Heisenberg’in Belirsizlik İlkesi Nedir? Özgür irademiz var mı?

Merhaba nasılsınız? Kuantum fiziği serisinin ikinci bölümüne hoş geldiniz arkadaşlar. Bu videoda bilim dünyasının en önemli kavramlarından birine bakacağız. Heisenberg’in belirsizlik ilkesi. Ve bu ilkenin özgür irade konusunda ne söylediğini anlayamaya çalışacağız. Özgür irademiz var mı? Seçimlerimiz bizim elimizde mi? Yoksa her şey önceden belirlenmiş de biz sadece özgür irademiz varmış yanılsamasına mı kapılıyoruz?

Tüm bu soruların cevaplarını arayacağız ama bu videoya küçük bir hikâyeyle başlayalım istiyorum.

Bilmediğini Bilen Sokrates

M.Ö. 5. Yüzyılda, Delphi kâhini Sokrates’e dünyadaki en bilge kişinin kendisi olduğunu söylediğinde Sokrates hayrete düşmüş. Çünkü kendisinin bilgili biri olmadığından eminmiş. Neden en bilge kişi olduğunun cevabını bulmak için araştırmalara başlamış. Çıkmış diyar diyar gezmiş. Kendisinden daha bilgili ve makam sahibi olduğunu düşündüğü herkesle görüşüp onlara sorular sormuş. Bu sayede kendisinin hiç bilmediği şeyleri de bilen birinin olduğunu kanıtlayacakmış.

Fakat Sokrates’in yaşadığı dönemde Atina Devleti halkı sakin tutmak ve kontrolü altına almak için bilgiye karşı bir tavır sergiliyormuş. Soru sormak ve sorgulamak halkı meraklandırıyor ve devleti zor durumda bırakıyormuş. Tam da bu noktada Sokrates aklındaki düşünceyi kanıtlamak için durmadan sorular soruyor, sorguluyor ve istemeden de olsa halkı düşünmeye yönlendiriyormuş.

Devlet ve halkın bazı kesimleri bundan rahatsızlık duyunca Sokrates, Atina gençlerini yoldan çıkarmakla suçlanmış. Suçlamalar mahkemeye taşınmış ama Sokrates, suçlamalardaki tezatları ustaca ortaya çıkarıyormuş.

Sonra Sokrates bakmış ki soru sorduğu kişiler makam sahibi olmanın verdiği egoyla hiç bilgi sahibi olmadıkları konularda bile bilgi sahibi olduğunu iddia ediyorlarmış. Konu hakkında bilgi sahibi olmadıkları gün yüzüne çıkınca da Sokrates’e kin beslemeye başlamışlar.

Sokrates sonunda kendisinin neden en bilge kişi olduğunu anlamış. Çünkü bu kişilerden farklı olarak, bilmediğini biliyormuş; tam da bu noktada o kişilerden daha bilgeymiş. Yani Sokrates kendi cehaletinin farkında olmak gibi bir insani bilgeliğe sahipmiş.

Kuantum Dünyasına Yolculuk

Şimdi bu hikayeyi nereye bağlayacağımı merak ettiniz değil mi? Diyorsunuz ki bunun Heisenberg’in belirsizlik ilkesiyle ne alakası var? Videonun sonunda anlatacağım.

Şimdi size bir soru sormak istiyorum arkadaşlar. Şu anda nerede olduğunuzu biliyor musunuz? Gerçekten bu videoda mısınız? Az önce anlattığım hikaye belki de sizleri bambaşka yerlere götürdü. Hepinizin beyninde farklı nöronlar farklı bağlantılar kurdu. Aynı kuantum dünyasındaki parçacıkların süperpozisyonda olması gibi aynı anda birden çok yerde oldunuz.

Peki mekânsal olarak neredesiniz?

Diyelim ki aranızdan biri bu videoyu bir otobüste izliyor olsun. Şimdi size bir soru daha. Elimde gelişmiş bir gps ölçüm cihazı kullandığımı düşünün. Bu cihazla otobüsteki arkadaşın hızını ve konumunu aynı anda tespit edebilir miyim?

Elbette edebilirim.

Ancak atom altı dünyada parçacıklar bu soruya hayır cevabını veriyor. Aynı anda hem konumumu hem de momentumu mu yani dolayısıyla hızımı tespit edemezsin.

