KUANTUM MEKANİĞİ

Mikro-kozmosa baktığımızda atomları görürüz. Atomlar, artı yüklü proton, eksi yüklü elektron ve artı ya da eksi yükü olmayan (nötr) nötrondan oluşur. Protonlar ve nötronlar kümelenerek atomun çekirdeğini oluşturur. Eksi yüklü elektronlar ise, Güneş’in etrafında dönen gezegenler misali, çekirdeğin etrafında döner.

Doğadaki bütün atomlar temel olarak bu üç parçacığın bileşiminden meydana gelir. Bu noktada aklımıza şöyle bir soru gelebilir: Peki ama eğer bütün elementler aynı parçacıklardan oluşuyorsa, bir elementi diğerinden farklı kılan şey nedir?

Elementleri birbirinden farklı kılan şey, içerdikleri proton sayısıdır. Her elementin çekirdeğinde farklı sayıda proton bulunur. Bir elementin sahip olduğu proton sayısı, o elementin atom numarasını oluşturur. Örneğin, eğer tek bir proton içeren bir atom çekirdeği varsa karşımızda, atom numarası 1 olan hidrojenden bahsediyoruz demektir. Eğer bir çekirdek içinde yirmi altı proton kümelenmişse, karşımızdaki elementin demir olduğunu anlıyoruz. Yetmiş dokuz proton varsa, altın.

Bir atom tek başına ele alındığında herhangi bir elektrik yükü içermez. Bu nedenle, bir atomun elektrik yükünü sıfırlayabilmesi için, içerdiği her artı yüklü protona karşı bir elektron içermesi gerekiyor; yani proton sayısına eşit sayıda elektrona sahip olması gerekiyor. Örneğin, yukarıda bahsettiğimiz hidrojen atomu tek bir proton içerdiğine göre, bu artı yükü sıfırlayabilmesi için tek bir elektrona sahip olması yeterli oluyor. Eğer yukarıda sözü geçen yirmi altı protonlu demir atomunu ele alırsak, cevabı basit: yirmi altı elektrona sahip olmalı ki, toplam elektrik yükü sıfırlanabilsin.

Eğer bir atomun sahip olduğu elektron sayısı proton sayısından farklıysa, tahmin edebileceğiniz gibi atom belli bir elektrik yüküne sahip olur. Elektrik yüküne sahip bu tür atomlara “iyon” adı verilmiş. Elektron sayısı proton sayısından fazla ise, oluşan eksi yüklü iyona, Yunanca ‘yukarı’ anlamına gelen (elektron sayısının fazla olduğunu belirtmek için) “anyon” adı verilmiş. Eğer elektron sayısı proton sayısından az ise, oluşan artı yüklü iyona Yunanca ‘aşağı’ anlamına gelen “katyon” adı verilmiş.

Atomların sahip olduğu elektron sayısı malzemelerin özelliklerini anlamamız açısından büyük önem taşır. Çünkü iki ya da daha fazla atom bir araya geldiğinde birbirleriyle ne tür bir etkileşim içinde olacakları, sahip oldukları elektron sayısı ile belirleniyor.

Atom altı parçacıkları tek başlarına ele aldığımızda, bu parçacıklarda elementleri birbirinden ayırmamızı sağlayacak herhangi bir fark göremeyiz. Elektron da, proton da, nötron da doğadaki bütün atomlarda hep aynıdır. Ama bu parçacıkların belli bir sayıda bir araya gelmesiyle ortaya çıkan atomun, doğadaki her element içinde farklı olduğunu görürüz. Bu sayede kâinatta çeşitlilik oluşur; fakat aslında her şey, aynı şeydir.

Varlığın evrensel ve tümel birliğini ve aynılığını daha iyi anlamak için daha derinlere bakmamız daha iyi olacaktır. Bu nedenle atomaltı kuarklar dünyasına isterseniz bilim insanlarının gözüyle bakalım.

Bu konuda bilimsel çalışmaları yakından takip ederek benim gibi konuya ilgi duyan fakat bu alanda akademik eğitimi olmayan insanların anlayabileceği basitlikte konuları anlatıp paylaşan  “https://www.evrenbilim.com/kuantum-mekanigi/” web sayfasından yararlandım.

Kuantum mekaniği atom altı parçacıkların davranışlarını açıklamak için hazırlanmış bir kuramdır ve modern dünyamızdaki birçok deney kuantum mekaniği yasalarının öngörülerini doğruluyor. Kuantum mekaniğinden önce maddenin yapıtaşlarına bakalım.

