Heisenberg Belirsizlik İlkesi: Doğa zar atar mı?

Prof. Dr. Sertaç Öztürk

Belirsizlik, bilenemeyen bilgileri içeren epistemik bir durumdur. Belirsizlik rahatsız edicidir. İnsan psikolojisini yıpratan bir olgu olarak görülür. O yüzden belirsizlikten kaçmak isteriz, hayatlarımızı ve hatta içinde bulunduğumuz evreni deterministik (önceden belirlenebilir) olarak görmek rahatlatıcı bir durumdur. Bu yazımda determinizme felsefi açıdan girmeyeceğim ama evrenin deterministik olmadığını, belirsizliklerin evrenin işleyişinde kaçınılmaz olarak bulunduğunu söyleyen Heisenberg’den ve onun düşüncesinden bahsedeceğim. Alman teorik fizikçi Werner Karl Heisenberg, kuantum mekaniğinin öncülerindendir ve matris formülasyonu ile kuantum teorisi için ilk tutarlı matematiksel yaklaşımı geliştirmiştir. Aynı zamanda kendi adıyla bilinen meşhur belirsizlik ilkesinin de babasıdır.

Kuantum fiziği, atom ve atom-altı boyutlarındaki mikro evreni açıklamak için kullandığımız elimizdeki en iyi araçtır. Kuantum fiziği günlük hayatta algılarımıza konu olan klasik fizikten oldukça farklı ve ilginç argümanlar ortaya sürer. Örneğin zaman, mesafe, enerji, açısal momentum gibi değişkenlerin alacağı değerler kesiklidir, yani her değeri alamazlar. Kuantum fiziğine göre farklı olasılıklar eş zamanlı olarak birlikte bulunur. Bu yüzden bir parçacık aynı anda birçok yerde bulunabilir. Çift yarık deneyinden olduğu gibi bir parçacık aynı anda iki yarıktan geçebilir. Bir şey aynı anda hem dalga hem de parçacık özelliği gösterebilir. Kuantum tünelleme ile bir bariyerin içinden geçebilirsiniz. Sanki bir tenis topunun duvarın içinden geçip gitmesi gibi. Kuantum fiziğinin ortaya attığı belki de en sarsıcı olgu belirsizlik ilkesidir. Heisenberg, belirsizlik ilkesini ilk kez 1927 yılında yayınladığı “Kuantum teorik kinematik ve mekaniğinin algısal içeriği üzerine” isimli makalesinde yazdı. Bu ilke bir parçacığın konumu belirlendiği anda momentumunda (yani hızında) bir değişim olacağını ve dolayısı ile bir parçacığın konumu ve momentumunun aynı anda kesin doğrulukla bilenemeyeceğini söyler. Bir parçacığın konumunu ne kadar kesin olarak belirlerseniz momentumdaki belirsizlik o kadar artar. Bunu ifade eden matematiksel ifade Δx · Δp ≥ h/4π şeklindedir. Konumdaki belirsizlik (Δx) ile momentumdaki belirsizliğin (Δp) çarpımı her zaman h Planck sabiti mertebesindedir.

