Çoklu Evren Teorisi : Schrödinger'in Kedisi

Schrödinger’in Kedisi, büyük fizikçi Erwin Schrödinger tarafından geliştirilmiş meşhur bir düşünce deneyidir. Schrödinger, bu düşünce deneyini Kopenhag Yorumu olarak bilinen ve modern fizikçilerin çoğu tarafından kabul edilip kullanılan bir kuantum mekaniği yorumuna tepki olarak geliştirmiştir.

Kuantum Mekaniği’nin Kopenhag Yorumu

Kopenhag Yorumu’na göre Evren’deki tüm temel parçacıklar, bir dalga fonksiyonu tarafından tanımlanan olasılıklar çerçevesinde belli bir hız ve konuma sahiptir. Yani atom etrafındaki bir elektron, aslında belirli bir noktada değildir; belirli bir olasılıkla belirli bir noktada ve hızda bulunur. Ancak biz, bunu kesin olarak bilemeyiz. Ta ki gözlem (ölçüm) yapana kadar. Heisenberg’in Belirsizlik Kuramı çerçevesinde, gözlem yapsak bile hız ve konumu aynı anda tespit edemeyiz; ancak en azından bir tanesini ölçmemiz mümkündür. Ancak nasıl olur da belirli olasılıklar çerçevesinde herhangi bir konumda ve hızda bulunabilecek olan bir elektron, gözlem yapıldığı anda belirli bir konuma veya hıza sahip olur? Eğer ki gözlem öncesinde bu elektronun pozisyonu ve hızı belirsiz ise, gözlem sonrasında bu pozisyon veya hızdan en azından 1 tanesi nasıl belirli hale geçer?

İşte Kopenhag Yorumu çerçevesinde bu sorun, şu şekilde izah edilir: Gözlem yapma olayı, elektronun bulunabileceği tüm olasılıkları bünyesinde barındıran dalga fonksiyonunun, o gözlemin yapıldığı anda, o olasılıklardan 1 tanesine çökmesine neden olur. Yani çok sayıda olasılıktan sadece 1 tanesi gerçek olur. Buna dalga fonksiyonunun (tek bir olasılığa) çökmesi denir.

Sağduyumuza oldukça aykırı olan ve gözlemler sonucu fiziksel olayların etkilenmesi fikrini temel alan bu yorum, Schrödinger’e gerçekçi gelmemiştir. Bu yorumun absürtlüğünü, o meşhur düşünce deneyiyle göstermeye çalışmıştır.

Schrödinger’in Kedisi: Bir Düşünce Deneyi

Schrödinger, 1935 yılında şöyle yazıyor:

(…) Oldukça saçma durumlar yaratmak bile mümkündür! Metal bir oda içine hapsedilmiş bir kedi düşünün. Odada bir de şu cihaz bulunsun (kedinin bu cihaza müdahale edemeyeceğini varsayalım): bir Geiger Sayacı, bir miktar radyoaktif madde, bir çekiç ve [ölümcül bir zehir olan] hidrosiyanik asit barındıran bir kap. Ancak radyoaktif madde miktarı o kadar az olsun ki, sonraki 1 saat içinde bozunma ve bozunmama olasılığı hemen hemen eşit değerlerde olsun. Eğer atom bozunursa Geiger Sayacı tetiklensin ve bir çekici aktive ederek oda içinde bulunan hidrosiyanik asit şişesini kırsın. Bu durumda atom bozunmayacak olursa 1 saat sonunda [odanın kapısını açıp baktığınızda] kedinin hayatta olduğunu görebilirsiniz. Bu sistemin dalga (psi) fonksiyonu, ifademi mazur görün ama, kedinin hem hayatta hem de ölü olduğunu gösterirdi. Kedi, her iki durumda da, eşit miktarda bulunurdu.
Bu düşünce deneyinde sözü edilen dalga fonksiyonu, söz konusu sistemin bütün olası durumlarını bünyesinde barındıran olasılık fonksiyonudur. Eğer iş burada bırakılsa belki de şaşırtıcı olmazdı: “Ne var ki bunda? Her türlü olasılığı tanımlayan bir matematiksel denklem bu sonuçta.” diyebilirdiniz. Ancak Kopenhag Yorumu’na göre bu durumlar bağımsız olasılıklar değildir. Her iki durum da, yani kedinin ölü olma hâli de, canlı olma hâli de, aynı anda geçerlidir ve gerçektir. Ancak siz hangi durumun gerçek olduğunu bilmek istiyorsanız bir gözlem yapmak zorundasınız. Kapıyı açıp baktığınız anda, iki durumdan biri gerçek olacaktır. Ancak kapıyı açmanızdan önce iki durum da, aynı anda gerçekti. Peki bu iki olasılıklı durumdan, tek olasılıklı duruma nasıl geçtik? İşte bunu Kopenhag Yorumu, “dalga fonksiyonunun gözleme bağlı olarak çökmesi” ile açıklamaktadır. Gözlem yapıldığı anda, dalga fonksiyonu iki olasılıktan birine çöker; yani onu gerçek kılar. Böylece gerçek sonucu öğrenmiş oluruz. Yani gözlem, deney sonucunu doğrudan etkilemiş ve belirlemiştir. Üstelik dalga fonksiyonundaki bu çökme, tamamen stokastiktir; yani rastgeledir! Yani olasılık dağılımını tespit etmek mümkün olsa da fonksiyonun hangi olasılığa çökeceğini önceden bilmenin herhangi bir yolu yoktur.

