28 Şubat 2021

Kuantum bilgi

Başlangıçta yalnızca enerji vardı; sonra temel parçacıklar oluştu ve hepsi bir araya gelerek bize bir gerçeklik yarattılar. Yani makro yapı, sonuçta mikro yapının bir ürünü. Belki de bilim insanları haklıdır; bu hayal, insanı en büyük sorusunun yanıtına götürecektir!

Stephen Hawking kara deliklerin yok olabileceğini dile getirdiğinde bilim dünyası kendini oldukça kafa karıştırırcı bir tartışmanın içinde bulmuştu.

1975 yılında yayınlanan makalesinde Hawking, kara deliklerin ışınım yaydığını ve bu şekilde kütle kaybettiğini söylüyordu. Hawking'e göre kara delik enerji yayarak gittikçe küçülüyor ve bu da kara deliğin yavaş yavaş buharlaşıp yok olacağı anlamına geliyordu.

Hawking, ardından bilginin de yok olacağını ileri sürdü.

Kara deliklere düşen cisimler yok oluyorsa bilgi de yok oluyor demekti, ancak bu durum enerjinin korunumuna aykırıydı.

Uzun tartışmalardan sonra bilim insanları bilginin yok olmayacağı, yine evrene döneceği fikrinde uzlaştılar. Ancak tartışmalar son bulmuş değil.

Burada bilgi ile kastedilen şey neydi?

Hawking'in konu ettiği "bilgi", kara delik içine çekilen ve bir daha asla dışarı çıkamayacak olan maddenin kendine özgü özelliklerin tümü olarak tanımlı. Başka bir deyişle, bir parçacığın hızı, konumu, spini ve enerjisi gibi ölçebilebilen tüm fiziksel etkileşimlerin karşılığı oluyor.

Bilgi ölçülebilir mi?

Bilim insanları, "entropi" olarak bilinen bir ölçüt yardımıyla bilginin ölçülebilir olduğunu belirtiyorlar. Bu ölçüt, ilk kez 1948 yılında Amerikalı bilim insanı Claude E. Shannon tarafından önerilmişti.

Ancak entropi kavramının çok daha önce, 1877'de Avusturyalı fizikçi Ludwig Boltzmann tarafından bir fiziksel sistemde düzensizliğin ölçüsü olarak tanımlandığını biliyoruz. 

Shannon entropisi, bir mesajı kodlamak için gereken ikili kodlamanın yani "bit"lerin sayısını, Boltzmann entropisi ise makroskopik yapıdaki mikroskopik parçacıkların olası hareket sayısını ifade etmektedir. Boltzman'ın termodinamik entropisi ile Shannon entropisi bilim dünyası tarafından eşdeğer kavramlar olarak kabul ediliyor.

1916 doğumlu olan ve 2001'de hayata veda Shannon, Amerikalı matematikçi ve elektrik mühendisidir ve dijital bilgisayarların temeli olan elektrik anahtarlarının kullanılmasının öncüsüdür. II. Dünya Savaşı yıllarında Bell Laboratuvarları'nda işe başlıyor, ardından  1943'te İngiliz matematikçi Alan Turing  ile tanışıyor ve onunla çalışmaya başlıyor.

Shannon bugün bilgi teorisinin babası olarak kabul edilmektedir.

Farklı diller

Tekrar "Kara deliğe çekilen cisimlere ne oluyor?" sorusuna dönecek olursak biliyoruz ki  kara delikler evrenin en gizemli ve en özel oluşumları. Büyük yıldızların ölümü sonrası patlayarak kendi üzerine çökmesi sonrasında oluşuyorlar.

Bir kara delik, olay ufku olarak adlandırılan bir sınırla çevrili: Bunu bir şelale gibi düşünebilirsiniz. Bir şelalenin sınır çizgisinin önünde yüzebilen bir kayık, bu sınır hattını aştığı anda hızlanarak düşer,  kaçma şansı ve geri dönüşü yoktur.

Kara deliklerde de olay ufku olarak adlandırılan sınır çizgisini geçen tüm cisimler içeri çekilir ve orada kalırlar. Kaçma şansları yoktur, ışık bile kara deliğin çekim gücünden kurtulamaz.

