Fizik

Kuantum Nedir? Kuantumun Tuhaf Dünyasına Neden İhtiyaç Duyduk?

Efsanevi Nobel Ödüllü fizikçi Richard Feynman, Eğer kuantum fiziğini anladığınızı düşünüyorsanızkuantum 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.

Klasik bir tanım, yörüngede dönen bir parçacığın kesin bir yerini gösterir; bunun aksine, kuantum tanımı, konum veya enerjinin olasılığını verir.

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:

Matematiksel

Şefika Çokcoşkun

İstanbul Üniversitesi 'Nükleer Fizik' anabilim dalında yüksek lisans mezuniyetim sonrası yazarlık serüvenim başladı. Bilimin hayatın parçalarından biri olduğunu aktarmak her bilim insanı gibi benim de görevim... Okumak, dinlemek, merak etmek, araştırmak hep bir adım daha atmamı sağlıyor. Paylaştıkça çoğalacağımız günler yakındır...

Bir cevap yazın

E-posta hesabınız yayımlanmayacak.

Başa dön tuşu