Kuantum mekaniğinin yorumları: Kopenhag, çok dünyalar, pilot dalga

Fizikte eşi benzeri az görülen bir durum var: elimizde her deneyi doğru öngören bir kuram var, ama o kuramın neyi anlattığı konusunda uzlaşma yok. Kuantum mekaniğinin matematiği tartışmasız; dalga fonksiyonunun ne olduğu, ölçüm sırasında ne olduğu ve ölçümden önce dünyanın nasıl olduğu tartışmalı. Bu sorulara verilen farklı cevaplara kuantum mekaniğinin yorumları denir.

Önemli bir noktayı baştan belirtmek gerekir: bu yorumların neredeyse tamamı aynı deneysel öngörüleri verir. Yani hangisinin doğru olduğunu bugünkü deneylerle ayırt edemiyoruz. Bu yüzden konu fizikle felsefenin kesiştiği yerde duruyor ve bu sayfanın bilimsel durumu "tartışmalı" olarak işaretli.

Sorun ne? Ölçüm problemi

Kuantum mekaniğinin iki ayrı kuralı var ve bu ikisi birbirine dikilmiş gibi durur:

1. Schrödinger denklemi. Sistem gözlenmediği sürece dalga fonksiyonu pürüzsüz, sürekli ve tamamen belirlenimci biçimde evrilir. Süperpozisyonlar korunur.
2. Çökme kuralı. Ölçüm yapıldığında dalga fonksiyonu "ani ve süreksiz" biçimde tek bir sonuca iner; hangi sonuca ineceği Born kuralıyla verilen olasılıklara tabidir.

İkinci kural, birinciden türetilemez. Ayrıca "ölçüm" teriminin kuramın içinde bir tanımı yoktur. Ölçüm aygıtı da atomlardan yapılmıştır; neden o da Schrödinger denklemine uymuyor? Bu boşluğa ölçüm problemi denir ve yorumlar esasen bu probleme verilen farklı cevaplardır.

Schrödinger'in kedisi tam olarak bu boşluğu göstermek için kurgulanmıştı. Bir atomun bozunup bozunmaması bir kedinin ölümüne bağlanırsa ve atom süperpozisyonda kalabiliyorsa, kedi de süperpozisyonda mı? Schrödinger, gerçekliği temsil etmek için böyle bir "bulanık model"i "safça geçerli saymaya" direniyordu.

Kopenhag yorumu

Ders kitaplarının örtük varsayımı ve tarihsel olarak baskın yaklaşım. Adı yanıltıcı biçimde geç kondu: terimi 1955 civarında Werner Heisenberg kullandı, hem de David Bohm'un alternatifini eleştirirken. Heisenberg sonradan bu adlandırmadan özel olarak rahatsızlık duydu, çünkü başka yorumların varlığını ima ediyordu. Léon Rosenfeld 1960'ta ifadeyi "muğlak" diye nitelemişti. Çatının fikirleri Niels Bohr ve Heisenberg'in 1925-1927 arasındaki Kopenhag çalışmalarından geliyor.

Temel ilkeleri: kuantum mekaniği içsel olarak belirlenimsizdir; dalga fonksiyonu ölçüm sonuçlarının olasılıklarını verir (Born kuralı); belirli özellik çiftleri aynı anda tanımlı olamaz (tümleyicilik); ölçümde dalga fonksiyonu çöker; ölçülmeden önce fiziksel özelliklerin belirli değerleri yoktur.

Güçlü yanı: Laboratuvarda çalışır, fazladan varlık varsaymaz. Zayıf yanı: Klasik ile kuantum arasındaki sınırın (Heisenberg kesiği) nerede olduğunu söylemez. John Bell bu sınıra "kaypak ayrım" (shifty split) diyordu. "Ölçüm" ve "gözlemci" terimleri tanımsız kalır.

Bohr-Einstein tartışmasının çekirdeği buydu. Einstein belirlenimsizliğe karşı çıkarken "O'nun [Tanrı'nın] zar atmadığına eminim" demişti; Bohr'un aktarılan cevabı ise "Tanrı'ya dünyayı nasıl yönetmesi gerektiğini söylemek bize düşmez" oldu. 1935'teki EPR düşünce deneyi aynı hattın devamıydı; Bohr, EPR'nin akıl yürütmesinin tümleyicilik yüzünden hatalı olduğunu savundu.

Kopenhag'ın pragmatik özeti olarak dolaşan "kapa çeneni ve hesabı yap" (shut up and calculate) sözü, sık sık Feynman'a atfedilir ama aslında N. David Mermin'in ifadesidir; Mermin daha sonra bu özeti "yeterince nüanslı değil" bulmuştur.

Çok dünyalar yorumu

Hugh Everett, 1957'de Princeton doktora tezine dayanan "Relative State Formulation of Quantum Mechanics" makalesini Reviews of Modern Physics'te yayımladı. Önerisi radikal biçimde basitti: ikinci kuralı, yani çökmeyi, tamamen atın. Yalnızca Schrödinger denklemi kalsın.

