Kuantum Mekaniğine Bohm Alternatifi

Geçmiş dört onyılın büyük kısmında ihmal edilen bu teori, kuantum mekaniğinin standart formülasyonunda örtük olarak bulunan gerçekliğin olasılıkçı, öznelci resmine meydan okur.

David Z. Albert

Çeviri: Sina Güneyli

Temel bir kuantum doktrinine göre, bir ölçme ölçülen özelliğin daha önceden varolan bir değerini ortaya çıkarmaz. Tersine, bir ölçmenin sonucu, incelenen sistemin ve inceleyen aygıtın durumlarının birleşik ifadesi olarak ölçme eyleminin etkisiyle ortaya çıkar. Bir tekil ölçümün özel sonucunun nasıl ortaya çıktığı -Heisenberg’in “olanaklı’dan gerçeğe geçişi”- özsel olarak bilinemez. Yalnızca böylesi pek çok karşılaşmanın istatistiksel dağılımı bilimsel araştırma için uygun malzeme olabilir.

Kuantum mekaniğinde, ölçüm aygıtı, etkidiği sistemi bozar. Ancak yine de çok sayıda şeyi karıştırırken daha önceden varolan bir özelliğin değerini açığa çıkaran bir ölçüm düşünülebilir. Buna karşı belirsizlik ilkesinin belli önemli fiziksel özellik gruplarının birlikte değerlerini yasakladığı söylenebilir. Belirsizlik ilkesi, yalnızca, tüm bu özelliklerin keskin bir biçimde tanımlandığı bir sistemler bütününün hazırlanması olanağını yasaklar; bu bütünün tekil üyeleri hakkındaki herhangi bir ifadeyi yasaklar. Sorun, önceden bu değerlerin ne olacağını öndiyen yasaların olup olmadığı değil, tekil sistemlerin özelliklerinin, bu özellikleri açığa çıkaran ölçme eyleminden önce değerlere sahip olup olmadığıdır.

Atomaltı görüngülerin fiziksel ölçümlerindeki belirsizlik, basitçe, herhangi bir anda bir elektronun kesin konumunu ve hızını bilemeyeceğimizi söyler. Elektronun herhangi bir anda belirli bir konuma ve hıza sahip olmadığını söylemez. Doğa bizim onların her ikisini aynı anda bilmemizi engeller, buna rağmen, konum ve hız gibi özellikler eşzamanlı değerlere sahip olamaz mı? Böylesi, bireysel sistemlerin özelliklerinin ölçme eylemiyle ortaya çıkartılan önceden varolan değerlere sahip olduğu, daha derin betimleme düzeyleri oluşturma çabaları gizli-parametre programları olarak bilinir. Bir gizli-parametre teorisinin geliştirilmesinde başarı sağlanabilirse kuantum mekaniği daha ayrıntılı ve daha derin bir biçimde anlaşılacaktır.

Bir gizli parametre teorisi bu tür değerlerin olduğu iddiasından başka bir şey içermiyorsa, kuantum teorisi deneysel verilerin bu iddiayı yanlışlayabileceği bir durumu üretemez. Çünkü kuantum teorisi bireysel sistemlerde ne olduğu konusunda sessiz kalmaktadır.

John von Neumann, 1932 yılında, gizli-parametre teorilerinin geliştirilemeyeceğine dair bir kanıt vermiştir. John Bell, 1966 yılında, bu kanıtın ancak “aptalca” olarak tanımlanabilecek olan bir varsayıma dayandığını gösterene kadar otuz yıldan uzun bir süre geçmiştir. Bell, daha sonra, gizli-parametre teorilerinin hangi özellikleri sağlaması gerektiğine ilişkin kendi kanıtını vermiştir.

John Bell, gizli-parametre teorilerinin olamayacağına ilişkin von Neumann ispatının ve kendi ispatının kuantum mekaniğinden daha derin bir betimleme düzeyi olanağını dışladığına inanmamıştır. O, bunları, böylesi bir betimlemenin sağlaması gereken tanılayıcı koşullar olarak görmüştür. Bell Teoremine göre, bir gözlenene atfedilen değer, iki düzenleme yalnızca değerin araştırıldığı bölgenin uzağında farklı olsa bile, gözlenenin içinde bulunduğu bütün bir deneysel düzenlemeye bağlı olmalıdır -bu Bohm teorisinin örneklediği bir gerçektir, ve şimdi bunun herhangi bir gizli-parametre teorisinin kaçınılmaz özelliği olduğu anlaşılmıştır.

Yerelsizlikten (nonlocality) hoşlanmayanlar için Bell Teoremi gizli-parametre teorilerinin ölümünü açıklar. Fakat Bell için değil. Gizli-parametre teorilerinin olanaksızlığı hakkındaki teoremlerin hiç biri onu gizli-parametrelerin olanaksız olduğuna inandıramamıştır. Bell’e göre Bell Teoremi Lorentz değişmezlik ilkesinin tekrar gözden geçirilmesini önermektedir.

Boğaziçi Üniversitesi Fen-Edebiyat Fakültesi’nde Felsefe Profesörü olan Yalçın Koç’a göre Bell eşitsizlikleri (Bell Teoremi) Hilbert uzayında geçerli olmasına rağmen Öklid uzayında (R3 te) geçerli değildir. Dolayısıyla, Koç’a göre, Bell Teoremi yerel gerçekçi gizli-parametre teorilerinin olanaklılığını dışlamaz ve genel bir olanaksızlık ispatı değildir¹.

