Fizik

Kuantum Dünyasına Giriş: Kuantum Fiziği Ve Kuantum Mekaniği

Kuantum fiziği tartışmasız insanın uygarlık tarihindeki en önemli entelektüel zaferlerinden birisidir. Ancak bu kavram çoğu insan için oldukça uzak ve soyut gibi görünüyor. Bunun nedeni birazda anlaşılması daha kolay ve net olan şeyler varken, genelde kuantum fiziği hakkında tuhaf ve sezgisel olguların daha fazla vurgulanması olabilir. Örneğin Schrödinger’in kedisi, kuantum dolanıklığı gibi garip kavramlar daha fazla ilgi çeker. Ancak işin temelini anlamadan bu kavramlar hakkında okuduklarımızı anlamak da bir o kadar zorlaşır. Aslında kuantum fiziği her yerdedir. Bildiğimiz haliyle evren kuantum kurallarına göre işler. Varlığını kuantum etkilerine borçlu olduğumuz pek çok tanıdık, gündelik fenomen var. Bu fenomenlerden bazılarını bu yazımızda ele almıştık, göz atabilirsiniz. Bu yazıda biz daha temel bilgilere girelim ve kuantum fiziği, kuantum mekaniği kavramlarının basit anlamda ne ile ilgili olduğuna odaklanalım.

Kuantum Fiziği Nedir?

Kuantum fiziği, kuantum mekaniği veya kuantum teorisi olarak da bilinen bir fizik dalıdır. Kuarkların, atom çekirdeklerinin, atom ve molekül­lerin bilimidir ve bize lazeri, transistörü, tünel mikroskobunu, cep te­lefonunu ve mikroelektroniği kazandırmıştır. Günümüzde modern dünyadaki pek çok şey kuantum fiziğinin getiri­lerine dayanır. Evrenbilimciler evrenin oluşumunu araştırmak, ast­rofizikçiler yıldızların dinamiğini tarif etmek için ondan faydalanır. Temel parçacık fiziğinin kurallarını ortaya koyan kuantum fiziği, evreni bir arada tutan temel kuvvetleri araştırır.

Fizik tarihi boyunca doğa hakkındaki anlayışımızı derinleştiren bir dizi önemli adım atıldı. Isaac Newton bir taşın yere düşüşüyle ge­zegenlerin güneşin etrafındaki dönüşünün aynı ilkeyle yani kütleçekim­ ile açıklanabileceğini keşfetti. Albert Einstein’ın özel görelilik kuramı, zaman ile uzayın bir birlik oluşturduğunu açığa çıkardı. Genel göre­lilik kuramıysa bu düşünceyi, kütleyi de kapsayacak şekilde geniş­letti. Zaman ve uzayın eğri olduğu, kütleçekiminin de aslında gerçek bir kuvvet değil, bunun bir sonucu olduğu anlaşıldı. Kuantum fiziği ise 20. yüzyılda bu alanda elde edilmiş kazanımların kuşkusuz en başarılısı oldu. Fizikte, klasik fiziğin açıklayamayacağı, örneğin atom, mole­kül ve atom çekirdeklerinin büyüklükleri, kararlılıkları ve bunların oluşturduğu kimyasal bağlar gibi çok sayıda fenomen vardır. Kuan­tum fiziği yardımıyla bu fenomenleri anlamak ve hesapla­yabilmek mümkün olmuştur.

Kuantum fiziği 20. yüzyılın başında Max Planck tarafından ku­ruldu ve izleyen yirmi yıl boyunca temel ilkeleri tam olarak anlaşıl­madan varlığını sürdürdü. Başlarında Werner Heisenberg, Wolfgang Pauli ve Erwin Schrödinger’in bulunduğu son derece yetenekli genç fizikçilerden oluşan küçük bir topluluk yirmili yılların ortalarında, Max Planck, Niels Bohr ve Arnold Sommerfeld’in fikirlerine daya­narak üç yıl gibi kısa bir süre içerisinde kuantum süreçleri ve atomlar hakkında yeni bir öğreti oluşturdu. Bunu başardıklarında Werner Heisenberg 27, Wolfgang Pauli 28, Paul Dirac 26 ve Erwin Schrödinger 36 yaş­larındaydı.

Kuantum Mekaniği Nedir?

