Kuantum Diyarı

Aynı anda hem İstanbul’da hem Ankara’da olabilir misiniz? Peki, doğum gününüzü aynı anda evde ailenizle ve dışarıda arkadaşlarınızla birlikte kutlayabilir misiniz? Aynı anda, uçakla Tübitak Ulasal Gözlemevi’nin etrafında manevra yaparak seyrederken Mars yüzeyinde hoplayıp zıplayabilir misiniz? Muhtemelen sorulara “hayır” diye cevap verdiniz. Tebrik ederim, ayaklarınızı bastığınız yere gayet uygun bir beyine ve psikolojiye sahipsiniz.(Herhangi birine “evet” diyenler, hemen bir doktora görünsün, durum vahim!)

Bu soruları neden sorduğumu “kuantum mekaniği” ile tanışınca anlayacaksınız. Size tavsiyem sağduyularınızı bu yazıyı okuyup bitirene kadar bir köşeye kaldırın. Çok zevkli bir konuya değiniyoruz. Fiziğin en eğlenceli konularından birine, okulda anlatılanların ve çoğu kişinin adını duymaktan hiç haz almadığınız fiziğin eğlenceli kısmına.

Kuantum ve mekaniği

Öylesine zenginsiniz ki; istediğiniz mağazadan kıyafet alabilirsiniz. Mağazaya girip kıyafet seçmeniz, bedeninize uygununu yetkiliden istemeniz ve beğenirseniz ödemenizi yapmanız ona sahip olmak için yeterli.

Parçacıkların enerjilerine bakıldığında kafalarına göre değer almadıkları ortadır. Daha da açacak olursak, bir arkadaşımız kıyafet alırken “benim bedenim 38,6798” diyip bu bedende bir kıyafet alamaz. Bedenler 35, 36, 37 diye tam sayılar halinde gider. Yani “kuantize” durumdadır. Kuantum olayı buradan geliyor.

Kuantum kuramında parçacıklar klasik kuramdaki gibi doğrudan 3 konum ve 3 momentumla tanımlanmak yerine bir “dalga fonksiyonu” ile tanımlanırlar. Bu dalga fonksiyonu parçacığın bütün bilgisini içinde barındırır. Dalga fonksiyonuna uygun sorular sorularak gerekli bilgi alınır. Örnek verecek olursak, konum bilgisi için dalga fonksiyonuna “parçacık nerede?” sorusunu sorarsanız, o size parçacığın soruyu sorduğunuz anda nerede olabileceğini söyler. Buradaki kritik nokta olabilirliktir. Bu, dalga fonksiyonunun bir de “olasılık fonksiyonu” olarak anılmasına neden olmaktadır.

kuantum1

Mekanik olayı ise çorbanın tuzudur diyebiliriz. Mekanik; çeşitli kuvvetlerin etkisindeki cisimlerin hareketlerini ve bu hareketin sonuçlarını inceler. Arabalar, asansörler gibi birçok hareketli cismin mekanik davranışları incelenebilir.

Komşu kızı

Komşu kızına göz koyup, gizli gizli haberleşmeler Türk Sineması’nın vazgeçilmezlerinden biridir. Bu filmlerden esinlenerek bir senaryo yazalım: Erkeğimiz gitsin ve bahçe duvarında kızın camını gören bir yarıktan küçük bir taş atarak kızla muhabbet için ilk adımı atacak olsun.

Duvar üzerinde bulunan ve kızın penceresini gören yarığın hemen yanında bir yarık daha olsun. Bu yarık da kızın babasının olduğu odayı görüyorsa, oradan hiç taş atmamak gerekir. (Aklı olan da atmaz zaten.)

