21. Yüzyılın bomba, 20. Yüzyılın bilim insanlarını kendine inandırmayan bir alan: Kuantum Fiziği. Günlük hayatta her şeyden uzak, gördüğümüz hiç bir şeye benzemeyen bir şey. Dilerseniz bugün sizinle bunu inceleyelim.

Klasik Fizik Nedir?

Kuantum Teorisini anlamak için ilk önce klasik fiziği anlamak gerekir. Klasik fizikte her şey bellidir. Belirli yasalar ve formüller çevreye hükmeder, sayıları formüllere koyduğunuzda az sonra atacağınız topun nereye gideceğini hesaplayabilirsiniz. Gezegenlerin hareketlerini yine Einstein denklemlerinden çözebilirsiniz. Bunları yaparken de hiçbir “belirsizlik”le karşılaşmazsınız.

Klasik fizik kısacası budur. Daha fazla bilgi almak için şu yazılarımıza bakabilirsiniz: Newton Fiziği ve Einstein Fiziği.

Kuantum Dünyasındaki Belirsizlik

Kuantum Dünyası, belirsizliklerle doludur. Biz buna Heisenberg Belirsizlik İlkesi deriz. Heisenberg Belirsizlik İlkesi bize, bir parçacığın hızını ancak ve ancak konumuyla ters orantılı bir doğruluk payıyla ölçebileceğimizi söyler. Mesela bir elektronu ele alalım. Eğer konumunu %70 oranla doğru bilmek istiyorsam zorunlu olarak hızını %30 oranla doğru bilmem gerekir.

Peki neden böyle? Hemen bunu açıklayalım, şimdi bilim insanları bir parçacığın yerini hesaplayabilmek için ona ışık fotonu yollar. Diyelim ki parçacığımız elektron olsun. Şimdi biz ne kadar güçlü bir ışık fotonu yollarsak elektronun konumunu o kadar iyi ölçeriz. Çünkü güçlü ışığın dalga boyu kısa olacaktır. Bu da elektronun konumunu bulmayı daha kolaylaştırır. Fakat elektron gibi şeyler çok hassas olduklarından dolayı güçlü bir ışık onları daha çok hareketlendirir, yani hızını daha az bir doğruluk payıyla ölçeriz.

Fakat tam tersini, yani ışık fotonunu güçsüzleştirirsek yani dalga boyunu düşürürsek; elektronun yerini daya az bir doğruluk payıyla ölçeriz. Fakat bu sefer de, elektron daha az hareketlenir ve hızını daha iyi bir doğruluk payıyla ölçeriz.

Belirsizlik Hakkında daha çok bilgi ve düşünce deneyi görmek istiyorsanız şu yazı tam sizin için: Heisenberg Belirsizlik İlkesini Anlamak. Kısacası parçacıklardan bahsedecek olursak sadece olasılıklardan bahsedebiliriz. Bu da bizi, çok önemli bir yere götürüyor: Dalga Fonksiyonları

Parçacıkların Dalga Fonksiyonları

Önceki bölümden de anladığımız üzere parçacıkların kesin konumundan bahsedemeyiz. Sadece olasılıklar üzerinden konuşabiliriz. Buradan da yola çıkarak her parçacığın bir dalgası fonksiyonu vardır ve bu dalga fonksiyonları; parçacığın momentum ve ve konum gibi bazı bilgileri bize verir. Ayrıca parçacığın momemtumu dalganın, dalga boyuyken; konumu dalganın sıfırdan yüksekliğidir. Mesela:

Konum dalganın, sıfırdan yüksekliği olduğu için her yüksekliğin karesini alırsak parçacığın nerede olabileceğine dair olasılık çizelgesi alırız:

İşte burada, parçacığın olabileceği yerleri ve olasılıklarını görürüz. Mesela elektronun ortada olma ihtimali en fazladır. Tabi kenarlar da da olabilir. Ve gerçekten de elektronun yerini ölçersek -tabi ki de belirsizliğe bağlı olarak- buralarda bir yerde çıkıyor:

Tabi ki de küçük bir olasılıkla elektron uç noktalarda da olabilir:

Ayrıca buradan da belirsizlik ilkesini anlayabiliriz. Şimdi az önce parçacığın dalga fonksiyonunu göstermiştim ve bunun her noktasının karesini alırsak da olasılık dağılımı buluruz demiştik Şimdi baktığımızda şunu görürüz: bir parçacın ortada olma ihtimali %100 olsun. Yani:

Olur. Peki bu parcacığın hızı ne? Yani öyle bir dalga fonksiyonu var ki, her tarafının karesini alıyoruz bunu buluyoruz ve karesini aldığımız dalga fonkiyonunun dalga boyu, bizim aradığımız momentum. Ayrıca mometumu da sinüs dalgalarıyla öğreniyoruz. O yüzden bu karesini aldığımız dalgayı, sinüs fonksiyonlarıyla inşa etmemiz gerekir ki hızını yani momentumunu bulalım. Fakat bu çok zordur ve belirsizdir. O kadar çok sinüs dalgası vardır ki, hangisinin momentumu verdiği “belirsizdir”.

