Kuantum fiziği hem karmaşık hem de tuhaftır. Dolanıklık, ışığın hem dalga hem parçacık gibi davranması ya da gözlemlenene kadar hem canlı hem ölü olan bir kediyi düşünmek kolay değildir. Ancak bu tuhaflıklar, artık somut hale geliyor.
Şu anda büyük teknoloji şirketleri, önde gelen devletler ve en iyi araştırma üniversiteleri, ilk ticari olarak uygulanabilir kuantum sistemini kurmak için kıyasıya bir yarış içinde. Bu yarışın bir maraton mu yoksa bir sprint mi olduğu konusunda görüşler farklılık gösterse de, şimdiden büyük yatırımlar yapılmış durumda.
Kuantum Fiziği ve Kuantum Mekaniği Nedir?
Kuantum mekaniği ya da kuantum fiziği, evreni oluşturan fotonlar, elektronlar ve diğer atomaltı parçacıkların sıra dışı davranışlarını tanımlayan bilimsel yasalardır. Atomlar ve elektronlar düzeyine indiğimizde, kuantum fiziği en küçük nesnelerin davranışlarını açıklar. Güneş panelleri, LED lambalar, cep telefonları ve hastanelerdeki MR cihazları gibi pek çok şey kuantum davranışlarına dayanır.
Kuantum fiziğinde, kimse size kesin bir şey söyleyemez. Sadece ölçüm sonuçları hakkında olasılıkları verebilirler (örneğin, bir parçacığın nerede olabileceği). Ayrıca kuantum dünyası olağanüstü görünür. Kuantum nesneleri aynı anda “iki yerde birden” bulunur, engellerin içinden geçer ve ne kadar uzakta olurlarsa olsunlar birbirleriyle bağlantı kurar. Bu davranışlar, örneğin bir tenis topundan bekleyeceğimiz şeylerle kıyaslandığında oldukça garip ve sezgilere aykırıdır. Ama bu gözünüzü korkutmasın!
Garip Değil: Heisenberg’in Belirsizlik İlkesi
Bir tenis topu attığınızı düşünün. İsterseniz topun uçuşu boyunca hem konumunu hem de hızını tam olarak takip edebilirsiniz. Ancak bu topu bir atom boyutuna küçültseydik, bu tür bir takip imkânsız olurdu.
Bu sınırlamaya Heisenberg’in belirsizlik ilkesi denir. Kuantum fiziğinde, bir nesnenin hem kesin konumunu hem de kesin momentumunu (kütlesi ile hızının çarpımı) aynı anda bilmek mümkün değildir. Bir tenis topunun momentumu sadece kütlesinin hızıyla çarpılmasıyla hesaplanır. Ancak dalgalar için momentumu belirlemek, ardışık dalga tepeleri arasındaki mesafe olan dalga boyunu ölçmeyi gerektirir.
Ancak dalgalar kararsızdır; konumlarını ve dalga boylarını yüzde 100 doğrulukla belirlemek mümkün değildir. Pratikte, herhangi bir dalga her zaman bir dizi konumu kapsar ve çeşitli dalga boylarından oluşur. Bu iki aralıktan birini ne kadar kısıtlarsanız, diğerini o kadar az kontrol edebilirsiniz.
İki uç örnek düşünelim. İlki, rüzgârın etkisiyle sonsuz uzunluktaki bir kanalda oluşan, düzenli aralıklarla tekrar eden dalga tepelerine sahip bir dalgadır. Burada dalga boyunu kolayca ölçebilirsiniz, çünkü dalga tepeleri arasında tekrar eden bir desen vardır. Ancak bu dalganın kanaldaki “konumu” hakkında bir şey söyleyemezsiniz, çünkü başlangıcı ya da sonu yoktur.
Diğer örnek ise, sakin bir gölde oluşan tek ve ince bir dalga tepesi. Bunun konumunu ölçebilirsiniz, ancak tekrar etmediği için tanımlı bir dalga boyu yoktur. Gerçekte tüm dalgalar bu iki uç arasında yer alır. Kuantum dalgaları da aynı şekildedir.
Garip Değil: Süperpozisyon ve Dolanıklık
Bir kuantum nesnesi, aynı anda “iki yerde birden” bulunur; buna süperpozisyon hali denir. Dalgalar açısından düşündüğümüzde bu hiç şaşırtıcı değildir. Bir dalga aynı anda iki yerde olabilir. Örneğin, bir dalgayı çatallı bir kanala gönderirseniz, dalga kolaylıkla iki kola ayrılarak aynı anda her ikisinden de akabilir.
