Bilim ile kurgu arasında: Zamanı tersine çevirme

Son günlerde bir bilim haberi olarak basına yansıyan bir çalışmayı gerçekleştiren bilim insanları, inceledikleri sistem için 'zamanı tersine çevirmeyi başardıkları' iddiasını gündeme getirdiler. Bu iddia ve basına yansıma şekli, bilimsel çalışmaların nesnel içeriği ile kamuoyuna sunuluş şekilleri arasındaki açıyı bir kez daha akıllara getirdi.
soL - Bilim ve Aydınlanma
Pazartesi, 25 Mart 2019 10:30

Moskova Fizik ve Teknoloji Enstitüsü’nden G. Lesovik ve çalışma arkadaşları, arXiv.org'da yayımladıkları bir çalışmaları ile “zamanın yönünü tersine çevirme” konusunu yeniden gündeme getirdiler.

Çalışmanın odaklandığı soru şuydu: Bir sistemin zamansal evrimini tersine çevirmek mümkün müdür ve bunu “kübit”ler üzerinde yapabilir miyiz? İkinci konu, yani kuantum bilgisayarlarının temel işlem birimi olan kübitler üzerinde gerçekleştirme konusu, kuantum bilgi işleme alanında bazı noktaları aydınlatması umulan bir konu ve her örnekte zamanı tersine çevirme tartışmasıyla ilgili olması gerekmiyor. Birinci konu, “bir sistemin zamansal evrimini tersine çevirme” ise aslında basitçe “zamanı tersine çevirme” olarak ifade edilemeyecek, fizik ve matematik literatüründe iyi tanımlı olan bir başlık.

Ancak bu başlığın termodinamiğin yasalarıyla ilişkilendiği noktada bazı ilginç durumların ortaya çıkabileceği düşünülüyor ve kimileri bu ilginç durumları “zamanın yönünü tersine çevirme” olarak yorumlayabiliyor. “Zamanı tersine çevirme,” “zamanı geri alma” ve benzeri ifadeler genel olarak bu yorumun alternatif ifade biçimleri olarak karşımıza çıkıyor. Açıklayalım...

Pek çok fizik problemi, bir sistemin verili bir ilk durumdan başlayarak nasıl evrileceğini veya istenen bir son duruma ulaşıp ulaşamayacağını incelemeye odaklanır. Benzer şekilde, bir sistemin verili bir andaki durumuna bakarak geçmişte herhangi bir andaki durumunun ne olduğunu anlamaya da çalışabiliriz. Fizik kanunları da verili bir andaki durumu gelecekte veya geçmişteki anlarda var olan durumlarla nasıl ilişkilendirebileceğimizi söyler, kurala bağlar. Gündelik hayatta da, zaman kavramı üzerine özel olarak düşünmeyi gerektirmeyen bilim alanlarında da genelde “ileri doğru” düşünme eğiliminde oluruz. Örneğin bir makineyi belirli bir ilk durumda çalıştırdığımızda nasıl çalışacağını, ileriki zamanlarda nasıl davranacağını bilmek isteriz. Hatta geçmişte hangi fiziksel durumda olduğunu anlamak istiyorsak “ne kadar zaman önce hangi durumdan başlarsa benim saatimi çalıştırdığım anda gördüğün duruma gelir?” diye sorarız. Bu sorunun her zaman sorulabilir olup olmadığını termodinamik bağlamında da tartışacağız.

Ancak bu noktada “zamansal evrim” kavramına biraz daha dikkatli yaklaşmak bize ilginç bir fikir verir: Aslında zamansal evrimi hep ileri doğru düşünmek zorunda değiliz; zaman eksenini tersine çevirirsek, sistemin geçmişteki durumlarını aynı şekilde anlayabilir miyiz? Bu sorunun yanıtı, basitçe “neden olmasın” değildir. Bunun nedeni, fizik kuramlarının da kendi içinde bir kategorizasyona sahip olması ile açıklanabilir.