Kuantum mekaniğinde henüz son söz söylenmemiş görünüyor. Bilim felsefesi bağlamında “realist” bir bilim anlayışını savunan² ve bir gizli-parametre teorisi olan Bohm teorisi üzerine D.Z. Albert’in yazısını dikkate sunuyoruz. S.G.

Bu yüzyıl içinde atomaltı parçacıkların davranışının araştırılmasının fiziksel dünya hakkındaki son derece garip en az üç gerçeği yerleştirdiği varsayılmaktadır. Birincisi, saf şans doğanın en iç işleyişini yönetir. ıkincisi, maddi nesneler her zaman uzayı doldururlarsa da, bunların uzayın hiç bir belirli bölgesini doldurmadıkları durumlar vardır. Üçüncüsü ve belki de en şaşırtıcı olanı, “adi” fiziksel nesnelerin davranışını yöneten temel yasalar, her nasılsa, “ölçüm araçları” veya “gözlemciler” olarak işlev görmekte olan nesnelere uygulanmakta radikal olarak başarısız kalırlar. Bu her durumda kuantum mekaniğinin kurucularının karar verdiği şeydir; bu o zamandan beri teorik fiziğin aşağı yukarı resmi dogması olan şeydir; ve bu, bugüne kadar, bu konudaki bütün standart ders kitaplarında söylenen şeydir.

Fakat şimdi bu kararlara biraz çok acelece varıldığı ortaya çıkıyor. Gerçekte, radikal olarak farklı, atomaltı parçacıkların bütün bilinen davranışlarını açıklayan tümüyle geliştirilmiş bir teori vardır. Bu teoride, şans hiç bir biçimde rol oynamaz, ve her maddi nesne değişmez biçimde uzayın belirli bir bölgesini doldurur. Dahası, bu teori varolan her fiziksel nesneye kesinlikle aynı biçimde uygulanan bir tek temel fiziksel yasalar grubu biçimini alır.

Bu teori başlıca Londra, Birkbeck College’tan merhum David J. Bohm’un çalışmasıdır. Formülasyonu, 40 yıldan daha uzun bir süredir bilimsel literatürde olmasına rağmen, çok yakın zamanlara kadar çoğunlukla ihmal edilmiştir. Bu dönem boyunca bu tür konulardaki düşünceye, kökeni şöyle ya da böyle Danimarkalı fizikçi Niels Bohr ve çevresine dayandığı için genellikle kuantum mekaniğinin Kopenhag yorumu olarak bilinen standart dogma hakim olmuştur.

Bu makaleye standart dogmanın ana argümanlarının bir özetiyle başlayacağım. Daha sonra Bohm’un teorisinin bu argümanların bazılarının üstesinden gelmeyi nasıl becerdiğini kısaca göstereceğim. Son olarak, Bohm’un teorisinin kuantum mekaniğinin temelleri hakkındaki çağdaş spekülasyonun neresine nasıl uyduğu hakkında kısa bir şeyler söyleyeceğim.

Belki de standart dogmanın argümanlarını formüle etmenin en basit yolu belli elektronlu deneyler bağlamındadır. Deneylerin tümü genellikle elektronların spinleri denilen iki bileşenin ölçülmesiyle ilgilidir. Basitlik sağlaması için bunlara yatay ve düşey spin diyeceğim.

(Bildiğimiz kadarıyla) elektronların yatay spinlerinin iki olanaklı değerin yalnızca birini alabileceği deneysel bir gerçek olarak ortaya çıkmaktadır. Aynı şey düşey spinler için de geçerlidir. Yatay spin değerlerine sağ ve sol, düşey spin değerlerine yukarı ve aşağı diyeceğim.

Fizikçiler elektronların yatay ve düşey spinlerini halihazırdaki mevcut teknolojilerle kolaylıkla ve doğru olarak ölçebilirler. Spin-ölçen aygıtlar tipik olarak aygıta giren elektronun hareket yönünü, ölçülen spin bileşeninin değerine bağlı olarak değiştirerek işlerler. Bu yolla, bu spin bileşeninin değeri daha sonra elektronun konumunun basit bir ölçümüyle belirlenebilir. Bu ölçüm aygıtlarından yatay ve düşey kutular olarak bahsedeceğim. [Bakınız Şekil 1].

Elektronlar hakkındaki bir diğer deneysel gerçek bir kural olarak elektronların yatay spin değerleri ile düşey spin değerleri arasında hiç bir korelasyon olmadığıdır. Örneğin, bir düşey kutunun giriş açıklığına gönderilen sağ-spinli elektronların herhangi bir büyük topluluğunun (istatistiksel anlamda) tam yarısı “yukarı” açıklıktan ve diğer yarısı da “aşağı” açıklıktan çıkar. Aynı şey düşey kutunun giriş açıklığına gönderilen sol-spinli elektronlar ve yatay kutulara gönderilen yukarı-spinli ve aşağı-spinli elektronlar için de geçerlidir.

Elektronlar hakkında amaçlarımız açısından son derece önemli olan bir diğer deneysel gerçek, bir elektronun yatay spininin ölçümünün, tümüyle kontrol edilemez görünen bir biçimde, düşey spininin değerini bozabileceği veya tam tersinin olabileceğidir. Eğer, örneğin, elektronların herhangi bir büyük topluluğunun yatay spinlerinin iki ölçümü arasında, düşey spinlerinin ölçümü gerçekleştirilirse, her zaman düşey spin ölçümü, içinden geçen elektronların yarısının yatay spin değerlerini değiştirir, diğer yarısını değişmeden bırakır. [Bakınız şekil 2].

