Nicem mekaniği veya dalga mekaniği adlarıyla da anılır. Kuantum mekaniği; moleküllerin, atomların ve bunları meydana getiren elektron, proton, nötron, kuark, gluon gibi parçacıkların özelliklerini açıklamaya çalışır.
Kuantum kuramı, dünyamızın nasıl birbirine perçinlendiğini açıklamak için hayati önem taşır. Bu içerik sayesinde kuantum kuramının özünü rahatlıkla kavrayabileceğinizi düşünüyoruz...
Kuantum fiziği beyninizi mi eritiyor? Öncelikle panik yapmayın. Bu konuda yalnız değilsiniz. Ünlü fizikçi Richard Feynman’ın açıkladığı gibi; “Şundan emin bir biçimde söyleyebilirim ki; kuantum mekaniğini hiç kimse anlamamıştır.”
Yine de kuantum kuramı, dünyamızın nasıl birbirine perçinlendiğini açıklamak için hayati önem taşır. Bu nedenle okuyacağınız bu içerik sayesinde kuantum kuramının ortaya koyduğu fikirleri ve işin özünü rahatlıkla kavrayabileceğinizi düşünüyoruz.
Kuantum Kuramı Nedir?
Birkaç bin yıllık tartışmanın ardından, maddelerin neden yapılmış olduğunu artık biliyoruz; elektron ve kuark adı verilen küçük parçacıklar. Bu arkadaşlar, hidrojen ve oksijen gibi atomları ve H2O gibi molekülleri oluşturmak için, küçük aileler dahilinde birlikte takılırlar. Atomlar ve moleküller, dünyamızın Lego parçalarıdır. Bu minik dünyanın nasıl çalıştığını açıklamak için, bilim insanları kuantum kuramı adı verilen bir fikirler topluluğu kullanır. Kuantum kuramı, elinizdeki akıllı telefonu akıllı yapan yonga da dahil olmak üzere, etrafınızdaki tüm teknolojinin temelinde yatar. Kuantum kuramı tuhaftır, doğrudur ve önemlidir.
Peki “Kuantum” Ne Anlama Geliyor?
Mutfağa, elinizde bir fıstık ezmesi kavanozuyla girdiğinizi düşünün. Kavanozu tezgâhın üzerine veya yukarıdaki raflardan birine koymaya karar verebilirsiniz. Fakat kavanozu, rafların arasına koyamazsınız. Bu mantıksızdır.
Fizik terimleriyle konuşmanız gerekseydi, mutfağınızın “kuantize” olduğunu söyleyebilirdiniz. Bu da, rafların çeşitli seviyelere sahip olduğu anlamına gelir. Kuantum dünyasında, her şey seviyelere ayrılmıştır. Örneğin bir atomdaki elektron, tıpkı mutfaktaki raflar gibi, atomdaki birkaç tane enerji düzeyinden birinde yer alır. Fakat kuantum dünyası tuhaftır. Elektrona bir miktar enerji verin, anında bir diğer enerji düzeyine sıçrayacaktır. Buna kuantum sıçraması adı verilir. Bir başka benzetme kullanalım. Eğer bir kuantum arabası sürüyor olsaydınız, 5 km/sa, 20 km/sa veya 80 km/sa hızlarda hareket edebilirdiniz, fakat asla bunların arasında olmazdı. Vitesi değiştirirdiniz ve hızınız anında 5’ten 20 km/sa’ya fırlardı. Hızdaki bu değişim ani olurdu, bu nedenle ivmeyi bile hissedemeyebilirdiniz. Bu da bir başka kuantum sıçramasıdır.
Mikroskobik dünya, alışık olduğumuz “klasik” dünyadan daha farklı kurallarla yönetilir. “Klasik”, gündelik hayatta her şeyin beklendiği gibi davrandığı “ortak kanı” için kullanılan bir fizikçi terimidir.