Kuantum fiziğinde, klasik mekaniğe göre olanaksız olan süreç­ler gerçekleşebiliyor. Biyolojik evrim süreci içerisinde geliştirdiği­miz anlayış yetimizle kuantum fiziğinin dinamiğini anlayacak du­rumda değiliz. Buna rağmen gerçekleşen süreçleri kuantum meka­niği yardımıyla hesaplamak mümkün. Kuantum mekaniği, kuantum fiziğinin fotonlar ve elektronlar gibi atom altı düzeylerdeki nesnelerin hareketlerini tanımlayan bölümüdür. Klasik mekanik geçmişe ilişkin bilgilerini­ze dayanarak geleceği tamamen öngörebildiğiniz, determinist bir doğa betimler. Serbestliğe yer yoktur, çünkü kesin öngörü­lerde bulunmaya yetecek bilgiyi elde etmek daima mümkündür. Bu bağlamda kuantum mekaniği bize farklı bir evrenin kapısını aralar. Havada sabit bir hızda uçan bir nesnenin momentumunu hesaplamak isterseniz nesnenin kütlesini ve hızını ölçüp çarparak bunu yapabiliriz. Peki ya boşlukta serbestçe hareket eden bir elektronun momentumunu bilmek istiyorsanız? Kuantum mekaniğinde, elektronun dalga fonksiyonu üzerinde belirli bir matematiksel işlem gerçekleştirerek bunu hesaplıyoruz.

Kuantum Fiziğinin Efendisi, Yeni Bir Doğa Sabitidir.

Max Planck tarafından bulunan etki kuantumu h, klasik fizikte yer almaz. Planck sabiti olarak da bilinen etki kuantumu, adını bu sabitin, etki edilen en küçük birimi temsil etmesinden alır. Fizikte etki, ener­ji çarpı zamana eşittir. Yani, bir sürecin etkisi, belli bir enerjinin belli bir süre boyunca etki etmesiyle tarif edilir. Bu süre ne kadar kısaysa, uygulanan etki, enerji yüksek olsa bile aynı oranda küçük olacaktır. Klasik mekanikle bir sürecin etkisi herhangi bir değer alabilir ama bu kuantum fiziğinde geçerli değildir. Etki, h sabitinin sadece tamsayılı katları şeklinde olabilir. Yani h’nin üçte biri oranında bir etki olamaz. Planck bir sistemin enerjisinin sürekli değişemeyeceği, ancak bir değerden bir sonrakine atlayabileceği hipotezini ortaya attı. Max Planck bu hipoteze dayanarak sıcak maddelerin ışımasını tarif eden basit bir formül oluşturdu. Demir ısıtıldığında ışımaya başlar. Ne kadar ısınırsa o kadar akkor hale gelecek ve ışık ışıması yayacaktır. Planck bunu matematiksel olarak ifade etti.

Albert Einstein, Planck’ın fikrini ele alıp ışığın ancak foton tabir edilen küçük paketler (kuantumlar) halinde var olabileceğini açıkla­dı. O güne değin ışığın bir dalga fenomeni olduğuna inanılmaktaydı. Şimdiyse dalga ve parçacık anlayışının birleştirilmesi gerekiyordu. Louis de Broglie 1923 yılında salt ışığın değil, maddenin tüm parça­cıklarının bu ikili özelliğe sahip olduklarını ileri sürdü. Parçacıklar dalga, dalgalarsa aynı zamanda parçacıktı.

Olasılıklar ve Belirsizlikler Dünyası

Kuantum fiziğinin en temel ifadelerinden biri, elektronun çekir­dek etrafındaki hareketini tanımlamak için gereken hız ve yer gibi fiziksel büyüklüklerin hiçbir zaman kesin olarak ölçüle­meyeceği, ancak ilk olarak Werner Heisenberg’in ortaya attığı be­lirsizlik ilkesince belirlenmiş muğlak aralıklarda aranabileceğidir. Dolayısıyla bir elektronun aynı anda hem yerini hem de hızını tam olarak belirlemek mümkün değildir. Öncelik elektronun yerinin bulunmasına veriliyorsa, hızının tespitinden feragat etmek gerekecektir; aynı durum elektronun hızı için de geçerlidir. Belirsiz­liğin büyüklüğüyse, etki kuantumu h tarafından belirlenir. Olasılıklar ve belirsizlikler, kuantum fiziğinin doğasında var. Bu durum da bizim algımıza ters gelir. Aslında 1900’lü yıllardan itibaren kuantum fiziğini keşfeden fizikçilere de ters gelmişti. Einstein’ın “Tanrı zar atmaz” diyerek isyan ettiği durum da bu belirsizlikti. Ancak Heisenberg’in gösterdiği belirsizlik ilkesi her geçen gün daha da büyük bir güçle kendini bize kabul ettirdi. Kuantum fiziği ve mekaniği hakkında giriş bilgileri şimdilik bu kadar. Ancak konu hakkında öğrenilecek ve aktarılacak daha çok bilgi olduğu da aşikar.

Kaynaklar:

Matematiksel

Bir cevap yazın

E-posta hesabınız yayımlanmayacak.

İlgili Makaleler

Başa dön tuşu