Çoğunlukla Yanlış Anlaşılan Heisenberg Belirsizlik İlkesi Nedir?

Yaşadığımız dünya bize kesin gibi görünür. Bir şey vardır veya yoktur. Bir nesne ya buradadır ya da oradadır. Ya yaşıyorsun ya da ölüsün. Bununla birlikte, kuantum fiziği, bildiğiniz gibi bu mantığa aykırıdır. Kuantum dünyası bulanıktır, kesin olanın yerini olasılıklar alır. Bir parçacık burada ya da orada ya da ikisinin karışımı bir yerde olabilir. Biz sadece dalga fonksiyonu denen bir şey tarafından verilen olasılıklarla onun yerini tahmin edebiliriz. Bu kuantum bulanıklığı, kuantum fiziğinin en ünlü ilkelerinden birinin arkasında yatar. Bu ilke Heisenberg’in belirsizlik ilkesi olarak bilinir.

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 bir sistemin bütün özellikleri hakkında kesinliğe ulaşılamayacağımızı söyler. Örneğin, bir elektronun hem konumunu hem de momentumunu mutlak kesinlikle bilemeyeceğinizi belirtir. Bu özelliklerden birini ne kadar doğru ölçerseniz, diğeri hakkında bilginiz o kadar az doğru olur. Peki bu ne anlama gelir?

Heisenberg Belirsizlik İlkesi Nedir?

Werner Heisenberg, evreni oluşturan en küçük parçacıkların davranışlarını açıklayan bir fizik dalı olan kuantum mekaniğinin öncülerindendi. Savaş döneminde yaptığı çalışmalar fizik dünyasını kökten değiştirdi.

1927’de Alman fizikçi Werner Heisenberg, prensibi bir kuantum parçacığının, diyelim ki bir elektronun konumunu ve momentumunu ölçmek açısından çerçeveledi. Heisenberg, kuantum kuramının denklemleriyle uğraşırken incelediği 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 oldu. Ortaya çıkan bu garip durum da bu nedenle Heisenberg belirsizlik ilkesi olarak anılmaya başlandı. Devamında da bu ilke popüler kültürün olmazsa olmaz metaforlarından birine dönüştü.

Bunun nedeni “Belirsizlik ilkesi” teriminin “hiçbir şeyden asla emin olamazsınız” veya “asla emin olamayacağınız bazı şeyler vardır” gibi bir felsefi düşünceyi akla getirmesidir. Bu nedenle de insanlar bu kavramı farklı anlamlarda da kullanmaya başladılar. Ancak bu ilke yalnızca mikroskobik parçacıklarla ilgili bir anlama sahiptir.

Mikroskobik bir parçacığın hem konumundan hem de hızından asla emin olamazsınız. Bir parçacığın konumunu tahmin edebilmek için bir deney düzenlemek mümkündür. Farklı bir deney, hızını tahmin etmenize izin verir. Ama hiçbir deneyi hem konumundan hem de hızından emin olacak şekilde düzenleyemezsiniz. Her ne kadar adında ilke kelimesi yer alsa da aslında ilk olarak Heisenberg’in ortaya koyduğu bulgu bir sonuçtur.

Belirsizlik İlkesi hakkında bilinen bir başka yanlış anlama ise belirsizliğin ölçümden kaynaklanmasıdır. Ölçümden dolayı bir belirsizlik bazen oluşur fakat bunun Kuantum Fiziği’ndeki Belirsizlik İlkesi ile hiçbir alakası yoktur.

Heisenberg Belirsizlik İlkesi Formülü

Tümüyle kuantum mekaniğinin matematiksel bir sonucu olan belirsiz­lik, aslında denklemlerle ifa­de edilen basit bir ilke. Oysa içerdiği anlam, bugün bile önüne geçilmez tar­tışmalara neden oluyor.

Δx: Konum ölçümündeki belirsizlik. Δp: Konum ölçülürken eşzamanlı olarak ölçülen momentumdaki belirsizlik, h: Planck sabiti. Bu denkleme göre bir parçacığın momentumundaki belirsizlik ile konumundaki belirsizliğin çarpımı h/2’den büyük plmak zorundadır. Planck sabiti çok küçük olduğu için bu belirsizliği makroskobik dünyada gözlemleyemeyiz ancak atom altı ölçeğe indikçe belirsizlik gitgide önem kazanmaya başlar.

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 dalga boyu 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. Ayrıca Heisenberg, belirsizlik ilkesini ilk olarak konum ve momentum cinsinden tanımlasa da, diğer tamamlayıcı çiftler için de benzer belirsizlik ilkeleri tanımlanmıştır. Tüm bunlar kuantum fiziğinde büyüleyici ve şaşırtıcı sonuçlara yol açar.

Ancak hala bu fikirleri mantık dışı buluyorsanız endişelenmeyin. Einstein bile bu ilke karşısında ilk başta dehşete düşmüştü. Neyse ki günümüzde fizikçiler bu fikirlere alıştılar. 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.



Kaynaklar ve ileri okumalar:


Dip Not:

Matematiksel, 2015 yılından beri yayında olan ve Türkiye’de matematiğe karşı duyulan önyargıyı azaltmak ve ilgiyi arttırmak amacıyla kurulmuş bir platformdur. Sitemizde, öncelikli olarak matematik ile ilgili yazılar yer almaktadır. Ancak bilimin bütünsel yapısı itibari ile diğer bilim dalları ile ilgili konular da ilerleyen yıllarda sitemize dahil edilmiştir. Bu sitenin tek kazancı sizlere göstermek zorunda kaldığımız reklamlardır. Yüksek okunurluk düzeyine sahip bir web sitesi barındırmak ne yazık ki günümüzde oldukça masraflıdır. Bu konuda bizi anlayacağınızı umuyoruz. Ayrıca yazımızı paylaşarak da büyümemize destek olabilirsiniz. Matematik ile kalalım, bilim ile kalalım

Matematiksel

Sibel Çağlar

Merhabalar. Matematik öğretmeni olarak başladığım hayatıma 2016 yılında kurduğum matematiksel.org web sitesinde içerikler üreterek devam ediyorum. Matematiğin aydınlık yüzünü paylaşıyorum. Amacım matematiğin hayattan kopuk olmadığını kanıtlamaktı. Devamında ekip arkadaşlarımın da dahil olması ile kocaman bir aile olduk. Amacımıza da kısmen ulaştık. Yolumuz daha uzun ama kesinlikle çok keyifli.
Başa dön tuşu