Kuantum ve Kuantum Fiziği Nedir?

Kuantum ve kuantum fiziğine dair bilgiler, kulağınıza çalındığı hâlde tam olarak neyi ifade ettiği hakkında açık bir fikriniz yoksa bu konuda yalnız kalmadığınız bilmelisiniz. Fiziğin ve bilimin en karmaşık ve tam olarak anlaşılamayan konularından biri olan kuantum kavramının bu özellikleri de anlatma ve anlayabilme noktasında da problemler yaratıyor. Yine de evrenin ve dünyamızın işleyişini keşfetmek isteği ve merakı, yüzyıllardır insanın en büyük amaçlarından biri olmuştur. Evreni ve dünyamızı anlamlandırma noktasında yararlandığımız bilim ve bilimin en önemli kollarından biri olan fizik, nasıl bir evren tasarımının ve varlığının oluştuğuna dair deneyler ve çalışmalarla ufkumuzu genişletmeye ve bizi olanın ardındaki şeyin varlığına ulaştırmayı çabalamaktadır. Bilimin en önemli ilkelerinden biri de bilgileri üst üste koyup birikimli olarak gelişebilmek, ilerleyebilmektir.

Kuantum ve kuantum fiziği de emekleyerek bugüne kadar bilim insanlarının ellerinde büyüyerek gelmiştir. Öyleki hakkında herkesin bir şeyler duyup da anlamlandıramadığı bir kavram olarak da ünlenmiştir. Klasik fiziğin kavramlarının yetmediği noktada bilim insanlarının uğraşları ve merakları sonucu ortaya atılan kuantum fiziği, nesnelerin ardındakine, görülenin ötesindeki küçük parçacıklarının önemine kadar pek çok şeyi, bilebilmenin aksine belirsizliği katarak bambaşka bir algının da varlığını ortaya çıkarmıştır. "Kuantum dünyası" olarak adlandırılan bu mikro ortamın ölçülmesi ve anlaşılması birçok bilim insanının temel amaç ve hedeflerinden biridir. Bu yazımızda da anlam arayışımızın yanıtını verebilecek olan her şeyin kaynağı olarak adlandırılan kuantum fiziğine dair temel kavramları, anlatmaya çabalayacağız. 

Kuantum Ne Demek?

Latince "miktar ve ne kadar büyüklükte"  anlamlarını içeren kuantum, bilimin ve fiziğin bugününü oluşturan en temel kavramlardan biridir. Teknolojinin ve bilimin gelişimi birdenbire oluşmuş ve ortaya çıkmış değildir. Aşama aşama, birbirinden etkilenen kavramlar ve çalışmalar, uzun yıllar deney ve gözlem ile yanlışlanabilirliğin önüne geçerek kanıtlanmışlardır. Bilim insanlarının mesleklerine olan ilgileri ve sınırların ötesinde olanı anlama istekleri, klasik fiziğin kavramlarının yetersiz kaldığı noktada kuantum kavramını ve daha sonra da fiziğini ortaya çıkarmıştır. 

Kuantum fiziğinde atom ve atom altı parçacıkların öneminin ortaya çıkması, bilinen ve görülenin yanlış olabileceğini belirtiyor ve bu durum da yeni bir fizik anlayışının temelini oluşturacak sarsıcı bir keşif yolculuğunun başlangıcını oluşturuyordu. 1900'lı yıllarda klasik fiziğin yerine aday olacak  kuantum fiziği hakkında çalışmalar ve deneyler yaparak bugün, fiziğin en karmaşık ama evrenin işleyişini anlamamıza yardım edecek en yakın kavramı tartışmaya açan bilim insanlarını ve bu sarsıcı sürece biraz daha yakından bakmaya başlayalım.

Kuantum Fiziği Nedir?