Hiç kimse hiç bir zaman, bu tür bozulmaları engelleyen bir düşey spin ölçümü tasarlayamamıştır. Dahası, hiç kimse hiç bir zaman bu tür topluluklardaki bireysel elektronların, düşey spinlerinin ölçümü sırasında, hangilerinin yatay spinlerinin değiştiğini ve hangilerinin değişmediğini belirleyen herhangi bir fiziksel özelliğini tanılayamamıştır.

Resmi doktrinin bu konular hakkında söylemek zorunda olduğu, ilke olarak yatay spin değerleri üzerinde kesinlikle bu etkiden başka bir etkiye sahip olan bir düşey spin ölçümü gibi bir şeyin olamayacağıdır. Dahası standart doktrin hangi elektronların düşey spinlerinin ölçülmesiyle yatay spinlerinin değiştiğinin ve hangilerinin değişmediğinin mutlak olarak saf şans meselesi olduğunu söyler; bu değişmeleri yöneten yasalar deterministik olmakta tümüyle başarısızdırlar. Ve bu kararlar deneysel verilere bakıldığında şüphesiz masum ve makul görünür.

Eğer bir spin türünün ölçülmesi gerçekten her zaman diğerinin değerini kontrol edilemez biçimde bozuyorsa, o zaman belli bir anda belli bir elektronun hem yatay hem de düşey spin değerlerini bilmenin hiç bir yolu olamaz. Bu görüngü belirsizlik ilkesinin bir örneğidir: konum ve momentum gibi, ya da bizim durumumuzda yatay ve düşey spin gibi belli ölçülebilir fiziksel özellik çiftlerinin birbiriyle uyumsuz olduğu söylenir. Birinin ölçümleri her zaman kontrol edilemez biçimde diğerini bozacaktır. Bilinen diğer pek çok uyumsuz fiziksel özellik çifti daha vardır.

İndeterminizm için bu kadar yeter. Fakat atomaltı parçacıkların hala daha şaşırtıcı özellikleri vardır. Bunları sergilemek daha karmaşık bir deneyi gerektirecektir. Elektronların düşey spinlerini ölçen bir kutu düşünün [Bakınız fiekil 3a]. Yukarı-spinli elektronlar kutudan yukarı olarak isimlendirilen bir rota boyunca çıkarlar; aşağı-spinli elektronlar aşağı olarak isimlendirilen bir rota boyunca çıkarlar. O zaman iki yol diğer bir noktada kesişecek biçimde bir çift “yansıtıcı duvar” yerleştirebiliriz. Bu yüzeyler elektronların spin özelliklerini hiç bir biçimde değiştirmemek üzere tasarlanabilir. İki yolun kesiştiği noktaya, yine spin değerlerini değiştirmeden yolları birleştiren bir “kara kutu” yerleştiriyoruz.

Çok miktarda sağ-spinli elektronu, teker teker, düşey kutuya gönderdiğimizi varsayalım. Elektronlar kara kutuya doğru yollar boyunca yol alırlar. Daha sonra elektronlar kara kutunun çıkışında göründüklerinde yatay spinlerini ölçüyoruz. Ne tür sonuçlar beklemeliyiz? Önceki deneyimimiz bize istatistiksel olarak böylesi elektronların yarısının yukarı-spinli olacağı ve aygıt içinde yukarı rotayı izleyeceği bilgisini verir. Diğer yarısı aşağı spinli olacak ve aşağı rotayı izleyecektir. İlk yarıyı düşünelim. Düşey kutu ile çıkış noktası arasındaki yollar boyunca hiç bir şey elektronların düşey spin değerleri üzerinde herhangi bir etkide bulunamaz. Dolayısıyla hepsi aygıttan yukarı-spinli elektronlar olarak çıkacaktır. Önceki verilerimizle uyumlu olarak bunların %50’si sağ-spinli ve %50’si sol-spinli olacaktır. Aşağı spinli yarı kesinlikle aynı yatay spin istatistiğine sahip olacaktır. Bütün bu beklentiler bir araya getirildiğinde, bu aygıta gönderilen sağ-spinli herhangi bir büyük elektron kümesinin yarısının sonda sağ-spinli ve yarısının sol-spinli olarak bulunacağı ortaya çıkar.

Bu sonuçlar tümüyle önceden kararlaştırılmış görünüyor. Fakat bu deneyi gerçekten yaptığınız zaman komik bir şey olur. Bu aygıta gönderilen (dikkat edin, teker teker) başlangıçtaki sağ-spinli elektronların %100’ü sondan sağ-spinli olarak çıkar.

Bu sonucu modern fizikteki en garip sonuçlardan biri olarak betimlemek abartı olmayacaktır. Belki de deneyi biraz değiştirmek konuları açıklığa kavuşturacaktır. Hareketli, istek üzerine örneğin üst rota üzerinde içeri ve dışarı kaydırılabilen küçük bir elektron-durdurucu duvar kurduğumuzu varsayalım. [Bakınız fiekil 3b]. Duvar dışardayken kesinlikle önceki aygıta sahibiz. Fakat duvar içerdeyken, yukarı rota boyunca hareket eden tüm elektronlar durdurulur, ve yalnızca aşağı rota boyunca hareket edenler kara kutuya erişebilirler.

