Ana sayfa 133. Sayı Fotonlar zamanda yolculuk yaptı!

Fotonlar zamanda yolculuk yaptı!

122
PAYLAŞ
İllüstrasyon, uzay (yatay) ve zaman (dikey) içindeki kapalı yollarla uzay-zaman yapısını gösteriyor. Beyaz bir bulutla bir solucan deliğine doğru gittiği gösterilen kuantum parçacığı zamanda geri gidiyor, uzay- zamanda aynı yere yeniden dönüyor. © Martin Ringbauer

Çeviren: Cem Oran

Avustralyalı fizikçiler, optik ekipmanlar kullanarak laboratuvar ortamında zamanda yolculuğu simüle ettiklerini duyurdu. Çalışmayı gerçekleştiren biliminsanları, “kapalı zamansal eğriler” olarak bilinen uzay-zamandaki kestirme yollar üzerinde seyahat ediyormuş gibi davranan fotonlar oluşturduklarını söylüyor. Araştırmacılar, yaptıkları çalışmanın uzun süredir devam eden kuantum mekaniğiyle kütleçekimi birleştirme çalışmalarına bir katkısı olabileceğini düşünüyor.

Günlük deneyimlerimiz zamanda ileriye veya geriye doğru seyahat etmenin imkânsız olduğuna işaret etse de, Einstein’ın genel göreliliği kesin bir kural koymuyor. Teori, uzay-zaman içerisinde ancak kara delikler gibi çok güçlü kütleçekim kaynakları tarafından oluşturulabilecek kapalı zaman eğrilerinin (kısaca döngülerin) oluşmasına izin veriyor. Bu yapılar solucan deliği ismiyle bilinen, uzay-zamandaki 2 ayrı bölge arasındaki kestirme yolları kullanarak bir objeyi daha önce bulunduğu bir konum ve zamana döndürebilir.

Büyükbaba paradoksu

Klasik fizikte kapalı zamansı eğrilerin varlığı bir dizi paradoksa yol açar. Bunlardan en iyi bilineni büyükbaba paradoksudur. Büyükbaba paradoksuna göre zamanda geriye doğru seyahat eden biri, henüz genç yaşta olan büyükbabasını öldürerek kendi doğumunu önleyebilir. Fakat, kuantum mekaniğinde bu tür paradokslar önlenebilir. Bu paradoksun kuantum mekaniksel karşılığında canlı ve ölü anlamına gelen 2 farklı duruma -1 veya 0- sahip bir atom altı parçacık bulunur. Paradoksa göre 1 durumunda bulunan parçacık zamanda geriye doğru seyahat ederek, kendisinin daha genç versiyonuyla karşılaşabilir ve kendi durumunu 0’a döndürecek şekilde tersine çevirebilir.

Fakat, 1991 yılında Oxford Üniversitesi’nden David Deutsch kuantum mekaniğinin istatistiksel doğasının bu paradoksu yenmek için yardıma koştuğunu gösterdi. Deutsch kuantum parçacığının zamanda geriye doğru seyehatini güvenli kılan bir durumun daima bulunduğunu keşfetti. Örnek üzerinden açıklamak gerekirse, eğer parçacık 1 ve 0 durumlarının eşit olasılığa sahip olduğu bir durumda başlarsa, durumu değiştirdiğinde 1 veya 0 durumları için yine aynı yüzde 50’lik olasılık kalacaktır.

Solucan deliğinde gözden kaybolmak

En son yapılan çalışmada, Queensland Üniversitesi’nden Martin Ringbauer ve çalışma arkadaşları Deutsch’un modelini laboratuvar ortamında yeniden oluşturdu. Fakat, laboratuvar ortamında gerçekçi kapalı zamansı eğrilerin olmayışından dolayı, ekip aynı kuantum parçacığının geçmişteki ve bugünkü versiyonları arasındaki etkileşimi doğrudan inceleyemedi. Bunun yerine, çalışmada 2 ayrı parçacık kullanıldı. Deney, daha genç olan parçacığın normal uzay-zamanda kalacağı ve daha yaşlı olan parçacığın simüle edilmiş solucan deliğinde gözden kaybolup geçmişte yeniden ortaya çıkarak küçük partneriyle etkileşime geçeceği fikrine dayanıyor.

