Kuantum fiziğine göre her şeyin rastgele ve kesinlikten uzak olduğu yönündeki popüler fikir yanlış olabilir.
Yazan: Eddy Keming Chen
Çeviren: Okan Nurettin Okur
Acaba evren başka şekilde varolabilir miydi? Bu soru muhtemelen Albert Einstein’ın da zihnini meşgul etmiş olmalı ki Matematikçi Ernst Strauss’a şu soruyu sordu:
“Gerçekten merak ettiğim şey, Tanrı’nın bu dünyayı farklı bir şekilde yaratıp yaratamayacağıdır. Yani mantıksal gerekliliğin herhangi bir özgürlük bırakıp bırakmadığıdır.”
ABD’li Fizikçi James Hartle, bu süregelen tartışmaya ufuk açıcı katkılarda bulundu. Yirminci yüzyılın başlarında, kuantum teorisinin ortaya çıkışı, klasik fiziğin evrenin deterministik bir yapısı olduğu yönündeki tahminleri çürütmüş gibi görünüyordu. Hartle, eğer doğruysa, determinizmin klasik fizikte yükselişi ve ardından kuantum teorisiyle düşüşü hakkında geleneksel hikâyeyi tamamen tersine çeviren, dikkate değer bir katkıda bulundu. Aslında kuantum evreni, klasik olandan daha deterministik olabilir ve bütün belirsizliklerine rağmen kuantum teorisi, evrenin neden böyle olduğunu ve başka bir versiyonu olmadığını daha iyi açıklayabilir.
Fizikte determinizm, herhangi bir zamanda evrenin durumunun ve temel fizik yasalarının, geriye ve ileriye yönelik olarak evreni tamamen belirlediği anlamına gelmektedir. Bu fikir, evren yasalarına ilişkin klasik fiziğin getirdiği kesin yasalarla zirveye ulaşmıştır. Örneğin Isaac Newton’un hareket yasalarını ele alalım. Birisi tüm parçacıkların mevcut konumlarını ve momentumlarını bilseydi, teoride Newton yasalarını kullanarak evrendeki geçmiş ve gelecek her şeyi tahmin edebilirdi. Bilim adamlarının bunu yapmasını engelleyen şey ise yalnızca bilgi veya hesaplama eksikliğidir.
Determinizm, Alman Filozof Gottfried Leibniz’in meşhur “yeter sebep ilkesine” yaklaşan bilimsel açıklamaların temelini oluşturur. Yani her şeyin bir açıklaması vardır. Evrenin her durumu (daha sonra değineceğimiz bir istisna dışında) daha önceki bir durumla tamamen açıklanabilir. Eğer evren bir tren ise, determinizm onun bir ray üzerinde çalıştığını, farklı raylar asla kesişmediği için de başka bir yola geçme olasılığının bulunmadığını söyler.
Fizikçiler geleneksel olarak determinizmin öngörücü ve açıklayıcı gücünden etkilenmiştir. Ayrıca determinizmin bu etkileyici yapısı felsefi soruları da gündeme getirmiştir. Örneğin determinizmin insanın özgür iradesini nasıl etkilediğiyle ilgili çok fazla görüş vardır. Eğer fizik yasaları determinist ise ve eylemlerimiz yalnızca parçacık etkileşimlerinin toplamıysa, öyle görünüyor ki, B yerine A’yı özgürce seçebilmemiz mümkün olmayacaktır. Çünkü evrenin önceki durumları seçimimizin sonucunu zaten belirlemiş olacaktır. Eğer özgür değilsek, eylemlerimiz için nasıl övülebilir ya da suçlanabiliriz? Nöroendokrinolog Robert Sapolsky’nin Determined (2023) kitabı bu tartışmalı konuya değiniyor.
