Kuantum ve Görelilik Çarpışırsa Ne Olur? Bilim İnsanları Test Etti

Kuantum Mekaniği ve Genel Görelilik: Yüzyıllık Çelişki

Neredeyse yüz yıl önce fizikçiler, serbest düşmenin bir kuantum dalgasına ne yapması gerektiğini teorik olarak ortaya koydular. Eğer buldukları çözüm yanlışsa, kuantum mekaniği ile Einstein'ın genel görelilik teorisi birbiriyle taban tabana çelişiyor demektir. Ancak şimdiye kadar bu teoriyi test etmek imkânsızdı çünkü kimse gerekli ölçümü yapabilecek bir interferometre inşa edememişti.

Ben-Gurion Üniversitesi'nden fizikçi Ron Folman liderliğindeki bir ekip, Almanya, İngiltere ve ABD'den işbirlikçilerle birlikte – Nobel ödüllü Roger Penrose da dahil – bunu başardı. Ekip, tek bir atoma aynı anda iki olası yol sunan yeni bir interferometre geliştirdi: bir yol serbest düşme içeriyor, diğerinde ise atom tamamen hareketsiz tutuluyor. Her iki yol da aynı anda aynı noktada sonlanıyor ve böylece düşmenin atomun dalga benzeri özelliğine etkisi ölçülebiliyor.

Dalga-Parçacık İkiliği ve Zorluklar

Galileo'dan bu yana fizikçiler düşen bir cismi nasıl tanımlayacaklarını biliyor: nerede olduğu, ne kadar hızlı gittiği veya ne kadar hızlı ivmelendiği. Ancak kuantum mekaniği her nesnenin aynı zamanda bir dalga olduğunu söyler. Folman, "Her parçacık, ister araba ister uzay gemisi ister atom olsun, bir dalgadır" diyor. "Deniz dalgaları veya ses dalgaları gibi her dalga yükselip alçalır. Yukarıda mı aşağıda mı olduğunuz ise faz denilen bir şeyle ölçülür. Faz, dalganın tepesinde mi yoksa dibinde mi olduğunuzu söyler."

Bir atomun dalga doğası yalnızca atom neredeyse hiç hareket etmediğinde, yani mutlak sıfıra yakın soğutulduğunda kendini gösterir. Teorisyenlerin bu problemi ilk ele aldığı yıllarda böyle bir sıcaklık mümkün değildi; atomları bu kadar soğutmak ancak 1990'ların sonunda mümkün oldu. Folman, "Ama bu sadece bu deneyin yolculuğunun başlangıcıydı" diyor.

İkinci engel ise fazın tek başına ölçülemiyor olması; faz yalnızca bir karşılaştırma yapıldığında ortaya çıkar. Folman, "Bu ancak tek bir parçacığı iki yörüngeye ayırıp sonra iki yörüngeyi birleştirerek yapılan göreli bir ölçüm olabilir" diyor. Ona göre bu, çift yarık deneyinin arkasındaki mantığın aynısı: iki yarıktan geçen parçacıklar arka plandaki ekranda girişim deseni oluşturur ve bu da fazlarını ortaya koyar.

Serbest Düşmede Ölçüm Zorluğu

Serbest düşmede aynı şeyi ölçmek ise ek bir karmaşıklık katmanı ekliyor. Folman, "Bir taş bırakın, bir saniye sonra 5 metre altınızdadır" diyor. Ekibin sorduğu soru, düşen bir dalga paketini geride kalanla – aynı atomun diğer yoldaki hali – nasıl tekrar temas ettirip girişim yapmalarını sağlayacaklarıydı. Çözümü bulmak yıllar aldı, ancak geriye dönüp bakınca oldukça açık görünüyor.

Düşen bir parçacığı yakalayıp bir şekilde başladığı yere geri getirmek söz konusu değildi. Folman şaka yollu, "Bunu bir cımbız veya tuzakla yapabilseydiniz bile, bu çok şiddetli eylem o kadar çok gürültü yaratırdı ki neyin sahte haber neyin gerçekten ölçmek istediğimiz etki olduğunu bilemezdik" diyor. Bu yüzden ekip, doğru yolun atomu bir yörünge süperpozisyonuna sokmak olduğunu anladı: bir yolda atom yukarı fırlatılıyor ve yerçekimi onu başlangıç noktasına geri getiriyor. Diğer yol aslında bir yol değil; atom sadece başladığı yerde kalıyor. Folman, "Birini top gibi balistik bir harekete sokmalısınız" diyor. Ancak bu sadece sorunların başlangıcıydı. Geri kalan zorlukların üstesinden gelmek için ekip, atomları lazerle soğutma ve tuzaklama gibi ileri teknikler kullandı. Sonuçta, kuantum mekaniği ile genel göreliliğin serbest düşmedeki uyumunu test eden bu deney, teoriyi doğruladı ve iki büyük fizik teorisinin barışık olduğunu gösterdi.