Ekip foton çiftleri oluşturmak için doğrusal olmayan bir kristal içerisinden bir lazer demeti geçirdi. Daha genç olan foton polarize edilerek yatay polarize olanlar 0 durumunu, dikey polarize olanlar 1 durumunu ve ara durumlar ise süperpozisyon durumları gösterecek şekilde şifrelendi. Bu foton daha sonra daha yaşlı olan partneriyle bir demet bozucuda karıştırılarak sonuçlar bir çift dedektör tarafından kayıt altına alındı.

Tutarlılık koşulu

Bu detektörlerden biri solucan deliğine girişi oluşturmakta ve fotonun deneyin başlangıcındaki durumunu -solucan deliğinden çıktığı noktayı- koruduğunu garanti etmek için daha yaşlı olan fotonun durumunu kayıt altına almakta kullanılıyor. Deney planına göre bu yöntemle, Deutsch’un zamanda yolculuktan kaynaklanan paradoksları ortadan kaldırmak için kendi modelinde yürürlüğe koyduğu ve solucan deliğine her ne girerse girsin değişmeden çıkacağını öngören “tutarlılık koşulu”nu karşılar.

Ekip, daha genç olan fotonu 32 farklı polarizasyondan biriyle keyfi olarak kodlayarak ve daha yaşlı olan fotonun durumunu sabitleyerek, tutarlılık koşulunun sağlanabileceğini gösterdi. Aynı zamanda kapalı zamansı eğrilerin varlığının gözlemciye zamanda seyahat eden fotonun ortogonal (dik) olmayan (yatay ve diyagonal gibi) durumlarını mükemmel bir şekilde ayırt edebilme imkânı verdiği bulundu. Bu, normalde kuantum mekaniksel sistemlerde yapılamayacak bir şey.

Kriptolama avcıları

Proje lideri Tim Ralph’e göre, sonuçlar kuantum kriptolamasının kırılması için bir yol öneriyor, çünkü kapalı zaman eğrisine erişimi olan tüm gözlemciler, prensipte gizli anahtarın mükemmel bir kopyasını yapabilme yetisine sahiptir ve kuantum ölçümleriyle kendi varlığının açığa çıkarılmasından kaçınabilir. Ralph’e göre zamansal eğriler sadece güçlü kütleçekimsel eğrilik ile mümkün olabileceğinden, araştırma kuantum mekaniği ve genel görelilik arasındaki gerilime bir açıklık getirebilir.

Güney Kaliforniya Üniversitesi’nden Todd Brun deneyin Deutsch’un modelini test etmek için kendi başına yeterli olmadığını söylese de, çalışmayı Deutsch’un modelinin “bazı garip sonuçlarının çok iyi bir deneysel gösterimi” olarak yorumluyor. Fakat deneye daha eleştirel bakan uzmanlar da var.

Tamamen öngörülebilir

IBM’den Charles Bennett deneyin sonuçlarını “kuantum optiğin iyi kurulmuş prensipleri tarafından tamamen öngörülebilir” olarak yorumluyor ve gereksinim duyulanın daha ziyade “kapalı zamansı eğrilerin fiziğin diğer alanlarıyla uyumluluğunun ve sonuçlarının teorik olarak araştırılması” olduğunu belirtiyor. Bennet’a göre deney sistemi “Ortogonal olmayan durumları gerçekçi olarak ayırt edebilmek için uygun fonksiyonlara sahip bir mekanizma değil.” Polonya’daki Adam Mickiewicz Üniversitesi’nden Antoni Wójcik de aynı görüşte. Wójcik’e göre deney, “standart kuantum mekaniğinin ilginç bir sağlamasını yapıyor”, fakat zamanda seyahat eden kuantum parçacıkları konusunda “hiçbir soruyu cevaplamıyor.”

Bunların yanı sıra, Deutsch’unkine rakip bir model geliştiren MIT’den Seth Lloyd son yapılan deneyde solucan deliğine giren ile çıkan şey arasında fiziksel bağlantı olmadığına ve bunun sonusu olarak solucan deliğinin çıktısının klasik olarak hesaplanarak üretilmiş olduğuna işaret ediyor. Lloyd, “Bu kuantum simülasyonunun klasik olarak simüle edilemeyecek şeyleri öngörme hedefini sabote etmekte” diyor.

İlk olarak Nature Communications’da yayımlanan çalışmanın makalesine arXiv’den ulaşılabilir.