Parçacıkların saniyenin milyarda biri kadar hızlı bir zamanda ortaya çıkıp kaybolduğu, elektronların birbirlerinden çok uzaklarda olsalar dahi kendi aralarında haberleştiği, birden fazla yerde olabildiği garip bir dünya… Nedir bu kuantum fiziği? Kimse ne olduğu ya da ne işimize yaradığı konusunda tam bir bilgi sahibi değil. Takdir edersiniz ki bu konuda tam bir bilgi sahibi olmak için fizikçi olmamız gerekir. Ama fizikçi değilsek de merak etmek hakkımız değil mi? O zaman gelin sıradan bir insan gözünden kuantum mekaniğinin ne olduğuna, nerede kullanıldığına bir bakalım.
İçindekiler
Newton fiziği
Günlük hayatımızda bildiğimiz ya da bildiğimizi sandığımız gerçekliklerin altında akılları zorlayan, bugüne kadar tecrübe ettiğimiz tüm deneyimleri yerle bir eden çok farklı bir dünya yatıyor. Yüzlerce hatta binlerce yıldır evrenin nasıl işlediğini çözmeye çalışıyoruz. Bu konuda hepinizin bildiği üzere adeta bir kilometre taşı olarak bilinen klasik fiziğin babası Sir Isaac Newton çok önemli çalışmalara imza attı. Dünyamızın, nesnelerin, gezegenlerin, güneş sisteminin nasıl işlediğini kesin bir şekilde bize anlattı ve bugün bile tarihin en etkili bilim insanları sıralamasında ilk sıralardaki yerini koruyor.
Newton’un 1687’de yayınlanan kitabı Doğa Felsefesinin Matematiksel İlkeleri, klasik mekaniğin temelini oluşturan, tarihin en önemli kitaplarından biri. Bu çalışmasıyla Newton evrensel kütle çekimini ve hareketin üç kanununu ortaya koydu ve sonraki üç yüzyıl boyunca bu bakış açısı bilim dünyasına egemen oldu.
Newton’un klasik mekaniği bugünkü dünyamızda o kadar işimize yarıyor ki adeta insanoğlunun meydana getirdiği bir çok şeyde onun etkilerini görüyoruz. Herhangi bir cismin ilk hızı, yeri ve üzerindeki kuvvetler belliyse, bu cismin nasıl hareket edebileceğini Newton mekaniği vasıtasıyla bilebiliyoruz. Öyle ki bir taşı suya attığımızda onun etrafında nasıl dalgalar oluşabileceği, bir golf topuna vurduğumuzda onun hangi ivmeyle ne kadar yükseğe çıkıp ne zaman yere düşebileceği, bir uçağın nasıl uçabileceği, bir makaranın yük kaldırmamıza ne kadar faydası olabileceği gibi bir çok konuda kesin ve öngörülebilir bilgilere sahibiz.
Kuantum fiziği
Ya kuantum mekaniği kanunları? Onlar neden var? Klasik fizik kuralları yetmiyor muydu da kuantum fiziği adında başka bir kavrama ihtiyaç duyduk?
Aslında daha yakın bir geçmişte, bilim insanları maddenin en küçük yapı taşının atom olduğunu sanıyorlardı. Yani onlara göre evrendeki her şey en temel seviyede ancak atomlardan oluşabilirdi. Ancak 1897 senesinde Joseph John Thomson bunun yanlış olduğunu ve atom altı dünyada elektron denilen ve atomdan 1000 kat daha küçük bir parçacık keşfettiğini öne sürdü. Böylece atom altı dünyaya olan yolculuk başlamış oldu.
Atom altı dünyaya yolculuk
Atom altı dünyaya başlayan bu yolculuk adeta fizik kurallarını yeniden yazıyor gibiydi. Ancak daha keşiflerin ilk yıllarında bugün bizlere modern bilimin gösterdiği atom modelinden çok farklı bir atom modeli çizildi. Elektronları atomun içerisinde bir yörünge olmaksızın homojen bir şekilde hareket eden ve onun tamamlayıcısı olarak da pozitif yüklü parçacıklardan oluşan bir yapıda düşündüler. Hatta atomun kütlesinin büyük çoğunluğunu elektronların oluşturduğunu söyleyenler bile vardı.
Her şey ışığın gizemini çözmek isteyen bilim insanları sayesinde başladı. Örneğin içi gaz dolu cam bir tüpten çıkan ışık gibi. Bilim insanları bu ışığı bir prizmadan gözlemlediklerinde hayatlarında görmedikleri bir şeyle karşılaştılar. Işık gökkuşağındaki gibi bulanık renkler değil, çok keskin, belirgin ince çizgiler halinde gözlemleniyordu ve bunun nasıl devam ettiği bilinmez bir gizemdi.
Gizemli renk çizgilerinin açıklaması 20. Yüzyıl başlarında, aralarında Max Planck, Albert Einstein, Niels Bohr, Werner Heisenberg ve Erwin Schrödinger gibi birçok bilim insanınca yapılmaya çalışıldı.