Ortaokul yıllarındaki fen bilgisi derslerinden hatırlayacağımız gibi maddenin en küçük yapıtaşı atomdur. Ancak atom da kendi içinde daha küçük şeylerden oluşur. Bunlar çekirdeğin etrafında dönen elektron ve çekirdeği oluşturan proton ve nötrondur. Elektron kendinden daha küçük bir parçacıktan oluşmadığından temel parçacık olarak sınıflandırılır. Proton ise kuark adındaki nesnelerden oluşur. (şekil 148)

Proton ve nötronları oluşturan kuarklar da elektronlar gibi temel parçacıklardan biridir. Kuarkları bir arada tutan şey ise gluondur. Gluon kuark gibi maddeyi oluşturan bir parçacık değildir. Gluon fiziğin dört temel kuvvetinden biri olan güçlü etkileşimi taşıyan parçacıktır. Kısaca gluonlar kuarkları, protonları ve nötronları bir arada tutan güçlü etkileşimi taşıyan parçacıklardır.

Kuantum sıçraması bir elektronun atom çekirdeği etrafındaki yörüngesindeyken daha düşük enerjili (atom çekirdeğine daha uzak) bir yörüngeye sıçramasıdır. Ancak bu sıçramanın gerçekleşmesinin bilinen bir sebebi yoktur. İlginç bir şekilde, elektron yörünge değiştirirken iki yörüngenin arasında bulunmaz. Yani, yolda yürürken birden kendinizi Everest’in eteklerinde bulmanız gibi bir şeydir.

Çift Yarık Deneyi

Fizik dünyasında ‘çift yarık deneyi’ adında ünlü bir deney vardır. Bu deney hala oldukça şaşırtıcıdır; çünkü parçacıklar hem parçacık gibi hem de dalga gibi davranırlar. Şekil 149a’da olduğu gibi çift yarıktan herhangi bir madde attığımızda, top veya başka bir şey, yarıkların arkasındaki ekranda iki çizgi halinde değdikleri yeri görürüz. Çift yarık deneyini tuhaf yapansa yarıklardan elektron gönderildiğinde olanlar. Çünkü beklenildiği gibi, elektronlar yarıkların arkasında iki çizgi değil, Görsel 149b’deki gibi bir görüntü oluştur. Bu da fotonların dalga halinde ekrana yansımasıyla aynıdır. Yani elektronlar, hem parçacık gibi hem de dalga gibi hareket edebiliyorlar.

Kuantum Teorisi Ölçümleme Problemi

Yukarıdaki deneyde elektronların hareketlerini kaydetmek için yarığın iki yanına da kameralar konuyor; fakat böyle yapıldığında ilginç bir şeyler oluyor. Elektronlar, kameralar olunca dalga gibi değil parçacık gibi davranıyorlar ve beklenildiği gibi yarıkların ardındaki ekranda iki çizgi oluşturuyorlar. Yani elektronun davranışını ölçümlemeye çalışmak, onun dalga gibi davranmasını engelliyor.

Kamera Karşında Değişen Elektron:

Üstdüşüm Özelliği

Üstdüşüm ilkesine göre bir elektron biz gözlemlemiyorken, bulanabilceği tüm noktalarda aynı anda bulunabilir. Biz gözlemlediğimizde ise üstdüşüm ilkesi çöker. Şekil 150’de olduğu gibi kamera kapalıyken elektron birden fazla yerde aynı anda bulunabilir. Ama kamerayı açtığınızda elektron tek bir yerde bulunmayı seçer. Bu yüzden yukarıdaki çift yarık deneyinde dalga gibi hareket etmeyi bırakıp parçacık gibi hareket eder.

 Elektronun Ölçümlenmesi

Gözlemlemek, elektronun dalga gibi hareket etmesini engeller. Elektron, üstdüşümü yani aynı anda birden fazla yerde bulunmayı bırakıp tek bir noktada bulunmayı seçer.

Schrödinger’in Kedisi Örneği

Elektronun bu farklı davranışıyla ilgili Erwin Schrödinger’in ünlü örneğine bakalım. Schrödinger’in örneğinde bir kutunun içine bir kedi ve kediyi %50 ihtimalle öldürecek bir radyoaktif madde konur. Kutuyu açana kadar kedinin ölüp ölmediğini bilemeyiz. Eğer kedi, üstdüşüm ilkesini kullanan bir elektron gibi davransaydı, kutu kapalıyken aynı anda hem ölü hem de canlı olurdu. Çünkü üstdüşüm ilkesine göre olabileceği tüm durumlarda aynı anda olurdu.