1900'lı yıllarda klasik fiziğin ve Newton fiziğinin yerine atom-atom altı parçacıklarının dünyasına geçiş yapacak kavramların ve deneylerin yapılması yeni bir paradigmanın ortaya çıkmasına yarayacaktı. Bilindiği üzere bilim, birikim üzerine inşa edilen bilgi ve bakış açılarıyla ilerlemektedir. Newton fiziğinin, evreni anlamlandırmada yetersiz kalması, yeni bir paradigma ortaya çıkarılmasıyla yerini devretme süreci de başlamış oluyordu. 1900 yılında Nobel ödülü almasını sağlayacak bir keşifle bilinenin ötesine yolculuğu başlatan Max Planck, ışığın bir dalgacık olmadığını, kendi deyimiyle "kuanta"(miktar)  parçacık, paketler hâlinde yayıldığını ortaya çıkarmıştır.

Planck, bir maddenin belli bir düzeyde ışık üretmesi için enerjinin harcanması gerektiğini belirtiyor ve enerjinin de bir sınırının olduğunu, düşük frekanslı bir ışığın düşük enerji ,yüksek frekanslı bir ışığın da yüksek enerji harcaması gerektiğini de ortaya çıkarmıştır. Kısaca Planck, ışığın parçacıklardan oluştuğunu ve parçacıklarının her birinin enerjisinin de dalganın frekansına bağlı olduğunu söylemiştir. Max Planck'ın, bu çalışmalarına da "Planck Sabiti" (E= hf)  adı verilmiştir.

Kuantumun, yani atomun ve parçacıklarının dünyasında olup bitenlerin farkında olmak isteyen diğer bir isim de Albert Einstein olmuştu.  Einstein, "Fotoelektrik Etki" çalışması ve görüşleriyle ışığın foton-parçacık olduğu görüşünden etkilenmiştir. Metal yüzeye; enerjisi olan ışık-foton, metalde bulunan atomlarla çarpıştığında elektronun fırlamasına neden olan etkiye foton sebep olduğundan fotoelekrik adı verildi.  Einstein, 1905 yılında paylaştığı çalışmasıyla Nobel ödülünün de sahibi olmuştu, tıpkı meslektaşı Max Planck gibi.

Einstein'ın bu ve benzeri çalışmaları, bilim dünyasına kuantum fiziğinin  yavaş yavaş temelini oturtacak altyapıyı sağlamlaştıracaktı. Kuantum fiziğine dair çalışmalar yapan bir başka isim de Niels Bohr'du.  Yine Nobel ödülüyle taçlandırılan çalışması" Bohr Atom Modeli" ydi. Bu çalışma ile bir atom parçacığının, güneş sistemi gibi hareket ettiğini ve çekirdek çevresinde dönen elektronlara ve atoma enerji verildiğinde gezegen misali başka bir yörüngeye fırlayan elektronların hareket etmeden bunu yapmaları ortaya çıkmıştır. 

Kuantum sıçraması kavramı da kökenini, elektronların birden sıçramasına neden olan çalışmayla edinmiştir. Heisenberg'in belirsizlik ilkesi de elektronların aynı anda nerede olduğu ve nereye gittiği belirsizdir. Bu özellik, elektronun konumunun tam olarak belirlenemeyeceğini üzerineydi.  Bu elektronlar, uzaya yayılarak konumunu söylemiyordu.  Evrenin ve insanın oluşumunda temel yapı olan atom- atom altı mikroskobik parçacıklarının işlevleri ancak kuantum fiziğinin kavramları ve çalışmalarıyla tam olarak doğru kanıtlara ulaşmayı sağlamıştır.

Bir nevi atom ve atom altı parçacıkların dünyasının kurallarını kuantum evreni yönetmektedir. Evren ve dünya üzerindeki her maddenin oluşumunu sağlayan atomların yapısını ve işleyişini anlamak ve çözebilmek adına kuantum evreninin yasasına bakmak gerekiyordu ve adını saydığımız ve saymadığımız birçok bilim insanı da bu evrene yolculuk yapacak adımları birbirlerinden etkilenerek atmayı başarmışlardır. Kuantum Fiziği birçok deney ve çalışmayla ölçülmüş ve kanıtlanmıştır. Bu deneylerden biri de çift yarık deneyi olmuştur.

