Kuantum fiziği, kuantum mekaniği veya kuantum teorisi olarak da bilinen bir fizik dalı. Kuantum, Latince'de "ne kadar" demek. Bu isim kuantum modelinin, bütün olarak görünen bir şeyin aslında ayrık yani parçalar halinde hareket ettiğini ele almasından gelir. Kuantum fiziğinde mekanik hareket demektir. Tıpkı tenis topunun, roketin veya gezegenin hareketi gibi. Kuantum ise evrendeki mümkün en küçük fiziksel parçacıklardır: Yani foton ve elektron gibi moleküller, atomik ve atom altı düzeydeki nesneler. Kuantum fiziği, teknolojiyle iç içe olan modern yaşamımızın çoğunu etkileyen olağanüstü derecede başarılı bir bilimsel teoridir ancak aynı zamanda tam bir deliliktir.
Kuantum Fiziği Nedir?
Kuantum fiziği nedir? Basitçe söylemek gerekirse etrafımızdaki her şeyin nasıl işlediğini açıklayan fizik budur. Maddeyi oluşturan parçacıkların doğası ve etkileştikleri kuvvetler hakkında sahip olduğumuz en iyi tanımdır.
Kuantum fiziği atomların nasıl işlediğini ve dolayısıyla kimya ve biyolojinin işleyişinin temelini açıklıyor. Elektronların bir bilgisayar çipinden nasıl geçtiğini, güneş paneline çarpan ışık fotonlarının nasıl elektrik akımına dönüştüğünü veya bir lazerdeki fotonların nasıl daha güçlü olduğunu, hatta Güneş'in nasıl yanmaya devam ettiğini açıklamak istiyorsanız kuantum fiziğini kullanırsınız.
İşin fizikçiler için zorluğu ve eğlencesi burada başlıyor. Öncelikle tek bir kuantum teorisi yok. Kuantum fiziğinden önce kuantum mekaniği gelmiştir ve ilk olarak 1920'lerde Niels Bohr, Werner Heisenberg ve Erwin Schrödinger gibi bilim adamları tarafından geliştirilmiştir. Burada kuantuma dair her şeyin temelini oluşturan matematiksel tanımlar yapıldı. Tek bir parçacığın veya birkaç parçacık grubunun konumunun veya momentumunun zamanla nasıl değiştiği gibi basit şeyler karakterize edildi.
Fakat kuantumun gerçek dünyada nasıl işlediğini anlamak için kuantum mekaniğinin fiziğin unsurlarıyla birleştirilmesi ve kuantum alan teorisi gibi bir dalın ortaya çıkması gerekti. Kuantum alan teorisi esas olarak Albert Einstein'ın özel görelilik teorisi ile başlamıştır ve bir şeyler çok hızlı hareket ettiğinde (ör. ışık hızında) neler olacağını ele almıştır.
Üç farklı kuantum alan teorisi vardır ve maddenin etkileştiği dört temel kuvvetten üçüyle ilgilenirler: Atomların nasıl bir arada durduğunu açıklayan elektromanyetizma; atom çekirdeğinin kararlılığını açıklayan güçlü nükleer kuvvet ve bazı atomların neden radyoaktif bozunmaya uğradığını açıklayan zayıf nükleer kuvvet.
Bu üç teori yaklaşık son 50 yılda bir araya getirilmiş ve standart parçacık fiziği modeli olarak bilinen bir tanım doğmuştur. Bu modelin pek güvenilir olmadığı düşünülür ancak şimdiye kadar maddenin işleyişini en doğru şekilde tespit eden model bu oldu. Bu model ilk büyük meyvesini 2012'de Higgs bozonu parçacığının keşfini sağlamasıyla verdi. Diğer tüm temel parçacıklara kütlelerini veren ve varlığına dair yorumların 1964 yılına kadar uzandığı bir kuantum alan teorisi parçacığıdır.
