Kuramsal fizikte “belirsizlik” ve “görelilik” durumları, gerçekliğin, algılanış farkına göre kişiden kişiye değişeceği anlamına gelir mi?

Çevremizde gördüğümüz dünyayı açıklamak için klasik fiziğin yeterli olduğu düşüncesi bir yanılgıdır. Maddeyi oluşturan atomaltı parçacıklar kuantum fiziği yasalarına göre davranırlar. Benzer biçimde biz insanlar da tekhücreli bir canlıdan milyarlarca yıllık bir süreçte evrimleştik. Dolayısıyla düşüncelerimiz etrafımızda gördüğümüz olaylara, dolayısıyla makrokozmosa göre şekillendi. Bize normal gelen olaylar makrokozmosun olaylarıdır. Oysa mikrokozmosta işler başka türlü gerçekleşiyor, ama biz bunu çıplak gözle fark edemiyoruz.
Kuantum fiziğindeki belirsizlik ilkesi de bunlardan biri. Aslında ilk bakışta belirlenimci bir dünyada yaşadığımızı zannediyoruz. Ama öyle değil. Belirsizlik makrokozmosta daha fazla. Tam tersine mikrokozmostaki belirsizlik sınırı Planck sabiti mertebesinden daha küçük olamazken (Heisenberg belirsizlik ilkesi), makrokozmostaki belirsizlik bundan defalarca daha fazla. Belirsizlik, herhangi bir niceliğin ölçümü ile ilgilidir. Her ölçümde bir belirsizlik payı vardır.
Çok küçük boyutlarda geçerli olan kuantum mekaniği yasalarına göre, atomaltı parçacıkların konumları ne kadar yüksek hassasiyetle ölçülürse, hızları o kadar az hassasiyetle bilinebilir (Heisenberg belirsizlik ilkesi); hem dalga hem parçacık özellikleri gösterirler; devinim esnasında belli bir yörünge izlemezler; verilen bir durumdan diğerine geçerken gözlenemeyen ara durumlar geçirirler.
Klasik fizikte varolduğu zannedilen “belirlenimcilik”, kuramın kendisinden değil, felsefe, politika, din gibi dış etmenlerden kaynaklanır. Klasik fizik belirsizliğe bir alt sınır bile koyamaz. Kuantum fiziğinde ise Heisenberg, her iki elemanın ölçümlerindeki belirsizliklerin çarpımının belli bir evrensel sabit (Planck sabiti) mertebesinden daha küçük olamayacağını göstermiştir. Heisenberg belirsizlik ilkesi, belirsizliğe bir alt sınır koyarken aslında doğanın en küçük pikselini (çözünürlük birimini) belirlemektedir ve bu anlamda klasik fiziğe göre daha belirlenimcidir.
Klasik fizikteki var olmayan “belirlenimcilik”, fizik dışı disiplinlerden empoze edilmeye çalışılırken, kuantum fiziğinin belirlenimciliği kendi yapısından ileri gelir. Örneğin atomun kütlesinin neredeyse tüm kütlesini taşıyan çekirdeğin yarıçapının, atomunkinin yüz binde biri kadar oluşu Heisenberg’in belirsizlik ilkesi sonucudur. Atom çekirdeğindeki proton, elektronu kendine çektikçe, belirsizlik ilkesi nedeniyle elektronun hızı, dolayısıyla kinetik enerjisi artar. Böylelikle içleri neredeyse boş birçok

