Herkesin Anlayabileceği Şekilde Bir Anlatımla: Kuantum Fiziği Nedir?
"kuantum fiziğini tam olarak anladığınızı düşünüyorsanız, kuantum fiziğini anlamamışsınız demektir." ünlü fizikçi richard feynman’ın bu sözü kuantum fiziğinin ne kadar tuhaf olduğunu anlatıyor. ancak basitçe anlatıldığında herkes kuantum fiziğinin ne olduğunu anlayabilir. o zaman başlayalım.
günlük hayattaki olayları fizik kurallarıyla açıklayabiliriz. bu kuralları kullanarak yüzlerce ton ağırlığındaki bir metal yığınının havada kuş gibi süzülmesini bile sağlıyoruz. ancak evrendeki bazı şeyler gözle görebildiğimizden çok daha küçüktür. vücudumuz da dahil her şey atom denilen küçük yapıtaşlarından oluşur. atomları her şeyi oluşturan küçük lego parçaları gibi düşünün. atomun tam ortasında bir çekirdek bulunur ve bu çekirdeğin etrafında elektronlar vardır. elektronlar hayal edemeyeceğimiz kadar küçük parçacıklardır. ancak aslında elektronlara hiç yabancı değiliz, çünkü hayatımızı kolaylaştıran elektrik onların hareketi sayesinde oluşur.
şu andan itibaren atomların seviyesinde olduğumuzu unutmayın. bu kadar küçük ölçekte günlük hayatta alışık olduğumuz fizik kuralları tamamen geçersiz hale gelir. bu minik dünyanın kendine ait kuralları vardır, işte bu kurallara kuantum fiziği diye havalı bir isim verilmiş. bu kurallar zihnimize çok tuhaf gelir. eğer günlük hayatta da bu kurallara göre yaşasaydık duvarların içinden geçebilirdik ya da aynı anda birden fazla yerde olabilirdik.
kuantum fiziğinin ne kadar garip olduğunu anlamamız için bir deney anlatmama izin verin. fizikteki hatta tüm bilimlerdeki en ilginç ve kötü şöhretli deney. çift yarık deneyi.
1803 yılına gidelim. o zamana kadar ışığın parçacıklar halinde yayıldığı biliniyordu. ingiliz bilim insanı thomas young ise ışığın dalgalar halinde yayıldığını düşünüyordu. young bir levhaya ince bir yarık açtı. bu yarıktan karşıdaki bir duvara doğru ışık tuttu ve duvarda ince bir ışık hüzmesi oluştu. sonra levhaya ikinci bir yarık açtı ve tekrar ışık gönderdi. doğal olarak duvarda bu sefer de iki ışık sütunu oluşmasını bekleriz dimi? ancak öyle olmadı. duvarda çok sayıda ışık sütunu oluşmuştu. bu desenin iki dalganın çarpışması sonucu oluştuğu çok belliydi. ışık dalgası yarıklardan geçip iki dalga haline gelmişti. iki dalga birbiriyle çarpışınca da tıpkı su dalgalarında olduğu gibi bir girişim deseni meydana gelmişti. deneyin sonuçları çok açıktı. ışık dalgalar halinde yayılıyordu. yüzyıllardır parçacık şeklinde yayıldığı düşünülen ışığın aslında dalga olduğu ortaya çıkmıştı.
şimdi iş çok daha ilginç hale gelmeye başlıyor. aradan yıllar geçti ve teknoloji ilerledi. bilim insanları çift yarık deneyini bir adım öteye taşımaya karar verdiler. şimdi küçük toplar fırlatan bir silahımız olduğunu düşünün. topları yine iki tane yarığın olduğu bir levhaya doğru fırlatalım. bu durumda ne olmasını bekleriz? tabii ki yarıklardan geçip duvara çarpan topların duvarda iki tane sütun halinde iz oluşturmasını bekleriz. zaten öyle de olur, buraya kadar bir sorun yok. şimdi topların boyutunu biraz küçültelim, hatta biraz değil çok küçültelim. mesela bir elektron boyutuna getirelim onları. şimdi elektronları fırlatalım. sizce bu sefer ne olur? tabii ki duvarda yine iki tane sütun oluşmasını bekleriz. çünkü elektronların parçacık olduklarından eminiz sonuçta.
bilim insanları bu deneyi yapıp ekrana baktıklarında tam anlamıyla şok oldular. çünkü parçacık olduğundan emin oldukları elektronları iki yarıktan duvara ateşlediler ve yine dalga deseni oluştu. bu çok mantıksızdı. parçacık olduğunu bildiğimiz elektronlar da dalga özelliği göstermişlerdi. daha da saçma olan bu desenin oluşabilmesi için bir elektronun iki yarıktan da aynı anda geçmesi gerektiğiydi. bir parçacık nasıl aynı anda iki yerden geçebilirdi ki?