Şimdi ise tersini düşünelim. Dalgamız Düzenli bir sinüs eğrisi olsun. Şöyle olmaz mı:

Çok güzel bir sinüs eğrisi

Trigonametri ve birazcık sinüzoidal denklemler bilen birisi bu sinüs dalgasının, dalga boyunu, yüksekliği bulabilir; yani, düzenli ve belli bir sinüs dalgasının hızı yani momemtumu çok rahat bir şekilde bulunabilir. Fakat şimdi burada bu dalganın olasılık dağılımını hesaplayın. Göreceğiniz şey parçacığın olasılık dağılımının çok dağınık olacağıdır. Yani en iyisi biraz üstte gösterdiğim ortalama bir dalgadır.

Ayrıca şunu ekleyeyim: bu dalga soyut matematiksel bir kavram. Bu dalgayı, kuamtum fiziğini anlayabilmek için kullanıyoruz. Kimse böyle bir dalganın gerçekte olup olmadığını bilmiyor, çünkü kimse göremez! Fakat bildiğimiz bir şey var ki dalgalar şu anlık işimize bayağı bir yarıyor. Sadece matematiksel ve soyut bir şey olsa bile.

Her neyse devam edecek olursak, buradan da karşımıza çok ilginç bir kavram çıkıyor: Kuantum Tünelleme. Ayrıca dikkatinizi çekmek isterim, kuantum teorisinin en önemli kavramlarından birisi de var burada: Kuantum Süperpozisyon. Dikkat ederseniz biz gözlemleyene kadar elektron bir olasılık çizelgesinin tüm olasılıkları içerir. Her olasılığı gösterir, fakat biz onu gözleyene kadar. Bundan biraz sonra bahsedeceğim.

Kuantum Tünelleme

Adı üstü tünelleme. Yani binevi parçacıkların katı cisimlerin içerisinden geçebilmesi. Diyelim ki kutunun içine bir elektron koyduk; durum şu olmaz mı:

Hatırlarsanız artık parçacık değil, parçacığın olasılık dağılımı var. Bu olasılık bize ne anlatıyor ona bakalım: şahsen benim gördüğüm üzere parçacığın kutunun içinde olma olasılığı epey bir fazla. Fakat küçük bir olasılıkla da olasılık dağılımı dışarı taşıyor! Ve hemen elektronu belirsizliğe uygun olarak ölçüyorum, sonuç:

Gerçekten de kutunun içine koyduğum elektron, kutunun dışına çıktı! Kutunun kapağını açtım, elektron koydum; kapağı kapattım, kapağı sonra tekrar açtım ve sonuç elektron dışarıda. Kuantum dünyasının özeti olarak bile bunu örnek verebilirsiniz; günlük hayatımıza farklı gelen, ilginç; kendine has kuralları olan bir alan.

Bu bölümde de kuantum tünellemeyi anlattık. Özet olarak kuantum tünelleme, parçacıkların katı engellerden geçebilmesidir. Dikkat ederseniz bu bir sihir değil ve daha önce oturttuğumuz olasılıksal temellere uyuyor. Ayrıca Güneşimiz aniden sönebilir! yazımızda anlattığımız üzere Kuantum Tünelleme Güneş’imizin çalışmasının en büyük prensiplerinden biri. Yani kuantum tünelleme olmasa şuan biz yoktuk. Her neyse bu konuyu geçerek kuantum süper pozisyonuna bir göz atalım.

Kuantum Süper Pozisyon ve Schrödinger’in Kedisi

Schrödinger’in kedisini çoğu kişi az çok duymuştur. Fakat biz yine de bahsedelim ki kavramlarımız da bir hata olmasın. Az önce bahsettiğim üzere, kuantum dünyasında; bir parçacığı gözlemleyene kadar o parçacık, tüm olasılıklara sahiptir. Mesela gözüm kapalı bir madeni para atayım. Teoride ben gözümü açana kadar o para hem tura, hem yazıdır.

