-
- Katılım
- 22 Mart 2025
-
- Mesajlar
- 128
-
- Tepkime puanı
- 9
-
- Puan
- 18
Kuantum fiziğiyle ilgili en yaygın cümlelerden biri "gözlemlemek gerçekliği değiştirir" biçimindedir. Bu cümle çoğu zaman bir insanın bakışının parçacıkları etkilediği, hatta bilincin maddeyi biçimlendirdiği yönünde yorumlanır. Oysa fizikçilerin "gözlem" derken kastettiği şey çok daha somuttur: ölçülen sistem ile bir ölçüm düzeneği ya da çevre arasında gerçekleşen, iz bırakan fiziksel bir etkileşim. Bu yazı, böyle bir etkileşimin incelenen olguyu her zaman değiştirip değiştirmediğini soruyor. Kısa yanıt şöyle: kuantum düzeyinde ölçüm çoğu zaman sistemi etkiler, ancak bu etkinin ne kadar büyük olacağı ve neyi etkileyeceği ölçümün nasıl tasarlandığına bağlıdır.
Fizikte gözlem ne demektir?
Gündelik bir örnekle başlamak yararlı. Sıcak bir çayın sıcaklığını ölçmek için içine oda sıcaklığındaki bir termometre daldırdığınızda, termometre ısınırken çaydan bir miktar ısı alır. Okuduğunuz değer, termometre hiç girmeseydi çayın sahip olacağı sıcaklıktan çok az farklıdır. Klasik fizikte bu tür bir gözlemci etkisi vardır; ancak ilke olarak küçültülebilir. Daha küçük bir termometre ya da daha büyük bir bardak, etkiyi istenen ölçüde azaltır. Bu, belli bir deneye dayanmayan, açıklama amaçlı bir örnektir.
Kuantum fiziğinde durum iki açıdan farklılaşır. Birincisi, incelenen nesneler, yani tek bir foton, atom ya da molekül, ölçüm araçlarına göre son derece küçüktür; tek bir çarpışma bile durumlarını belirgin biçimde etkileyebilir. İkincisi, kuantum sistemleri birden fazla olasılığın birlikte bulunduğu süperpozisyon durumlarında olabilir. Bu olasılıkların birbiriyle girişim yapması kırılgan bir özelliktir ve ölçüm onu bozabilir. Bu yüzden kuantum dünyasında asıl soru yalnızca "sisteme ne kadar enerji aktardık?" değil, aynı zamanda "sistem hakkında ne kadar bilgi açığa çıktı?" sorusudur.
Belirsizlik ilkesi ile gözlemci etkisi aynı şey değil
Werner Heisenberg 1927'de ünlü mikroskop düşünce deneyiyle, bir elektronun konumunu çok küçük bir hatayla ölçmenin momentumunu kaçınılmaz biçimde bozacağını savundu (Kosugi, 2015). Bu nedenle belirsizlik ilkesi uzun süre, ölçümün yarattığı bir bozulma olarak anlatıldı. Bugün iki farklı ilişkiyi ayırt etmek gerekir. Rozema ve arkadaşlarının (2012) belirttiği gibi, her kuantum sisteminin kendisinde bulunan belirsizliklere ilişkin bağıntı matematiksel olarak kesin biçimde kanıtlanmıştır. Bir ölçümün kesinliği ile yarattığı bozulma arasındaki ilişki ise aynı kesinlikte kanıtlanmamış olmasına karşın genellikle belirsizlik ilkesinin bir parçası gibi öğretilmektedir.
Rozema ve ekibi, zayıf ölçüm tekniğiyle fotonları ölçüm düzeneğiyle etkileşmeden önce ve sonra karakterize etti. Heisenberg'in özgün ölçüm–bozulma ilişkisinin bu biçiminin ihlal edildiğini gözlediler; sonuçlar, Masanao Ozawa'nın 2003'te türettiği düzeltilmiş bir ilişkiyle uyumluydu. Bu bulgu belirsizlik ilkesinin çürütüldüğü anlamına gelmez. Gösterdiği şey, ölçümün yarattığı bozulmanın belirsizlik ilkesinin kendisiyle özdeş olmadığıdır. Konu tamamen kapanmış da değildir: ön baskı olarak yayımlanan bir çalışmada Kosugi (2015), "hata" Heisenberg'in özgün akıl yürütmesine daha uygun biçimde tanımlandığında onun ilişkisinin genel olarak geçerli kaldığını savunur. Tartışma büyük ölçüde hata ve bozulmanın nasıl tanımlanacağı üzerinedir.
