Bir Garip Kuantum Dünyası

Hepimizin sıkça duyduğu fakat çoğumuzun anlamadığı bir kavramdır Kuantum. Kuantum Fiziği ve Kuantum Düşünme Tekniği olarak da bu kavramı duymaktayız.

❗️Ancak Kuantum Fiziği ile Kuantum Düşünme Tekniği aynı şeyler değildir.

Kuantum | Kelime Anlamı

Latince “Quanta” kelimesinden türemiştir, “Ne kadar?” anlamına gelir.

Teknik bilgileri bir kenara bırakırsak aslında kelimenin; miktar, nicelik bildiren bir kavram olduğunu söyleyebiliriz.

Buraya kadar her şey normal görünmektedir. Yalnız kuantum dünyasının kapısını araladığımızda orada olanlar bizim klasik algımızın sınırlarını oldukça zorlamaktadır. Kuantum fiziğini anlamaya çalışmadan önce klasik fizikten kısaca bahsetmemizde yarar var.

Klasik Fizik

Klasik Fizik, Newton Fiziği olarak da tanınır. Çoğu kişi bu şekilde bilse de Klasik Fizik genel anlamda makro sistemleri ölçen fizik yasalarından oluşmaktadır. Mekanik, termodinamik, elektrik, optik, titreşim gibi fizik konularını içeren doğa olaylarının gizemini anlamaya ve çözmeye çalışan fiziktir. Bu kelimelerin hayatımızdaki karşılıkları ise; hareket, sıcaklık, elektrik, ışık ve ses’tir.

Klasik Fizik, makro sistemler yani büyük sistemlerde son derece iyi çalışmaktadır. Örneğin; yıldızları, galaksileri ve gezegenleri inceleyen fiziktir. Yalnız mikro sistemlere indiğimiz zaman Klasik Fizik bazı olayları açıklayamamaktadır. Mesela evreni anlamamız için öncelikle maddeyi anlamamız gerekmektedir. Maddeyi anlamak için ise maddenin kalbi olan atomların davranışlarını bilmeliyiz. Hatta atomların derinine inmeliyiz. Kuantum Fiziği işte bu noktada devreye girer ve işlemeye başlar.

Klasik Fizik | Süreklilik

Niels Bohr, atomların çekirdeğinin etrafında dönen elektronların hareketini gözlemlediği zaman elektronların güneş sisteminin aksine her yörüngede değil belirli yörüngelerde döndüğünü gördü. Yani elektronların davranışında kesikli ve süreksiz durumlar hakimdi.

Klasik Fizikte ise süreklilik esastır. Elektronların bu davranışlarında yaptığı süreksizliği klasik fizik açıklayamamaktadır. Klasik fiziğe göre her şey kusursuz ve nettir. Bir nesnenin hareketini önceden tahmin edebiliriz, sonuç bellidir ve gözlemciden etkilenmez.

Kuantum Fiziği | Olabilirlik

Kuantum Fiziğinde ise olabilirlik hakimdir. Yani bir elektronun yerini kesin olarak bilemeyiz. Sadece olasılığını hesaplayabiliriz.

Tarihçe

Kuantum Fiziği, 1900’lü yıllarda ortaya çıkmış ve gelişmeye hızla devam etmektedir.

Ünlü fizikçilerden Niels Bohr, Max Planck, De Broglie, Schrödinger, Heisenberg, Dirac, Pauli ve Einstein bu fiziğin gelişmesine büyük katkılar sağlamışlardır.

Einstein’ın bu kurama katkısı büyük olmakla birlikte Kuantum Fiziğinin gerçekliğinin temelinde olasılıkların olması onu son derece rahatsız etmiştir. Ömrünün sonuna kadar Kuantum Fiziğinin bu belirsizlik içeren doğasını kabul etmemiştir. Ona göre her şey kesindir. “Tanrı, zar atmaz” diyerek belirsizliği eleştirmiştir. Einstein’ın sözlerine karşılık ise Bohr, “Tanrı’ya ne yapması gerektiğini söylemeyi kes” diye cevap vermiştir. Aralarındaki bu tartışma uzun yıllar devam etmiştir.

Çift Yarık Deneyi

Elektronların hareketini gözlemlediğimiz zaman onların sihirli dünyasına tanıklık etmiş oluruz. Bohr’un deneyinden sonra Kuantum Fiziğinin varlığını ispatlayacak bir başka deney ise çift yarık deneyidir.

Çift yarık denilen bir deney Kuantum dünyasının ne kadar gizemli olduğunu bir kez daha ortaya koymuştur. Bu deneyde, tek yarıklı bir düzenekten bilyeleri fırlattığımızda karşı duvarda tek bir iz görürüz. İkinci bir yarık olduğunda ise ikinci bir iz görürüz.