Duvarı içeri kaydırdığımızda ne olmasını beklemeliyiz? ılk önce, bir yol kapalı olduğundan kara kutunun çıkışındaki toplam elektron çıktısı %50 düşmelidir. Kalan %50’nin yatay spin istatistiği hakkında ne söylenebilir? Duvar dışardayken, başlangıçta sağ-spinli olarak gönderilen elektronların %100’ü sağ-spinli elektronlar olarak çıktılar. Yani, bütün bu elektronlar yukarı rotayı da izleseler, aşağı rotayı da izleseler sağ-spinli elektronlar olarak çıktılar. Böylece, yukarı rota üzerinde duvarın varlığı veya yokluğu aşağı rota üzerindeki elektronları etkileyemeyeceğinden, kalan %50 tümüyle sağ-spinli olmalıdır.

Tahmin edebileceğiniz gibi, deneyde gerçekten olan beklentilerimize aykırıdır. Çıktı öngörüldüğü gibi %50 azalmıştır. Fakat kalan %50 tümüyle sağ-spinli değildir. Yarısı sağ-spinli ve yarısı sol-spinlidir. Ve yukarı yol yerine aşağı yola bir duvar yerleştirirsek aynı şey olur. (Kuantum mekaniğini bilen okurlar bu deneyin ünlü çift-yarık deneyinin mantıksal olarak elverişli bir uyarlaması olduğunu tanıyabilirler).

Bu deneylerin sonuçlarıyla, deneyler hakkındaki beklentilerimiz arasındaki fark nasıl anlaşılabilir? Duvar dışardayken aygıtın içinden geçen bir elektron düşünelim. Elektronun izleyebileceği olanaklı rotaları düşünelim. Aşağı rotayı mı izlemelidir? Görünüşte değil, çünkü bu rotayı izleyen elektronların (duvarlı deneyin açığa çıkardığı gibi) 50-50’lik bir yatay spin istatistiğine sahip olduğu bilinmektedir, diğer yandan bizim duvarsız aygıtımızdan geçen bir elektronun aygıt çıkışında kesinlikle sağ-spinli olduğu bilinmektedir. O zaman elektron üst yolu izleyebilir mi? Aynı nedenlerle hayır.

Elektron bir biçimde her iki rotayı da izleyebilir mi? Hayır: belli bir elektron bu aygıttan geçerken deneyi durdurduğumuzu ve elektronun nerede olduğuna baktığımızı varsayalım. Zamanın yarısında elektronu yukarı yolda bulduğumuz ve aşağı yolda hiç bir biçimde hiç bir şeyin yerini saptayamadığımız, ve zamanın yarısında elektronu aşağı yolda bulduğumuz ve yukarı yolda hiç bir biçimde hiç bir şey görmediğimiz ortaya çıkar. Elektron hiç bir rotayı izlememiş olabilir mi? Kesinlikle hayır. Her iki rotayı da duvarla engellersek hiç bir biçimde hiç bir şey çıkmaz.

Nefes kesici derinlikte bir şeyin bunun kaynağı olması gerektiği görülecektir. Ve gerçekte -en azından geçmiş yarım yüzyıldaki teorik fiziğin merkezi ilkelerinden biri olan şeye göre (giriş parağrafında değindiğim üç resmi dogmadan ikincisi, konumun belirsizliği hakkında olanı)- bir şey bunun kaynağıdır. Bu doktrin, bu deneylerin bize, böylesi bir elektronun böylesi garip görünümlü bir aygıt içinde hangi rotayı izlediği sorusunun anlamlı olduğunu inkar etmekten başka hiç bir alternatif bırakmamasını gerektirir. Böyle bir elektronun hangi rotayı izlediğini sormanın, örneğin, bir ton balığı sandviçinin politik inançlarını ya da 5 sayısının medeni durumunu sormak gibi olduğu varsayılmaktadır. Fikir, böylesi sorular sormanın filozofların kategori hatası dediği, dilin yanlış kullanımına eşit olduğudur.

Dolayısıyla, fizik ders kitaplarının böylesi elektronlar hakkında söyledikleri kesinlikle parçacıkların aygıt içinde ne yukarı rotayı, ne de aşağı rotayı izlemedikleri veya her iki rotayı izledikleri veya hiç bir rotayı izlemedikleri değildir. Tersine, sadece elektronların hangi rotayı izledikleri hakkında herhangi bir gerçek yoktur-yalnızca hiç bir bilinen gerçek değil, fakat hiç bir biçimde hiç bir gerçek yoktur. Onlar ders kitaplarının aygıt içinde yukarı rotanın ve aşağı rotanın izlenmesinin üst üste binmesi diye adlandırdığı şeyin içindedir.

Bu fikirlerin dünyanın sezgisel resmine, maddi olma, bir parçacık olma nosyonuna yaptıkları çok derin zorlamaya rağmen, bu durumlarda elektronların bütün gözlenen davranışlarını öngörmekte olağanüstü başarılı olduğunu kanıtlamış olan bir özlü kurallar kümesi hazırlanmıştır. Dahası, bu kurallar -elbette kuantum mekaniği olarak biliniyor- bütün durumlarda bütün fiziksel sistemlerin gözlenen davranışlarını öngörmekte olağanüstü başarılı olduklarını kanıtlamışlardır. Gerçekten, kuantum mekaniği 70 yıldan daha uzun bir süre boyunca hemen hemen teorik fiziğin bütünlüğünün sağlandığı çerçeve olarak işlev görmüştür.

