WhatsApp ve Facebook bir araya geliyor!

WhatsApp ve Facebook bir araya geliyor!

Beşiktaş – Leipzig maçı hangi kanalda?

Beşiktaş – Leipzig maçı hangi kanalda?

Big Brother Türkiye hangi kanalda yayınlanacak?

Big Brother Türkiye hangi kanalda yayınlanacak?

TÜRKSAT UYDU FREKANS LİSTESİ (Eylül 2017 Sıralı Liste)

TÜRKSAT UYDU FREKANS LİSTESİ (Eylül 2017 Sıralı Liste)

Garip uğultunun gizemi çözülemiyor!

Garip uğultunun gizemi çözülemiyor!

Kuantum Teorisine Genel Bir Bakış
  • Ana Sayfa » Bilim
  • 24 Mart 2017 - 00:02:44
Kuantum Teorisine Genel Bir Bakış

Kuantum Teorisi atom ve atomaltı ölçeklerde meydana gelen olayları açıklama yolunda oluşturulmuş kapsamlı bir bilimsel bilgi birikimidir.Bu birikim, insanlık tarihinde bilimsel ortak aklın ürettiği belki de en önemli, en kapsamlı doğa kavrayışıdır.Bu yazımızda bu doğa kavrayışının gelişimini tarihsel akışı içerisinde ele alacak, bu teoriyi ilk kez okuyacaklar veya orta düzeyde konuyla ilgili olan okurlar için […]


Kuantum Teorisi atom ve atomaltı ölçeklerde meydana gelen olayları açıklama yolunda oluşturulmuş kapsamlı bir bilimsel bilgi birikimidir.
Bu birikim, insanlık tarihinde bilimsel ortak aklın ürettiği belki de en önemli, en kapsamlı doğa kavrayışıdır.
Bu yazımızda bu doğa kavrayışının gelişimini tarihsel akışı içerisinde ele alacak, bu teoriyi ilk kez okuyacaklar veya orta düzeyde konuyla ilgili olan okurlar için anlaşılır olmaya çalışacak, tabi bunu yaparken konuyu asıl bağlamından koparmamaya da gayret edeceğiz.

Kuantum teorisini anlatabilmek, anlayabilmek esaslı bir iştir. Ancak gerek bilim tarihinin önemli kilometre taşlarından biri olması, gerekse modern fiziğin –hatta giderek diğer bilim dallarının- üzerinde yükseldiği önemli sac ayaklarından biri olması nedeniyle herkesin bu konuda belli bir seviyede okuryazarlığının olmasının önemli olduğunu düşünüyoruz.

En sıradan bir konuyu anlayabilmek için bile bazı kavramları tanımak ve o konuya dair bazı temel bilgilere sahip olmak gerekir. Kaldı ki konu kuantum teorisi gibi zorlu bir konu olunca, haliyle çok daha özenli ve disiplinli olmamız, temeli daha sağlam atmamız gerekiyor.
Bu yazımızın ilk bölümü kısaca bazı temel kavramların tanıtılması ile ışık ve atom fikrinin tarihsel gelişimine ayrılacaktır.

1.Bölüm: Dalgalar, Işık ve Atomlar

Şimdi biraz ışığın doğası üzerine konuşarak başlayabiliriz. Arada temel kavramları da tanıyacağız.
Işığın davranışı üzerine yapılan çalışmalar çok eskilere dayanır. Optiğin temelleri üzerine neredeyse bin yıllık külliyat vardır.
Ancak konu ışığın çok iyi bilinen bazı davranışlarından ziyade “doğası” olunca, işler sarpa sarıyordu.
Işık neydi? Nasıl yayılırdı? Sorular, sorular…

Işığın doğası üzerine -ve optik- kafa patlatan en önemli isim Isaac Newton idi. Newton, karanlık bir odaya sızan gün ışığını prizmadan geçirerek onu bileşenlerine ayırmıştır. Beyaz ışığın sanıldığı gibi tek renk olmadığı, aksine birçok farklı renkteki ışığın bir karışımı olduğu anlaşılmıştır. Çok geçmeden bunun sadece “görünen ışığın renkleriyle” sınırlı olmadığı anlaşılacaktı. Sonrasında yapılan çalışamalarla kırmızı ve mor ışığın “ötesinde” gözle görünmeyen başka ışınlarında var olduğu deneysel olarak ortaya konuldu.

Anlaşılan beyaz ışık dediğimiz şey çok sayıda görünen ve görünmeyen “ışının” bir karışımı idi. Peki bu ışık nasıl yayılmaktaydı? Bir mermi gibi gibi mi yoksa bir su dalgası gibi mi? Anlaşılması pek uzun sürmedi. İngiliz Thomas Young ışığı çift yarıktan geçirerek onun bir dalga gibi girişim yaptığını gösterdi.
Ekranda birbirini takip eden aydınlık ve karanlık çizgiler oluşmuştu. (Bu deney yazımızın içerisinde daha detaylı ele alınacaktır)

Peki nedir bu dalga?
Dalgaların temel özelliklerine kısaca bir göz atalım.


İki dalga tepesi ya da çukuru arasındaki mesafeye (bir tam devir) dalgaboyu denir. Bir saniyede üretilen dalga sayısı ise frekanstır. Dalganın tepe yüksekliği (veya çukur derinliği) ise şiddeti, gücü veya genliğidir.

Yine çok geçmeden büyük bilim insanı James Clerk Maxwell, kendisinden önce Michael Faraday’ın yapmış olduğu çalışmaları da kapsayacak şekilde dalgaların bir elektrik ve manyetik karakteri olduğunu, hatta bu iki karakterin aslında tek bir olgu olarak betimlenebileceğini oldukça şık bir kuramsal temele dayandırarak ortaya koydu.

Yani ışık için artık “Elektromanyetik Dalga” demek mümkündü. İşte size elektromanyetik dalgaların yani ışığın tayfı ya da başka bir deyişle spektrumu! (yelpazesi gibi de düşünebilirsiniz)

Gözünüzün görebildiği aralığın tayf içinde ne kadar küçük bir kesre denk geldiğini fark ettiniz mi? Peki ışığın enerjisinin arttıkça dalga boyunun azaldığını fark ettiniz mi? Ayrıca enerjisi en yüksek ışınların (dalgaboyu en kısa) gama, enerjisi en düşük olanlarınsa radyo dalgaları (dalgaboyu en uzun) olduğuna dikkat edin.
Dalgaboyu ve frekans birbiriyle ters orantılıdır. Dolayısıyla radyo dalgaları en uzun dalgaboyuna yani en düşük frekansa sahip ışınlardır da diyebiliriz. İleride göreceğiz, bir ışın demetinin enerjisi sadece frekansı (dolayısıyla dalgaboyu) ile orantılıdır.
Şimdi de atom modellerinin tarihsel gelişimine sırayla ve hızlıca bir göz atalım.
Atom kelimesi yunanca a-tomos yani “bölünemez” kelimesinden türetilmiştir. Ancak zaman Yunan filozoflarını haksız çıkarsa da ismi ironik bir biçimde aynı kalmıştır. Bilimsel anlamda ilk atom modelini John Dalton ortaya attı. Atom yekpare bir küre şeklinde olmalıydı ve yine “bölünemez”.
Ancak atomun aslında yekpare bir parçacık olmadığının, onun da daha küçük parçacıklardan oluşuyor olabileceğinin ilk bilimsel kanıtları William Crookes’in kendi adını taşıyan tüp ile yaptığı çalışmalarla ortaya kondu. İşte size Crookes tüpü diğer adıyla “Katod ışınları tüpü”

Bu tüp içerisinde yüksek voltaj altında oluşan ve elektriksel ve manyetik alanlardan etkilenen bir ışın türü keşfedildi: “Katot ışınları“.
Bu ışınlar üzerine detaylı çalışmalar yapan John Joseph Thomson bu ışınların aslında bildiğimiz “ışık” olmadığı, aksine negatif yüke sahip ve belli bir kütlesi olan parçacıklar olduğunu oraya koydu.
George Stoney bu parçacıklara “Elektron” adının verilmesini önerdi.
Elektrona “Hoşgeldin” dedikten sonra, geriye içinde elektronun olduğu bir atom modeli resmetmek kalıyordu. Thomson bunu yaptı. Tabi negatif elektron dışında henüz bilinmeyen bir de pozitif yük olmalıydı atomda aksi halde atom nötr olamazdı. Thomson şöyle bir model önerdi:

Thomson’un “üzümlü kekinin” (modeline öyle deniyor☺) ömrü fazla uzun sürmedi.

Yeni Zelanda asıllı bir İngiliz çıktı ortaya. Ernst Rutherford yaptığı altın levha deneyi ile pozitif ve negatif yüklerin atomda homojen dağılmadığını, aksine pozitif yüklerin atomun tam merkezinde (çekirdek) küçücük bir hacimde toplandığını, atomun kendisinin ise çok büyük oranda boşluktan ibaret olduğunu gösterdi. Atomun çekirdeği protonlardan oluşmalıydı. Bu modelde elektronlar çekirdeğin çevresinde dönmek zorundaydılar, aksi halde çekirdeğin çekim kuvvetine kapılır, protonlarla çarpışır ve atomun parçalanmasına neden olurlardı. Ancak bu modelin de bazı sıkıntılarının olduğunun anlaşılması uzun sürmedi. Bohr atom modeline geçmeden önce tekrar ışık konusuna dönmeliyiz.
Joseph von Frauenhofer. Kendisinden çok kısa bir süre önce güneşten gelen ışığın tayfında karanlık çizgiler keşfedilmişti.

Frauenhofer bu karanlık (siyah) çizgileri detaylı bir şekilde inceledi.Bu nasıl olabilirdi? Birşeyler ışığın tayfındaki belli bölgeleri “soğuruyordu”. Bunlara bundan sonra soğurma veya absorpsiyon spektrumu diyeceğiz.
Yeri gelmişken söyleyelim, bu çizgilere “Frauenhofer çizgileri” de denilmektedir. Bir süre sonra başka yerlerden ayrı ayrı ama aynı şeyi gösteren keşifler geldi. Anlaşılan ışık ile atomlar arasında tuhaf bir bağ vardı.