Çift Yarık Deneyi

Kuantum evreninde atomların ve atom altı parçacıkların işleyişine dair bildiklerimizi derinden sarsacak çift yarık deneyi 1960'da Clauss Jönsson tarafından yapılmıştır. Daha önce Thomas Young ışık üzerine denemeler için çift yarık deneyi yapmış, Jönsson ise bunu elektronlar üstünde uygulayarak deneye son şeklini vermiştir. Kuantum evreninde elektronlar, atom altı parçacıkları, fotonlar gözlemlenmediğinde,ölçülmediğinde orada olmayacağı üzerine kurulan ve belirsizlik durumunu da yaratan deney, kuantum fiziğinin de kanıt teşkil eden çalışmalarından biri olmuştur.

Bu deneyi daha iyi kavrayabilmek adına bilye örneğinden yola çıkacağız. Elinizdeki bilyeleri üzerinde tek yarık olan bir tabelanın arkasında yer alan başka bir tabelaya doğru attığınızda kimi bilyeler yarıktan geçerek karşı tabelada normal sayılan tek bir çizgi gibi bir desen meydana getirir. Çift yarıkta yapılan uygulama da ise iki ayrı çizginin oluştuğu gözlemlenir. Tek yarık uygulamasındaki deneyi elektron tabancası yardımıyla yarıkları aşan elektronlar üzerinde yapıldığında tek bir çizgi halinde bir olağan görülen bir desenin oluştuğu fakat yarık sayısını ikiye çıkardığımızda beklenenin aksine bir durum yaşanacaktır.

Elektronların bilyeler gibi çift yarıkta iki çizgi oluşturması beklenirken karşı tabelaya geçen elektronlar,çoklu desenler-girişim desenleri oluşturmuştur. Tek tek atılan parçacıklar dahi dalga deseni- girişim desenini meydana getiriyor. Deneyin bu şaşırtıcı gelişimini bir de gözlem cihazı aracılığıyla yapıldığında ise kuantum evrenine dair tahminlerin ötesinde var olan olasılıkların varlığı ortaya çıkmış oluyordu.

Deneyin son aşamasında gözlem cihazının elektronları gözlemlediği sırada çift yarıktan geçen elektronlar, karşı tabelada iki çizgi oluşturuyorlar. Aynı bilyelerin çift yarıkta oluşturduğu olağan bir çizgi gibi. Gözlem cihazının devreden çıkarılmasıyla tekrar test edilen elektronlar, bu sefer çoklu çizgi-dalga deseni oluşturuyorlar. Burada elektronlar gözlem cihazının varlığından haberdarmış gibi olağan bir durumu sergilerken gözlem cihazının yokluğunda olağan dışı girişimlerde bulunabiliyor. Deneyin şaşırtıcı ve ilgi çeken sonuçları, evrenin ve dünyamızın, her şeyin temel yapı taşı olan parçacıkların işleyişine dair bizi, bilinenin ötesine taşımıştır.

Kuantum fiziğini anlamaya yönelik kavramaların da deney ve çalışmalarla, geliştirilmiş düşüncelerle bizi ulaştığını söylemeliyiz. Belirsizlik ilkesi, kuantum dolanıklık, çift yarık deneyi, Scrödinger'in kedisi, süperpozisyon etkisi gibi kuantum fiziğini anlamlandıran deneyler ve düşünceler; uzun tartışmalar, emek ve en önemlisi olağan dışına olan merakın sonuçlarını bize gösteren çalışmalar olmuştur. Kuantum fiziği, bilimin ve fiziğin dünyasını derinden sarsarak bugüne sağlam adımlarla gelmiş ve geleceği de hayal etme noktasında katkılarını ve birçok argümanını da bilim insanlarına ve insanlığa sunacaktır.