Dalgalarda ise durum biraz farklıdır. Dalgalar tek yarıklı durumda yarığa çarparak duvarda gözlemlenirler. Dalganın en kuvvetli yeri yarığın tam arka noktasıdır. Ancak iki yarıkta ise dalgalar yarıktan geçip arka tarafında birbiriyle çarpışınca birbirlerini götürürler. Dalgaların tepeleri kesişince farklı bir görüntü ortaya çıkar. Bu sefer duvarda bir çok iz oluşur.

Bir de bu deneyi elektronlarla yapmışlardır. Tek bir yarıktan elektron fırlatıldığında tıpkı bilyede olduğu gibi tek iz görünür. Çift yarık da ise iki çizgi gözlemleyeceğimize, tıpkı dalgalar da olduğu gibi bir çok çizgi görürüz. Bu şaşırtıcı çünkü elektronlar bir dalga gibi davranıyor.

Elektronlar & Dalga Özelliği

Bu deney yapılmadan önce elektronun sadece tanecik özelliği olduğu bilindiğinden dalga özelliği göstermesine bilim insanları bir hayli şaşırmışlar. Elektronun bir dalga gibi davrandığını kabul etmemek için bu olayı şu şekilde açıklamışlar; ”Elektronlar yarıklardan geçtikten hemen sonra arkada birbirine çarparak bu görüntüyü oluşturuyorlar.”

Bunu önlemek adına elektronları çarpışmamaları için yarığa tek tek göndermişler. Ama bir süre sonra baktıklarında dalgalardaki izlerin aynısını yine görmüşler. Elektronlar parçacık olarak yola çıkıp potansiyeller dalgasına dönüşüp her iki yarıktan geçip tek bir bütün olarak duvara çarpıyorlardı.

Bunu anlamak biraz zordu. Çünkü hem birinden geçip hem de diğerinden geçiyordu.

Daha sonra fizikçiler elektronun hangi yarıktan geçtiğini gözlemlemek için yarığın başına ölçüm aracı yerleştirdiler. Ama gördükleri şey enteresandı. Gözlendiğinde elektron tıpkı bir parçacık gibi davranıp çift yarıklı düzenekten geçerek sadece iki çizgi oluşturdu.

Elektron gözlemlendiğinde farklı sonuçlar ortaya çıkmıştı. Sanki izlendiğini farketmişti.

Bu deneyden şu ortaya çıktı; madde hem dalga hem tanecik özelliği gösteriyordu ve kesinliğin altında olasılık yatıyordu. Çünkü elektronu fırlattığımızda nereye gittiği bilemiyoruz. Ancak Schrödinger denklemini kullanırsak elektronun bulunduğu yerin olasılıklarını hesaplayabiliriz.

Bu deneye göre, elektronların hareketini belirleyen gözlemcinin varlığıdır.

Yani kuantum fiziğine göre ölçüm her şeyi değiştirir. Bu mantık Einstein’in asla kabul edemeyeceği bir şeydi. Bu düşüncesini de şu şekilde dile getirmiştir; “Ben aya bakmadığımda bile ayın orada olduğundan eminim.”

Burada biraz soluklanabiliriz, beynimiz yandı sanırım 😉 Kuantum fiziğini anlamak çok zordur. Ben yıllardır bu işin içindeyim ama tam olarak anladığımı söyleyemem 🙈 Koskoca Niels Bohr bile Kuantum Fiziğiyle ilgili şu sözleri söylemiştir; “Kuantum Fiziği kafanızı karıştırmadıysa onu tam olarak anlamamışsınız.”

❗️Einstein’in tüm itirazlarına rağmen bugün Kuantum Fiziği kesinleşmiştir. Yapılan deneylerle varlığını ispatlamıştır.

Kuantum Dolaşıklığı

Kuantum Fiziğinin, “Kuantum Dolaşıklığı“ denilen bir teorik tahminine göre; iki molekül birbirine yaklaştığı zaman dolanabilir ve birbirine karışabilir. Bu molekülleri ayırsanız ve farklı bir yöne gönderseniz bile dolanık ve ayrılmaz bir şekilde birbirine bağlı kalacağını söylemektedir.

Yani bir elektron döndüğünde diğer kuantum özelliklerindeki gibi biri ölçene kadar tamamen belirsiz ve değişkendir. Ölçüm yapıldığında ise her iki yöne doğru döndüğü görülür. Yani aynı anda iki farklı durumu gözlemlemek mümkündür.

Daha somut olarak iki elektron çiftine benzer bir şekilde, tekerlekli, mavi ve kırmızı renkli bölmelerden oluşan iki çark örneğini düşünürsek, çarklardan birini döndürdüğümüz zaman kırmızıda durursa diğer çark mavide duracaktır. Hatta tekerlekli çark çiftinden birini uzaya gönderip diğerini dünyada bıraksak bile durum değişmeyecektir. Aralarında hiçbir bağlantı, sinyal olmamasına rağmen birbirlerinin hareketlerinden etkileneceklerdir.