TERSİNİR VE TERSİNMEZ SÜREÇLER

Bazı fizik kuramları (veya kanunları), nesnelerin temel özellikleri ve tabi oldukları temel hareket yasalarını ifade eder. Tek bir nesne de, bir nesneler grubu da bu yasalara tabidir. Bazı kanunlar ise ancak bir nesneler grubu için tanımlı kılınabilmektedir. Yani, fizikte “bütün” her zaman “parçarların toplamı”ndan fazladır. Birinci gruptaki yasalara “temel yasalar” denir, ikinci gruptakiler ise termodinamiğin ve istatistiksel mekaniğin yasalarıdır. Örneğin tek bir elektronun çeşitli özelliklerini ve davranışlarını tarif eden yasalar temel yasalar kategorisine girerken, bir elektron gazının sıcaklığını ancak termodinamik bağlamında ele alabilirsiniz; “tek bir elektronun sıcaklığı” kavramı anlamsızdır!

Temel yasalar, zaman eksenini tersine çevirmemizden mutsuz olmazlar. En kötü şartlarda, zaman ekseni ile birlikte uzamsal eksenleri ve (elektrik yükü gibi) yükleri de tersine çevirmek gerekse bile, belirli türde bir fiziksel süreci gösteren bir filmi tamamen geriye doğru oynattığınızda, zamanın aslında hangi yönde aktığını söylemeniz mümkün olmamaktadır.

Örneğin iki bilardo topu bir masada çarpışıyor olsun. Topların sürtünme nedeniyle durmalarını göremeyecek kadar kısa bir sürede süreci izliyor olalım. Çarpışmayı filme alıp, sonra da çarpışmayı görmemiş bir arkadaşınıza filmi tersten oynatarak izlettiğinizde arkadaşınız “filmi tersten oynatıyorsun” demeyecektir. Bunu düşünmesi için bir neden görmeyecektir çünkü. Dolayısıyla, bu tür süreçlere “tersinir süreç” deriz. Yani sürecin tam tersini gözlemlediğimizde, “bu sistem için zaman ters yönde akıyor” dememizi gerektiren bir durum olmaz; sürecin ters yönde işlemesi aynı ölçüde mümkündür.

Termodinamiğin yasaları ise her sürecin tersinir olmadığını söyler. Bazı süreçler “tersinmez”dir; filme alıp tersten izlediğinizde, net bir zaman yönü kavrayışına ulaşabilirsiniz. Bilardo topları örneğinden ilerlersek, topların sürtünme nedeniyle durduğu ana kadar süreci filme aldığımızda ve tersten izlemeye kalktığımızda, duran topların kendi kendine harekete geçtiğini görürüz ve “bu filmde zaman ters yöne akıyor” diyebiliriz. Sürtünme, topların enerji kaybetmesine yol açar, bu enerji ısı halinde çevreye yayılır ve çevrenin entropisini (şimdilik “düzensizliğini” diyebiliriz) artırır.

Burada kritik kavram entropidir. Termodinamiğin ikinci yasası, bir kapalı sistemin (dışarısı ile hiçbir etkileşimi olmayan veya bir “dışarısı” olmayan bir sistemin) toplam entropisinin hiçbir şekilde azalmayacağını söyler. Dolayısıyla, tersinmez bir süreç geçiren bir sistemin zamansal evrimini tersine çevirmek isterseniz, başka tersinmez süreçlerle sistemi yine bildiğimiz zaman yönünde evriltmeniz gerekir. Atıfta bulunacağımız haberlerde verilen örnekle söylersek, bilardo masasında ilk vuruştan sonra dağılan topları yeniden bir üçgen şeklinde dizmek için, masaya dışarıdan epeyce müdahale etmeniz gerekir. Bu sırada masanın çevresinin entropisini kesin olarak artırırsınız.

