BİLİM & TEKNOLOJİ

KUANTUM FİZİĞİ

Dünyanın en güzel deneyi

Einstein, kuantum mekaniğini ‘spooky action’ yani tuhaf hareket olarak nitelendirmişti.

Her şey bir deney ile başladı

Günlük yaşamımızda etrafımızdaki tüm cisimlerin davranışlarını kesin bir şekilde belirleyebiliyor, ihtimallere bırakmıyoruz. Fakat söz konusu bizi ve her şeyi oluşturan atomlar olunca, hüküm süren kanunlar çok farklı, dahası tuhaf.

Astrofizik bir bilimdir, büyük cisimlerin büyük ölçeklerde nasıl hareketlerde bulunacaklarıyla ilgileniyor.

Astroloji ise kesinlikle bilim değildir. Gökyüzünde birbirlerinden yüzyıllarca ışık yılı uzakta duran yıldızlar, biz insancıkların kaderini belirleyemez.

Bir çift laf da, ‘Zengin olmayı kabul ettiğiniz zaman, zenginlik size gelecektir, yeter ki kuantum düşünce tekniğini uygulayın’ diyen kişisel gelişimcilere. Sizce kuantum düşünmeye çalışan insanların kaçı kuantum mekaniğinin atom ve atom altı dünyasıyla ilgilenen yani en küçüklerin diyarında geçerli tuhaf kuralların bir bütünü olduğunu biliyor?

KUANTUM MEKANİĞİ

Makroskopik düzeyde geçerli kanunlara klasik mekanik deniyor. Fakat söz konusu bizi ve her şeyi oluşturan atomlar olunca, hüküm süren kanunlar çok farklı, dahası tuhaf. Mikroskopik düzeyde geçerli bu kanunlara ise kuantum mekaniği deniyor.

Atomları yöneten kuantum mekaniğiyle tanıştıktan sonra atomların oluşturduğu evrenimize aynı gözle bakabilecek misiniz? Gerçeklik algınızın sarsılmasına hazır olun.

Her şey bir deney ile başladı

Çok sık olarak; Fizikte önce deneyler yapılır sonra kanunları bulunur. Milyonlarca kere test edildikten sonra ışık hızının sabit olduğuna karar verildi.

Tarihte bir gezinti

1803’deThomas Young, adındabir fizikçi ışık ile bir deney gerçekleştirdi; adı ‘Çift Yarık Deneyi’ydi.

Deney ile ışığın dalga gibi hareket ettiği ispatlanmıştı. Fakat daha sonra Einstein geldi ve fotoelektrik adını verdiği ve 1921’de Nobel Fizik Ödülü aldığı teorisiyle ‘Işık hem dalgadır hem parçacıktır’ dedi. Bu kuantum devrimidir!

Niels Bohr da kuantum fiziğinde en az Einstein kadar bilinen ve kendisinden bir yıl sonra Nobel Ödülü alan Danimarkalı Yahudi kökenli bir fizikçidir.

Niels Bohr

Bilim adamları ışığın bilinen klasik mekaniğin kurallarına aykırı davranış gösterdiğini gördüler.

Bir tüpün içine konulmuş ve ısıtılmış gazın yaydığı ışığın önüne bir prizma konulduğunda beklenildiği gibi gökkuşağı renklerinden birbirine geçişli bir spektrum değil, birbirinden apayrı ve keskin, net renklerde çizgilerin oluşturduğu bir dizim çıkmıştı.

Niels Bohr, bu oluşumu anlamak için, maddenin atom yapısını inceledi.

Elektronlar çekirdeğin etrafında aynı gezegenlerin güneşin etrafında döndüğü gibi dönüyordu, yani yörüngeler boyunca. Ama güneş sisteminden bir farkla. Elektronların bulunabileceği fiks yörüngeler vardı, bunlara sadık kalmak zorundaydılar. Yörüngeler 1,2,3,4.. gibi tam sayılarda bulunabilirdi, 3,5’de bir yörünge olamazdı.

Niels Bohr bir atomu ısıttı ve atomun etrafında dönen elektronların heyecanlanarak tepki gösterdiğini gözlemledi.

Bu elektronların enerji seviyeleri değiştikçe bir sabit yörüngeden diğer sabit yörüngeye sıçrayıveriyorlardı. Aradaki boşluğa hiç uğramadan. Yani Mars’ın Jüpiter yörüngesinde dönmeye karar verirken aradaki yola hiç uğramaması gibi bir durum; bir anda beliriveriyorlardı. Elektronlar bir yörüngeye zıpladıklarında belirli dalga boylarında ışık şeklinde enerji yayıyorlardı. Belirli dalga boyu belirli renk demek. Yani her bir sıçrayış bir renk oluşturuyordu. Kuantum sıçraması sayesinde aşırı net, spesifik renkler ortaya çıkıyordu. Birbirine girişmiş bir gökkuşağı değil. Çünkü sıçrayışlar keskindi; bir yörüngeden diğerine hiçbir yere uğramadan. Kuantum sıçraması diye duymuş olabileceğiniz olgu bu işte.

Dünyanın en güzel deneyi

1961 yılında Clauss Jönsson söz konusu aynı deneyi ışık yerine elektronlarla yaptı. 2002 yılında, Physics World okuyucuları tarafından Jönsson’un Çift Yarık Deneyi ‘en güzel deney’ olarak seçildi. Nihayet deneye başlıyoruz.

1- Bir bilyeyi içinde tek bir yarık olan bir levhadan geçirmeye ve arkasında bulunan düz bir duvara çarpmasını sağlamaya çalışırsak,

beklenen sonuç arka duvarda yarığın hizasında bilyelerin bırakmış olacağı bir iz olur.

Şimdi bu deneyi çift yarıkla denersek, arka duvarda aynı hizalarda oluşmuş iki set iz görürüz.

2- Bu deneyin aynısını su ile yaparsak da suyun dalga karakterinden dolayı yarıktan geçtiğini, yine yayıldığını ve arka duvara vurduğunu gözlemleriz. En kuvvetli vurduğu yer dalganın ortasıdır, kenarlarda da daha hafif de olsa iz kalacaktır elbette. Bu davranış şekli bilyenin tek delikten geçmesiyle pek farklı sayılmaz. Yarığın tam arkasında en parlak sütun oluştu.

Şimdi burada levhaya ikinci bir yarık açınca, işler değişiyor. Yarıklardan geçtikten sonra iki tane olan dalgalar, karşı duvara ilerlerken, tepe kısımları ile dip kısımları birbiriyle çakışarak birbirlerini götürüp düz hale geliyor; tepeler kesişince daha yüksek bir tepe oluşuyor, dipler kesişince ise daha derin vadiler oluşuyor. Tepeler en yoğun parlak çizgileri ortaya çıkıyor. Sonuçta duvarda karşımızda şöyle bir ‘girişme’ dizimi beliriyor.

Bilye fırlattığımızda iki düz bant elde etmiştik su dalgası yolladığımızda ise bir “girişme modeli” elde ediyoruz. Duvar boyunca çizgiler, üstelik de en yoğunu iki yarığın ortasında yani en beklenmedik yerin tam arkasında hizalanıyor.

Kuantum dünyası

Elimizdeki bilye yerine artık miniminnacık bir elektron var. O küçüklüğe inmek için aldığımız yolu şöyle ifade edelim.

Çapı 1 metrelik bir hulahup’u 100metre (10 üzeri 0, 1’dir.) olarak da ifade edebiliriz. Dünyanın çapı takribi 107 metre (12.000 km); dünyadan güneşe olan mesafe ise 1,5 x 1011 metre. (150 milyon km) 1021 metre Samanyolu galaksisinin boydan boya uzunluğu. 300 milyar kadar galaksiyi gözlemleyebildiğimiz evrenimizin ise boydan boya uzunluğu 1026 metre.

Hulahup’un çapı 100 metre demiştik. Tek hücreli bir terliksi hayvanın boyutu 10-4 metre; ilkokulda çocukları olanların yakından tanıdığı Influenza virüsü 10-7 metre, bir DNA molekülü ise 10-9metre boyunda. Buna nanometre de deniyor. Nano dünyasına hoş geldiniz. Kuantum dünyasına 10 katı daha yolumuz uzun. 10-10 bir atomun büyüklüğü; bir atomun içinde bulundurduğu çekirdek(proton ve nötron) ise 10-15 metre boyutunda. Yani atom bir stadyum ise çekirdek içinde bir bilyecik. Proton ve nötronların çevresinde dönen elektronların henüz tam boyutu bilinmiyor.(10-18 dolayında). 10-34 metreye yolculuk edersek Büyük Patlama yani evrenin ilk oluşumundaki büyüklüğe gitmiş oluruz. 10-35 ise, ispatlanmamış sicim teorisinde Planck uzunluğu adı verilen maddenin yapıtaşı olduğu düşünülen iki boyutlu sicimlerin uzunluğu. Gözünüzde canlandırabilmeniz için son bir tablo veriyorum. Bir kalemle nokta çizdiniz. Bu noktadan gözlemlenebilir evrene yaptığınız yolculuğun bir o kadarını planck uzunluğuna inmek için yapmalısınız, oransal olarak tabi.

Hazır! Fırlat!

1- Deneye tek yarıklı levha ile başlarsak ve fırlatılan elektronların tam da beklediğimiz gibi yarığın arkasında bir bant oluşturduğunu gözlemleriz.

2- İki yarıklı levhada iki bant bekleriz ,öyle değil mi? Ama öyle olmuyor! Bilye gibi düşündüğümüz ve madde parçacığı diye fırlattığımız elektronlar su dalgası gibi davranarak ‘girişme modeli’ oluşturuyor.

Parçacık olarak fırlattığımız elektron, yarıktan geçmeden önce dalgaya dönüşüyor, sonra iki dalga olup kendisiyle girişiyor, duvarda dalgaların bıraktığı girişme modelini bırakıyor. Bir saat boyunca tek tek fırlatılan elektronlar en fazla izi ise iki yarığın ortasının arkasında oluşturuyor. Yarıkların tam arkasında ise elektronlardan eser yok! Elektronun duvara hiç iz yapmadığı yerler dalgaların birbirini götürdüğü durumlar. Elektron bir dalga gibi davranıyor.

İhtimaller

Ünlü Avusturyalı kuantum fizikçisi Erwin Schrodinger elektronun bu dalgaya dönüşmüş hareketini hesaplamak için bir dalga fonksiyonu yazdı. Bu ona 1933’te Nobel Fizik Ödülünü kazandırdı. Bu fonksiyona devrimsel bir boyut katarak ihtimaller dalgası adında yeni bir fonksiyon yaratan fizikçi ise Yahudi olduğu için Almanya’dan kaçmak zorunda olan Max Born’du. (1954 Nobel ödülü aldı.) Yarıktan geçtikten sonra birleşen ve yükselen iki dalganın boylarının toplamı, elektronun orada olma ihtimalini verir. İki dalganın tepesinin kesişip en yükseğe ulaştığı yer hemen yarıkların ortasının arkası. Yani elektronu orada bulma ihtimalimizin en yüksek olduğu yer. Elektron mesela yüzde 50 iki yarığın tam arkasında, yüzde 20 bir sonraki bantlarda, yüzde 10 bir sonraki bantlarda… gibi. Dalgayı ihtimaller demeti olarak düşünebiliriz. Sanki elektronun sabit bir yeri yok, duvarda farklı belirme ihtimalleri olabilecek her yerde! Aynı anda birden fazla yerde, üstelik buna hiçbir yer de dahil!

Elektronun bu durumuna ‘süper pozisyon’ deniyor. Evren, sırlarını saklamakta öyle becerikli ki gerçeğe ulaşabilir miyiz gerçekten?

Madde fikir değiştirir mi?

Parçacık dalgaymış gibi iki yarıktan da geçti. Çünkü deney sonunda duvarda bıraktığı iz buna işaret ediyor. Parçacığın aynı anda iki yerde oluşu fikrini yadırgayan deneyci, hepimizin aklından geçeni yapsa, yani parçacığın yarıktan geçiş anında onu gözlemlemek isterse ne görür? Parçacık hangi yarıktan geçti sahiden?

Deneyde yarığın hemen yanına bir detektör konulduğunda işler değişiyor; şok edici bir durumla karşılaşıyoruz; duvarda iki bantlı iz çıkıyor.

Detektör yokken bir dalga gibi davranan elektron artık bilye gibi davranıyor. Yani tek bir yarığı seçip, tek bir yarıktan geçip, onun arkasında iz bırakıyor. Gözlemci elektronun süper pozisyon halini çökertti! Elektron sanki izlendiğinin farkındaydı. Gözlemci maddenin nasıl davranacağına, dahası dalga halini terk edip yalnızca parçacık gibi hareket etmesine neden oldu, onu ihtimaller demetinden çıkarıp bir konum almaya zorladı. Maddenin gerçek doğasının ne olduğunun gözlemci ile ilgisi ne? Tabi ki madde düşünen bir varlık falan değil. Bunun bilimsel en ufak bir kanıtı yok.

İLGİLİ HABER

Selin SEVİNDİREN

Click to comment

Leave a Reply

E-posta hesabınız yayımlanmayacak. Gerekli alanlar * ile işaretlenmişlerdir

This site uses Akismet to reduce spam. Learn how your comment data is processed.

To Top