Gözlemci bilinçli olmak zorunda değil
Moleküllerin yolunu ele veren gaz
Gözlemin olguyu nasıl değiştirdiğinin en açık örnekleri girişim deneyleridir. Bir parçacık iki yoldan birlikte ilerleyebildiğinde dedektörde girişim saçakları oluşur. Hangi yoldan geçtiğine dair bilgi bir yerde kaydedilirse saçaklar silikleşir. Hornberger ve arkadaşları (2003), 70 karbon atomundan oluşan fulleren moleküllerini (C70) bir madde dalgası interferometresinden geçirirken düzeneğe kontrollü olarak gaz ekledi. Gaz basıncı arttıkça girişim kademeli olarak bastırıldı. Aynı ekibin ayrıntılı çalışmasında (Hackermüller ve diğerleri, 2003) saçak görünürlüğünün basınçla üstel olarak azaldığı ve sonuçların dekoherans (eşevresizlik) kuramının öngörüleriyle nicel olarak iyi uyuştuğu raporlandı.
Bu deneyde molekülü izleyen bir insan yoktur. Çarpışan gaz molekülleri, fullerenin konumu hakkında bilgiyi çevreye taşır ve bu, girişimi silmek için yeterlidir. Araştırma grubu sonucu üç farklı dille anlatır: Her gaz molekülü yol bilgisi sağlayabilen bir yoklayıcıdır; her çarpışma moleküle denetlenemeyen bir geri tepme aktarır; ya da molekül çevresiyle dolanık hâle gelir. Grubun açıklamasına göre bu üç bakış aynı nicel öngörüye varır (Viyana Üniversitesi Kuantum Nanofizik Grubu, t.y.).
Dekoherans ve klasik dünyanın ortaya çıkışı
Zurek (2003), dekoheransı sistemin çevresiyle etkileşiminden doğan bir süreç olarak tanımlar. Ona göre çevre, sistemin bazı niceliklerini adeta sürekli izler ve bu niceliklerin farklı değerlerine karşılık gelen durumlar arasındaki girişimi yok eder. Bu süreç, Schrödinger'in kedisi türünden açıkça yerel olmayan durumları pratikte ortadan kaldırarak gündelik klasik dünyanın nasıl ortaya çıktığını açıklamaya yardım eder.
Dekoherans büyük nesnelerde neden girişim görmediğimizi iyi açıklar. Ancak bir ölçümde neden tek bir sonucun gerçekleştiği sorusu, yani ölçüm problemi, ayrı bir konudur. Hornberger ve arkadaşları (2003) da dalga fonksiyonunun "çöküşünün" nasıl açıklanacağının hâlâ tartışmalı olduğunu not eder. Dolayısıyla dekoherans, gözlemin neyi değiştirdiğini anlatır; gözlemin özünde ne olduğuna dair yorum tartışmalarını ise tek başına bitirmez.
Sık bakmak değişimi yavaşlatabilir: Kuantum Zenon etkisi
Gözlemin olguyu değiştirdiği belki de en çarpıcı örnek, kuantum Zenon etkisidir: bir sistemi yeterince sık ölçmek, onun bir durumdan diğerine geçişini baskılayabilir. Itano, Heinzen, Bollinger ve Wineland (1990), bir Penning tuzağında hapsedilip lazerle soğutulmuş berilyum iyonlarında, iki taban durumu düzeyi arasındaki geçişi radyo frekanslı bir alanla başlattı. Aynı sırada kısa ışık atımlarıyla iyonun hangi durumda olduğunu yokladılar. İyon bir durumdaysa birkaç foton saçıyor, diğerindeyse hiç saçmıyordu. Ölçümler sıklaştıkça geçiş baskılandı; yazarlar bunu, her ölçümün dalga fonksiyonunu çoğunlukla başlangıç durumuna geri "çökertmesiyle" açıkladı.
