Bohr-Einstein tartışmaları

Tartışmaları, kuantum fiziğine olan katkılarına ek olarak bilim felsefesine de katkı sağladığı için günümüzde hâlâ önemini korumaktadır. Bu tartışmalar hakkında yapılan ilk kapsamlı çalışma Bohr tarafından yayımlanan "Einstein ile Atom Fiziği'ndeki Epistemolojik Problemler Üzerine Sohbetler" kitabıyla yapıldı. Einstein ile Bohr arasındaki düşünce farklılığı büyüktü ancak dostlukları yaşamlarının sonuna kadar sürdü.

Bu tartışmalar yirminci yüzyılın ilk yarısında bilimsel araştırma yöntemleri konusunda yapılan en kapsamlı çalışmalardan biri olma özelliğini taşıdı çünkü yirminci yüzyılın ilk yarısında kuantum mekaniği bir dal olarak ortaya çıkmamış ve insanların atom fiziğinin ilerlediği yerler hakkında bilinci yeteri kadar gelişmemişti. Yıllar sonra çoğu fizikçi tarafından kuantum fiziğinin yapısı hakkında yapılan bu ilk tartışmada Niels Bohr'un haklı olduğu düşünüldü ve sonrasında da birçok güçlü kanıt Bohr'un bakış açısının, kuantum mekaniğinde temel yapı taşı olmasını sağladı.

Max Planck'ın çeşitli deneyler ile keşfettiği (h) sabiti ve kuantum kavramının, o dönemde bilinen fiziğin yeniden yazılması anlamına geldiğinin farkına ilk varan kişi Albert Einstein'dı. Bu durumu açıklamaya çalışan Einstein 1905 yılında yazdığı makalede geçen yüzyılda yapılan deneylerin bir kısmında ışığın bazen bir parçacık gibi hareket edebildiğini ve bu parçacığa foton adı verilebileceğini önerdi (bkz. Dalga parçacık ikiliği). Bununla birlikte bu konu hakkında araştırmalar yapan Bohr, foton kavramının en büyük karşıtlarından biriydi ve 1925 yılına kadar foton kavramını kabul etmedi. Foton kavramı Einstein'a çekici gelmekteydi çünkü parçacık gibi davranan bir ışığın birçok fiziksel özelliği açıklanabilirdi. Bohr bu durumdan hoşnut değildi çünkü bu parçacık olan ışığı açıklamak için yeni bir matematik oluşturulması demekti. Ona göre bir bilim insanı iki denklem arasında seçim yapmamalıydı.

Einstein'ın ve ışığı parçacık olarak düşünen bilim insanlarının makaleleri üzerine Niels Bohr, 1913 yılında Bohr Atom Modeli'ni yayınladı. Bu model sayesinde kuantum ikililiği kavramı belirli atomlar için çözüme kavuşuyordu. Einstein ilk önce şüpheci yaklaştı, ancak sonrasında modelin belirli sınırlar altında işe yaradığını görünce Bohr'un düşüncelerine katıldı.

1920'lere gelindiğinde atom çekirdeği hakkında yapılan birçok araştırma ve deney, Einstein ve Bohr'un fikirleri etrafında şekillenen bir kuantum devrimine yol açtı. Devrimi başlatan ilk şok Werner Heisenberg'ın çıkardığı bir makaledeki uzay zaman denklemlerinde Newton'dan beri değişmeyen ve "gerçeklik" olarak bahsedilen yapıtaşlarını çıkartmasıyla var oldu. Sonraki dalga da 1926'da Max Born'un yaptığı araştırmalar sonrası, Atom altı çalışmalara inildiğinde matematikteki olasılık teorisiyle orantılı sonuçlar bulduğunu tespit etmesi ile geldi.

Einstein, deneylerin bu şekilde yorumlanmaması gerektiğini düşündü ve bu düşünceyi reddettiğiini söyledi. Max Born'a attığı bir mektupta Einstein, "Hiçbir zaman, hiçbir koşulda, beni onun (tanrının) zar attığına ikna edemezsiniz." diye yazdı.

1927 yılında yapılan Beşinci Solvay Konferansı Heisenberg ve Bohr, yeni bir çağın başladığı sonucuna vardıklarını söylediler, bu koşullar kuantum mekaniğinin temellerini atacağını ve artık pek değişmeyeceği sonucuna vardıklarını belirttiler. Bu konuşma duyulduğu anda zaten bu düşünce biçimine eleştirel bir şekilde bakan Einstein, dehşet içinde kalır. Ona göre bu işi yalnızca olasılık ile yorumlayıp üstünü kapatmak yanlıştır ve kuantum maddelerinin özelliklerinin daha iyi incelenmesi gerekir.

Einstein devrimin bittiğini düşünmüyor ve atom modelinin daha fazla geliştirilmesi gerektiğini düşünüyordu. Bir parçacığın uzay ve zamanda hızı ile konumunun aynı anda bilinemeyeceğini, ancak istatistiksel olarak orbitaller aracılığıyla tahmin edilebileceğini kabul ediyordu (bakınız Belirsizlik İlkesi). Einstein' göre bu istatistiksel sistem tamamiyle rastgele olmuş olamazdı, arkasında mutlaka bir model, bir plan var olmalıydı. Kendini istatistiksel düşünen biri olarak tanımlasa bile Einstein, bu belirsizliğin yalnızca rastgelelik ile çözüleceğini düşünmüyordu.. Niels Bohr'a göre ise bu durum fiziğin tamamlayıcılık ilkesiyle gayet tutarlıydı. Ona göre bu rastgeleliği kabul etmeyiş, eski moda determinist görüşlerin gelenek haline gelmesinden kaynaklanıyordu.

Yukarıda bahsedildiği gibi, Einstein'ın 1900'lerin başındaki katı görüşleri, yeni gelen bilimsel kanıtlar ile değişikliklere uğradı. Einstein ilk önce kuantum kavramının tespit edilemezliğini reddetmişti, arkasında bir model ya da bilimsel çalışma yapılabileceğini ddüşünüyordu, suggesting ingenious atom teorisini ve dalga parçacık ikililiği gibi o dönemde yeni olan kavramların, yaratıcı düşünce deneyleri aracılığıyla açıklanabileceğini düşünüyordu.

Enstein'den gelen ilk saldırı Solvay Konferansında Einstein gibi düşünenlere 1927 yılında elektronlar and fotonlar hakkında yapılan geleneksel yorumlardan dolayı "Ortodoks" kavramının yöneltilmesiyle oldu. Einstein evrensel olarak kabul edilmiş Enerjinin Korunumu Yasası, (momentum) ve itme gibi kavramları tamamen yoksayarak yalnızca dalga özellikleri ile belirsizlik ilkesinin açıklanmayacağını, fotonun da genel özelliklerinin açıklanmayacağını belirtmiştir. Bu tür bir yaklaşımın hiçbir şekilde Tamamlayıcılık ile uyuşmayacağını söylemiştir.

S2'de bulunan iki yarıktan geçen ışık, ışığın bir dalga gibi davranıyor olmasıyla açıklanabilmekte. Aslında, bu süperpozisyon durumu kesin bir şekilde ışığın dalga ve parçacık ikililiğive interfazını gösteriyor. Bu durum gelecekte yorumlandığında, parçacığa sanki "yol gösteren" bir dalga olduğu yorumlaması yapılmıştır(bu da ışığın yalnızca dalga gibi davrandığını geçersiz kılıyor). Çift yarıktan geçen "Tanecik" S2deki işlemden geçtikten sonra dalganın yönün değiştiriyor olmalı, ancak tanecik kuramı iki kırınımdan oluşacak ve o dönemki bilimsel bilgi olan iki konsantre nokta oluşmasını öngörür ve bu yüzden bu da tek başına açıklayamaz.

Bu durumdan sonra Einstein, tartışmaları süren ikinci aşamayı öne sürer: klasik fizikle uyumlu olmayan pek çok parçacığın(pratikte) S1'e dik olan bir hızı vardır. Işığın, yarık ile yaptığı tek etkileşimin yayılım olduğu göz önünde bulundurulduğunda, sistemdeki tüm itmelerin toplamının korunduğunduğu belirten İtmenin korunumu kavramına göre eğer bir parçacık bir yöne doğru sapmış ise, ters yöne doğru bir tepme olacaktır. Gerçek durumlarda ışığın çarptığı levha etkilenmeden kalmalıdır. Ancak Çift yarık deneyi örneğindeki prensipte, levha çok küçük miktarda sarsıntılar geçirir. Bu durum da bir yönde hareket eden parçacığın itmesini ölçmeyi sağlayabilir. Bu geri tepmelerden dolayı, iki ana görüntü oluşmaz; bunun aksine geri tepmelerin yönlerine bağlı olarak değişen girişim desenleri görülür.