Geleneksel kuantum alan teorisi, maddenin en küçük örneklerini inceleyen CERN'deki Büyük Hadron Çarpıştırıcısı gibi yüksek enerjili parçacıklara odaklanan deneylerin sonuçlarını açıklamada yararlı olmuştur. CERN'deki Higgs bozonu bu sayede keşfedildi. Ancak elektronların nasıl katı bir madde üzerinde hareket ettiğini (veya hareket etmediğini) ve böylece bir maddeyi metal, yalıtkan veya yarı iletken kılan unsurların neler olduğunu anlamak istiyorsanız işler bundan daha karmaşık hale gelmektedir.
Bu tarz etkileşimler "efektif alan teorisi"nin doğmasını sağladı. Buna benzer teorileri oluşturmanın zorluğu, katı hal fiziğindeki birçok önemli sorunun hala çözülmemiş olmasıdır. Örneğin, neden bazı maddeler düşük sıcaklıklarda süper iletken davranarak hiçbir elektrik direnci göstermeden üzerlerinden akım geçmesine izin verir ve neden bu özellik oda sıcaklığında elde edilemez?
Tüm bu pratik sorunların altında büyük bir kuantum gizemi yatıyor. Kuantum fiziği maddenin nasıl işlediğini açıklarken gerçek dünyadan tamamen kopuk gibi görünen garip tahminler yapar. Kuantum parçacıkları, hem tek seferde yalnızca tek bir yerde bulunan parçacıklar gibi davranabiliyor hem de dalgalar gibi hareket edebiliyorlar. Uzayın her tarafına yayılabiliyor ya da aynı anda birkaç yerde olabiliyorlar. Kuantum parçacıklarının bize nasıl göründüğü onları nasıl ölçtüğümüze göre değişiyor ve hatta hiç ölçüm yapmazsak hiçbir özellikleri kesin değilmiş gibi görünüyor. Kuantum bizi, evrendeki temel gerçekliğin doğası hakkında muammaya götürmektedir.
Bu belirsizlik, Schrödinger'in kedi paradoksu gibi bir kedinin aynı anda hem ölü hem de hayatta kaldığı kuantum belirsizliklerine yol açmıştır. Ama hepsi bu değil. Kuantum parçacıkları birbirinden uzakta olduğunda bile birbirlerini etkiledikleri görülür. Bu garip fenomen dolaşıklık veya kuantum teorisinin büyük bir eleştirmeni olan Einstein'ın ifadesiyle "ürkütücü uzaktan etkileşim" olarak adlandırılıyor. Bu tür kuantum güçleri bizim gerçekliğimize tamamen yabancı görünür ancak aslında ultra güvenli kuantum kriptografisi ve son derece güçlü kuantum hesaplama gibi yeni teknolojilerin ortaya çıkmasını sağlamıştır.
Ama şu var ki kuantumun veya kuantum fiziğinin ne anlama geldiğine gelince kimse kesin olarak bilmiyor. Bazıları kuantumun klasik dünyamızdan daha büyük olduğunu kabul etmemizi önerirken diğerleri kuantumun yerine daha sezgisel yeni bir teorinin geliştirilmesi gerektiğini düşünmüştür.
Zira kuantum teorisinin hala açıklayamadığı dördüncü bir temel doğa gücü daha vardır: Yer çekimi bugün Einstein'ın genel görelilik kuramı ile açıklanmaya devam ediyor ve bu teori, içerisinde parçacık içermeyen kuantum dışı bir yaklaşıma sahiptir. Yerçekimini kuantum ile uyumlu hale getirmek ve tüm temel fiziği "her şeyin teorisi" ile açıklamak için gösterilen onlarca yıllık çaba bizlere hiçbir sonuç vermedi.
Bunlar olurken kozmolojik ölçümler evrenin yüzde 95'inden fazlasının karanlık madde ve karanlık enerjiden oluştuğunu da keşfetti ve şu anda bunların standart modelde açıklaması yoktur.
Kuantum Fiziğinin Özellikleri
Kuantum fiziğinde parçacık olan dalgalar ve dalga olan parçacıklar, aynı anda hem canlı hem de ölü olan kediler, ürkütücü senaryolu pek çok olay ve daima karanlık bir odada bulunma arzusu gibi tuhaf durumlar söz konusu.
