Parçacıklar Gerçekten Aynı Anda İki Yerde Olabilir mi?

İle Sabine Hossenfelder

Aşağıdaki, Kayıp Uzay-Zaman bültenimizden bir alıntıdır. Her ay, klavyeyi bir veya iki fizikçiye, evrenin kendi köşesinden büyüleyici fikirleri size anlatması için veriyoruz. Kayıp Uzay-Zaman’a kayıt olabilirsiniz. burada.

Kuantum dünyası garip bir yer. Bir cisme bakarsan değişir. Ne kadar hızlı hareket ettiğini bilirseniz, nerede olduğunu bilemezsiniz. Geçmişte yapılan ölçümler görünüşte daha sonra silinebilir. Parçacıklar bazen dalgalardır ve aynı anda iki yerde olabilirler. Kediler hem ölü hem de canlı olabilir. Bunlar hakkında konuşurken söylediğimiz şeyler kuantum dünyasıama gerçekten olan bu mu?

Kuantum mekaniği inanılmaz derecede iyi kurulmuş bir teoridir. Şimdiye kadar maruz kaldığı her testi geçti. Geçen yüzyılda gördüğümüz teknolojik ilerlemenin çoğunun altında bu yatıyor, çünkü bize kuantum mekaniğinin nezaketiyle gelen ayrık enerji seviyeleri olmasaydı elektronik nasıl olurdu? Matematiğe sahibiz ve onu nasıl çalıştıracağımızı biliyoruz, ancak bir asırlık tartışmadan sonra bile kuantum mekaniği matematiğinin ne anlama geldiğini bilmiyoruz.

Bir örnek alalım: parçacıkların aynı anda iki yerde olabileceği fikri. Aynı anda bir yerde olan parçacıkları biliyoruz – örneğin bir ekrana çarpan ve bir nokta bırakan bir elektron. Bu parçacıklar, beklediğimiz gibi, kuantum mekaniğinde denklemlerin olası bir çözümü olarak ortaya çıkıyor.

Ancak kuantum mekaniği doğrusal bir teoridir, yani belirli yerlerde parçacıklar varsa, o zaman bu parçacıkların toplamları da vardır. Biz bu tutarlara “süperpozisyonlar”. Ve bir yerde parçacık artı başka bir yerde aynı parçacık nedir? Bu iki parçacık değil – bu bir toplamla değil, bir ürünle tanımlanacak. Bir toplamımız varsa, bunun her iki yerde de bulunan bir parçacık olduğunu söyleyebilir misiniz? Eh, birçok kez söylendi, bu yüzden tartışmasız bir kişi olabilir.

Ancak, gözlemlediğimiz şeyi açıklamak için ihtiyacımız olan bir matematik parçası dışında süperpozisyonun ne olduğunu bilmiyorum. Süperpozisyonlara ihtiyacımız var çünkü parçacıklara dalga benzeri özelliklerini veriyorlar. Suya müdahale eden dalgaları gördüğümüzde – bir tepenin bir çukurla birleştiği yeri iptal ederek – bu kuantum olmayan bir etkidir, fizikçilerin dediği gibi “klasik” bir etkidir. Ancak, tek parçacıkların kendi kendilerine müdahale edebileceği ortaya çıktı. Bir plakadaki iki ince yarıktan ayrı bir ışık parçacığı veya foton gönderdiğimizde – çift ​​yarık – beklendiği gibi ekranda plakanın arkasında bir nokta görüyoruz. Ancak bunu birçok foton için yapmaya devam edersek, tek tek noktalardan oluşan bir girişim deseni görürüz (aşağıdaki resme bakın).

Bu modeli açıklamamızın tek yolu, her parçacığın biri sol yarıktan diğeri sağdan geçen iki yolun toplamı – bir süperpozisyon – olmasıdır. Öyleyse neden parçacığın her iki yöne de gittiğini söylemeyelim?

Bu sözü sevmememin iki nedeni var. Birincisi, iki yolun üst üste binmesinin uzayda bir şey olmadığıdır. adı verilen soyut bir matematiksel yapıya aittir. Hilbert uzayı. Sadece fiziksel uzayda analogu yok. Bu yüzden onu tarif edecek güzel kelimeler bulamıyoruz. Bildiğimiz dünyaya ait değil; tamamen başka bir şeydir.

Bu süperpozisyonlarla ilgili diğer sorun, matematikte var oldukları halde onları gözlemlemememizdir. Bir parçacığı gözlemlediğimizde, ya bir yerdedir ya da değildir. Gerçekten de, fotonun hangi yarıktan geçtiğini ölçersek girişim deseni ortadan kalkar. Ve bir parçacığın bunu yaparken hiç görmediğimizde gerçekten her iki yöne de gittiğini söylemenin amacı nedir?

Bu nedenle oldukça sıkıcı gerçek şu ki, süperpozisyonlar belirli özelliklere sahip matematiksel yapılardır. Bu hiç deneyimlediğimiz bir şey değil ve bu nedenle tüm analojiler ve metaforlar başarısız oluyor. Kuantum dünyası bize “garip” ve “tuhaf” görünüyor çünkü onu günlük deneyimlerimize gönderme yapan kelimelerle açıklamaya çalışıyoruz. Bu nedenle, sırıtmalarından ayrılabileceği iddia edilen kediler hakkında kafa karıştıran popüler bilim makalelerini veya sözde bunu gösteren deneyleri okuyorsunuz. gerçeklik yok. Bu makaleler bana sizin için olduğundan daha anlamlı gelmiyor – çünkü gerçekten mantıklı değiller.

