Bildiğiniz Her Şeyi Unutun: Kuantum Fiziği

Bu yazımda sizlere Kuantum Evreni’ni birkaç temel başlık altında anlatmaya çalışacağım. Üstünde yıllardır çalışılan, milyarlarca dolarlık fon ve yüksek miktarda insan gücü ayrılan, fiziğin oldukça zor ve karmaşık bir dalı olan bu konuyu bir blog yazısında anlatmak benim için kolay bir iş olmamakla birlikte, sizleri kuantum hakkında çok temel düzeyde en azından fikir sahibi yapmak beni mutlu eder. Şimdi gelin, insanlar olarak elimizde sahip olduğumuz bilgilerin, formüllerin ve mantığın hiçbir işe yaramadığı hatta tam tersi çalıştığı bu boyuta bir de yakından bakalım.

Maddenin Tarihi

Antik Çağ’da Democritus maddenin temeline, devamlı bölünerek bölünemez haline getirilmiş parçadır dedi ve buna Atomos, dendi ki atom kelimesi de buradan gelmektedir. Daha sonra madde çok farklı şekillerde yorumlandı. Mutlak var olan, değişmez ve sonsuz şeyin madde olduğunu savunan materyalizmle, bilinen evrenin bir yansıma olduğunu söyleyen ve maddenin ötesinde bir gerçeklik olduğuna inanan spiritüalizm, tasavvuf ve daha nice akımlarla madde yorumlanmaya çalışıldı ancak sonra bilimdeki deney ve gözlem sonucu kümülatif birikimlerle maddenin belli yasalarla ve bilimsel olarak yorumlanması fikri pekişti.

Newton’un fizik yasaları dünya genelinde kabul görmüş yasalardı. Gözlemlenebilen dünya, maddesel olarak açıklanmış ve formüller defalarca kez doğrulanmıştı. Newton’la birlikte hareketin özellikleri, yer çekimi, kuvvet, makinalar, gezegenler, momentum, merkezkaç vs. her şeyi çözümlemiştik. Evren ve dünya bu yasalara göre işliyordu. Atoma girdiğimizde ise bir çekirdek ve çekirdeğin etrafında dönen elektronların mantığını da bu yasalarla açıklayabilmiştik. Bu yasalar o kadar doğru ve kesindi ki, büyük filozof Immanuel Kant bunun üstüne bir felsefe bile yazdı. Artık her şeyin açıklandığı, bulunacak bir şey kalmadığı ve bilimin artık gereksiz olduğuna dair söylemler ortaya atıldı ta ki atomun bir alt kademesine inene kadar. İşler tamamen değişmişti. Bildiğimiz mantık ve fizik yasaları burada çalışmıyordu. Kuantumla birlikte aslında bildiğimiz şeylerin ne kadar sınırlı ve dar olduğunu öğrendik.

Kuantumun ne olduğunu anlatarak başlamak istiyorum.  Maddenin en küçük birimi atom olarak bilinirken daha sonra atomu oluşturan atom altı parçacıklar keşfedildi. Kuark, bozon, lepton gibi. İşte kuantum, bunlar gibi atom altı parçacıkların ışımalarını ve davranışlarını gözlemleyen, inceleyen bilim dalıdır en basit tabiriyle.

Bizler atomik evrende yaşıyoruz. Kuantum ise başka bir boyut. Kendi kuralları ve yasaları olan bir boyut. Kuantum yani atom altı parçacıkların boyutu, bildiğimiz ve yaşadığımız evrendeki bilgi birikimine ve mantığa ters işliyor. Kuantum mekaniğine göre bir nesne örneğin siz aynı anda sadece bu yazıyı okuduğunuz ortamda bulunmak zorunda değilsiniz. Tekrar ediyorum aynı anda tam şu an. Siz şu anda tavanda asılı bir şekilde duruyorsunuz, Çin Seddi’nin üstünde de ya da Andromeda ‘nın merkezinde. Kuantum işte tam olarak buna benziyor. Kuantum, dünyayı bizim algı gerçekliğimizin dışına çıkartıyor. Biliyorum, hepsi anlamsız görünüyor. Bir bilim kurguyu andıran, gerçeklik algımızı sorgulatan ve hatta yaradılış fikrine uzanabilen bu boyutun detaylarına indikçe daha iyi anlayacaksınız.