Bu anlatımda kedi, kuantum mekaniği çerçevesindeki bir unsuru, örneğin bir parçacığı temsil eder. Kutuyu açan kişi ise gözlemci olarak bilinir. Kopenhag Yorumu’na göre gözlemciler, Evren içindeki “özel” unsurlardır. Hatta bu nedenle Kuantum Fiziği’nin bu yorumuna oldukça “mistik” anlamlar yükleyenler olmuştur. Çünkü eğer ki Evren de kuantum mekaniksel bir sistemse bunun dalga fonksiyonunun çökmesine neden olan bir “gözlem” ve bu gözlemi yapan bir “gözlemci” bulunmalıdır. Bundan yola çıkarak fizik ile mitoloji birleştirilmeye çalışılmış, bazı dinî görüşler bu çerçevede geliştirilmiştir.

Kopenhag Yorumu’nun bir diğer etkisi ise, gözlem yapma kapasitesine sahip olan biz insanların zihninin “özel” bir yapıya sahip olduğu düşüncesinin geliştirilmesi olmuştur. Her ne kadar birçok kuantum fizikçisi, gözlemin illa bilinç ile alakalı olmadığını iddia etse de “gözlem” konusuna bu kadar büyük bir önem verilmesi, ister istemez akıl, bilinç ve zekanın kuantum fiziğinin öncüllerinden olduğu fikrinin doğmasına neden olmuştur. Halbuki Evren’in evrimine yönelik klasik görüşümüz, fiziğin kimya ile biyolojinin temelinde olduğu yönündedir; dolayısıyla biyolojik bir yapının son derece temel fiziksel süreçlere hükmetmesi, hatta onlara öncül olması oldukça beklenmedik bir iddiadır.

Fizikçiler bu anlatımı sırf fantezi olsun diye yapmamaktadırlar. Bu yorum, deneysel araştırmalardan elde edilen verilerin gösterdiği gerçek sonuçların değerlendirilmesi ihtiyacından doğmuştur. Kedi ile düşündüğünüzde anlaması zor olabilecektir; ancak bir elektronun davranışı açısından düşünecek olduğunuzda daha rahat anlayabilirsiniz: Örneğin elektronun “spin” (dönme) özelliğinin, gözlemden önce belirli olasılıklarla iki yönden (saat yönü veya saat yönünün tersine) her ikisine de belli bir olasılıkla sahipken, gözlem yaptığınız anda bu iki olasılıktan birine dönüşmesi olgusunun açıklanabilmesi gerekmektedir. İşte Kopenhag Yorumu, bu ihtiyacın doğrudan bir sonucudur. Ama bu yorum, var olan açıklamalardan sadece birisidir. En meşhur olmasından ötürü, halk arasında da daha çok bilinmektedir.

Bu bilgiler ışığında, Kopenhag Yorumu’nun Evren’i iki büyük kategoriye böldüğünü söyleyebiliriz: Klasik Fizik ile açıklanabilir Evren ve Kuantum Fiziği ile açıklanabilir Evren… Kopenhag Yorumu’na göre bu iki fizik türünden hangisini, ne zaman kullanacağınızı bilmeniz ve ona uygun hesaplamalar yapmanız gerekmektedir. Bu da, “çok küçük cisimlerin fiziği” ile “büyük cisimlerin fiziği” tarzında bir ayrımın oluşmasına neden olmuştur. Fiziğin modern anlatımında da bu tarz ifadelere sıklıkla başvurulur. Yani bir yerde, hangi fiziği nerede uygulayacağımız, incelediğimiz fiziksel yapının ne kadar büyük olduğuna bağlı olarak değişmektedir. Farklı boyuttaki cisimler için farklı fizik yasaları işliyor veya farklı fizik yasalarının etkisi ön plana çıkıyor gibi gözükmektedir.