Burada itiraf etmeliyim ki ben çok enstrümantalistim. sanmıyorum ki matematik teorilerimizin bir kısmı gerçektir – bunun doğayı tanımlamak için kullandığımız bir araç olduğunu söylemekten ve onu burada bırakmaktan rahatım. Doğru tahminler sağlayan araçlar oldukları sürece, soyut matematiksel uzaylarda yaşayan süperpozisyonlarla hiçbir tartışmam yok – ki öyle yapıyorlar.

Ama aynı zamanda bir bilim yazarıyım ve bu yüzden sorunun farkındayım: şüphelenmeyen okuyucuya matematiksel tanımları yığmak, bir izleyici kitlesi oluşturmak için umut verici bir yol değil. Okuyucuları kaybetmeye razı olsak bile, matematikte neler olup bittiğini açıklama amacımıza yardımcı olmaz. Bu yüzden, manşetlere konu olan sırıtan kediler ve diğer saçmalıklar için süperpozisyonlar veya Hilbert boşlukları gibi doğru tanımlamalardan vazgeçiyoruz. Bu bilmeceden kurtulmanın kolay bir yolu yok. “” ifadesini kullandığımı ve muhtemelen kullanmaya devam edeceğimi kabul ediyorum.aynı anda iki yerde”. Çünkü en azından izleyicilerim buna aşina, ki bu bir şeye değer.

Yine de arada bir, matematiksel ifadeleri gündeme getirmemiz gerektiğini düşünüyorum, böylece uzun vadede okuyucularımız bunlara alışsın. Daha önce de oldu: Elektrik ve manyetik alanlar, hatta elektromanyetik radyasyon hakkında konuşmaya alıştık. Bunlar aynı zamanda doğrudan deneyimimizin dışında kalan soyut matematiksel varlıklardır. Fakat elektromanyetizma eğitimimizin o kadar temel bir parçası haline geldi ki rahat rahat konuşuyoruz.

Matematiksel yapıların iyi bir sözlü açıklamasının olmamasının bir gizem olduğunu varsaymamamız için başka bir neden daha var, o da kuantum mekaniğinin sahip olduğu gerçek problemlerden dikkati dağıtmasıdır. Fizikçi David Mermin’in ifade ettiği gibi, beni çenesini kapatan ve hesap yapan biri olarak aşağılamış olabilirsin. Ve haklı olurdun. Ama tam da bu yüzden kuantum mekaniğiyle ilgili bir sorunum var. Kuantum mekaniği bize bir ölçüm eyleminde ne olduğunu söyler, ancak ölçümün ne olduğunu açıklamaz. Onu hesaplayamayız. Yine de kuantum etkilerini ortadan kaldıran şeyin bir ölçüm olduğunu biliyoruz.

Kuantum etkilerinin nasıl ortadan kaybolduğunu anlamadığımızı Erwin Schrödinger, ünlü kedi düşünce deneyi. Schrödinger, hem bozunan hem de bozulmayan bir atomun, bir toksinin salınımını tetiklemek için kullanılabileceğini ve bu durumda her ikisinin de kediyi öldürüp öldürmediğini öne sürdü. Bu argüman, bir ölçüm eylemi olmadan süperpozisyonların makroskopik boyuta yükseltilebileceğini göstermektedir. Ama ölü ve diri kedileri gözlemlemiyoruz, peki ne veriyor?

Bu bilmeceye verilen standart cevap, kedinin sürekli olarak ölçülmesidir. Bizim tarafımızdan değil, hava molekülleri ve hatta kozmik mikrodalga arka planındaki radyasyon tarafından. Bu ölçümler, yani hikaye devam ediyor, kuantum etkileri çok hızlı bir şekilde ortadan kaldırıyor. Ama bu gerçekten sadece matematikte doğmamış bir hikaye. Benim gibi kapa çeneni ve hesap yapan biri için bu gerçekten de gerçek bir problem.

Bu nedenle, bence, medyada kuantum woo’nun çoğalması, kuantum mekaniğinin kalbindeki gerçek sorundan uzaklaşıyor: bir ölçümün ne olduğunu bilmiyoruz. Kuantum mekaniği garip, evet. Ama olduğundan daha tuhafmış gibi davranmayalım.

Sabine Hossenfelder, fiziğin temelleri hakkındaki anlayışımızı araştırma konusunda uzmanlaşmıştır. Popüler YouTube kanalına ev sahipliği yapıyor Gobbledygook olmadan bilim ve son kitabı, Varoluşsal Fizik: Bir bilim insanının hayatın en büyük sorularına yönelik kılavuzu, Ağustos ayında İngiltere, ABD ve Kanada’da çıkıyor. Uzay-Zamanda Kaybolmuş mektubu kuantum fiziğinin merkezi bir ilkesini benimsiyor: Parçacıklar gerçekten aynı anda iki yerde olabilir mi?