Tugay Aslan Logo

Atomlar Zamanın İçinde Donarsa Ne Olur?

Yükleniyor...

Her şeyin bir sonu var, değil mi? Önünüzdeki kahve bile yavaş yavaş soğuyor. Enerjisini kaybediyor, ısısını odaya dağıtıyor ve duruluyor. Termodinamiğin ikinci yasası: Entropi. Kendi haline bırakılan her şey, zamanla daha düzensiz ve daha dengeli bir duruma akar.

Daha düzenli bir hâl istiyorsanız, o sisteme dışarıdan müdahale etmek zorundasınız; bazen enerji verirsiniz, bazen de ondan enerji çekersiniz. Bir bardak suyu düşünün. İçindeki milyarlarca molekül tam bir kaos halinde, her yöne dağılmış durumda ve sürekli yer değiştiriyorlar. Bu yüzden suyu hangi açıdan çevirseniz neredeyse aynı görünür.

Peki, bu kadar serbest bir şeyi soğutursak ne olur? Yani enerjisini azaltıp hareket etmesini zorlaştırırsak? O zaman artık o kadar özgür davranamazlar. Bir düzen seçmek zorunda kalırlar. Moleküller rastgele değil, belirli aralıklarla dizilir ve bir kristal oluştururlar. Yani daha düzenli bir hâle geçerler.

Bunu şöyle düşünün: Bir topu yüksekten bırakırsınız. Kaotik bir şekilde yuvarlanır, seker, enerjisini kaybeder ve sonunda en dibe iner. Orada sanki artık gidecek yeri kalmamıştır. Her şeyin durduğu, sessiz bir nokta gibi görünür. Katı hâle geçen maddeyi de böyle düşünürüz: Daha aşağı bir enerji seviyesi kalmamış gibidir. Burada artık “sessizlik” bekleriz, değil mi?

Peki ya size bu en dip noktada, yani artık her şeyin durması, susması gerektiği yerde, bir şeyin durmayı reddettiğini söylesem?

Atomlar yerlerinden kıpırdamıyor. O vadinin dibinde kilitli duruyorlar. Ama hepsi birlikte, aynı anda ritim tutmaya devam ediyor. Bu, maddenin bildiğimiz hâllerinden biri değil. Hem donmuş hem de hareketli. Hem sessiz hem de bir saat gibi. Bu, dengeye varmadan kendi iç saatini kuran bir düzen.

Bu, Zaman Kristali.

Doğanın Simetrisini Sorgulamak

Bu sadece havalı bir isim değil. Daha birkaç yıl öncesine kadar fiziğin ‘olmaz’ dediği bir şeydi. Eğer gerçekten oluyorsa, bu maddenin zamanı nasıl kullanabileceğini ilk kez gösteren bir anahtar olabilir. Bu anahtarın hangi kapıları açtığını anlayabilmemiz için önce temeli sağlamlayalım: "Kristal" dediğimiz şey aslında nedir?

Büyüteç altındaki bir kar tanesini düşünün. O kusursuz, altı kollu simetriyi... Her birinin benzersiz ama her birinin aynı kurala uymasını... Tıpkı onun gibi, avucunuzdaki bir tuz tanesi ya da parlak bir elmas da atomların mekânda kurduğu kusursuz bir desendir. Bu onların doğası, onların "temel" halidir. O deseni korumak için enerji harcamazlar. Tıpkı o vadinin dibindeki top gibi; o "en dip" nokta, sanki artık gidecek yeri yokmuş gibi görünen o denge hâlidir.

2012 yılında Nobel ödüllü fizikçi Frank Wilczek kara tahtaya baktı ve herkesin kaçındığı o soruyu sordu: "Madem doğa maddeyi uzayda bu kadar mükemmel düzenliyor, zamanda da düzenleyebilir mi?"

Fikir heyecan vericiydi ama tehlikeliydi de. Yüzyıllardır insanlığın en büyük hayallerinden birini —ve en büyük takıntısını— çağrıştırıyordu: Devridaim Makinesi. Hikâyesini bilirsiniz; kâğıt üzerinde hep harika görünen, deha ve delilik arasındaki o icatlar. Hepsinin vaadi aynıydı: Hiç yoktan bir şey yaratmak.

Ama evren çok katı bir "muhasebecidir". Defterleri net tutar: Enerji yoktan var olmaz. Ve her dönüşümde, her zaman bir bedel ödersin; ısı olarak, kayıp olarak... Tıpkı soğuyan kahve gibi, her şey eninde sonunda değişmeyi bırakıp daha dengeli, daha dağınık bir hâle gider. Bu yüzden patent ofisleri, yüzlerce yıl önce bu "devridaim" başvurularını okumayı bile bıraktı.

Ve şimdi biri çıkıp diyordu ki: "O vadinin dibindeki top... Evet, o en dipte. Enerjisi bitmiş... Ama bakın, kendi kendine ritim tutuyor."