Geleneksel Fizikten Kuantuma

Aslında Newton, her şeyi açıklamıştı. Örneğin atılan ya da fırlatılan bir nesnenin nerede ne zaman olacağını ya da düşeceğini biliyorduk ve bunu hesaplayabiliyorduk ama kuantumda bu imkansızdır. Atom altı evrende var olan bir maddenin bir atom altı parçacığın konum, hız gibi hareket özelliklerini kesin olarak bilmek imkansızdır. Buna “Heisenberg’in Belirsizlik İlkesi” denmektedir. İşte bu yazıda da belirteceğim gibi Schrödinger’in Dalga Denklemi bu yüzden bir yol göstericidir. Bu denklem bize Newton’un ortaya koyduğu gibi nesnenin hangi zamanda nerede ne kadar hızlı gideceğini kesin olarak vermektense, örneğin bir elektron bulutunun çekirdek etrafında hangi bölgede ne zaman bulunacağının bir olasılığını verir yani kesinlik veremez sadece şu kadar yüzdeyle bu elektron atomun şu bölgesinde bulunuyordur diyebilir.  

Süperpozisyon 

Atom, çekirdek ve onun etrafında belli yörüngelerde dönen elektronlardan oluşan bir yapıdır. Yani bize lise ve ortaokul kitaplarında gösterilen bu, lakin gerçekte durum böyle değil. Elektronlar belli bir yörüngeyi takip ederek yine belli ve sabit hızlarda atomun etrafında dönmüyorlar. Elektronların belli bir yolu yordamı yok. Kimi zaman çekirdeğe yakınlaşıyor kimi zaman uzaklaşıyor. Asla düz ve belli bir hattı takip etmiyorlar. Hatta bir elektron anda birden çok yerde bulunabiliyor. Evet aynı anda aynı elektron farklı iki yerde bulunabiliyor. Yine aynı şekilde bir elektron hem yukarı hem aşağı spin pozisyon halinde. Buna, bir futbol topunun sağa ya da sola değil hem sola hem sağa aynı anda dönmesine benzetebiliriz. Buna süperpozisyon denildi ve formülize edilerek kuantum bilgisayarları bile yapıldı. Kısacası tüm olası pozisyonların aynı anda gerçekleştiği bir araftır diyebiliriz.

Shrödinger’in Kedisi

Erwin Shrödinger döneminin önde gelen fizikçilerinden biriydi ve kuantumun absürtlüğünü göstermek için böyle bir düşünsel deney yapmaya karar verdi. Tamamen hayali bir kedi ve hayali bir kutuyla yapılan bu deney sırasında hiçbir kedi zarar görmedi. Elimizde bir kedi olduğunu varsayalım ve bu kediyi ses veya ışık geçirmeyen bir kutunun içine koyalım. Kutunun içinde de radyoaktif ve zehirli bir madde bulunan bir kavanozu kırmaya hazır bir çekiç olsun. Bu çekiç bir Geiger Sayacına bağlı olsun ve eğer sayaç radyoaktif bir hareketlilik tespit ederse kavanozu kırsın etmezse kırmasın. Şimdi bu durumda sayacın radyoaktif bir hareket tespit etme oranı %50’dir. Biraz bekleyip kedinin öldüğünü tespit etmek için yapabileceğimiz tek şey kutuyu açıp bakmaktır. Çünkü bakmadan asla kedinin ölüp ölmediğini bilemeyiz. Asla kesin bir çıkarımda bulunamayız. Shrödinger’in bu deneyi yapmasının temel sebebi de budur. Kedi ya canlı ya ölüdür öyle değil mi? Ara bir form imkansızdır. Kuantum fizikçiler ise olaya biraz önce anlattığım Süperpozisyon mantığına göre yaklaşıyorlar. Kedi, kutunun kapağı açılıp durumu gözlemleninceye kadar kedi hem canlı hem ölüydü diyorlar. Shrödinger, süperpoziyon olayına karşı çıkarak, Kuantum Evreninde yaşanılan şeylerin büyük ölçekte bir etkisi olmadığını söyleyip bunun absürtlüğünü bir nevi göstermek için bu deneyi yapmıştır.

