Türk Profesör ve Meslektaşı Araştırdı: Kara Deliğin Kıyısında Kuantum Fiziği Bozulur mu?

Bir kara deliğin hemen dışına son derece hassas bir kuantum cihazı yerleştirildiğini farz edelim. Buradaki çok güçlü kütleçekim kuvveti nedeniyle farklı mı çalışır? Yoksa değişen yalnızca uzaktaki bir gözlemcinin cihazı görme biçimi midir? Yazarları arasında bir Türk bilim insanının da yer aldığı yeni araştırma, ikinci seçeneğin doğru olduğunu söylüyor.

Bilimsel dergi Journal of High Energy Physics'de yayımlanan çalışmanın arkasında Doğu Akdeniz Üniversitesi'nden Teorik Fizikçi Prof. Ali Övgün ve Mapúa Üniversitesi'nden meslektaşı Prof. Reggie Panting var.

Matematiksel modellemelere dayanan çalışmanın bulgularına göre, kara deliklerin çevresindeki aşırı koşullar, süperiletken kuantum cihazları için geçerli olan temel kuantum kurallarını değiştirmiyor. Ancak güçlü kütleçekim kuvveti, cihazın bulunduğu noktadaki ölçümler ile kara delikten uzaktaki bir gözlemcinin yaptığı ölçümler arasında sistematik farklılıklar oluşturuyor.

Makale, kütleçekimin kuantum mekaniğini bozmadığını, ancak zaman, güç ve voltaj gibi fiziksel büyüklüklerin farklı kütleçekim alanlarında farklı şekilde ölçüldüğünü gösteriyor.

Kuantum devresi aynı şekilde çalışmaya devam ediyor

Araştırmacılar, Josephson bağlantısı (Josephson junction) gibi süperiletken kuantum cihazlarının kara deliğin aşırı koşulları içinde nasıl çalışacağını hesapladı.

Josephson bağlantısı, aralarında son derece ince bir yalıtkan tabaka bulunan iki süperiletkenden oluşuyor. Bu yapı, sabit bir elektrik voltajını son derece hassas kuantum salınımlarına dönüştürebiliyor. İki Josephson bağlantısının süperiletken bir halka içinde birleştirilmesiyle ise çok küçük manyetik alan değişimlerini algılayabilen SQUID adı verilen son derece hassas sensörler elde ediliyor.

Laboratuvar ortamında bu sistemlerin davranışı tek bir ortak saate göre tanımlanıyor. Ancak kara delik gibi güçlü kütleçekim alanlarında bu varsayım geçerliliğini yitiriyor. Zira Ünlü Fizikçi Albert Einstein'ın Genel Görelilik Kuramı'na göre güçlü yerçekimi/kütleçekim altında zaman daha yavaş akıyor.

Araştırmacılar bu nedenle çalışmada, cihazın bulunduğu noktadaki varsayımsal gözlemci ile çok uzaktaki gözlemcinin aynı zamanı kullanmadığı bir model geliştirdi. Model, dönmeyen küresel bir kara deliğin dışındaki uzay-zamanı tanımlayan 'Schwarzschild kara deliği' modeli üzerine kuruldu.

Kara delikten uzaktaki gözlemci daha düşük değerler görüyor

Makaleye göre, cihazın yanında bulunan varsayımsal bir bilim insanı, Josephson bağlantısının klasik kuantum ilişkilerini aynı şekilde ölçüyor. Ancak uzaktaki bir gözlemci aynı cihaz için daha düşük voltaj, daha düşük frekans ve daha düşük akım değerleri hesaplıyor.

Kara deliğe yaklaşıldıkça, uzaktaki gözlemcinin ölçtüğü kritik akım giderek azalıyor. Güç ise kritik akımdan daha hızlı (kırmızıya kayma faktörünün karesiyle) düşüyor. Bunun nedeni, uzaktaki gözlemci açısından hem zamanın daha yavaş akması hem de taşınan enerjinin kütleçekimsel kırmızıya kaymaya uğraması. Işık söz konusu olduğunda bu kırmızıya kayma, uzaktaki bir gök cisminin yaydığı ışığın dalga boyunun uzaması anlamına geliyor.

Olay ufkuna yaklaştıkça fark büyüyor

Bir iletkenin süperiletken (sıfır direnç gösterme) özelliğini kaybetmeden taşıyabileceği maksimum elektrik akımına 'kritik akım' adı veriliyor.

Araştırmaya göre kara deliğin olay ufkuna yaklaşıldığında uzaktaki gözlemcinin gördüğü kritik akım neredeyse 0'a inerken, ölçülen güç çok daha güçlü biçimde bastırılıyor. Aynı zamanda sinyallerin iletim süresi de önemli ölçüde uzuyor.

Einstein'ı kuantum mekaniğiyle uzlaştırmak

Çalışmanın bulguları, kuantum mekaniği ile Genel Görelilik Kuramı'nı birleştirmeye çalışan fizik dünyası için oldukça önemli. Fizikçiler uzayın derinliklerinde ve özellikle de kara delik gibi ekstrem cisimlerin yakınlarında bir kuantum sisteminin nasıl çalışacağını hesaplamak istediğinde hem kuantum devresini açıklamak için kuantum mekaniğini hem de kara deliğin çevresindeki uzay-zamanı açıklamak için Genel Görelilik'e ihtiyaç duyar.