Bu, o eski yasak rüyaya çok benziyordu: Sanki en dipteyken bile kendi ritmini sürdürebilen bir sistem. Bu yüzden fizikçiler bu fikre "DUR!" dedi. "Bu, evrenin temel kuralını çiğner!" Hemen matematiklerini çıkardılar ve o acımasız kanıtları yazdılar: Olmaz Teoremleri (No-Go Theorems).

Fizikçilerin söylediği şuydu: Tam dengedeki bir sistem kendi kendine ritim tutamaz. Bu rüya, matematiksel olarak imkânsız ilan edildi. Dava kapandı. Ta ki, birileri o denklemlere çok daha yakından bakana kadar.

İmkansızın Kıyısında: Deneyler

O denklemlere yakından bakanlar, "Olmaz Teoremleri"nin üzerine küçük bir yıldızla (*) düşülmüş o notu gördüler. O kanıtlar tek bir varsayım için geçerliydi: Sistem kendi hâline bırakılmışsa. Yani tam dengedeyse.

Peki ya sistemi kendi hâline bırakmak yerine onu o "denge uykusundan" ritmik darbelerle sürekli uyandırırsak? Yani dışarıdan, tam da istediğimiz zamanda dürtersek? İşte kırılma orada oldu. 2017’de birbirinden bağımsız iki deney bunun imkânsız olmadığını gösterdi.

Normalde bir sistemi böyle düzenli dürtersen sonunda ısınır ve düzenini kaybeder. Burada beklediğimiz hızda olmadı. Bu sistemler dışarıdan gelen ritmi alıp kendi ritimlerini dayattı. Dışarıdan gelen enerjiyi aldı ve kendi ritmini çalıştırmak için kullandı.

Ritimler, kristaller, dengeden çıkmış sistemler... Tüm bunlar ne anlama geliyor? Kulağa çok karmaşık ve soyut geliyor olabilir. Bunu anlamak için daha basit bir gözlemle, bir salıncak analojisiyle düşünelim.

Salıncakta sallanan bir çocuk hayal edin. Eğer sadece oturursa salıncak yavaşlar ve durur. Çünkü sistem kendi hâline bırakılmıştır. Peki çocuk durmak istemiyorsa ne yapar? Doğru anda bacaklarını öne iter, geri gelirken kendini çeker. Yani dışarıdan ritmik bir dürtme uygular.

Burada dikkat edilmesi gereken nokta şudur: Çocuğun verdiği dürtme daha sıktır ama salıncağın ileri-geri hareketi daha yavaştır. Sistem o hızlı dürtmeleri alır, kendi doğal periyoduna çevirir. Çocuk dürtmeye devam etse bile salıncağın ritmi büyük ölçüde aynı kalır.

Zaman kristali de tam bunu yapıyor: Dışarıdan verilen düzenli enerjiyi olduğu gibi tüketip dağılmak yerine, "Hayır, ben bu zaman aralığında çalışacağım" diyerek zamanın içinde kendi düzenini dayatıyor.

İşte fizikçilerin gözünü açan yer tam burasıydı. Çünkü bu sistem sadece enerji almıyor. Enerjiyle beraber bir kural da alıyor ve o kuralı bırakmıyor. Bu, maddenin kendi içinde var olan, sarsılmaz, kolektif bir hafızasıdır. Tıpkı katı, sıvı ve gaz gibi maddenin yeni bir hali... Kendi saatini, evrenin geri kalanından bağımsız olarak kuran ve o saati ne pahasına olursa olsun koruyan bir madde hali.

Neden Önemli? Bilgiyi Korumak

Peki bu neden önemli? Enerji üretmiyorsa ne işe yarıyor? Cevap, enerjiden farklı bir değerde gizli: Bilgi. Daha doğrusu, o bilginin korunmasında.

Bilgi, belki de evrendeki en kırılgan şeydir. Şu anda kullandığınız bilgisayarlar, telefonlar veya televizyonlar hep aynı şekilde çalışır: İçinde milyarlarca küçük anahtar vardır. Buna bit denir. Tıpkı ışık anahtarı gibi; ya açıktır (1) ya kapalıdır (0). Net, basit, kararlı. Bütün fotoğraflar, videolar, oyunlar dünyamızın dijital hâli sadece bu 0 ve 1’lerin devasa bir düzenidir.

Şimdi bir kuantum bilgisayarı hayal edin. O, böyle "ya 0 ya 1" demez. Kübit denen bir birim kullanır. Bu, ışık anahtarı gibi değil; havada sürekli dönen bir madeni para gibidir. Para dönerken ne "yazı"dır ne "tura"; ikisinin de ihtimalini aynı anda taşır. Kuantumun sihri budur: Bir kübit aynı anda hem 0 hem 1 olabilir.