bunun üzerine elektronların hangi yarıktan geçtiğini merak ettiler. yarıklardan birinin yanına elektronları izlemek için bir sensör yerleştirip deneyi tekrarladılar. ekrana baktılar. ekranda iki tane sütun oluşmuştu. şaşkınlığı bırakın, dehşete kapıldılar. çünkü tamamen cansız ve gözle görülemeyecek kadar minik bir şey sanki izlendiğini anlamıştı. onu gözlemleyen bir şey olduğu zaman yine parçacık şeklinde davrandı ve duvarda desen oluşturmadı.
bilim insanları bu sefer biraz kurnazlık yapmaya karar verdiler. elektronları kandırmaya çalışacaklardı. deney düzeneğini tekrar kurdular, elektronları izleyen sensörü de yarıklardan birinin başına yerleştirdiler. ancak bu sefer sensörü fişe takmadılar. elektronları kandırmak için bir de kendi aralarında hadi ölçelim şu elektronları diye konuştular. tabii bu son söylediğim şaka. deney tamamlandığında duvarda dalga geçercesine yine dalga deseni oluşmuştu. elektronlar bu basit numarayı yutmamışlardı. adeta kimi kandırıyorsunuz kardeşim siz dediler ve yine dalga şeklinde davrandılar. cansız ve gözle görülemeyecek kadar küçük bu parçacıklar birilerinin kendilerini izleyip izlemediğinden haberdarlardı ve buna göre davranıyorlardı. bu ilginç etkiye şu ana kadar yaşamış hiçbir insan açıklama getiremedi. kuantum fiziği en parlak zihinleri bile bu noktada çaresiz bırakmıştı. bunun gibi mantıklı şekilde açıklanamayan durumlar kuantum fiziğinin felsefenin ilgi alanına girmesine de neden oldu.
bu olayı açıklamak için çılgınca teoriler ortaya atıldı. hatta evrenin bir bilgisayar simülasyonu olduğu bile söylendi. bu teoriye göre evreni oluşturan bilgisayar işlemci gücünden tasarruf etmek için sadece gözlemlenen bölgeleri oluşturuyordu. mesela evimizde içinde kimsenin olmadığı ve kapısı kapalı bir oda aslında o an yoktu. ancak biz kapısını açıp girdiğimiz anda evren tarafından oluşturuluyordu. tabii ki bu sadece çılgınca bir teori.
gözlemci etkisine getirilebilen en uygun açıklama ise şuydu. elektron aslında ne bir parçacıktı ne de bir dalgaydı. o kuantum cismi denilen bir şeydi. elektron makineden fırlatıldığı andan itibaren bir olasılık bulutu şeklinde ilerliyordu. elektron bu olasılık bulutunun içinde herhangi bir noktada olabilirdi. yani elektronun hangi yarıktan geçtiği ölçülmediğinde aslında ikisinden birden geçiyordu. ancak tam olarak yerini belirlediğimizde diğer olasılıkları ortadan kaldırdığımız için elektron parçacık gibi davranıp tek bir yarıktan geçiyordu.
bu durumu anlayabilmek için bir madeni parayı çevirdiğinizi düşünün. para durana kadar tura da gelebilir yazı da. hatta para dönmeye devam ettiği sürece aynı anda hem yazı hem tura gelmiştir diyebiliriz. ancak para bir kez durduğunda, yani ölçüm yaptığımızda, artık olasılık yoktur. kesinlik vardır. yazı ya da tura kesin olarak gelmiştir.
ya da bu fotoğrafa bakalım:
sizce bu fotoğraftaki çanaklar kırık mı yoksa sağlam mı? şu an için sağlamlar, evet. ancak biri kapağı açıp sağlam olup olmadıklarına bakarsa kırılırlar. yani kaseler şu an aslında hem sağlam, hem de kırıklar.
bu iki örnek kuantum fiziğindeki en ünlü kavramlardan birine bizi biraz hazırlamıştır. schrödinger’in kedisi - nickime dikkat- . elektronların aynı anda hem parçacık hem de dalga olma fikri fizikçi erwin schrödinger’i oldukça rahatsız etmişti. hatta kuantum fiziğine büyük katkı yapan schrödinger denklemlerini bulmaz olaydım bile dedi. pişman ettiler koskoca adamı. sonra bu durumun ne kadar saçma olduğunu göstermek için bir düşünce deneyi ortaya attı. şimdi bir kutu düşünün. kutunun içinde bir kedi ve radyoaktif özellik gösteren bir madde var. bu madde %50 ihtimalle bozunmaya uğrayacak ve bozunursa kedinin ölmesine neden olacak. buradaki %50 ihtimalin kuantum ihtimali olduğunu unutmayın, yani aynı anda iki ihtimalin de gerçekleştiğini kabul ediyoruz. aynı anda hem bozunuyor hem bozunmuyor kısacası.
kutunun içi dışarıdan gözükmüyor. kapağı açıp bakmadığımız sürece kedinin ölü mü diri mi olduğunu bilemeyiz. ikisi de olabilir yani. bu durumda kedi hem ölü hem de diri sayılır diyor schrödinger. ancak bir canlı aynı anda hem ölü hem diri olamayacağı için kuantum fiziğindeki bir mantıksızlığı anlatmaya çalışıyor aslında. bu düşünce deneyi zamanla gereğinden fazla ün kazandı ve felsefe konusu haline bile geldi.