Gustav Kirchoff ve Robert Bunsen ısıtılan elementlerin kendilerine özgü renklerde ışın çeşnileri yaydıklarını farkettiler. Ancak yine her şey için çok erkendi. Buna bir anlam verecek kuramsal altyapı yoktu. Elektron bile daha yeni keşfedilmişti.

Kirchoff ve Bunsen ne bulmuş bir bakalım. Aşağıda ışığın görünen aralıktaki sürekli spektrumunu (tayfını) görüyoruz.

Burada ise Frauenhofer’in daha önceden keşfettiği karanlık çizgilerin olduğu “Soğurma Spektrumu“nun basit bir modelini görüyoruz

Bakın burada da Kirchoff ve Bunsen’in keşfettikleri atomlardan yayılan “Emisyon Spektrumu” var. Bir şey farkettiniz değil mi?

Emisyon Spektrumundaki ayrık renkli çizgilerin soğurma spektrumundaki karanlık bölgelere tam oturabildiklerini fark ettiniz mi?
Demek ki her ne hikmetse atomlar ışığın belli frekanstaki bölgelerini emiyor yani soğuruyor ve bir şekilde soğurdukları bu ışığı ısıtıldıklarında (bazen de kendiliklerinden) geri yayınlıyorlardı. İlginç değil mi?
Bakın aşağıda Bunsen alevinde (kendi adıyla anılan) ısıtılan bazı elementlerden yayılan özgün ışımaları görüyorsunuz.

Burada ise yine bazı elementlerin yaydıkları ve görünür bölgeye denk gelen bazı ışımaları görmektesiniz.

Rutherford’un atom modeli bu durum karşısında kilitlenip kalmıştı. Bir atom nasıl olurda ışığı soğurur ver bir süre sonra geri yayınlardı? (Elbette modelin daha başka eksiklikleri de vardı ancak biz burada bizi ilgilendiren kısımları inceliyoruz)

İmdada Danimarka’lı bir deha yetişti: Niels Bohr. Ona göre yapılması gereken elektronları enerji seviyeleri birbirinden farklı katmanlara yerleştirmekti.

Bu modelde elektronlar enerjileri farklı katmanlara yerleşirler. Şayet ışık gelir de bir elektrona “belli büyüklükteki” enerjisini aktarırsa, elektron daha yüksek enerjili üst katmanlara sıçrar. İşte burada, ışığın spektrumundaki karanlık çizgiler, elektron tarafından “emilen” bölgeleri temsil eder. Elektron sıçradığı yüksek enerjili katmanda fazla duramaz, tabiri caizse “ben köyümü özledim” der ve daha düşük enerjili bir katmana “düşer”.

Bu esnada ne mi olur? Aldığı enerjiyi ışık olarak hem de çoğunlukla aynı miktarda olmak üzere geri yayınlar. İşte bu durum yukarıda gördüğünüz renkli birkaç çizgiden oluşan emisyon spektrumunun oluşumunu açıklamaktadır.

Yüksek enerji seviyesinden düşük enerji seviyesine atlayan elektron foton salarak enerji yayar.

2. Bölüm: Klasik Fiziğin ufkunda toplanmaya başlayan kara bulutlar: Fırtına yaklaşıyor…

19.yy başlarından itibaren (1800’lü yıllar boyunca) Fizikçi ve Kimyacılar anlamlandıramadıkları bir dolu keşfe imza attılar. Neredeyse her buluşa “ufo gören masum köylü” havasıyla bakıyorlardı desek çok da abartmış olmayız. Çünkü kuramsal zeminleri zayıftı. Bunlardan ilkini görmüştük; Frauenhofer, Kirchoff ve Bunsen’in gözlemledikleri garip çizgiler. Bu bölümde ise Klasik Fiziğin kâbusu olan 3 olayı daha ele alacağız;

a) Fotoelektrik (Fotovoltaik) efekt
b) Radyoaktivite
c) Kara Cisim problemi

Biz bu olayları -ya da keşifleri- bilmeden, kuantum fikrinin nasıl doğduğunu anlayamayız. Fotoelektrik etki ile başlayalım mı?

Alexandre Edmond Becquerel. Yıl 1839. 19 yaşında. Babasının laboratuvarında çalışırken ilk fotovoltaik düzeneği kuruyor.
İyi de fotovoltaik ne demek? Şöyle ki, üzerine ışık düşen metal bir levhada (bir çözeltiye daldırılmış da olabilir) elektrik akımı oluşur Becquerel bu fenomeni elbette açıklayamadı ancak tarihe not düşülmüş oldu.
Ardından 1887’de Heinrich Rudolf Hertz aynı etkiyi bu kez UV ışık altında inceledi.
Hertz de duruma açıklama getiremese de konuyu Annalen der Physik‘e (o zamanların en önemli bilimsel yayınlar dergisi) taşıdı.
Madem Hertz’den konuyu açtık, onun elektromanyetik dalgalar üzerine çalışmaları olduğunu da söyleyelim. Kendisi Radyo dalgalarını keşfetmiştir (frekansı en düşük, dalgaboyu en uzun olan ışınlar olduğunu hatırlamışsınızdır)
Bir derste kendisine “başka tür elektromanyetik dalgalar var mıdır” şeklinde soru soran öğrencisine Hertz, “Hiçbir şey, sanırım.. ” dediği söylenir. Ama Hertz yanılıyordu…

8 Kasım 1895. Laboratuvarında deli gibi çalışan bir adam: Wilhelm Conrad Röntgen…

Hani şu crookes tüplerimiz vardı ya, (unutmadınız değil mi?☺) işte o tüplerle deneyler yaparken bir gün tuhaf birşey oldu. Girişim gücü oldukça yüksek yeni bir ışın elde etmişti.
Wilhelm Röntgen bu ışınlara “X ışınları” adını verdi. Çünkü ne olduğu hakkında en küçük bir fikri yoktu.
Burada komik bi anekdot girelim; karısı Anna Bertha bu keşiften yaklaşık iki hafta sonra bu ışınların önüne kendini koyunca ekranda parmak kemiklerinin iskeletini görüp korkusundan “ölümümü gördüm” diye çığlık atmıştır.

Antoine Henri Becquerel. Soyadı tanıdık mı geldi? Az önce tanıdığınız Edmond Becquerel’in oğludur kendisi. Becquerel, Röntgen’in X ışınlarını keşfetmesinden sadece 1 yıl kadar sonra bu ışınların doğasını araştırırken bambaşka bir şey bulacağını nereden bilebilirdi?

Becquerel bazı tuz bileşiklerini güneş ışığına maruz bırakıp sonra da bunların yaydıkları ışınları fotoğraf filmlerine alıyordu. Bir gün babasından emanet kalan bir uranyum tuzunu hava yağmurlu olduğu için çekmecesine koydu ve birkaç gün sonra çıkarıp banyo etti. Sonra böyle bir manzara ile karşılaştı.

İlk defa böyle bir şeyle karşılaşmıştı. Bu nasıl olabilirdi? Kendi kendine ışın yayabilen tuhaf bir madde? Becquerel bu gizemli ışınlara “Becquerel ışınları” adını verdi. Ancak aradan çok fazla zaman geçmeden biri bu ismi değiştirecekti.

Marie Skłodowska Curie. Becquerel’in doktora öğrencisi. Curie, Becquerel’in keşfettiği bu gizemli ışınları “Radyoaktif ışınlar” bu ışınları yayabilen maddeleriyse “Radyoaktif Maddeler” olarak adlandırdı.
Curie’nin radyoaktivite üzerine çalışmalarında tuttuğu notlar. Hâlâ radyoaktiftir bu defter, koruyucu kıyafet giymeden inceletmezler, kurşun bir muhafazada saklanır.

Şimdi de Klasik Fiziğin kabusu olan bir diğer problemi ele alacağız; kara cisim problemi. Bir sıcaklığa sahip olan bütün nesneler ışıma yaparlar. Yeter ki mutlak sıfır noktasından (-273,15 °C ya da 0 Kelvin) sıcak olsunlar.
Peki biz niye görmüyoruz bu ışınları? Çünkü cisimler yeterince sıcak oldukları vakit “görünür ışık” formunda termal radyasyon yayınlarlar. Soğuk cisimlerden yayılan termal radyasyonu göremeyiz. Şayet gözlerimiz oda sıcaklığından düşük sıcaklıklarda yayılan ışınları da görebilseydi (kızılötesi ışınlar) devekuşlarını belki de böyle görebilirdik.

İdeal bir kara cisim, üzerine düşen ışığı mükemmel bir şekilde soğurur. Bu yüzden siyah görünür. Peki ısıtılırsa ne olur? Isıtılan bir kara cisim giderek daha yüksek frekanslarda ışınım yapmaya başlar. Yukarıdaki örneklerde görüldüğü gibi cismin sıcaklığına bağlı olarak bu ışınların dille frekansı değişebilir. Çok yüksek veya çok düşük frekanslarda yapılan ışımaları göremiyoruz. Ancak biliyoruz ki, siyah cismin yaptığı ışıma belli bir frekansta yayınlanan ışınım değil, aksine çok geniş bir frekans aralığında yayınlanan bir “ışın çeşnisidir”

Peki burada “problem” nedir? Problem şu; klasik elektromanyetik dalga yaklaşımı (formülleri) sıcaklık arttıkça yayılan ışınımın enerjisi de doğrusal olarak sürekli artar diyor. Buna bir limit, sınırlama getirmiyor. Ne kadar sıcaksa o kadar yüksek enerjili ışınlar salınacağını öngörüyor. Bu durumda neden yanan bir şömineden yayılan toplam ısı enerjisinin tamamı en yüksek enerjili (frekanslı) ışınlar yoluyla yayınlanmıyor ve bizi anında kızarmış tavuğa çevirmiyor?

Aksine biz biliyoruz ki, şöminenin önünde keyifle oturuyor kahvemizi içiyor ve kitabımızı okuyabiliyoruz. Neler oluyor?

O zamanın Klasik Fizikçileri bu çıkmaza “morötesi (veya ultraviyole) felaket” adını vermişlerdi. Morötesi denmesi tesadüf değil elbet. Morötesi ışınlar yüksek enerjili ışınlardır. Şömine anlaşılmaz bir biçimde enerji salımının çoğunu morötesi frekanslarda yapıp tüketmek yerine bir şekilde orta frekanslarda en fazla, düşük (kızılötesi) ve yüksek enerjili (morötesi) frekanslarda ise daha az ışınım yapıyordu.

