz ediyor ve onun da bir sıcaklığı var.” (Bu sıcaklık yaklaşık -270,45 Celsius.)
Bunu şimdiye kadar bir laboratuvarda kaydedilen ve bir Kelvin’in 38 trilyonda biri (veya -273,15 derece Celsius) olan en düşük sıcaklıkla karşılaştırın. Almanya’da çalışan bilim insanları böyle bir marifeti dört sene önce birkaç saniyeliğine başardı. Bremen Üniversitesinde rubidyum atomlarını bir boşlukta hapsederek bir düşme kulesinde de yerçekimsiz ortamı taklit ettiler.
İnsanlar soğuğun sınırlarını zorlama yolunda büyük mesafeler katederken evren de soğuyor. Her türlü formda; “kinetik, kimyasal, nükleer veya başka tipteki belli bir enerji miktarıyla” doğduğunu söyleyen Caram, Büyük Patlama kuramından ve cisimlerin içinde bulundukları çevreyle ısı alışverişi yapma işlemi olan termalizasyondan bahsediyor. Kendisinin “çok felfesi” görüşüne göre “bu sonsuz, sınırsız zaman ölçeğinde evren genişledikçe, hepimizin yavaş yavaş cisimlerin gitgide daha az hareket ettiği bir zamana doğru yol aldığımızı” söylüyor ve bunun, “evrenin ısı ölümü olduğunu” açıklıyor Caram. Bu konuda endişelenmemem gerektiği çünkü günümüzde kafa yoracak daha acil şeyler olduğu konusunda da beni uyarmadan geçmiyor. Yine de Büyük Patlama’nın “ilk vuruşundan” sonra her şeyin dışa doğru yayıldığı fikri, Dünya üzerindeki yaşamlarımızın benzersiz ve derinlemesine bir şekilde aktif olduğunu akla getiriyor. (Tabi evren, ııı… bir şekilde daralmaya başlamadığı sürece.)
“Aslında yaptığımız şey, cisimlerin biraz daha hareket etmeye başlayıp karmaşıklık meydana getirdiği bir çeşit uç noktalı dalgalanma” diyor Caram; ta ki her şey dağılana kadar. “Fakat hareket hiçbir zaman tamamen durmayacak çünkü dediğim gibi hareket etmeyi asla bırakamazsınız.”
Yazar: Harriet Weber/Popular Science. Çeviren: Ozan Zaloğlu.
