Bilim Ofisi | Aydınlanmanın Fiziği – 0 – Bölüm 3
Fizik, Kozmos, Madde ve Enerji
Aydınlanmanın Fiziği – 0 – Bölüm 3
3 Kasım 2018	| by	bilimofisi
Kuantum Mekaniğinin Kurucuları – 2
Kuantum Mekaniğinin Kurucu Babaları olarak anılan bilim insanlarını tanıtmaya devam ediyorum. Aydınlanmanın Fiziği Makale Serisi’nde daha önce paylaştığım Bölüm 1 ve Bölüm 2 makalelerine göz atmanızda fayda var.
1926 yılında, Avusturyalı fizikçi Erwin Schrödinger, dalga denklemlerindeki gariplikleri ortaya koyan bir düşünce deneyi tasarladı. Schrödinger’in Kedisi olarak bilinen bu deneyde bir kedi aynı anda hem diri hem de ölü olduğu bir duruma sokulabiliyordu.
Hem mikroskobik ölçekte hem de bazı makroskobik cisimlerde var olduğu bilinen üst üste gelme olgusunun yorumu sürekli tartışma konusu olagelmiştir. Atom ve atom altı parçacıkların üst üste gelme prensibini birazdan sizlere açıklayacağım. Ancak bunun Kuantum mekaniğinin meşhur ve iflah olmaz ölçüm problemiyle ilgili olduğunu belirtebilirim.
Ölçüm probleminin temel önermesi şudur: Bir atomun (veya atom altı parçacığın) hem konumunu hem de momentumunu (yani parçacığın kütlesi ve hızının çarpımıyla bulunan vektörel bir büyüklük) aynı anda, tam olarak belirlemek imkânsızdır. Gözlemci neyi ölçmek istiyorsa ona odaklanır ve diğer niceliği bilimsel bir kesinlikte tespit edemez.
Ve 1926’da Erwin Schrödinger’in Dalga Fonksiyonu formülü ile ölçüm problemi gizemini çözer.
Schrödinger dalga denklemi bir elektronla veya diğer bir atom altı parçacıkla ilişkili bir dalganın, parçacık değişik kuvvetler altında hareket ettiğinde uzay ve zamanda nasıl değişkenlik gösterdiğini açıklar.
Aslında kuantum dünyasını açıklamaya çalışan Schrödinger, tam olarak da neyi betimlediğinin farkında değildir. Çok geçmeden her durumda, Schrödinger’in denkleminin, (ışığa yakın bir hızda hareket etmemek koşuluyla) parçacığın davranışının doğru bir betimlemesini verdiği görülür. Ancak denklemdeki dalgaların ne anlama geldiği henüz belirlenememiştir.
1933 yılında Erwin Schrödinger Nobel Fizik ödülüne layık görülür.
Örnek: 1 saatlik yarı-ömre sahip bir radyoaktif atom düşünelim.
Bu, kuantum fiziğinin Kopenhag Yorumunun anahtar görüşüdür. Kopenhag yorumuna göre bu sadece, ölçüm yapılana kadar atomun hangi durumda olduğunu bilmemelerini değil aynı zamanda fiziksel gerçekliğin de belirsiz olduğunu gösterir. Bazı bilinmeyen yollarla “gözlem eylemi” kuantum durumunun sayısını bire ya da bir alt kümeye indirir. Gözlem eylemi yapılana kadar fiziksel gerçeklik bütün olasılıklar arasında bölünür. Kophenag Yorumu bir şeyi gözlemlemenin kuantum dalga fonksiyonunu çökerteceğini (yani burada durumu bire indireceğini) ifade eder.
İşte bu prensip ünlü Schrödinger’in Kedisi Paradoksuyla ünlenmiştir. Bu paradoksa göre:
Kedinin bulunduğu kutu içinde, kediyi anında öldürecek bir şişe zehirli gaz yerleştirilmiş olsun. Şişe Gaiger Sayacına bağlanmış bir makinede asılıdır. Bahsedilen radyoaktif atom da Gaiger sayacının yanına yerleştirilsin ve 1 saatik yarı ömrü olsun. Eğer atom bozunursa, Gaiger sayacı radyasyonu algılayacak ve şişe kırılıp, kedi ölecektir. Eğer atom bozunmazsa şişeye dokunulmamış olacak ve kedi yaşıyor olacaktır.
1 saat sonra atom “hem bozunduğu hem de bozunmadığı” bir kuantum durumunda olacaktır. Her halükarda durumu nasıl kurarsak öyle gözükecektir. Bu da demek olur ki şişe hem kırık hem de değildir; sonuçta kuantum fiziğinin Kopenhag Yorumuna göre kedi hem canlı hem de ölü olacaktır. (Slayt 12)
Pisicik, aynı anda hem ölü
hem diri olabilir mi?
