Kuantum Mekaniği Oyunlarla Buluşur mu? – Bilimin Işığında qCraft

[srocenter Can]

Bilim ve teknoloji gün geçtikçe ilerliyor ve geleceğin buluşlarına belki de şimdiden kapı aralıyor. Kimya, fizik gibi temel bilimlerin yanında mühendislik gibi uygulamalı dallar da eklenince ortaya araştırılacak ve peşinden gidilecek çok konu çıkıyor.

Elbette bugüne dek birçok oyun veya demo kuantum mekaniğini tam olarak ele almasa da belli parçalarını oyunlaştırmayı başarmıştır. qCraft ise bu yapımlardan biri olarak modlanmış bir abisi gibi gözükse de kuantum mekaniğinin belli kısımlarını entegre etmiş ve ortaya gayet şaşırtıcı bir deneyim çıkarmayı başarmıştır.

Fizik veya kimya gibi temel ve teorik bilimlerle uğraşanlar muhakkak kuantum mekaniğiyle denk gelmiştir. Günümüzde kuantum mekaniği halen daha %100 olarak kavranamamıştır ve ölçüm yapma (measurement) gibi konseptleri oturmamıştır. Dolayısıyla sırtını matematiğe ve istatiksel hesaplamalara yaslayan ve atom (ya da atom altı) parçacıkları işleyen bu alan video oyunlarına da entegre edilebilir mi?
Kuantum mekaniğine giriş


qCraft’a gelmeden önce birçok bölümde dönem ve hatta yıla yayılan bir dersi tabii ki de burada anlatmam mümkün değil ama belli bir çerçeve oluşturabileceğime inanıyorum ve anlaşılır anlatmak için yanımda ders notlarını hazır bulunduracağım.

1900’lerde ortaya çıkan black-body radiation (kara cisim ışınımı) ve UV-catastrophe (mor ötesi felaket) tahminiyle birlikte kuantum mekaniğine olan yol açılmış oldu diyebiliriz. İdeal bir dengede bulunan kara bir cismin yaydığı ışınımların (ya da emisyonların), spektrumda ultraviyole aralığına denk geldikçe bu cismin sınırsız bir ışıma yapacağına yönelik tahmini Max Planck tarafından tekrardan ele alındı.

Planck; bu ışınımları bir salınım (oscillation) gibi varsaydı ve bu elektronların salınımlarının açığa çıkardığı enerjinin, ışımanın frekansının tam katlarıyla orantılı olduğunu söyledi. çok karıştı değil mi? Kısacası, Planck bu ışınımların yaydığı enerjinin paketler (quantized) halinde ortaya çıktığını öne sürdü. Aslında çıkan ışınım veya ışık, sınırsız yerine belli bir miktar partikül kadar enerji yayıyordu.

Sonuç olarak Albert Einstein’nın yürüttüğü deneyle birlikte (fotoelektrik efekt) bir kaynaktan çıkan fotonların hv kadar enerjisi olduğunu da artık biliyoruz. İşte buradan başlayarak ve Bohr’un atom modeliyle elektronların bulunabilmeye müsait olduğu ayrık enerji seviyelerini (discrete energy levels) de arkamıza alarak Erwin Schrödinger’e ulaşıyoruz.

Schrödinger’in denklemi, de Broglie’nin (ve Young’un çift yarık deneyini unutmadan) ışığın hem bir dalga hem de partiküller olarak hareket ettiğini gösterdikten sonra elektronun sahip olduğu tüm dinamik bilgiye ulaşmamızı sağlayan bir diferansiyel denklem olarak karşımıza çıkıyor. Bu denklemde yer alan dalga fonksiyonuyla (wave function) birlikte elektronun nerede bulunabileceğini istatiksel şekilde bulabiliyoruz.
İstatistik, olasılık, qCraft nerede?


Olasılık (probability), kuantum mekaniğinde bir hayli geniş yer kapsıyor. Elektronun nerede bulunduğunu “kesinlikle” saptamamız mümkün değil, dediğim üzere sadece dalga fonksiyonunun genliği (amplitude, ki bu da dalga fonksiyonunun karesi oluyor) ile olasılık biçiminde ifade edebiliyoruz. Elektronun lokasyonunu ne kadar sınırlamaya çalışırsak momentumu da bir o kadar belirsizliğe ulaşacaktır. Dolayısıyla kuantum mekaniğinde kesinlik yerine olasılık konuşulur.