Bu deney Zenon etkisinin en sık anılan gösterimidir. Yine de Itano'nun (2019) kendisinin belirttiği gibi, etkinin nasıl tanımlanacağı ve yeni bir fizik mi gerektirdiği, yoksa sıradan kuantum mekaniğinin bir sonucu mu olduğu konusunda görüş ayrılıkları sürmektedir. Bu örnekte dikkat çekici olan, ölçümün yalnızca anlık bir sonucu değil, sistemin zaman içindeki evrimini değiştirmesidir.
Bozmadan, az bozarak ya da dokunmadan ölçmek
Buraya kadarki örnekler gözlemin olguyu değiştirebildiğini gösteriyor. Ancak fizikçiler, bu etkiyi denetlemek ya da belirli bir nicelik için azaltmak üzere farklı ölçüm stratejileri de geliştirdi. Bu stratejiler, "gözlem her zaman olguyu değiştirir" yargısının neden fazla genel olduğunu gösterir.
Yıkımsız ölçümler
Kuantum yıkımsız ölçüm, adından da anlaşılacağı gibi, ölçülen niceliği bozmadan onun hakkında bilgi edinmeyi ve aynı niceliğin yeniden ölçülebilmesini amaçlar. Grangier, Levenson ve Poizat (1998), bu ölçümlerin tekrarlanan ölçümlerde belirsizlik ilkesinin getirdiği sınırlamaları aşmak üzere tasarlandığını ve kuantum optiğinde bir ışık demetindeki foton akısının bu yolla ölçülebildiğini anlatır. Bu yaklaşım belirsizlik ilkesini ortadan kaldırmaz; ölçümü, korunmak istenen niceliği bozmayacak biçimde kurar.
Zayıf ölçümler
Zayıf ölçümde düzenek sistemle o kadar hafif etkileşir ki tek bir ölçüm sistemi çok az etkiler; buna karşılık tek ölçümden elde edilen bilgi de çok azdır ve anlamlı sonuç çok sayıda tekrarın ortalamasından çıkar. Kocsis ve arkadaşları (2011), tek tek fotonları çift yarıklı bir interferometreden geçirdi. Fotonların momentumunu zayıf biçimde, konumlarını ise farklı düzlemlerde güçlü biçimde ölçerek fotonların ortalama yörüngelerini yeniden oluşturdular. Bu, tek bir fotonun izlediği yolun görüntülendiği anlamına gelmez; yörüngeler bir foton topluluğunun alt grupları için tanımlanan ortalamalardır. Yorum da tartışmalıdır: Bliokh ve arkadaşları (2013), aynı ölçümlerin klasik optikte ışık alanının enerji akışına karşılık geldiğini savunan bir yorum önermiştir.
Etkileşimsiz ölçüm
Elitzur ve Vaidman 1993'te, bir nesnenin varlığının, onu yoklayan parçacık nesneyle etkileşmeden belirlenebileceği bir düzenek önerdi. Kwiat ve arkadaşları (1995), tek fotonlarla bir Michelson interferometresinde bu fikrin ön gösterimini yaptı ve tekrarlanan zayıf yoklamalarla "etkileşimsiz" ölçümlerin oranının ilke olarak 1'e keyfi biçimde yaklaşabileceğini gösterdi. Yöntem ilginç biçimde Zenon etkisine dayanır: nesnenin varlığı, yoklayan fotonun aksi hâlde tutarlı ilerleyecek evrimini engeller. Kwiat ve arkadaşları (1999) daha sonra özgün önerinin yüzde 50'lik kuramsal üst sınırını aşan verimlilikler bildirdi.
Yine de "etkileşimsiz" sözcüğü dikkatle okunmalıdır. Kwiat ve arkadaşları (1999), terimin yalnızca etkileşim olasılığının var olduğu ama gerçekleşmediği durumlar için anlamlı olduğunu vurgular. Luis ve Sánchez-Soto (1998) ise olgunun, nesne ile düzenek arasında ölçülebilir nicelikleri bozan etkin bir etkileşimle de tutarlı biçimde betimlenebileceğini savunur.
