Efsanevi Nobel Ödüllü fizikçi Richard Feynman, Eğer kuantum fiziğini anladığınızı düşünüyorsanız, kuantum fiziğini anlamamışsınızdır der. Bu cümle şaka yollu söylenmiş olsa da elbette bizler gibi amatörler için biraz umut kırıcı. Gerçekten de uzun zamandır kuantum fiziği ve mekaniği hayatımızda var. Bu sayede de önemli teknolojik atılımlar yapabildik. Sonuçta da artık bir çoğumuz kuantumun garip dünyası hakkında bazı bilgilere sahip olduk. Ancak yine de biraz daha kapsamlı bir anlayışa sahip olmak için işe en baştan başlayalım. Hatta öncelikle kelimenin kendisine odaklanalım.
Kuantum Nedir? Kuantum Fizik Nedir?
İngilizce’de “Quantum“, Latince’de “Quantus” olarak kullanılan kuantum bir öbektir, bir pakettir. Kuantum hem sıfat hem de isim olarak kullanılır. Kuantum fizik ve kuantum sıçramalardan bahsettiğimiz gibi, enerji kuantumu veya ışığın kuantumu da deriz. İsmin çoğulu ise kuanta’dır. Örneğin fotonun kendisi de bir kuantumdur, bir ışık “öbeği”dir. Sadece nesneler değil, nesnelerin belli özellikleri de kuantum öbekleri biçiminde karşımıza çıkar. Enerji buna bir örnektir.
Kuantum fiziği kuarkların, atom çekirdeklerinin, atom ve moleküllerin bilimidir ve bize lazeri, transistörü, tünel mikroskobunu, cep telefonunu ve mikroelektroniği kazandırmıştır. Evrenbilimciler evrenin oluşumunu araştırmak, astofizikçiler yıldızların dinamiğini tarif etmek için ondan faydalanır. Temel parçacık fiziğinin kaidesini teşkil eden kuantum fiziği, evreni bir arada tutan temel kuvvetleri araştırır. Fizik alanında, klasik fiziğin modelleriyle açıklanamayacak, örneğin atom, molekül ve atom çekirdeklerinin büyüklükleri, kararlılıkları ve bunların oluşturduğu kimyasal bağlar gibi çok sayıda fenomen vardır. Kuantum fiziği yardımıyla bu fenomenleri anlamak, sıklıkla da hesaplayabilmek mümkün olmuştur. Kuantum mekaniği ise kuantum fiziğinin fotonlar ve elektronlar gibi atom altı düzeylerdeki nesnelerin hareketlerini tanımlayan bölümüdür.
Kuantum fizik yasaları nerede hüküm sürer?
Bu sorunun cevabını anlayabilmek için ne zaman kuantum fiziğine ne zaman klasik fiziğe ihtiyaç duyulduğunu anlamak gerekir. Çakıllı bir nehir yatağında, kumlu bir sahilde, yumuşak bir çamur üzerinde yürüdüğünüzü düşünün. Bu yüzeylerin hepsi taneciklidir. Çakıllı nehir yatağında adımlarınız tedbirli olur. Öbekli yapının bilincindesinizdir. Kumdaki granül yapıyı da fark edersiniz ancak çamurdaki moleküler “öbeklilik” fark etme yetinizin çok ötesindedir.
Bir yudum suyu ele alalım. Suyun moleküllerinden oluştuğunu bilirsiniz, ancak sizin için bu moleküler öbeklilik önem taşımaz. Suyun akışkanlığını, basıncını, türbülansını vs ölçen bir fizikçi için de aynı şekildedir. Klasik fizik dediğimiz, kuantum öncesi fizik, bunlar ile uyumludur Ancak tek bir su molekülünü düşündüğümüzde ise işler farklılaşır. Klasik fizik bu meseleyi ele alamaz. Bu bir kuantum varlıktır, anlaşılması ve çalışılması ancak kuantum fiziğinin yardımıyla mümkün olabilir.
Kuantum fiziği büyük ölçekli dünyamızda da geçerliliğini korur. Büyük hacimli maddelerin elektriği ne kadar iyi ilettiği, sıcaklığını 1 derece artırmak için ne kadar ısı gerektiği, renginin ne olduğu gibi birçok özelliği, sadece atomik ve moleküler bileşenlerinin kuantum özelliklerinin bilinmesi yoluyla anlaşılabilir. Yine de böylesi büyük ölçek davranışların kuantum temelleri, bizim doğrudan gözlemimizden uzak durmayı başarırlar. Kuantum fiziği sadece atomik ve atom-altı alanlarda gözümüze görünür.
Öte yandan, kuantum etkilerinin gündelik dünyamızda kendisini doğrudan hissettirdiği az sayıda olgu vardır. Bunların en popüleri süperiletkenliktir. Süperiletken malzemelerde, çok düşük sıcaklıkta elektronlar bir dirençle karşılaşmadan hareket ederler. Çünkü kuantum yasaları sayesinde enerjileri minimum bir değerin altına düşmez. Ama, örneğin bir kablo içinde elektronlar normalde dirençle karşılaşırlar ve elektrik potansiyeli gibi bir dış güçle itilmiyorlarsa akışları durur. Oysa süperiletkenlerde, elektronlar itilmeden durmaksızın yol alabilirler. İşte bu kuantum fiziğinin izin verdiği sürtünmesiz hareketin makro-dünyada kendisini göstermesidir.
Kuantum fiziğiyle klasik fizik arasındaki sınır nerededir?
Aslında bu soru fizikçileri ikiye ayırmıştır. Bazıları, “Evet, kuantum fiziği her yerde geçerlidir ancak büyük sistemler için özel kuantum etkileri (kuantum öbekliliği gibi) konu dışıdır” der. Bazıları ise “Atom-altı dünyada olan bir şeyi ölçtüğümüzde klasik dünyamızdaki büyük aletlerle bu ölçümü yaptığımız için, ölçüm eylemi iki dünyanın birbirine bağlanmasına neden olur” tezini ileri sürer. Her iki görüş de klasik fiziğin büyük ölçekli dünyada neredeyse her şeyi başarılı biçimde açıkladığında ve kuantum fiziğin küçük ölçekli dünyada gerekli olduğunda birleşir. Yine her iki görüş de doğaya iki yolla bakmanın bir çelişki oluşturmadığı konusunda hemfikirdir.
.
Fizikçi Niels Bohr, kuantum fiziğinin klasik fizikten tamamen farklı olmasına karşın, onu alaşağı etmediği gibi görünen problemle ilk boğuşanlardan birisi oldu. Bunun üzerine 1913’te uyumluluk ilkesini (correspondence principle) öne sürdü. Bu ilke, bir kuantum durumu ile sonraki durum arasında artışlar küçüldükçe, klasik fiziğin daha büyük ölçüde kesin hale geldiğini söylüyordu.
Kuantum dünya hakkında anlatılması gereken çok şey var. Bunların bir kısmını aşağıdaki kaynaklardan okuyabilirsiniz. Konu ile ilgili yazılarımız devam edecektir…
Kaynaklar ve İleri Okumalar:
- Quantum; https://www.britannica.com/science/quantum
- If you don’t understand quantum physics try this; https://www.youtube.com/watch?v=Usu9xZfabPM
- Harald Fritzsch; Yanılıyorsunuz Einstein!; 2008; Metis yayınları
- Kenneth w. Ford, 101 quantum questions. Harvard university press; first edition edition
Matematiksel