Ancak kara deliklerin çok önemli iki özelliği bulunuyor: Relativistik açıdan bakıldığında kara delikler uzay-zamanın büküldüğü, merkezinde kütlesel çekimin olağanüstü büyük olduğu dev kütleli cisimler; kuantum açısından ise bir kara delik, çok sıkıştırılmış bir flash disk gibi en etkili bilgi depolanabilen bir yer.

Bir tarafta relativite, yani geometri; diğer tarafta kuantum mekanik, matematik: Sanki iki farklı dilin konuşulduğu, evrende Görelilik ve Kuantum kavramlarının bir arada bulunduğu tek yer.

Şimdi soru şu: Her şey kara delik tarafından çekiliyor ve orada saklanıyorsa kara delikler bir anlamda evrenin bilgi saklama yeri mi oluyor?  

O zaman, bir kara deliğin bilgi kapasitesi nasıl ölçülür?

1972 yılında Jacob Bekenstein kara deliklerin entropisini tanımlayan bir denklem üretti.

Bekenstein bağıntısı olarak bilinen bu denkleme göre bir hacmin entropisi, bir başka deyişle hacmin içerdiği bilgi, kara deliğin olay ufkuyla sınırlı olan yüzey alanı ile orantılıdır.

Bekenstein bağıntısı ( S: Entropi, k:Boltzman sabiti  A: yüzey alanı lp:Planck uzunluğu)

Yani, belirli bir hacimde depolanabilen bilgi miktarı hacmin büyüklüğü ile değil, o hacmin yüzey alanı ile ifade ediliyor. Bu bir anlamda 3 boyutlu bilginin 2 boyut üzerine kodlanmış bir hologramı demek.

Hatırlayalım: Hologram, 3 boyutlu bir sistemin iki boyuta kodlanması idi.

Bu durumda, kara deliğe giren her şeyin kuantum bilgisi, iki boyuta kaydedilmiş oluyor ve bu anlamda bilgi yok olmuyor.

Büyük hayal

Öte yandan kara delikler, iki farklı teorinin geçerli olduğu, evrende bildiğimiz tek oluşum demiştik: Bir tarafta relativite, yani geometri; diğer tarafta kuantum mekanik, yani matematik.

Ancak kara deliklerde hakim olan bu iki farklı kuramı birleştirmek, iki farklı dili birleştirmek gibi bir şey.

Bunu gerçekleştirmek bilim insanlarının en "büyük hayali". Ona TOE (Theory of Everything) yani "Her Şeyin Teorisi" diyorlar. Amaç evreni tek bir matematik denklemle açıklayabilmek.

Tüm teorik fizikçiler 1970 lerden bu yana bu konuya odaklanmış durumda.

Biliyorsunuz, başlangıçta yalnızca enerji vardı; sonra temel parçacıklar oluştu ve hepsi bir araya gelerek bize bir gerçeklik yarattılar. Yani makro yapı, sonuçta mikro yapının bir ürünü.

Belki de bilim insanları haklıdır; bu hayal, insanı en büyük sorusunun yanıtına götürecektir!


Kaynakça

Yazarın Diğer Yazıları

Düşünme yeteneğimizin gerisinde ne var?

Spekülatif görünse de zihinsel süreçlerin temelinde ve düşünme yetilerimizin gerisinde kuantum izlerinin aranması çok da akıl dışı değil

Kutsal soneler ve Trinity

Bu sürece dahil olanlar, korku ile karışık pişmanlık duyguları içinde bulurlar kendilerini ve bu duygu bir daha onların peşlerini bırakmaz...

Tek bir evrende mi yaşıyoruz?

100 yıl önce hayal bile edilemez şeyler bugün gerçekleşti. Güneş sisteminden çıktık, Samanyolu Galaksi'sini aştık ve evrenin başlangıcına ulaştık. Bu insan aklının bitip tükenmeyen merakının ve inovasyon gücünün başarısı. Belki bir gün bizi komşu evrenlerle de tanıştırabilir!