Einstein bunun Kuantum Dolaşıklığı’nın bir gizemi olmadığını sadece matematik denklemlerinin garipliği olduğunu söylemiştir. Bu olayı basite indirgemek için ise şu örneği vermiştir. Eldivenin sağ ve sol çiftini ayrı ayrı çantalara koyup birini Antartika’ya gönderdiğimizde elimizdeki çantayı açtığımız zaman sol çift içindeyse diğer sağ çift kesinlikle Antartika’daki çantada olacaktır. Bu sıradan bir durumdur.

Ancak bu olay Einstein’ın söylediği gibi basit bir olay değildir. Çünkü yıllar sonra bir doktora fizik öğrencisi Eintein’in mı yoksa Bohr’un mu haklı olduğu merak etmiş ve gerçeği ispatlayacak bir makine tasarlamıştır.

Bohr’un savunduğu dolaşık moleküllerin gerçekten hayali bir şekilde iletişim kurup kurmadığını ya da bir çift eldiven gibi aralarında hiçbir hayali durum olup olmadığını bilmek istiyordu. Yapılan deney sonucunda Kuantum Dolaşıklığı’nın varlığı ispatlanmış oldu.

Işınlanmanın Temeli

Kuantum molekülleri uzay boyunca bağlı kalabilirdi. Bir tanesini ölçtüğümüz zaman aralarında boşluk olsa bile partnerinin durumunu ölçmüş oluruz. Bu çok garip, anlaşılması zor bir durumdur. Fakat dünyanın işleyişi bu şekildedir. Aslında bu durum bir nevi ışınlanmanın temeliydi. Dolaşık moleküller ışınlanmayı mümkün kılabilirdi.

Bunun olup olmayacağını öğrenebilmek için Afrika’nın Kanarya Adalarında yapılan deneyde bir çift dolaşık foton oluşturuldu. Biri La Palma adasında diğer dolaşık foton ise lazer güdümlü teleskopla 144 km uzaklıktaki Tenerife adasına gönderildi. Işınlanmak istenen üçüncü bir foton getirildi ve La Palma adasındaki fotonla etkileşime sokuldu. Etkileşim sonunda üçüncü fotonun Tenerife adasındaki dolaşık fotona, birebir aynısı olacak şekilde kopyası aktarıldı.

Yani üçüncü foton adalar arasındaki boşluklardan geçmeyecek şekilde ışınlanmıştı ve Tenerife adasındaki fotonun yerine üçüncü fotonun kopyası geçmişti. Bu deney farklı moleküllerde defalarca denenmiştir. Şu an küçük moleküllerde ışınlanmak mümkündür. Belki ileride insanlar da tıpkı filmlerde olduğu gibi ışınlanabilir 🙄😉

Yukarıda Kuantum Fiziğini ve onun garip dünyasını anlamanız için örnekler vermeye çalıştım. Biraz yüksek fizik içeren bir yazı olabilir. Kuantum Fiziğini anlatabilmek için bu bilgilere yer vermeliydim. Elimden geldiğince anlaşılır olmaya özen gösterdim. Umarım başarılı olabilmişimdir.

Kuantum Fiziği deneysel gerçekliğinin yanı sıra felsefi düşüncelerin de fazlasıyla olduğu bir fiziktir.

Anlaması zordur çünkü insanoğlu deterministtir. Kesin, belirgin şeyleri sever. Einstein’ın da söylediği gibi biz aya bakmasak bile ayın orada olduğu biliriz, bilmek isteriz. Belirsizlikler çoğu insanı rahatsız eder.

Önceki yazımda söylediğim gibi fiziğin sihirli dünyasına girdiğimiz zaman ondan fazlasıyla etkilenip onu çözmeye, anlamaya çalışırız. Çoğunlukla da bu keşiflerden ortaya insanlık adına faydalı buluşlar çıkmıştır ve çıkacaktır da.

Bugün küçük molekülleri ışınlayabiliyoruz. Bu da demek oluyor ki, yarın kendimizi ışınlamamız imkansız değildir. Bu yüksek ihtimalle olasıdır 🤔

Kuantum Fiziğinin doğasında da olasılıklar vardır.

Ona göre her şeyin bir olabilirliği her zaman vardır. Düşünsenize ışınlandığımızı; ne trafik kalır, ne de trafik kazaları. Bir yerden bir yere gitmek için zamanımızı yolda harcamayız. Zamanımızın çoğu bize kalır ve biz de onu faydalı işler yapmak için harcarız. İnsanlık adına, ülkemiz adına, kendi geleceğimiz adına güzel şeyler başarmak için daha fazla çalışırız.

Bugün Kuantum bilgisayarları sayesinde daha fazla bilgiye çok hızlı bir şekilde ulaşmaktayız. Bunun gibi Kuantum Fiziğinin bize birçok katkısı olmuştur.

Yazımı daha fazla uzatarak sizi sıkmak istemiyorum. Diğer yazılarımda da yer yer Kuantum Fiziğinin günümüzde kullandığı alanlardan bahsedeceğim.

Hoşça kalın.
Bilimle kalın.
Fizikle kalın…

Çiğdem Mertoğlu