Şimdi tam burada, çözüme ulaşma noktasında daha önce yapılmış olan önemli bir çalışmadan bahsetmeliyiz.

Ludwig Boltzmann. Maxwell ile birlikte gazların kinetik teorisi üzerine çalıştı. Kapalı bir kapta uçuşan gaz moleküllerinin enerjisinin sıcaklığa bağlı olarak değiştiğini gösterdi. Ancak moleküllerin her birinin enerjisini kestirmek imkansızdı. Bunun yerine “ortalama kinetik enerji” kavramından bahsetmek daha doğru olurdu. Yani herhangi bir sıcaklıkta moleküllerin kapta sağa sola uçuşma hızlarının en fazla yığılma gösterdiği yer (aşağıdaki grafiğin tepe noktası) gazın ortalama kinetik enerjisi üzerinde büyük oranda belirleyici etkiye sahiptir.

Grafiği incelediğimizde gaz moleküllerinin büyük bir kesrinin 1000-1500 hız değerleri aralığına yığıldıklarını görüyoruz. Yani gazın ortalama kinetik enerjisini büyük oranda belirleyen, bu moleküllerin sahip oldukları kinetik enerjidir.
Grafikte hızı 500’den az veya 2500’den fazla moleküller de var ama sayıları çok az değil mi? Hatta o kadar az ki, bu moleküllerin enerjilerinin gazın ortalama kinetik enerjisine katkıları yok denecek kadar azdır. Şimdi bu istatistiksel dağılımla konumuzun ne ilgisi var diyorsanız şömineden yayılan ışınım enerjisi konusunu tekrar hatırlamalısınız: Yayılan enerjinin büyük bir kesri orta frekanslı ışınlar yoluyla, pek azı işe çok yüksek veya çok düşük frekanslı ışınlar aracılığıyla salınmaktadır. Tıpkı Boltzmann’ın kapalı kapta hareket eden moleküllerinin uyduğu istatistiğe benzer şekilde! İşte buradan Max Planck, Kuantum Teorisinin doğumunu gerçekleştirecekti.

3. Bölüm: Kuantum Teorisinin Doğumu ve Yükselişi

Hepimiz doğayı bir süreklilik algısı ile deneyimliyoruz. Etrafınıza bir bakın, her şey kesintisiz akıyor değil mi? Ancak iş doğayı en küçük ölçeklerde incelemeye gelince hiçbir şey sürekli değildi. Herşey kesikli, ayrık, öbekli yapıdaydı. Enerji bile!
Bu kavrayışı bir Alman dehası olan Max Planck’a borçluyuz. Tarihler 1900 yılını gösterirken, hiçbir şey artık eskisi gibi olmayacaktı.
Planck şayet enerjiyi bir kaynaktan sürekli akış göstererek yayılan bir fenomen olmak yerine tıpkı Boltzmann’ın gaz molekülleri gibi “ayrı, bağımsız birimler halinde yayınlandığını düşünürsek, o zaman şöminenin neden bizi kavurmadığı anlaşılacaktı!☺
Evet! Bu muazzam bir fikirdir! Enerjinin minik, miniminnacık parçacıklar halinde yayıldığını varsaymak: “quanta”lar halinde.
Şayet enerji süreklilik yani devamlı bir akış gösteren fenomen olsaydı klasik fiziğin tahminine göre şömine bizi kızarmış tavuğa çevirmeliydi çünkü şöminenin sıcaklığı arttıkça yayınlanan ışınımın frekansı da doğrusal olarak artmak zorundaydı. Yüksek enerjili (morötesi bölge) ışınım doğası gereği oldukça girişken ve zarar vericidir.


Ancak enerjinin Boltzmann’ın gaz molekülleri gibi ayrık birimler halinde yayınlandığını düşünürsek, o zaman şöminenin toplam enerjisinin çoğunluğu yüksek frekanstaki ışınlar yoluyla değil, aksine orta frekanstaki (enerjili) ışınlar yoluyla yayınlanacaktı ve biz de güvenle şöminemizin önüne oturup kahve&kitap keyfi yapabilecektik!

Planck’ın formülü ve eğrisi. Boltzmann’ın moleküllerinin istatistiksel dağılım grafiği ile ne kadar da uyumlu değil mi?

Siyah cisim probleminin çözümüyle kuantum “fikri” doğmuştur diyebiliriz aslında. Bu fikrin bir klasik fizikçinin (Boltzmann) klasik bir fizik problemine (gazlar) bakış açısının ayrı bir olaya (siyah cisim problemi) uyarlanmasıyla doğması ise gözden kaçırılmaması gereken güzel bir ironidir.

Hayal edin şimdi lütfen… Şu anda üzerinize güneşten gelen saniyede TrilyonxTrilyonxTrilyon… tane parçacık çarpmakta: quantalar! Güneş batmış olabilir sorun değil, bu yazıyı okuduğunuz ekrandan sizde doğru fırlayıp gelen sayısız quanta olduğunu söylememize artık gerek olmadığını düşünüyoruz ☺
Kısaca aslında sürekli olarak bir quanta yağmuruyla “ıslanmaktayız”. Enerjinin “yağmur damlaları” olan quantalarla…
Her bir Quanta’nın enerjisi, sadece frekansı ile (dolayısıyla dalgaboyu) orantılıdır. h (Planck sabiti) ise frekansı enerjiye çeviren “sabit kur’dur”.
Quanta kavramı ile birlikte kuantum teorisinin temeline ilk taş konulmuş oldu.

Şimdi, kara cisim problemini “quanta devrimi” ile çözdük, peki fotoelektrik olayın gizemli perdesini kaldırmak için quanta fikri bize yardımcı olabilecek mi? Planck’ın Quanta devriminden yaklaşık 5 yıl sonra dünyanın gördüğü en büyük dehalardan biri işte bu sorunun cevabını hayranlık uyandıracak bir mertebede verdi bilim dünyasına.

Albert Einstein…
Yıl 1905. Max Planck’ın editörlüğünü yaptığı Alman Annalen der Physik dergisine 3 adet makale gönderir.
Makalelerden biri Özel Görelilik, ikincisi Brown hareketleri (atom-moleküller üzerine) ve üçüncü ve bizi ilgilendiren makale ise fotoelektrik olayın çözümü üzerine idi. Max Planck eline geçen makaleleri okudu ve dehşet içinde kaldı. Artık klasik fiziğin dolduramadığı büyük boşlukların yepyeni bir fizik anlayışıyla doldurulmaya başlandığını anlamıştı.

Einstein’in fotoelektrik olaya getirdiği çözüm nasıl olmuş kısaca bir bakalım.

Fotoelektrik etki bir ışık demetinin metal bir yüzeyden elektron sökmesi olayıdır. Klasik fiziğin bakış açısına göre durum şuydu: ışık madem bir dalgadır, o halde metali de kumsal gibi düşünürsek, kumsala vuran dalgalar nasıl ki kum tanelerini (elektron) az veya çok söküp denize sürüklüyor ise, ışık da enerjisi az veya çok illa ki metalden elektron koparabilmeliydi.
Ama işler hiç de öyle değildi. Bu dalga ne hikmetse sadece belli bir enerjinin üzerinde ise elektron sökebiliyordu. Bu eşik enerji değerinin altında ise dalga ne kadar şiddetli (daha yoğun) olursa olsun tek bir elektron bile sökülmüyordu! Bela!
Genç bir adam, bir patent bürosu memuru henüz 26 yaşında iken duruma el koydu.
Einstein, Max Planck’ın kovuk ışıması üzerine yaptığı çalışmaları yakından takip etmişti. Konuyu nasıl ele almak gerektiğini iyi kestirdi.

Fotoelektrik etki şu şekilde işliyordu; metal yüzeyine düşen ışığın enerjisi belli bir eşik değerin altında ise (bu değer karakteristiktir, kullanılan metale göre değişir) ışık ne kadar şiddetli olursa olsun tek bir elektron bile sökülmüyordu. Eşik değerin üzerine çıkıldığında ise elektronlar bir bir fırlamaya başlıyordu. Işık demetinin enerjisi (eşik değerin üzerinde olmak kaydıyla) sabit tutulurken, şiddeti arttırılırsa sökülen elektronların sayısı artıyordu. Işığın şiddetini sabit tutup enerjisini arttırdığımızda ise, sökülen elektronların hızı artıyordu. Bu, ışığın elektronlara enerji transferini belli büyüklükte “enerji paketleri” yani “quanta”lar halinde sunduğu takdirde anlam kazanan bir durumdu. Daha açık olalım: hesabınızda 233,65 TL olsun. (gönderilen fotonun enerjisi) Şayet kredi borcunuzun taksidi (elektronun sökülebilmesi için gereken enerji) hesabınızdaki paradan 1 kuruş bile fazla olsa (233,66 TL) taksit ödenemez (elektron sökülmez). Halbuki klasik fiziğin dalga modeli yaklaşımına göre hesabınızdaki parayla her şekilde borcunuzun en azından hesabınızdaki meblağ kadarlık kısmının ödenmesi gerekmekteydi yani ışık enerjisine bağlı olarak muhakkak sökebileceği kadar elektron sökmeliydi.

Ancak maalesef doğa bu konuda otomatik ödeme talimatı almış bir banka bilgisayarı kadar soğuk davranıyor; ya hesabınızda en az borcunuz kadar paranız olmak zorunda ya da 1kuruş bile eksik olsa borcunuz ödenmemekteydi.
İşte Einstein’in yaptığı şey doğanın enerji ticaretini belli büyüklükte paketler halinde yaptığını ortaya koymak oldu. Bir elektrona çarpan bir ışık “quanta”sının (ki artık bunlara “foton” diyeceğiz) enerjisi yeteri kadar büyükse, elektronu bağlı olduğu metalik örgüden sökebilir. Bu olay, ışığın tanecik karakteri taşıdığının en bariz örneklerindendir. Einstein ileride bu çalışmasıyla Nobel Fizik Ödülü`nü (1921) almıştır.