Uzay istilacıları
Yirminci yüzyılda ortaya çıkmaya başlayan kuantum parçacıklarının tuhaf davranışları, fizikteki determinizmi çevreleyen tartışmayı temelden değiştirmiştir. Kuantum mekaniğinin yasaları yalnızca sonuçların olasılıklarını verir. Bu durum Avusturyalı Fizikçi Erwin Schrödinger’in 1935’te tasarladığı meşhur düşünce deneyiyle açıklanır (aslında bunu tasarladığında dalga fonksiyonunun gerçekliği nasıl temsil ettiğiyle ilgileniyordu). Bir kedi, rastgele bir olay sonucu – örneğin radyoaktif bozunma nedeniyle- kırılıp kırılmadığı belli olmayan bir şişe zehrin olduğu bir kutunun içinde mahsur kalır. Eğer kuantum mekaniği kediye uygulanırsa, “canlı” ve “ölü” süperpozisyonundaki bir “dalga fonksiyonu” ile tanımlanacaktır. Dalga fonksiyonu ölçüldüğünde rastgele iki durumdan birine atlar ve kuantum mekaniği yalnızca her iki olasılığın da meydana gelme olasılığını belirler.
Kuantum mekaniğinin bir sonucu da determinizmin çürütülüyor gibi görünmesidir. Ancak kabul edilen bu fikir, yirminci yüzyılın ikinci yarısındaki gelişmelerin de gösterdiği gibi hikâyenin tamamı değildir. Kuantum evreni aslında iki nedenden dolayı klasik olandan daha deterministik olabilir. Birincisi tekniktir. Newton yasaları, geçmişin gelecekte işlerin nasıl ilerleyeceğini belirlemediği durumlara izin verir. Örneğin yasalar bir nesnenin ne kadar hızlandırılabileceğine dair bir üst sınır tanımaz, dolayısıyla teoride klasik bir nesne sonlu zamanda uzaysal sonsuzluğa ulaşabilir. Bu süreci tersine çevirirseniz, ‘uzay istilacıları’ olarak adlandırılan şeyleri elde edersiniz. Bunlar, evrendeki başka herhangi bir şeyle hiçbir nedensel ilişkisi olmayan, uzaysal sonsuzluktan gelen ve evrenin geçmiş durumlarının herhangi birinden tahmin edilemeyen nesnelerdir.
Pratikte bu sorun, Einstein’ın özel görelilik teorisinde ortaya koyduğu evrensel hız sınırı, yani ışık hızıyla çözülmektedir. Ancak ele avuca sığmayan sonsuzluklar aynı zamanda klasik bir teori olan Einsteincı göreliliğin de başına bela olur. Genel görelilik denklemleri, en çok kara deliklerde ve evrenin başlangıcındaki Büyük Patlama’da olmak üzere, sonsuz eğriliğe sahip ‘tekilliklere’ yol açar. Tekillikler, teorinin artık geçerli olmadığı uzay-zamandaki boşluklar gibidir. Bazı durumlarda, bunlardan her şey çıkabilir (veya içlerinde kaybolabilir), bu da determinizmi tehlikeye sokar.
Pek çok fizikçi, kuantum teorisinin bu tür tekillikleri ortadan kaldıracağını düşünüyor. Örneğin Büyük Patlama’yı, tekilliğin diğer tarafında düzgün bir şekilde gelişmeye devam eden bir evren ile bir ‘Büyük Sıçrama’ya dönüştüreceği düşünülüyor. Eğer haklılarsa, maddenin en küçük ölçeklerdeki davranışını tahmin eden kuantum teorisi ile evrenin büyük ölçekli evrimini özetleyen Einstein’ın göreliliğini tamamen birleştiren bir ‘kuantum yerçekimi’ teorisi, uzay-zamandaki boşlukları dolduracak ve determinizmi yeniden kuracaktır.