Bunun gücünü düşünün: Normal bilgisayar bir problemi çözmek için yolları tek tek dener. Kuantum bilgisayarı ise o "aynı anda ikisi birden" hâli sayesinde bir sürü yolu aynı anda deneyebilir. Ama o havada dönen paranın bir sorunu var: Dokunursan büyü bozulur. Para yere düşer ve artık ya yazıdır ya tura.

Kübit de böyledir. En ufak titreşim, odadaki minicik bir ısı değişimi, yakından geçen elektrik gürültüsü hepsi o kuantum bilgisini yok eder. Kübit en ufak değişimde sıradan 0 ve 1’e geri çöker. Fizikçiler buna "eşevresizlik" (decoherence) diyor. Yani kuantumdaki o güzel, düzenli hâlin dış dünyanın gürültüsüyle ahengini kaybetmesi.

Yeni bir malzeme icat etmek, iklim değişikliğinin karmaşık modellerini çözmek, hatta belki de evrenin en derin sırlarını anlayabilmek için o paranın havada kalmasına ihtiyacımız var. Zaman kristali ise bu gürültüye karşı bir kale gibidir. Dışarıdan gelen ritme kilitlendiği için, dışarıdaki gürültüden (entropiden) etkilenmiyor. Bilgiyi koruyor. Yani parayı bozulmadan havada tutabiliyoruz.

2021'de Google, Sycamore kuantum işlemcisini kullanarak tam da bunu kanıtladı. Maddenin bu yeni halinin, bilgiyi gürültülü bir dünyada bile koruyabildiğini gösterdiler. Zaman içinde kendini tekrar etme konusunda aşırı inatçı, bozulmaya karşı çok daha dirençli bir hafıza...

Bu aynı zamanda çok kararlı zaman işaretleri üretebiliriz demek. Atom saatleri bugüne kadar ‘daha hassası yok’ dediğimiz cihazlardı. Şimdi elimizde zamanı kendi içinde kilitleyen bambaşka bir düzen var. Bu, asla "kaymayan", asla "yorulmayan" bir saat demek. Belki de okyanusun binlerce metre altında, kayaların içinde bile çalışan, asla şaşırmayan bir GPS. Ya da evrenin en uzak köşesine giden bir uzay aracı için kayıpsız bir rota demek.

Fizikte her yeni madde hâli önce anlamsız görünür. Süper iletkenler bulunduğunda da ‘İyi de ne işe yarayacak?’ diyenler vardı. Bugün MRI cihazlarından parçacık hızlandırıcılarına kadar her yerdeler. Zaman kristali de böyle; şu an hikâyeyi kuantum bilgisayarlar üzerinden anlıyoruz ama asıl değeri, maddenin sınırlarını genişletiyor olması.

Sonuç

Zaman kristalleri evrenin yasalarını çiğnemiyor. Ama o yasalara yeni bir satır ekliyor. Fizikçiler için asıl büyü bu.

Belki de evrenin en derin sırrı zamanın kendi dokusunda gizlidir. Çünkü o dokunun içinde sessiz bir uğultudan fazlası var: En temel parçacıkların bile dans ettiği, gizli bir müzik... Ve biz onun ritmini daha yeni duymaya başladık.

Kaynakça ve İleri Okuma

1. Fikrin Doğuşu: "Her Şeyi Başlatan Kıvılcım" (2012) Nobel ödüllü Frank Wilczek’in, bir sistemin en düşük enerji seviyesinde bile zaman içinde hareket edip edemeyeceğini sorguladığı, tartışmayı başlatan orijinal çalışma.

2. Engel: "Fiziğin 'Dur' Dediği An" (2015) Yazıda bahsettiğimiz "Olmaz Teoremleri". Denge halindeki sistemlerde zaman kristallerinin matematiksel olarak imkânsız olduğunu kanıtlayan ve fizikçileri daha yaratıcı olmaya zorlayan makale.

3. Kırılma Noktası: "İmkansızın Gerçekleştiği Yıl" (2017) Teorinin pratiğe döküldüğü an. Birbirinden bağımsız iki grubun (Maryland ve Harvard), dengede olmayan sistemlerde zaman kristali davranışını ilk kez gözlemlediği tarihi deneyler.

4. Modern Kanıt: "Kuantum Bilgisayarlar ve Google Deneyi" (2021) Google'ın Sycamore işlemcisiyle gerçekleştirdiği, zaman kristallerinin bilgiyi hatasız bir şekilde koruyabildiğini kanıtlayan dönüm noktası çalışması.

Daha Sade Bir Dil Arayanlar İçin: Eğer akademik makalelerden ziyade konunun mantığını daha popüler bir dille okumak isterseniz, Quanta Magazine'in "The Quest to Crystallize Time" başlıklı makalesini veya Google Research Blog'daki resmi açıklamaları incelemenizi öneririm.

İlgili İçerikler