Schrödinger’in Kedisini Öldürmek…

İşte Hugh Everett, bu sorunu çözmek için Kopenhag Yorumu’na karşı gelmiştir. Everett, Evren’in bu şekilde kesintili olamayacağını, çok daha temel ve bütüncül bir yaklaşım sunan Kuantum Fiziği’nin Evren’deki bütün süreçleri açıklamak için kullanılabileceğini ileri sürmüştür. Bu yorumun temelini ie Çoklu Evren Teorisi adını verdiği bir teori üzerine inşa etmiştir.

Bunun detaylarına az sonra bakacağız; ancak bu şekilde sıradışı bir iddiada bulunmanın kimi zaman ne tür felaketlerle sonuçlanabileceğinden de bahsetmeden geçmeyelim: Everett’in bu açıklaması, fazlasıyla Kopenhag Yorumu’na dayalı bir şekilde işleyen fizik camiasında alayla karşılanmış, öyle ki Everett doktora tezini bitirdikten kısa bir süre sonra fiziği bırakmak zorunda kalmıştır.

Ama Everett haklı olabilir mi? Kuantum Fiziği, gerçekten de Çoklu Evren Yorumu ile açıklanabilir mi?

Çoklu Evren Yorumu ve Paralel Evren Teorisi

Öncelikle şunu anlamak gerekiyor: Çoklu Evren Teorisi ile Paralel Evren Teorisi tam olarak aynı şey değildir. Çoklu Evren Teorisi, Kuantum Fiziği’nin çalışma prensiplerine yönelik bir yorumdur; Kopenhag Yorumu’nun bir alternatifidir. Paralel Evren Teorisi ise, kozmolojik olarak birden fazla evren olabileceğine dair görüştür. Paralel Evren Teorisi, Çoklu Evren Yorumu’nun bir sonucudur; hatta bu nedenle kimi zaman eş anlamlı olarak kullanılabilir. Ancak Paralel Evrenler dendiğinde fiziksel olarak birbirinden ayrı ve etkileşebilir evrenler hayal ediyorsanız, o zaman tam olarak Çoklu Evrenler Yorumu’nu düşünmüyorsunuz demektir; çünkü Çoklu Evrenler Yorumu’ndaki ayrı evrenler arasında “uyumsuzlaşma” denen bir olay vardır ve buna bağlı olarak evrenler ayrıştıktan sonra birbirleriyle etkileşemezler.

Ayrıca Paralel Evren Teorisi’ne yönelik bazı yaklaşımlarda bu paralel evrenlerin başlangıcı, tıpkı bizim Evren’imiz gibi tam olarak bilinmemektedir. Buna bağlı olarak farklı teoriler ile bu başlangıç desteklenmektedir. Kuantum Fiziği’nin Çoklu Evrenler Yorumu’nda ise böyle bir başlangıçla ilgili bir problem bulunmamaktadır; çünkü fiziksel olarak Evren’imizin kozmolojik doğasından ziyade, kuantum altyapısı ile ilgili bir yorumdur. Ama elbette bu kuantum altyapıdan, kozmolojik bir üstyapı doğar. İşte Çoklu Evrenler Yorumu ile Paralel Evren Teorisi arasındaki bağlantı da, bu altyapı/üstyapı ilişkisi gibidir.

Çoklu Evrenler Yorumu’nda Gözlemci Etkisi: Uyumsuzlaşma

Çoklu Evrenler Yorumu’nda (kısaca “ÇEY” veya “ÇE Yorumu” diyelim), gözlemci, özel bir konuma ve niteliğe sahip değildir. Basitçe, Evren içindeki unsurlardan sadece birisidir. Dolayısıyla Schrödinger’in Kedisi deneyindeki gözlemci veya “gözlem yapma olayı”, herhangi bir özel etkiye sahip değildir. Tam tersine, ÇEY için kedi neyse, gözlemci de odur. Elbette, her kuantum sistemi yorumunda olduğu gibi, ÇEY ile açıklanan sistemde de sistemin parçaları birbirleriyle etkileşim halindedir. Bu kuantum düzeydeki etkileşimin birbirine bağımlı olması durumuna dolanıklık adı verilir. Dolanık parçacıklar (ya da Schrödinger’in Deneyi açısından düşünecek olursak kedi ile gözlemci), birbirlerinin durumlarından etkilenirler. Örneğin bir elektronun spini, dolanık olduğu bir diğer elektronun spinine bağlıdır.