Ancak kuantum evreninin daha deterministik olmasının daha da önemli bir nedeni vardır. ABD’li fizikçi Murray Gell-Mann ve Hartle, kuantum teorisine yönelik, tutarsız geçmişler olarak adlandırılan (1) bir yaklaşım geliştirdi. Bu yaklaşım, kuantum fiziğindeki olasılıksal ifadeleri ve süperpozisyonlarındaki günlük deneyim alanını açıklamaya çalıştı. Buna göre dalga fonksiyonu asla rastgele atlamaz. Bunun yerine, kuantum durumlarının düzgün ve sürekli evrimini karakterize eden Schrödinger denklemi tarafından verilen deterministik yasaya uyar. Bu bakımdan, ABD’li Fizikçi Hugh Everett’in kuantum mekaniğine ilişkin popüler ‘çoklu dünya’ yorumuna benzeyen bir yorumdur. Buna göre kuantum evreni, herhangi bir şey ölçüldüğünde dalga fonksiyonunda kodlanan olasılıklara göre farklı dallara ayrılır (2).
Aşağıda, Everett’in yaptığı gibi, evrenin, temel düzeyde işleyen hiçbir “gizli” değişken olmaksızın, tamamen bir kuantum dalga fonksiyonuyla tanımlanabileceğini varsayıyorum.
Kuantum kozmosuna
Hartle, Stephen Hawking’le birlikte kuantum teorisini tüm evrene uygulayan kuantum kozmolojisinin kurucularından biridir. Klasik evren modelinde her şeyin nasıl başlayacağını seçme özgürlüğü vardır. Daha önce sözü edilen aşırı durumları bir kenara bıraksak bile, klasik mekanik, evrenin birçok olası evrimsel geçmişini ortaya koyması ve bunlar hakkında koşullu ifadeler sunması bakımından deterministtir. Yani eğer bu gerçekleşiyorsa, bundan sonra da şu gerçekleşmelidir. Tren benzetmesine dönecek olursak, deterministik bir teori tek başına trenin neden birçok yol arasından herhangi birinde olduğunu söyleyemez. Neden Z yoluyla X’ten Y’ye gitmek yerine, C yoluyla A’dan B’ye gittiğini açıklayamaz. Mevcut durumu açıklamak için önceki durumlara geri dönebiliriz ve bunu başlangıç durumuna kadar götürebiliriz. Ancak bu başlangıç durumu, kendisinden önceki hiçbir şey tarafından açıklanamaz. Nihayetinde standart determinizm, Leibniz’in yeter sebep ilkesini tam olarak karşılamada başarısız olur. Başlangıç duruma gelindiğinde, bir şey açıklamasız kalır.
Bu başarısızlık sadece felsefi değildir. Evrenin eksiksiz bir teorisi, galaksilerin ve yıldızların varlığı da dâhil olmak üzere, içinde gözlemlediğimiz olayları tahmin etmelidir. İster Newton fiziğinden ister Einstein’ın göreliliğinden olsun, sahip olduğumuz dinamik denklemler bunu kendi başlarına yapamaz. Gözlemlerimizde hangi olayların ortaya çıkacağı hassas bir şekilde başlangıç koşullarına bağlıdır. Çevremizde gördüklerimize bakmalı ve bu bilgiyi, bu tür gözlemlere yol açabilecek başlangıç koşullarını belirlemek için kullanmalıyız.
Hem evrenin zamansal evriminin hem de kesin başlangıç durumunun deterministik yasalarını belirleyen bir teori, İngiliz Fizikçi Roger Penrose’un 1989 tarihli The Emperor’s New Mind adlı kitabında ‘katı determinizm’ (strong determinism) dediği terime karşılık gelir. Penrose’a göre bu, “sadece geleceğin geçmiş tarafından belirlenmesi meselesi değil; evrenin tüm tarihi, kesin bir matematiksel şemaya göre tüm zamanlar için sabittir”. Evrenin temel fizik yasaları benzersiz bir kozmik tarih belirliyorsa, bu evrende katı bir determinizm vardır. Eğer determinizm, hangisinin kullanıldığını belirtmeden, birbiriyle kesişmeyen bir dizi tren yolu sağlıyorsa, o zaman katı determinizm, nereden başlayacağı konusunda bile seçeneği olmayan tek bir demiryolu hattı ortaya koyar.