Sonuç
Gözlemlemek bilimsel olguyu her zaman değiştirmez; ama kuantum düzeyinde değiştirmesi istisna değil, kuraldır. Bunun nedeni bir bakışın gizemli gücü değil, ölçümün fiziksel bir etkileşim olması ve kuantum sistemlerinin girişim gibi kırılgan özelliklerinin, hakkında bilgi açığa çıktığında kaybolmasıdır. Fulleren deneyinin gösterdiği gibi bu "gözlemci" bir gaz molekülü bile olabilir. Zenon etkisinde ise ölçüm, sistemin zaman içindeki evrimini bile yavaşlatabilir.
Öte yandan değişimin büyüklüğü ve neyi etkilediği sabit değildir. Yıkımsız, zayıf ve etkileşimsiz ölçümler, belirli nicelikleri korumanın ya da bozulmayı azaltmanın yollarını sunar; Rozema ve arkadaşlarının deneyi de ölçüm bozulmasının Heisenberg'in özgün tahmininden daha küçük tutulabildiğini düşündürür. Bu nedenle soruyu "gözlem olguyu değiştirir mi?" yerine "bu ölçüm sistem hakkında hangi bilgiyi, hangi bedelle açığa çıkarıyor?" diye sormak daha verimlidir. Ölçümde neden tek bir sonucun ortaya çıktığı sorusu ise kuantum fiziğinin hâlâ yorum tartışmalarıyla süren açık meselelerinden biridir.
Kaynakça
Belirsizlik ilkesi ve ölçüm bozulması
Grangier, P., Levenson, J. A. ve Poizat, J.-P. (1998). Quantum non-demolition measurements in optics. Nature, 396(6711), 537–542. https://doi.org/10.1038/25059
Kosugi, S. (2015). Proof of Heisenberg's error-disturbance principle. arXiv ön baskısı, arXiv:1504.03779. arXiv kaydı
Rozema, L. A., Darabi, A., Mahler, D. H., Hayat, A., Soudagar, Y. ve Steinberg, A. M. (2012). Violation of Heisenberg's measurement-disturbance relationship by weak measurements. Physical Review Letters, 109(10), 100404. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.109.100404
Dekoherans ve madde dalgası girişimi
Hackermüller, L., Hornberger, K., Brezger, B., Zeilinger, A. ve Arndt, M. (2003). Decoherence in a Talbot-Lau interferometer: The influence of molecular scattering. Applied Physics B, 77, 781–787. https://doi.org/10.1007/s00340-003-1312-6
Hornberger, K., Uttenthaler, S., Brezger, B., Hackermüller, L., Arndt, M. ve Zeilinger, A. (2003). Collisional decoherence observed in matter wave interferometry. Physical Review Letters, 90, 160401. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.90.160401
Viyana Üniversitesi Kuantum Nanofizik Grubu. (t.y.). Collisional decoherence. Arndt Grubu araştırma sayfası. Grup sayfası
Zurek, W. H. (2003). Decoherence, einselection, and the quantum origins of the classical. Reviews of Modern Physics, 75(3), 715. arXiv sürümü
Kuantum Zenon etkisi
Itano, W. M. (2019). The quantum Zeno paradox, 42 years on. Current Science. NIST yayın kaydı
Itano, W. M., Heinzen, D. J., Bollinger, J. J. ve Wineland, D. J. (1990). Quantum Zeno effect. Physical Review A, 41(5), 2295–2300.
Zayıf ve etkileşimsiz ölçümler
Bliokh, K., Bekshaev, A. Y., Kofman, A. G. ve Nori, F. (2013). Photon trajectories, anomalous velocities and weak measurements: A classical interpretation. New Journal of Physics. arXiv sürümü
Elitzur, A. C. ve Vaidman, L. (1993). Quantum mechanical interaction-free measurements. Foundations of Physics, 23, 987–997.
Kocsis, S., Braverman, B., Ravets, S., Stevens, M., Mirin, R., Shalm, L. ve Steinberg, A. (2011). Observing the average trajectories of single photons in a two-slit interferometer. Science, 332(6034), 1170–1173. https://doi.org/10.1126/science.1202218
Kwiat, P., Weinfurter, H., Herzog, T., Zeilinger, A. ve Kasevich, M. A. (1995). Interaction-free measurement. Physical Review Letters, 74(24), 4763–4766.
