Kuantum Fiziği Açıklandı!

Teknoloji İnovasyon ve Fütürizm blog ve kanalında bahsedeceğimiz konular bir şekilde kuantum ve yapay zekâ gibi günümüz ve gelecekte çok sık karşımıza çıkacak olan bilim dalları ile kesişecek. Buna bağlantılı olarak bahsedeceğim konulara alt yapı oluşturabilmesi için temellerini öncesinde paylaşmak istiyorum.

“Eğer kuantum fiziğini anladığınızı düşünüyorsanız, kuantum fiziğini anlamamışsınızdır.”  Richard Feynman, kuantum elektrodinamikleri Nobel fizik ödüllü bilim adamı. Eğer Nobel ödüllü bir bilim adamı bu konuyu anlayamıyorsa bizim anlamak için şansımız ne kadar olabilir ki? Fakat yine de yaptığımız araştırmalar neticesinde anladığım kadarı ile sizlere kuantum fiziğinin temellerinden bahsetmek istiyorum.

Kuantum fiziği, fiziğin bir bölümü olup evrenimizdeki en küçük parçaları tanımlar. Moleküller, atomlar atom altı parçacıklar gibi.

Bizler ve bütün evren kuantum fiziği üzerine kurulmuştur. Evren böyle çalışır.

Kuantum fiziğinde her şey dalga olarak tanımlanır. Yani; atom, molekül, atom altı parçalar (proton, nötron gibi) bunların hepsi özünde dalgadan oluşmaktadır.

Bu arada kuantum fiziği ve ya kuantum mekaniği olarak duyduğunuz tanımlamalar aynı şeye işaret eder.

Kuantum fiziğinde her şeyin dalgadan ibaret olduğunu söylemiştik. Fakat bu dalganın gözlemlenmesi bugüne kadar mümkün olmadı. Sadece gerçekleştirilen testler ve tahminler ortada bir dalga olduğuna işaret ediyor. Gözlemlenemedi çünkü gözlemlenmek istenildiğinde görünen yine bir partikül oluyor. Her gözlemlediğinizde olası başka bir pozisyonda olabilen bir partikül. Gözlem yapıldığı anda dalganın çöktüğü var sayılmaktadır. Yani yok oluyor. Dolayısı ile gözlemlenen andaki ilgili parçacığın tam olarak nerede belireceğini bilmek mümkün olmuyor.

Bunu kanıtlayan en ünlü deneylerden bir tanesi ise çift yarık deneyidir. İki tane yarık olduğunu ve bu yarığın arkasından rastgele ışık fotonları atabilen bir silah olduğunu düşünün. Beklenen sonuç aslında aşağıdaki şekildeki gibi olmalı, yani karşıda görebileceğimiz iki çizgi:

Fakat sonuç beklendiği gibi olmuyor, çıkan sonuç ise aşağıdaki gibi :

Buna girişim deseni deniyor.

Bunun altında yatan sebep ise :

Yukarıdaki şekilde görülebileceği üzere, ışık fotonlarının dalga olarak hareket etmesi ve yansıdığı bölgede de bu dalganın kesişimi ile ışığı yansıtması. Burada oluşan dalgaya ise olasılık dağılımı denir. İlgili ışık fotonu yansıdığı zeminde gözlemlenmek istenirse bu noktaların herhangibirinde olabileceği sonucu ortaya çıkar. Yani aslında olasılık dağılımı dalgasının şekli ve boyutu net bilinse bile parçacığın yeri net olarak hesaplanamıyor. Aslında Nobel ödüllü fizikçi Richard Feynman değinmek istediği konuda bu olabilir. Çift yarık deneyinin evrenin yapısı ile ilgili bulgulara ciddi etkisi vardır. Fizikçiler günümüzde hala bu dalga çöküşünün; yani dalganın çöküp, gözlemlendiğinde partiküle dönüşme durumunu hala çeşitli yorumlar ile açıklamaya çalışıyorlar fakat şimdilik nafile. Aslında anlaşılmak istenen şey gerçekliğin nasıl var olduğu.

Şimdi gelelim süper pozisyon konusuna. Süper pozisyon bir partikülün iki ayrı noktada aynı anda olabilme durumudur.

Aşağıdaki şekildeki gibi bir dalga olduğunu var sayalım ki sonsuz çeşitlilikte dalgalar olabilir. Dalga da iki adet yüksek olasılık görülüyor ve bir adet düşük. İki adet yüksek olasılık aynı oranda olan değerler. Bu partikülün aynı anda iki konumda da olabileceğine işaret ediyor.

