Yaklaşık bir asırdır Heisenberg Belirsizlik İlkesi, kuantum fiziğinin temel fikirlerinden biri olarak kabul edilir. Bu ilkeye göre bir parçacığın konumunu ve momentumunu aynı anda mutlak kesinlikle bilemeyiz. Birini ne kadar kesin bilirsek, diğeri hakkında o kadar az bilgiye sahip oluruz.
“Belirsizlik ilkesi” ifadesi kulağa büyük ve genel bir felsefi düşünce gibi gelir. Çoğu zaman “hiçbir şeyden asla emin olamayız” ya da “bazı şeyler kesin olarak bilinemez” anlamında kullanılır.
Oysa Alman kuramsal fizikçi Werner Heisenberg’in 1927’de ortaya koyduğu bu ilke, oldukça net ve teknik bir anlam taşır. Genellikle yalnızca mikroskobik parçacıklar için geçerlidir.
Buna rağmen etkisi bununla sınırlı kalmaz. Evreni nasıl yorumladığımızı etkiler. Doğayla kurduğumuz ilişkiye dair düşüncelerimizi şekillendirir. Ayrıca 21. yüzyıl teknolojilerinin gelişiminde de önemli bir rol oynar.
Heisenberg Belirsizlik İlkesi Nedir?
Werner Heisenberg’in Belirsizlik İlkesi, “hiçbir şey kesin olarak bilinemez” demek değildir. Asıl anlamı şudur: Bir parçacık hakkında her bilgiyi aynı anda kesin olarak elde edemeyiz.
Bilimde belirsizlik, yaptığımız ölçümün sonucuna dair belirsizliktir. Yani bir deney yaptığımızda ne gözlemleyeceğimizi tam olarak bilemeyiz.
En temel örnek şudur: Bir parçacığın konumunu ve hızını aynı anda kesin olarak belirleyemeyiz. Konumu hassas ölçersek hızı belirsizleşir. Hızı hassas ölçersek konumu belirsizleşir.
Bunun nedeni ölçümün kendisidir. Ölçüm yaparken sistemi etkileriz. Bu etkiyi ortadan kaldıramayız. Bu yüzden belirsizlik kuantum dünyasının temel bir özelliğidir.
Heisenberg Belirsizlik İlkesi Formülü
Heisenberg’in belirsizlik ilkesini matematiksel olarak şöyle ifade ederiz. Burada Δq parçacığın konumundaki belirsizliği, Δv hızındaki belirsizliği, m kütleyi ve ħ indirgenmiş Planck sabitini gösterir.
Bu eşitsizlik önemli bir şeyi anlatır: Konum ve hız belirsizliklerini çarptığımızda sonuç belirli bir değerden küçük olamaz. Yani Δq’yu çok küçük yapabiliriz, ama bunun bedeli Δv’nin büyümesidir. Ya da tam tersini yaparız. Ancak ikisini aynı anda keyfi biçimde küçültemeyiz.
Bu durum, belirsizlik ilkesinin daha genel ifadesini açıklar. Her şeyi aynı anda kesin olarak bilemeyiz. Bunun nedeni doğanın kendisidir. Çünkü bu sınırı belirleyen şey Planck sabitidir ve bu sabit sıfır değildir.
Öte yandan Planck sabiti son derece küçüktür. Yaklaşık 10⁻³⁴ büyüklüğündedir. Bu yüzden günlük hayatta bu etkiyi fark etmeyiz. Örneğin bir arabanın hızını ölçtüğümüzde çok küçük bir belirsizlik vardır. Bu belirsizlikten yola çıkarak konum için hesaplanan minimum belirsizlik, atomdan bile çok daha küçüktür. Bu nedenle trafik ölçümlerinde belirsizlik ilkesi pratikte hiçbir rol oynamaz.
Ancak atom ve atom altı ölçekte durum tamamen değişir. Elektronun kütlesi çok küçüktür. Bu nedenle eşitsizliğin sağ tarafındaki değer artık ihmal edilemeyecek kadar büyür. Sonuç olarak konum ve hız belirsizlikleri gerçekten ölçülebilir düzeye çıkar.
Hatta basit hesaplar, elektronların atom çekirdeği etrafındaki hareketini düşünerek atomun yaklaşık boyutunu bile bu ilke üzerinden tahmin edebileceğimizi gösterir. Bu boyut yaklaşık 10⁻¹⁰ metre mertebesindedir.
Bu nedenle belirsizlik ilkesi yalnızca teorik bir fikir değildir. Atom fiziğinden parçacık fiziğine kadar, çok küçük ölçeklerle ilgili neredeyse her alanda temel bir rol oynar.
Heisenberg Belirsizlik İlkesi Neden Önemlidir?
Kuantum mekaniği modern teknolojinin büyük bölümünün temelini oluşturur. Bu yüzden belirsizlik ilkesi de pek çok alanda karşımıza çıkar. Hatta bugün gelişmekte olan 21. yüzyıl kuantum teknolojilerinde daha doğrudan bir rol oynar.
Örneğin kuantum iletişim, mesajları kırılması mümkün olmayan biçimde iletmeyi hedefler. Bu sistemler, bilgiyi foton adı verilen ışık parçacıklarıyla taşır. Eğer biri bu mesajı iletim sırasında okumaya çalışırsa, yaptığı ölçüm parçacıkları kaçınılmaz olarak etkiler. Bu etkiyi tespit ederiz. Yani dinleme girişimini doğrudan fark ederiz. Bu durum, belirsizlik ilkesinin kaçınılmaz sonucudur.
Belirsizlik ilkesi aynı zamanda derin felsefi sorular da doğurur. En temel soru şudur: Bu belirsizliğin kaynağı nedir?
Günlük hayatta bir bilardo topunun nereye gideceğinden emin olmayabiliriz. Bunun nedeni hızını ya da konumunu tam bilmememizdir. Ancak topun gerçekten bir konumu ve hızı olduğunu varsayarız.
Kuantum dünyasında durum farklıdır. Burada belirsizlik yalnızca bizim bilgisizliğimizden kaynaklanmaz. Parçacığın kendisi ölçüm yapılana kadar belirli bir konuma ya da hıza sahip değildir. En azından Heisenberg böyle düşünür ve birçok fizikçi bu yaklaşımı benimser.
Ancak herkes bu görüşte değildir. Bu yorum hâlâ tartışılır. Yani belirsizliğin doğası üzerine tartışma kesin olarak sona ermiş değildir.
Kaynaklar ve ileri okumalar:
- Explainer: Heisenberg’s Uncertainty Principle; yayınlanma tarihi: 13 Haziran 2012; Bağlantı: https://doi.org/10.64628/AA.uqa67putg
- Bruschewski, M., Freudenhammer, D., Buchenberg, W.B. et al. Estimation of the measurement uncertainty in magnetic resonance velocimetry based on statistical models. Exp Fluids 57, 83 (2016). https://doi.org/10.1007/s00348-016-2163-3
Size Bir Mesajımız Var!
Matematiksel, matematiğe karşı duyulan önyargıyı azaltmak ve ilgiyi arttırmak amacıyla kurulmuş bir platformdur. Sitemizde, öncelikli olarak matematik ile ilgili yazılar yer almaktadır. Ancak bilimin bütünsel yapısı itibari ile diğer bilim dalları ile ilgili konular da ilerleyen yıllarda sitemize dahil edilmiştir. Bu sitenin tek kazancı sizlere göstermek zorunda kaldığımız reklamlardır. Yüksek okunurluk düzeyine sahip bir web sitesi barındırmak ne yazık ki günümüzde oldukça masraflıdır. Bu konuda bizi anlayacağınızı umuyoruz. Ayrıca yazımızı paylaşarak da büyümemize destek olabilirsiniz. Matematik ile kalalım, bilim ile kalalım.
Matematiksel
