Faydalı Bağlantılar
Tarot Falı | Tarot Falı Bak | Fal Bak

Tarot Falı


Atom-Altı Dünya Kuantum nedir?

Sözlük anlamıyla kuantum bir öbektir, bir pakettir. Bizi çevreleyen gündelik yaşamda karşımıza belli büyüklükte “öbekler” biçiminde çıkan birçok şey vardır: Ekmek somunları, litrelik sütler, otomobiller gibi. Ancak bir ekmeğin, bir şişe sütün, bir otomobilin ne büyüklükte olacağını söyleyen bir doğa yasası yoktur. Ekmek ustası ekmeğine bir dilim, hatta bir kırıntı düzeyinde ekleme veya çıkartma yapabilir (Şekil 1). Sütçü, sütü yarım litrelik veya bir litrelik şişelerde satıp satmayacağına kendisi karar verir. Araba şirketi, ürününü bir miktar daha büyük veya daha küçük, daha ağır veya daha hafif yapabilir. Kuantum yasalarının hükmettiği küçük ölçekli dünyada ise işler böyle yürümez.

Bir örnek verelim: Bir hidrojen atomu, belli bir çapa sahiptir (başka bir kuantum etkisi yüzünden hatlar keskin değildir).

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’Avc.

Ekmek herhangi bir büyüklükte olabilir. Taban dunundaki hidrojen atomlarının tümü aynıdır.

Hidrojen atomunun çapı yaklaşık olarak nanometrenin onda biridir (Bir nanometre – nm, metrenin milyarda biri – 10’9 m’ dir). Bundan daha küçük hale getirilemez. Bu onun taban durumu dediğimiz büyüklüğüdür. Bu büyüklükle bağlantılı olarak da belli bir enerji, onun taban durumu enerjisidir. Bundan daha az bir enerjiye sahip olması sağlanamaz. Bu, temel hidrojen atomu öbeğidir. Taban durumdaki her hidrojen atomu tam olarak aynı boyuta ve aynı enerjiye sahiptir; anlayacağınız bir evrensel hidrojen öbeğiyle karşı karşıya gelmekteyiz. Atom daha büyük ve daha enerjik hale getirilebilir, ancak bu da sadece belli kuantum artışları çerçevesinde mümkündür, herhangi bir seçili artış uygulanamaz. Böylesi daha büyük boyutlara, daha yüksek enerji durumlarına uyarılmış durumlar denir (Şekil 2). Uyarılmış bir atom, bir ışık fotonu saldığı ve enerjisini daha yüksek bir değerden daha düşük bir değere düşürdüğü zaman, bir kuantum sıçraması yapıyor demektir.

Ortaya çıkan fotonun kendisi de bir kuantumdur, bir ışık “öbeği”dir. Foton, bir enerji kuantumunu üzerine alır ve bu enerji kuantumunu soğurulduğunda – örneğin retinanız tarafından – yaşamını sona erdirdiği noktada teslim eder.

Fotonun bize gösterdiği gibi, sadece nesneler değil, nesnelerin belli özellikleri de kuantum öbekleri biçiminde karşımıza çıkar. Örneğin enerji. Bir diğer örnek, elektrik yüküdür. Elektrik yükü, bir proton (veya onun negatif dengi olan bir elektron) tarafından taşınan miktarın sağlayabileceğinden daha iyi bir yolla ayarlanamaz. Elektrik yükünün 3,7 kuantum birimi gibi bir şey de mümkün değildir. Evrendeki her elektrik yükü, proton veya elektron yükünün tamsayı katıdır. (Bu kuralın bir istisnası vardır. Temel parçacıklar içerisinde kuarklar 1/3 ve 2/3 birim yükler taşırlar, ancak onlar da her zaman öyle bir biçimde birleşirler ki, tüm gözlenen veya ölçümlenmiş yükler proton veya elektron yüklerin tamsayısıdır.)

“Öbekli” özelliğe son bir örnek daha verecek olursak (ileride başka örnekler olacak), her bir parçacığın ve parçacıkların her bir kombinasyonunun spini ya sıfırdır veya en küçük spinin -ki bu elektronun spinidir- tamsayı katıdır. Detaya girmeden söylersek spin, dönme hareketinin etkinlik ölçüsüdür. Teknik olarak, açısal momentum dediğimiz niceliğin ölçümüdür. Bir çocuğun topu döner. Atlıkarınca da aynı şekilde döner. Her gün kendi ekseni etrafında bir kez dönen Dünya’mızda da durum aynıdır. Sıfır hariç en küçük spin miktarı elektronun spinidir. Bu en küçük kuantum miktarına proton da sahiptir. Foton, ilginç biçimde, elektron veya protonun iki katı spine sahiptir. Siz veya ben arkamıza dönersek, bunun ne kadar yavaş olduğunun önemi yok, bizim spinimiz astronomik derecede büyük sayıda kuantum birimi eder. Bu öyle büyüktür ki, bir kişinin spininin kuantum doğasını saptama ümidimiz yoktur.