Bohr'un, Einstein tarafından yapılan bu iddialara verdiği yanıt için Figür C'deki deney düzlemini yarattı. Bohr deney sonucunda farkına vardı ki levhada var olan titreme, Einstein'ın düşüncelerindeki temel varsayım olan fotonu kanıtlıyordu. Ancak bu tespit bize parçacıkların hızını tam olarak belirlememize yine imkân tanımıyordu. Bununla birlikte, Bohr daha net tespitler yapmayı amaçlayan yeni levhalar ile deneyi tekrarladı ancak X yönünde yapılan bir hareketin hızını ve konumunu aynı anda tespit etmeyi başaramadı. Daha deney başlamadan levha mutlaka bir şekilde oluşan dış kuvvetlerin etkisiyle hareket halinde oluyordu ve bu da deneylerden net bir yargı çıkarmayı engelliyordu. Olması gereken deney düzleminde S1 üzerindeki tüm olası konum vektörlerinin ortalaması alınmalı ve bu konum vektörü bizeF levhasının orta noktasını verecektir. Ancak bu ortalama hesaplamlara göre aynı zamanda F levhasında var olan ortalama rengin de gri olması beklenir(bu ortalama yöntemi dire dalgalarda iş yaramaktadır). Bir kere daha çift yarıktaki kırınımları yalnızca dalga sistemi ile yorumlamak işe yaramamıştır.

Özellikle, şu açıkça belirtilmelidir ki... Uzay-zaman kavramlarında atomik fenomenin kesin bir biçimde kullanımı, gözlemlerin vereceği sonuçlar doğrultusunda sınırlandırılmalıdır. Bu gözlemler fotoğrafik lens, ya da karanlık bir odada damla su yardımıyla gelen ışığı büyütmek ile olabilir.

Bohr, yaptığı çalışmalar sonucunda Einstein'ın önerdiği ve belirsizlik ilkesini kıracak bir deney aleti oluşturulamayacığı görüşünü belirtti. Einstein'e göre kuantum mekaniğini şekillendiren rastgeleliğin arkasında bir yasa ya da teori var olmalıydı. Öteki taraftan, sürekli olarak gerçekliğin mikroskobik hallerini gösterebilmek için yalnızca yakınlaştırmanın yeteceğini düşünüyordu. Bohr'a göre molekülelri klasik optik yakınlaştırma yöntemleri ilerlediğinde gözlemlenilebilecekti. Bu düşünce biçimi sonraları kuantum fiziğinde ölçüm sorunu olarak adlandırılacaktı.

Yakın zamanlarda Bohr'un bu fikrinin gerçekleşip gerçekleşmeyeceğini ölçmek amacıyla bir deney uygulandı. Deney serbest halde ve moleküler düzeyde yaratılan bir çift yarık deneyiydi. Deney sonuçları, sanılanın aksine Einstein'ın çift yarık deneyi hakkındaki açıklama yönteminin daha tutarlı olduğunu gösterdi. Atomik seviyelerde bile çift yarık sistemindeki momentum korunmuştu.

Tam anlamıyla tek renkli bir dalganın (harmoni oluşturmayan sadece tek bir müzik notası gibi) matematiksel anlamda sonsuz sayıda uzaysal boyutu vardır. Bu tür bir tek bir dalgayı elde edebilmek için (aynı zamanda dalga paketi de denir), farklı frekanslardaki sürekli yayılan birkaç dalgayı üst üste bindirmek gerekir.

1930 yılında düzenlenen altıncı Solvay Kongresi'nde Einstein'ın eleştiri okları belirsizlik ilkesi hakkındaki tartışmalar üzerineydi. Einstein'ın fikrine göre Bohr tarafından yaratılan deney düzlemleri tam anlamıyla Einstein'ın görüşlerini yansıtmakta ve belirsizliği azaltmaktaydı.