İnsanlık artık tüm maddenin atomlardan oluştuğunu biliyor. Her atomda proton ve nötrondan oluşan bir çekirdeğin yörüngesinde dönen elektronlar var. Ancak 19. yüzyılın sonlarına kadar atomlar hala gerçek bir tartışma konusuydu. Hatta atomların varlığını çürütmeye yönelik çalışmalar vardı. Tüm bunlar Alman fizikçi Max Planck'ın "kara cisim" denen bir sözde ışımanın özelliklerini ve davranışını incelemesine yol açmıştır. 1900'de "çaresizlikle" bulduğunu söyleyeceği şey onu ünlü bir atom bilimcisine dönüştürecekti. Keşiflerinin gerçek anlamı birkaç yılda anlaşıldı.
Max Planck, ışığın kuanta adını verdiği ayrık parçacıklardan oluşuyormuş gibi emildiği ve yayıldığı sonucuna vardı. Albert Einstein 1905'te daha da ileriye gitti. Kendisi kauntanın yani ışınımın, ayrık ışık enerjisi yığınları halinde yayıldığına inanıyordu. Bugün bu yığınlara foton denilir.
Işık Bir Dalga mı Yoksa Parçacık mı?
Ancak Einstein'ın kuantum hipotezi bazı sorular doğurdu. O dönem ışığın dalga olduğuna dair sağlam kanıtlar vardı. Bunun en temel gözlemi "çift yarık deneyi" olmuştur. Işık dar bir açıklıktan veya yarıktan gönderilir ve kenarlara çarptığında bükülür ve dalga gibi genişleyerek yayılır. Yani kırınım geçirir.
Levhada yan yana iki yarık açarsanız ışık bu kez yeni bir desen oluşturur ve buna girişim denir. Yarıklardan geçen ışık düzenli karanlık şeritler meydana getirir ve buna da girişim saçağı adı verilir. Bu tür davranışlar dalgalara özgü olduğundan ışığın dalga olduğu düşünülmüştür.
Ancak dalga doğası gereği genişleyerek farklı bölgelere yayılır yani "yerel" değildir. Işık ise daima tek bir noktada yoğunlaşır yani yereldir. Einstein ışığın parçacık benzeri özelliklerinin de hesaba katılması gerektiğini açıkladı. Yani bu durumda ışık hem dalga hem de parçacık gibi davranıyordu.
1923'te Fransız fizikçi Louis de Broglie iddialı bir öneride bulundu. Eğer ışık dalgaları parçacık olabiliyorsa elektron gibi parçacıklar da dalga olabilir miydi? Başlarda sadece bir fikirdi ancak onu elektronun dalga benzeri özelliği (dalga boyu) ile parçacık benzeri özelliği (momentum) arasındaki ilişkiyi matematiksel olarak göstermeye itti.
Bu buluşu elbette maddenin "dalga-parçacık" teorisi formunda olmamıştır. O keşif, ilk formülasyonunu 1926'da yayımlayan, adına dalga mekaniği diyen ve bugün hala bilim öğrencilerine öğretilen Erwin Schrödinger'e düştü.
Dalga Fonksiyonu Nedir?
Schrödinger'in teorisi Broglie'nin sunduğu ilişkiyi kullanarak ve bazı kuantum koşullarını ele alarak geliştirilen bir klasik dalga teorisiydi. Sonuç olarak, Schrödinger'in dalga denkleminde ışığın içindeki elektron gibi bir parçacığın hareketi dalga fonksiyonuyla hesaplanabiliyordu. Fizikçiler en başından beri Schrödinger'in dalga fonksiyonunu anlamakta zorlandılar.
Klasik fizikte enerji ve momentum gibi fiziksel olarak gözlemlenir olan kavramları yorumlamakta ve bu kavramların nesnelerle ilişkisini açıklamakta çelişki yoktur. Havada sabit hızda uçan bir nesnenin momentumunu, nesnenin kütlesi ile hızını çarparak derhal bulursunuz. Ancak konu boşlukta serbestçe hareket eden bir elektronun momentumu olduğunda işler değişir (çünkü ağırlık söz konusu olmaz).
Kuantum mekaniğinde böyle bir momentum elektronun dalga fonksiyonunda yapılan matematiksel işlemlerle hesaplanabiliyor. Bu tür işlemlere matematiksel tarif denir. Tarif, dalga fonksiyonunu ortaya çıkarır ve gözlemlenebilir özelliklerini bir anlığına bize gösterir.