İngiliz fizikçi Thomas Young, 1805 yılında bir deney tasarladı. Bu deneye göre bir ışık kaynağımız, onun hemen önünde iki adet yarıktan oluşan engel ve onun da önünde ışığın yansıdığı bir perde bulunuyor.

kuantum2

Işık önünde tek yarık olsaydı perdede tek bir çizgi oluşması beklenirdi. Ancak burada iki adet yarığımız olduğuna göre iki çizgi mi oluşur? Hayır. Perdede bir girişim deseni belirir. Bunun sebebi iki yarıktan da geçen ışığın birbiriyle girişim yapmasıdır. (Şimdi derin bir nefes alın!) Bu girişimin olması için de ışığın aynı anda iki delikten de geçmesi gerekir, yoksa perdede girişim deseni oluşmaz!

Yani kuantum mekaniğine göre; filmimizdeki Türk erkeği, üzerinde iki adet yarık bulunan duvardan; kızın penceresini gören yarığa doğru taş atsa, o taş aynı anda iki delikten de geçerek, hem kızın penceresine hem de kızın babasının penceresine çarpacak şekilde atılmış olur. Tabi babası çifteyle erkeğimizi aramak için yollara düşse bile bizim erkeğimiz istatistik olarak aynı anda bütün sokaklardan kaçabilir! Aynı mantıkla babası da tüm sokaklarda aynı anda onu kovalayabilir, bunu da unutmamak gerek. Kuantum mekaniğinde bile babadan kaçış yok.

Yahu bu ışık, parçacık mı dalga mı?

Dalga diye balıklama atlayanlarımız olmuştur. Ne de olsa Thomas Young bunu ispatladı değil mi? Bu konu hakkında, Christian Huygens’ın çalışmaları ile ilgili de bir şeyler okumuşsunuzdur. Ama avucunuzu yalayın!

Newton, ışığın foton adını verdiği parçacıklardan oluştuğunu söyler. Bunu ispatlamak için kırılma, yansıma gibi deney düzenekleri hazırladı. Parçacık-Dalga düellosunu kızıştıran insanlar arasında yerini aldı.

Albert Einstein “fotoelektrik” olayı ile ışığın tanecikli yapısını kanıtladı. Nobel Ödülü kazanmasına sebebiyet veren çalışma da fotoelektrik olayıdır. Fotoelektrik olayını anlatmadan önce parçacık ve dalgayı anlamaya çalışalım isterseniz.

Ses dalgaları olsun ışık dalgaları olsun (arkadaşlarınızla geçtiğiniz dalgalar olmasın), ortak özellikleri vardır. İlköğretim, lise ve üniversite de bize hep anlatılır bu ortak özellikler. Dalga boyu, genlik, frekans…

Öncelikle frekanstan başlayalım. Frekans, saniyede oluşan dalga sayısını belirten tanım olup, birimi 1/s’dir. Bu birim Hertz biriminin dengidir.

Dalga boyu, ard arda gelen iki tepe noktası veya iki çukur noktası arasındaki uzaklıktır. Dalga boyu arttıkça frekans azalır.

Genlik, bir dalganın ulaştığı maksimum yükseklik veya derinlik olarak tanımlanır.

Hız, dalganın birim zamanda aldığı yolu belirtir. Elektromanyetik dalgalar boşlukta ışık hızında hareket ederler. Ama hava veya başka bir ortama girdiklerinde daha düşük hıza sahip olurlar.

Fotoelektrik olayı

Metal yüzeye düşürülen ışık ışınları ile elektron koparılması olayına deniyor “fotoelektrik olay”.(Işık ışınları yüksek enerjili dalga boyuna sahip olmalı, düşük enerjili dalga boyuna sahip ışık ışınları kıpırdama dahi yaratmaz.) Koparılan elektronlara da “fotoelektron” deniyor.

Elektron koparabilmek için ışımamızın belirli bir dalga boyuna sahip olması gerekiyor ve tabi bu da sabit değil. Yani demek istediğim, örnekle açıklayacak olursak, potasyumdan elektron sıçratabilmek için mavi ışık yeterli gelirken, bakır levhadan elektron sıçratabilmek için mor ötesi bir ışıma gereklidir.

Yapılan deneysel çalışmalarda da ışık şiddetini arttırdığımız zaman elektronun hızının değişmediği, koparılan eş hızlı elektron sayısının değiştiği gözlendi.

