Kuantum Fiziği Nedir? Nasıl Öğrenilir? Fiziğin alt dalı mıdır?

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, kuantum mekaniği?

Kısa Bilgi

Kuantum Fiziği Nedir?
Kuantum Fiziği nasıl öğrenilir?
Kuantum Fiziği Fiziğin alt dalı mıdır?
Kuantum hakkında ilginç bilgiler

Kuantum Fiziği Nedir?

Herkesin dilinde dolanan bir kavram haline geldi artık.Ama 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. Daha doğrusu anlamaya çalışalım. 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. Ve 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 biridir. Bu çalışmasıyla Newton evrensel kütle çekimini ve hareketin üç kanununu ortaya koymuş ve sonraki üç yüzyıl boyunca bu bakış açısı bilim dünyasına egemen olmuştur. 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 oluşturabileceği, 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. 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 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 adamları sayesinde başladı. Örneğin içi gaz dolu cam bir tüpten çıkan ışık gibi. Bilim adamları 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 adamınca yapılmaya çalışıldı. Kuantum dünyası öyle garipti ki elektronlar bu dünyada Sir 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 buradaysa üzerine bir kuvvet uyguladığınızda birazdan burada olacağını bilirsiniz. Ancak kuantum mekaniğinde olay pekte böyle işlemiyor. Kuantum mekaniğinde buradaki 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… Gizemi çözme yolunda en şaşırtıcı kavramlardan biri fizikçi Niels Bohr’dan geldi. Bohr gizemi çözme yolunun maddenin kalbinden atomun yapısından geçtiğine inanıyordu. Bohr atom ısıtıldığında elektronlarının uyarılabileceğini ve sabit bir yörüngeden diğerine sıçrayabileceğini söyledi. Hemde 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. Ve 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. Şimdi kuantum mekaniğinin akıl almaz dünyasında mantığımızı neden bir kenara bırakmamız gerektiğine bir deneyle bakalım. Bu deney ilk olarak ışığın davranışlarını gözlemlemek için daha ilkel yollarla 1803 yılında Thomas Young tarafından gerçekleştirilmiş olsada 20. Yüzyılda’ki bilim insanları bu gizemli dünyanın sırlarını çözmek için bu deneyi bir atom altı parçacık olan elektronla yapmak istediler. İşte Dr.Kuantum ile meşhur çift yarık deneyi… İşte burdayız. Bütün kuantum acayipliklerinin büyük babası. Kötü şöhretli çifte yarık deneyi. Deneyi anlamak için önce parçacıkların ya da Küçük madde toplarının nasıl davrandığını görmeliyiz çocuklar. Örneğin; küçük bir bilyeyi ekrana rastgele sıkarsak arka duvarda izleri görürsünüz. Yarıktan geçer ve çarparlar. Şimdi. İkinci bir yarık eklersek. Sağ tarafta ikinci bir iz görmeyi bekleriz öyle değil mi? Şimdi bir de dalgalara bakalım. Dalgalar yarığa çarpar ve yayılarak arka duvara vurur. En kuvvetli yeri yarığın tam arkasıdır. İşte ekrandaki parlak ışık bu yoğunluğu gösteriyor.

Kuantum Fiziği nasıl öğrenilir?

Bu bilyelerin yaptığı çizgiye benziyor. Fakat. 2. bir yarık ekleyince… Başka bir şey oluyor. Bir dalganın tepesi diğerinin dibiyle çakıştığında birbirlerini götürürler. Şimdi arka duvarda bir girişme modeli oluştu. Tepeler kesişince en yoğun parlak çizgiler birbirlerini götürünce hiçbir şey yok. Yani iki yarıktan madde sıktığımızda şunu elde ediyoruz. İki iz bandı. Dalgalarlaysa birçok banttan oluşan bir girişme modeli. İşte burda. Şimdiye kadar her şey yolunda. Şimdi kuantuma gidelim. Elektron miniminnacık bir madde parçası. Minik bir bilye gibi. Şimdi tek bir yarıktan sıkalım. Tıpkı bilye gibi davranıyor. Tek bant oluştu. Öyleyse bu parçacıkları iki yarıktan sıksak, Bilyeler gibi 2 bandımız olur öyle değil mi? Ne? Bir girişme modeli. Yarıktan elektron sıktık yani madde parçacıkları. Ama şeklimiz dalgalar gibi oldu. Bilyeler gibi değil. Ama nasıl? Nasıl olurda madde parçaları dalga gibi girişme oluşturur. Bu çok anlamsız. Ama fizikçiler akıllıdır. Belki de parçacıklar birbirine çarpıyor ve bu şekil oluşuyor diye düşündüler. Ve elektronları tek tek atmaya karar verdiler. Birbirlerine karışmaları mümkün değildi. Ama bir saat sonra aynı girişme modeli belirdi. Sonuç kaçınılmazdı. Elektron parçacık olarak çıkıp, potansiyeller dalgasına dönüşüp her iki yarıktan geçip, kendisiyle girişiyor ve duvara parçacık gibi çarpıyordu. Matematiksel olarak daha da garibi her iki yarıktan geçiyor ve hiç birinden geçmiyor. Birinden geçiyor ve ötekinden de geçiyor. İşte tüm bu olasılıklar birbiriyle süper konumdadır. Ama fizikçiler büsbütün şaşkına dönmüştü. İyice yakından bakıp hangi yarıktan geçtiğini görmek istediler. Geçtiği yolu görmek için yarığın başına bir ölçüm cihazı koydular ve ateş ettiler. Ama kuantum dünyası hayal edilebileceklerden çok daha gizemliydi. Onlar gözleyince elektron yine küçük bir bilye gibi davrandı. İki bant modeli oluştu. Çoklu girişme bandı değil. Ölçme ya da geçtiği yarığı gözlemleme ikisinden değil sadece birisinden geçmesi demekti. Elektron farklı davranmaya karar verdi. Sanki izlendiğinin farkındaydı. Ve işte bu noktada fizikçiler kuantumun garip dünyasına adım attı. Madde nedir? Bilye mi dalga mı? Ve ne dalgası? Ayrıca gözlemcinin bütün bunlarla ilgisi ne? Gözlemci yalnızca gözleyerek dalga fonksiyonunu çökertti. Peki nasıl oluyorda gözlem işin içine girince işler değişebiliyor. Bu elektronlar gözlemlendiğini nasıl bilebiliyorlar. Sanki küçücük bilinç sahibi canlılar gibiler. 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 Tanrı ne yapacağını bilir, ona ne yapması gerektiğini söylemeyi bırak diye cevap verdi. 1935 yılında Einstein kuantum mekaniğinin zayıf noktasını bulduğunu düşündü. kuantum

Kuantum Fiziği Fiziğin alt dalı mıdır?

Evrenin tüm mantıksal görüntüsüne ters düşen çok garip bir şeydi bu. Teorinin tamamlanmamış olduğunu bununla kanıtlayacağını düşünyordu. 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. Albert Einstein ve Niels Bohr arasındaki bu dolanıklık tartışmasını şöyle açıklamak istiyorum. Elimde iki tane bozuk para var. Bunları 2 tane elektron gibi düşünün. Ve ikisini etkileşime soktuğumuzu hayal edin. Ve şimdi 2 elektronu birbirinden ayırıyoruz. Biri bende kalırken diğerini ise aya gönderiyorum. Niel Bohr’a göre elimdeki elektrona bir dedektör koyup ölçtüğümde, aynı anda aydaki diğer partnerini de etkiliyorum. Yani kabaca bu paranın saat yönünde döndüğünü ölçtüysem diğeride saat yönünün tersine dönüyor. Ya da tam tersi, bu saat yönünün tersine dönmeye başlarsa diğeride 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 imkan vermiyordu. Üstelik aralarında bir bağlantı olsa bile bu, ışık hızından hızlı gerçekleşemezdi. Einstein olaya farklı bir gözle bakmak istedi. Şöyle ki şimdide elektronları bir çift eldiven gibi düşünün; ve eldivenleri etkileşime soktuktan sonra birini bir kutuya diğerini ise başka bir kutuya koyuyorum. Ve birini yine aya gönderiyorum. Şimdi bendeki kutuyu açtığımda eğer sağ eldiveni görüyorsam. Aydakinin de sol eldiven olduğunu anında bilebilirim. Ama bunun hiçbir gizemli yanı yok. Herşey daha biz ölçümü yapmadan, yani kutuyu açmadan belirlenmiş bile. Peki kim haklıydı? Birbirleriyle enteresan bir şekilde bağlantı kurabilen Bohr’un hayalet paraları mı? Yoksa kaderleri zaten önceden belirlenmiş olan Einstein’ın eldivenleri mi? Einstein 1955 yılında hayatını kaybettiğinde bu sorunun cevabı hala bulunamamıştı. Ancak bu konuya son noktayı daha sonra Fransız fizikçi Alain Aspect büyük ölçüde koyacaktı. Ve Aspect’in deneyleri Niels Bohr’un haklı olduğunu inanılmaz bir biçimde kanıtlıyordu. Einstein yanılmıştı. Parçacıklar enteresan bir şekilde uzak mesafelerden bağlantı kurabiliyorlardı. Hemde aralarındaki mesafe yıldızlararası olsa bile… Bu olay size de bir şeyi hatırlattı mı? Star trek filmindeki ışınlanma sahneleri yoksa bilim kurgu olmaktan çıkıp bir gün gerçeğe dönüşebilir mi? Bu sorunun cevabını bulmaya henüz çok uzağız. Elektron gibi çok küçük parçacıklar üzerinde yapılan deneyler bazı şeylerin mümkün olabileceğini göstersede bugünkü teknoloji bir insanı, yani komplike bir canlının ışınlanmasını mümkün kılmıyor. Üstelik bu mümkün olsa bile vücudumuzda bulunan yüz milyon trilyonlarca atomu ışınlamayı, daha doğrusu uzak mesafelerden etkileşen dolanık parçacıklar sayesinde kopyalamayı başarsalar bile bilincimizi de ışınlamayı başarabilirler mi? Yani demek istediğim ordaki ben, ben olur muyum? Yoksa hücreler yığınından oluşan kendini bilmez bir et yığınına mı dönüşürüm? Kim bilir? 1 asırdan uzun süredir devam eden bu çalışmalar madde nedir sorusunun cevabının “hem dalga-hem parçacık” olduğunu göstermektedir. 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 gibi kavramlarına baktığımızda bilim dünyasının köklü bir değişiklikle karşı karşıya olduğunu söylemek yanlış olmaz. Bilimin o katı, rasyonel, her şeyi evet hayır şeklinde ayıran, yargılayıcı ve ucunu kapatıcı anlayışından daha çok, bakana, görene ve durduğu yere göre değişebilen hakikatler kavramına gelmeye başlaması gelecekte de çok farklı gerçekliklerle karşılaşacağımızın ve bildiğimiz, bildiğimizi sandığımız evrenin her geçen gün yeni bir sırrını ortaya çıkaracağımızın en açık göstergesi… Nasreddin Hoca, kadılık yaparken bir gün bir ahbabı burnundan soluyarak gelmiş. Hasmı için söylemediğini bırakmamış. Hocam, Allah aşkına söyle, demiş, haklı değil miyim? Hoca ne yapsın? Haklısın, demiş. Ahbabı sinirleri yatışmış olarak gitmiş. Onun hemen arkasından hasmı gelmiş. Bu defa da o başlamış atıp tutmaya, yok bana şöyle yaptı, yok bana böyle yaptı demeye. O da Hoca’ya sormuş: Haklı değil miyim Hocam? Hoca yine: Vallahi çok haklısın, demiş. Adam da sakinleşerek gitmiş. Tüm bunlara tanık olan Hoca’nın karısı da bu işe şaşırmış kalmış. Senin kadılığında bir garip Hoca Efendi. İkisine de sen haklısın dedin. Hiç öyle şey olur mu? Nasreddin Hoca hanımının yüzüne bakıp: Hatun, demiş, sen de haklısın!