Dolayısıyla, Schrödinger’in Deneyi’nde gözlemcinin odaya girmesi, kedi ile gözlemci arasında bir dolanıklığın oluşmasına neden olur. Çünkü artık sistemde bir de “gözlemci” vardır.

Peki bu durum, Kopenhag Yorumu’ndaki “fonksiyon çökmesi” olayını nasıl açıklar? Şöyle düşünün: Bir odaya girdiğinizde, kedinizin aynı anda hem uyuyor (ya da ölü), hem uyanık (ya da diri) olduğunu neden hiç hissetmiyorsunuz? Ayrıca gözlemci olarak siz de özel bir konumda değilsiniz. Dolayısıyla sizi gözleyen diğer gözlemciler de, Kopenhag Yorumu çerçevesinde sizin dalga fonksiyonunuzun çökmesine neden oluyor olmalılar. Peki neden hiç böyle bir çökmeyi bizzat hissetmiyorsunuz? İşte bu sorunun cevabı, uyumsuzlaşma (İng: “decoherence”) denen bir olaydır. İrdeleyelim:

ÇE Yorumu’nda kuantum sistemi sadece gözlemci ve kediden (ya da kuantum nesnelerden) oluşmaz. Çevre de, bu sistemin bir parçasıdır. Dolayısıyla sizin odanızdaki kedinin durumu ile, bizim odamızdaki kedinin durumu birbirinden bağımsız değildir. Bunların her biri, büyük ve tekil bir durumdan ibarettir. Bu, Evren’in ta kendisinin tekil olduğunu hissediyor olmamızla örtüşmektedir. Çünkü birbiriyle fiziksel olarak etkileşime geçen her şey, birbirine kuantum düzeyinde dolanıklık ile bağlıdır.

İşte böyle bir perspektiften bakıldığında, az önce de söylediğimiz gibi, gözlemci odaya girip de kediyi gözlediğinde, bu gözlem, gözlemci ile kedinin birbirine “dolanıklaşmasına” neden olur. Ama sadece bu da değil! Çevre de sistemin bir parçası olduğu için; gözlemci ve kedi, çevre ile de dolanık hale geçer (veya çevre de gözlemci ve kedi ile dolanık hale geçer)! Bu, kelimenin tam anlamıyla anlık bir olaydır; yani siz bunu fark edemezsiniz bile. Çünkü fark etmek, sinirsel bir faaliyetin sonucudur. Kuantum bir olay olan dolanıklık ise, nörobiyolojik bir faaliyetten çok ama çok daha hızlı bir şekilde yaşanabilir.

Bu durumda elimizde ne var? Bir yanda, kedinin ölü olduğunu gözlediğimiz durum var. Diğer yanda ise kedinin canlı olduğunu gözlediğimiz durum var. Ancak bunlar birbirinden bağımsız gözlemler. Yani eğer kedi ölüyse ölü, canlıysa canlı. Siz bunu gözlemlediğinizde, artık o gerçekliğin bir parçası haline geliyorsunuz. O gerçekle (örneğin kedinin canlı olması durumuyla) dolanık hale geliyorsunuz. Dolayısıyla hem sizin için, hem de çevre (yani Evren’in geri kalanı için) o olay gerçek oluyor.

Bir diğer deyişle, kedi hem ölü hem de canlı değil! Ortada olan tek şey, sizin kedinin durumundan bihaber olmanız; yani henüz aranızda bir dolanıklık oluşmamış olması. Ancak siz kapıyı açıp da, hangi durumun gerçek olduğunu görürseniz görün, artık o durum ile dolanıksınız demektir. Fakat bu, dalga fonksiyonunun diğer olasılığının (yani örneğin siz kediyi canlı gördüyseniz, kedinin ölü olduğu durumun) yok olması anlamına gelmemektedir! İşte burası, kritik noktadır:

Siz kediyi canlı olarak gördüğünüz anda, içinde yaşadığımız ve adına “evren” dediğimiz fiziksel realite iki dala ayrılır. Bu iki dal, birbiriyle 90 derece açıyla ayrılmış vaziyettedir (birbirine ortogonaldir). Bu noktada artık olasılıklardan birisi (kedinin ölü olması), olasılıklardan diğeriyle (kedinin canlı olmasıyla) etkileşemez. İşte buna neden olan sürece uyumsuzlaşma adını veriyoruz. Yani çevrenin de kuantum sistemlerin bir parçası olarak alınması, Evren’in kendisinin her bir gözlemle birlikte yeni bir dala ayrılmasını mümkün kılmaktadır. Buna bağlı olarak da biz, sanki diğer olasılık hiç yaşanmamış gibi (yani kediyi canlı gördüysek, kedinin öldüğü durum hiç var olmamış gibi) yaşamımıza devam ederiz. Halbuki o gözlem anında yaratılan ama bizim farkında bile olmadığımız diğer evrende kedi ölüdür! O evren de bizimkisi kadar gerçektir ve sizin, o evren içindeki karşılığınız şu anda muhtemelen ölü kedisi için ağlamaktadır!

İşte bu her bir yeni etkileşimle (örneğin gözlemle) dallanıp budaklanan kuantum evrenler yaklaşımına Çoklu Evren Yorumu adı verilmektedir.

Çoklu Evrenler Yorumu’nun Etkileri

Bu yorum şu anda genel geçer olarak kabul edilen bir yorum değildir. Ancak bu yaklaşım, Kopenhag Yorumu’nda karşımıza çıkan birçok problemi tek başına çözmeyi başarmaktadır. Elbette, hakkında birçok eleştiri de bulunmaktadır. Örneğin bazı fizikçiler, bu yorumun tanımladığı olguların belirsiz olduğunu ileri sürmektedirler. Kimisi ise Kopenhag Yorumu’nu terk etmemiz için herhangi bir neden görmemektedirler; yani o yorumdaki sorunları “sorun” olarak görmemektedirler. Bazı diğer fizikçiler ise, bazı diğer yorumlar üzerinde çalışmalarını sürdürmektedirler.

Ancak ÇE Yorumu’nun en önemli unsurlarından birisi, Kopenhag Yorumu’ndan uzaklaşmayı fazlasıyla kolay kılmasıdır. Çünkü bu söz konusu “olası evrenler”in hepsini bünyesinde barındıran hayali uzaya Hilbert Uzayı adını veriyoruz. Yani bu uzay içinde, Evren’in başından sonuna kadar oluşabilecek bütün evrenler ve bütün olasılıklar vardır. İki yorum arasındaki geçişi kolaylaştıran unsur şudur: Kopenhag Yorumu’nda Hilbert Uzayı ne kadar genişse, ÇE Yorumu’nda da Hilbert Uzayı o kadar geniştir. Kopenhag Yorumu, gözlem sonucunda evrenlerden birinin “yok olduğunu” iddia eder; işte “fonksiyon çökmesi” denen budur. ÇE Yorumu ise gözlemler sırasında yeni evrenlerin oluştuğunu iddia eder. İşte “uyumsuzlaşma” budur.

Daha önemlisi, bu yorumu kullanarak, Görelilik Teorisi ile Kuantum Teorisi’ni birleştirmek mümkün olabilir! Bunu yapmak için, Evren’deki uzunluk kavramını uzay-zaman çerçevesindeki bir mesafe olarak değil de, kuantum bir uzay içindeki dolanıklık ilişkileri ile tanımlamak gerekmektedir. Birbirine daha “yakın” dediğimiz cisimler, birbiriyle “daha dolanık” olan cisimlerdir. Bunu yaparak matematiği gözden geçirdiğimizde, kütleçekiminin, hatta Evren’in kendisinin bu “dolanıklık uzayı” içinden yaratılabileceğini görmek mümkündür.

Bu, en nihayetinde Kuantum Fiziği çerçevesinde yaptığımız gözlemlere yönelik bir yorumdur; dolayısıyla nihai cevap olarak almak mümkün değildir. Ancak ÇE Yorumu’nun avantajlarını ve fiziğe katabileceği perspektifi anlamak, Evren’in sırlarını çözmeye bir adım daha yaklaşmamızı mümkün kılabilir. En azından, alışılagelmiş Kopenhag Yorumu’nun sıkıntılarını görüp, buna alternatifler veya çözümler aramak gerekmektedir.