Kuantum Fiziği – Temel Kavramlar (1)

Bu seride kuantum fiziği ile ilgili temel kavramları çok da organize olmayan bir biçimde anlatmaya çalışacağım… Öncekilere göre çok uzun bir seri olacağı şimdiden kesin olduğu için herhangi bir zaman planı olmaksızın aklıma geldikçe/yeri geldikçe devam edebileceğim bir yazı zinciri yaratmak istiyorum… Böylelikle hem konuya yabancı olanlar hem de bizzat ilgili olanlar için yarı teknik bir malzeme çıkmış olacaktır zaman geçtikçe.

Kuantum Fiziği dediğimiz; atomun ve atomaltı parçacıkların uyduğu kuralların bütününü oluşturan fizik dalı. Atomaltı terimi de atom ölçeğinin de altında anlamına geliyor. Yani elektron, proton, nötron ve daha da küçük parçacıklar…

Klasik evrende; yani büyük cisimlerin oluşturduğu evrende (salondaki koltuğunuzda oturan sizin için mesela) maddenin davranışında olasılıksal bir yan bulmanın pek imkanı yok… Yani salondaki koltuğunuzda oturuyorsanız, orada olduğunuz kesin… %30 olasılıkla mutfakta, %20 olasılıkla tuvalette ve %50 olasılıkla salonda olmanız ihtimali gibi bir şey söz konusu değil… O yüzden çoğu kez ‘klasik fizik deterministiktir’ ifadesini duyarsınız. Atom ve altındaki ölçeğe inildiğinde ise işler biraz değişmeye başlıyor. “Bir elektronun herhangi bir yerde bulunma olasılığının dağılımı” gibi kavramlar karşınıza çıkıyor…

Bu giriş yazısında şimdilik denklemlerden uzak durup bazı temel konulardan bahsetmeye çalışacağım.

Lafı daha fazla uzatmadan Kuantum Fiziği ile ilgili en önemli konulardan biri ile başlayalım: Parçacık-Dalga İkilemi.

Öncelikle biliyoruz ki ışık hem dalga hem de parçacık (foton) özelliği gösteriyor.

Yani belirli deneylerde ışığın, aynı su dalgaları gibi davrandığını biliyoruz. Örneğin ışığı çok dar aralıklardan geçirip duvara yansıttığınızda, parça parça aralıklarla iz bıraktığını göreceksiniz. Yan yana 2 dar aralıktan geçirildiğinde ise tek tek aralıklardan geçen dalgaların birbiriyle çakışması sonucu oluşan izler çıktığı görülecek…

 

Parçalı yapıyı yukarıda görmek mümkün;

İki aralıktan geçen dalgalar birleştiğinde kimi zaman birbirini kuvvetlendiriyor (aydınlık yerler) kimi zaman da birbirini yok ediyor (karanlık yerler). Aynı iki su dalgasının yapacağı gibi.

İşin ilginç tarafı bu deneyi ışıkla değil, elektronlarla da yapsanız sonuç aynı oluyor!..

Yani atom seviyesinde parçacıkların aynı anda sahip olduğu bir dalga ve parçacık özellikleri var… Siz neyi ölçerseniz onunla ilgili özellik ön plana çıkıyor. İşte bu durum kuantum fiziği ile ilgili en çarpıcı noktalardan biri:

Yapılan deneyin kendisi, parçacık özelliğinin mi dalga özelliğinin mi ortaya çıkacağını belirliyor.

…….

Bir parçacığın dalga özelliği gösterebilmesinin ise çok temel bazı sonuçları mevcut:

Aynı su dalgalarını temsil eden matematiksel ifadeler olduğu gibi, örneğin elektronun da ‘durumunu’ temsil eden matematiksel bir fonksiyon; dalga fonksiyonu var…

Şimdi şu videoyu izleyin:

Burada göreceksiniz ki aynı bir gitar telinin belirli modlara (notalara) sahip olmasa ve her sesin bu notaların bir karışımı olması gibi genel olarak dalgaların belirli modları mevcuttur… Her dalga bu belirli modların bir kombinasyonu olarak temsil edilebilir.