Parçacıklar Gerçekten Dalga Bibi mi Davranır?
Eğer elektronlar dalga gibi davranıyorsa o halde kırınıma uğramaları gerek. Yani bir elektron ışını yan yana duran iki yarıktan itilirse ötedeki ekranda girişim saçakları oluşacak demektir. Peki ya ışının yoğunluğu azaltılır ve her yarıktan tek seferde tek bir elektron geçirilirse ne olur?
Yarıklardan geçen her elektron karşı ekranda tek birer nokta olarak görünecektir. Elektronlar geçmeye devam ettikçe ekranda rastgele ışık noktaları oluşturur. Yani bize elektronların dalga değil parçacık gibi davrandığını kanıtlamış olacaktır. Ancak daha fazla elektron tanesi yarıktan rastgele şekilde geçtikçe karşı ekranda belirli düzende girişim saçakları oluştuğu görülür.
Çünkü elektronlar rastgele hareket ediyor olsalar da daima belirli bir alanda yoğunlaşmakta ve gitgide birleşmektedir. Ortaya çıkan son görüntü parlak ve koyu saçaklardan oluşan çift yarıklı girişim modelindeki görüntünün aynısıdır.
Bu durumda şu sonuca varılır: Elektronun gösterdiği dalga davranışı içsel bir davranıştır. Her bir elektron kendi başına bir dalga gibi davranır (bu davranış dalga fonksiyonu ile açıklanır). Her bir elektron aynı anda iki farklı yarıktan geçer ve ekrana çarpmadan önce kendisiyle girişim oluşturur.
Öyleyse aynı anda iki yerde ortaya çıkan böyle bir elektronun ekranda tam olarak nerede görüneceğini nasıl biliriz?
Bir Parçacık Aynı Anda İki Yerde Olabilir mi?
Schrödinger dalga fonksiyonunu "madde dalgası" olarak açıklamak istedi. Ancak tek elektronlu girişimi anlamak için 1926'da Max Born tarafından yapılan alternatif açıklamaya bakmak gerekiyor. Born, kuantum mekaniğinde dalga fonksiyonunun karesinin, belirli bir noktadaki ilişkili elektronu 'bulma' olasılığının ölçüsü olduğunu keşfetti.
Rastgele hareket eden bir elektron dalgasının izleyeceği tüm potansiyel yollar kuantum olasılığı modelini meydana getiriyor. Bu modelde bir sonraki elektronun en yüksek ihtimalle nereye varacağı ve nereye varmayacağı bulunur. Kuantum olasılığında bu elektron en yüksek ihtimalle parlak saçakta ve en düşük (bazen sıfır) ihtimalle karanlık saçakta ortaya çıkacaktır.
Bir elektron ekrana çarpmadan önce, dalga fonksiyonunun karesinin sıfırdan büyük olduğu her yerde bulunabilir. Elektronun bu aynı anda birçok konumda var olma olasılığına 'kuantum süperpozisyonu' deniyor.
Bu durum tek bir elektronun aynı anda birden fazla yerde olabileceği anlamına mı geliyor? Aslında öyle değil. Aynı anda birden fazla yerde bulunma olasılığı olduğunu söylemek doğrudur. Ancak eğer dalga fonksiyonunu gerçek fiziksel bir olgu olarak düşünmek istiyorsak elektronun yerel olmadığı veya dağıldığı anlamı ortaya çıkacaktır.
Eğer tek bir elektron derken elektrondan parçacık olarak bahsediyorsak o zaman dalga fonksiyonu ekranla etkileşime girene kadar elektron var olmuyor demektir. O anda dalga fonksiyonu "çöker" ve elektron yalnızca tek bir yerde görünür.
Kuantum Fiziğinde Olasılık Neden Önemli?
Atılan bir madeni paranın yüzde 50 olasılıkla "tura" gelmesi ihtimali vardır. İhtimal deriz çünkü madeni paranın havadaki hareketinin detaylarını o anda göremeyiz ve yere düşmeden önce tam olarak hangi yüzü göstereceğini kesince bilemeyiz. Ancak madeni parayı tam olarak ne kadar güçte ve hangi açıyla çevirdiğimizi ve hangi yükseklikte yakalayacağımızı bilirsek o zaman hangi yüzü göstereceğini de söyleriz.