Kwiat, P. G., White, A. G., Mitchell, J. R., Nairz, O., Weihs, G., Weinfurter, H. ve Zeilinger, A. (1999). High-efficiency quantum interrogation measurements via the quantum Zeno effect. Physical Review Letters, 83(23). arXiv sürümü
Luis, A. ve Sánchez-Soto, L. L. (1998). Dynamical analysis of seemingly interaction-free measurements. Physical Review A, 58, 836. https://doi.org/10.1103/PhysRevA.58.836
Fizikte gözlem ne demektir?
Gündelik bir örnekle başlamak yararlı. Sıcak bir çayın sıcaklığını ölçmek için içine oda sıcaklığındaki bir termometre daldırdığınızda, termometre ısınırken çaydan bir miktar ısı alır. Okuduğunuz değer, termometre hiç girmeseydi çayın sahip olacağı sıcaklıktan çok az farklıdır. Klasik fizikte bu tür bir gözlemci etkisi vardır; ancak ilke olarak küçültülebilir. Daha küçük bir termometre ya da daha büyük bir bardak, etkiyi istenen ölçüde azaltır. Bu, belli bir deneye dayanmayan, açıklama amaçlı bir örnektir.
Kuantum fiziğinde durum iki açıdan farklılaşır. Birincisi, incelenen nesneler, yani tek bir foton, atom ya da molekül, ölçüm araçlarına göre son derece küçüktür; tek bir çarpışma bile durumlarını belirgin biçimde etkileyebilir. İkincisi, kuantum sistemleri birden fazla olasılığın birlikte bulunduğu süperpozisyon durumlarında olabilir. Bu olasılıkların birbiriyle girişim yapması kırılgan bir özelliktir ve ölçüm onu bozabilir. Bu yüzden kuantum dünyasında asıl soru yalnızca "sisteme ne kadar enerji aktardık?" değil, aynı zamanda "sistem hakkında ne kadar bilgi açığa çıktı?" sorusudur.
Belirsizlik ilkesi ile gözlemci etkisi aynı şey değil
Werner Heisenberg 1927'de ünlü mikroskop düşünce deneyiyle, bir elektronun konumunu çok küçük bir hatayla ölçmenin momentumunu kaçınılmaz biçimde bozacağını savundu (Kosugi, 2015). Bu nedenle belirsizlik ilkesi uzun süre, ölçümün yarattığı bir bozulma olarak anlatıldı. Bugün iki farklı ilişkiyi ayırt etmek gerekir. Rozema ve arkadaşlarının (2012) belirttiği gibi, her kuantum sisteminin kendisinde bulunan belirsizliklere ilişkin bağıntı matematiksel olarak kesin biçimde kanıtlanmıştır. Bir ölçümün kesinliği ile yarattığı bozulma arasındaki ilişki ise aynı kesinlikte kanıtlanmamış olmasına karşın genellikle belirsizlik ilkesinin bir parçası gibi öğretilmektedir.
Rozema ve ekibi, zayıf ölçüm tekniğiyle fotonları ölçüm düzeneğiyle etkileşmeden önce ve sonra karakterize etti. Heisenberg'in özgün ölçüm–bozulma ilişkisinin bu biçiminin ihlal edildiğini gözlediler; sonuçlar, Masanao Ozawa'nın 2003'te türettiği düzeltilmiş bir ilişkiyle uyumluydu. Bu bulgu belirsizlik ilkesinin çürütüldüğü anlamına gelmez. Gösterdiği şey, ölçümün yarattığı bozulmanın belirsizlik ilkesinin kendisiyle özdeş olmadığıdır. Konu tamamen kapanmış da değildir: ön baskı olarak yayımlanan bir çalışmada Kosugi (2015), "hata" Heisenberg'in özgün akıl yürütmesine daha uygun biçimde tanımlandığında onun ilişkisinin genel olarak geçerli kaldığını savunur. Tartışma büyük ölçüde hata ve bozulmanın nasıl tanımlanacağı üzerinedir.