Einstein, içinde elektromanyetik radyasyon ve saat bulunan bir kutu düşünür (Einstein'ın kutusu da denir). Kutuya bakmayı sağlayacak bir delik vardır ve bu delik bir kapak tarafından kapatılmıştır. Kapak kadar bir süre sonra açılır. Deliğin açılması sırasında, içeride sıkışık kalmış ve kapak açıldığında dışarı çıkacak bir fotonun var olduğu varsayımında bulunuyoruz. Bu şekilde de kutunun açılmasyla yaşanacak olan deney düzlemindeki genişleme olmamış kabul edilebilir zira ulaşacak foton bu durumda daha önceye aittir. Enerji-zaman belirsizliğine karşı çıkabilmek için, enerjiyi çok hassas bir şekilde ölçebilmenin bir yolu bulunmalıdır. Tam bu durumda Einstein Enerji ile kütle arasındaki kendi yarattığı ilişkisine göz atar. Cevap basittir, kutunun kütle bilgisine sahip olunursa enerjisi hakkında da net bir tespit yapılabilir. Örnek bu sefer daha basitleşir: Bu duruma göre eğer biri kutunun ağırlığını açmadan önce ve sonra ölçerse, bir miktar enerji kutudan kaçacağındna dolayı sonraki kütle daha düşük olacaktır. Bu kütle farkının ile çarpımı bize bu kayıp enerjiyi net bir şekilde hesaplayacaktır. Hesaplamada çıkan değer ise yayılan enerjiden (dalgadan) başka bir şey değildir.

Dahası, saat maddenin yayılımının tam anlamıyla olduğu saatte duracaktır. Çünkü prensipte, kutunun kütlesi ve enerjisi bilinmektedir. Bundan dolayı enerjideki ve zamandaki değişim belirsizlik ilkesinin önerdiğinden çok daha kesin bir oranla tespit edilebilir.

Bohr için büyük bir şoktu. Toplantıda Einstein'ı ilk dinlediğinde saldırılarına karşı bir çözüm bile getiremedi. Akşam yemeğinde onu gördüğümde inanılmaz derecede tedirgindi. Yanındaki fizikçiye eğer Einstein haklıysa fizik hayatının biteceğini söylemişti. Ancak bu durumda bile Einstein'ın görüşlerine bir anti-tez üretmeyi başaramadı.O gün iki muhalif figürün salonu terk edişlerini unutmayacağım. Geçmiş çalışmalarından dolayı sahip olduğu ün ile emin adımlarla ilerleyen, suratındaki ironik gülümsemeyle Einstein ve tedirginlik içinde hızlı adımlarla salonu terk eden düşünceli Bohr. Ertesi sabah ise Bohr, bir zafer ile kongreye geri dönüş yapacaktı.

"Bohr'un zaferi", Einstein'ın düşünce deneylerinin bu tartışmayı sonlandıracak ürünler olmadığını söylüyordu. Bohr, savunmasını yaparken Einstein'ın oluşturduğu yer çekimsel kütle ve iç kütle kavramlarını kullanmıştı. Bohr, Einstein'ın kutu deneyinin işe yarar olabilmesi için, kutunun bir yer çekimi alanında asılı olması gerektiğini gösterdi. Kutu açıldıktan sonra bir foton kutuyu terk etse bile, ortam ile bağlantı oluştuğu için birçok foton kutuya girecek ve yer çekimsel alan değişecekti. Fotonun kutudan çıkması kutuyu hareket ettirecekti. Kutunun kütlesini ölçmek için kutuyu eski konumuna geri getirmek gerekiyordu ve bunun için dışarıdan bir kuvvet, enerji gerekecekti. Bu kuvvet uygulandığında bu içerideki sistemin enerjisini değiştirecek değişen enerjiyi dengelemeye çalışan sistem foton alışverişine girişecek ve bu da yine konumu değiştirecek. Bu döngüden dolayı Enerji ve zaman arasındaki belirsizliği devam edeceğini, bundan dolayı da Bohr, eşitliğinin sağlanamayacağını söyler.