Kutuyu açtığımızda üstdüşüm ilkesi çöker ve kediyi ya ölü ya da canlı görürüz. Bizim mantığımıza çok uygun olmasa da, kuantum fiziği böyle çalışır.

Elektronlar, Zaman Yolculuğunda Mı?

Bilim insanları elektronların tuhaf davranışlarını anlamak için çalışmaya devam ettiler. Çift yarık deneyinde, yarıkların olduğu levha ve elektronların yansıdığı ekran arasına kamera koydular. Neden? Çünkü elektronlar çoktan yarıktan geçmiş ve dalga şeklinde hareket etmeye başlamış olacaklardı.

Olmadı! Elektronlar yine parçacık şeklinde hareket ettiler ve ekrana sadece iki çizgi halinde yansıdılar. Tuhaf olanı? Ortamdaki kameralar kapatıldığında yeniden dalga gibi hareket ettiler. Bilim insanları elektronların üstesinden gelebilmek için, parçacıkların bir kısmı çift yarıktan geçene kadar kameraları kapalı tuttular. Böylece hem parçacıklar yarıklardan geçmiş, hem de kameralar kapalı durumda olacaktı. Parçacıkları yolu yarılamış ve ekrana düşmek üzerelerken kameralar açıldı ve bum! Üstdüşüm yine çöktü ve yeniden dalga yerine parçacık gibi hareket etmeye başladılar.

Bunun sebebi elektronların zaman yolculuğu yapması mı? Hayır! Kameralar kapalı olduğunda, bir elektron dalga gibi hareket edip iki yarıktan da aynı anda geçiyordu. Ama kameralar açıldığında, tek bir yarıktan geçmiş gibi davranıyorlardı ve diğer yarıktan geçtiğine dair tüm izler siliniyordu.

Özetle; gözlemleme veya ölçümleme parçacıkların davranışlarını etkiler.

Kuantum Dolanıklık

Kuantum dolanıklığındaki iki parçacık, birbirlerinden konumlarından bağımsız ve eşzamanlı haberdar olurlar. Örneğin parçacıklardan birinin üstdüşümü çöktüğünde aralarındaki mesafe fark etmeksizin diğerininki de çöker. Bu durumu ilginç kılan şey de Einsten’ın özel görelilik teorisiyle evrende hız limiti olarak kabul ettiğimiz ışık hızından daha hızlı bir iletişim gerçekleşmesidir.

Kuantum Tünelleme

Kuantum tünellemeye göre bir parçacık geçememesi gereken bir engeli dalga gibi davranabilme özelliğiyle geçebiliyor. Güneş‘in yanmasından da kuantum tünelleme sorumludur. Hidrojenler yanarak daha ağır atomları oluştururlar.

Hidrojenin çekirdeği pozitif yüklü protonlardan oluşur. Yani ikisi de aynı yükte olduğundan (daha ağır atomları oluşturmak için) birleşmek bir yana, birbirlerini geri tepmeleri gerekir. Ama parçacıkların dalga gibi davranabilme özelliği sayesinde aradaki engel aşılabilir ve iki hidrojen yan yana gelebilir. Böylece daha ağır bir atom oluştururlar ve bu esnada çıkan yüksek enerji sayesinde de Güneş yanmaya devam eder.[1]

Gelecekte Kuantum Teorisi

Kuantum teorisinin öngörüleri hep doğrulandığından karşımızda inkâr edilemez bir gerçek gibi duruyor. Endüstriyel üretim teknolojisini ve insanlığın geleceğini etkileyecek boyutlara ulaşması kaçınılmaz. Bilim insanlarının geleceği ile ilgili çıkarımları:

• Bilgisayarlar teknolojisi çoktan bir parçacığın aynı anda birden fazla konumda bulunabileceğini öngören kuantumdan yararlanmaya başladı. Bu sayede bilgisayarlarda eşzamanlı birden fazla işlem yapılabilmesine olanak sağlanıyor ve bu da bilgisayarların gücünü inanılmaz derecede arttıracak. Google’un ilk kuantum bilgisayarı sıradan bir bilgisayardan 100 milyon kat daha güçlü.
• Kuantum dolanıklığı kullanarak bilim insanları sıradan parçacıkları ışınlamayı başardılar. Dolanıklık içerisindeki iki parçacıktan biriyle etkileşime geçen diğer bir parçacık, dolanıklığın diğer tarafındaki parçacık tarafından da kopyalanır. Kopyalanırken de dolanıklığın diğer ucundaki parçacık yok olur. Fakat burada iki temel sorun var. İlki, bu deneyin sadece tek bir parçacık üzerinde gerçekleştirilmiş olması, insan gibi büyük bir obje için ne gibi sonuçları olabilir? İkincisi ise ışınlanan parçacığın en baştaki parçacık mı yoksa onun mükemmel bir kopyası mı olduğunu bilemememiz.
• Einstein’ın genel göreliliği ve kuantum teorisi, fiziğin en başarılı iki teorisidir; fakat birbirleriyle uyumsuzlardır. Kuantum teorisi, uzay-zamanı kuantum parçacıklardan oluşur görürken; genel görelilik uzay-zamanın tek bir bütün olduğunu kabul eder. Sicim teorisi ise bu uyumsuzluğu çözmeye ve evrendeki tüm güç ve madde için tek bir teori yani her şeyin teorisini oluşturmayı amaçlar.

