Kuantum mekaniği: Önemi, özelliği ve örnekleri

Kuantum fizikçisi Richard Feynman şu ünlü sözünü söyledi: "Sanırım rahatlıkla söyleyebilirim ki kimse kuantum mekaniğini anlamıyor". Bugün hala geçerli olsa da bu durum bizi çeşitli teknolojilerde maddenin kuantum özelliğinden yararlanmaktan alıkoymadı. Peki kuantum mekaniği nedir? Kuantum mekaniği ile evrene dair katı görüşümüzü neden belirsizlikler, bölünmüş kimlikler ve tuhaf davranışlarla değiştirdik?

Kuantum mekaniği nedir?

Bir kuantum fenomeni olan dalga-parçacık ikiliğine bakalım. Bu fenomen, her parçacığın yalnızca parçacık davranışı açısından değil, aynı zamanda dalga davranışı açısından da tanımlanabileceğini belirtir. Elektronları dalgalar olarak tanımlamak silisyumun elektriksel özelliklerini anlamamızı sağladı ve silisyumu istifledikçe nanometre ölçeğinde transistörler oluşturmak mümkün hale geldi. Bu transistörlerden milyonlarcasını bir araya getirmek bugün telefonun ve dizüstü bilgisayarın çalışmasını sağlayan bilgisayar çipini oluşturdu.

Benzer şekilde, ışığı dalga olarak değil parçacık yani foton olarak tanımlamak bize lazeri vermiştir. Birçok kullanımın yanı sıra lazerler, fiber optik kabloyla mesaj göndermeyi sağlayan ışık kaynakları oldular. Lazer ışığı olmadan internet ve küresel telekomünikasyon olmazdı.

Peki dalga-parçacık ikiliği ne anlama gelir? Elektron gibi temel parçacıklar gerçekten dalga mıdır? Onlarca yıllık deneysel sonuçlara göre cevap bir kuantumdur: Hem evet hem hayır. Bunun en net kanıtı klasik çift yarık deneyinde yatıyor.

Çift yarık deneyi

İlk deney 19. yüzyılın başlarında Thomas Young tarafından gerçekleştirildi. Işığın bir dalga olduğunu gösteren ilk kanıttı. Deney, ışığı iki yarıklı bir perdeye tutmayı içerir. Perdenin arkasında, yarıklardan geçen ışığın nereye düştüğünü gösteren ikinci bir perde vardır. Bu sistem yarıklardan çıkan ışığın yayılmasını sağlar. Yayılan ışık, ikinci perdeye çarpmadan önce birbirine karışır. Arka perdede ortaya çıkan çizgili desen ise her şeyi anlatır: Elde edilen şey bir girişim modelidir yani ışığın dalga olduğunun açık bir işareti.

Sabit bir ışık demetinin yerine tek tek ateşlenen elektron veya başka bir parçacık kullanırsanız aynı örüntüyü elde edemezsiniz. Arka perdede en fazla iki yarık şeklinde bir çizgi oluşması beklenebilir ancak o da gerçekleşmez. Parçacıklar arka perdeye teker teker çarpar ve yine de dalgaların ayırt edici özelliği olan girişim modelini oluştururlar. Yani parçacıklar birleşerek ortaya dalga benzeri bir görüntü çıkarırlar. Bu da dalga-parçacık ikiliğidir.

İLGİLİ:  Dünya okyanusları hiç olmadığı kadar fırtınalı hale geliyor

Ve işler tuhaflaşmaya devam eder. Tek bir parçacığın hangi yarıktan geçtiğini bulmak için yarık çıkışına parçacık detektörü kurarak deney yapabilirsiniz. Bunu yaptığınızda tüm dalga benzeri davranışlar kaybolur. Arka perdede iki yarık şekilli bir çizgi oluşur ve parçacığa özgü bir görünümdür. Bakmak yani ölçüm yapmak sistemi bozar ve elektronların bize parçacık gibi hareket ettiğini gösterir.

Planck ve Einstein

Bunun gibi sonuçlar, kuantum dünyasının günlük alışılmış deneyimlerden ne kadar farklı olduğunu gösteriyor. Kuantum mekaniğine dair gerçekliğin kapsamı çok büyüktür.

Kuantuma dair her şeyi başlatan 1900'de Alman fizikçi Max Planck oldu. Kendisine çarpan tüm ışık frekansını emen ve bu yüzden siyah cisimler olarak bilinen yüzeylere ısı vermenin kafa karıştırıcı sonuçlarıyla ilgilendi. Planck, enerjinin eşit şekilde akmadığını, kuanta dediği ayrı küçük paketler halinde salındığını söyledi. Her kuanta'nın ilişkili bir frekansı vardı. Ve bu ilişki yeni bir küçük doğa sabitini doğurmuştu: Planck sabiti. Planck, kuantum mekaniğinin ilk özelliğini ortaya çıkarmıştı – enerji sürekli değildi.