Bir şeyi görmeniz ve onun hakkında bilgi sahibi olmanız için ışığın o şeye çarpıp sonra gözünüze gelmesi gerekir. Parçacıklar hakkında da aynı şekilde bilgi sahibi olursunuz. Bir foton gönderirsiniz, foton bir parçacığa çarpar ve saçılır, sonra saçılan fotonu detektörünüzde ölçerek bilgi sahibi olursunuz. Şöyle hayal edin. Bir bilardo masası var ve kırmızı bir top masada yavaşça yuvarlanıyor. Siz ona doğru beyaz bir top gönderiyorsunuz. Beyaz top kırmızı topa çarptığı anda onun konum ve hız bilgilerini ondan kopyalıyor olsun. Sonra o beyaz top çarpışma sonrası masadaki bir deliğin içine düşsün ve siz de onu alarak kopyalanan bilgileri okuyun. Peki kırmızı top için elde ettiğiniz konum ve hız bilgileri doğru mudur? İki bilardo topunun çarpışmasını herkes görmüştür. Çarpışma sonrası topların hızı ve yönü değişir. Dolayısı ile beyaz top kırmızı topa çarptığı anda onun yönünü ve hızını değiştirmiştir. Bu nedenle sahip olduğunuz bilgiler artık kesin doğru değildir, bir belirsizlik içerir. İşte Heisenberg belirsizlik ilkesi budur. Her zaman ölçümleriniz bir belirsizlik içermek zorundadır. Bunun ölçüm aletinizin hassasiyeti ile ilgisi yoktur. Felsefi açıdan bakarsak bu epistemolojik bir durumdan ziyade ontolojik bir durumdur. Sistemde bu belirsizlikler doğal olarak vardır, yani deterministik olamaz. Eğer kırmızı bilardo topunu bir parçacık değil de bir dalga paketi olarak düşünseydiniz sonuç yine değişmiyor. Bu durumda işin içine karmaşık Fourier dönüşümleri giriyor ama belirsizlik sistem içinde kendini yine çok güzel bir şekilde gösteriyor. Belirsizlik ilkesinin diğer bir ifadesi, enerji ve zaman arasındaki belirsizliktir. Bir sistemde enerjideki belirsizlik ile zamandaki belirsizliğin çarpımı yine Planck sabiti mertebesinde olmalıdır, ΔE · Δt ≥ h/4π dir. Bu muhteşem bir bağıntıdır. Enerjiyi yoktan var etmeye ve var olan enerjiyi de yok etmeye izin verir. Enerjinin korunumu yasasının belli bir süre için ihlal edilmesine olanak sağlar. Örneğin boşlukta sürekli olarak yokluktan madde-anti madde çiftleri doğar ve hemen geri yok olurlar. Buna vakum polarizasyonu denir ve Heisenberg belirsizlik ilkesinin izin verdiği çok kısa bir zaman (yaklaşık 10 üzeri -16 saniye) aralığında gerçekleşir. Hatta siz bu yazıyı okurken vücudunuzdaki atomların içinde bu olay sayısız kez gerçekleşti bile.

Kuantum mekaniği ve beraberinde ortaya çıkan belirsizlik ilkesi elbette hemen kabul görmedi ve tepkiler oldu. En güçlü tepki dönemin süper yıldızı Einstein’dan geldi. Einstein belirsizlik ilkesinden dolayı kuantum teoriyi hep eksik, tamamlanmamış bir kuram olarak gördü. Belirsizliğe karşı çıkmak için meşhur “Tanrı zar atmaz!” sözünü önceden duymuşsunuzdur. Einstein belirsizlik ilkesini çürütmek için birçok düşünce deneyi ortaya attı. Mesela bir tanesi şöyleydi: İçinde m kütleli tek bir parçacık olan bir kutu düşünün. Bu kutuda o parçacığın geçebileceği bir delik olsun ve tam belirli bir anda bir saate bağlı o delik açılsın, parçacık dışarıya çıksın. Einstein, E=mc2 bağıntısından yola çıkarak hem enerjinin hem de zamanın tam olarak bilinebileceğini söyleyerek belirsizlik ilkesine büyük bir darbe indirdiğini düşünmüştü. Ama atladığı bir nokta vardı, o da kendisinin ortaya attığı genel görelilik kuramı. Kutudan parçacık dışarı çıkınca kutu hafifleyecek, uzay-zamandaki yeri değişecek ve zaman yine belirsiz olacaktır. Yani Einstein’ın kendi kuramı onu sırtından bıçaklamıştı. Anlamadıysanız üzülmeyin! Genel görelilik kuramı için Yıldızlararası filmini anlattığım önceki yazımı okumanız yeterli olacaktır.

Heisenberg belirsizlik ilkesi elektronların çekirdeğin etrafında belirli yörüngelerde dönmesini sağlayan, yani atomun oluşmasına izin veren ilkedir. Belirsizlik ilkesi beta bozunumuna olanak sağlayarak güneşin parıldamasına neden olan ilkedir. Yani hayata, canlılığa, maddesel evrene olanak sağlayan şeydir aslında belirsizlik ilkesi. Yaşamlarımız için her ne kadar rahatsız edici olsa da evrenin seçtiği bu yöntemden kaçmamak, aksine tüm belirsizlikleri kucaklamak gerekiyor sanırım.