Kuantum mekaniğinin fiziksel sistemlerin durumlarını gösterdiği matematiksel nesne dalga fonksiyonu olarak bilinir. Tartışmakta olduğum türden basit bir tek parçacıklı sistem için kuantum-mekaniksel dalga fonksiyonu konumun kolay bir fonksiyonu biçimini alır. Örneğin, bir A bölgesinde konumlanan bir parçacığın dalga fonksiyonu, uzayda A dışında her yerde sıfır değere sahip olacaktır ve A’da sıfır olmayan bir değere sahip olacaktır. Benzer biçimde bir B bölgesinde konumlanan bir parçacığın dalga fonksiyonu da, uzayda B dışında her yerde sıfır değere sahip olacaktır ve B’de sıfır olmayan bir değere sahip olacaktır. Ve A bölgesinde ve B bölgesinde olmanın üst üste bindiği parçacığın dalga fonksiyonu -örneğin, düşey bir kutudan henüz geçmiş olan başlangıçtaki sağ-spinli bir elektronun dalga fonksiyonu- bu bölgelerin her ikisinde sıfırdan farklı değerler alacak ve diğer her yerde sıfır değerini alacaktır.

Ve fiziksel nesneleri dalga fonksiyonu ile temsil etmenin onları tümüyle temsil ettiği kuantum mekaniğinin başlıca kuralıdır (Bohm teorisinin açıkca ihlal edeceği bir kural). Bu kurala göre verili bir anda verili bir fiziksel sistem hakkında söylenebilecek her şey mutlak olarak sistemin dalga fonksiyonundan okunabilir.

Fizik yasaları fiziksel sistemlerin dalga fonksiyonlarının zaman içinde nasıl geliştiği -gerçekte, kuantum mekaniğine göre, fizik yasaları bunun hakkında olmalıdır, bu fizik yasalarının hakkında olması için olandır- hakkındadır. Kuantum mekaniğinin ders kitabı uyarlaması bu tür yasaların iki kategorisinden bahseder. Ve bu formülasyon hakkında özellikle garip olan bu kategorilerden birinin sorgulanan fiziksel sistem doğrudan gözlenemiyorsa geçerli olması ve diğer kategorinin sistemler doğrudan gözleniyorsa geçerli olmasıdır.

İlk kategorideki yasalar genellikle doğrusal türevsel “hareket denklemleri” biçiminde yazılır. Bu yasalar, örneğin, bir düşey kutuya gönderilen başlangıçtaki sağ-spinli bir elektronun bu kutudan, yukarı rota boyunca hareketin ve aşağı rota boyunca hareketin bir üst üste binmesi olarak çıkmasını sağlayacak biçimde tasarlanmışlardır. Dahası bütün elverişli deneysel kanıtlar bu yasaların bütün durumlarda her tek yalıtılmış mikroskopik fiziksel sistemin dalga fonksiyonlarının evrimini yöneteceğini önerir. Böylece mikroskopik sistemler varolan her şeyin öğeleri olduğundan, ilk bakışta bu doğrusal türevsel denklemlerin tüm fiziksel evrenin hareketinin gerçek denklemleri olduğunu varsaymak için iyi bir neden varmış gibi görünür.

Ancak, eğer kuantum mekaniğinin iddia ettiği gibi dalga fonksiyonları gerçekten fiziksel sistemlerin tam tanımlamaları ise bu karar belki de tümüyle doğru olamaz. İlk başta bu denklemlerin açıkladığı yasalar tümüyle deterministiktir, diğer taraftan, örneğin spin kutulu deneylerde, bir saf şans öğesi sonuçlar üzerinde rol oynar görünüyor.

Başlangıçta A bölgesinde ve B bölgesinde bulunmasının üst üste binmesi içinde olan bir elektronun konumunun ölçümünün sonucunu düşünelim. Kolay hesaplamalar doğrusal türevsel hareket denklemlerinin böylesi bir ölçüm sürecinin sonucu hakkında belli bir öngörü önerdiğini ortaya çıkarır. Ancak bu denklemler, ölçüm aygıtının elektronun ya A’da ya da B’de bulunduğunu göstereceğini öngörmezler (gerçekten buna benzer ölçümler yaptığınızda olan budur). Tersine bu denklemler ölçüm aygıtının kesinlikle elektronun A’da bulunduğunu göstermekle, elektronun B’de bulunduğunu göstermenin üst üste binmesiyle sonuçlanacağını söyler. Biraz farklı bir biçimde söylersek, bu denklemler ölçüm aygıtının, aygıtın ne gösterdiği hakkında tümüyle hiç bir gerçeğin olmadığı bir fiziksel durumda sonuçlanacağını öngörür. Böylesi üst üste binmelerin (tam olarak her neyseler) böyle bir ölçümü gerçekten yaptığınızda şeylerin nasıl sonuçlanacağını doğru olarak betimlemediklerini söylemek herhalde gerekmez.

Sonuç olarak, resmi akıl yürütmeye göre ilk kategorideki yasaların açıkca olasılıkçı olan ikinci bir kategoridekilerle desteklenmesi gerekir. [Bu ikinci kategori] örneğin, başlangıçta A ve B bölgesinde bulunmanın üst üste binmesi içindeki bir elektronun konumu ölçüldüğünde, bu elektronun A bölgesinde bulunma olasılığının %50 ve B bölgesinde bulunma olasılığının %50 olmasını gerektirir. Bir diğer deyişle, elektronun konumu ölçülseydi, elektronun dalga fonksiyonunun ölçüm sırasında değeri A bölgesinin dışında her yerde sıfır olan bir dalga fonksiyonuna dönüşmesi şansı %50 ve elektronun dalga fonksiyonunun değeri B bölgesinin dışında her yerde sıfır olan bir dalga fonksiyonuna dönüşmesi şansı %50 olacaktı. (Bu dönüşme bazen dalga fonksiyonun “çökmesi” olarak adlandırılır.)