Einstein'ın Bohr ile münakaşasına ve kendisine yapılan "ortodoks" suçlamalarına olan karşılığının ikinci fazı, Einstein'ın, kuantum parçacıklarının net bir ana dair değerlerini kesin olarak elde edilemeyeceğini kabul etmesiyle başladı. Ancak Einstein hâlâ Max Born yaklaşımı olan kuantum nesnelerine olasılık yöntemi ile bir yorumlama getirilmesine şiddetle karşı çıkmaktaydı. Einstein bilimin her alanındaki sonuçların Epistemolojik olması gerektiği ve Ontolojik olamayacağı konusunda ısrarlıydı. Bundan dolayı Einstein'a göre Modern Atom Teorisi kesinlikle henüz tamamlanmamıştı ve yeni bir bilimsel tespit sonucunda olasılık ile açıklanan boşluklar doldurulacaktı. Einstein, diğer fizikçi ve kimyacı arkadaşlarının karşı çıkan görüşlerine saygı duyuyor ve kuantum nesnelerini açıklamaya çalışan kurama büyük ölçüde katılıyordu. Yalnızca Einstein'a göre Atom Teorisi "Hikayenin tamamı"nı söylemiyordu.

Einstein'ın düşünceleri, birçok araştırmacıyı Gizli Değişkenler Kuramı'nı araştırmaya yöneltebilirdi. Bu teorilere önemli bir örnek, kuantum yapısını pozisyonunu kesin olarak tespit etmeyi amaçlayan Bohm'um Kuantum Yaklaşımı'dır. Einstein'a göre eğer kuantum kuramı bu haliyle "tamamlanmış" ise, bu tanımlama yerel olarak tanımlanamazdı. Hatta bu durumu John Stewart Bell, 1964 yılında Bell Eşitsizliği adı altında formülize etti.

1935 yılında Einstein, Boris Podolsky ve Nathan Rosen bir görüş ürettiler. Önermelerini anlatan makale Physical Review dergisinde 'Can Quantum-Mechanical Description of Physical Reality Be Considered Complete? (Fiziksel Gerçekliği Betimleyen Kuantum Mekaniği Tamamlanmış Olarak Kabul Edilebilir mi) yayınlandı. Bu görüşü yaratmadan önce, Einstein'ın görelilik kuramını yaratırken ortaya attığı bir başka hipotez olan Yerellik Prensibi'ne göz atmakta fayda var. Yerellik Prensibine göre Fiziksel gerçekliğe ait temel yapıtaşları, objektif olarak uzak kabul edilen bir bölgede etkileşime girmiş olamaz." der.

3) Bu noktada, foton 1i ölçen A noktasındaki gözlemci, başka hiçbir şey yapmadan ve deneydeki hiçbir noktaya etki etmeden foton 2ye ait polarizasyonu da ortaya çıkarabilir. Bu da bir kesinliğin göstergesidir.

4) Bu varsayımlara Einstein'ın yerellik hipotezindeki varsayımlar da eklenince, A için ölçüm yapan gözlemcinin 2 için gözlem yapamayacağı düşünülür. Bundan dolayı bu sorunu uygun bir şekilde çözüme kavuşturmak için foton 2'''nin polarizasyonunu 1'den bağımsız olarak ölçmek gerekmektedir.

5) t zamanında, Adaki gözlemci fotonun polarizasyonunu 45°ye taşıyabilir. Bu takdirde<net bir sonuç elde edecektir. Buna göre gözlemcinin 2nin plarizasyonuna bakabilmesi için yapması gereken tek şey 45°de polarizasyon yapmasıdır. Buna alternatif olarak, eğer ölçüm başarısız olursa, fotonun 45°de değil de 135°de polarize olmuş olduğu söylenebilir. Bu durumları 4 numaralı sonuç ile birleştirince, ölçümden önceki foton 2, 45° veya 135°'da polarizasyon kesin bir biçimde şekillenebilir ancak bu iki farklı konumdaki özellikleri birbirine uyumlu olmayacaktır.

6) Doğal gözlemler bizleri foton 2'nin aynı anda iki farklı ve birbiri ile uyumsuz özellikleri sonucuna götürse de, fotonun iki ayrı özelliğini aynı anda elde edemesek bile, yukarıda anlatılan adımlardaki ölçümleri yok saymamak gerekir. Ancak Kopenhag Yorumu'nun önerdiği Kuantum Mekaniği bu ölçümleri reddetmekte ve rastlantısal olduğunu önermektedirler. Bundan dolayı önerilen modern atom teorisi eksiktir ve tamamlanmamıştır.