Süper pozisyon iki dalganın birbirine eklenmesi ile oluşur. Çift yarık deneyinde kesişen dalgalarda bunu görmüştük. Aslında çok olağanüstü bir durum değil. Bir suya yan yana iki tane taş attığınızda da benzer şekilde dalgaların kesiştiğini görebilirsiniz. Buna süper pozisyon deniyor.

Var sayalım ki iki dalga kesişti ve birbirinden uzaklaşmaya devam etti :

Fakat ne kadar uzaklaşırlar ise uzaklaşsınlar dalganın herhangibirinde yapacağınız ölçüm diğer dalga içinde geçerlidir. Bu arada milyarlarca km olsa bile böyledir. Bu konu Einstain’ı da rahatsız etmişti, çünkü ışıktan daha hızlı bir iletişimden bahsediyoruz. Anlık bir iletişim. Görecelik kuramı ile de çelişiyor. Fakat bu iletişim tarzı veri iletiminde kullanılamıyor çünkü ölçümler rastgele sonuçlar veriyor. Bu iletişim arada bir bağ olması gerekliliğini ortaya çıkarıyor ve buna “non-locality” yani yerelleştirilememe deniyor. 

Bir diğer konu ise kuantum tünelleme. Kuantum tünelleme; partiküllerin bir bariyer ile karşılaştığı zaman içinden geçebilme durumuna verilen ad. Bir dalga fonksiyonu bir bariyer ile karşılaştığında eğer bu bariyer yeterince dar ise bariyerin arkasında varlığını devam ettirebilir. Bariyer içindeki bu durum ise kuantum tünelleme olarak adlandırılır :

Aslında yaşamımızı kuantum tünellerine borçluyuz. Güneşten bize ulaşan güneş ışığının oluşum sebebi kuantum tünellemesinin mümkün olmasıdır. Normal şartlarda proton parçacıkları birbirini iter fakat çok nadiren olsada birbirlerinin içinden geçebilecekleri kuantum tünelleri oluşabilir. Bu da hidrojen’in helyum’a dönüşmesini sağlar, helyum da fizyon enerjisinin serbest bırakılmasına vesile olur.

Birde Heisenberg’in belirsizlik ilkesi vardır. Dalgaların boyları sonsuz olabilir, ayrıca dalgaların genişlikleri de benzer şekilde değişkendir. Dolaysı ile parçacğının yerinin tespit edilebilmesi mümkün değildir.

Bu kadar kuantum fiziği dedikten sonra ünlü Schrödinger'in kedisi deneyinden bahsetmeden olmaz. Schrödinger kuantum mekaniği bulanlardan biri. Bu deney düşünsel bir deneydir. Bir kutunun içerisinde bir kedi ve bu kediyi %50 ihtimal ile bir saat içinde öldürebilecek bir cihaz ile düşünün. Bir saatin sonunda kedinin durumu ne olur diye sorulduğunda kedinin ölmüş ve ya diri olma ihtimali aynıdır. Yani aslında süperpozisyon. Kutuyu açtığımızda ise gerçek durum ile karşılaşırız yani gözlemlediğimizde.

Günümüz teknolojisindeki kullandığımız neredeyse her şey gelişimini ve varlığını kuantum fiziğine borçludur. Bu güne kadar tespit edilenler, elektronlar, atomlar ve atom altı parçacıklar ile çok küçük seviyede müdahale edebilinmesini mümkün kılıyor. Artık 3 nanometre boyutunda transistörler yapılabiliyor. Böylelikle elimizdeki telefon, tablet, TV her ne varsa üretilmesi mümkün oluyor.

Kuantum fiziği evrenin her yerinde ve bütün sistem-düzenlerde geçerli. Tabii olarak buna bizi var eden beynimiz de dahil. Yani aslında bizlerde kuantum mekaniği dışında olmayan varlıklarız. Beynin sağ lobunda tetiklenen bir nöron’un aynası diğer lob’da da aynı anda tetikleniyor. Hepimiz birer kuantum beyine sahibiz. Kuantum parçacıkların bütün evrende aynı anda birbirleri ile iletişimde olabiliyor ve bizde bunun dışında değiliz. Bu perspektiften yaklaştığımızda bütün evren ile iletişim halinde olduğumuz ve bütün verilerimizin aynı anda evrenin herhangi bir yerinde bir kopyasının olduğuda söylenebilir. Günümüzde bunun aksini kanıtlayabilen bir fizikçi yok. Kuantum fiziği ise bu prensip ile çalışıyor. Aslında bu sır denebilecek kadar muazzam bir konunun ipucu. İlerleyen yazılarımda bu konu hakkında da bazı hikayeler anlatmayı düşünüyorum.

Vakit ayırdığınız için teşekkür ederim. Görüşmek üzere!