Bir bilardo topu, “klasik bir nesnedir” (masa üzerinde düz bir biçimde yuvarlanır), fakat içerisindeki tek bir atom kuantum yasalarına tabidir (herhangi bir anda yeşil zemin üzerinde aniden kaybolabilir). Atom ölçeği ile bilardo topu ölçeği arasında, fizik yasalarının bir kesişme noktası vardır. Tıpkı jandarma bölgesi ile polis bölgesi arasındaki kesişim gibi. Yeteri miktarda atomu birbirine bağlarsınız, tuhaf kuantum etkileri ortadan kaybolur, davranışlar klasik bir hal alır. Buna karşılıklılık ilkesi denir.
Kuantum fiziğindeki bazı şeyler gerçekten bilinemez durumdadır. Örneğin bir elektronun aynı anda nerede olduğunu ve nereye gittiğini asla bilemezsiniz. Bunu anlayabilmenin bir yolu, gözlemci etkisini işin içine katmaktan geçer; ölçümün yapım şeklinin sonucu değiştirebilmesi olayı. Örneğin elektronun nerede olduğunu anlamak için, onu bir şey kullanarak tespit etmek zorundasınız (örneğin bir ışık fotonu) fakat bu ölçüm ne kadar nazik olsa da, elektronu orijinal yerinden saptırır. Elektron size nerede olduğunu söyler, fakat nereye gittiğini unutur. Fakat belirsizlik ilkesi, tek başına gözlemci etkisinden daha da derine inmektedir. Doğada, doğuştan gelen bir belirsizlik vardır. Elektronun nerede olduğu konusunda emin olamamak, yaptığımız gözlemin bir hatası değildir. Bunun nedeni, elektronun belirli bir konumu olmamasıdır. Elektron bir nokta parçacık değildir, fakat elektronluğun lekesi uzayda dağılır.
Fotonlar ve elektronlar gibi kuantum nesneleri kişilik bölünmesine sahiptirler. Zaman zaman dalgalar gibi davranırlar ve zaman zaman da parçacıklar gibi davranırlar. Ne şekilde davrandıkları, onlara ne tür sorular sorduğunuza bağlıdır.
Dalga fonksiyonu
Bir dalganın nasıl göründüğünü açıklayan bir parça matematik denklemidir. Önemli bir biçimde kuantum dalga fonksiyonları, her biri belli bir doğruluk olasılığıyla birlikte gelen pek çok muhtemel çözüme sahiptir. Olağanüstü bir biçimde, farklı olası cevaplar, sanki evrenimizin gerçeklerini bize göstermek için bize komplo kurarmışçasına, süperpozisyon adı verilen bir tür üst üste binmiş durumlar şeklinde birbirleriyle etkileşebilirler.
Süperpozisyon ve Schrödinger’in Kedisi
Görsel Telif: Mopic / ShutterStock
Bir kutunun içinde, bir şişe siyanürle birlikte yer alan bir kedi hayal edin. Şişenin üzerinde, bir iple tutulan bir çekiç olsun. Çekiç, herhangi bir rasgele olay gerçekleştiğinde (örneğin bir uranyum atomu bozunduğunda) düşecek şekilde ayarlanmış olsun. Bu Erwin Schrödinger tarafından, süperpozisyon fikrini anlatmak amacıyla tasarlanmış bir düşünce deneyidir. Atomun bozunması kuantum yasalarına tabidir, dolayısıyla atomun dalga fonksiyonu iki olası çözüme sahiptir: bozunmuş veya bozunmamış.
Kuantum kuramına göre, bir ölçüm yapana kadar bu iki olasılık da eşit derecede geçerlidir. Aslında bunu, atomun aynı anda hem bozunmuş, hem de bozunmamış olduğu şeklinde düşünebilirsiniz. Kedinin kaderi, uranyum atomuna sıkı sıkıya bağlı olduğu için, kutunun içine göz atana kadar, kedi de aynı anda hem canlı, hem de ölü olacaktır.