Birinci kategorideki yasaların uygulandığı koşullar ikinci kategorideki yasaların uygulandığı koşullardan nasıl ayırt edilir? Kuantum mekaniğinin bütün kurucuları bir “ölçüm” ile bir “adi fiziksel süreç” arasındaki, veya neyin gözlediği ile neyin gözlendiği arasındaki, veya özne ile nesne arasındaki ayrımla ilgili olduğunu söylemek zorundadırlar.

Bir süre, pek çok fizikçi ve filozof işlerin bu durumunu tümüyle yetersiz görmüşlerdir. Doğanın en temel yasalarının varolan en iyi formülasyonunun böylesi kesin olmayan ve zor anlaşılır ayrımlara dayanması saçma görünüyordu. Bu kesinliksizliğin ortadan kaldırılması veya onarılması gibi zor bir iş geçmiş 30 yıl boyunca kuantum mekaniğinin kuruluşunun merkezi görevi olmuştur. Bu bir dizi isim altında yürümüştür: örneğin Schrödinger’in kedisi, Wigner’in arkadaşı veya kuantum-durumu indirgemesi. Ondan en yaygın çağdaş ismiyle bahsedeceğim: ölçme problemi.

Ölçme problemine özellikle göze çarpan bir çözüm Amerikan doğumlu fizikçi David J. Bohm tarafından icat edilmiştir. Fransız fizikçi Louis de Broglie uzun yıllar önce ilgili bir düzenleme yapmıştı, fakat de Broglie’nin formülasyonu Bohm’unkinden daha az genel ve daha az güçlüydü. Daha yakın zamanlarda, merhum fizikçi John Bell, Bohm’un orijinal teorisini daha basit ve son derece ilginç bir biçime büründürmüştür.

Yukarıda sunulan bütün karşıt kanıtlara rağmen Bohm teorisi parçacıkların şu ya da bu belirli yerde değişmez olarak konumlanan şeyler türünden olduğunu varsayar. Ek olarak Bohm teorisi dünyanın neden yapıldığı hakkında Kopenhag yorumundan çok daha açıktır. Bohm’a göre dalga fonksiyonları yalnızca matematiksel nesneler olmayıp fiziksel nesnelerdir, fiziksel şeylerdir. Bohm onları bir dereceye kadar çekim alanları ve manyetik alanlar gibi klasik kuvvet alanları olarak değerlendirir. Bohm teorisinde dalga fonksiyonlarının yaptığı gerçekte uygun yollar boyunca parçacıklara kılavuzluk ediyormuşcasına (klasik kuvvet alanlarının yaptığı gibi) parçacıkları itmektir.

Bu dalga fonksiyonlarının zaman içindeki evrimini yöneten yasaların kesinlikle standart doğrusal türevsel kuantum-mekaniksel hareket denklemleri olması öngerektirmedir -fakat bu kez her ne olursa olsun hiç bir istisna yoktur. Bohm teorisinde bu dalga fonksiyonlarının kendi parçacıklarını nasıl ittiklerini söyleyen diğer yasalar da vardır. Bütün bu yasalar tümüyle deterministiktir. Dolayısıyla, dünyada herhangi bir anda bütün parçacıkların konumu ve o anda dünyanın eksiksiz kuantum-mekaniksel dalga fonksiyonu, dünyadaki daha önceki bir andaki bütün parçacıkların konumlarından ve dünyanın eksiksiz kuantum-mekaniksel dalga fonksiyonundan kesinlikle hesaplanabilir.

Bu hesaplamaların gerçekleştirilmesinde herhangi bir yetersizlik, bu hesaplamaların sonuçlarındaki herhangi bir belirsizlik, bu teoride zorunlu olarak bir bilgisel (epistemik) belirsizliktir. Bu bir ihmal sorunudur ve dünyanın temel yasalarında indirgenemez bir şans öğesinin işlemleri sorunu değildir. Bununla birlikte, bu teori, bir ilke sorunu olarak bizim için biraz böylesi ihmalin olmasını zorunlu kılar. Bohm teorisinin hareket yasaları gerçekten bizi bu tür ihmale zorlar. Ve bu ihmal, kuantum mekaniğinin bilinen istatistiksel öngörülerini yeniden üretmeye kesinlikle yeterlidir ve doğru türdendir. Bu bilinmeyen üzerinde, kesinlikle klasik istatistiksel mekanikte olan ortalama alma türünden bir tür ortalama alma yardımıyla olur.

Teori gerçek, somut ve deterministik, ölçme işinin kaçınılmaz olarak ölçülmekte olanın yolundan olduğu bir fiziksel süreci -kesin matematiksel ayrıntıları izlenebilen bir süreç-betimler. Diğer bir deyişle, Bohm teorisi bu ihmalin -dünya hakkındaki mükemmel olarak belirli gerçeklerin ihmali olmasına rağmen- fiziksel yasa ihlal edilmeden (Bohm teorisi hakkındaki her şeyin çıktığı iki hareket yasasından birini ihlal etmeden) ortadan kaldırılamamasını gerektirir.