Olay deneysel olarak Heinrich Rudolf Hertz tarafından gözlemlenmişti ancak klasik fiziğin kollarında yaşıyordu. Albert Einstein ise bu olayı klasik fiziğin kollarından alıp modern fiziğin kollarına fırlattı. Kabul etmeliyiz ki, bu fırlatma biraz sert oldu.

Bakmak ya da bakmamak, işte bütün mesele bu

Şimdi konuyu biraz daha toparlayalım. Işığın dalga mı yoksa parçacık mı olduğunu açıklıyorum! Işık, hem parçacık hem dalgadır. (Aynı anda iki özelliği birden göstermez, ya tanecik özelliğini gösterir, ya dalgacık) Yani “ışık parçacıktır” veya “ışık dalgadır” diyen bilim insanlarımızın hepsi doğru söylüyor.

Her şey yaptığımız gözlem ile değişiyor. Işığa bir dedektör ile bakmazsak dalga gibi davranıyor. Işığın şiddetini iyice kısıp, tek bir foton gönderdiğimizden emin olsak bile perde de bir girişim deseni beliriyor. Bu desen de ışığın bir dalga olduğunu kanıtlıyor. Çünkü girişim yapmaksızın böyle bir örüntü oluşması imkânsız.

Biz ışığı bir dedektör ile gözlemeye kalkışırsak bir anda parçacık oluyor. Dalga halinden utanıyor olsa gerek.

Yazının başında, sağduyularımızı yazı bitene kadar bir köşeye kaldırmamızı söylemiştim. Umarım tavsiyeme uyuyoruzdur. Çünkü şimdi daha da ilginç kısımlara geliyoruz. Werner Heisenberg, Erwin Schrödinger, Richard Feynman ve John Wheeler’ı çok seveceksiniz.

Heisenberg belirsizlik ilkesi

1927’de Göttingen Üniversitesi’nden Werner Heisenberg, bir parçacığın konumunu ne kadar iyi bilirsek hızını o kadar az bileceğimizi, aynı şekilde hızını ne kadar iyi bilirsek konumu o kadar az bileceğimizi gösterdi. Bunun yanı sıra eğer bir parçacığın yerini tam olarak biliyorsak hızını hiçbir şekilde kestiremeyeceğimizi ortaya koymuş oldu.

Parçacığın hızını bulmak için onunla bir fotonu çarpıştırmamız gerekir. Bunu çok hassas bir şekilde ölçmek için uzun dalga boylu bir foton kullanmamız gerekir. Çünkü uzun dalga boyuna sahip bir foton, parçacığa sert bir darbe indirip onun hızında fazla bir değişiklik meydana getirmeyerek belirli bir hata payı ile hızı hakkında bilgi sahibi olmamızı sağlar.

Parçacığın konumu bulmak istiyorsak da kısa dalga boyuna sahip bir foton kullanmamız daha doğru olur. Kısa dalga boyuna sahip fotonlar yüksek bir enerjiye sahiptir. Dolayısıyla parçacığa şiddetli bir darbe indirerek konumu hakkında belirli bir hata payı ile bilgi sahibi olmamızı sağlar. Ancak meydana getirdiğimiz bu darbe hızının ne olduğu konusunda bizi cahilleştirir.

Parçacığın kütlesi büyüdükçe konumunu ve hızını ölçme kabiliyetimiz gelişir. Ancak ne var ki parçacığın kütlesi büyüdükçe de ömrü kısalır. Parçacığın hızının ve konumunun belirsizliği kuantum mekaniğinde temel bir niteliktir.

Schrödinger’in zavallı pisisi

1935’de Avusturyalı fizikçi Erwin Schrödinger, ileride “psikolojisi bozuk muydu?” Diye kendisiyle gırgır yapacak insanları düşünmeden canice bir deney, paradoks tasarladı.

Bu deneye göre kapalı bir kutumuz var. Onun içerisinde de canlı bir kedimiz, zehrimiz ve bozunma olasılığı %50 olan bir atomumuz var. Eğer atomumuz bozunursa zehrimiz kutunun içinde dans etmeye başlayacak ve kediyi öldürecek.