Spin ölçümünde benimsenmiş olan birim, tarihsel nedenlerle fotonunkiyle aynı olmuştur. Buna 1 birim spin denmiştir. Elektronun spini, bu birimle, 1/2’dir. Böylelikle her parçacığın ve dünyadaki tüm varlıkların 0 veya 1/2 veya 1 veya 3/2 veya 2 veya 5/2, vs spini olur, ancak asla bu sayıların arasında bir değer olmaz, spin temel birimin tamsayı katı veya tek tamsayı bolü iki katı dışında bir değer alamaz.

Kuantum fizik yasaları nerede hüküm sürer?

“Her yerde” sorumuzun kısa yanıtıdır. Asıl sormak istediğimiz “Kuantum fiziğine nerede dikkat etmeliyiz?” sorusudur. Yanıt şudur: “Çok küçük şeyler dünyasında, yani moleküller dünyası ve onlardan daha küçük olan atomlar dünyasında, onlardan da küçük atomik çekirdekler ve daha da küçük temel parçacıklar dünyasında; atomlar da dâhil olmasına rağmen, genel olarak atom-altı dünya dediğimiz dünyada”. İşte öbekliliğin önem kazandığı bu küçük ölçek âleminde dikkat etmeliyiz. Çakıllı bir nehir yatağında, kumlu bir sahilde, yumuşak bir çamur üzerinde yürüdüğünüzü düşünün. Bu yüzeylerin hepsi taneciklidir: çakıl parçaları, kum taneleri, çamur molekülleri… Çakıllı nehir yatağında adımlarınız tedbirli olur. Öbekliliğin bilincin-desinizdir çünkü. Kumda granüllülüğün farkındasımzdır, ancak bunu hemen hiç önemsemezsiniz. Çamurda ise moleküler “öbekliliğin” bilincinden çok uzaksımzdır. Mevcut durum fark etme yetinizin çok ötesindedir.

Bir yudum suyu ele alalım. Suyun H20 moleküllerinden oluştuğunu bilirsiniz, ancak sizin için bu moleküler öbeklilik önem taşımaz; suyun akışkanlığını, basıncını, kıvamlılığmı, türbülansını vs ölçen bir fizikçi için de aynı şekildedir. Klasik fizik dediğimiz, kuantum öncesi fizik, bardaklar, borular, rezervler dolusu suyla ilgilenmek için tamamıyla uygundur. Tek bir H20 molekülünü düşündüğümüzde ise işler farklılaşır. Klasik fizik bu meseleyi ele alamaz. Bu bir kuantum varlıktır, anlaşılması ve çalışılması ancak kuantum fiziğinin yardımıyla mümkün olabilir. Dolayısıyla, sorun ölçek sorunudur. Kuantum fiziği büyük ölçekli dünyamızda da, atom-altı dünyada olduğundan daha az geçerli değildir. 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.

Bu büyük ölçek / küçük ölçek ikiliğinin kuantum etkilerinin gündelik dünyamızda kendisini doğrudan hissettirdiği az sayıda istisna sözkonusudur. Bunların en dramatik olanlarından birisi de süper iletkenliktir. Çok düşük sıcaklıktaki bazı malzemelerde elektronlar direnç olmaksızın, kelimenin gerçek anlamıyla sürtünmesiz hareket ederler. Bu insan ölçekli dünyamıza dek ulaşan bir kuantum etkisidir. Elektronların sürtünmesiz hareketi, atomların ve moleküllerin çok daha küçük ölçekli dünyasında sıradan bir olaydır. Orada elektronlar sürekli hareket etmektedir. Enerjilerinin minimum bir değerin altına düşmesini engelleyen kuantum yasaları sayesinde yorulmaksızın sonsuza dek hareket edebilirler. Öte yandan bir kablo parçasında elektronlar normalde dirençle karşılaşırlar ve dış bir güçle itilmiyorlarsa akışları durur; tıpkı olağan dünyamızda itilmiyorsa duran diğer her şey gibi. Elektronların itilmeden durmaksızın döndüğü büyük süper iletken bir halka gördüğünüzde, bu kuantum fiziğinin izin verdiği sürtünmesiz hareketin atom-altından makroskobik alana kendisini genişlettiği anlamına gelir. Elektronlar bu büyük halka içerisinde aynen atomun içerisindeki gibi dönmektedirler.

