Kuantum fiziği tartışmasız insanın uygarlık tarihindeki en önemli entelektüel zaferlerinden birisidir. Ancak bu kavram çoğu insan için oldukça uzak ve soyut gibi görünmektedir. Efsanevi Nobel Ödüllü fizikçi Richard Feynman, Eğer kuantum fiziğini anladığınızı düşünüyorsanız, kuantum fiziğini anlamamışsınızdır der. Bu cümle şaka yollu söylenmiş olsa da elbette bizler gibi amatörler için biraz umut kırıcı.
Bunun nedeni biraz da anlaşılması daha kolay ve net olan şeyler varken, genelde kuantum fiziği hakkında tuhaf ve sezgisel olguların daha fazla vurgulanması olabilir. Örneğin Schrödinger’in kedisi, kuantum dolanıklığı gibi garip kavramlar daha fazla ilgi çeker. Ancak işin temelini anlamadan bu kavramlar hakkında okuduklarımızı anlamak da bir o kadar zorlaşır.
Bu yazıda biz daha temel bilgilere girelim ve kuantum fiziği, kuantum mekaniği kavramlarının basit anlamda ne ile ilgili olduğuna odaklanalım.
Kuantum Nedir? Kuantum Fizik Nedir?
İngilizce’de “Quantum“, Latince’de “Quantus” olarak kullanılan kuantum bir öbektir, bir pakettir. Kuantum hem sıfat hem de isim olarak kullanılır. Kuantum fiziği, kuantum mekaniği veya kuantum teorisi olarak da bilinen bir fizik dalıdır. Kuarkların, atom çekirdeklerinin, atom ve moleküllerin bilimidir ve bize lazeri, transistörü, tünel mikroskobunu, cep telefonunu ve mikroelektroniği kazandırmıştır.
Günümüzde modern dünyadaki pek çok şey kuantum fiziğinin getirilerine dayanır. Evrenbilimciler evrenin oluşumunu araştırmak, astrofizikçiler yıldızların dinamiğini tarif etmek için ondan faydalanır. Temel parçacık fiziğinin kurallarını ortaya koyan kuantum fiziği, evreni bir arada tutan temel kuvvetleri araştırır.
Fizik tarihi boyunca doğa hakkındaki anlayışımızı derinleştiren bir dizi önemli adım atıldı. Isaac Newton bir taşın yere düşüşüyle gezegenlerin güneşin etrafındaki dönüşünün aynı ilkeyle yani kütleçekim ile açıklanabileceğini keşfetti. Albert Einstein’ın özel görelilik kuramı, zaman ile uzayın bir birlik oluşturduğunu açığa çıkardı. Genel görelilik kuramıysa bu düşünceyi, kütleyi de kapsayacak şekilde genişletti.
Kuantum fiziği ise 20. yüzyılda bu alanda elde edilmiş kazanımların kuşkusuz en başarılısı oldu. Fizikte, klasik fiziğin açıklayamayacağı, örneğin atom, molekül ve atom çekirdeklerinin büyüklükleri, kararlılıkları ve bunların oluşturduğu kimyasal bağlar gibi çok sayıda fenomen vardır. Kuantum fiziği yardımıyla bu fenomenleri anlamak ve hesaplamak mümkün olmuştur.
Kuantum fiziği 20. yüzyılın başında Max Planck tarafından kuruldu. Sonraki yirmi yıl boyunca temel ilkeleri tam olarak anlaşılmadan varlığını sürdürdü. Başlarında Werner Heisenberg, Wolfgang Pauli ve Erwin Schrödinger’in bulunduğu son derece yetenekli genç fizikçilerden oluşan küçük bir topluluk yirmili yılların ortalarında, Max Planck, Niels Bohr ve Arnold Sommerfeld’in fikirlerine dayanarak üç yıl gibi kısa bir süre içerisinde kuantum süreçleri ve atomlar hakkında yeni bir öğreti oluşturdu. Bunu başardıklarında Werner Heisenberg 27, Wolfgang Pauli 28, Paul Dirac 26 ve Erwin Schrödinger 36 yaşlarındaydı.
Kuantum Mekaniği Nedir?
Kuantum fiziğinde, klasik mekaniğe göre olanaksız olan süreçler gerçekleşebiliyor. Biyolojik evrim süreci içerisinde geliştirdiğimiz anlayış yetimizle kuantum fiziğinin dinamiğini anlayacak durumda değiliz. Buna rağmen gerçekleşen süreçleri kuantum mekaniği yardımıyla hesaplamak mümkün.
Kuantum mekaniği, kuantum fiziğinin fotonlar ve elektronlar gibi atom altı düzeylerdeki nesnelerin hareketlerini tanımlayan bölümüdür. Klasik mekanik geçmişe ilişkin bilgilerinize dayanarak geleceği tamamen öngörebildiğiniz, determinist bir doğa betimler.