Gözlemci bilinçli olmak zorunda değil
Moleküllerin yolunu ele veren gaz
Gözlemin olguyu nasıl değiştirdiğinin en açık örnekleri girişim deneyleridir. Bir parçacık iki yoldan birlikte ilerleyebildiğinde dedektörde girişim saçakları oluşur. Hangi yoldan geçtiğine dair bilgi bir yerde kaydedilirse saçaklar silikleşir. Hornberger ve arkadaşları (2003), 70 karbon atomundan oluşan fulleren moleküllerini (C70) bir madde dalgası interferometresinden geçirirken düzeneğe kontrollü olarak gaz ekledi. Gaz basıncı arttıkça girişim kademeli olarak bastırıldı. Aynı ekibin ayrıntılı çalışmasında (Hackermüller ve diğerleri, 2003) saçak görünürlüğünün basınçla üstel olarak azaldığı ve sonuçların dekoherans (eşevresizlik) kuramının öngörüleriyle nicel olarak iyi uyuştuğu raporlandı.
Bu deneyde molekülü izleyen bir insan yoktur. Çarpışan gaz molekülleri, fullerenin konumu hakkında bilgiyi çevreye taşır ve bu, girişimi silmek için yeterlidir. Araştırma grubu sonucu üç farklı dille anlatır: Her gaz molekülü yol bilgisi sağlayabilen bir yoklayıcıdır; her çarpışma moleküle denetlenemeyen bir geri tepme aktarır; ya da molekül çevresiyle dolanık hâle gelir. Grubun açıklamasına göre bu üç bakış aynı nicel öngörüye varır (Viyana Üniversitesi Kuantum Nanofizik Grubu, t.y.).
Dekoherans ve klasik dünyanın ortaya çıkışı
Zurek (2003), dekoheransı sistemin çevresiyle etkileşiminden doğan bir süreç olarak tanımlar. Ona göre çevre, sistemin bazı niceliklerini adeta sürekli izler ve bu niceliklerin farklı değerlerine karşılık gelen durumlar arasındaki girişimi yok eder. Bu süreç, Schrödinger'in kedisi türünden açıkça yerel olmayan durumları pratikte ortadan kaldırarak gündelik klasik dünyanın nasıl ortaya çıktığını açıklamaya yardım eder.
Dekoherans büyük nesnelerde neden girişim görmediğimizi iyi açıklar. Ancak bir ölçümde neden tek bir sonucun gerçekleştiği sorusu, yani ölçüm problemi, ayrı bir konudur. Hornberger ve arkadaşları (2003) da dalga fonksiyonunun "çöküşünün" nasıl açıklanacağının hâlâ tartışmalı olduğunu not eder. Dolayısıyla dekoherans, gözlemin neyi değiştirdiğini anlatır; gözlemin özünde ne olduğuna dair yorum tartışmalarını ise tek başına bitirmez.
Sık bakmak değişimi yavaşlatabilir: Kuantum Zenon etkisi
Gözlemin olguyu değiştirdiği belki de en çarpıcı örnek, kuantum Zenon etkisidir: bir sistemi yeterince sık ölçmek, onun bir durumdan diğerine geçişini baskılayabilir. Itano, Heinzen, Bollinger ve Wineland (1990), bir Penning tuzağında hapsedilip lazerle soğutulmuş berilyum iyonlarında, iki taban durumu düzeyi arasındaki geçişi radyo frekanslı bir alanla başlattı. Aynı sırada kısa ışık atımlarıyla iyonun hangi durumda olduğunu yokladılar. İyon bir durumdaysa birkaç foton saçıyor, diğerindeyse hiç saçmıyordu. Ölçümler sıklaştıkça geçiş baskılandı; yazarlar bunu, her ölçümün dalga fonksiyonunu çoğunlukla başlangıç durumuna geri "çökertmesiyle" açıkladı.
Bu deney Zenon etkisinin en sık anılan gösterimidir. Yine de Itano'nun (2019) kendisinin belirttiği gibi, etkinin nasıl tanımlanacağı ve yeni bir fizik mi gerektirdiği, yoksa sıradan kuantum mekaniğinin bir sonucu mu olduğu konusunda görüş ayrılıkları sürmektedir. Bu örnekte dikkat çekici olan, ölçümün yalnızca anlık bir sonucu değil, sistemin zaman içindeki evrimini değiştirmesidir.