Planck bu enerji kuantumlarını sadece denklem kurmada yararlı bir matematik numarası olarak gördü. Ancak ondan beş yıl sonra Albert Einstein, kuantumların gerçek olduğunu gösterdi. Einstein bunu, fizikçileri şaşırtan başka bir fenomeni çözerek yaptı: Fotoelektrik etki.

Deneylerde metal bir yüzeye ışık tutulduğunda elektron yayıldığını ortaya çıkardı. Ancak elektronların enerjisi, ışığın yoğunluğuna değil, yalnızca frekansına göre değişiyordu. O zamanlar kimseye mantıklı gelmedi. Artan radyasyon elektronları daha çok harekete geçirmeli ve onları daha yüksek enerjiyle dışarı fırlatmalıydı.

Einstein, ışığın enerjisinin Planck sabiti ile frekansın çarpımına eşit olduğunu gösterdi. Işık artık nicel olmuştu. Eğer ışık paketler halinde ilerliyorsa o halde parçacıktı. Ancak Fransız fizikçi Louis de Broglie bunun tersini kanıtladı: Parçacıkların dalga benzeri özelliklere sahip olabileceğini açıkladı.

Bir ihtimale inanmak

Einstein, zaman, uzay ve yerçekiminin gizemlerini araladığı bir çizgide dalga-parçacık ikiliğinin arkasındaki gerçekleri aydınlattı ve alana başka önemli katkılarda da bulundu. Ancak 1920'lerin ortalarında artık kuantum teorisindeki gelişmelerden uzaklaşmaya karar verdi. Bunun nedeni kuantum mekaniğinin kesin ölçümler sağlamamasıydı. Her şey yalnızca olasılıkları hesaplamakla ilgiliydi. Einstein evrenin yapısında şansın rol oynadığını kabul etmedi ve şu ünlü sözünü söyledi: "Tanrı zar atmaz."

Birçok diğer ismin yanı sıra Erwin Schrödinger, evrenin çalışma sisteminin merkezinde şans olduğunu gösteren kişi olarak öne çıktı. Problemleri atomik yapı teorisi ile çözmeye çalışan Schrödinger, dalga fonksiyonu olarak bilinen olasılık dalgasının zaman içinde nasıl geliştiğine dair bir denklem yazdı.

İLGİLİ:  İnsülin direnci nedir ve insülin nasıl çalışır? İnsanlar için önemi

Kulağa ilginç gelmeyebilir ama çok büyük bir adımdı. Belirli bir zamanda belirli bir elektronun istediğiniz bir yerde olma olasılığının kesin olarak hesaplanacağı anlamına geliyordu. Schrödinger denkleminin çift yarık deneyiyle derin bir bağlantısı da vardır ve buna dair iki popüler yorum bulunur:

Buna göre bir parçacık ya arka perdede bittiği yere ulaşmak için birçok olası yoldan birini seçer ya da tüm olası yollardan geçer ancak evrenimizde yalnızca bir tanesi görünür ve geri kalanlar sürekli genişleyen sayıdaki paralel evrenlerde gerçekleşir.

Bugün bile fizikçiler bu yorumlardan hangisinin doğru olduğundan emin değil.

Kuantumun ölçüldüğü anda çökmesi

Schrödinger olasılık dalga denklemini yazarken, Werner Heisenberg kuantum tuhaflığına katkıda bulunuyordu.

Heisenberg'in belirsizlik ilkesi, bir parçacığın konumunu ve hızını (teknik olarak, momentum) tam bir hassasiyetle asla bilemeyeceğinizi söyler. Dahası, birini ne kadar kesin olarak bilirseniz, diğerini o kadar az kesinlikle bilirsiniz.

Bu ilke, çift yarık deneyinde kuantum davranışının olmadığını iddia eder. Aletler parçacığın yarık çıkışındaki momentumunu ve konumunu ölçtüğünde kuantum mekaniği çöker ve parçacıklar normal nesne gibi davranır.

Heisenberg bir adım ileri gitti ve enerji ile ölçüm zamanının aynı ilişkiye sahip olduğunu ifade etti. Bir kuantum sistemin enerjisinin daha hassas ölçülebilmesi için enerjinin daha uzun süre taşınması gerekliydi.

Bunun garip sonucu ise bir parçacığın enerjisinin kısa zaman ölçeğinde çılgınca dalgalanabilmesidir. Kuantum tünelleme olarak bilinen bu etkide, kısa vadeli enerji artışı bir parçacığın asla geçmemesi gereken bir bariyerden tünel açmasını sağlayabilir.

