Yeni başlayanlar için Kuantum Fiziği

487

Kuantum fiziği beyninizi mi eritiyor? Öncelikle panik yapmayın. Bu konuda yalnız değilsiniz. Ünlü fizikçi Richard Feynman’ın açıkladığı gibi; “Şundan emin bir biçimde söyleyebilirim ki; kuantum mekaniğini hiç kimse anlamamıştır.”

Yine de kuantum kuramı, dünyamızın nasıl birbirine perçinlendiğini açıklamak için hayati önem taşır. Bu nedenle kuantum kuramının ortaya koyduğu fikirleri, beş veya elli beş yaşındaki birinin işin özünü rahatlıkla kavrayabileceği şekilde basitleştirdik.

Kuantum Kuramı Nedir?

Birkaç bin yıllık tartışmanın ardından, maddelerin neden yapılmış olduğunu artık biliyoruz; elektron ve kuark adı verilen küçük parçacıklar. Bu arkadaşlar, hidrojen ve oksijen gibi atomları ve H2O gibi molekülleri oluşturmak için, küçük aileler dahilinde birlikte takılırlar. Atomlar ve moleküller, dünyamızın Lego parçalarıdır. Bu minik dünyanın nasıl çalıştığını açıklamak için, bilim insanları kuantum kuramı adı verilen bir fikirler topluluğu kullanır. Kuantum kuramı, elinizdeki akıllı telefonu akıllı yapan yonga da dahil olmak üzere, etrafınızdaki tüm teknolojinin temelinde yatar. Kuantum kuramı tuhaftır, doğrudur ve önemlidir.

Peki “Kuantum” Ne Anlama Geliyor?

Mutfağa, elinizde bir fıstık ezmesi kavanozuyla girdiğinizi düşünün. Kavanozu tezgâhın üzerine veya yukarıdaki raflardan birine koymaya karar verebilirsiniz. Fakat kavanozu, rafların arasına koyamazsınız. Bu mantıksızdır.

Fizik terimleriyle konuşmanız gerekseydi, mutfağınızın “kuantize” olduğunu söyleyebilirdiniz. Bu da, rafların çeşitli seviyelere sahip olduğu anlamına gelir. Kuantum dünyasında, her şey seviyelere ayrılmıştır. Örneğin bir atomdaki elektron, tıpkı mutfaktaki raflar gibi, atomdaki birkaç tane enerji düzeyinden birinde yer alır. Fakat kuantum dünyası tuhaftır. Elektrona bir miktar enerji verin, anında bir diğer enerji düzeyine sıçrayacaktır. Buna kuantum sıçraması adı verilir. Bir başka benzetme kullanalım. Eğer bir kuantum arabası sürüyor olsaydınız, 5 km/sa, 20 km/sa veya 80 km/sa hızlarda hareket edebilirdiniz, fakat asla bunların arasında olmazdı. Vitesi değiştirirdiniz ve hızınız anında 5’ten 20 km/sa’ya fırlardı. Hızdaki bu değişim ani olurdu, bu nedenle ivmeyi bile hissedemeyebilirdiniz. Bu da bir başka kuantum sıçramasıdır.

Kuantum Mekaniği ve Klasik Mekanik

Mikroskobik dünya, alışık olduğumuz “klasik” dünyadan daha farklı kurallarla yönetilir. “Klasik”, gündelik hayatta her şeyin beklendiği gibi davrandığı “ortak kanı” için kullanılan bir fizikçi terimidir.

Bir bilardo topu, “klasik bir nesnedir” (masa üzerinde düz bir biçimde yuvarlanır), fakat içerisindeki tek bir atom kuantum yasalarına tabidir (herhangi bir anda yeşil zemin üzerinde aniden kaybolabilir). Atom ölçeği ile bilardo topu ölçeği arasında, fizik yasalarının bir kesişme noktası vardır. Tıpkı jandarma bölgesi ile polis bölgesi arasındaki kesişim gibi. Yeteri miktarda atomu birbirine bağlarsınız, tuhaf kuantum etkileri ortadan kaybolur, davranışlar klasik bir hal alır. Buna karşılıklılık ilkesi denir.