Bu durumda evrensel dalga fonksiyonu nesnel olarak gerçektir ve hiç çökmez. Ölçüm, gözlemciyi de süperpozisyona dahil eder: bir sonucu gören gözlemci ile diğerini gören gözlemci, artık birbirinden ayrışmış iki dalda yaşar. "Dünya" sayısı, ölçüm yapıldıkça dallanır. Terimi Bryce DeWitt, Physics Today'de 1970'te yayımlanan "Quantum mechanics and reality" yazısıyla popülerleştirdi ve adını koydu.

Dallanmanın neden belirli "klasik" seçeneklere göre olduğu sorusu eşevresizlik kuramıyla yanıtlanır: H. Dieter Zeh'in 1970 makalesi ve Wojciech Zurek'in çalışmaları (özellikle 1991 Physics Today yazısı ve 2003 Reviews of Modern Physics derlemesi), çevreyle etkileşimin hangi tabanın seçileceğini belirlediğini gösterdi. Wallace ve Saunders'a göre bu, "tercih edilen taban problemini" çözer.

Zayıf yanı: Olasılık. Her şey olduğuna göre, Born kuralındaki olasılıklar ne anlama gelir? David Deutsch (1999) ve David Wallace karar-teorik türetmeler önerdi; Simon Saunders (2021) dal sayımına dayanan bir yaklaşım geliştirdi. Bu türetmelerin ikna edici olup olmadığı tartışmalı. Ayrıca kurama sayısız dünya eklemek Occam'ın usturasına ters görünür (savunucuların cevabı: kuram daha basit, dünyalar sadece denklemin sonucu).

Deutsch, yorumun en eski ve en kararlı savunucusu. Karşı tarafta Asher Peres, Roger Penrose ve Gerard 't Hooft yer alıyor.

de Broglie-Bohm kuramı (pilot dalga)

Louis de Broglie 1927 Solvay Konferansı'nda, parçacıkların bir dalga alanı tarafından yönlendirildiği bir model sundu; fikir uzun süre gündemden düştü. David Bohm 1952'de Physical Review'da iki makaleyle kuramı yeniden kurdu ve parçacık yörüngelerini açıkça içeren ayrıntılı bir "nedensel yorum" verdi.

Kuramın söylediği: parçacıklar her an belirli bir konuma sahiptir — gözlenmediklerinde bile. Bu konumlar "gizli değişkenler"dir. Parçacığın hızı, dalga fonksiyonu tarafından bir kılavuz denklemle belirlenir; hız, (∇ψ/ψ) ifadesinin sanal kısmının ℏ/m katıdır. Böylece kuram tamamen belirlenimcidir: başlangıç koşulları ve dalga fonksiyonunun evrimi hareketi tümüyle saptar. Born kuralı burada bir varsayım değil, "kuantum denge" hipotezi üzerinden türetilen bir teoremdir.

Parçacıkların her zaman belirli konumu olduğu için ölçüm problemi ortadan kalkar; çökmeye gerek yoktur, gözlemciye özel bir rol düşmez.

Bedeli yerellik. Kılavuz denklem, tüm parçacıkların konfigürasyonuna bağlıdır; bir parçacığın hızı, uzaktaki bir parçacığın konumuna anında duyarlıdır. Kuram açıkça yerel değildir. Bu, Bell teoremiyle çelişmez — tam tersine Bell'in söylediği şeydir. Bell bu açıklığı bir meziyet saymıştı: "Yerel olmamayı, görmezden gelinemeyecek kadar açık biçimde ortaya koymak de Broglie-Bohm versiyonunun bir erdemidir."

Tarihsel bir not: John von Neumann'ın 1932'deki "gizli değişkenler imkânsızdır" ispatı, onlarca yıl boyunca bu tür kuramların önünü kapattı. Bell 1966'da ispatın varsayımlarının gereğinden güçlü olduğunu gösterdi ve yolu açtı.

Zayıf yanı: Göreliliğe uyarlanması zor; Lorentz değişmez bir uzantı için uzay-zamanda ayrıcalıklı bir dilimleme seçmek gerekiyor. Spin, vektör değerli dalga fonksiyonlarıyla ve değiştirilmiş kılavuz denklemlerle ekleniyor. Eleştirmenler yapının gereksiz karmaşık olduğunu söylüyor.

Verileri göster

Topluluk yorumu	Max Born, 1926
Kopenhag	Bohr ve Heisenberg, 1927
de Broglie-Bohm	de Broglie 1927, Bohm 1952
Kuantum mantığı	Birkhoff ve von Neumann, 1936
Çok dünyalar	Hugh Everett, 1957
Tutarlı tarihler	Robert B. Griffiths, 1984
Nesnel çökme	GRW 1986, Penrose 1989
İlişkisel	Carlo Rovelli, 1994

