Aniden kuantum mekaniğinin temellerini ve varsayımlarını unuttuğunuzu veya bunun ne tür bir mekanik olduğunu bilmediğinizi fark ettiyseniz, bu bilgiyi hafızanızda tazelemenin zamanı gelmiştir. Ne de olsa, kuantum mekaniğinin hayatta ne zaman işe yarayacağını kimse bilmemektedir.
Hayatınızda bu konuyla hiç uğraşmak zorunda kalmayacağınızı düşünerek boşuna sırıtıyor ve alay ediyorsunuz. Ne de olsa, kuantum mekaniği neredeyse her insan için faydalı olabilmektedir. Ayrıca ondan sonsuz derecede uzakta olanlar bile yararlanabilmektedir. Örneğin uykusuzluk çekiyorsun. Kuantum mekaniği için bu bir problem değildir. Yatmadan önce bir ders kitabı okuyun ve üçüncü sayfada mışıl mışıl uyursunuz. Veya havalı rock grubunuzu bu şekilde adlandırabilirsiniz. Neden?
Şaka bir yana, ciddi bir kuantum sohbetine başlayalım. Nereden başlamalı? Tabii ki, kuantumun ne olduğundan.
Bir kuantum (Latince quantum – “ne kadar?”), bir fiziksel miktarın bölünmez bir kısmıdır. Örneğin, derler ki bir kuantum ışık, bir kuantum enerji veya bir alan kuantumu vardır. Peki bunun anlamı nedir? Bu durum daha az olamayacağı anlamına gelmektedir. Bir değerin nicelleştirildiğini söylediklerinde bu değerin bir dizi özel ve ayrı değer aldığını anlarlar. Böylece, bir atomdaki bir elektronun enerjisi nicelleştirilmektedir. Ayrıca ışık “kısımlar”, yani kuantumlar halinde yayılmaktadır.
“Kuantum” teriminin kendisinin birçok kullanımı vardır. Bir ışık kuantumu elektromanyetik alan fotondur. Benzer şekilde, diğer etkileşim alanlarına karşılık gelen parçacıklar veya yarı parçacıklar kuantum olarak adlandırılmaktadır. Burada, Higgs alanının bir kuantumu olan ünlü Higgs bozonunu hatırlayabiliriz. Ama henüz bu ormanlara tırmanmıyoruz.
Mekanik nasıl kuantum olabilir?
Fark ettiğiniz gibi, konuşmamızda birçok kez parçacıklardan bahsettik. Belki de ışığın sadece C hızında yayılan bir dalga olduğu gerçeğine alışkınsınız. Ancak her şeye kuantum dünyası, yani parçacıklar dünyası açısından bakarsanız, her şey tanınmayacak kadar değişmektedir.
Kuantum mekaniği, teorik fiziğin bir dalıdır. Kuantum teorisinin fiziksel fenomenleri en temel seviyede ve parçacık seviyesini tanımlayan bir bileşenidir.
Bu tür fenomenlerin etkisi, büyüklük olarak Planck sabitiyle karşılaştırılabilmektedir. Ayrıca Newton‘un klasik mekaniği ve elektrodinamiğinin açıklamaları için tamamen uygun olmadığı ortaya çıkmıştır. Örneğin klasik teoriye göre, çekirdeğin etrafında yüksek bir hızla dönen bir elektron enerji yaymak ve sonunda çekirdeğe düşmek zorundadır. Bu da bildiğiniz gibi olmamaktadır. Bu nedenle kuantum mekaniğini ortaya atmışlardır. Keşfedilen fenomenin bir şekilde açıklanması gerekiyordu ve tam olarak açıklamanın en kabul edilebilir olduğu ve tüm deneysel verilerin “birleştiği” teori olduğu ortaya çıkmıştır.
Tarihi
Kuantum teorisinin doğuşu 1900 yılında Max Planck’ın Alman Fizik Derneği’nin bir toplantısında konuşma yapmasıyla gerçekleşmiştir. Planck o zaman ne dedi? – Atomların radyasyonunun ayrık olması ve bu radyasyonun enerjisinin bir kısmının = ɦV olması, burada ɦ Planck sabitidir, V frekanstır.
Daha sonra “ışık kuantumu” kavramını tanıtan Albert Einstein, fotoelektrik etkiyi açıklamak için Planck’ın hipotezini kullanmıştır. Niels Bohr, bir atomda durağan enerji seviyelerinin varlığını öne sürmüştür. Ayrıca Louis de Broglie dalga-parçacık ikiliği, yani bir parçacığın da dalga özelliklerine sahip olduğu fikrini geliştirmiştir.
Daha sonra ki dönemde Schrödinger ve Heisenberg de bu davaya katılmışlardır. Böylece 1925’te kuantum mekaniğinin ilk formülasyonu yayınlanmıştır. Aslında, kuantum mekaniği tam bir teori olmaktan uzaktır. Şu anda aktif olarak gelişmektedir. Kuantum mekaniğinin varsayımlarıyla, karşılaştığı tüm soruları açıklayamayacağını da kabul etmek gerekmektedir. Bunun yerine daha mükemmel bir teorinin gelmesi oldukça olasıdır.