Heisenberg Belirsizlik İlkesi

Kuantum fiziğindeki bazı şeyler gerçekten bilinemez durumdadır. Örneğin bir elektronun aynı anda nerede olduğunu ve nereye gittiğini asla bilemezsiniz. Bunu anlayabilmenin bir yolu, gözlemci etkisini işin içine katmaktan geçer; ölçümün yapım şeklinin sonucu değiştirebilmesi olayı. Örneğin elektronun nerede olduğunu anlamak için, onu bir şey kullanarak tespit etmek zorundasınız (örneğin bir ışık fotonu) fakat bu ölçüm ne kadar nazik olsa da, elektronu orijinal yerinden saptırır. Elektron size nerede olduğunu söyler, fakat nereye gittiğini unutur. Fakat belirsizlik ilkesi, tek başına gözlemci etkisinden daha da derine inmektedir. Doğada, doğuştan gelen bir belirsizlik vardır. Elektronun nerede olduğu konusunda emin olamamak, yaptığımız gözlemin bir hatası değildir. Bunun nedeni, elektronun belirli bir konumu olmamasıdır. Elektron bir nokta parçacık değildir, fakat elektronluğun lekesi uzayda dağılır.

Parçacık/Dalga İkiliği

Fotonlar ve elektronlar gibi kuantum nesneleri kişilik bölünmesine sahiptirler. Zaman zaman dalgalar gibi davranırlar ve zaman zaman da parçacıklar gibi davranırlar. Ne şekilde davrandıkları, onlara ne tür sorular sorduğunuza bağlıdır.

Dalga fonksiyonu

Bir dalganın nasıl göründüğünü açıklayan bir parça matematik denklemidir. Önemli bir biçimde kuantum dalga fonksiyonları, her biri belli bir doğruluk olasılığıyla birlikte gelen pek çok muhtemel çözüme sahiptir. Olağanüstü bir biçimde, farklı olası cevaplar, sanki evrenimizin gerçeklerini bize göstermek için bize komplo kurarmışçasına, süperpozisyon adı verilen bir tür üst üste binmiş durumlar şeklinde birbirleriyle etkileşebilirler.

Süperpozisyon ve Schrödinger’in Kedisi

Görsel Telif: Mopic / ShutterStock

Bir kutunun içinde, bir şişe siyanürle birlikte yer alan bir kedi hayal edin. Şişenin üzerinde, bir iple tutulan bir çekiç olsun. Çekiç, herhangi bir rasgele olay gerçekleştiğinde (örneğin bir uranyum atomu bozunduğunda) düşecek şekilde ayarlanmış olsun. Bu Erwin Schrödinger tarafından, süperpozisyon fikrini anlatmak amacıyla tasarlanmış bir düşünce deneyidir. Atomun bozunması kuantum yasalarına tabidir, dolayısıyla atomun dalga fonksiyonu iki olası çözüme sahiptir: bozunmuş veya bozunmamış.

Kuantum kuramına göre, bir ölçüm yapana kadar bu iki olasılık da eşit derecede geçerlidir. Aslında bunu, atomun aynı anda hem bozunmuş, hem de bozunmamış olduğu şeklinde düşünebilirsiniz. Kedinin kaderi, uranyum atomuna sıkı sıkıya bağlı olduğu için, kutunun içine göz atana kadar, kedi de aynı anda hem canlı, hem de ölü olacaktır.

Dolaşıklık Nedir?

Dolaşıklık, iki parçacığın (örneğin fotonlar), herhangi biri üzerinde yapılan ölçümün, ne kadar uzakta olursa olsun diğerini anında etkileyeceği şekilde birbirlerine bağlı olmaları durumudur. Benzetme kullanmamız gerekirse; bir çocuksunuz ve ablanız her iki elinde bir tane renkli top gösteriyor. Ardından elleri arkasındayken topları karıştırıyor. Sizin görüş açınızdan, bu toplar “dolaşıktır”; eğer kırmızı top sol eldeyse, bu mavi topun sağ elde olduğu anlamına gelir. Fakat kuantum dolaşıklık daha da gizemlidir, çünkü toplar belirli renklere sahip değildir. Renk değiştirebilirler, herhangi bir anda eşit olasılıkla kırmızı veya maviye dönüşebilirler. Bu tamamıyla rastgeledir. Tuhaf olan şey, toplardan birine bakmanın, sadece baktığınız top için değil, her ikisi için de rasgeleliği öldürmesidir (yani renk değiştirme özelliği askıya alınır). Eğer kırmızı top görürseniz, diğerinin renginin mavi olarak sabitlendiğini bilirsiniz.

Bu şekilde bakıldığında, bir dolaşık parçacık, ne kadar uzakta olursa olsun, diğerini etkiliyor gibi görünmektedir. Albert Einstein, bunun, kendine ait görelilik kuramıyla gündeme getirilmiş evrendeki kozmik hız limitini ihlal ettiğini düşünmüştür, dolayısıyla dolaşıklığa “hayaletimsi etki” adını vermiştir.

Fizikçiler Fotonları Nasıl Dolaşık Duruma Getirir?