Yine 1926 yılında Polonya asıllı Alman fizikçi Max Born, Schrödinger dalga denklemindeki de Broglie dalgalarının fiziksel bir dalga olmadığını, bir olasılık dalgası olarak yorumlanması gerektiği düşüncesini ortaya atar.
Buna göre parçacıklar de Broglie dalgasının bulunduğu her yerde bulunur: Bunlar dalganın güçlü olduğu yerlerde yüksek olasılıkla, zayıf olduğu yerlerde de düşük olasılıkla bulunuyor olmalıdır.
Böylece parçacığın konumu doğal bir belirsizlik taşır.
Şimdi, uzayda hareket eden bir dalga düşünelim. Dalganın yüksekliği bazen ortalama düzeyin üstünde, bazen de altında kalıyor. Dalganın yüksekliğine dalganın genliği diyoruz. Max Born’un söylediği şey, uzayın herhangi bir noktasında dalga genliğinin karesinin, bir elektronu uzayın o noktasında bulunma olasılığını gösterdiğidir.
Örneğin, uzayın dalga genliğinin büyük olduğu bölgelerinde bir elektronu orada bulma olasılığı da yüksektir. Max Born bu çalışmasından dolayı 1954 yılında Nobel ödülünü kazanır.
Haydi burada biraz spekülasyon yapalım: Bu ilke sağduyuya aykırı görünen ve anlatılması en zor prensiplerden biridir. Özetle şöyle der: “Bir kuantum sistemi aynı anda birden fazla durumda bulunabilir”. Yani bir elektron, uzayda birden fazla konumda veya birden fazla enerji durumunda olabilir. Buna atomun süperpozisyonu veya üst-üste gelme ilkesi denir. Atom ona bilinçli bir gözlem yapılana kadar her yerdedir.
Daha genel bir çerçeveden bakarsak, “Bir olay gerçekleşmeye başladığında, onu gözlemlemeye başlayan biri olana kadar, olay sonsuz olasılıkta sonuç üretir.”
Bu ne kadar da sağduyumuza ters bir söylem, farkında mısınız? Çünkü biz şeyler ve olaylar hakkında böyle bir bakış açısıyla eğitilmedik; dahası, kaçımızın içimizdeki “gerçeklik” arayışı, böylesine bir muammayı irdeleyecek kadar cesarete sahiptir?
Alman fizikçi Werner Heisenberg 1927 yılında yayımladığı, yayımlayana kadar da çok gözyaşı döktüğü, “Teorik Kuantum Kinematiği ve Mekaniğinin Kavramsal İçeriği” adlı makalesinde sonraları kuantum mekaniğinin yapı taşlarından olacak meşhur “belirsizlik ilkesini” açıklanmıştır.
Genç fizikçi Werner, orta yaşlarına yaklaşan başka bir fizikçi olan Erwin Schrödinger’in ölçüm problemine yaklaşımını ve yarattığı dalga mekaniğinin sonuçlarını düşünüyordu. 1926’da peşpeşe yayınlanan makaleleriyle Schrödinger, kuantum mekaniğinin temel problemine bir çözüm getirmiş ve çözümü de bu yeni atom fiziğinin sapasağlam bir alt yapısı olmuştur.
Bu ilkedeki temel kavramları biraz tanımakta fayda var tam bu noktada:
Bir kuantum dalga fonksiyonunda ölçülen dört ana değişken vardır: Konum, moment, enerji ve zaman.
Konumla moment, enerjiyle de zaman birbirleriyle yakında ilintilidir.
Gözlem ve ölçüm arasındaki ilişki henüz belli değilken, Scrödinger’in önermesi elektronlarla ilgili olduğundan, elektronları bir şekilde gözlemlemenin bir yolu olmalıydı.
Böylece akıl yürütmeye başlayan genç dahi Werner, daha önceleri akademide doktora sınavından çakmasına sebep olan ve sınav sonrası bu muazzam cihazlarla ilgili herşeyi öğrenmesine yol açan mikroskopların çözünürlük güçleriyle ilgili bilgilerini gözden geçirmeye başlar.
Heisenberg şöyle bir düşünce deneyi tasarlar ve bunu formüle eder: Bir elektronun yerini belirlemek üzere, ona olabildiğince çok yaklaşmak ve daha iyi görebilmek gerekir. Elektrona yaklaşabilecek uygunluktaki ışınlardan gamma ışını, kısa dalga boyu ve yüksek enerjisiyle, bir elektrona odaklandığında ona çarparak enerji aktaracak böylece hareket etmesine sebep olacaktır. Bu halde de elektronun momentini doğru şekilde ölçmek zorlaşacaktı.