Evrensel bir dalga fonksiyonu
Katı determinizmin klasik fizikte uygulanması zordur. Evrenin başlangıç koşullarını bir yasa olarak belirleyerek bunu yapmayı düşünebilirsiniz. Ancak klasik fiziğin dinamik yasaları basit olmasına rağmen evrenin kendisi karmaşıktır ve dolayısıyla onun başlangıç durumu da öyle olmalıdır. İlgili tüm parçacıkların kesin konumlarını ve momentumlarını tanımlamak o kadar fazla bilgi gerektirir ki, başlangıç koşuluna ilişkin herhangi bir ifade, bir yasa olamayacak kadar karmaşıktır.
Hartle, kuantum mekaniğinin bu karmaşıklık sorununu çözebileceğini öne sürer (3). Bir kuantum nesnesinin dalga fonksiyonu birçok ‘klasik’ duruma (örneğin canlı kedi veya ölü kedi) yayılmış olduğundan, bu durumların kuantum süperpozisyonunda ortaya çıkan yapılar olarak tüm karmaşıklıkları içeren basit bir başlangıç koşulu önerebilirsiniz. Gözlenen tüm karmaşıklıklar, basit temel bir gerçekliğin kısmi açıklamaları olarak kabul edilebilir: Evrenin dalga fonksiyonu. Bir benzetme yapmak gerekirse, mükemmel bir küre karmaşık şekillerde birçok parçaya bölünebilir ve bunlar basit bir küre oluşturacak şekilde tekrar bir araya getirilebilir.
1983’te Hartle ve Hawking, kuantum evreninin başlangıç durumuyla ilgili ilk ve oldukça etkili önerilerden birini ortaya attı (4). Onların ‘sınırsız’ dalga fonksiyonu fikri, evren’in ‘şeklinin’ bir rakete benzediği yönündeydi. Hawking’in 1981’de Vatikan’da evrenin kökeni üzerine yaptığı bir konuşmada söylediği gibi: “Evrenin sınır koşullarıyla ilgili çok özel bir şey olmalı ve hiçbir sınırın olmaması koşulundan daha özel ne olabilir ki?”
Bu perspektiften bakıldığında, kuantum evreninin iki temel yasası vardır: Zamansal evrime ilişkin deterministik bir yasa ve evren için bir başlangıç dalga fonksiyonu seçen basit bir yasa. Dolayısıyla kuantum evreni katı determinizmi destekler. Her ne kadar birçok klasik yörüngeyi üst üste getiren bir dalga fonksiyonuyla tanımlansa da, fiziksel yasalar evrenin tam olarak tek bir kozmik tarihine izin verir. Evrenin bir bütün olarak ne olabileceğine dair herhangi bir tesadüf yoktur ve onun nasıl başlamış olabileceğine dair alternatif bir olasılık da yoktur. Her olay, başlangıç da dâhil açıklanır; evrenin tüm dalga fonksiyonu her zaman için yasalarla sabitlenmiştir. Kuantum mekaniğinin olasılıkları temel fiziksel yasalar düzeyinde mevcut değildir ancak yine de Evrenin parçalarının kısmî ve kaba tanımlamaları yapılabilir. Bu daha öngörücü ve açıklayıcı bir teoriye yol açmaktadır.
Bu öneride hâlâ pek çok eksik vardır. Bunun nedeni, bazı çalışmaların, başlangıçtaki beklentilerin aksine, teorinin evren için benzersiz bir dalga fonksiyonunu seçemeyebileceğini göstermesidir (5, 6). Ancak kuantum temelleri üzerine yapılan çalışmalar (çoğunlukla kuantum kozmolojisinden bağımsız olan araştırmalar) katı determinizm uygulanması için başka bir yöntem daha sunabilir. Birçok araştırmacı, evren de dâhil olmak üzere kapalı sistemlerin kuantum durumlarının dalga fonksiyonlarıyla sınırlandırılması gerekmediği, bunun yerine başka alternatifler de olabileceği fikrini değerlendirdi: Yoğunluk matrisleri uzayı gibi (7-10).