Diğer yaklaşımlar

• Nesnel çökme kuramları. Ghirardi, Rimini ve Weber (1986) ile Roger Penrose (1989), çökmeyi gözlemciye bağlamayıp dalga fonksiyonunun evrimine fiziksel, kendiliğinden bir çökme terimi ekler. Bu yaklaşım diğerlerinden önemli bir açıdan farklıdır: standart kuantum mekaniğinden sapan öngörüler verir, dolayısıyla deneyle sınanabilir. Büyük moleküllerle yapılan girişim deneyleri bu modellerin parametre aralığını daraltıyor.
• Topluluk yorumu. Max Born, 1926. Dalga fonksiyonu tek bir sisteme değil, benzer biçimde hazırlanmış sistemler topluluğuna ilişkindir. Ölçüm problemini "o bir soru değil" diyerek geçer; eleştirisi de budur.
• Tutarlı tarihler. Robert B. Griffiths, 1984. Kuantum olasılıklarını, birbiriyle tutarlı "tarih" kümeleri üzerinden kurar.
• İşlemsel (transactional) yorum. John G. Cramer, 1986. Zamanda ileri ve geri giden dalgaların el sıkışmasıyla ölçümü açıklar.
• İlişkisel yorum. Carlo Rovelli, 1994. Kuantum durumu mutlak değildir; her zaman bir sistemin başka bir sisteme göre durumudur.
• QBizm. Christopher Fuchs ve Rüdiger Schack, 2010. Dalga fonksiyonu dünyada bir nesne değil, bir failin kişisel Bayesçi inanç derecelerinin muhasebesidir. Çökme, bilgi güncellemesidir.
• Bilinç çökmeye yol açar. Eugene Wigner ve Henry Stapp çizgisi (1961-1993). Bugün fizikçiler arasında çok az destek görüyor; popüler kültürde ise en çok dolaşan versiyon bu.
• Kuantum mantığı. Garrett Birkhoff ve John von Neumann, 1936. Sorunun mantığın kurallarında olduğunu öne sürer.

Fizikçiler ne düşünüyor?

Konferanslarda yapılan gayri resmi anketler, hem bir eğilimi hem de uzlaşma eksikliğini gösteriyor. Max Tegmark'ın 1997'de "Fundamental Problems in Quantum Theory" toplantısında yaptığı ankette Everett yorumu %17 almıştı. 2011'de "Quantum Physics and the Nature of Reality" konferansında yapılan ankette Kopenhag %42 ile başta, çok dünyalar %18 ile ikinci sıradaydı; 33 katılımcının 6'sı çok dünyaları destekledi. 1991 öncesine ait bir ankette ise 72 kuantum kozmologunun %58'i "çok dünyalar yorumu doğrudur" ifadesine katılmıştı — katılımcı kitlesinin seçilmesinin sonucu ne kadar etkilediğini gösteren iyi bir örnek.

Bu anketlerin örneklemleri küçük ve taraflıdır; "fizikçilerin yüzde şu kadarı şuna inanıyor" diye genellenemez. Gösterdikleri tek net şey, yüz yıl sonra bile ortada bir uzlaşma bulunmadığıdır.

Verileri göster

2011: Kopenhag	%42
2011: Çok dünyalar	%18
1997 (Tegmark): Everett	%17
1991 öncesi kozmolog anketi	%58 çok dünyalar
2011 anketi katılımcı sayısı	33 kişi

Bu tartışma sınanabilir mi?

Çoğu yorum için hayır — hepsi aynı öngörüleri verir. Buna rağmen tartışma boş değil, üç sebeple:

• Bazı yorumlar sınanabilir. Nesnel çökme kuramları standart kuramdan sapar; büyük moleküllerle girişim deneyleri ve hassas interferometreler bunları sıkıştırıyor.
• Yorum, araştırma yönünü belirliyor. Eşevresizlik kuramı çok dünyalar tartışmasının içinden çıktı ve bugün kuantum bilgisayar mühendisliğinin merkezinde. Dolanıklığı bir kaynak olarak görme fikri, Bell tartışmasının ürünü.
• Kuantum kütleçekimi. Evrenin tamamını kuantum mekaniğiyle betimlemeye kalktığınızda "gözlemci dışarıdadır" varsayımı kullanılamaz hâle gelir. Kozmolojide yorum sorunu teknik bir zorunluluk olur.

Kısaca

• Kuantum mekaniğinin hesapları tartışmalı değil; dalga fonksiyonunun ve ölçümün ne olduğu tartışmalı.
• Kök sorun ölçüm problemi: Schrödinger denklemi süperpozisyonu sürdürür, biz tek sonuç görürüz.
• Kopenhag (Bohr-Heisenberg, 1927) çökmeyi bir kural olarak kabul eder; klasik-kuantum sınırını tanımlamaz.
• Çok dünyalar (Everett, 1957) çökmeyi atar, bunun bedeli olarak dallanan dünyaları ve bir olasılık sorununu kabul eder.
• de Broglie-Bohm (1927/1952) belirlenimciliği korur, bedeli açık yerel-olmamadır.
• Nesnel çökme kuramları sınanabilir öngörüler verdiği için ayrı bir yerde durur.
• Anketlerde Kopenhag önde (2011'de %42) ama hiçbir yorum çoğunluk uzlaşması sağlamıyor.