Kuantum sistemlerinde bir parçacık, birden çok durumların süperpozisyonunda bulunabilir. Quantum superposition denilen bu ilke, parçacığın “ölçüm” yapıldığı ana dek hangi durumda bulunacağının mümkün olmadığını söyler. Klasik fizikte yanından geçip gittiğiniz bir vazo eğer mavi renkteyse arkanızı döndüğünüzde ve 700 kilometre yol gittiğinizde de o vazo mavi kalacaktır.

Kuantum mekaniğinde ise ölçüm yapıldığında mavi olan vazo, arkanız döndüğünüzde mavi veya kırmızı durumlarını belli matematiksel katsayılarla içerisinde barındıracaktır. Arkanızı tekrar döndüğünüzde o vazo artık mavi olmayabilir.da işte bu süperpozisyon ilkesini barındırıyor.
Adamın yürüdüğü köprünün blokları, ölçüm yaptığı anda kayboluyor veya kırık taştan çakıl taşına dönüşerek düşüyor. Kırık taş ve çakıl taşı, kuantum sisteminde durumları işaret ediyor. Bu durumlar birbirleriyle süperpozisyon içerisinde olsalar da ölçüm yapıldığında rastgele bir biçimde bu durumlardan birisi gözlemleniyor.

qCraft, kuantum tozuyla (redstone bloğu seviyelerinde maden olarak bulunabiliyor) birlikte essence of superposition veya observation gibi tozlar yaratmanıza olanak tanıyor. Redstone gibi düşünebilirsiniz ama bunlar kuantum mekaniğinde daha anlamlılar. Essence of superposition ile birlikte inşa ettiğiniz kuantum bloğunun yanına eklediğiniz her bir blok, belli bir durumu işaret ediyor. İzleyici, aynı yönde birçok kez ölçüm yaptığında ve kuantum bloğuna baktığında her seferinde rastgele bir blok görüyor. Pembe yün, bir kez bakıldığında yeşile, ardından maviye ardından kırmızıya dönüşebiliyor.

qCraft da bulunan temel ilkelerden birisi de kuantum dolaşıklığı (entanglement) diyebiliriz. Kuantum dolanıklığı, birlikte yaratılan parçacık çiftlerinin veya gruplarının birbirleriyle özel bir ilişkiye sahip olabileceği gerçeğini ifade ediyor. Aslına bakılırsa bu iki parçacığın durumları ilişkilidir. Birbirlerinden sonsuz uzaklıkta olsalar bile bu iki parçacığın birbirleriyle eşzamanlı olduğu da ortaya çıkarıldı.

Einstein, bunun görecelik kavramına karşı çıktığını söylese de yapılan testler, dolaşmış parçacıkların polarizasyonu veya dönüşünün ayrı konumlarda istatistiksel olarak Bell’in eşitsizliğini ihlal ettiğini gösterdi. Einstein’in karşı çıkmasının sebebi ise bu parçacığın ışık hızından da hızlı bir biçimde bilgi alışverişi yapabilmesinde yatıyordu!

Redstone sinyallerini bir gözlem veya kuantum sistemine sokulan çomak (etkileşimde bulunmak) olarak düşünürsek soldaki sinyali aldığı an redstone bloğuna dönüşüyor ve aynı zaman aralığında ışık hızından da hızlı bir biçimde (teorikte) bilgi aktarılarak sağdaki de aynı bloğa dönüşüyor.

qCraft tabirleriyle birbirlerinden bloklarca uzak iki kuantum bloğunu düşünün ve bu iki blok, birbirlerine dolanık halde inşa edildiler. Bu iki blok da kırık taş veya balkabağı durumlarından birisini gösterebiliyor. Bir bloğa gözlem yaptığınızda ve onu kırık taş olarak bulduğunuzda diğerinin de kırık taş olacağından emin olabilirsiniz.

Bunların dışında gözleme bağlı olarak değişen bloklar da inşa edebilirsiniz. Kuzeyden baktığınızda tahta olan ama güneyden baktığınızda yok olan bloklarla birlikte oyun deneyiminizi daha da keyifli hale getirebilirsiniz.

Kuantum mekaniğini bu ilkelerle sınırlamak elbette bir hayli dar açıdan bakmak anlamına geliyor ve bunun matematiğine inip derinlemesine durmak da gerekiyor. Örneğin böylesine soyut temelli bir alanda gözlem nedir ve nasıl yapılır gibi…

Elbette her şeyi bu yazıda inceleyemesek de qCraft’ı deneyip kurmak size bağlı! Alttaki video ile bu yazıda özetlenenleri görsel olarak bakabilirsiniz.