Aynı şekilde Schrödinger’in kedisi de böyledir. Bir kutuya kediyi ve yanına da bir zehir koyalım. Bu zehir %50 ihtimalle kediyi 10 dakika içinde öldürecek. 10 dakika bekliyorum ve gözlemimi yapıyorum, ve kedi hayatta. Fakat ben gözlemlemeden önce kedi hem ölü, hem canlı haldeydi. Paralel Evrenler: Bir Fringe Efsanesi mi Yoksa Gerçek mi? yazımızda bu olgunun, bir sürü paralel evren oluşmasını sağlayabileceğini anlatmıştık. Paralel evrenler konusunda da bilgiler almak istiyorsanız bu yazıyı okuyabilirsiniz.

Schrödinger’in Kedisi. Kedi %50 ihtimalle 10 dakika içerisinde hayatını kaybedecektir. Biz 10 dakika sonra kediyi gözlemleyene kadar kuantum dünyasında kedi hem ölü hem canlıdır.

Fakat bu konuya karşı çıkanlar da var. Mesela neden kedinin durumu bizim gözlemimize bağlı olsun ki? Neden illaki de bizim gözlemimize kadar kedi hem ölü hem diridir. Mesela kutunun için de siz olun ve 10 dakika için de %50 ihtimalle öleceğinizi düşünün. Ve 10 dakika sonra hayatta olduğunuzu biliyorsunuz, yani siz hayattasınız. Dışarıdan bir gözlemci sizi gözlemlemeden siz kendiniz hayattasınız. Bunun gibi bir çok tartışma var ne de olsa kuantum fiziği! Her neyse bu konuyu da geçebiliriz.

Kuantum Dolanıklık

Şuan kuantum fiziğinin belki de en ilginç yerine geldik. Şimdi bir madeni parayı ve bunu ikiye böldüğünüzü düşünün: yazı tarafı tura tarafı. Sonra da bunları evrenin karşıt iki tarafına yollayayın. Eğer bu parçacıkları atom altı parçacık olarak düşünürsek kuantum dolanıklık bize der ki, turayı sağa çevirirsek yazı da sola döner. Yani iki parçacık birbirinin tersi olmuştur. Aralarındaki mesafe ne olursa olsun bunu her zaman ve her yerde yaparlar.

Buna en şiddetli karşı çıkanlardan biri Einstein’dı, ve gerekçeleri gerçekten de akla mantığa en uygun olanıydı. Çünkü ışık hızından hızlı bilgi transferi, imkansızdı. Mesela şöyle düşünün: Ahmet ile Mehmet evrenin iki uç köşesindeler ve İlk olarak şu varsayımı yapalım: Mehmet, Ahmet’i her saniye normal bir teleskopla gözlüyor ve bunun sonrasında ise Ahmet, Mehmet’e e-posta yollasın, ama E-posta ışık hızından hızlı gitsin. Burada şöyle bir paradoks çıkar: Mehmet’e göre, Ahmet daha yolla düğmesine basmadan e-posta, kendisine ulaşmıştır. Bu da Mehmet açısından korkutucu bir sonuçtur. Bu yüzden ışık hızından hızlı bilgi transferi yapılamaz deriz.

Fakat evet, kuantum dünyasındayız. Maalesef günlük sezgiler burada işe yaramıyor ve kuantum dolanıklığı kanıtlandı; yani gerçekten böyle bir şey var. Ayrıca bir çift parçacık bunu en başta bir yerde bağlanarak yapmıyor. Yani bu çiftin dolanıklık kurmasının nedeni yakın temas da değil. Ve kimse de bunun neden olduğunu bilmiyor. Tek bildiğimiz, hiçbir şey bilmediğimiz; Sokrates gibi.

Özet olarak dolanıklık teorisi on yıllarca meydanda olmasına rağmen hakkında çok az şey biliyoruz ve şundan eminiz ki bu konu hakkında bilmediğimiz yasalar var.

Son Söz

Evet, bilmediğimiz tonlarca yasa var. Hep tekrarladığım üzere fizikteki bazı konular üzerinde halen emekleyen bir bebeğiz. Fakat emekleyen bir bebek gibi, emek sarf edersek kesinlikle bazı cevapları alacağız. Bundan hiç kimsenin şüphesi yok.

Her neyse bu yazıda herkesin anlayabileceği şekilde kuantum teorisini anlatmaya çalıştım. Gerektiği yerlerde resim kullandım. Fakat yine de bazı yerler hakkında aklınızda soru işareti oluşmuş ve anlamamış olabilirsiniz. Fakat merak etmeyin anlamayan bir tek siz değilsiniz: “Kuantum Fiziğini Anladığınızı Zannediyorsanız, Kuantum Fiziğini Anlamamış Demeksinizdir” -Nobel Ödüllü Bilim insanı Richard Feynman. Şimdilik Hoşça Kalın.

Kaynakça:

Domain Of Science

How It Works, Kuantum Fiziği ile Alakalı sayılar

Yorum Yazın