Bozmadan, az bozarak ya da dokunmadan ölçmek
Buraya kadarki örnekler gözlemin olguyu değiştirebildiğini gösteriyor. Ancak fizikçiler, bu etkiyi denetlemek ya da belirli bir nicelik için azaltmak üzere farklı ölçüm stratejileri de geliştirdi. Bu stratejiler, "gözlem her zaman olguyu değiştirir" yargısının neden fazla genel olduğunu gösterir.
Yıkımsız ölçümler
Kuantum yıkımsız ölçüm, adından da anlaşılacağı gibi, ölçülen niceliği bozmadan onun hakkında bilgi edinmeyi ve aynı niceliğin yeniden ölçülebilmesini amaçlar. Grangier, Levenson ve Poizat (1998), bu ölçümlerin tekrarlanan ölçümlerde belirsizlik ilkesinin getirdiği sınırlamaları aşmak üzere tasarlandığını ve kuantum optiğinde bir ışık demetindeki foton akısının bu yolla ölçülebildiğini anlatır. Bu yaklaşım belirsizlik ilkesini ortadan kaldırmaz; ölçümü, korunmak istenen niceliği bozmayacak biçimde kurar.
Zayıf ölçümler
Zayıf ölçümde düzenek sistemle o kadar hafif etkileşir ki tek bir ölçüm sistemi çok az etkiler; buna karşılık tek ölçümden elde edilen bilgi de çok azdır ve anlamlı sonuç çok sayıda tekrarın ortalamasından çıkar. Kocsis ve arkadaşları (2011), tek tek fotonları çift yarıklı bir interferometreden geçirdi. Fotonların momentumunu zayıf biçimde, konumlarını ise farklı düzlemlerde güçlü biçimde ölçerek fotonların ortalama yörüngelerini yeniden oluşturdular. Bu, tek bir fotonun izlediği yolun görüntülendiği anlamına gelmez; yörüngeler bir foton topluluğunun alt grupları için tanımlanan ortalamalardır. Yorum da tartışmalıdır: Bliokh ve arkadaşları (2013), aynı ölçümlerin klasik optikte ışık alanının enerji akışına karşılık geldiğini savunan bir yorum önermiştir.
Etkileşimsiz ölçüm
Elitzur ve Vaidman 1993'te, bir nesnenin varlığının, onu yoklayan parçacık nesneyle etkileşmeden belirlenebileceği bir düzenek önerdi. Kwiat ve arkadaşları (1995), tek fotonlarla bir Michelson interferometresinde bu fikrin ön gösterimini yaptı ve tekrarlanan zayıf yoklamalarla "etkileşimsiz" ölçümlerin oranının ilke olarak 1'e keyfi biçimde yaklaşabileceğini gösterdi. Yöntem ilginç biçimde Zenon etkisine dayanır: nesnenin varlığı, yoklayan fotonun aksi hâlde tutarlı ilerleyecek evrimini engeller. Kwiat ve arkadaşları (1999) daha sonra özgün önerinin yüzde 50'lik kuramsal üst sınırını aşan verimlilikler bildirdi.
Yine de "etkileşimsiz" sözcüğü dikkatle okunmalıdır. Kwiat ve arkadaşları (1999), terimin yalnızca etkileşim olasılığının var olduğu ama gerçekleşmediği durumlar için anlamlı olduğunu vurgular. Luis ve Sánchez-Soto (1998) ise olgunun, nesne ile düzenek arasında ölçülebilir nicelikleri bozan etkin bir etkileşimle de tutarlı biçimde betimlenebileceğini savunur.
Sonuç
Gözlemlemek bilimsel olguyu her zaman değiştirmez; ama kuantum düzeyinde değiştirmesi istisna değil, kuraldır. Bunun nedeni bir bakışın gizemli gücü değil, ölçümün fiziksel bir etkileşim olması ve kuantum sistemlerinin girişim gibi kırılgan özelliklerinin, hakkında bilgi açığa çıktığında kaybolmasıdır. Fulleren deneyinin gösterdiği gibi bu "gözlemci" bir gaz molekülü bile olabilir. Zenon etkisinde ise ölçüm, sistemin zaman içindeki evrimini bile yavaşlatabilir.
