Kuantum Ve Süperpozisyon Prensibi

Fizik bilimi, içerisinde birçok gizem barındıran evrenimizi anlamamızda bugüne kadar her daim bir yol gösterici olmuştur. Fizik, bir topun, arabanın ve ya herhangi bir sistemin hareketini mantıklı kalıplara oturtmamıza yardımcı olmuş, beynimize somut deliller sunarak evreni  anlama yeteneğimizi  geliştirmiştir ve bu alana klasik fizik ismi verilmiştir. Ancak 20. Yüzyıl, beraberinde kuantum fiziği denilen ve atom altı parçacıkların hareketini inceleyen yeni bir fizik dalını beraberinde getirmiş ve bizleri tekrardan bir bilinmezliğin ortasına düşürmüştür. Şimdi  karmaşık gibi görünen kuantum fiziğinin bazı temel noktalarına göz atalım.  

Klasik Fizik ile Kuantum Fiziğinin Farkı

Klasik fiziğin temeli sezgilere dayanır. Bir cisim, mutlak kurallara uyarak hareket eder. Bir topu havaya attığımızda onun elbet yere düşeceğini biliriz. Bugüne kadar bütün canlılar yaşamak ve hayatta kalmak için klasik fiziği kullanmış . Bu sebeple klasik fiziği algılamakta hiçbir güçlük çekmeyiz. Hayatımızın her anında var olan bir olgu. Ancak kuantum fiziği elektron,proton, kuark gibi insan gözünün algılayamadığı atom altı parçacıkların hareketini inceler ve insan algı sistemine çok yabancıdır. Çünkü  bugüne kadar hayatta kalmak amacıyla kuantuma ihtiyaç duyulmamış ve duyu organlarımız bir elektronun hareketini algılamak için donatılmamış. Kuantum dünyasında olgular çok farklı bir mantıksal yapıya sahip.

Kara Cisim Işıması

Takvimler 1859 senesini gösterirken ünlü bilim adamı Kirchhoff, siyah bir cismin yaptığı elektromanyetik ışımanın cismin sıcaklığına neden bağlı olduğu sorusu üzerine yoğunlaştı. Yıllar süren çalışmaları sonucunda ise tatmin edici bir cevaba ulaşamadı. Devamında Wilhelm Wien ve Rayleigh-Jeans bu konu üzerinde çalışmalar gerçekleştirdi ve bazı yasalar öne sürdü. Ama bu yasalarda zaman içinde çürütüldü.

Yirminci yüzyılın başlarında Max Planck,  bir cismin ısındıkça turuncu,sarı ve ardından mavi ışıma yapmasının sebebini,  dalga boyu üzerindeki değişimlerden kaynaklandığını öne sürdü. Planck’ a göre bir cisim ısıtıldığında yaptığı ışımanın dalga boyu azalır, buna bağlı olarak frekansı artar ve frekansı arttıkça ışıma yaptığı tayf değişir. Bu sebeple ışıma rengi de değişir. O güne kadar yapılan çalışmalarda ışığın dalga şeklinde ve sürekli bir biçimde yayıldığı zannedilirken, Planck yaptığı buluş ile ışımanın kesikli ve parçacık halinde yayılım yaptığı keşfetti ve bu parçacıklara  ‘kuanta’  adını verdi. Planck’ ın bu buluşu ile  kuantum fiziğinin temelleri atılmış oldu.

Süperpozisyon

Kuantum fiziği atom altı maddelerin hareketini anlamaya çalışan bir fizik dalı. Genellikle üstünde çalışılan madde elektrondur ve kuantum , bir cisimde bulunan elektronların hareketini saptamaya çalışmaktadır. Üstünde çalışılan sistemlerin genel mantığına göz atarak süperpozisyon ilkesine bir giriş yapalım.

Klasik fizikte,  bir sistem için 2 farklı durum söz konusu. Bu sistemler kullandığımız bilgisayarlarda bulunan bit mantığı ile çalışır. Bir bitin durumu ya 0 ya da 1 dir. Ama kuantum fiziğinde işler böyle yürümemekte. Kuantum fiziğinde kubit denilen ve aynı anda hem 0 hem de  1 olan yapılar mevcut. Bu duruma süperpozisyon ilkesi denir. Bu ilkeye göre bir cisim üzerindeki elektron aynı anda farklı yerlerde bulunabilir. Bu ilkeyi biraz daha anlayabilmek için Schrödinger’ in yaptığı bir çalışmaya göz atalım.

Schrödinger’ in Kedisi Deneyi

Schrödinger, süperpozisyon ilkesini mikro ortamdan  makro ortama taşımak amacıyla düşsel bir deney  tasarladı. Bu deneyin ismi Schrödinger’ in kedisi. Bu deneye göre bir kedi, içerisinde radyoaktif bir maddenin tetiklenmesi durumunda kırılacak olan zehir dolu bir şişenin bulunduğu  bir kutunun içine koyuluyor. Sonrasında bu kutu bütün gözlemlerden kaçınacak şekilde dış dünyadan izole ediliyor.Eğer radyoaktif malzeme bozunma yaşarsa zehir dolu şişe kırılacak ve kedi ölecek. Ama radyoaktif bozunma olmazsa şişe kırılmayacak ve kedi yaşıyor olacak. Sistem dışarı ortamdan tamamen izole edildiği için bir gözlemcinin kedinin yaşayıp yaşamadığını bilme olasılığı bulunmuyor. Çünkü kedinin ölü olma ve diri olma olasılıkları birbirine eşit .