Kuantum dünyası öyle garipti ki elektronlar bu dünyada Isaac Newton’un keşfettiği klasik mekanik kurallarından farklı davranıyorlardı. Güneş sistemimizin yörüngelerindeki gezegenlerden ya da golf toplarından çok daha farklı…
Klasik fizik bakış açısına göre bir parçacık eğer bir noktadaysa üzerine bir kuvvet uyguladığınızda birazdan başka bir noktada olacağını bilirsiniz. Ancak kuantum mekaniğinde olay pekte böyle işlemiyor. Kuantum mekaniğinde bir noktadaki parçacığa nerede olacaksın diye sorduğumuzda bize kesin olarak birazdan şurada olacağım cevabını veremiyor. Ancak tahminde bulunmamıza olanak verebiliyor. %20 ihtimalle şuralarda bir yerlerde olabilirim gibi…
Kuantum sıçraması
Gizemi çözme yolunda en şaşırtıcı kavramlardan biri fizikçi Niels Bohr’dan geldi. Bohr gizemi çözme yolunun maddenin kalbinden, atomun yapısından geçtiğine inanıyordu. Atom ısıtıldığında elektronlarının uyarılabileceğini ve sabit bir yörüngeden diğerine sıçrayabileceğini söyledi. Hem de bu sıçrama boşluktaki mesafeyi almadan sanki ışınlanıyormuşçasına bir sıçramaydı. Her bir sıçrama ışık formunda çok belirgin frekanslarda enerji yayabilirdi ve atomların çok belirgin renkler üretmesinin sebebi buydu. Kuantum sıçraması tabiri buradan geliyordu. Üstelik bu sadece bir başlangıçtı.
Albert Einstein yeni fikirlerden korkmuyordu. Ancak 1920’li yıllarda kuantum mekaniği, klasik fiziğin ayırıcı özelliği olan kesin kusursuz öngörülerden sapan bir yöne doğru kaymaya başladı. Einstein bu durumdan oldukça rahatsızdı.
Ancak bu kuantum dünyasıydı ve bu dünyayı anlamak için yıllardır bizlerin tecrübe ettiği makro dünyamızda anlam bulan ve bize mantıklı gelen tüm düşüncelerden sıyrılmamız gerekiyordu.
Çift yarık deneyi
Şimdi kuantum mekaniğinin akıl almaz dünyasını bir nebze olsun anlayabilmek için bir deneye götüreceğim sizi. Bu deney ilk olarak daha ilkel yollarla 1803 yılında Thomas Young tarafından gerçekleştirilmiş olsa da 20. yüzyıldaki bilim insanları bu gizemli dünyanın sırlarını çözmek için bu deneyi bir atom altı parçacık olan elektronla yapmak istediler. İşte Dr.Kuantum’la meşhur çift yarık deneyi…
Peki nasıl oluyor da gözlem işin içine girince işler değişebiliyor. Bu elektronlar gözlemlendiğini nasıl bilebiliyorlar. Sanki küçücük bilinç sahibi canlılar gibiler.
Niels Bohr mu yoksa Einstein mı haklı?
Niels Bohr’a göre ölçüm her şeyi değiştiriyordu. Molekülü ölçmeden ya da gözlemlemeden önce özelliklerinin belirsiz olduğunu düşünüyordu. Dedektör elektronun yerini belirlemeden önce elektron çok farklı pozisyonlarda her yerde olabilirdi. Buna “Süperpozisyon” dediler. Ancak ölçme meydana geldiğinde elektronu bu çok farklı ihtimallerden birini seçmesi için zorluyor gibiydiler. Niels Bohr gerçeklik yapısının doğasında belirsizlik olduğunu kabul etti. Ama Einstein etmedi. Gerçekliğin temelinde şansın yattığına inanamadı ve “Tanrı zar atmaz” dedi. Buna karşılık Niels Bohr’un cevabı ise şöyle oldu: “Tanrı ne yapacağını bilir, ona ne yapması gerektiğini söylemeyi bırak!”
Kuantum dolanıklık tartışması
1935 yılında Einstein kuantum mekaniğinin zayıf noktasını bulduğunu düşündü. Evrenin tüm mantıksal görüntüsüne ters düşen çok garip bir şeydi bu. Teorinin tamamlanmamış olduğunu bununla kanıtlayacağını düşünüyordu. Bunun üzerine geliştirdiği teoriye göre gelişigüzel bir uzaklıkta da olsa evrende bir noktada olan bir olay bir başkasını anında etkiliyordu. Buna “uzaktan hayalet etki” ya da “uzaktan etkileyen korkutucu eylem” dedi. Çünkü bu tarz bir olayın saçma olduğunu düşünüyordu. Bu ışık hızından hızlı bir iletişim demekti ki görelilik kuramı ile çelişen bir durumdu. Şimdilerde ise bu deneyi yapabiliyoruz ve bulduğumuz şey gerçekten korkutucu bir olay. Einstein’ın karşı çıktığı bu kurama günümüzde kuantum dolanıklık deniyor.