Öte yandan değişimin büyüklüğü ve neyi etkilediği sabit değildir. Yıkımsız, zayıf ve etkileşimsiz ölçümler, belirli nicelikleri korumanın ya da bozulmayı azaltmanın yollarını sunar; Rozema ve arkadaşlarının deneyi de ölçüm bozulmasının Heisenberg'in özgün tahmininden daha küçük tutulabildiğini düşündürür. Bu nedenle soruyu "gözlem olguyu değiştirir mi?" yerine "bu ölçüm sistem hakkında hangi bilgiyi, hangi bedelle açığa çıkarıyor?" diye sormak daha verimlidir. Ölçümde neden tek bir sonucun ortaya çıktığı sorusu ise kuantum fiziğinin hâlâ yorum tartışmalarıyla süren açık meselelerinden biridir.
Kaynakça
Belirsizlik ilkesi ve ölçüm bozulması
Grangier, P., Levenson, J. A. ve Poizat, J.-P. (1998). Quantum non-demolition measurements in optics. Nature, 396(6711), 537–542. https://doi.org/10.1038/25059
Kosugi, S. (2015). Proof of Heisenberg's error-disturbance principle. arXiv ön baskısı, arXiv:1504.03779. arXiv kaydı
Rozema, L. A., Darabi, A., Mahler, D. H., Hayat, A., Soudagar, Y. ve Steinberg, A. M. (2012). Violation of Heisenberg's measurement-disturbance relationship by weak measurements. Physical Review Letters, 109(10), 100404. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.109.100404
Dekoherans ve madde dalgası girişimi
Hackermüller, L., Hornberger, K., Brezger, B., Zeilinger, A. ve Arndt, M. (2003). Decoherence in a Talbot-Lau interferometer: The influence of molecular scattering. Applied Physics B, 77, 781–787. https://doi.org/10.1007/s00340-003-1312-6
Hornberger, K., Uttenthaler, S., Brezger, B., Hackermüller, L., Arndt, M. ve Zeilinger, A. (2003). Collisional decoherence observed in matter wave interferometry. Physical Review Letters, 90, 160401. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.90.160401
Viyana Üniversitesi Kuantum Nanofizik Grubu. (t.y.). Collisional decoherence. Arndt Grubu araştırma sayfası. Grup sayfası
Zurek, W. H. (2003). Decoherence, einselection, and the quantum origins of the classical. Reviews of Modern Physics, 75(3), 715. arXiv sürümü
Kuantum Zenon etkisi
Itano, W. M. (2019). The quantum Zeno paradox, 42 years on. Current Science. NIST yayın kaydı
Itano, W. M., Heinzen, D. J., Bollinger, J. J. ve Wineland, D. J. (1990). Quantum Zeno effect. Physical Review A, 41(5), 2295–2300.
Zayıf ve etkileşimsiz ölçümler
Bliokh, K., Bekshaev, A. Y., Kofman, A. G. ve Nori, F. (2013). Photon trajectories, anomalous velocities and weak measurements: A classical interpretation. New Journal of Physics. arXiv sürümü
Elitzur, A. C. ve Vaidman, L. (1993). Quantum mechanical interaction-free measurements. Foundations of Physics, 23, 987–997.
Kocsis, S., Braverman, B., Ravets, S., Stevens, M., Mirin, R., Shalm, L. ve Steinberg, A. (2011). Observing the average trajectories of single photons in a two-slit interferometer. Science, 332(6034), 1170–1173. https://doi.org/10.1126/science.1202218
Kwiat, P., Weinfurter, H., Herzog, T., Zeilinger, A. ve Kasevich, M. A. (1995). Interaction-free measurement. Physical Review Letters, 74(24), 4763–4766.
Kwiat, P. G., White, A. G., Mitchell, J. R., Nairz, O., Weihs, G., Weinfurter, H. ve Zeilinger, A. (1999). High-efficiency quantum interrogation measurements via the quantum Zeno effect. Physical Review Letters, 83(23). arXiv sürümü
Luis, A. ve Sánchez-Soto, L. L. (1998). Dynamical analysis of seemingly interaction-free measurements. Physical Review A, 58, 836. https://doi.org/10.1103/PhysRevA.58.836