Kuantum Fiziği Nedir ve Evren'i Nasıl Tanımlar? Kuantum Fiziğiyle Bilmeniz Gereken 6 Kavram!

Her gün bunlarla uğraşan fizikçilere bile alanındaki bazı konular hem ilginç hem de mantıksız gibi görünebilir.

Fakat kuantum özünde anlaşılamaz, sınanmamış veya tutarsız bir saha değildir.

Tam tersine insanlığın geliştirdiği en güçlü teorilerden birisi kuantum teorisidir.

Eğer kuantum fiziğine ilgi duyuyorsanız ve bilginizi zenginleştirmek istiyorsanız bu sahada mutlaka haberdar olmanız gereken 6 anahtar kavramı olduğunu söyleyebiliriz.

Eğer bunları iyice kavrayabilirseniz kuantum fiziğini daha anlaşılabilir bulmaya başlayacaksınız.

Ama uyaralım Richard Feynman'ın da dediği gibi, rahatlıkla söyleyebilirim ki hiç kimse kuantum mekaniğini anlamamaktadır.

Her şey dalgalardan oluşur.

Tanecikler bile. Kuantum fiziği ile ilgili temel kavramlara yönelik bir tartışmaya başlayabileceğiniz birçok konu vardır.

Ancak şu iyi bir başlangıç noktası olabilir.

Evrendeki her şey aynı anda hem dalga hem de tanecik doğasına sahiptir.

Greg Beer'ın Fantastik Diyolojisinde sihrin temellerini anlatan bir karakterin şöyle bir dizisi vardır.

Her şey dalgadır. Hiçbir şey sallanmadan, hiçbir mesafe olmadan.

Tabii ki evrendeki her şey parçacık doğasına da sahiptir.

Bu durum tamamıyla çılgınca gelse de şaşırtıcı şekilde aşina olduğumuz bir süreç ile açıklanabilen deneysel bir gerçekliktir.

Şüphesiz nesneleri hem dalga hem tanecik olarak tanımlamak en nihayetinde belli bir belirsizliğe sahiptir.

Düzgün bir şekilde ifade etmek gerekirse nesneler ne parçacıktır ne de dalgadır.

Ancak dalgaların uzaya yayılabilmesi ve karakteristik bir frekansa ve dalga boyuna sahip olması, taneciklerin ise sayılabilir ve sınırlandırılabilir olması gibi bazı özelliklerine sahiptirler.

Dolayısıyla nesneleri bu özelliklerle ilişkilendiren parçacık ve dalga özelliklerinin her ikisinin bir versiyonu olarak ifade etmemiz mümkün olmaktadır.

Bu durum fizik camiasında ışığın fiziğe giriş derslerinde tanecik olarak anlatılmasının uygun olup olmadığıyla ilgili halen sürmekte olan bazı tartışmalara yol açar.

Lisedar serinin ışığın neredeyse her zaman fotonlardan oluşan tanecik doğasından söz edildiğini, dalga doğasından ise çok daha az bahsedildiğini hatta belki gelişim konusu ayrıca pek konuşulmadığını hatırlayabilirsiniz.

Buradaki tartışma ışığın tanecik doğasına sahip olup olmaması konusundan ziyade fotonlara bir kuantum alanının uyarılmaları yerine parçacıklar demenin öğrencilerin kafasında kavram karmaşına sebep olmasıdır.

Tabi kuantum alanına uyarılmasını anlatmak için kuantum fiziğine girilmesi gerekir ve bu da müfredatları karmaşıklaştırabilir ama...

Eğitimde amaç gerçeği olabildiğince isabetli bir şekilde insanlara öğretmek değilse nedir?

Kuantum nesnelerinin bu ikili doğası fizikçilerin kuantum olgusu hakkındaki konuşmalarında bazen kafa karışıcı bir şekilde yansıtılır.

Örneğin Higgs bozonu büyük hadron çarpıştırıcısında bir tanecik olarak keşfedilse de fizikçilerin Higgs alanı hakkında tüm boşluğu dolduran ve yerleştirilmiş olarak bahsettiğini duyabilirsiniz.

Bunun sebebi çarpıştırıcı deneyindeki gibi bazı durumlarda Higgs alanının uyarılmalarından tanecik benzer özelliklerini vurgulayarak bahsetmek daha uygunken, parçacıkların neden kütleye sahip olduğuna dair genel tartışmalar gibi bazı durumlarda

ise fiziği, evreni dolduran bir kuantum alanı gibi elde almak daha uygundur.

Bu aynı matematiksel durumu farklı şekillerde tanımlamak gibidir.

Kuantum fiziği ayrıktır.

Kuantum kelimesi latince ne kadar veya ne miktarda anlamına gelir ve bu kuantum modellerinin her zaman ayrık miktarlara sahip şeylerle ilgili olduğu gerçeğini yansıtır.

Kuantum alanındaki enerji bazı temel enerjilerin tam sayı katları halinde bulunur.

Işık için bu durum frekans ve dalga boyuyla ilişkilidir.

Gelin buna biraz daha yakından bakalım.

Işığın dalga boyu ve frekansı nedir?

Aralarında nasıl bir ilişki vardır?

Görsellerinde incelendiği üzere iki dalga tepesi veya iki dalga çukuru arasındaki mesafeye dalga boylanır.

Yani bir dalga örüntüsünde tekrarlanan ifadeler arasındaki uzunluğa denk gelir.

Bir olayın birim zamanda yani genellikle bir saniye olarak alınır, tekrar etme sıklığına ise frekanslanır ve f ile gösterilir.

Bu da dalga örüntüsündeki tekrarlanan ifadenin sayısıyla ilgilidir.

Bahsettiğimiz gibi ışığın tanecik doğasına ek olarak dalga doğasına sahip olmasından dolayı, ışık içinde dalga boyu ve frekanstan bahsedebiliriz.

Dalga boyu ve frekansın tanımından yola çıkarak ışık hızı, dalga boyu ve frekans ilişkisini matematiksel olarak formüze edecek olursak, Lambda eşittir c bölü f.

Burada c ışık hızı sabitidir.

Eklemde görüldüğü gibi dalga boyunu ve frekans değerleri çarpımı ışık hızı sabitini vermektedir.

Bu durumdan yüksek dalga boylu ışığın düşük frekansa ve düşük enerjiye sahip olduğunu, düşük dalga boylu ışığın ise yüksek frekansa ve yüksek enerjiye sahip olduğunu çıkarabiliriz.

Kuantum alanında tam sayı katları şeklinde bulunan ve ışık için dalga boyu, frekansla alakalı olan enerji düşünüldüğünde, her iki durumda da belirli bir ışık alanının içerdiği toplam enerji, O enerjinin bir tam sayı katıdır yani 1,

2, 14, 137 katı olabilir ama 1.5 pi veya kök 2 katı olamaz.

Enerjinin yalnızca belirli değerler alabilmesi ve her değeri alamaması atomların farklı enerji seviyelerinde bulunması ve katılarda enerji bant yapılarında da görülür.

Enerjinin yalnızca belirli değerler alabilmesi durumu kesikli kuantumlu olarak da ifade edilir.

Atom saatleri tam da kuantum fiziğinin bu özelliği sayesinde çalışır.

Sezyum atomunun iki olası durumu arasındaki geçiş sırasında saçılan ışığın frekansını kullanarak zamanı çok isabetli ama kusursuz olmayan bir şekilde tutabiliriz.

Hatta bu nedenle aralıklarla atom saatlerini artık sahneye eklememiz gerekir.

Bazen şekilde aşırı hassas spektroskopi kullanarak karanlık madde gibi şeylerin doğasını bu sayede araştırabiliriz.

Bunu ilk etapta anlamak kolay olmayabilir çünkü temelde kuantum doğaya sahip olan kara cisim ışıması gibi bazı şeyler süre gelen dağılımlara sahipmiş gibi gözükür.

Ama eğer bunları matematiğin deşmeye başlarsanız, Hemen her zaman içlerinde belli bir granülerite yani taneciklik olduğunu görürsünüz.

İşte bu teorinin tuhaflığının temelinde yatan gerçektir.

Kuantum fiziği probabilistiktir.

Yani olasılığa dayalıdır.

Kuantum fiziği ile ilgili en tartışmalı ve şaşırtıcı şeylerden birisi, kuantum sisteminde yapılan tek bir deneyin sonucunu kesin olarak tahmin etmenin imkansız olduğudur.

Bir fizikçi bazı deneylerin sonuçları hakkında tahmin yürüttüğünde, olası sonuçların her bir çeşitli ihtimallere dönüşebilirleri ve teori ile deney arasındaki karşılaştırmalar, her zaman birçok tekrarlanan deneyden olasılık dağılımların çıkarılmasını içerir.

Bir kuantum sisteminin matematiksel tanımı genellikle Yunanca bir harf olan psi ile gösterilen dalga fonksiyonu ile ifade edilir.

Dalga fonksiyonunun tam olarak neyi ifade ettiği konusunda birçok tartışma vardır.

Bu tartışmaları iki ana grupta toplayabiliriz.

Sağdaki jargonu kullanacak olursak, ontik teoriler olarak bilinen ve şaka yollu olarak pisiyontolog olarak adlandırılan bir taraf, dalga fonksiyonunun gerçek bir fiziksel olarak var olduğu düşüncesindeyken, epistemik teorileri savunan diğer taraf,

dalga fonksiyonunu yalnızca belli bir kuantum nesnesinin temeldeki durumuyla ilgili bilgimizin bir ifadesi olarak görür.

Her iki düşünce grubunda da bir sonucu bulma olasılığı dalga fonksiyonu tarafından direkt olarak verilmez.

Dalga fonksiyonunun karesi ile ifade edilir.

Unutmayın ki dalga fonksiyonu karmaşık bir matematiksel tanımdır ve bu fonksiyonu kullanarak olasılıkları elde etmek uğraştırıcı bir iştir.

Bu yüzden her ne kadar tam anlamıyla karşılayan bir ifade olmasa da olasılıkları bulmak için dalga fonksiyonunun karesini anlamamız gerektiği söylemek temel bir fikir verecektir.

Bu, Alman fizikçi Max Born'un ilk kez 1926'da bir makalenin diplotunda bahsettiği Born kuralı olarak bilinir ve maalesef bazıları tarafından çirkin bir ad-hoc, yani sonradan yapılan ekleme olarak görülür.

Kuantumun temelleriyle uğraşan komünitenin bir kısmı, kuantumun daha temel ilkelerinden Born kuralını türetmenin bir yolunu bulmak için etkin bir çaba gösterse de, bugüne kadar bu çabaların hiçbiri tam olarak başarılı sonuçlanmadı.

Buna rağmen bu çaba, konu hakkında birçok bilimsel ilginç bilginin üretilmesine olanaklandı.

Burada bahsedilen durum aynı zamanda teorinin taneciklerin aynı anda birden fazla durumda bulunabileceğini gösteren yönüdür.

Tahmin edebildiğimiz tek şey olasılıktır ve belirli bir sonucu belirleyen bir ölçümden önce ölçülen sistem, farklı olasılıklara sahip tüm durumların bir arada bulunduğu atım eksi olarak belirsiz bir durumdadır.

Sistemin aynı anda tüm durumlarda gerçekten mi bulundu?

Yoksa bunun sadece bilinmeyen bir durumun matematiksel bir ifadesi mi olduğu sizin ontik veya epistemik modellere karşı duruşunuza göre değişebilir.

Ancak bunların her ikisi de kuantum fiziğinin yerel olmadan anlatan bir sonraki maddemizden kaynaklı kısıtlara sahiptir.

Kuantum fiziği yerel değildir.

Einstein'ın kuantum fiziğine yaptığı son katkı çoğunlukla yanlış olduğu için yaygın olarak kabul edilmedi.

Einstein 35 yılında yayınlanan bir makalede genç meslektaşları Boris Podolsky ve Nathan Rawson ile birlikte onu bir süredir rahatsız eden bir durum atamak istediği ifadesini sundu.

Makalede anlatılan bu üç bilim insanının isimlerinin baş harflerinden istenerek adlandırılmış EPR paradoksu'ydu.

EPR paradoksu kuantum fiziğinin birbirinden uzak yerlerde yapılan ölçümlerin birinin sonucunun diğeri tarafından belirlendiği düşündüren şekillerde ilişkileri ayarlayabildiği sistemlerin varlığına izin verdiğini gösteriyordu.

Paradoksa göre kuantum teorisi eksik kalmalıydı ve...

Yalnızca daha derin bir teoriye göre ilk bir yaklaşım olarak görülmeliydi.

Üçlüğe göre bu teori bir çeşit yerel gizli değişkenler teorisiydi.

Teorinin destekçileri ölçüler sonuçların bazı faktörler tarafından önceden belirlenmesi gerektiğini savundular.

Çünkü diğer alternatifte bir ölçümenin sonucunu diğerinin konumunu aşık hızından daha büyük hızlarla eğitilmesi gerekeceğini düşünüyorlardı.

Bu paradoks 60'lı yıllara kadar yaygın olarak kabul görmese de varlığını sürdürdü.

64 yılında ise İrlandalı fizikçi John Bell tarafından detaylıca incelendi.

Bell, kuantum mekaniğindeki bağlantıları Einstein, Podolsky ve Rawson'ın öngörüsüyle üretebilecek herhangi bir olasılardan daha güçlü tahmin edebileceğimiz durumlar olduğunu gösterdi.

Bu 70'lerin ortasında John Klausur tarafından deneyse olarak test edildi ve 80'lerin başında Alan Aspect tarafından yapılan bir dizi deney, karmaşık kuantum sistemlerinin yerel değişken terörüyle açıklanmayacağını ortaya koydu.

Tüm bunları anlamanın en yaygın yolu kuantum mekaniğinin yer alamadığını söylemektir.

Yani spesifik bir lokasyonla yapılan ölçümlerin sonuçları ışık hızını hareket eden sinyalleri kullanarak izah edemeyeceğimiz şekilde uzak cisimlerin niteliklerine bağlı olabilir.

Ne yazık ki bu ışık hızını aşacak hızlarda bilgi aktarımına izin vermez.

Yine de kuantum yerelsizliğini kullanarak tam da bunu yapmaya çalışan birçok denem yapılmıştır.

Bu da bilim için iyi bir pratik olmuştur.

Çünkü bu çabaları çürütme sayesinde kuantum fiziğine yönelik çokça detay keşfetmemiz mümkün olmuştur.

Kuantum yerelsizliği aynı zamanda kara deliklerde buharlaşan bilgi probleminin de kalbinde yer almaktadır.

Son dönemde çokça tartışılan ateş duvarı konusu da bu yüzden önemlidir.

Hatta EPR makaresinde söz edilen dolanık parçacıklar ile solucan delikleri arasında matematiksel bağlantı olduğunu iddia eden bazı radikal fikirler bile ileri sürülmüştür.

Kuantum fiziği genellikle çok küçüktür.

Kuantum fiziği garip olmakla ilgili bir şöhreti sahiptir.

Çünkü en azından biz insanlar için günlük hayattaki deneyimlerimizden çok farklı tahminler içerir.

Bunun sebebi nesneler büyüdükçe kuantum etkilerinin azalmasıdır.

Diyelim ki parçacıkların dalgalar gibi davrandığını gözünüzle görerek Kuantumun etkilerini tartışmasız bir şekilde anlamak istiyorsunuz.

Ancak momentum arttıkça dalga boyu azalır.

Bu yüzden odanın bir ucundan diğer ucuna yürüyen bir köpek gibi makroskobik ölçükteki bir cismin dalga boyu o kadar küçüktür ki odadaki tek bir atomu güneş sistemi boyutuna büyütecek olsaydınız bile köpeğin dalga boyu güneş sistemi içerisindeki

bir atom genişliğinde olurdu.

Yani bu durum kuantum olguların genellikle sadece atomlar ve temel parçacıklar boyutuna hapsolduğu anlamına gelir.

Bu büyüklükte kütleler ve hızlar öylesine küçüktür ki dalga boyları gözlenebilecek kadar büyük olur.

Yine de kuantum etkileri doğrudan gözleyebileceğimiz kadar büyük cisimlere ve küçük dalga boylarına ulaştırma yönelik bir çaba mevcuttur.

Örneğin Marcus Arndt ve ekibi tarafından yapılan bir dizi deney, giderek daha büyük moleküllerde dalga benzeri davranışları göstermektedir.

Ayrıca bir dizi cavity optomekaniği araştırma grubu, ışık kullanarak silikon öbeklerinin ayrı kuantum doğasını gösterici deneyler yapmaktadır.

Hatta bazı uzmanlar birkaç gram kütlesindeki aslı aynalar kullanarak gözlenebileceğini ileri sürmektedir.

Böyle bir şey görmek inanılmaz olurdu.

Kuantum fiziği sihir değildir.

Bir önceki başlık bizi doğal olarak başlığa götürüyor.

Ne kadar tuhaf olursa olsun kuantum fiziği büyüden veya sihirden en uzak sahadır.

Kuantum fiziğinin öngörüleri günlük hayatta aşina olduğumuz fizik standartlarına göre oldukça tuhaftır.

Fakat kuantum fiziği iyi anlaşılmış matematiksel kurallar ve ilkeler tarafından katı bir şekilde sınırlandırılmıştır.

Birisi de serbest enerji, meslek iyileştirme güçleri, İmkansız uzay sürüşleri gibi gerçek olamayacak kadar iyi bir kuantum fikirleri geldiyse bu muhtemelen gerçekten de gerçek olmayan bir fikirdir.

Tabii ki bu durum inanılmaz şeyler yapmak için kuantum fiziğini kullanamayacağımız anlamına gelmez.

Sıradan bir teknolojik ürün de bile harika düzeyde fiziksel detay bulabilirsiniz.

Yine de bu fikirler termodinamik yasalarının ve temel sağduruların sınırları içerisinde kalır.

Sahte bilim vizyon iddialarındaki gibi temel fizik yasalarını ihlal etmezler.

İşte böyle. Buradaki altı madde kuantum fiziğinin en önemli birkaç konusudur.

Elbette bunların sayısını artırmak mümkün ve burada anlattıklarımız bu konuların gerçeklikli karmaşıklığına ve detayına asılmaktan elbette çok uzak.

Ama en azından sizi araştırmalarınız için bir başlangıç noktası verebilir.