Peki bu nasıl oluyor? Makro dünyayla mikro dünya arasında neden böyle bir ayrım var?

Yine kuantum dünyasına bir yolculuk yapalım sizinle. Werner Heisenberg’in belirsizlik ilkesiyle.

Belirsizlik İlkesi Nedir?

Karl Werner Heisenberg. 20.yüzyıla damgasını vurmuş Alman fizikçilerden biri. Atomun yapısı hakkında yaptığı çalışmalarla 1932 yılında Nobel Fizik Ödülü’nü kazandı. Fakat onu tanımamıza asıl neden olan şey 1927 yılında ortaya koyduğu meşhur belirsizlik ilkesiydi.

Peki nedir bu belirsizlik ilkesi?

Işığın hem dalga hem de parçacık özellikleri göstermesi gibi elektronun da parçacık özelliklerinin yanında dalga özellikleri olabileceğini ilk ifade eden Louis de Broglie’du. Ardından 1906 yılında John Thomson elektronun bir parçacık olduğunu göstererek nobel ödülü kazandı. Daha ilginciyse 1937 yılında oğlu George Thomson da, elektronun bir dalga olduğunu keşfedip nobel ödülü kazandı.

Atom altı fiziğindeki gelişmeler işte hep böyle ilginç gerçekleri gözler önüne serdi. Bu ilginç gelişmelerin en önemlilerinden biri de Heisenberg’in belirsizlik ilkesini ortaya koymasıydı.

Schrödinger atomu, çekirdeğin etrafında madde dalgalarının döndüğü bir sistem olarak yorumlarken, Bohr ise parçacık ve dalga olmayı aynı varlığın iki ayrı görünümü olarak yorumladı. Sonra Heisenberg dedi ki; ikinizin yorumu da kısmen doğru ancak eksik. Ben bir belirsizlik ilkesi ortaya koyuyorum böylece çelişkiler ortadan kalkacak.

Heisenberg’in belirsizlik ilkesi der ki:

Atom altı düzeyde parçacıkların hem konumunu hem de momentumunu aynı anda tam olarak hesaplayamazsınız.

Peki momentum nedir?

Hani şu sokaklarda yumruk vurarak yüksek puan almaya çalıştığımız boks makineleri var ya, onu düşünün. Teknik olarak daha yüksek puan alabilmenizin iki yolu vardır.  Ya topa daha sert vurarak hızını artırırsınız. Ya da vurduğunuz topun kütlesini artırarak etki eden kuvvet miktarını artırırsınız. Yani kısacası ne kadar yüksek puan almak istiyorsanız topun momentumunu o kadar artırmalısınız. Dolayısıyla, momentum = kütle çarpı hızdır.

Belirsizlik ilkesine göre bir parçacığın konumunu ne kadar doğru olarak belirlersek, momentumu yani dolayısıyla hızı o kadar belirsizleşir. Parçacığın hızını tamamen doğru olarak belirlersek, bu kez de konumu tamamen belirsizleşir.

Eğer momentum-konum belirsizliği olmasaydı atomlar ve dolayısıyla çevremizde gördüğümüz makroskobik dünya asla var olamazdı. Çünkü negatif yüklü elektronların pozitif yüklü çekirdeğe düşmemelerini belirsizlik ilkesi sağlar. Elektron çekirdeğe yaklaştıkça konumdaki belirsizlik azalır ve hızdaki belirsizlik artar. Hızdaki belirsizliğin artması elektronun, çekirdeğe düşmeyecek şekilde hareket etmesine imkân verir.

İşte bu ilke klasik fizik açısından kabul edilemeyecek nitelikteydi. Çünkü klasik fizikte herhangi bir nesnenin konumunu ve momentumunu net bir şekilde hesaplayabiliriz ve bunu bildiğimizde, birazdan tam olarak nerede olacağını da rahatlıkla bulabiliriz.

Determinizm ve Laplace’ın Cini

Heisenberg’in belirsizlik ilkesi bu özelliğiyle determinizmin “her şeyi kesin olarak belirleyebilme” önermesini tamamen yıkmış gibi görünüyordu.

Ama neden?

Bunu size Fransız matematikçi Pierre-Simon Laplace’ın Laplace Şeytanı düşünsel deneyinden bir örnekle açıklamak istiyorum arkadaşlar.