Bunun birden fazla yolu vardır. Bunlardan birisi yüksek enerjili bir fotonu, iki tane düşük enerjili “yavru fotona” ayırmaktır. Korku filmlerindeki tek yumurta ikizleri gibi, bu iki yavru fotonun da aralarında gizemli bir bağlantı vardır. Bir diğer yöntem, iki tane fotonu aynalardan oluşan bir labirente göndermektir. Böylelikle her birinin hangi yöne doğru hareket etmiş olabileceğini bilemezsiniz. Bu bilinmezlik, dolaşıklığı meydana getirir.

Çift Yarık Deneyi


Bu kuantum mekaniğindeki en ünlü deneydir. Parçacıkların (genellikle elektronlar veya fotonlar), bir ekran üzerine düşüp gözlemlenmeden önce, iki tane yarıktan geçtiği bir deneydir. Bu deney çok ünlüdür, çünkü yukarıda bahsedilen pek çok tuhaf olguyu gösterir. Deney, aynı kurulum için dalgaların veya parçacıkların farklı davranışlarına dayanır. Örneğin, bir su havuzu içerisinde, çift yarıklı bir panelle bir engel oluşturabilir, parmağınızı suya daldırıp, su dalgaları oluşturabilirsiniz. Dalgalar bu iki yarıktan geçer ve panelin öteki tarafında birbirleriyle girişim meydana getirerek, bir desen oluştururlar. Fakat engeli sudan alıp, çift yarığa bu sefer bilyeler gönderirseniz, bilyeler iki farklı doğrultuda ilerler ve bir girişim deseni oluşturmazlar.

Tuhaf olan şey ise, elektronların her iki şekilde de davranabilmesidir. Eğer yarıklara elektron ateşlerseniz, birim zamanda tek bir elektron gönderseniz bile, yarıkların arkasındaki ekran üzerinde bir girişim deseni oluştururlar. Sanki elektron aynı anda iki yarıktan birden geçmekte ve kendi kendisiyle girişime uğramaktadır. Bu bize, elektronların dalgalar olduğunu söyler.

Elektronlar kuantum nesneleri olduğu için, konumunu bilemeyiz (Heisenberg belirsizlik ilkesi). Elektronun yarıkların birinden veya diğerinden geçme olasılığı vardır. Her ikisi de olası olduğu için, aslında her ikisinden birden geçmektedir (durumların süperpozisyonu). Şimdi ise, gözlemimiz, elektronun dedektöre çarparak, parlak bir ışık çakması meydana getirmesidir (dalga fonksiyonunun çökmesi).

Diyelim ki, yarıklara, elektronun hangi yarıktan geçtiğini söyleyecek bir mekanizma kurarak, bir numara yapıyor olun. Bu sefer, girişim deseni anında kaybolmaktadır. Çünkü elektronun hangi yarıktan geçeceğini bildiğiniz için, süperpozisyon durumu daha fazla devam etmez ve elektron sadece bir yarık içerisinden geçer. Elektronun dalga benzeri davranışı buharlaşıp gider ve elektron bir bilye gibi davranır. Eğer başınız ağrımaya başladıysa, fizikçilerin de bu paradoksu açıklama konusunda sıkıntı çektikleriyle kendinizi avutabilirsiniz. Feynman, Fizik Dersleri kitabında yazmış olduğu gibi, “paradoks” aslında gerçeklikle, sizin “gerçekliğin nasıl olması gerektiğine” dair hisleriniz arasındaki çelişkiden ibarettir.

Kuantum Mekaniğinin Yorumları

“Sus ve hesapla” ekolü: Fizikçiler sadece cevaplarla ilgilenir ve gerçekte ne olduğuna dair tartışmalar yapmaktan kaçınırlar.

“Çoklu dünyalar” yorumu: Fizikçilerin yürüttüğü her bir kuantum deneyi, sonsuz sayıda paralel evrenlerin meydana gelmesine neden olur. Dalga fonksiyonunun her bir sonucu, bu paralel evrenlerin birinde meydana gelmektedir. Çözüm, Evrenimiz’de meydana gelen sonuçlardan biridir.

Kopenhag yorumu: Gerçeklik, biz onu ölçene kadar yoktur. Gözlem yapma eylemi, dalga fonksiyonunun “çökmesine” neden olur.

De Broglie-Bohm veya Pilot Dalga yorumu: Kuantum nesnelerini, klasik nesneler gibi ele alır, fakat onları bir tür “pilot dalga” adındaki dalga üzerinde sörf yapıyormuş gibi hayal eder. Dalga, parçacığın son durumunu belirler.

Kaynak : https://bilimfili.com/kafasi-karisanlar-icin-kuantum-fizigi/

CEVAP VER

Please enter your comment!
Please enter your name here