Fizik

Kuantum Teorisinin Temeli: Heisenberg Belirsizlik İlkesi

Heisenberg Belirsizlik ilkesi, fizikteki en ünlü (ve muhtemelen yanlış anlaşılan) fikirlerden biridir. Bu ilke bize kuantum parçacıklarının davranışları hakkında bildiklerimizin temel bir sınırı olduğunu ve dolayısıyla en küçük ölçekte doğada da bir belirsizlik bulunduğunu söyler. Zamanın bir anında, bir sistemin bütün özellikleri hakkında kesinliğe hiçbir zaman ulaşılamayacağımızı söyler. Peki bu ne anlama gelir? Bu yazıda kısa bir özetle belirsizlik ilkesi ile ne denmek istendiğini ele alalım.

Heisenberg Belirsizlik İlkesi Nedir?

Werner Heisenberg, kuantum kuramının denklemleriyle uğraşırken incelediğin sistemin nitelikleriyle ilgili sorular sorabileceğini; fakat eş zamanlı olarak sorulamayacak belli soru bileşimleri olduğunu fark etmişti. Herhangi bir anda bir parçacığın hem momentumundan hem de konumundan emin olmak imkansızdı. Bu özelliklerden birinin değerini ne kadar doğru bilirsek, diğerini o kadar az doğru biliyorduk. Örneğin elektron gibi bir parçacığın yerini saptama girişimi, parçacığa öngörülemez bir yalpalama kazandırarak hızını ve yönünü belirsiz kılıyordu. Üstelik bu durumun tam tersi de geçerliydi. Bu etkiyi ilk kez tanımlayarak sayısallaştıran kişi Alman fizikçi Werner Heisenberg oldu. Ortaya çıkan bu garip durum da Heisenberg belirsizlik ilkesi olarak anılmaya başlandı. Devamında da bu ilke popüler kültürün olmazsa olmaz metaforlarından birine dönüştü.

Belirsizlik ilkesinin deneysel aparat veya yöntemdeki hatalarla ilgisi yoktur, bunun yerine, bir parçacığın dalga fonksiyonunun davranışından kaynaklanan bir sonuçtur. Heisenberg bu durumu aktarmak için mikroskop benzetmesini kullanmıştı. Bir parçacığın pozisyonuna bakmak istiyorsak ona bir şey, bu örnekte bir ışık fotonu çarptırmamız gerekir. Fakat böyle yaptığımızda foton parçacığın momentumunu alır. Başka bir deyişle parçacığın konumunu ölçerek ayrı bir özellikte bir değişim yaratmış oluruz. Dolayısıyla parçacığın hem konumunu hem de momentumunu aynı anda doğru olarak bilemeyiz. Belirsizlik ilkesi, belirli tamamlayıcı kuantum özellik çiftlerinin (konum ve momentum veya enerji ve zaman) aynı ölçümde mükemmel bir doğrulukla belirlenemeyeceğini belirtir.

Heisenberg Belirsizlik İlkesi Formülü

Bilim tarihinde yüzyılımızın başı devrimsel atılımların birbirini izlediği, biraz da çalkantılı  bir dönemdir. Bu dönemin odak noktalarından biri de Bohr’un 1913’te ortaya attığı atom modeli idi. Elektronların çekirdek çevresinde döndüğü, güneş sistemine benzeyen bu model, kuşkucu bakış açısıyla tanınan genç Heisenberg’in kafasındaki sorulara açıklık getiremiyordu. Heisen­berg’in sorguladığı temel nokta şuydu: Bohr mo­delinde öngörüldüğü gibi elektron devindiği yö­rüngeyi nasıl “seçmekte”, dahası bir başka yö­rüngeye sıçramadan önce titreşim frekansını nasıl belirlemekteydi? Heisenberg varsayımlar ve görsel modeller yerine, doğrudan deneysel verilere dayanan matematiksel bir diz­ge arayışı içindeydi. Sıkıntı bir ölçüde gene Heisenberg’in ortaya koyduğu belirsizlik ilkesi formülleri ile giderildi.

Gerçek Hayatta Belirsizlik İlkesi

Heisenberg’in belirsizlik ilkesi, gerçek hayattaki bazı önemli kullanım alanlarına sahiptir. Örneğin, Manyetik rezonans Görüntüleme (MRI), bir radyo dalgaboyu fotonun frekansı ile momentumu arasındaki ilişkiye dayanır. Belirsizlik ilkesi, bir fotonun frekansını ve konumunu aynı anda bilemeyeceğimizi söylüyor. Bu nedenle konumları bilinen bir radyo patlamasında, frekanslar belirsiz olacak ve geniş bir aralığa yayılacaktır. Bu, insan vücudunun farklı kısımlarını araştırmak için mükemmel bir seçenektir.

İlkenin başka bazı temel sonuçları da vardır. Elektron orbitallerinin boyutunu ve dolayısıyla atomların boyutunu belirler. Aynı zamanda, atomlardaki zıt yüklü elektronların ve protonların neden birbiri tarafından çekilmediğini de açıklar. Bir elektron çekirdeğe yaklaştıkça potansiyel enerji kaybeder ve kinetik enerji kazanır. Kazandığı kinetik enerji bu parçacığa momentum kazandırır. Momentumu arttıkça konumundaki belirsizlik azaltır. Bu enerjik elektronun yapacağı hareket, hiç bir şekilde çekirdeğin içerisine kısıtlanamaz. Bu bağlamda da çekirdekte var olamaz.

Özüne inildiğinde doğadaki en temel olguların ve niceliklerin belirsizliğini anlatan Belirsizlik ilkesi, ayrıca klasik fizik ile kuantum mekaniğinin birbirinden ayrıldığı noktadır. Kurama katkıları dolayı Heisenberg, 1932 yılı Nobel Fi­zik Ödülü’nü aldı. Ondan geriye, ne olacağından asla emin olamayacağımız bir dünyanın matematiksel bir tanımı kaldı bizlere.

Kaynak: Gemma Lavender; Quantum Physics in Minutes; ISBN-10: 1681441748

Matematiksel

Sibel Çağlar

7 yıl Kadıköy Anadolu Lisesinin devamında lisans eğitimimi Marmara Üniversitesi İng. Matematik öğretmenliği üzerine tamamladım. Devamında 20 yıl çeşitli özel eğitim kurumlarında matematik öğretmenliği ve eğitim koordinatörlüğü yaptım. 2015 yılında matematiksel.org web sitesini kurdum. Amacım bilime ilgiyi arttırmak, bilimin özellikle matematiğin zihin açıcı yönünü açığa koymaktı. Yolumuz daha uzun ve zorlu ancak en azından deniyoruz.

Bir cevap yazın

E-posta hesabınız yayımlanmayacak.