Kuantum dünyasından bilindik şeylerin dünyasına geçişte, kuantum mekaniğinin yasaları doğal olarak klasik mekaniğin yasalarına dönüşmektedir. Eylem bizim tanıdık makrokozmosumuzda gerçekleştiğinde klasik mekaniğin, kuantum mekaniğinin özel bir durumu olduğunu söyleyebiliriz. Burada vücutlar, ışık hızından çok daha düşük bir hızda eylemsiz olmayan referans çerçevelerinde sessizce hareket etmektedir. Genel olarak etraftaki her şey sakin ve anlaşılır olmaktadır. Koordinat sistemindeki cismin konumunu bilmek istiyorsanız, günümüzde bu sorun değildir. Momentumu ölçmek istiyorsanız, artık buda her zamankinden daha kolaydır.
Kuantum mekaniğinin soruya tamamen farklı bir yaklaşımı vardır. İçinde fiziksel niceliklerin ölçümlerinin sonuçları olasılıksal niteliktedir. Bu nedenle bir değer değiştiğinde, her biri belirli bir olasılığa karşılık gelen birkaç sonucun mümkün olduğu anlamına gelmektedir.
Bir örnek verelim: Bir madeni para masanın üzerinde dönüyor. Dönerken, bir tür kütle halinde (tura-yazı) değildir. Cüretkar bir çok yönlülüğe sahiptir. Burada Schröding denklemine ve Heisenberg belirsizliğinin uygulanmasına yumuşak bir şekilde yaklaşıyoruz.
Schrödinger denklemi
Efsaneye göre, 1926’da dalga-parçacık ikiliği konulu bilimsel bir seminerde konuşan Erwin Schrödinger, kıdemli bir bilim adamı tarafından eleştirmen olarak seçildi. Büyükleri dinlemeyi reddeden Schrödinger, bu keşiften sonra ayrıntıları kuantum mekaniği çerçevesinde açıklamak için aktif olarak dalga denklemi çalışmasına girişmiştir. Ayrıca zekice yapmıştır. Schrödinger denklemi (kuantum mekaniğinin temel denklemi) şu şekildedir:
Bu tür bir denklem, tek boyutlu durağan Schrödinger denklemi, en basit olanıdır. Burada x parçacığın mesafesi veya koordinatıdır. M parçacığın kütlesidir. E ve U sırasıyla toplam ve potansiyel enerjileridir. Bu denklemin çözümü dalga fonksiyonudur (Ψ). Dalga fonksiyonu, kuantum mekaniğindeki diğer bir temel kavramdır. Dolayısıyla, bir durumda olan herhangi bir kuantum sistemi, bu durumu tanımlayan bir dalga işlevine sahiptir.
Örneğin, tek boyutlu durağan Schrödinger denklemini çözerken, dalga fonksiyonu bir parçacığın uzaydaki konumunu tanımlamaktadır. Daha doğrusu, uzayda belirli bir noktada bir parçacığı bulma olasılığını hesaplamaktadır. Başka bir deyişle, Schrödinger olasılığın bir dalga denklemiyle açıklanabileceğini de göstermiştir. Katılıyorum, bu düşünülmeliydi!
Heisenberg belirsizlik ilkesi
Ama neden? Bir parçacığa olan mesafeyi veya hızını almaktan ve ölçmekten daha kolay bir şey yokken, neden bu anlaşılmaz olasılıklar ve dalga fonksiyonlarıyla uğraşmak zorundayız?
Her şey çok basit! Aslında, makro uzayda bir doğrudur. Mesafeyi bir şerit metre ile belirli bir doğrulukla ölçeriz ve ölçüm hatası, cihazın özelliklerine göre belirlenmektedir. Öte yandan bir nesneye, örneğin bir masaya olan mesafeyi gözle neredeyse kesin olarak belirleyebiliriz. Her durumda, odadaki konumunu bize ve diğer nesnelere göre doğru bir şekilde ayırt ederiz. Parçacıkların dünyasında durum temelde farklıdır. Ayrıca gerekli miktarları doğrulukla ölçmek için fiziksel olarak ölçüm araçlarımız yoktur. Sonuçta, ölçüm aracı ölçülen nesne ile doğrudan temas halindedir. Bu nedenle bizim durumumuzda hem nesne, hem de alet parçacıklardır. Heisenberg belirsizlik ilkesinin altında yatan bir parçacık üzerinde etkili olan tüm faktörlerin yanı sıra ölçümün etkisi altında sistemin durumundaki bir değişikliğin hesaba katılmasının temel imkansızlığı olan bu kusurdur.
En basit formülasyonunu sunalım. Bir parçacık olduğunu ve onun hızını ve koordinatını bilmek istediğimizi hayal edin. Bu bağlamda Heisenberg Belirsizlik İlkesi, bir parçacığın konumunu ve hızını aynı anda doğru bir şekilde ölçmenin imkansız olduğunu belirtmektedir. Matematiksel olarak, bu şöyle yazılmaktadır;
Burada Δx koordinat belirleme hatası, delta Δϑ hız belirleme hatasıdır. Bu ilkenin koordinatı ne kadar doğru belirlersek, hızı o kadar az doğru bileceğimizi söylediğini vurguluyoruz. Ayrıca hızı tanımlarsak parçacığın nerede olduğu hakkında en ufak bir fikrimiz olmamaktadır. Belirsizlik ilkesi hakkında birçok fıkra ve anekdot vardır. İşte onlardan biri şu şekildedir;
Bir polis, bir kuantum fizikçisini durdurur.
- Efendim, ne kadar hızlı hareket ettiğinizin farkında mısınız?
- Hayır, ama tam olarak nerede olduğumu biliyorum.
Umarız bu makale beyninizi biraz esnetmenize, unutulmuş eskileri hatırlamanıza ve belki de yeni bir şeyler öğrenmenize yardımcı olmuştur.