Elimde bulunan bu parayı havaya attığımda paranın yazı ya da tura gelmesi ihtimali bana göre %50’dir. Fakat Laplace’a göre sonucu değiştirmek bizim elimizdedir ve aslında şans diye bir şey yoktur.

Şans olarak tanımlanan olayların gerçekleşeceği önceden bellidir. Çünkü bu olaylar bazı fizik kurallarının sonucunda olarak oluşur.

Örneğin parayı havaya attığımda yazı ya da tura gelmesi ihtimali parayı tutma açıma, paranın atıldığı ortama, sıcaklığa, paranın yapıldığı maddeye, paranın büyüklüğüne, paraya uygulanan kuvvete ve daha binlerce farklı değişkene bağlıdır.

Ancak insan beyni bunları hesaplayabilecek kapasiteye sahip değildir.

İşte Laplace’ın Cini tam olarak burada devreye giriyor.

Biz buradaki cini çağımıza uygun şekilde bir süper-bilgisayar olarak düşünelim.

Laplace, bu düşünsel deneyde evrendeki her atomun yerini ve hareketini hesaplayan, bu sayede evrenin ve kâinatın bütün geçmiş ve geleceğini de bilen sanal bir varlığın mevcut olduğunu varsayıyor.

Yani Laplace’ın demek istediği şey şuydu:

Eğer her atomun, hatta atom-altı parçacıkların hareketini an be an hesaplayabilen bir süper bilgisayar olsaydı, bu bilgisayar gelecekte ne olacağını kesin bir şekilde bilebilirdi. Dolayısıyla eğer gelecekte ne olacağı zaten önceden belliyse o zaman şans diye bir şey yoktur. Yani bir zarı masaya attığınızda o zarın hangi yüzünün üste geleceği siz onu daha atmadan önce bellidir.

Buna benzer olarak her şey ama her şey, mesela benim bu videoyu yapmak istemem, sizin izlemek için videoyu açmanız, akşam yiyeceğiniz yemek, yapacağınız sohbet, gideceğiniz mekânlar, yağacak yağmur, olacak deprem her şey önceden bellidir.

İşte hiçbir şeyin belirsiz olmadığı, her şeyin bilinen veya bilinmeyen bir sebebinin olduğunu savunan bu düşünce sistemine determinizm deniyor. Yani Laplace’a göre evrenin şimdiki hali geçmişin sonucu ve geleceğin nedenidir.

Newton ve Einstein’a Göre Evren

Bu görüş ilk defa Laplace’ın ortaya attığı bir şey değildi. 17.yüzyılda Isaac Newton kalkülüs matematiğini kullanarak hareket yasalarını ortaya koyduğundan beri evrenin deterministik olduğu düşünülüyordu.

Newton’ın bulduğu denklemler sayesinde bilim insanları, top güllelerinden gezegenlerin yörüngelerine kadar cisimlerin nasıl hareket edeceğini ve birbiriyle nasıl etkileşeceğini öngörme becerisi kazanmışlardı.

Bunun sonucunda, tüm doğa yasaları bilinirse teoride evrendeki her cismin gelecekteki durumunun bilinmesinin mümkün olacağı görüşü yaklaşık 250 yıl boyunca kabul gördü. Demek ki evrenimiz içindeki her şeyin, her hareketin, her değişimin önceden belirlendiği bir evrendi.

Aslında Laplace’ın burada tam olarak anlatmak istediği şey, böyle Tanrısal bir aklın var olması ihtimali falan değildi. Bu, sadece durumu basitçe anlatmak için kullandığı bir benzetmeydi. Şans diye bir şey yoktu. Özgür irade kavramı da bir safsatadan ibaretti. Aslında hepimiz özgür iradeleri olduğu yanılsamasına kapılmış satranç tahtasındaki piyonlar gibiydik.

Bu teoriye karşı çıkan bilim insanları da işte tam bu noktada devreye girdiler.

Heisenberg, belirsizlik ilkesiyle bu teoriyi kökünden yıkmıştı. Onun teorisi, evrende determinist bir yapının değil de ontolojik olasılıkların, belirsizliğin ve indeterminizmin var olduğunu söylüyordu. Özgür irademiz vardı. Her şey önceden belli falan değildi. Kararlarımız an be an hayatımızı şekillendiriyordu.