Uyumluluk ilkesi nedir?

Kuantum etkileri küçük ölçekli dünyada önemli ve büyük ölçekli dünyada genelde önemsizse, ayrım çizgisi nerededir? Farklı şekilde söylersek, kuantum fiziğiyle klasik fizik arasındaki sınır nerededir? Bu aslında kimi fizikçilerin halen uğraştığı derin bir meseledir. Bazıları, “Evet, kuantum fiziği her yerde geçerlidir ve maddenin tüm hareketlerine hükmeder, ancak büyük sistemler için özel kuantum etkileri (kuantum öbekliliği

gibi) konu dışıdır” demektedir. Diğerleri “Atom-altı dünyada olan bir şeyi ölçtüğümüzde klasik dünyamızdaki büyük aletlerle bu ölçümü yaptığımız için, ölçüm eylemi iki dünyanın ayrılmaz biçimde 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 oluşturmadığında, kuantum fiziğinin – apaçık görülebilir olsun olma-sm- her alanda etkili olduğunda hemfikirdir.

Bu noktada klasik fiziğin ne olduğuna dair birkaç hatırlatmada bulunalım. Esasen on yedinci, on sekizinci ve on dokuzuncu yüzyılda geliştirilen, kuvvet ve hareketin (mekanik); ısı, entropi ve hacimli maddenin (termodinamik); elektrik, manyetizma ve ışığın (elektromanyetizma) fiziğidir. Albert Einstein’m yirminci yüzyıldaki -özel ve genel- görelilik teorilerine de kuantum dışı oldukları için klasik denmektedir. Bunlar, kuantum öbekleri ve kuantum sıçramalarıyla değil, düz değişimle ilgilidirler. Klasik teoriler uygulandıkları alanlarda – bu ister bir buhar makinesini güçlendirme, ister radyo sinyali iletme, isterse de Ay’a bir astronot indirme olsun – şaşırtıcı biçimde başarılıdırlar.

Büyük DanimarkalI fizikçi Niels Bohr, kuantum fiziğinin klasik fizikten tamamen farklı olmasına karşın, onu alaşağı etmediği yönündeki içinden çıkılması imkânsız gibi görünen problemle ilk boğuşanlardan birisi oldu. 1913’te uyumluluk ilkesini öne sürdü. Bu ilke, bir kuantum durumu ile sonraki durum arasında artışlar küçüldükçe, klasik fiziğin daha büyük ölçüde kesin hale geldiğini söylüyordu. Bohr’un prensibini ilk olarak uyguladığı hidrojen atomu örneğinde, taban durum ile ilk birkaç uyarılmış durum birbirlerinden dramatik biçimde farklılaşıyorlar ve klasik davranışla bir benzerlik bulunmuyordu; ancak uyarılmış durumun yüzde bir veya iki yüzde birine inersek kuantum ve klasik tanımlar birbirlerine “uyumlu hale gelmeye” başlıyorlardı. Böylelikle elektron için gezegene benzer şekilde bir “yörünge”den söz etmek mümkün hale geliyor ve elektronun 200 durumundan 199 durumuna, 198 durumuna, 197 durumuna kuantum sıçramaları, radyasyonun klasik modelde öngörüldüğü gibi soğurulduğu, içe doğru düzgün bir helozonik harekete benzemeye başlıyordu. Gerçekte Bohr uyumluluk ilkesini henüz formüle etmemiş, sadece kullanmıştı. Kuantum ve klasik dünyaların yüksek uyarılmış durumlarda pürüzsüzce birleşmesi gerekliliği düşüncesiyle, taban durumuna dek tüm durumların özellikleri hakkında sonuçlara varabilmesi mümkün olmuştu.

Aslında görelilik için de bir uyumluluk ilkesi vardır. Kütle-çekim alanlarının (kara deliğe yakın olanlarla karşılaştırmalı olarak) zayıf olduğu ve hızların (ışığın hızıyla karşılaştırmalı olarak) küçük olduğu yerlerde klasik, görelilik dışı fizik gayet iyi işler. Ancak aynı kuantum fiziği gibi, görelilik zayıf alanlarda ve düşük hızlarda doğru gibi durmamaktadır. Etkileri daha ziyade birçok nedenle göz ardı edilebilir derecede küçüktür.