Bu kısımdan itibaren yazımızın sonuna dek okuyacaklarınız Alice’in harikalar diyarına değil, Kuantum dünyasına ait şeyler olacaktır. Bazı şeyler mantığınızı fazlasıyla zorlayacaktır, bazı şeylerse aşırı fantastik gelebilir; küçüklerin dünyasında gerçek olan şeyler! Elimizden geldiğince sağduyunuza hitap etmeye çalışacağız. Bazı yerlerde konu felsefenin kapsamına girebilir, hatta bazı yerlerde mistisizme ait öğeler bile çağrıştırabilir.
Einstein’ın fotoelektrik olaya getirdiği çözüm bizim ışığın dalga modelini (Young’un çift yarık deneyiyle bize dalga olduğunu ispatladığı ışık) bir kenara fırlatıp onun foton adı verilen taneciklerden oluştuğunu kabul etmemizi gerektiriyor. Nasıl yani? Bir dakika, çift yarık deneyi dalga olduğunu ispatlıyorken nasıl bir başka deney onun tanecik olduğunu ispatlar? Dalga başka bir şey, tanecik başka. Ya o dur, ya da bu değil mi?
Değil…
Doğa bize ışığın hem dalga hem tanecik olduğunu söylüyor. Yani hem elmayım, hem de uzaktan kumanda gibi bir şey. İkisi birden.
Dalga-Parçacık ikiliğini ileride tekrar ele alacağız. Kara cisim ve Fotoelektrik sorunlarını çözdük. Şimdi sırada tayf çizgileri var.
Hatırlarsanız Bohr atom modelinde kısaca üzerinden geçmiştik. Şimdi biraz daha detaylı bakmaya ne dersiniz?
Bohr, elektronları enerjisi birbirinden farklı katmanlara (n) yerleştirmeyi seçti. Çekirdeğe en yakın ve enerjisi en düşük katman n=1′ dir. Bu “n” sayısının aynı zamanda elektronun ilk “kuantum sayısı” olduğunu belirtmemiz gerek. (n, baş kuantum sayısı olarak tanımlanmıştır) Dikkat ettiyseniz burada atomdaki enerji seviyelerinin “ayrıklığı” quanta fikrinin özüyle yakından ilişkilidir. Yani bu ayrık enerji seviyeleri için ayrı birer kuantum sayısı (n=1,2,3…) verilmesi tesadüf değildir: Bu, enerjinin atomik ölçekte kuantumlanması ya da diğer bir deyişle kuantize olmasıdır.

“n” değeri arttıkça, yani çekirdekten uzaklaştıkça katmanın enerjisi artmaktadır.

Şimdi size soru; n=1 katmanındaki bir elektron n=2 (veya 3,4…) seviyesine çıkarabilir mi?
Cevap tahmin ettiğiniz gibi; evet çıkabilir: elektrona dışarıdan “geçiş yapılan katmanlar arasındaki enerji farkı kadar” enerji vermek şartıyla! Peki bu enerjiyi nerden bulacak elektron? Elbette “quanta’dan” yani “foton”dan yani ışıktan!

Diyelim ki n=1 seviyesindeki elektrona bir foton çarptı. Foton taşıdığı enerjiyi elektrona aktarır ve onun yüksek enerjili bir katmana sıçramasına neden olur. Elektronun ne kadar enerjik bir katmana çıkacağı ise fotondan aldığı enerjinin miktarına bağlıdır. Öyle ki bu enerji yeterince yüksek ise elektron tamamen atomdan kopup serbest hale bile geçebilir. Işığın tayfındaki karanlık çizgilerin (soğurma spektrumu) bu yüzden oluştuğunu daha önce söylemiştik.

Aslında her bir karanlık çizgi, atom tarafından soğurulan bir quanta’nın boşalttığı yeri temsil etmektedir.

Bu olaya tersten de bakabiliriz. Yüksek enerjiye sıçrayan elektron tekrar düşük enerjili bir katmana da dönebilir. Bu durumda da geçiş yapılan katmanlar arasındaki enerji farkı kadar quanta yani ışık fotonu yayınlanır.Aşağıdaki görselde elektron n=3’ten n=1’e düşerken yeşil renge karşılık gelen enerjide (frekansta) quanta salınırken, n=2’den n=1’e düşen bir elektron kırmızı renge karşılık gelen bir frekansta foton salar. Elektron n=4’ten n=1’e düşerken salınan fotonun frekansı ise daha da yüksek yani enerjisi çok daha büyüktür. Buradan mavi ışığın enerjisinin yeşil ışıktan, yeşil ışığında kırmızı ışıktan daha büyük olduğu çıkarımını yapabiliriz.

“n” değeri arttıkça, yani çekirdekten uzaklaştıkça katmanın enerjisi artmaktadır.

Bakın aşağıda elektronları yüksek enerji katmanlarından düşük enerjili katmanlara “düşen” atomlardan (bu aynı zamanda bir kuantum sıçramasıdır) yayınlanan ve “görünür bölgeye” ait olan emisyon tayflarını görüyorsunuz.

Peki ya elektronlar çok daha yüksek enerjili katmanlardan düşük enerjili katmanlara düşerse yayınlanan ışınların frekansı nasıl olur?
Wilhelm Röntgen’in karısının parmak kemiklerini hatırladınız mı?. Peki nasıl olmuştu bu onu hatırladınız mı?
X ışınları çok yüksek enerjili elektron geçişleri sonucu oluşur. Bu ışınların frekansı oldukça yüksek olduğundan girişim gücü yüksektir ve bu yüzden kalın materyallerin içinden kolaylıkla geçip gidebilirler. İşte tam da bu yüzden bu ışınlar Anna Bertha’nın elinin dokusundan rahatlıkla geçip duvardaki ekranda el iskeletinin görüntüsünü oluşturmuştur.

Işık/atom ilişkisi, enerjinin belli büyüklükte paketler (quanta) halinde alınıp verildiğinin güzel bir örneğidir. Bohr’un atom modeli bu anlamda önemli bir problemi çözmüştü. Ancak atomların dünyasında o kadar fazla tuhaf şey vardı ki, tam bir sorun çözüldü derken başka bir sorun patlak veriyordu.
Bohr’un atom modeli tek elektronlu atom ve iyonların elektron geçiş enerjisini başarıyla açıklarken, çok elektronlu atomlarda çaresiz durumlara düşüyordu.

Sadece bu da değil, örneğin Zeeman efekti diye bilinen başka bir fenomen daha vardı ki yine bu da Bohr atomunun ayrı bir çıkmazı idi. Zeeman efektinde elektrona ait bir enerji geçişi normalde tek bir çizgi vermesi gerekirken manyetik alan içinde “yarılarak” birden fazla geçiş çizgisi veriyordu.

Bunu şuna benzetebiliriz; Bohr’un atom modeli çok katlı bir bina olsun. Her katta elektronlar ikamet etmektedir. Şimdi diyelim ki bir elektron 7. kattan 1.kata düşüyorsa, zemine “belirli bir hızla” çarpması gerekir değil mi? Ama Zeeman efektinde elektron manyetik alana içerisinde 7. kattan 1. kata düştüğünde üç farklı hızla yere çarpabiliyor! Sanki 7.kat da kendi içinde 3 ayrı kata ayrılmış, yani bağımsız katlar varmış gibi! Anlaşılan yeni bir atom modeline daha ihtiyaç vardı. Ancak her zaman ki gibi yine kuramsal ilerleme gerekiyordu. İlerleyelim o zaman?☺

Arthur Compton. Yıl 1923. Einstein ışığın “quanta” yani “foton” yani “tanecik” olduğunu söylemesinin üzerinden 18 yıl geçmiştir.

Compton, elektronları fotonlarla bombardıman ederek sonuçları inceliyordu. Fotoelektrik etkiden bildiğiniz gibi atoma bağlı bir elektrona çarpan foton onun atomdan sökülmesine neden olabiliyordu. Peki ya çarpıp yoluna devam ediyorsa? Tıpkı bir bilardo topuna çarpıp sekerek devam eden diğer bir bilardo topu gibi? Bu, fotonun enerjisini biraz kaybetmesine yol açabilir ve kalan enerjisiyle -biraz da yolundan saparak- yoluna devam edebilirdi. Evet, sonuçlar tam da bunu gösteriyordu…

Gelen foton kısa dalgaboyu (mavi) ve yüksek enerji&frekansta. (Frekans ve enerji kavramlarını ışık söz konusu olduğunda birlikte kullanmamızda bir sakınca yoktur.)

Elektrona “toslayan” foton bir açı (Φ) ile saçılıyor. Saçılan fotonun dalgaboyunun uzadığını (kırmızıya kaymış) ve dolayısıyla frekansının (enerjisinin) azalmış görüyoruz.
Peki nereye gitti bu “fark enerjisi?” Tabi ki orada kendi halinde bulunurken bir anda fotondan yumruk yiyen elektrona. Bu olaya Compton saçılması denir. Ve ışığın tanecik karakteri taşıdığının bir diğer örneğidir. O da ne? Işığın dalga modeli nakavt mı oluyor yoksa?

Dalgaların nakavt olmaya hiç mi hiç niyeti yoktu. Bir Fransız asilzadesi her şeyi yine allak bullak etti; Louis de Broglie.

Broglie, Einstein’in E=mc2 (madde-enerji eşitliği) ve Planck’ın E=hf (enerji-frekans eşitliği) formüllerini eşitleyip ilginç bir sonuca ulaştı:

Broglie şunu iddia ediyordu artık; hızı ve kütlesi olan (bir momentuma sahip) her şeye eşlik eden bir dalga vardır.

λ=h/p=h/m.v

Formülde kendi kütlenizi kg olarak yazıp kendi dalgaboyunuzu bile bulabilirsiniz. Ancak bulacağınız çok çok küçük bir sayıdır, pratikte hiçbir fiziksel anlamı yoktur.

Broglie bu yaklaşımıyla tozu dumana kattı. Aslında şunu söylüyordu; dalga ve parçacık et ile tırnak gibidir ayıramazsınız! Broglie’nin bu yaklaşımı bize, dalga/parçacık ikiliğini kabul edip sindirmemizden başka bir seçenek olmadığını gösterdi. Fizik çığırından çıkmıştı artık.

Young’ın çift yarık deneyini detaylı ele aldığımızda bu dalga-parçacık doğası üzerine daha keskin fikirler edineceğiz. Ama bunun için birazcık daha yolumuz var.

Şimdi, Thomson bize elektronun bir tanecik olduğunu söylemişti. Broglie ise onun aynı zamanda bir dalga karakteri olduğunu iddia ediyor. Size bir taneciğin uzayda yerini net olarak söyleyebilirim. Peki dalganın yeri ne demek? Dalganın bir “yeri” var mıdır?

Erwin Schrödinger. Broglie’den aldığı pası gol yapmak için gereken yetenek onda fazlasıyla vardı. Schrödinger, elektronun dalga doğası gereği onun tam bir konumundan bahsetmektense konumunun olasılığından bahsetmeyi seçti. (Burada Schrödinger, birazdan ele alacağımız ve Heisenberg’in o sıralarda üzerinde çalıştığı belirsizlik ilkesini de göz önünde bulundurmuştu.)

Konumda olasılık çok ilginç bir kavrayıştır. ”Kuantum şehrinde” buluşacağınız sevgilinizin size net bir buluşma noktası vermektense “şu kadar ihtimalle şu mağazanın önünde olacağım” demesi gibi bir şey.
Tabi sevgiliniz örneğin %60 ihtimalle kendisini x mağazasının önünde bulunabileceğini söylüyorsa da bunun bir de %40 ihtimalle o mağazanın önünde bulunmama durumu söz konusu. Ancak sevgilinizi orada bulamazsanız hemen kızmayın, Schrödinger’in %100 ihtimalle sevgilinizin şehir içinde bir yerde sizi beklediğinin garantisini de verdiğini söyleyelim. Aramaya devam edin onu.
Mesela aşağıdaki grafikte bir elektronun “çok büyük ihtimalle” çekirdeğe 0,53 A° yarıçap mesafesinde bir bölgede bulunduğunu görüyoruz. (1 Angstrom (A°) = 10-10 metre) Burada grafiğin tepe noktası elektronun bulunma olasılığının en fazla olduğu çekirdeğe uzaklığını (yarıçap) temsil etmekte. Çekirdeğe daha yakın veya daha uzak bir noktada bulunma olasılığının giderek azaldığına dikkat edin.

Şu durumda artık elektronun konumu için bir “olasılık haritası” (orbital) çıkarılabilir değil mi? Yukarıda küresel biçimde modellenmiş “elektron bulutu” “s orbitali”dir. Bakın burada başka bir elektron için “olasılık haritası” çıkarılmış.
Lise Fizik/Kimyasından orbitalleri hatırlıyoruz. Bunlar Schrödinger’in Dalga fonksiyonu denklemlerinin çözümlenmesi sonucu ortaya çıkan ve elektronların konum olasılıklarını gösteren “uzay bölgeleridir”.

Schrödinger’in geliştirdiği modelde elektron için iki yeni kuantum sayısı daha tanımlanmıştı: açısal momentum kuantum sayısı (l) ve manyetik kuantum sayısı (m). Evet, tam düşündüğünüz gibi: bir atom çekirdeğine bağlı bir elektronun sadece enerjisi değil, momentumu ve manyetik özelliği de “kuantize” hale gelmişti. Yani “sınırlanan” bir hareket durumu söz konusudur diyebiliriz.

Kuantum ilkelerinin geçerli olduğu bir dünyada kesinlikten bahsedilemeyeceğinin ilk işaret fişeğini Schrödinger fırlattı diyebiliriz. Bu dünyada “ihtimaller” sözkonusuydu. Sadece elektronun konum ihtimaliyle sınırlı değildi durum, ne zaman “kuantum sıçrama” yapacağı da bir olasılık konusuydu. Yani üst enerjili bir seviyeye çıkarılmış elektronun ne zaman temel hâle döneceği hakkında kesin bir şey söylenemezdi: belki “şimdi” belki de “biraz sonra”…

Werner Heisenberg. Olasılık fikri daha sindirilememişken o, olasılık fikrinden çok daha rahatsız edici başka bir şey üzerinde çalışıyordu: Belirsizlik!

Bu ilkeye göre bir parçacığın konumu ve momentumu (daha sonra göreceğimiz enerji-zaman ölçümü de dahil) aynı anda asla tam olarak ölçülemez! Birisini ne kadar hassas olarak ölçüyorsanız, diğerini o kadar belirsizleştiriyorsunuz!

Hesaplanan konumdaki belirsizlik (x) ile momentumun belirsizliğinin (p) çarpımı daima belli bir miktara (eşitliğin sağı) eşit veya o değerden büyük olmak zorunda!

Burada yine Kuantum şehrinde bulunan iki sevgilinin yanına gidelim. Buluşacağınız mağazanın önüne gelip orada bulamadığınız sevgilinizi arıyorsunuz ve kendisini nerede bulabileceğiniz konusunda ondan “net bir açıklama” yapmasını bekliyorsunuz. Ancak o size “şu anda x caddesinin tam şu noktasındayım (konum net) ancak hangi yöne doğru hangi hızla yürüdüğüme emin değilim (momentum belirsiz) o yüzden sen buraya gelene kadar konumum beni bulamayacağın şekilde değişecektir” diyor. Ya da bunun tersi de geçerli: “şu anda tam olarak nerede olduğumu bilmiyorum (konum belirsizliği) ama tam şu hızla tam şu yöne doğru (momentum net) yürümekteyim”
Şimdi kabul edin her iki durumda da sevgilinizi şehir içinde herhangi bir yerde bulmanız tamamen “şansa” kalmış durumda. Çünkü onu bulabilmeniz içi gereken bilgilerden en az biri belirsiz ve bu belirsizlik hiçbir zaman tamamen ortadan kaldırılamıyor! (Sevgilinizi bulduğunuzda artık ona kızmanız için bir neden olmadığını biliyorsunuz ? )

Klasik fizik bu durum karşısında resmen tel tel dökülmekteydi. Klasik fiziğe verin bir parçacığın momentumunu ve ona etki eden kuvvetleri, size o parçacığın geleceğini söylesin! Bu, büyüklerin dünyasında kolaydı tabi, ölçümler gayet hassastır. Pek bir sorunla karşılaşmayı ummayız. Ama aynı şey küçüklerin dünyasında geçerli olmuyordu! Heisenberg diye biri çıkıp “bunu yapamazsınız, parçacıklara ait fiziksel veriler belirsizlik içerir, dolayısıyla onun ne “şimdi”sini ne de “geleceğini” tahmin edemezsiniz. Katı neden-sonuç ilişkisi (deterministik doğa) içinde ele alınan fiziksel anlayış artık bir enkazdan ibaretti. Laplace’ın şeytanı ölmüştü…

Peki ölçülen özelliklerin sadece ölçüm sırasını değiştirmek ölçümün sonuçlarını değiştirir mi? Daha açık olalım; hepiniz çarpma işleminde değişme özelliği olduğunu bilirsiniz. p.q=q.p‘ dır. Dolayısıyla p.q-q.p=0‘dır diyebiliriz değil mi? Hangi değeri önce bulup sonra da birbiriyle çarptığımızın bir önemi yok. Sonuç aynı çıkar ve dolayısıyla fark sıfırdır.

Ancak burası tuhaf bir dünya. Ölçülen bir özelliğin alacağı değer onun hangi sırada ölçüldüğüne bağlı! Dolayısıyla p.q ile q.p aynı değer değil!

p q − q p = (h/2πi)I

Bu neye benziyor biliyor musunuz, örneğin 1 şişe “Kuantum kırmızı şarabınız” var ve bunun içerisindeki alkol oranını merak edip bulmak istiyorsunuz. Diyelim ki önce alkol miktarını hemen arkasından da su miktarını ayrı ayrı bulup alkol oranını hesaplıyorsunuz. Sonuç: %15 alkol.
Pimpirikli biri olduğunuzdan sonuçtan emin olmak istiyorsunuz ve aynı şişe için ama bu kez önce su ardından da alkol miktarını belirleyecek şekilde işlem yapıyorsunuz. Siz sonucu –doğal olarak- yine %15 alkol olarak bulmayı bekliyorsunuz ancak bulduğunuz değerin %15’ten farklı! Ölçüm aletlerinizde ya da hesaplarda en küçük bir hata yok ama iki sonuç birbirinden farklı! Bu nasıl olur?

Werner Heisenberg, Max Born’un da katkılarıyla kuantum dünyasının bu tuhaflığından kaynaklanan fiziksel ilişkilerin matris çarpımlarıyla gösterilebileceğini ortaya koydu ve Schrödinger’in dalga mekaniğine ek olarak “Matris Mekaniği”ni kurdu. Matris matematiğinde çarpımların sırası önemlidir.
Bu arada Born ilk kez 1924’te “Über Quantenmechanik” (Kuantum mekaniği üzerine) makale yayınlamış yani “Kuantum” ifadesini ilk kez bilimsel bir yayında kullanmıştır. Artık özgürce KUANTUM diyebiliriz yani.

Schrödinger bayraktarlığında artık atomun “KUANTUM MODELİ” belirmeye başlamıştı. Kesin çizgileri olmayan, bulut gibi puslu bir şeydi.

Ancak ufak bir pürüz daha vardı. Wolfgang Pauli elektron için 4. kuantum sayısını tanımladı: Spin kuantum sayısı (s). Yani elektronun “kuantize olmuş” bir “spin hareketi” vardı. Bu kuantize özellik +1/2 (saat yönü, buçuk spin) ve -1/2 (saat yönü tersi, buçuk spin) olmak üzere iki değer alabilir. Dolayısıyla bir atomda bulunan hiçbir elektronun bütün kuantum sayıları aynı olamaz. n, l ve m sayıları aynı olsa bile s sayısı farklı olmak zorundadır. Bir nevi “bir koltuğa iki karpuz sığmaz” misali. Buna “Pauli Dışarılama ilkesi” diyoruz.

Tüm bunların anlamı şudur; küçüklerin dünyasında bütün fiziksel özellikler “belirli” bir değerin katları olmak zorundadır. Bu değer h (Planck sabiti) ile ilintilidir. h sabitinin yeterince büyük bir değeri olsaydı, klasik dünyamızda da fiziksel büyüklüklerin kuantize hale geldiğini yani “sınırlandırıldığını” görebilirdik. Örneğin “Kuantum marka otomobilinizin” momentumu kuantize olacağından gaza bastığımız anda ibre 0’dan 10’a fırlardı! Ara değerler yok! Biraz daha gaza basıyorsunuz, ibre 10’dan 20’ye fırlıyor! Direksiyonu çeviriyorsunuz ama bir de ne göresiniz? Dönme hareketi de –doğal olarak- kuantize olmuş! O yüzden hassas bir şekilde kontrol edemiyorsunuz aracınızı, direksiyonu diyelim ki 15 derece kadar sağa çevirmek istiyorsunuz ama o da ne! Direksiyon en az 30 derece ve onun katları (60-90) şeklindeki açılarla dönebiliyor! Kabus gibi!

Geldiğimiz noktada olasılıkçı ve belirsizlik içeren bu durum bir devi içten içe rahatsız ediyordu; Einstein…
Einstein 1926’da Max Born’a yazdığı bir mektupta şöyle diyordu;
“Kuantum mekaniği kesinlikle etkileyici. Fakat, içimden bir ses henüz gerçeğin bu olmadığını söylüyor. Kuram birçok şeyi açıklıyor buna rağmen bizi gerçekten “yaşı kişinin” (Tanrı) gizemine götürmüyor. Ben, ne olursa olsun, O’nun zar atmadığına inanıyorum”
Bu sözler daha kısa ve popüler şekliyle “Tanrı zar atmaz” olarak bilinmektedir.
Şimdi Kopenhag’a, Bohr’un yanına gitme zamanı. Bizi çok ama çok ilginç hikayeler bekliyor…

4.Bölüm: Kuantum Mekaniği Kopenhag Yorumu; “İki Dünya Savaşı”

Yıl 1930. Önde ortada oturan Niels Bohr. Solundaki ise Kopenhag’da asistanlığını da yapmış olan Werner Heisenberg.

Kopenhag yorumu, Bohr ve Heisenberg’in 1920’li yıllar boyunca kuantum mekaniğinin nasıl yorumlanması gerektiğine dair öne sürdükleri ilkeler bütünüdür. “Kopenhag yorumu” adında basılı bir eser yoktur ancak Kopenhag yorumu denildiğinde bu ikilinin kuantum mekaniğini yorumlama biçimleri anlaşılmalıdır.
Peki, kelimenin etimolojisini bir kenara bırakıp konuya gelelim. Nedir bu yorum? İlkeleri nelerdir? Ne söyler? Öncelikle şunu söyleyelim; Kopenhag yorumunun yaygın olarak bilinen 8 ilkesi içinde biz bu yazımızda üzerine tartışacağımız ve -en önemlileri olan- 3 ilkeyi işleyeceğiz.

İlke1: Bir sistem, üzerinde ölçüm yapılana dek bu sistem olası bütün durumları (ihtimalleri) içinde barındıran ya da başka bir deyişle bütün durumların üst üste bindiği bir “karışım” halindedir. Buna süperpozisyon denir.
Temsilen, havada dönen bir madeni para “süperpoze” haldedir, yani olası iki durumu da (yazı ve tura) içerir.
Ne zamanki para avucunuza düşer (bunu bir ölçüm olarak kabul edelim) işte o zaman paranın “gerçek durumu” ortaya çıkar. Analojide yanlış anlaşılmaya sebebiyet vermemek için şunu da ekleyelim, örneğin avucunuzda “tura” görüyorsanız artık para için “yazı” özelliği yoktur, silinmiştir. Yani “gerçeklik” bir yazı-tura karışımı iken, “gerçek” yani ölçüm sonucu tura olmuştur. Olası bütün durumların ölçüm (biyolojik gözlem değil) sonucu tek bir duruma indirgenmesine “dalga fonksiyonunun çöküşü” denmektedir. Ölçüm ve gözlem ayrımı çok önemlidir ve bu iki kavram birbirine karıştırıldığı için çokça yanlış anlaşılmalara sebebiyet vermektedir. Ölçüm, parçacıklar ile “etkileşim” gerektirir gözlem ise sadece izleme durumudur. Ay, biz ona baksak da bakmasak da (gözlem) vardır, elektronlar da öyle. Ay, biz üzerinde ölçüm yapsak da yapmasak da “ne ise o’dur”. Ancak buraya dikkat; elektronlar biz onlar üzerinde ölçüm yapmazsak başka, ölçüm yaparsak başka bir yüzüyle gerçekliğini gösterir. Yani, gözlem ve ölçüm hiçbir klasik makroskopik cismin gerçekliği ve durumu üzerinde spekülatif sonuçlara yol açmazken, ölçüm, kuantum kuramınca yönetilen parçacıkların gerçekliği ve davranışları üzerinde spekülatif, çelişkili sonuçlar doğurmaktadır. Bohr bunu “Ölçüm, klasiğe ait bir sonuçtur” şeklinde özetler. Gözlem hali ise parçacıkların davranışlarını ve durumlarını etkilemez. Örneğin biz baksak da bakmasak da elektronlar dalga doğasıyla yayılım gösterir. Biz ona bakıyoruz diye elektron bir anda parçacık konseptine dönmez. Ancak onu izleyen, tespit etmeye çalışlan şey bir cihaz (algılayıcı) olursa, bu durumda cihaz ile elektron “etkileşime” girecek ve bu, elektronun cihaza kendisini parçacık olarak tanıtmasına neden olacaktır. Yeri gelmişken şunu da ekleyelim, elektronların “bilinci” yoktur, izlenip izlenmediklerini bilemezler. Sadece “etkileşirler”, tüm cansız varlıklar gibi. Bu konuyu neden bu kadar önemsediğimizi çift yarık deneyini ele aldığımızda daha iyi anlayacağız.

Süperpozisyon olgusunu gündelik hayattan başka bir örnekle betimleyelim. “Kuantum Parkında” oynayan bir çocuk biz onun ne yaptığını ölçene dek aslında hem kaykay’da kayıyor, hem tahterevallide, hem salıncakta sallanıyor, kısaca parkta yapılabilecek ne varsa hepsini yapıyor varsayılır. Siz ona baktığınız (ölçtüğünüz) anda ise bütün bu ihtimaller tek bir duruma çöker: Çocuk bankta oturuyor. ☺
Park örneği, kuantum mekaniğinin gündelik hayatta geçerli olması durumunda ortaya çıkan bir senaryodur, benzetmedir. Elbette çocuk aynı anda her şeyi yapamaz değil mi?

İlke2: “Bir sistemin tüm fiziksel özellikleri tam bir kesinlikle saptanamaz, birinin kesinliği diğerlerinin belirsizliğine yol açar”

Bu ilke farkettiğiniz gibi, Kuantum mekaniğinin ve aynı zamanda Kopenhag yorumunun kalbi olan Heisenberg’in Belirsizlik ilkesidir. Buna değinmiştik.

İlke3: Mikro dünya mikro yasalarıyla (Kuantum mekaniği) makro dünya makro yasalarıyla (Klasik Mekanik) açıklanabilir.

Bohr bu iki dünyayı ayrı değerlendirmek gerektiğini, aksi halde -parkta oynayan çocuk gibi- anlamsız sonuçlar elde edeceğimizi düşünmektedir. Einstein ise buna şiddetle itiraz eder. Ona göre makro dünyada ne geçerli ise mikro dünyada da o geçerli olmak zorundadır. Atomik ölçeklere halihazırdaki kuantum teorisinin uygulanması ile varılan tuhaf sonuçlar, teorinin henüz tam olmayışından kaynaklanır der Einstein. “İki dünya savaşı” başlamıştır.

Einstein kuantum kuramının kurucularındandır. Ancak zaman içerisinde bu kuramın ortaya koyduğu, akıl, mantık ve sağduyu ile dalga geçen sonuçları karşısında oldukça rahatsız olmuş ve ömrünün kalanını fizik camiasını bu kuramın “tamamlanmamış” olduğuna ikna etmeye çalışarak –ve büyük birleşik bir kuram arayışı içinde- harcamıştır. Bunlar içinde iyi bilinen iki çıkışı vardır; kutudaki saat deneyi ve EPR paradoksu.

Yıl 1930. 6. Solvay Konferansı. Einstein ve Bohr. Einstein bu konferansta “kutudaki saati” Bohr’un kucağına bırakır. Einstein’in bu zekice tasarlanmış düşünce deneyi Kopenhag yorumunun ikinci ilkesine (belirsizlik) o güne dek yapılmış en ciddi muhalefetti. Deneyin Einstein tarafından sunulduğu günün gecesinde Bohr uyuyamadı. Akşam yemeğinde de bunun gerginliği üzerindeydi.
Deneye bir bakalım mı?

Belirsizlik ilkesi (ilke2) sadece konum ile momentum değil enerji ile zaman ölçümlerinin de aynı anda aynı hassasiyetle yapılamayacağını söyler. Einstein bunu çürütmek için şöyle bir deney düzeneği kurgular; kapalı bir kutunun içine bir saat koyalım. Aynı zamanda kutunun içinde hapsolmuş bir foton olsun. Kutuda fotonun kaçabileceği bir kapak var ve bu kapak açılıp kapandığında geçen süre kutudaki saat aracılığıyla çok hassas bir şekilde ölçülebiliyor.

Şimdi diyor Einstein; kapağı açalım ve foton dışarı fırladığı anda kapağı kapatalım. Belirli bir zaman geçti değil mi? (∆t) Peki ya enerji? Kapak açılmadan önce yani foton henüz kutuda iken kutunun ağırlığı ölçülür. Kapak açılıp kapandıktan yani foton dışarı çıktıktan sonra kutunun ağırlığı bir daha ölçülür. Kutunun “hafiflemesi” gerekmektedir. Aradaki fark fotonun kütlesi midir? Kütlesidir.. Kütle enerji değil midir? (E=mc2) Enerjidir.. Kaçan fotonun “belirli” bir kütlesi var mıdır? Vardır.

Dolayısıyla “belirli” bir enerji değişimi (∆E) var mıdır? Vardır.. Einstein hem zaman hem de enerji değişiminin kesin bir şekilde ölçülebildiğini iddia ediyordu. Bohr’un keyfi kaçtı. O salondan düşünceli bir şekilde çıkarken Einstein keyifli görünüyordu.