Kuantum dünyasına göre bu durum bir dolanıklık yaratır. Bu dolanıklığa göre ölü kedinin durum fonksiyonu ile  canlı kedinin durum fonksiyonu  üst üste biner. İçinde bulunulan duruma göre kedi  aynı anda hem ölü hem de diri bir vaziyette. Bu durum bizim dünyamız için her ne kadar absürt gelse de kuantum dünyası için gayet normal karşılanacak bir durum.  Ne zaman ki kutu açılıp içine bakılırsa, süperpozisyon ilkesi çöker ve kedinin durumu hakkında kesin bir bilgiye varılır. Schrödinger bu deneyinde  atom altı seviyede meydana gelen süperpozisyon ilkesini makroskobik olarak algılanabilecek bir düzene çıkarmış oldu.  Bu deneyde dolanıklığa  yol açan kedinin canlı ve ya ölü olma durumu, atom altı seviyedeki  bir elektronun dalga ve ya parçacık gibi davranma karışıklığına benzetebiliriz.

Çift Yarık Deneyi

Atom altı seviyede bulunan maddelerin hem parçacık hem de dalga hareketi yapabilmekte. Bu durumun gözlemlenmesi için yapılan deneylerden en ünlüsü şüphesiz ki çift yarık deneyi. Şimdi bu deneye yakından bakarak anlamaya çalışalım.

Çift yarık deneyi bir elektronun dalga/parçacık hareketi ikilemini anlamak amacıyla tasarlanan bir deney. Planck’ ın kara cisim ışıması deneyinde elektronun dalga hareketi yerine parçacık hareketi yapabildiğinden bahsetmiştik. Şimdi bu deney ile hangi durumda elektronun nasıl hareket ettiğini inceleyelim.

Tek Yarıklı Sistem

Bu deneyde, sistem içerisinde bir elektron kaynağı bulunmakta. Bu kaynağın biraz uzağında üzerinde küçük bir delik bulunan bir engel ve bu engelin arkasında elektronun çarpıp görüntü oluşturacağı bir ekran bulunmakta. Kaynak, elektron saçmaya başladığında üzerinde tek bir delik olan engelden geçerek arka planda tahmin edebileceğimiz gibi bir yığılma olur ve bir tepe noktasına sahip yığın oluşur. Bu gayet tabii beklenen bir sonuç. Burada elektron düşünüldüğü gibi parçacık hareketi sergiler.

Çift Yarıklı Sistem

Peki tek yarık bulunan engeli çift yarıklı hale getirirsek ne olacak? Bizim beklediğimiz sonuç elektronların parçacık hareketi yaparak bazılarının ilk yarıktan bazılarının diğer yarıktan geçerek ekran üzerinde  iki farklı tepe noktası oluşturması olacaktır. Ama sonuç bizim beklediğimiz gibi değil. Görselde görebileceğiniz gibi ekran üzerinde, bir tepe bir çukur olacak şekilde ikiden fazla tepe noktasına sahip bir görüntü oluşur. Ama bu nasıl olur?  Burada olan şey elektronların parçacık gibi değilde dalga hareketi yaparak  yayılması. Yani başka bir deyişle bir elektron aynı anda iki yarıktan birden geçiyor ve kendisi gibi davranan elektronlar ile sönümleme ve birleşme yaparak ekranda dalga fonksiyonu oluşturuyor.

Sisteme Sensör Eklenirse

Şimdi ise bu elektronların hareketini incelemek için sisteme bir sensör koyalım. Sensör eklendikten sonra ekran üzerinde oluşan görüntü bir hayli şaşırtıcı. Gözlemlenen elektronlar bu sefer parçacık hareketi yapıyor ve  ekran üzerinde iki tane tepe noktası oluşturacak şekilde bir sonuç veriyor. Yani elektron sadece bir yarıktan geçiyor ve ekran üzerinde iki tepeli bir  desen oluşturuyor. Burada çıkarabileceğimiz sonuç Schrödinger kedisi deneyinde bahsi geçen konu ile aynı aslında. Gözlem olmadığı sürece sistem süperpozisyon ilkesine uyar ve elektronlar aynı anda iki yarıktan birden geçerek bir dalga deseni oluşturur. Ama işin içine gözlem girdiği anda süperpozisyon ilkesi geçerliliğini kaybeder ve elektron kendisinden beklenen iki durumdan birine çöker.  Peki bu nasıl olabilir? Elektronlar gözlemlendiğini algılayıp kendisinden beklendiği gibi mi hareket ediyor? Kuantum dünyası şu anlık bu soruya cevap bulabilmiş değil. Ama bu sonuç her insanın kafasında soru işaretlerine neden olabilecek seviyede.

Kuantum dünyası esrarengizliği ile insanı cezbedecek bir dünya. Bu esrarengizlik  bilim insanları tarafından bile tam olarak algılanamamış ve fikir birliği sağlanamamış . Kuantumu bu denli karmaşık ve anlaşılmaz yapan olay, kendi doğasından, bilinmezliklerin üzerine gitmesinden dolayıdır. Ünlü fizikçi Niels Bohr ’un  “ Kuantum fiziği kafanızı karıştırmadıysa , onu tam olarak anlamamışsınız demektir… ”sözü  kuantum fiziğinde belirsizliklerin ne denli olduğunu bize gösterir cinsten. Yazımızın sonuna gelindiğinde umarım kafanızda bir kum taneciği kadar da olsa karışıklığa sebep olabilmişizdir…

Kaynakça 

wikipedia.org

quantum-inspire.com

Leonard Susskind- Kuantum Mekaniği