Serbestliğe yer yoktur, çünkü kesin öngörülerde bulunmaya yetecek bilgiyi elde etmek daima mümkündür. Bu bağlamda kuantum mekaniği bize farklı bir evrenin kapısını aralar. Havada sabit bir hızda uçan bir nesnenin momentumunu hesaplamak isterseniz nesnenin kütlesini ve hızını ölçüp çarparak bunu yapabiliriz.
Peki ya boşlukta serbestçe hareket eden bir elektronun momentumunu bilmek istiyorsanız? Kuantum mekaniğinde, elektronun dalga fonksiyonu üzerinde belirli bir matematiksel işlem gerçekleştirerek bunu hesaplıyoruz.
Kuantum Fiziğinin Efendisi Bir Doğa Sabitidir.
Max Planck tarafından bulunan etki kuantumu h, klasik fizikte yer almaz. Planck sabiti olarak da bilinen etki kuantumu, adını bu sabitin, etki edilen en küçük birimi temsil etmesinden alır. Fizikte etki, enerji çarpı zamana eşittir. Yani, bir sürecin etkisi, belli bir enerjinin belli bir süre boyunca etki etmesiyle tarif edilir. Bu süre ne kadar kısaysa, uygulanan etki, enerji yüksek olsa bile aynı oranda küçük olacaktır.
Klasik mekanikle bir sürecin etkisi herhangi bir değer alır. Ama bu kuantum fiziğinde geçerli değildir. Etki, h sabitinin sadece tamsayılı katları şeklinde olmalıdır. Yani h’nin üçte biri oranında bir etki olamaz.
Planck bir sistemin enerjisinin sürekli değişemeyeceği, ancak bir değerden bir sonrakine atlayabileceği hipotezini ortaya attı. Max Planck bu hipoteze dayanarak sıcak maddelerin ışımasını tarif eden basit bir formül oluşturdu. Demir ısıtıldığında ışımaya başlar. Ne kadar ısınırsa o kadar akkor hale gelecek ve ışık ışıması yayacaktır. Planck bunu matematiksel olarak ifade etti. ( Detaylar için: Planck Sabiti Nedir ve Evren Neden Ona Bağlıdır?)
Albert Einstein, Planck’ın fikrini ele alıp ışığın ancak foton tabir edilen küçük paketler (kuantumlar) halinde var olabileceğini açıkladı. O güne değin ışığın bir dalga fenomeni olduğuna inanılmaktaydı. Şimdiyse dalga ve parçacık anlayışının birleştirilmesi gerekiyordu. Louis de Broglie 1923 yılında salt ışığın değil, maddenin tüm parçacıklarının bu ikili özelliğe sahip olduklarını ileri sürdü. Parçacıklar dalga, dalgalarsa aynı zamanda parçacıktı.
Olasılıklar ve Belirsizlikler Dünyası
Kuantum fiziğinin en temel ifadelerinden biri, elektronun çekirdek etrafındaki hareketini tanımlamak için gereken hız ve yer gibi fiziksel büyüklüklerin hiçbir zaman kesin olarak ölçülemeyeceği, ancak ilk olarak Werner Heisenberg’in ortaya attığı belirsizlik ilkesince belirlenmiş muğlak aralıklarda aranabileceğidir. Dolayısıyla bir elektronun aynı anda hem yerini hem de hızını tam olarak belirlemek mümkün değildir.
Öncelik elektronun yerinin bulunmasına veriliyorsa, hızının tespitinden feragat etmek gerekecektir; aynı durum elektronun hızı için de geçerlidir. Olasılıklar ve belirsizlikler, kuantum fiziğinin doğasında var. Bu durum da bizim algımıza ters gelir.
Aslında 1900’lü yıllardan itibaren kuantum fiziğini keşfeden fizikçilere de ters gelmişti. Einstein’ın “Tanrı zar atmaz” diyerek isyan ettiği durum da bu belirsizlikti. Ancak Heisenberg’in gösterdiği belirsizlik ilkesi her geçen gün daha da büyük bir güçle kendini bize kabul ettirdi. Kuantum fiziği ve mekaniği hakkında giriş bilgileri şimdilik bu kadar. Ancak konu hakkında öğrenilmesi gerekli daha çok bilgi olduğu da aşikar. Göz atmak isterseniz: Einstein Tanrı Zar Atmaz Derken Aslında Ne Söylemek İstiyordu?
Kaynaklar ve ileri okumalar:
- Three Ways Quantum Physics Affects Your Daily Life; https://www.forbes.com/
- Everything you need to know about quantum physics; https://www.sciencefocus.com/
Size Bir Mesajımız Var!
Matematiksel, 2015 yılından beri yayında olan ve Türkiye’de 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