Bohr bu soruna bir çözüm bulamazsa belirsizlik ilkesinin, dolayısıyla Kopenhag yorumunun dolayısıyla da on yıllık çalışmalarının çöpü boylayacağını anlamıştı. Bir çare bulmalıydı, bir çare ama nasıl bir çare? Uzun ve uykusuz bir gecenin sonunda güneş doğduğunda Bohr’un yüzü gülüyordu. Belirsizlik ilkesi hâlâ geçerliydi.
Nasıl mı?

Kutudan ayrılan fotonun kütlesi yani enerji değişimi belirli idi buna denilecek söz yoktu. Ancak sıkıntı zamanın ölçümünde idi. Başlangıçta kutunun toplam momentumu sıfırdır. Foton kutudan belirsiz bir momentumla ayrıldığından kutuya da belirsiz bir momentum kazandıracaktır. Bu da özel görelilik kuramına göre kutudaki saatin zaman ölçümünü belirsizleştirir!

Bohr Einstein’i sadece kendi silahıyla (özel görelilik) vurmakla kalmamış, üstüne üstlük bir de Einstein’in belirsizliği çürütmek için ortaya attığı bu deneyin aksine belirsizlik ilkesini ispatladığını ortaya koymuştur. İroni!

Bohr’un bu zaferinden yaklaşık 5 yıl sonra Einstein yanına 2 arkadaşını da alır ve bu kez de birinci ilkeyi topa tutmaya başlar: EPR paradoksu.

EPR, Albert Einstein, Boris Podolsky ve Nathan Rosen’in soyisimlerinin baş harflerinden oluşan ve 1935 yılında Physical Review dergisinde “Fiziksel gerçekliğin kuantum mekaniksel açıklaması tamamlanmış olarak düşünülebilir mi?” başlığıyla yayınlanan makalenin adıdır. Paradoks olarak da bilinmesinin nedeni ise makalenin birinci ilkeden doğan bir tutarsızlığa dikkat çekiyor olmasındandır. Yazarlara göre bir sistemin üzerinde ölçüm yapılana dek durumunun net olmaması büyük bir problemdir. Yine bir örnek ile durumu izah etmeye çalışalım.
Kuantum marka eldivenler üreten bir fabrikanın üretim bandından bir çift eldiven çıkmış olsun. Eldivenlerimiz klasik dünyanın eldivenlerinden biraz farklı, e adı üzerinde “kuantum eldiven” değil mi? Farkı şurada bu eldivenlerin, eldiven kutusu fabrikadan çıkıp müşterisi tarafından açılana dek yani müşteri eldivenlere bakana dek iki eldivende ne sağ ne de sol özellik gösteriyor; eldivenler iki durumun da bir karışımı halindeler! (Süperpozisyon) Müşteri kutusunu açtığı anda eldivenlerin biri sağ teke dönüşürken diğeri “anında” sol teke dönüşüyor!

Şimdi paradoksa gelelim. Bir çift kuantum eldiven fabrikadan çıkarken tek bir kutu yerine yanlışlıkla iki ayrı kutuya konulmuş olsun yani her bir kutuda birer tek sağ&sol karışımı (süperpozisyon durumunda) eldiven olsun. Kutulardan biri A mağazasında Aslı’ya diğeri çok uzakta bir B mağazasında Asım’a satılmış olsun. Kopenhag yorumuna göre Aslı veya Asım’dan herhangi biri kutusunu açtığında sağ&sol karışımı olan eldiven ya sağ ya da sol teke dönüşecektir. Örneğin, kutuyu ilk Asım açmış ve karşısında sol tek bir eldiven görmüşse, Aslı’nın kutusundaki eldiven “aynı anda” sağ teke dönüşmek zorundadır (Çünkü kuantum eldiven fabrikası asla hata yapmaz, illa ki çiftlerden biri sağ olduysa diğeri sol tek olmak zorundadır, korunum). Burada Aslı’nın kutusunu açıp açmaması önemli değildir, her halükarda kutusunu açtığında bir sol tek eldiven görecektir. İyi de Aslı’nın kutusundaki eldiven nasıl öğrendi Asım’ın kutusundaki eşinin sol özelliğe dönüştüğünü? Daha da ilginci Kopenhag yorumuna göre kutular arasındaki mesafenin de hiçbir önemi yok, birbirlerinden ne kadar uzakta olurlarsa olsunlar –hatta evrenin ayrı uçlarında bile olsalar- eşlerden biri sağ teke dönüşmüşse diğeri “anında” sol teke dönüşmek zorundadır. O halde bunlar arasında ışıktan bile hızlı gizli bir iletişim mi var? İşte paradoksun özüne geldik; Einstein bu tuhaf duruma alaycı bir şekilde “uzaktan hayaletimsi etki” diyerek bunun yerellik ilkesi dolayısıyla özel görelilik kuramına aykırı olduğunu öne sürmüştür. Çünkü yerellik ilkesine göre bir sistemde meydana gelen değişim yalnızca fizik yasalarının izin verdiği sınırlar içerisinde etkisini göstermek zorundadır. Işık hızı evrensel bir sabit olduğuna ve eldivenler arasındaki bu tuhaf iletişim ışıktan hızlı bir bilgi alışverişini gerektirdiğine göre birinci ilke, yerellik ve özel göreliliği ihlal etmektedir, saçmadır.

Einstein’e göre eldivenler fabrikada üretim bandından çıkar çıkmaz hangisinin sağ tek hangisinin sol tek olduğu belli olmak zorundaydı. Yani sağ ve sol özellik eldivenlere “içkin” olmak zorundaydı. Kuantum teorisinin hayaletimsi etki süperpozisyon ve belirsizlik gibi anlaşılması güç durumlar doğuran sonuçları kuramın henüz tamamlanmamış olduğuna işaret ediyordu. Hatta daha açık konuşursak bu tuhaflıkların kaynağı hesaba katılmayan –belki de katılamayan- bir takım “yerel gizli değişkenlerden” kaynaklanıyor olabilirdi. Einstein’in bu düşünceleri her ne kadar mantığımızı ve sağduyularımızı hoş bir şekilde okşasa da ilerleyen yarım asır içerisinde yapılacak olan çalışmalar yerel gizli değişkenlerin olmadığını gösterecekti. Yani kuantum tuhaflıkları bizim bilgisizliğimiz veya hesapta olmayan şeylerden kaynaklanıyor değildi; aksine doğanın mikro ölçekteki davranışlarının, ta kendisini ifade ediyordu. EPR paradoksu Einstein’in kutudaki saat deneyinden sonra Bohr&Heisenberg karşısındaki ikinci ağır yenilgisi olacaktı. Görelilik kuramları ile fiziği kökünden sarsmış birisi için pek de hoş olmayan bir durum olmasa gerek.

EPR makalesinin daha mürekkebi kurumamışken çok tanıdık bir isimden, kuantum devriminin ağır toplarından Erwin Schrödinger’den başka bir itiraz yükseldi. Schrödinger de Einstein gibi birlikte yeşerttikleri kuantum teorisinin iddia ettiği şeylerden fena halde rahatsız olmaya başlamıştı.

Bu rahatsızlığını 1935’te yayınladığı makalesinde öyle bir düşünce deneyiyle dile getirdi ki, deneyin kahramanı bilim tarihinin en popüler sembollerinden biri haline geldi: Schrödinger’in Kedisi

Deney şöyle efendim; canlı bir kedi içinde zehirli bir şişe olan bir kutuya konur. Kutuda ayrıca radyoaktif bir düzenek vardır.
Radyoaktif düzeneğin içerisinde 1 saat içinde bozunma ihtimali %50 olan radyoaktif bir atom vardır. Şayet atom bozunursa çekicin bağlı olduğu mekanizma tetiklenir, çekiç düşer ve zehir dolu şişeyi patlatır. Dolayısıyla –Schrödinger af dileyerek- kedi zehirlenir ve ölür. Ya da atom bozunmaz, şişe patlamaz, kedi de ölmez. Deney bu kadar basit. Ve soru da basit:

1 saatin sonunda kutunun içindeki kedinin durumu nedir?

Cevap? O da basit: Kutuyu açıp bakmak lazım, açmadan bilemeyiz.

Peki paradoks nerede?

Kopenhag yorumu ne diyor önce ona bakalım. Bu ilke “atom için” şunu söyler; atom bozunmuş veya bozunmamıştır dolayısıyla bu iki durum üst üste inmiştir. Yani “atomik ölçekte” bir süperpozisyon durumu vardır. Kutuyu açarsak bu iki durumdan yalnızca birinin gerçekleşmiş olduğunu, yani dalga fonksiyonunun çöktüğünü, yani kutu sisteminin kuantum belirsizliğinden sıyrılıp “klasikleştiğini” göreceğiz. Buraya kadar tamam. Sorun şurada başlıyor; atomun kaderi ile kedinin kaderi ortak olduğuna göre kedinin de kutu açılıp ölçüm yapılana dek süperpozisyon durumunda yani hem canlı hem de ölü olmak zorunda olması gerekmiyor mu? Bir şey nasıl canlı iken aynı zamanda ölü olabilir? Demek ki burada teoriden kaynaklanan ciddi bir problem olmalıdır. İşte Schrödinger’in kedisi -bir düşünce deneyi olarak- bu tutarsızlığı ortaya koymak içindi.

Peki çözüm nedir? Açıkçası kediyi kurtarma çalışmaları hala sonuçlandırılabilmiş değildir. “İki dünyanın en çetin savaşı” sıkça bu sevimli ve masum kedi üzerinden yürütülmüştür. Şimdi siz Kopenhag yorumunun kedi hakkında gerçekten de hem canlı hem de ölü bir “zombi” hali öngördüğünü düşünebilirsiniz. Hayır. Kopanhag yorumu böyle bir şey iddia etmez. Yorum, sadece küçüklerin dünyasında geçerlidir. Zaten bu deneyin yorumlanmasında olayın “yılan hikayesine” dönmesinin asıl sebebi de budur. Bohr İlke-3’ü gayet açıktır koymuştur ortaya:

İlke3: Mikro dünyamikro yasalarıyla (Kuantum Mekaniği) Makro dünya makro yasalarıyla (Klasik Mekanik) açıklanabilir.