Öte yandan, Einstein'ın kuramına göre, uzay-zaman esnek ve dinamik bir yapıdır; Güneş, Dünya veya kara delik gibi büyük kütleler tarafından eğilip bükülür. Atomları, elektronları, fotonları ve diğer temel parçacıkları açıklayan kuantum mekaniğinde ise hesaplamalar genellikle sabit bir uzay-zaman üzerinde yapılır. Parçacıklar bu sabit arka planda hareket eden oyuncular gibidir.

Bu gibi temel farklılıklar nedeniyle iki teorinin birlikte ele alındığı durumlarda hesaplamalar çıkmaza giriyor. Fizikçiler ise uzun süredir hem kuantum mekaniğini hem de Einstein'ın kuramını tek bir çatı altında birleştiren 'her şeyin teorisi'ni arıyor.

Yeni çalışma ise iki teorinin birlikte kullanıldığı bir durumda ortaya çıkan bir belirsizliği gidererek, Genel Görelilik ile kuantum teknolojilerini aynı denklemde ele almayı başardı.

WIRED Türkiye'ye konuşan Prof. Övgün, “Çalışmamız, kuantum mekaniği ile genel göreliliği nihai olarak birleştirmiyor; fakat makroskopik bir kuantum olgusu olan Josephson etkisinin eğri uzay-zamanda nasıl ölçüleceğini göstererek iki teori arasında deneysel ve operasyonel bir köprü kuruyor" dedi.

Gelecekte uzay görevlerinde kullanılabilir

Günümüzde atom saatleri, kuantum sensörleri ve süperiletken devreler giderek hassaslaşıyor. Hatta atom saatleri birkaç santimetrelik yükseklik farkından kaynaklanan yerçekimsel zaman genişlemesini bile ölçebiliyor. Bu nedenle gelecekte uzay görevlerinde veya güçlü kütleçekim ortamlarında kullanılacak kuantum cihazlarının nasıl yorumlanacağı konusunda böyle teorik çerçevelere ihtiyaç duyulacak.

Öte yandan, araştırmacılar kısa vadede en gerçekçi uygulamaların, yüksek hassasiyetli ölçüm teknolojileri ile güçlü kütleçekimini laboratuvarda taklit eden deneysel sistemler olacağını düşünüyor.

"Gelecekte farklı yüksekliklerde, uydularda veya Ay görevlerinde kullanılabilecek süperiletken kuantum devreleri; kütleçekimsel kırmızıya kaymayı, eşdeğerlik ilkesini ve uzay-zamanın kuantum fazı üzerindeki etkilerini son derece hassas biçimde sınayabilir" diyen Övgün, şöyle ekledi: "Yakın vadede ise en gerçekçi uygulama, bu etkilerin SQUID sistemleri ve analog kuantum devrelerinde laboratuvar ortamında araştırılmasıdır."

Araştırmacılar bunun yalnızca teorik bir düşünce deneyi olduğunu da vurguluyor. Çünkü hiçbir fiziksel cihaz olay ufkunun tam üzerinde sabit tutulamaz, zira bunu sağlayacak ivme sonsuza yaklaşır.

Araştırmanın en önemli sonucu ise güçlü yerçekiminin kuantum fiziğinin temel kurallarını değiştirmediğini göstermesi. Kara deliğin yakınındaki Josephson bağlantısı aynı kuantum yasalarına uymaya devam ediyor; değişen tek şey, uzaktaki gözlemcinin zamanı ve enerjiyi farklı ölçmesi nedeniyle cihazı farklı değerlerle yorumlaması.

Övgün'e göre, çalışma, sadece kara deliklerin yakınındaki egzotik fiziği açıklamakla kalmıyor, aynı zamanda kütleçekimsel dalga dedektörleri veya karanlık maddeyi tespit edebilecek aşırı hassas 'kuantum sensörler' için bir yol haritası sunuyor.

Gelecekte kuantum devreleri, uzay-zamanın dokusunu ölçmek için en keskin 'standart saatler' haline gelebilir. Kütleçekimsel metroloji, bu devreler sayesinde evrenin en uç noktalarında bile hassas bir ölçüm dili geliştirilmesine olanak tanıyabilir.

"Dünya'nın zayıf kütleçekiminde de geçerli"

Dünya'da ise bu etki ölçülemeyecek kadar küçük. Yerden yalnızca 1 metre yükseklik farkında oluşan kütleçekimsel kırmızıya kayma yaklaşık 10 katrilyonda 1 seviyesinde. Bu fark günümüzde kullanılan Josephson bağlantılarının ölçüm gürültüsünün çok altında kalıyor.

Ancak Övgün'e göre bu denklemlerin kendisi, Dünya'nın zayıf kütleçekiminde de geçerli. Bu sayede Einstein'ın eşdeğerlik ilkesini test edecek son derece hassas kuantum kütleçekim ölçerler (gravimetreler) ve gerçek bir kara deliğe gitmeden laboratuvarda çalışacak 'analog kütleçekim simülatörleri' tasarlanabilir.

Bilim insanı, "Uydu görevlerinde, mevcut atomik saatlerden çok daha hassas kütleçekimsel kırmızıya kayma testleri yapılmasına kapı aralar" dedi: "Ayrıca gelecekte, ekstrem kütleçekim ortamlarında kuantum bilgisayarların (kübitlerin) nasıl bozulmalara uğrayacağını (dephasing) anlamamızı sağlayabilir."