Atomumuzun bozulma olasılığının yarı yarıya olmasının sebebi ne olacağı hakkında bir şeyler söyleyemememizin sağlanmasıdır. Kutuyu açmadan gerçeği göremeyiz yani. Kutuyu açtığımızda da kedimiz ya ölü olacaktır ya da diri.

Deneyin paradoks olmasının sebebi ise kutuyu açmadan önce içeride neler olduğudur. Kutumuzu açmadan önce kedimiz canlı mı yoksa ölü müydü? Kuantum mekaniğine göre hem ölü hem canlıydı.

Düşünsenize, o deneyi yapsaydı gerçekten Scrödinger ve kedi sağ çıksaydı, kedimiz Schrödinger’den daha ünlü olurdu herhalde.

Richard Feynman’a da bakın siz

1948’de Cornell Üniversitesi’nde olan Richard Feynman, çift yarık deneyinde herkesten farklı bir şey gördü. Bana kalırsa en yaratıcı düşünce tacını Richard Feynman’a veririm.

Çift değil de, üç yarık açsak ne olur? Hadi kırmayalım sizi; dört, beş, altı, yedi… Ne kadar yarık olursa elektron dalgamız o kadar yarıktan geçmek zorunda kalır. Yarık aça aça bütün perdemizi parçalasak ve artık perde diye bir şey kalmasa ne olur? Elektronumuz o boş dediğimiz her noktadan dalga fonksiyonunun olasılıkları dahilinde geçmek zorunda kalır.

Buradan Feynman’ın çıkardığı sonuç, parçacıkların izlediği herhangi bir yol yoktur, dalga fonksiyonunun belirlediği olasılıklar dahilinde bütün yollardan giderler.

Ne yaptın sen Wheeler?

Wolf ödülüne sahip John Wheeler, 1978 yılında ilginç bir düşünce deneyi tasarladı. Gecikmiş seçilim deneyi(delayed choice experiment) insansı duygularımızla fazlasıyla oynuyor. Işığın hem parçacık hem de dalga gibi davranabileceğini artık biliyoruz. Wheeler bu özellik sayesinde fotonlar ile adeta oyun oynayacağı bir deney tasarlamış.

Wheeler, çift yarık deneyini geliştirdi diyebiliriz. Çift yarıklı perdemizin arkasındaki projeksiyon perdesini indirilip kaldırılabilir şeklinde tasarladı. Hemen onun arkasına da yarıkları gören dedektörler ekledi. Yani önde perde varken ışığımız dalga, perdeyi hop yukarı kaldırdığımızda ışık parçacık. Peki, biz bu hareketli perdemizi, ışık kaynaktan çıkıp yarıktan geçtikten sonra yukarı kaldırırsak ne olur?

Işık yarıklardan geçtikten sonra perdeyi kaldırırsak (yani ışık dalga iken) dalga gibi davranan ışığımız biranda parçacığa dönüşür. Dedektörlerimiz sayesinde fotonun hangi yarıktan geçtiğini öğrenmiş oluruz. Perdeyi kaldırmazsak, ışık dalga gibi davranır ve ışık ışınımız iki yarıktan birden aynı anda geçerek girişim yapar ve projeksiyon perdesinde girişim deseni görürüz.

Yarı yolda tüm gerçekleri değiştirebiliriz. Perdeyi kaldırdığımız an iki yarıktan birden geçmiş olduğuna emin olduğumuz ışığımızın, tek yarıktan geçtiğini görürüz. Bu olay, sanki ışığımız geçmişe dönüp, bir yarıktan geçmiş parçacık olmayı veya iki yarıktan aynı anda geçmiş olan bir dalga olmayı seçiyor gibidir.

Sonuç

Sonuç olarak diyebiliriz ki, kuantum dünyasında bakmak ya da bakmamak her şeyi değiştiriyor. Fotonlar hem parçacık oluyor hem de dalga ve biz nasıl olduğunu bilemeden anında kılık değiştiriveriyorlar.