neyse, biz çift yarık deneyine geri dönelim. artık ışığın dalga olarak yayıldığı anlaşılmıştı. aslında bunu çok basit bir şekilde daha anlayabilirsiniz. bir sabun baloncuğunun yüzeyindeki garip renkleri herkes görmüştür. bu renkler ışık dalgalarının baloncuğun yüzeyinde kırılması sonucu oluşur. ışığın dalga olduğunu anlamak gayet basit yani. ancak yine de büyük bir sorun vardı. çünkü başka deneylerde de ışığın parçacıklar halinde yayıldığı bulunuyordu. ışığın enerjisi foton adı verilen çok küçük parçacıklarla taşınır. örneğin yüksek enerjili bir ışık kaynağı bir metale doğru tutulduğunda elektronların harekete geçmesini sağlar. bu ışığın parçacık özelliği sayesinde olur. fotoelektrik etki delilen bu olayı albert einstein açıkladı ve nobel ödülü kazandı. ışığın bu özelliğini günlük hayatımızda da kullanıyoruz. mesela güneş ışığı güneş panellerine çarpıyor ve panellerdeki elektronların hareketlenip elektrik oluşturmasını sağlıyor.
şimdi ortada ilginç bir durum vardı. ışık hem dalga hem de parçacık özelliği gösteriyordu. bu bilime tamamen ters bir durumdu çünkü bilimde bir öyle bir böyle diye bir şey olamazdı. demek ki atomların seviyesinde işler çok garip gerçekleşiyor diye düşündü fizikçiler.
aslında bakarsanız bu kuralları bulan fizikçiler bile kuantum dünyasında yaşanan olayları tam olarak anlamıyordu. videonun en başındaki sözün dediği gibi, kuantum fiziğini anladıkça aslında onu anlamaktan uzaklaşıyordunuz. ancak nasıl gerçekleştiğini anlamamak onu kullanmamıza engel olmuyor. örneğin telefonumuzla fotoğraf çekiyoruz ya da internete giriyoruz. ancak bunların hepsi telefonun içinde nasıl gerçekleşiyor tam olarak açıklayamayız. bu olayların nasıl gerçekleştiğini bilmememiz telefonumuzu kullanmamıza engel olmuyor.
peki kuantum ismi nereden geldi?
günlük hayatta olaylar sürekli bir şekilde gerçekleşir. yani saatte 10 km hızla giderken hızınızı artırdığınızda bir anda 20 km’ye çıkmazsınız. hızlanmanız 10’dan 20’ye kadar kademeli şekilde olur. kuantum fiziğinde ise enerji kuant denilen bölümlere ayrılmıştır. elektronlar sadece kuantum denilen enerji düzeylerinde olabilirler. örneğin bir elektrona enerji verdiğinizde aradaki enerji seviyelerini atlayıp direkt olarak sonraki enerji düzeyine sıçrar. bunu şöyle somutlaştırabiliriz. 1 lira 100 kuruşa eşittir. yani 1 lira 100 kuruş olarak kuantize edilmiştir. ya da 1 lira 100 pakete bölünmüştür, bu paketlere kuruş diyoruz. örneğin 10 kuruş harcayabilirsiniz, 11 kuruş da harcayabilirsiniz. ancak 10 buçuk kuruş harcayamazsınız. harcama miktarımız 10 kuruştan bir anda 11 kuruşa sıçrar. 10 ve 11 kuruş arasındaki para miktarlarında örneğin 10,2 kuruş harcama yapamayız. kuantum fiziği de adını kuant denilen bu enerji paketlerinden almıştır.
kuantum fiziği kulağa sadece çok zeki insanların uğraştığı bir şey gibi geliyor. ancak aslında hiç öyle değil. çünkü farkında olmasak da her gün kuantum fiziği sayesinde çalışan bir şeyler kullanıyoruz. en basitinden bu videoyu izlediğiniz telefon ya da bilgisayar kuantum fiziği sayesinde çalışıyor. bilgisayarların çalışmasını sağlayan transistör denilen küçük parçaların içinde silikon elementi vardır. silikon elementi bir yarı iletkendir. yani bazı enerji düzeyinde elektriği iletirken bazı enerji düzeyinde iletmez. hayatımızın her alanında olan bilgisayarlar silikon elementinin bu özelliği sayesinde çalışır.
vücudumuzun içini görüntülemek için kullandığımız mr cihazı da kuantum fiziği sayesinde çalışır. devasa bir elektromıknatıs olan mr cihazı vücudumuzdaki hidrojen atomlarının titreşimlerini değiştirir ve istenilen bölgenin 3 boyutlu bir görüntüsünü elde eder.
kameralar, elektron mikroskobu, floresan lambalar, navigasyon, uydular gibi hayatımızı kolaylaştıran pek çok teknolojinin arkasında bu anlaşılması zor ve ilginç fizik dalı vardır.