Bohm teorisi iki yollu karmaşık aygıtlı deneylerin-elektronların nerede oldukları hakkında herhangi bir gerçeğin olmakta başarısız kaldığı durumların olabileceğini ima eder görünen deneyler- sonuçlarını tümüyle açıklayabilir. Aygıta başlangıçta sağ-spinli olan bir elektron gönderilmesi durumunda, Bohm teorisi elektronun ya yukarı ya da aşağı rotayı izlemesini gerektirir, nokta. Elektronun bu iki rotadan hangisini izleyeceği tümüyle parçacığın başlangıç koşulları, daha özelde başlangıç dalga fonksiyonu ve başlangıç konumu tarafından belirlenir. fiüphesiz, bu koşulların belli ayrıntılarının, yasa sorunu olarak, ölçümle bilinmesinin olanaksız olduğu görülecektir. Fakat buradaki can alıcı nokta elektron hangi rotayı izlerse izlesin, dalga fonksiyonunun bölünecek ve her iki rotayı izleyecek olmasıdır. Bunu doğrusal türevsel hareket denklemine uygun olarak yapacaktır.

Böylece, örneğin yukarı rotayı izleyen söz konusu elektron her nasılsa kara kutuda dalga fonksiyonunun aşağı rotayı izleyen kısmıyla bir araya gelecektir. ıkisi tekrar bir araya geldiği zaman dalga fonksiyonunun aşağı rotadaki kısmının elektronu iterek nasıl bir duruma geleceği aşağı yol boyunca karşılaşılan fiziksel koşullara bağlı olacaktır. Biraz daha anlamlandırmak için, elektronun dalga fonksiyonunun iki parçası bir kez birleştiğinde, elektronun kendisinin izlemediği yolu izleyen parçası elektronu yol boyunca şeylerin nasıl olduğu hakkında “bilgilendirebilir”. Örneğin aşağı rotaya bir duvar konulursa, dalga fonksiyonunun aşağı bileşeni kara kutunun çıkışında eksik olacaktır. Bu yokluğun kendisi karar verici bilgiyi oluşturabilir. Dolayısıyla, böylesi bir elektronun gösterdiği davranış, elektron aygıt içinde yukarı rotayı da izlese böyle bir duvarın konulup konulmamasına dramatik biçimde bağlı olabilir.

Dahası, Bohm teorisi dalga fonksiyonunun “boş” kısmının -elektronun kendisinin izlemediği rotayı izleyen kısım- tümüyle algılanamaz olmasını gerektirir. Verilen bir parçacığın dalga fonksiyonunun yalnızca halihazırda parçacığın kendisi tarafından doldurulan kısmı diğer parçacıkların hareketleri üzerinde herhangi bir etkiye sahip olabilir. Böylece dalga fonksiyonunun boş kısmı -gerçekten, fiziksel olarak orada olması gerçeğine rağmen- dedektörler veya diğer herhangi bir şey üzerinde gözlenebilir bir iz bırakmakta tümüyle yetersizdir.

Böylece, Bohm teorisi daha önce tartıştığımız elektronların çok garip görünen davranışlarını standart yorumla eşit derecede açıklar. Dahası, ve bu nokta önemlidir, kuantum-mekaniksel üst üste binme ile bağlantılı metafiziksel karışıklıktan muaftır.

Ölçme problemi ile ilgili olarak Bohm teorisinin bu türden bir şeyden sıkıntı çekmediği inandırıcı biçimde kanıtlanabilir. Bohm teorisi doğrusal türevsel hareket denklemlerinin gerçekten ve tümüyle bütün evrenin -ölçüm aygıtlarının, gözlemcilerin ve tümünün- dalga fonksiyonunun evrimini betimlediğini savunur. Fakat aynı zamanda parçacıkların konumları hakkında, ve sonuçta, ölçüm aygıtlarındaki göstergelerin konumları hakkında ve laboratuvar defterlerindeki mürekkep moleküllerinin konumları hakkında ve insan gözlemcilerin beyinlerindeki iyonların konumları hakkında ve böylece tahminen deneylerin sonuçları hakkında değişmez belli gerçeklikler olmasını gerektirir.

Bohm teorisinin oldukça harikulade tüm avantajlarına rağmen, onu düşünmeye bile evrensel bir ret, kuantum mekaniğinin standart formülasyonuna evrensel bir destek şaşırtıcı biçimde geçmiş 40 yılın çoğu boyunca fizikte varlığını sürdürmüştür. Pek çok araştırmacı parçacıkların konumlarına ayrıcalıklı bir matematiksel rol verdiği için uzun yıllar boyunca Bohm teorisini yok saymıştır. Bu atfetmenin o zamana kadar kuantum teorisinin matematiğinde örtük olarak bulunan konum ve momentum arasındaki simetriyi bozacağından -sanki bu simetrinin bozulması her nasılsa bilimsel akıl yürütmeye Kopenhag formülasyonundaki nesnel fiziksel gerçeklik düşüncesinin radikal zayıflatılmasından daha ciddi bir saygısızlığa yol açacakmış gibi- şikayet edilmiştir. Diğerleri Bohm teorisini -bu iki formülasyonun bu konuya ilişkin pek çok karakteristiği paylaşması gerçeği her nasılsa birine diğerinin aleyhine açıkca iltimas etmiş gibi- standart yorumunkilerden farklı hiç bir deneysel öngörüde (açık olmayan öngörüler) bulunmadığı için yok saymışlardır. Hatta diğerleri literatürde kuantum mekaniğinin Bohm’un halihazırda gerçekleştirdiği türden deterministik bir düzenlemesinin olanaklı bile olmadığının “kanıtlarından” -tümü yanlıştı ve en ünlüsü Amerikan matematikçisi John von Neumann tarafından tasarlanmıştı- söz etmişlerdir.