Tam aksine, uzun dalga boylu düşük enerjili bir ışının fotonunu bir elektrona odaklayıp bakmaya çalıştığınızdaysa, bu sefer de net göremeyeceğiniz için konumuyla ilgili büyük bir belirsizlik ortaya çıkacaktı.
Bu prensibin, kuantum teorisinin yorumlanması için olmazsa olmaz bir ilke olduğunu keşfeden genç fizikçi Heisenberg, bulgularını formüle edip uzun bir makalede toplar. Ve makalesini Niels Bohr’a yollar.
Büyük abi Bohr, bu buluşun önemini fark eder. Fakat konum-momentum belirsizliğinin elektronun sadece parçacık özelliğini içerdiğini anlar ve Werner’e, bu prensip içine dalga boyutunun da eklenmesi gerektiğini ısrarla dikte eder.
Konuyla ilgili çıkan bir kavga, hayatı boyunda Heisenberg’in pişmanlık duyacağı sözler sarf etmesine sebep olur. Nihayetinde affedici tavrıyla Niels, Werner’i ikna eder ve abiliğini yaptığı kuantum mekaniğinin yeni ve sarsılmaz bir çerçevesi ortaya, fotonların dalga özelliklerini de içerek şekilde yayınlanır.
Artık ilke sadece fotonların parçacık özellikleriyle ilgili konum-momentum belirsizliğini değil, ama dalga özelliklerini de ilgilendiren enerji-zaman belirsizliğini de kapsamaktadır.
Heisenberg’in makalesi yayınlanır yayınlanmaz büyük yankı uyandırır. Böylece kuantum fiziğinin ilk kez görünen sınırları çizilmiş ve teori bir bütünselliğe kavuşmuş olur.
Bu makale, determinist zihnini bulandıran kuantum fiziğine karşı binbir tuzak hazırlayan Einstein’ın bile öyle beğenisini kazanır ki, Heisenberg’i 1931 yılında Nobel ödülüne aday gösterir. 1932 yılında Werner Heisenberg Nobel Fizik ödülünü alır.
Son 2-3 yıldır bu prensibin önermesini de sarsacak deneysel fizik çalışmaları yapılmaktadır. Belki de evreni gözlemenin o kadar da belirsizliğe yol açmadığına dair kanıtlar sunulmaya başlanmıştır. (Kaynak: http://www.scientificamerican.com/article/common-interpretation-of-heisenbergs-uncertainty-principle-is-proven-false/)
Böylelikle Kuantum Mekaniğininin Kurucu Babalarını tanıtmayı şimdilik bitirdim. Bu Aydınlanmanın Fiziği 0 makale serisinin son bölümünde de genel bir toparlama yaparak, Kuantum Mekaniğinin, sağduyumuza aykırı ancak olağanüstü derecede de gerçek öngörülerini paylaşacağım.
Bilimle ve sevgiyle kalın!
Einstein, Albert (2010). İzafiyet Teorisi, İstanbul: Say Yayınları.
Heisenberg, W. (1990), Parça ve Bütün, İstanbul: Düzlem Yayınları
Capra, F. (1975), The Tao of Physics, ABD, Bantam Books
Hawking, W. S. (1988). Zamanın Kısa Tarihi, İstanbul: Milliyet Yayınları
M (2012), Einstein’ın Evreni, Ankara, ODTÜ Yayıncılık
Penrose, R. (1999). Kralın Yeni Usu (2) Us Nerede?, Ankara: TÜBİTAK
Planck, M. (1987). Modern Doğa Anlayışı ve Kuantum Teorisine Giriş, İstanbul: Alan Yayıncılık
Hawking, S.(2002), Ceviz Kabuğundaki Evren, İstanbul: Alfa Basım Yayım Dağıtım
Heisenberg, W.(2003), Einstein’la Yüzleşmek, İstanbul: Gelenek Yayıncılık
Bell, J. S. (1964), On the Einstein Rosen Podolsky Paradox, ABD: Physics
Tarlacı, S. (2009), Kuantum Beyin, İstanbul: Kendi Yayını
Albert Einstein, Boris Podolsky & Nathan Rosen (1935), Can Quantum-Mechanical Description of Physical Reality Be Considered Complete?, Physical Review, (47):777-780
Buğdaycı, İ. (2008), Kuantum Kuramında Belirsizlik, Bilim Teknik, Mayıs, 36-39
Turgut, Dr. S. (2003), Şu Garip Kuantum-2: Dolanıklık, Bilim Teknik, Mayıs, 44-48
Kalp, İ. (2018), Kuantum Dünyasında Nedensellik, 1 Mayıs 2018 tarihinde Bilimfili https://bilimfili.com/kuantum-dunyasinda-nedensellik/
Çeşitli Kuantum Mekaniği Makaleleri (2017), Fizik Makaleleri http://www.fizikmakaleleri.com/search/label/kuantum%20mekani%C4%9Fi