Kuantum mekaniği, Laplace’ın teorisini çürütüyordu. Atom-altı seviyede bir parçacığın hem konumunu hem de hızını aynı anda tespit etmemiz imkânsızdı. Doğanın kanunu buydu. Evren düşündüğümüzden daha ilginç değildi. Hayal edebileceklerimizden bile daha ilginçti.

Böyle olunca da istediği kadar güçlü ve zeki bir bilgisayar olursa olsun asla bir elektronun sonraki hareketini hesaplayamazdı.

Ama belirsizlik ilkesini, bütün bilim insanları ve felsefeciler aynı şekilde yorumlamadılar ve temelde üçe bölündüler.

Şimdi gelin size bundan bahsedeyim biraz.

1-CEHALETİMİZDEN KAYNAKLANAN BELİRSİZLİK VARDIR

İçerisinde Schrödinger, Dirac, Planck ve Penrose gibi büyük bilim insanlarının bulunduğu ilk grup dedi ki:

“Cehaletimizden kaynaklanan bir belirsizlik vardır. Yani bize göre evren deterministtir. Atom altı dünyada belirsizlikler ontolojik değildir. Kuantum dünyasına ait teorilerimiz eksiktir. Belirsizliklerin sebebi cehaletimizdir. Kuantum teorisinin olasılıklarla ifade edilmesi, gerçek dünyaya olasılıkçı yasaların hakim olmasından kaynaklanmaz. Gerçek dünyada olaylar kesin olarak belirlenebilir.”

Kısacası bu düşünceye sahip bilim insanları ve filozoflar atom altı dünyayı belirsizliklerden kurtaracak matematiksel formüllerin bir gün bulunacağını düşünüyorlar.

2-SINIRLILIKLARIMIZDAN KAYNAKLANAN BELİRSİZLİK VARDIR

Gelelim ikinci gruba. Bu gruptaki bilim insanları ise deneysel ve kavramsal sınırlılıklarımızdan dolayı bir belirsizlik olduğunu iddia ettiler ve şöyle devam ettiler:

“Aslında belirsizlik diye bir şey yoktur. Bizim cehaletimizden veya atom-altı seviyede bulunan gizli değişkenlerin varlığından kaynaklanan bir durum da değildir. Ama deneysel ve kavramsal sınırlılıklarımızdan dolayı bir belirsizlik söz konusudur. Günümüz bilimi ve teknolojisi atoma ve atom-altı dünyaya erişmemizi nispeten kısıtlıyor. Bu durumda belirsizlik ilkesinin geçerliliği ya da geçersizliği konusunda bir yargıda bulunamayız.”

Bu görüşe göre bir gün kuantum teorisiyle ilgili gizemler çözümlenecek ama nasıl gerçekleşecek ve bizi çevreleyen sınırlardan nasıl kurtulacağız bilmiyoruz.

3-BELİRSİZLİK GERÇEKTİR ve EVREN İNDETERMİNİSTTİR

Üçüncü gruptaki bilim insanları ise dediler ki; belirsizlik ilkesi gerçektir ve evren indeterministtir:

“Bizim bakış açımıza göre kuantum dünyasına dair belirsizliklerin, bizim cehaletimiz ya da deneysel ve kavramsal yetersizliklerimiz gibi eksikliklerle alakası yoktur; belirsizlikler, doğanın ontolojik bir gerçekliği olarak ortadadır…

Daha açıklayıcı bir şekilde anlatmak gerekirse doğada bilgisizliğimizden ya da yetersizliğimizden kaynaklanan sahte veya geçici bir belirsizlik ilkesi yoktur. Belirsizlik ilkesi buz gibi bir gerçektir.”

İşte bu iddia bilim ve felsefe alanında deprem oluşturacak nitelikteydi. Çünkü, 20.yüzyıl öncesi bilimsel anlayışa hâkim olan Newton fiziğinden, 20.yüzyılda makro fizikteki egemen görüş olan Einstein fiziğine kadar bilinen tüm fiziğe aykırıydı.

Newton evreni bir saat gibi tasvir etmişti. Zamanın başlangıcından itibaren çalışan ve hareket kanunlarına göre işleyen bir saat. Ama öyle bir saat ki her şey belli. Evrenin geçmişi, geleceği. Mesela bundan 1 milyon yıl sonra ne olacak? Dünya’ya bir asteroid mi çarpacak. Çok uzaklarda iki kara delik mi çarpışacak? Ya da Mars benzeri yeni bir gezegen Güneş sistemimize mi girecek? Hepsi şimdiden belli. Hatta öyle ki 1 saat sonra ne yapacağınız ya da 10 yıl sonra bir Cuma akşamı ne yiyeceğiniz. Daha şimdiden sipariş verilmiş bile.