Bu duruma bağlı bir diğer kuantum kavramı ise dolanıklıktır. Bu, iki dalgadaki süperpozisyonların birbiriyle bağlantılı olmasını ifade eder. Örneğin, uzun süre bekletilmiş bir salata sosunda, yağ üstte, sirke altta kalır.
Yağın üst kısmında dikkatlice bir dalga oluşturursanız, bu dalga sirkenin yüzeyinde de bir etki yaratır ve iki sıvının ara yüzeyinde dalgalanmalar oluşur. Yağ dalgasının dalga boyunu ölçmek, aynı zamanda sirke dalgasının dalga boyu hakkında da bilgi verir. Yani bu iki dalga birbirine bağlıdır ve özellikleri birbirine bağımlıdır.
Bu salata sosunu çatallı bir kanala dökerseniz, bu bağlantı hâlâ korunur. Yağ ve sirke dalgaları aynı anda her iki kanalda da ilerler. Sadece bir kanaldaki yağ dalgasının dalga boyunu ölçerek, iki kanalın tamamındaki dalgalar hakkında bilgi sahibi olabilirsiniz. Eğer bu salata sosu kuantum olsaydı, iki kanaldaki dalgaların “dolanık” olduğunu söylerdik.
Garip Değil: Tünelleme
Kuantum nesnelerinin bir diğer tuhaf gibi görünen özelliği ise, belli bir olasılıkla engellerin içinden geçebilmeleridir. Buna tünelleme denir. Bir tenis topunu duvara fırlattığınızda —duvar yerinde kaldığı sürece— top geri seker. Ancak bir atomla bunu yaparsanız, onu duvarın öteki tarafında bulabilirsiniz.
Bazı durumlarda, su dalgaları da tıpkı bir kuantum parçacığı gibi bir engelin içinden geçer. Bunu küvetinizde deneyebilirsiniz. Küvetin içinde, yüzeye neredeyse değen ama tam olarak ulaşmayan bir su altı duvarı inşa edin.
Bir dalgayı bu duvara çapraz bir açıyla gönderdiğinizde, her zaman geri sekmesini gözlemlersiniz. Bu durum, ışık ışınlarının tam yansıması (total internal reflection) ile benzerdir. Yansımanın gerçekleşip gerçekleşmemesi yalnızca engelin yüksekliğine ve dalganın geliş açısına bağlıdır.
Dalga engeli aşamasa bile, küçük bir kısmı diğer tarafa sızar. Eğer duvar yeterince inceyse, bu sızıntı kendini tekrar organize ederek, karşı tarafta hareket eden bir dalgaya dönüşür. İşte dalganız, duvarın içinden tünellemiş oldu! Aynı prensip, ama bu kez ışık dalgalarıyla, bazı dokunmatik ekran teknolojilerinde de kullanılmaktadır.
Gerçekten Garip: Kuantum Ölçüm
Kuantum dünyasındaki garip davranışların çoğu, küçük parçacıkları minicik toplar yerine dalgalar olarak hayal edince daha anlaşılır hale gelir. Ancak gerçekten sıra dışı olan durumlar, bir kuantum nesnesi ölçüldüğünde ortaya çıkar. Dalga iki farklı kanaldan geçiyor ya da bir engelin içinden tünelliyor olabilir. Ama siz dalgayı ölçtüğünüz anda, dalganın tamamı birdenbire tek bir yerde belirir: ya bir kanalda ya da engelin sadece bir tarafında. Bu, salata soslarında gördüğünüz bir şey değildir.
İlginç olan şu ki, kuantum dalgalarını tanımlayan matematiksel denklemler bu ölçüm anında ne olduğuna dair bir açıklama getirmez. Fizikçiler hâlâ bu sürecin en iyi nasıl tanımlanacağını ya da yorumlanacağını tartışıyor. Kuantum ölçüm, kuantum fiziğini su dalgalarından ayıran şeydir ve gerçekten garip olan da budur.
Kuantum ölçümün ne kadar sıra dışı olduğunu anlamak için, kalabalığa konuşan bir kişiyi hayal edin. Ses dalgaları yayılır ve herkes konuşmayı duyar. Kuantum dünyasında ise ses dalgası beklediğiniz gibi yayılır, ancak kalabalıktaki bir kişi onu algıladığı anda, dalganın tamamı sadece o kişinin kulağında toplanır. Diğer kimse hiçbir şey duymaz. İşte bu gerçekten gariptir.
Kaynaklar ve ileri okumalar:
- Quantum Physics Isn’t as Weird as You Think. It’s Weirder. Yayınlanma tarihi: 12 Eylül 2023. kaynak site: Scientific American. Bağlantı: Quantum Physics Isn’t as Weird as You Think. It’s Weirder
- Everything you need to know about quantum physics; https://www.sciencefocus.com/
Matematiksel