Kuantum olasılığı bundan çok farklı. Bir kuantum madeni parasını fırlattığınızda yapacağı hareketin ayrıntılarını oldukça iyi bilirsiniz çünkü yer çekimi etkisini düşünmezsiniz. Ancak yukarıdaki elektronda olduğu gibi madeni para daha yere değmeden üzerinde yazı ve tura yüzleri olduğunu kesin olarak varsayamayız.
Yani atılan madeni paraya dair tüm bilgilere sahip olsanız bile sonucun ne olacağını kesin olarak söyleyemezsiniz çünkü kuantumda hiçbir şey klasik sistemde olduğu gibi önceden hesaplanmış değildir. Evrendeki her şey bize göre önceden hesaplanmıştır ve biz yalnızca sonuçlarını gözlemleriz.
Einstein kuantum mekaniğindeki bu saf şans unsuruna dikkat çekerek şu ünlü sözünü söyledi: "Tanrı zar atmaz".
Ardından 1927'de tartışmalar başladı. Dalga işlevi neydi ve nasıl yorumlanmalıydı? Kuantum mekaniği bize fiziksel gerçekliğin doğası hakkında ne söylüyordu? Gerçeklik denen şey aslında neydi?
Kuantum Fiziği Hakkında Sık Sorulanlar
Kuantum fiziği nedir?
Kuantum fiziği, madde ve enerjinin atom ve atom altı parçacıklar gibi çok küçük ölçeklerdeki davranışlarıyla ilgilenen fizik dalıdır.
Heisenberg belirsizlik ilkesi nedir?
Heisenberg belirsizlik ilkesi, bir parçacığın hem konumunun hem de momentumunun aynı anda tam olarak ölçülemeyeceğini belirtir. Bir parçacığın konumu ne kadar kesin olarak bilinirse, momentumu o kadar az kesin olarak bilinebilir ve bunun tersi de geçerlidir.
Kuantum fiziğinde dolanıklık nedir?
Dolanıklık, kuantum fiziğinde iki parçacığın, birbirlerinden uzakta olsalar bile, bir parçacığın özelliklerinin diğer parçacığın özelliklerinden anında etkileneceği şekilde ilişkili hale gelebildiği bir olgudur.
Kuantum tünelleme nedir?
Kuantum tünelleme, kuantum fiziğinde bir parçacığın enerjisi bariyerin yüksekliğinden daha az olsa bile potansiyel bir enerji bariyerinden geçebildiği bir olgudur.
Kuantum fiziğinde süperpozisyon nedir?
Süperpozisyon, kuantum fiziğinde bir parçacığın aynı anda birden fazla durumda veya konumda bulunabildiği bir kavramdır. Örneğin, bir elektron ölçülene ve durumu tek bir enerji seviyesine düşene kadar aynı anda birden fazla enerji seviyesinde bulunabilir.
Kuantum fiziği ile kuantum mekaniği arasındaki fark nedir?
Kuantum fiziği ve kuantum mekaniği birbiriyle yakından ilişkili alanlardır, ancak tam olarak aynı şey değildirler. Kuantum mekaniği, madde ve enerjinin atom ve atom altı parçacıklar gibi çok küçük ölçeklerdeki davranışlarıyla ilgilenen özel bir fizik dalıdır. Parçacıkların davranışlarını ve birbirleriyle ve elektromanyetik alanlarla olan etkileşimlerini tanımlamak için matematiksel bir çerçeve sağlar.
Öte yandan kuantum fiziği, kuantum mekaniğinin yanı sıra kuantum alan teorisi, kuantum bilgi teorisi ve kuantum termodinamiği gibi diğer ilgili çalışma alanlarını da kapsayan daha geniş bir terimdir. Kuantum mekaniğinin temel ilkelerinin ve bunların fiziksel dünyayı anlamamız üzerindeki etkilerinin incelenmesini ifade eder.
Kaynaklar:
