İçeriğe geçmek için "Enter"a basın

Kuantum Fiziği

Kuantum teorisi aslında kolayca öğrenilebilir. Çünkü hakkında bir çok şey biliyoruz. Ama anlamak için önce klasik teori nedir onu bilmeliyiz. Bahsettiğimiz ne mekanik, ne görelilik, ne de elektromanyetizma. Bunlar sıkıcı ve zor klasik teoriler. Biz biraz daha kolayını anlatacağız.

Kuantum Teorisinin Yapıtaşları: Kuarklar ve Leptonlar

Kuantum teorisi atom altı parçacıkların davranışlarını açıklamak için hazırlanmış bir kuramdır, ve modern dünyamızdaki bir çok deney, kuantum teorisi yasalarının öngörülerini doğruluyor. Parçacık nedir? Elektron bir parçacıktır ve muhtemelen hepinizin bildiği bir parçacıktır.Elektron en temel parçacıklardan ve evrenin küçük bileşenlerinden biridir. Elektronlar atom çekirdeğinin etrafında dönerler ve bu çekirdek de iki ayrı parçacıktan oluşur: Protonlar ve nötronlar.

Protonun Oluşumu
Proton ve Kuarklar

Biliminsanları, proton ve nötronların da kuark adı verilen başka parçacıklardan oluştuğunu keşfetmişlerdir. Kuarklar da elektronlar gibi temel parçacıklardan biridir. Kuarkları bir arada tutan şey ise gluondur. Aslında gluonlar da parçacıktır, ama kuarklardan biraz daha farklılar. Çünkü standart modeldeki, atomun çekirdeğinde protonları ve nötronları bir arada tutan güçlü nükleer kuvveti de oluştururlar. Gluonlar güçlü nükleer kuvveti, kuarklar arasında veya proton ve nötron arasındaki kuvvete vasıta olarak bunu yaparlar.

Parçacıklar
Parçacıklar

Bildiğimiz güçler; zayıf nükleer kuvvet, güçlü nükleer kuvvet, elektromanyetik kuvvet ve kütleçekimdir. Buraya kadar okuduklarınız hepsi Standart Modelin Temel Parçacıkları’dır. Standart modelin temel parçacıkları, evrendeki tüm temel parçacıkların ve güçlerin kütleçekimi dışında nasıl davrandıklarını tanımlar. Fakat kuantum alanında kütleçekiminin nasıl çalıştığı henüz çok iyi anlaşılmamıştır.

Kuantum Teorisi ve Temel Parçacıkları

Maddeyi oluşturan fermiyon parçacıkları, kuarklar ve leptonlardan oluşur. Altı kuark ve altı lepton vardır.

Standart Modelin Temel Parçacıkları
Standart Modelin Temel Parçacıkları

Gluonların ne işe yaradığından bahsetmiştik. Fotonlar da ışık parçacıklarıdır ve elektromanyetik kuvveti taşırlar. W ve Z bozonları, bazı radyo-aktivite türlerinde (Güneş‘in yanması gibi) rol oynayan zayıf nükleer kuvveti taşırlar. Meşhur Higgs bozonu da çok sayıda bir araya gelerek Higgs alanını oluştururlar ve bununla etkileşime geçen şeyler de kütle kazanır. Örneğin üst kuark, Higgs alanıyla etkileşime geçer ve böylece kütle kazanır.

Son olarak bozonlar arasında gravitondan bahsedebiliriz. Graviton, kütleçekim kuvvetiyle etkileşime geçen, varlığı kanıtlanmamış, yani hipotetik bir parçacıktır.

Kuantum Sıçraması Nasıl Olur?

Kuantum Sıçraması
Kuantum Sıçraması

Kuantum sıçraması, bir elektron davranışını açıklamak için ilk olarak Niels Bohr tarafından öne sürülmüştür. Bir elekton atom çekirdeği etrafındaki bir yörüngeden daha düşük enerjili bir yörüngeye sıçradığında, kuantum sıçraması gerçekleşir. Fakat, bunun gerçekleşmesinin bir sebebi yoktur. İlginç bir şekilde elektron yörünge değiştirirken iki yörüngenin arasında bulunmaz. Yolda yürürken birden kendinizi Everest’in eteklerinde bulmanız gibi bir şeydir.

Çift Yarık Deneyi

Fizik dünyasında ‘çift yarık deneyi’ adında ünlü bir deney vardır. Bu deney hala oldukça şaşırtıcıdır; çünkü parçacıklar hem parçacık gibi hem de dalga gibi davranırlar. Görsel 1’de olduğu gibi çift yarıktan herhangi bir madde attığımızda, top veya başka bir şey, yarıkların arkasındaki ekranda iki çizgi halinde değdikleri yeri görürüz.

Çift yarık deneyini tuhaf yapansa yarıklardan elektron gönderdiğimizde olanlar. Çünkü beklentimizdeki gibi, elektronlar yarıkların arkasında iki çizgi değil, Görsel 2’deki gibi bir görüntü oluştuyor. Bu da fotonların dalga halinde ekrana yansımasıyla aynı. Yani elektronlar, hem parçacık gibi hem de dalga gibi hareket edebiliyorlar.

Çift Yarık Deneyi
Çift Yarık Deneyi

Kuantum Teorisi Ölçümleme Problemi

Yukarıdaki deneyde elektronların hareketlerini kaydetmek için yarığın iki yanına da kameralar konuyor; fakat böyle yaptığınızda ilginç bir şeyler oluyor. Elektronlar, kameralar olunca dalga gibi değil parçacık gibi davranıyorlar ve beklentimizdeki gibi yarıkların ardındaki ekran iki çizgi oluşturuyorlar. Yani elektronun davranışını ölçümlemeye çalışmak, onun dalga gibi davranmasını engelliyor.

Kamera Karşında Değişen Elektron: Üstdüşüm Özelliği

Üstdüşüm ilkesine göre bir elektron biz gözlemlemiyorken, bulanabilceği tüm noktalarda aynı anda bulunabilir. Biz gözlemlediğimizde ise üstdüşüm ilkesi çöker. Aşağıdaki görselde olduğu gibi kamera kapalıyken elektron birden fazla yerde aynı anda bulunabilir. Ama kamerayı açtığınızda elektron tek bir yerde bulunmayı seçer. Bu yüzden yukarıdaki çift yarık deneyinde dalga gibi hareket etmeyi bırakıp parçacık gibi hareket ettiler.

Elektronun Ölçümlenmesi
Elektronun Ölçümlenmesi

Gözlemlemek, elektronun dalga gibi hareket etmesini engeller. Elektron, üstdüşümü yani aynı anda birden fazla yerde bulunmayı bırakıp tek bir noktada bulunmayı seçer.

Schrödinger’in Kedisi

Elektronun bu farklı davranışıyla ilgili Erwin Schrödinger’in ünlü örneğine bakalım. Schrödinger’in örneğinde bir kutunun içine bir kedi ve kediyi %50 ihtimalle öldürecek bir radyoaktif madde konur. Kutuyu açana kadar kedinin ölüp ölmediğini bilemeyiz. Eğer kedi, üstdüşüm ilkesini kullanan bir elektron gibi davransaydı, kutu kapalıyken aynı anda hem ölü hem de canlı olurdu. Çünkü üstdüşüm ilkesine göre olabileceği tüm durumlarda aynı anda olurdu.

Kutuyu açtığımızda üstdüşüm ilkesi çöker ve kediyi ya ölü ya da canlı görürüz. Bizim mantığımıza çok uygun olmasa da, kuantum fiziği böyle çalışır.

Elektronlar, Zaman Yolculuğunda Mı?

Biliminsanları elektronların tuhaf davranışlarını anlamak için çalışmaya devam ettiler. Çift yarık deneyinde, yarıkların olduğu levha ve elektronların yansıdığı ekran arasına kamera koydular. Neden? Çünkü elektronlar çoktan yarıktan geçmiş ve dalga şeklinde hareket etmeye başlamış olacaklardı.

Olmadı! Elektronlar yine parçacık şeklinde hareket ettiler ve ekrana sadece iki çizgi halinde yansıdılar. Tuhaf olanı? Ortamdaki kameralar kapatıldığında yeniden dalga gibi hareket ettiler. Biliminsanları elektronların üstesinden gelebilmek için, parçacıkların bir kısmı çift yarıktan geçene kadar kameraları kapalı tuttular. Böylece hem parçacıklar yarıklardan geçmiş, hem de kameralar kapalı durumda olacaktı. Parçacıkları yolu yarılamış ve ekrana düşmek üzerelerken kameralar açıldı ve bum! Üstdüşüm yine çöktü ve yeniden dalga yerine parçacık gibi hareket etmeye başladılar.

Bunun sebebi elektronların zaman yolculuğu yapması mı? Hayır! Kameralar kapalı olduğunda, bir elektron dalga gibi hareket edip iki yarıktan da aynı anda geçiyordu. Ama kameralar açıldığında, tek bir yarıktan geçmiş gibi davranıyorlardı ve diğer yarıktan geçtiğine dair tüm izler siliniyordu.

Özetle; gözlemleme veya ölçümleme parçacıkların davranışlarını etkiler.

Bu durumu açıklamak için bir çok teori var, ama bunlardan en popüleri çoklu dünyalar yorumu. Çoklu dünyalar yorumuna göre parçacıklar gözlemlendiklerinde bulundukları noktalardan birinde sabit kalır, ama diğer noktalarda kaybolmaz. Diğer noktalardaki halini, diğer dünyalar gözlemler.

Çoklu Dünyalar Yorumu
Çoklu Dünyalar Yorumu

Yani yukarıdaki görseldeki dört farklı noktada bulunan elektron, dört farklı dünyada gözlemlenmiştir. Bu yorumun sonuçları sizi hayrete düşürebilir. Çünkü her bir olasılık için evrende farklı dünyalar yaratılır. Mümkün olan tüm olasılıklar gerçekleşir. Yani Hitler’in II. Dünya Savaşı’nı kazandığı, Marie Antoinette‘nin hiç ölmediği dünyalar da olabilir.

Kuantum Dolanıklık

Kuantum dolanıklığındaki iki parçacık, birbirlerinden konumlarından bağımsız ve eşzamanlı haberdar olurlar. Örneğin parçacıklardan birinin üstdüşümü çöktüğünde aralarındaki mesafe fark etmeksizin diğerininki de çöker. Bu durumu ilginç kılan şey de Einsten’ın özel görelilik teorisiyle evrende hız limiti olarak kabul ettiğimiz ışık hızından daha hızlı bir iletişim gerçekleşmesi.

Kuantum Tünelleme

Kuantum tünellemeye göre bir parçacık geçememesi gereken bir engeli dalga gibi davranabilme özelliğiyle geçebiliyor. Güneş‘in yanmasından da kuantum tünelleme sorumludur. Hidrojenler yanarak daha ağır atomları oluştururlar.

Hidrojenin çekirdeği pozitif yüklü protonlardan oluşur. Yani ikisi de aynı yükte olduğundan (daha ağır atomları oluşturmak için) birleşmek bir yana, birbirlerini geri tepmeleri gerekir. Ama parçacıkların dalga gibi davranabilme özelliği sayesinde aradaki engel aşılabilir ve iki hidrojen yan yana gelebilir. Böylece daha ağır bir atom oluştururlar ve bu esnada çıkan yüksek enerji sayesinde de Güneş yanmaya devam eder.

Gelecekte Kuantum Teorisi

Kuantum teorisinin öngörüleri hep doğrulandığından karşımızda inkar edilemez bir gerçek gibi duruyor. Endüstrimiz ve insanlığın geleceğini etkileyecek boyutlara ulaşması kaçınılmaz. İşte gelecekle ilgili çıkarımlarımız:

  • Bilgisayarlar teknolojisi çoktan bir parçacığın aynı anda birden fazla konumda bulunabileceğini öngören kuantumdan yararlanmaya başladı. Bu sayede bilgisayarlarda eşzamanlı birden fazla işlem yapılabilmesine olanak sağlanıyor ve bu da bilgisayarlarımızın gücünü inanılmaz derecede arttıracak. Google’ın ilk kuantum bilgisayarı sıradan bir bilgisayardan 100 milyon kat daha güçlü.
  • Kuantum dolanıklığı kullanarak biliminsanları sıradan parçacıkları ışınlamayı başardılar. Dolanıklık içerisindeki iki parçacıktan biriyle etkileşime geçen diğer bir parçacık, dolanıklığın diğer tarafındaki parçacık tarafından da kopyalanır. Kopyalanırken de dolanıklığın diğer ucundaki parçacık yok olur. Fakat burada iki temel sorunumuz var. İlki, bu deneyin sadece tek bir parçacık üzerinde gerçekleştirilmiş olması, insan gibi büyük bir obje için ne gibi sonuçları olabilir? İkincisi ise ışınlanan parçacığın en baştaki parçacık mı yoksa onun mükemmel bir kopyası mı olduğunu bilemememiz.
  • instein’ın genel göreliliği ve kuantum teorisi fiziğin en başarılı iki teorisidir; fakat birbirleriyle uyumsuzlardır. Kuantum teorisi, uzayzamanı kuantum parçacıklardan oluşur görürken; genel görelilik uzayzamanın tek bir bütün olduğunu kabul eder. Sicim teorisi ise bu uyumsuzluğu çözmeye ve evrendeki tüm güç ve madde için tek bir teori yani her şeyin teorisini oluşturmayı amaçlar.

Kuantum Fiziğinin İlginç Özellikleri

  1. Bir Parçacık İki Yerde Olabilir
    Kulağa gerçekten de çok tuhaf geliyor. Ama gerçek bu. Gözlem yapılmadığı takdirde iki yarıklı bir levhadan geçen parçacıklar, aslında iki yarıktan da aynı anda geçiyor. Bunu ise yarıklardan geçtikten sonra diğer tarafta bıraktıkları desene bakarak anlıyoruz.
  2. Bir Parçacığın Yerinden Asla Emin Olamazsınız
    Kuantum fiziğine göre bir parçacığın hızını ve konumunu aynı anda bilemezsiniz. Eğer konumu hesaplamak isterseniz hızını doğru şekilde hesaplayamazsınız. Hangi hızda gittiğini öğrenmeye çalıştığınızda ise konuma dair bilgiye ulaşamazsınız.
  3. Gözlem Güçlü Bir Etkendir 
    Schrodinger’in Kedisi düşünce deneyi kuantum fiziğinin çelişkili dünyasını anlamak için iyi bir örnektir. Gözlem o kadar güçlüdür, neredeyse evreni belli bir yöne sevk eden etkendir. Bu deneyde kutunun içine bir kedi ve kediyi %50 öldürme riski olan radyoaktif bir madde koyarsınız. Kedinin bu deney sonucunda %50 yaşama şansı vardır. Ancak siz kutuyu açana kadar kuantum fiziğine göre kedi aynı anda hem ölüdür hem de canlıdır. Ama kutuyu açtığınızda evreni bir seçim yapmaya zorlarsınız ve kedi ya ölür ya da yaşamaya devam eder. Bu da bilinçli gözlemin önemini gösterir.
  4. Ölçme Sorunu
    Bu, yukarıdaki duruma verilen resmi isimdir ve ölçmenin ne kadar büyük bir etkiye sahip olduğunu gösterir. Terminolojisiyle söylersek bu dalga işlevinin çökmesiyle alakalıdır. Yani ölçme yapılması durumunda diğer olasıkların tek bir olasılığa çökmesi durumu.
  5. Birden Sanal Parçacıklar Ortaya Çıkabilir
    Boş uzayın tamamen boş ve vakum durumunda olduğunu düşünebilirsiniz. Ama yeterince küçük ölçeklere bakılırsa uzayı oluşturan kuantum köpüklerinin görülebileceği düşünülüyor. Bazen evrenden enerji ödünç alan parçacıklar ortaya çıkar ve kaybolmaları da bununla bir olur. Düzenli olarak parçacıklar ortaya çıkarlar ve  birden kaybolurlar.
  6. Kara Delikler Tamamen Kara Değildir
    Kara deliklerin her şeyini yuttuğunu biliyoruz ama bir istisnası var. Bir parçacık ve onun anti-parçacığı eşleştiğinde, anti-parçacık kara deliğin olay ufkunun diğer tarafında kalabilir. Bu durumda kara delik de asıl parçacığı uzaya saçar.
  7. Kuantum Tünelleme
    Kuantum fiziği, standart fizikle zıtlaşmayı seviyor. İsminden de anlaşılacağı gibi bu fenomen, parçacığın normalde aşamayacağı bir engeli bir tünel vasıtasıyla aşması anlamına gelir. Bu keşif radyoaktif çözülme gibi alanları anlayabilmek için çok önemliydi. Bu fenomen belirsizlik veya parçacık/dalga ikililiğinden meydana gelir.

Kaynak 1

Kaynak 2

Kaynak 3