Nihai teori
Yoğunluk matrisleri ‘süperpozisyonların süperpozisyonları’ olarak düşünülebilir ve bunlar evrenin başlangıç durumu için alternatifler sunar. Örneğin, ‘geçmiş hipotezi’ (evrenin düşük entropili bir durumda başladığı ve entropinin o zamandan bu yana istikrarlı bir şekilde arttığı) fikrini benimsemek için nedenlerimiz varsa ve bu teori bir dizi dalga fonksiyonuna karşılık geliyorsa, o zaman bu kümenin homojen karışımına karşılık gelen basit bir yoğunluk matrisi seçebiliriz.
Daha önce de belirttiğim gibi (10), yoğunluk matrisini evrenin başlangıç durumu olarak ve yasayla belirlendiğini kabul edersek, o zaman bu seçim, deterministik von Neumann denklemiyle (Schrödinger denkleminin bir genellemesi) birlikte katı determinizmi karşılayabilir. Ancak bu durumda yasalar, evrim geçiren birçok dalı olan bir kuantum Evreninin kozmik tarihini – bir ‘çoklu evreni’ – belirler.
Peki evren ne kadar deterministtir? Cevap, kuantum fiziği ile görelilik arasındaki uçuruma son veren teoriye bağlı olacak ve bu da çok uzak bir ihtimal gibi görünüyor. Ancak eğer Hartle haklıysa, determinizmin şu ana kadar ki yükseliş ve düşüş hikayesi geleneksel hikâyenin tam tersi olabilir. Belirli bir perspektiften bakıldığında, kuantum evreni klasik olandan daha belirleyicidir ve daha iyi açıklamalar, daha kesin tahminler sunar. Elbette bunun insanlar için de sonuçları vardır. Çünkü bu durum, özgür iradeyi savunmak için kuantum teorisine başvurmayı zorlaştırır (11). Eğer kuantum evreni katı bir şekilde determinist ise, o zaman evreni olduğundan farklı yapmanın bir yolu yoktur. Kuantum kozmosunun nihai yasaları bize bunun neden böyle olduğunu açıklayabilir.
Nature 624, 513-515 (2023)
doi: https://doi.org/10.1038/d41586-023-04024-z
Referanslar:
1. Gell-Mann, M. & Hartle, J. B. in Complexity, Entropy and the Physics of Information (ed. Zurek, W. H.) (Addison Wesley, 1990).
2. Buchanan, M. Nature 448, 15–17 (2007).
3. Hartle, J. B. in Boundaries and Barriers: On the Limits of Scientific Knowledge (eds Casti, J. L. & Karlqvist, A.) 116–147 (Addison Wesley, 1996).
4. Hartle, J. B. & Hawking, S. W. Phys. Rev. D 28, 2960–2975 (1983).
5. Calcagni, G. Classical and Quantum Cosmology (Springer, 2017).
6. Lehners, J.-L. Phys. Rep. 1022, 1–82 (2023).
7. Dürr, D., Goldstein, S., Tumulka, R. & Zanghì, N. Found. Phys. 35, 449–467 (2005).
8. Wallace, D. The Emergent Multiverse: Quantum Theory according to the Everett Interpretation (Oxford Univ. Press, 2012).
9. Allori, V., Goldstein, S., Tumulka, R. & Zanghì, N. Br. J. Philos. Sci. 65, 323–352 (2014).
10. Chen, E. K. Br. J. Philos. Sci. 72, 1155–1183 (2021).
11. Kane, R. in Quantum Physics Meets the Philosophy of Mind: New Essays on the Mind-Body Relation in Quantum-Theoretical Perspective (eds Corradini, A. & Meixner, U.) 163–182 (De Gruyter, 2014).
Kaynak: https://www.nature.com/articles/d41586-023-04024-z
Yayın Tarihi: 19.11.2023
Orijinal Başlık: Does quantum theory imply the entire Universe is preordained?