Hayalet paralar mı yoksa kutudaki eldivenler mi?
Albert Einstein ve Niels Bohr arasındaki bu dolanıklık tartışmasını şöyle açıklamak istiyorum. Elimizde iki tane bozuk para var olduğunu varsayalım. Bunları iki tane elektron gibi düşünün ve ikisini etkileşime soktuğumuzu hayal edin. Şimdi iki elektronu birbirinden ayırıyoruz. Biri dünyada kalırken diğerini ise aya gönderiyoruz. Niel Bohr’a göre Dünya’daki elektrona bir dedektör koyup ölçtüğümüzde aynı anda aydaki diğer partnerini de etkiliyoruz. Yani kabaca Dünya’daki paranın saat yönünde döndüğünü ölçtüysem Ay’daki saat yönünün tersine dönüyor. Ya da tam tersi, Dünya’daki saat yönünün tersine dönmeye başlarsa Ay’daki saat yönünde dönmeye başlıyor. Ancak elektronlar bu seçimi siz onu ölçtüğünüz anda yapıyor.
İşte bu Einstein’a göre tam bir saçmalıktı. Bu kadar uzak mesafeden parçacıkların bağlantı kurmasına ihtimal vermiyordu. Üstelik aralarında bir bağlantı olsa bile bu, ışık hızından hızlı gerçekleşemezdi. Einstein olaya farklı bir gözle bakmak istedi. Şöyle ki; şimdi de elektronları bir çift eldiven gibi düşünün ve eldivenleri etkileşime soktuktan sonra birini bir kutuya diğerini ise başka bir kutuya koyuyoruz. Sonra birini yine Ay’a gönderiyoruz. Şimdi Dünya’daki kutuyu açtığımızda eğer sağ eldiveni görüyorsak Ay’dakinin de sol eldiven olduğunu anında bilebiliriz. Ama bunun hiçbir gizemli yanı yok. Her şey daha biz ölçümü yapmadan, yani kutuyu açmadan belirlenmiş bile.
Peki kim haklı?
Birbirleriyle enteresan bir şekilde bağlantı kurabilen Bohr’un hayalet paraları mı? Yoksa kaderleri zaten önceden belirlenmiş olan Einstein’ın eldivenleri mi?
Alain Aspect noktayı koyuyor
Einstein 1955 yılında hayatını kaybettiğinde bu sorunun cevabı hâlâ bulunamamıştı. Ancak bu konuya son noktayı daha sonra Fransız fizikçi Alain Aspect büyük ölçüde koyacaktı. Aspect’in deneyleri Niels Bohr’un haklı olduğunu inanılmaz bir biçimde kanıtlıyordu. Einstein yanılmıştı. Parçacıklar enteresan bir şekilde uzak mesafelerden bağlantı kurabiliyorlardı. Hem de aralarındaki mesafe yıldızlararası olsa bile…
Sonuç:
Bir asırdan uzun süredir devam eden bu çalışmalar madde nedir sorusunun cevabının “hem dalga-hem parçacık” olduğunu gösteriyor. Görebildiğimiz makro evren, yani biz ve çevremiz, matematiksel ve fiziksel olarak mikro evrenin özel bir durumuyuz. Sadece maddesel dalga boyumuz çok küçük olduğu için ihmal edilebilir bir dalga özelliğimizin yanında, tamamen parçacık özelliği gösteriyoruz.
Kuantum dünyasının gariplikleri aslında dünyanın işleyişinin bugüne kadar bildiklerimizden ne kadar da farklı olduğunu gözler önüne seriyor. Ancak öyle ki aslında tüm gerçekliği oluşturan dünyanın temelinde o yatıyor. Klasik mekanik diye bir şey yok. Gerçekte işleyen tüm mekanik her şeyin temelini oluşturan kuantum mekaniği.
Kuantum mekaniğinin bu olasılıklar dünyası, dolanık parçacıkları, maddeyi hem dalga hem parçacık olarak tanımlaması, gelecekte de çok farklı gerçekliklerle karşılaşacağımızın ve bildiğimiz, bildiğimizi sandığımız evrenin her geçen gün yeni bir sırrını ortaya çıkaracağımızın en açık göstergesi…
Kaynaklar ve İleri Okuma:
Kuantum Bilmecesi – FRED ALAN WOLF
https://www.britannica.com/science/quantum-mechanics-physics/Cesium-clock
https://tr.wikipedia.org/wiki/Isaac_Newton
https://tr.wikipedia.org/wiki/Philosophi%C3%A6_Naturalis_Principia_Mathematica
https://tr.wikipedia.org/wiki/S%C3%BCperpozisyon_prensibi_(fizik)