İşte dalga fonksiyonu dediğimiz matematiksel ifade; örneğin bir elektronun dalga fonksiyonu da onun farklı olası modlarının olasılıksal dağılım fonksiyonudur. Bir nevi bir ölçüm yapılsa ‘hangi olasılıkla hangi durumda’ bulunacağının bilgisini içeren fonksiyondur. Yani artık bir parçacık için kesin bir bilgiden değil olasılıksal dağılımı temsil eden bir dalga fonksiyonundan bahsediyoruz… Örneğin tek bir elektronun dalga fonksiyonunun çift yarık deneyinde elektronun bulunma olasılığının dağılım simülasyonu:

Az önce bir dalga fonksiyonunun; temsili bir çok farklı moddaki dalgaların farklı ağırlıktaki kombinasyonlarından oluştuğunu öğrendik… Buna süperpozisyon prensibi diyoruz. Her dalga, temel modlarına ayrıştırılabilir.

Yalnız bir parçacığın bu şekilde temsil edilebilmesinin getirdiği başka enteresan özellikler çıkıyor. Mesela herhangi bir ölçüm yaptığımızda…

Bir elektronun enerjisini, pozisyonu vb. bir takım fiziksel özelliklerini ölçtüğümüzde bir olasılıksal dağılım değil belirli değerler buluyoruz. Yani yaptığımız ölçüm bir anda olasılıksal dağılım veren dalga fonksiyonunu değiştiriyor!.. Ölçüm, bize dağılım yerine tek bir değer veriyor.

“Yaptığımız ölçümün, üzerinde ölçüm yaptığımız parçacığın dalga fonksiyonunu değiştirmesi…” kavramı da yine kuantum fiziğinin en önemli ve felsefik konularından biridir.

……

Çok temel konularından biri de ölçümdeki belirsizlik ilkesi; yani Heisenberg Belirsizlik İlkesi olarak bilinen kural:

Belirsizlik İlkesi aslında çok basit bir fiziksel gerçekten ibaret; cisimleri gözlemlemek için ihtiyaç olunan en önemli şey; ışık. İnsan gece evinde zifir karanlıkta bir şey bulmaya çalışırken doğal olarak yaptığı ilk şey odanın ışığını açmaktır. Işığı açınca aradığımız şeyi daha önce nerede bıraktıysak bıraktığımız o yerde olduğunu görürüz. Ancak bu durum atomaltı parçacıklar için biraz daha farklı gelişmekte; diyelim kaybettiğimiz elektronu (!) bulmak istiyoruz; yapacağımız ilk şey yine ışıkları açmak olacaktır. Yalnız bu sefer önceki durumdan farklı olarak, elektronun ışıklar kapalıyken bulunduğu yer ile ışıklar açıldığındaki yeri aynı değildir. Bunun da sebebi elektron ve genel olarak tüm atomaltı parçacıklar o kadar küçük parçacıklardır ki onları görmek için açtığımız ışıktaki foton tanelerinin bir çarpışı yerlerini azda olsa değiştirmeye yeter. Bu durum tabii ki evdeki koltuk için geçerli değildir. Dolayısıyla atomaltı parçacıklar seviyesinde bir şeyin yerini bulmak için açtığımız ışık aslında o cismin ışıklar açılmadan önceki yerini değiştirir (Gözlemin kendisinin, gözlediğimiz şeyin dalga fonksiyonunu değiştirdiğini az önce de açıklamıştık).

Bu durumda atomaltı seviyedeki her cismin belirli bir andaki yerini “tam olarak” tespit etmemizi engellediğinden belirli bir belirsizlik yaratır ve “Belirsizlik İlkesi” adını alır…

………

Tüm bu;

• Parçacık-Dalga ikilemi
• Dalga Fonksiyonu
• Belirsizlik İlkesi

gibi kavramlar popüler saçmalıklar literatüründe… Özellikle de ‘evrene enerji yollayan/alan’, ‘kuantum düşünce gücü’ vb. literatürlerde kendine yer buluyor.

Akıldan çıkarmamak lazım ki; atomaltı seviyedeki olasılıksal yapı ve onun getirdikleri, klasik kanunları yaşadığımız normal hayatta gözlenemeyecek derecede etkisiz…

Unutmayınız ki;

Her parçacığın bir dalga fonksiyonu olduğundan yola çıkıp salondaki koltuk, sokakta yürüyen adam ve genel olarak içinde yaşadığımız klasik düzen için de kuantum fiziksel sonuçlar çıkarmak ancak modern dolandırıcıların; bunlara inanmaksa, yaşadığı monoton hayatı anlamlı kılacak bir şeyi çaresizce arayan modern aptalların işidir…

…..

Hiç hesapsız kitapsız bir giriş olan bu yazıda umarım temel kavramlara biraz daha açıklık getirebilmişimdir… İlerideki yazılarda çeşitli konuların üzerine (zorunlu olarak) biraz da matematik koyup ilerlemeyi planlıyorum.