Kuantum Fiziğinin İlginç Özellikleri

1. Bir Parçacık İki Yerde Olabilir

Kulağa gerçekten de çok tuhaf geliyor. Ama gerçek bu. Gözlem yapılmadığı takdirde iki yarıklı bir levhadan geçen parçacıklar, aslında iki yarıktan da aynı anda geçiyor. Bunu ise yarıklardan geçtikten sonra diğer tarafta bıraktıkları desene bakarak anlıyoruz.

Bu, aynanın karşısındaki bir insanın aynada yansıyarak çoğalması ve ayrı bir varlık ve benlik kazanmasına benziyor. Yokluk bir aynadır ve sonsuz çoğalma gerçekleşebilir. Evren bir özün sonsuz çoğalmayla töze dönüşmesidir.

2. Bir Parçacığın Yerinden Asla Emin Olamazsınız

Kuantum fiziğine göre bir parçacığın hızını ve konumunu aynı anda bilemezsiniz. Eğer konumu hesaplamak isterseniz hızını doğru şekilde hesaplayamazsınız. Hangi hızda gittiğini öğrenmeye çalıştığınızda ise konuma dair bilgiye ulaşamazsınız.

3. Gözlem Güçlü Bir Etkendir 

Schrodinger’in Kedisi düşünce deneyi kuantum fiziğinin çelişkili dünyasını anlamak için iyi bir örnektir. Gözlem o kadar güçlüdür, neredeyse evreni belli bir yöne sevk eden etkendir. Bu deneyde kutunun içine bir kedi ve kediyi %50 öldürme riski olan radyoaktif bir madde koyarsınız. Kedinin bu deney sonucunda %50 yaşama şansı vardır. Ancak siz kutuyu açana kadar kuantum fiziğine göre kedi aynı anda hem ölüdür hem de canlıdır. Ama kutuyu açtığınızda evreni bir seçim yapmaya zorlarsınız ve kedi ya ölür ya da yaşamaya devam eder. Bu da bilinçli gözlemin önemini gösterir.

4. Ölçme Sorunu

Bu, yukarıdaki duruma verilen resmi isimdir ve ölçmenin ne kadar büyük bir etkiye sahip olduğunu gösterir. Terminolojisiyle söylersek bu dalga işlevinin çökmesiyle alakalıdır. Yani ölçme yapılması durumunda diğer olasılıkların tek bir olasılığa çökmesi durumu.

5. Birden Sanal Parçacıklar Ortaya Çıkabilir

Boş uzayın tamamen boş ve vakum durumunda olduğunu düşünebilirsiniz. Ama yeterince küçük ölçeklere bakılırsa uzayı oluşturan kuantum köpüklerinin görülebileceği düşünülüyor. Bazen evrenden enerji ödünç alan parçacıklar ortaya çıkar ve kaybolmaları da bununla bir olur. Düzenli olarak parçacıklar ortaya çıkarlar ve  birden kaybolurlar.

6. Kara Delikler Tamamen Kara Değildir

Kara deliklerin her şeyi yuttuğunu biliyoruz ama bir istisnası var. Bir parçacık ve onun anti-parçacığı eşleştiğinde, anti-parçacık kara deliğin olay ufkunun diğer tarafında kalabilir. Bu durumda kara delik de asıl parçacığı uzaya saçar.

7. Kuantum Tünelleme

Kuantum fiziği, standart fizikle zıtlaşmayı seviyor. İsminden de anlaşılacağı gibi bu fenomen, parçacığın normalde aşamayacağı bir engeli bir tünel vasıtasıyla aşması anlamına gelir. Bu keşif radyoaktif çözülme gibi alanları anlayabilmek için çok önemliydi. Bu fenomen belirsizlik veya parçacık/dalga ikililiğinden meydana gelir.[2]

[1] https://www.evrenbilim.com/kuantum-mekanigi/

[2] https://www.evrenbilim.com/kuantum-mekanigi/