Bu etki sadece teorik bir kavram değildir. Taramalı tünelleme mikroskobunun bir maddenin yüzeyindeki her bir atomun ayrıntılı görüntüsünü alabilmesinin nedeni budur.

Her şey kuantum mu?

Birçoklarına göre kuantum görelilikten daha büyük ölçeğe sahip. Kuantum mekaniği bugün maddenin yapı taşlarından büyük patlamaya ve arada gerçekleşen hemen her şeye kadar temel fiziğin tüm alanlarını kapsıyor ve gelecekte günlük hayatımızla daha iç içe olacak gibi görünüyor.

Örneğin, İsviçre 2007'de Ulusal Konsey seçimlerinde seçim hilesiyle mücadele etmek için ilk kez kuantum kriptografiyi kullandı. 2017'de Çinli fizikçiler Tibet'ten Dünya yüzeyinin 1.400 kilometre yukarısındaki bir uyduya kuantumla bilgi ışınladılar. Bu başarıların her ikisi de, kuantum teknolojisinin verilerin güvenliğini sağlama gücünü gösteriyor.

İLGİLİ:  Satürn gezegeninin özellikleri, uyduları ve yapısı

Ancak daha da büyük etkiler olabilir. Dünyanın dört bir yanındaki bilim adamları, ilk kullanışlı kuantum bilgisayarların temelini atıyor. Geleneksel bir bilgisayardaki bitler ya 0 ya da 1'dir. Bir kuantum bilgisayardaki kübitler aynı anda 0, 1 ve hem 0 hem de 1 olabilir.

Bu ve diğer kuantum etkilerden yararlanarak kuantum bilgisayar, klasik bilgisayarın pratikte çözemeyeceği hesaplamaları hızla yapabilir.

Yakın zamana kadar bir kuantum bilgisayarına yalnızca bir avuç kübit eklenebiliyordu. Ancak şimdi yaklaşık 50 kübitlik kuantum bilgisayarlar geliştiriliyor. Bu sayı, kuantum bilgisayarın belirli görevlerde geleneksel süper bilgisayarların ötesine geçerek "kuantum üstünlüğü" kazandığı değerdir. Bu görevler arasında daha iyi ilaçlar geliştirmek, yeni süper malzemeler tasarlamak ve daha doğru hava ve iklim modelleri üretmek var.

Kuantum bilginizi test edin

Schrödinger'in kedisi gerçek miydi?

Schrödinger'in ünlü düşünce deneyinin gerçek bir kediye dayanıp dayanmadığı belirsizdir. Ancak Oxford Üniversitesi'nde Milton adında bir kedisi vardı. Kuantum süperpozisyonuna dair yapılan popüler yorumla alay etmek için, gözlemlenene dek hem ölü hem de diri olan bir kedi fikrini ortaya attı.

Kuantum dolaşıklığı nedir?

Einstein, Boris Podolsky ve Nathan Rosen 1935'te kuantum mekaniğinin denklemlerinde bir paradoks bulduklarını düşündüler. Birbirine dolaşık olan ve kuantum mekaniği anlamında birbirine bağlı bulunan iki parçacığın uzayın geniş bölgeleri arasında anında iletişim kurabileceğini gösterdiler. Ancak bu düşünce bilginin ışıktan daha hızlı aktarılacağı anlamına geliyordu ve görelilik teorisine göre mümkün olamazdı. Neils Bohr'a yazdığı bir mektupta Einstein, fenomeni 'ürkütücü bir uzaktan etki' olarak nitelendirdi. Ancak 1950'lerde Chien-Shiung Wu, dolaşık parçacıkların gerçekten de kuantum mekaniğinin öngördüğü gibi davrandığını gösterdi. Daha sonra 1960'larda John Bell, kuantum mekaniğinin temelde yerel olmadığını yani dolaşık nesnelerin birbirine bağlı olduğunu ancak uzay-zaman aracılığıyla iletişim kuramayacağını ortaya çıkardı. Yani ortada bir paradoks yoktu.

Planck sabiti ile kilogramın tanımı arasındaki ilişki

Son zamanlarda kilogram birimi yeni bir tanım almıştır. Bir kilogram, Paris yakınlarındaki bir kasada hiç insan eli değmemiş 143 yıllık bir platin alaşım silindire dayanır. Ancak 2019'dan itibaren kilogram Planck sabitinin bir değerine, yani doğanın bir sabitine karşılık getirildi. Metrologlar, Planck sabitini 6.626070150 × 10-34 kg m2 s-1 olarak ölçtüler. Milyar başına 10 parça kadar doğru bir değerdir.

Burcu Kara tarafından

Genellikle modern tarih, yakın tarih ve popüler bilim üstüne içerikler üretiyor. Özel ilgi alanları arasında Kuzey Afrika ve Güney Amerika'nın sömürge tarihi ve Avrupa'daki eski monarşiler yer alıyor.