Böyle bir evren. Einstein’da evreni böyle resmediyordu. Eğer tüm değişkenleri bilirseniz her şeyi kesin olarak belirleyebilirsiniz.

Fakat sonra Heisenberg diye bir adam geldi ve belirsizlik ilkesini öne sürdü. Yanılıyorsunuz dedi. Gerçekliğin temelinde belirsizlik yatıyor. Bir elektronun nerede olduğunu hesaplayamazsınız. 10 yıl sonra yiyeceğiniz yemek şimdiden belli değil. Tamamen sizin özgür iradenize bağlı. Cuma akşamı geldiğinde kararı siz vereceksiniz.

Sonuç:

Sizce de bilim çok güzel değil mi? Bilim dünyası böyle işte, insanı hayrete düşüren gerçekliklerle dolu. Her yeni gelen bilim insanı kendinden önceki bilim insanlarının teorilerini geliştiriyor ve insanlığın ilerlemesine katkıda bulunuyor. Bu yüzden her yeni teoride akıllara farklı sorular geliyor.

Heisenberg’in belirsizlik ilkesi de bilim ve felsefe dünyasının şu soruyu sormasına neden oldu. Eğer her şeyin temelinde bir belirsizlik yatıyorsa bu özgür irade açısından ne demek olabilir? Demek ki hepimiz özgür irade sahibiyiz. Yani bir gün bilim ve teknoloji çok ilerlese bile bir bilgisayar çıkıp geçmişimize bakarak bizim gelecekteki davranışlarımızı bilemez. Her zaman beklenmedik durumlar vardır.

Benim Heisenberg’in belirsizlik ilkesinden çıkardığım asıl ders ise videonun başında anlattığım Sokrates’in hikayesiyle ilgili. Hani şu bir şey bilmediği halde neden bilge olduğunu anlamaya çalışan Sokrates.

Yaklaşık 9 aydır bu kanala her hafta bir video yüklüyorum arkadaşlar ve öğrendiğim her yeni bilgide, bilgi okyanusunun derinliklerinde biraz daha kayboluyorum. Eğer maddenin yapıtaşı olan atomlar ve atom-altı parçacıkların gerçekliği bile bir belirsizlikten ibaretse ve en gelişmiş teknolojiye sahip olsak bile bazı şeyleri öngöremeyeceksek biz kim oluyoruz ki her şeyi bildiğimizi zannedebiliyoruz.

Sanırım toplumsal gelişmişliğimiz adına Heisenberg ve Sokrates’ten güzel bir ders çıkardık. O da şu: “Entelektüel tevazu.” Yani bilgimizin sınırlarının farkında olmamız.

Ancak bunu yaparsak yeni fikirlere açık oluruz, çok katı olan görüşlerimizi esnetiriz. Bu sayede daha iyi öğrenen, hatalarından ders çıkaran, değişime açık bireyler olabiliriz.

Bilmiyorum demek, diyebilmek bir suç değil aksine bir erdemdir. Sokrates’in de dediği gibi “Bildiğim tek şey hiçbir şey bilmediğimdir.”

Kaynaklar ve İleri Okuma:

Paradoks – JIM AL-KHALILI

Kuantum Dünyasında Küçük Bir Gezinti – ETIENNE KLEIN

https://tr.khanacademy.org/science/physics/linear-momentum/momentum-tutorial/a/what-are-momentum-and-impulse

https://tr.wikipedia.org/wiki/Determinizm

http://www.kuantum.gen.tr/2011/10/heisenbergin-belirsizlik-ilkesi-ve-farkli-yorumlanis-sekilleri-2/

https://medium.com/@milyonblog/sokratesin-%C3%B6l%C3%BCm%C3%BCne-sebep-olan-s%C3%B6z-7f08a820a708

https://www.bilgiustam.com/laplacein-seytani-nedir/

https://tr.wikipedia.org/wiki/J._J._Thomson

https://evrimagaci.org/belirsizlik-ilkesini-anlamak-werner-heisenberg-ve-digerleri-ne-dedi-4184