atom bir araya gelip bir yoğun madde meydana getirdiklerinde, Pauli ilkesi yüzünden birbirlerine ancak dış elektronları değecek kadar yaklaşabilirler.
Çok verilen bir örnek şudur: Newton fiziğine göre, Dünya’nın Güneş etrafındaki yörüngesini tam olarak belirleyebiliriz. Bu yanlış bir önermedir. Hem kuramsal olarak, hem de deneysel olarak Dünya’nın Güneş etrafındaki yörüngesini belirlemeye kalktığımızda karşımıza çıkan hata payı, kuantum fiziğindeki atomaltı parçacıkların yörüngelerini belirlemeye kalktığımızda karşımıza çıkanlardan kat kat daha fazladır. Bunu deneysel olarak görmek kolaydır. Dünya’nın yörüngesini defalarca ölçtüğümüzde hesaplarımızdaki belirsizlik Planck sabitinin onlarca mertebe üstündedir. Kuramsal olarak ise olayı anlamak biraz daha zor. Sadece klasik mekanik kullanarak dünyanın yörüngesini hesapladığımızda, mutlak bir kesinlikle belli bir zamanda belli bir yerde olacağını varsayarız. İlk bakışta burada mutlak bir belirlenimcilik var gibi gözüküyor. Ama bu bir yaklaşım sadece. Klasik mekanikte atomaltı kuvvetler hesaba katılmıyor. Sadece Newton’un kütleçekim kuvveti varsayılıyor. Oysa bu eksik bir kuram. Artık biliyoruz ki evrende dört temel kuvvet var. Diğer üç kuvveti de hesaba kattığımızda, kuramsal olarak mutlak bir kesinlik yok. Çünkü evrenin bir çözünürlüğü var. Tıpkı maddenin sonsuza kadar bölünemez oluşu gibi, evrenin dokusunu da sonsuza kadar küçültemezsiniz. En küçük piksel Planck sabitidir (10-35 m). Dolayısıyla dünyanın Güneş etrafındaki yörüngesini kuramsal olarak mutlak bir kesinlikle öngöremezsiniz. Klasik fizikte bunun mümkün olabileceği varsayılmıştı; çünkü tek bir kuvvet biliniyordu: Kütleçekim kuvveti.
Son olarak, “belirsizlik”le “olasılığı” birbirine karıştırmamak gerektiğini belirtelim. Kuantum fiziğinin olasılıkçı yapısı, Heisenberg belirsizlik ilkesinden gelmez. Bu sık yapılan bir yanlıştır. Mikrokozmosta parçacıkların davranışının ancak bir olasılık çerçevesinde yorumlanabileceği kuantum fiziğinin temel ilkelerindendir. Ama istatistiksel olarak öngörüde bulunmaya izin verir kuantum fiziği. Bu öngörüdeki belirlenimcilik ise, Heisenberg belirsizlik ilkesi ile sınırlandırılmıştır. Yukarıda anlatıldığı gibi, mikrokozmosta belirsizlik belli bir sabitin (doğanın pikseli olan Planck sabiti) altında olamaz. Oysa makrokozmosta bu belirsizlik kat kat fazladır.
Görelilik ise, Einstein’ın 1905’de ortaya koyduğu özel görelilik kuramından sonra, fizikte en yanlış anlaşılan kavramlardan biridir. Yeterince fizik bilmeyenler göreliliği “Bana göre doğru budur, başkasına göre doğru başka olabilir” gibi anlıyorlar. Birkaç cümle ile göreliliği anlatmaya çalışalım. Göreliliği aslında Einstein değil Galileo Galilei 17. yüzyılın başında keşfetti. Fikir oldukça basit. Birbirine göre farklı hızlarda giden sistemlerde, nesnelerin hareketleri farklı görünür. Galileo bunu dünyanın döndüğünü ispatlamak için kullanmıştı. O zamanlar Galileo’ya en büyük itiraz, “Dünya dönüyorsa neden yüksek bir binanın tepesinden bırakılan bir taş geriye düşmüyor” şeklindeydi. Dünya dönüyorsa büyük bir hızla dönmeliydi. Bu hızı o zamanlar bile hesaplamak kolaydı. Dünya’nın çevresini bir güne böldüğünüz zaman, dünya üzerindeki bir binanın büyük bir hızla döndüğünü bulursunuz. İşte Galileo göreliliği keşfederek bu sorunu çözdü. Şimdi bize çok basit geliyor, ama 400 yıl öncesi için gerçekten büyük bir devrim. Dünya üzerindeki bir binanın tepesinden bir taşı bırakan gözlemci, dünya ile birlikte döndüğü için taşın binanın dibine doğru düştüğünü görür. Oysa dünya dışında sabit duran bir gözlemci taşın eğik atış yaptığını görür. Sonuçta taş yere çarptığında, Dünya dışındaki gözlemci de o sırada binanın zemin katının taşın düştüğü yerde olduğunu görecektir. Ama sadece taşın hareketini izlese, bu hareketin dümdüz aşağı değil, bir eğri çizerek gittiğini gözleyecektir. Oysa iki gözlemcinin de kullandığı hareket denklemleri aynıdır. İşte göreliliğin temeli budur.
Ancak bu Galieo göreliliğidir, diğer bir deyişle düşük hızlarla giden nesneler için geçerlidir. Bir arabadan atılan taş, yerde sabit duran gözlemciye, arabanın hızı ile taşın hızının toplamı kadar bir hıza sahip olarak çarpar. Ancak hızlar arttıkça durum değişmeye başlar. Tıpkı boyutlar değiştikçe farklı kuvvetlerin etkin olmaya başlaması gibi, hızlar arttıkça da görelilik denklemleri değişir. Bunu ilk fark eden Einstein olmuştur. Einstein göreliliğin temel bir olgu olduğunu keşfetmiş ve bütün fizik yasalarının her eylemsizlik sisteminde aynı olduğunu vurgulayarak, ışığın hızının farklı eylemsizlik sistemlerinde de aynı olması gerektiğini saptamıştır. Einstein’ın devrimi bu kadar basittir: Işığın hızı her eylemsizlik sisteminde aynıdır. Diğer bir deyişle, eğer arabadan atılan taş değil de ışık olsaydı, yerde sabit duran bir gözlemciye çarparken arabanın hızı ile toplanmayacaktı.
Bu basit önermenin sonuçları evreni algılayışımızı epey değiştirdi. Örneğin, ışığın hızının farklı eylemsizlik sistemlerinde aynı oluşunun sonucu, iki farklı noktada eşzamanlılığın olamayacağıdır. Bir diğer sonuç, birbirine göre farklı hızlarda giden eylemsizlik sistemlerinde zamanın farklı hızla akacağıdır. Deneylerle de ispatlanan bu kurama göre, örneğin bir uzay gemisine binip ışık hızına yakın hızlarda komşu bir gezegene gidip gelirseniz, dünyada kalanlara göre daha az zaman harcarsınız. Siz genç kalırsınız, dünyadakiler size göre daha fazla zaman geçirdikleri için daha fazla yaşlanırlar. Atomaltı parçacıklarla yapılan sayısız deneyin de kanıtladığı gibi, bu bir gerçektir. Görelilik “doğru”nun farklı insanlara göre farklı oluşu değildir, zaman ve uzayın doğası hakkında bir gerçekliktir.

Daha detaylı bir inceleme için bu konuda yazılmış en güzel kaynaklardan biri olan İbrahim Semiz’in kitabı (50 Soruda Görelilik, Bilim ve Gelecek Kitaplığı) önerilebilir.
Kerem Cankoçak

50 Soruda Bilim ve Bilimsel Yöntem
Editör: Alâeddin Şenel
Bilim ve Gelecek Kitaplığı, Mayıs 2012