Demek ki problemin (paradoksun) kaynağı aslında iki dünyanın birbiriyle tutarlı olması gibi gerekiyormuş gibi yapılan yaklaşımlarımızdaymış! O yüzden “şansımızı fazla zorlamamıza gerek yoktur”. Şansımızı zorlarsak neler oluyor bakalım mı? Bir defa şansımızı zorlamak demek yani illa ki “ben kediyi ölü veya diri istiyorum” demek Hugh Everett’in çoklu dünyalar yorumuna götürebilir. Everett, kutuyu açtığımız anda kedinin ölü ve canlı olduğu iki evrenin de misafiri oluruz diyor. Yani kediyi ölü gördüysek aslında onun ölü olduğu evreni, canlı gördüysek onun canlı olduğu evreni “birlikte yaratıyoruz”. Yani gözlemci ve kediye özel iki evren!

Roger Penrose bu açıklamanın Kuantum mekaniği ruhunu yansıtmadığını ileri sürerek reddetmiştir.

Şansımızı biraz daha zorlayalım mı? Başka bir yoruma göre gözlemci bilinçli bir varlık olmak zorunda değil. Kedi kendi kendisinin gözlemcisi olabilir ve kendi kaderini bize bağlı kalmadan önceden zaten yaşamıştır çünkü dalga fonksiyonunu bizzat kendisi çökertmiştir. Hatta kutunun kendisi bile bir “çevresel gözlemci” sayılabilir ve doğal olarak kutunun dışından ve dış gözlemcilerden bağımsız, kedinin durumu netleşebilir. Bu açıklamanın çelişkisi ise örneğin gözlemciyi kedinin kendisi kabul edersek zaten biz kutuyu açmadan önce dalga fonksiyonu çökmüş ve kedinin durumu netleşmiştir ancak kutuya dışardan bakacak başka bir gözlemci için kedinin süperpozisyon durumunu koruyor olması gerekmektedir ve bunu iddia etmeye hakkı da vardır. Gözlemciler çatışması. Yani çıkmaz sokak. Demek ki yine şansımızı zorluyoruz.

Sonuç; “iki dünyayı karşı karşıya getirmek, anlamsız, mantıksız, sağduyuya ters sonuçlar doğurmaktadır.

Deneysel bulgular ve elde edilen veri istatistikleri parçacıkların kuantum dünyasında gerçekten de keyfi, rastlantısal ve garip davranışlar sergilediğini desteklemekte, yani Bohr&Heisenberg duruşunun daha uygun bir yaklaşım olduğunu göstermektedir. Ancak yine de bazılarınız hâlâ itiraz ediyor olabilir, nasıl olur da bizim “gerçek dünya” dediğimiz klasik dünyanın temellerinin böylesine fantastik bir kaos dünyasının üzerinde yükseldiğini, bunun derin bir çelişki olduğunu düşünerek Einstein’a arka çıkıyor olabilirsiniz. Ancak doğa böyle. Yavaş yavaş buna alışmak zorunda olduğumuzu fark ediyor, kabulleniyoruz. Belki de bu uyuşmazlığın kaçınılmaz oluşu yüzden “iki dünyayı” birlikte açıklayabilecek “Her Şeyin Teorisi“ni bulamıyor olabiliriz. Feynman bu paradoksun ileride yeni deneyler ve verilerin daha detaylı analizi ile aşılabileceği konusunda ümitlidir.

Artık sona yaklaşıyoruz. Richard Feynman’a göre Kuantum mekaniğinin bütün ilkeleri sadece tek bir deneyin anlaşılması ile ortaya konabilirdi: Çift yarık deneyi.

Bu deneye göre kaynaktan çıkan fotonlar, elektronlar hatta atomlar belli ki dalga biçiminde yayılıyor olmalılar. Çünkü yazımızın başlarında verdiğimiz Young deneyine ait görseli de hatırlarsak fotonlar (ışık) için bir girişim deseni (aydınlık ve karanlık saçaklar) oluşmuştu. Elektronun da dalga doğası olduğunu öğrendiğimize göre ekranda bir girişim deseninin oluşuyor olması gayet makuldur.

Peki ama elektron Thomson’un bize öğrettiğine göre aynı zamanda kütlesi olan bir parçacık. Neden çift yarıktan tanecik olarak geçip ekranda iki paralel çizgi oluşturmak yerine dalga gibi davranıp bir girişim deseni oluşturuyor? Hatta öyle ki, elektronları ekrana “tek tek” bile göndersek yine de girişim deseni oluşturuyorlar!

Dikkat ederseniz ilk etapta (a) anlamsız yerlere düşüyor elektronlar. Ama giderek daha fazla elektron ekrana düştükçe bir girişim örüntüsünün belirmeye başladığını görüyorsunuz. Elektronlar tek tek gönderildiği için tek bir yarıktan geçmesi beklenirken tek bir elektron sanki dalga gibi iki yarıktan birden geçiyor ve desen oluşturuyor! Bu nasıl açıklanabilir? Bunun tek açıklaması elektronun bir dalga karakteri taşıdığı (de Broglie) ve “kendi dalgasının iki yarıktan birden geçip yine kendisiyle girişim yapması sonucu” desen oluştuğunu varsaymaktır.

Peki şimdi yarıkları bir algılayıcı cihaz yardımıyla “izleyelim”, bakalım bu elektronlar gerçekten de iki yarıktan birden nasıl geçiyor. Cihaz açılıyor ama o da ne? Her bir elektron yalnızca tek bir yarıktan geçiyor ve ekranda birbirine paralel iki çizgi oluşuyor! Elektron onu izlediğimizi nasıl anladı? Bilinci mi var yoksa?

Elbette elektronun bilinci yoktur, burada olan “ölçüm” yoluyla elektronun dalga-parçacık dualitesini parçacık konseptine “çöktürmektir”. Elektron “tüm parçacık etkileşimlerinde olduğu gibi” tanecik konseptine dönmüştür. Dolayısıyla artık “mecburen” tek bir yarıktan geçmiş ve ekranda parçacıklardan beklendiği gibi iki paralel çizgi oluşmuştur. Burada “biyolojik gözlem” yani deneyin yalnızca bizim tarafımızdan “izlenmesi” girişim desenini bozmaz. Yukarıda bahsettiğimiz gözlem-ölçüm konusunu hatırlayın. Çift yarık deneyinin altında yatan budur.

Peki kurnazlık yapıp elektron “yarıklardan geçtikten sonra” onun dalga-parçacık özelliğini ölçsek? Kurnazlık şurada; bu elektron yarıklardan dalga olarak geçmek zorunda çünkü biz onu oradan geçerken “rahatsız etmedik”. Ölçümümüzü o yarıktan geçtikten sonra yaptık. Dolayısıyla bu “gecikmiş ölçüm” onu parçacık konseptine dönmeye zorlasa da ekranda her halükarda dalgalara has girişim deseni bırakması gerekmektedir. Çünkü yarıklardan dalga olarak geçtiği için, yarıkların ekrana yansıyacak fiziksel özellikleri bilgisinden (en, boy, aralarındaki uzaklık vb) yoksundur. Dolayısıyla ekranda çift paralel çizgi beklenemez. Mantıklı değil mi?

Şimdi derin nefes alın. Ekranda –biraz parazit olmakla birlikte- iki paralel çizgi meydana geliyor. Bu şoku atlatmanız uzun sürebilir. Elektron bildiğiniz “Demek sen beni faka bastırmaya çalışırsın ha, dur geri dönüp bu kez tanecik olarak geri dönüyorum, seni gidi kurnaz şey” diyor sanki bize. Bu sonuç biraz başınızı döndürebilir; “Gelecekte yapacağımız bir seçim, “şimdi”mizi etkilemektedir” Öyle tuhaf bir durum ki en uygun cümleyi bile bulmakta zorlanıyorum. Şöyle mi desek ya da; “Gelecek, geçmiş üzerinde değil, geçmiş gelecek üzerinde yükselir”.
Maalesef küçüklerin dünyasında durum bu. Zaman her iki yönde de işlemektedir.

John Wheeler’in önerdiği bu “gecikmiş seçim deneyi” (ing: delayed-choice experiment) günümüzde farklı deneysel düzeneklerle ve atomlar kullanılarak gerçekleştirilmekte ve bu tuhaf sonuçlar teyit edilmektedir.

Kuantum dünyasında mantığa pek yer yoktur. Peki yine de bir tutam mantık kullanıp bu durumu açıklamaya çalışsak?
Feynman’a göre parçacıklar bir A noktasından B noktasına seçili bir yoldan gitmezler. Hatta “yol” tabiri bile sıkıntılıdır. Belki de bütün uzaya “yayılmıştır”.

Yani parçacık için aslında sonsuz sayıda yol vardır ve hepsini aynı anda kullanır. Öyle ki, bir yarıktan geçse bile geri dönüp diğer yarıktan da geçebileceği yollar bile vardır (mor yol) Her halükarda çift yarık deneyi hiçbir mantık ve sağduyu yaklaşımıyla çözülebilecek bir fenomen gibi durmamaktadır.

Bu noktaya dek size Kuantum teorisinin bilimsel bir betimlemesini sunmaya çalıştık. Felsefesi ve çıkarımlarını ise siz değerli okurlara bırakmak istiyoruz. Gerçek ve gerçekliğin en temelde derin bir ayrım içerdiğini düşünen Bohr ile doğayı bir bütün olarak, birbiriyle tutarlı ilişkiler içinde ele alma gayretini son nefesine dek sürdüren Einstein’ in güzel bir karesi ile bitirelim.

Niels Bohr, Albert Einstein. Aralık, 1925.

Bizim için bugüne dek bilimsel çalışmalarımıza ve düşüncelerimize temel oluşturmuş olan imgelerden vazgeçmenin ne kadar zor olduğunu bir kez daha anladım.

Albert Einstein

Bir gerçeğin karşıtı gerçekdışılıktır ancak derin bir gerçeğin karşıtı başka bir derin gerçek olabilir.

Niels Einstein




Bilim Fili Sitesindeki Bu Haberin Orijinaline Ve Kaynağına Ulaşmak İçin Tıklayınız

  • Etiketler
  • Yorumla
Üye Girişi
  • Kullanıcı Adınız
  • Şifreniz
Yandex.Metrica haberler haberler