Çok şükür ki şimdi bu tartışmaların çoğu geçmişte kalmıştır. Kopenhag yorumu belki de ortalama çalışan fizikçinin yönlendirici dogması olarak kalmasına rağmen kuantum mekaniğinin temellerinin ciddi öğrencileri standart formülasyonu artık nadiren savunurlar. fiimdi, ölçme problemini çözmek için bir dizi yeni öneri vardır. (Örneğin, daha önce değindiğim, dalga fonksiyonunun çökmesi düşüncesini daha hassas bir dilde ifade etme girişimleri vardır.) Bunlar karşısında, henüz icat edilmemiş diğer öneriler karşısında, ve elbette deneysel gerçekler karşısında Bohm teorisi eninde sonunda yargılanmak zorundadır. Bütün bunlarla ilgili jüri hala kurulmamıştır.

Bohm teorisi tümüyle deterministik olan şu anda mevcut tek ciddi öneridir. Aynı zamanda mikroskopik sistemler için bile üst üste binme gibi şeylerin varlığını yadsıyan tek öneridir. Fakat fiziksel sağduyuyu ihlalden kesinlikle muaf değildir. Belki de bu ihlallerin en göze batanı yerelsizliktir (nonlocality). Teori, A bölgesinde olan bir şeyin, anında, A ve B bölgesi birbirinden ne kadar uzakta olursa olsun, B bölgesinde fiziksel bir etkiye sahip olmasına izin verir. Etki A ile B arasındaki uzayda varolan koşullardan tümüyle bağımsızdır [Bakınız: “Işıktan daha Hızlı?” Raymond Y. Chiao, Paul G. Kwiat ve Aephraim M. Steinberg, Scientific American, Ağustos 1993].

Fakat yerelsizlik birlikte yaşamayı öğrenmemiz gereken bir şey, tümüyle doğanın bir gerçeği olduğu kanıtlanabilecek olan bir şey olabilir. Kuantum mekaniğinin standart formülasyonu da yerelsizdir ve ölçme problemine yakın zamanda önerilen çözümlerin çoğu yerelsizdir. Gerçekten, Bell’in ünlü bir argümanına göre, halihazırda doğru olduğu bilinen kuantum mekaniğinin istatistiksel öngörülerini üretebilen ve dünyanın fiziksel doğası hakkındaki son derece makul bir kaç varsayımı sağlayan her teori zorunlu olarak yerelsiz olmalıdır. Bu varsayımları inkar etmek ve böylece yerelsizlikten kaçınmak üzere tasarımlanan düzenlemeler yalnızca kuantum mekaniğinin “çoğul dünyalar” ve “çoğul zihinler” yorumlarıdır. Bu yorumlar bir anlamda tüm olanaklı deneysel sonuçların, bu sonuçların sadece birinin ya da diğerinin değil, gerçekten oluştuğunu önerirler. Ve bunlar (belki de) ciddiye alınmayacak kadar gariptir.

Araştırmacılar diğer farklı ilgi alanları da ortaya çıkarmışlardır. Bohm teorisinde olasılıkların kesin felsefi konumu nedir? Dünyadaki her parçacığın değişmez biçimde belirli bir konuma sahip olduğunu garantilemek gerçekten her düşünülebilir ölçümün belirli bir sonucu olmasını ve sezgisel olarak belirli kabul ettiğimiz her şeyin gerçekten belirli olmasını gerektirmeye eşdeğermidir? Bu sorular aktif tartışma ve araştırma konusu olmaya devam etmektedir.

Son olarak, ve en önemlisi, bu makalede söylenen her şeyin, en azından şimdilik, rölativist olmayan fiziksel sistemlere uygulanabilir olduğunu vurgulamalıyım. Yani, yalnızca enerjileri çok yüksek olmayan, ışık hızına yakın hızlarda hareket etmeyen, şiddetli çekim alanlarına maruz kalmayan sistemlere uygundur. Rölativistik kuantum alan teorisi için Bohm düzenlemesinin gelişmesi hala sürmektedir, ve bu girişimin sonul başarısı hiç bir biçimde garantilenmiş değildir. Böyle bir düzenlemenin olanaksız olduğu bir biçimde bulunursa, o zaman Bohm teorisi terkedilmelidir ve olacak olan da budur.

Fakat rastlantısal olarak diğer pek çok ölçüm problemini çözme önerisi de benzer bir kötü durumdadır. ıstisnalar, bir kez daha, rölativistik genelleştirmelerinin son derece kolay fakat metafiziksel iddialarına inanmanın zor olduğu, çoğul-dünyalar ve çoğul-zihinler yorumlarıdır. Kuantum mekaniğinin temellerinin gelecekteki rotasının çoğu rölatifleştirme girişimlerinin nasıl çözüleceğine bağlıdır.

Bu arada, haberler, fiziksel dünya tasvirimizin temelleri hakkında önceden kabul edildiğinden daha fazlasının radikal olarak oturmamış olduğu yolundadır. Özel olarak, hem fizik yasalarının tümüyle deterministik olması ve hem de fizik yasalarının betimlediklerinin parçacıkların hareketi (ya da bu hareketlerin rölativistik kuantum alan teorisindeki bazı benzerleri) olması olanaklılıkları, son kez ve kesin olarak tartışmaya açılmıştır.

Scientific American, Mayıs 1994, s.32-39.