Lesovik ve arkadaşlarının çalışması, tam olarak bu noktaya parmak basıyor: Dışarısıyla etkileşen bir sistemin zamansal evrimini tersine çevirmek elbette mümkün; peki bunu termodinamiğin ikinci yasasını ihlal eden bir şekilde yapmak mümkün mü?

NEDENSEL BAĞLANTILAR VE ZAMAN İLİŞKİSİ

Çalışmayı anlatan bazı haberlerde, araştırmacıların bunu başarabildiği iddia edilmekte. Ancak üstü kapalı görünen bir nokta şudur: Araştırmacıların incelediği sistemin çeşitli özellikleri deney boyunca sabit kalsa bile, evrenin toplam entropisinin azaldığı gösterilmemektedir. Muhtemelen bu yüzden, “sistem için zamanın çok kısa bir süre boyunca ters yöne akması” gibi bir durumdan bahsedilmektedir. Bunun diğer konseptler kadar iyi tanımlı olmadığını ifade etmek gerekir, zira bir sistemin zamansal evriminde geçmişteki durumlarından bazılarını yeniden ziyaret etmesi, dış müdahaleler sayesinde pek ala mümkün olabilir. Hatta, ikinci yasa ihlali belirli koşullar altında gerçekten mümkün de olabilir (bunun üzerine literatürde çalışmalar mevcuttur).

Esas mesele, sistemin belirli bir sırayla geçtiği durumların “geçilmemiş hale getirilmesinin” mümkün olup olmadığıdır.

Söz konusu haberlerle ilgili bir eleştiri daha yapılabilir. Teknik ayrıntılarına değinmek mümkün olmasa da, zamansal ve uzamsal ölçümlerimizin tabi olduğu en temel kuralları Einstein’ın Genel Görelilik Kuramı’nın belirlediğini hatırlatmakta fayda var. Genel Görelilik’e göre olayların oluş sırası nesneldir. Yani bir A olayı bir B olayını tetikliyorsa, tüm gözlemciler A’yı B’den önce gerçekleşmiş olarak görür; en kötü ihtimalle iki olayı eş zamanlı göreceklerdir. Ancak hiçbir şekilde B’yi A’dan önce gerçekleşiyor olarak gören bir gözlemci bulamayız. “Zamanı tersine çevirme” fikri, zorunlu olarak, nedensellik ilişkilerini de tersine çevirmeyi gerektirmektedir, zira nedensellik ilişkilerini tersine çevirmeden yaptığınız şey yalnızca kendi yönünde akan bir zaman içinde bir sistemin evrimini tersine çevirmek olabilir. 

Araştırmacılar kendi bulgularını anlatırken teknik ayrıntılarda titizlik gözetiyor görünseler de çalışmanın popülerlik kazanmasını sağlayacak “yanlış anlaşılmaları” giderme gayretlerinin sınırlı olduğu gözlemleniyor. Çalışmanın IBM’in sağladığı bir kuantum bilgisayar üzerinde yapılıyor olması ve muhtemelen maliyetli olması, bu davranışın kaynağı olabilir. Haberleri yapan habercilerin ise bu hususta daha da az titiz davranmaları sıkça görülen bir durumdur. Dolayısıyla, bilim okurlarını bu tür girdilere karşı uyarmayı görev bilen diğer bilim habercilerine görev düşmektedir; bu haberimizde yapmaya çalıştığımız gibi.

NOT: arXiv.org sitesi fizik, matematik ve biyoloji alanında yayınların bilimsel dergilere gönderilmeden önce kamuoyuyla paylaşılabildiği ve makaleleri olmasa bile, bilgi içeriklerini açık hale getirmeye yardımcı olan bir “ön yayın” arşividir ve ABD’deki Cornell Üniversitesi tarafından yürütülmektedir.


Kaynaklar:

https://arxiv.org/pdf/1712.10057.pdf .

https://www.eurekalert.org/pub_releases/2019-03/miop-prt031119.php

https://www.bbc.com/turkce/haberler-dunya-47566842

Görsel: DANI3315/ Shutterstock