Çift Yarık Deneyi ve Ölçüm Problemi

Kuantumun karmaşıklığını anlamaya bu deneyden devam edebiliriz. Aşağıda gördüğünüz şekilde, dikdörtgen bir kalıbın üstüne belli bir kaynaktan elektron dalgası gönderiliyor ve arkasındaki sensorün üstünde bir desen oluşturması bekleniyor. Kalıp üstündeki tek dikdörtgenin şekli duvarda beklenildiği gibi gözüküyor. Kalıp üstüne bir dikdörtgen daha açılıyor ve beklenilen sonuç kalıp üstündeki iki dikdörtgenin duvarda şeklini olduğu gibi çıkarmasıyken sonuç çok şaşırtıcı oluyor. İki adet dikdörtgen şekli çıkması beklenirken dalgalı bir girişim deseni ortaya çıkıyor. Biliyorum, şaşırtıcı. Bir kalıpla duvara sprey boyayla desen yaptığınız zaman tek desen yerine bir sürü desen elde etmenizle aynı şey. Bilim insanları bunun,dalgaların birbirini etkilemesi yüzünden olduğunu düşünüp elektronları tek tek mermi gibi gönderiyorlar ama sonuç yine aynı oluyor. Tek elektron yarıktan geçmeden sanki iki elektrona klonlanıyor daha sonra kendisiyle etkileşime girip yine bir tür dalga deseni oluşturuyor. İmkansız gibi ama oluyor.

İşlerin daha imkansız olduğu nokta ise şu. Tek tek gönderilen bu elektronların hangi yarıktan geçerek arkadaki dalga desenini oluşturduğunu gözlemlemeye çalıştığımız zaman yani bu elektronları izlediğimiz zaman, sanki elektronlar izlendiklerini fark etmişçesine bizim mantığımıza uygun şekilde davranarak aynı anda sadece bir yarıktan geçiyorlar ve onlardan beklenileni yapıp iki dikdörtgenin izini çıkartıyorlar, bir dalga deseni ya da birçok dikdörtgen izi değil.

Kuantum Silgi Deneyi

Fizikçiler, bahsettiğim çift yarık deneyini biraz geliştirip daha farklı bir boyut kazandırdılar. Bilim insanları, bu düzenekle, fotonların hangi yarıktan geçtiği bilgisini, foton yarıktan geçtikten yaklaşık 8 nanosaniye sonra kaydedip silme opsiyonuna sahip oldular. İlginç olansa şu, yaklaşık 8 nanosaniye sonra  yapılan tercih 8 nanosaniye önce yarıktan geçen elektronların davranışını değiştirdi. Yani gelecekte yapılan bir etki geçmişteki elektronların davranışını değiştiriyordu.

İki boyutlu ve Kütlesi Olmayan Tanecikler

Mantıken kütlesi olmayan bir şey var olamaz öyle değil mi? Yani evrende ya da boşlukta belli bir hacim ya da kütleye sahip olmayan bir şey basitçe yoktur ancak böyle atom altı parçacıkları mevcut. Aynı şekilde bunları da oluşturan alt parçacıkların iki boyutlu olduğu matematiksel olarak kanıtlanmıştır. Yani bize mantıksız gelse de her şeyin temeli iki boyutlu parçacıklara dayanıyor. İki boyutlu şeyler nasıl üç boyutlu şeyleri oluşturuyor diye sorabilirsiniz. Nasıl olduğu kanıtlanmamış olsa da bir simülasyonda yaşadığımız ya da yaşadığımız her şeyin birer hologram yansıması olduğu teorileri mevcuttur.

Kuantum Dolanıklık İlkesi 

İlk defa 1935 yılında Shrödinger tarafından bulunan ve ilerleyen yıllarda da varlığı kanıtlanmış bir ilkedir. Aynı kaynaktan çıkmış iki atom altı parçacık ya da fotondan birine bir etkide bulunursanız aradaki mesafe önemsiz bir şekilde diğer parçacık ya da foton da aynı şekilde etkileniyor. Örnek veriyorum kuantum mekaniğine göre bir ikiziniz olsun. İkiniz de aynı anneden çıktınız ama farklı insanlarsınız. Biri, sizi odanızda gıdıkladığında kardeşiniz ister yan odada, ister birkaç milimetre yakınınızda, ister birkaç milyon ışık yılı ötede olsun, aynı anda kardeşiniz de gıdıklanma hissi yaşayacaktır. İşte aynen bu örnekte olduğu gibi eğer atom altı dolanık bir fotona ya da parçacığa bir etki yapılırsa örneğin titretilirse aynı kaynaktan çıkmış diğer dolanık foton da titremeye başlayacaktır. 

Higgs Bozonu (Tanrı Parçacığı)

Tanrı parçacığı olarak da bilinen bu parçacığın özelliği yoktan var olmasıdır. 2012 yılında İsviçre’deki Atlas dedektörü ve hadron çarpıştıcısını kullanarak, saniyenin birkaç milyarda birinde yoktan var olup anında yok olan bu parçacığı tespit etmeyi başardılar. Bilimsel anlamda varlığı kanıtlanan bu parçacıklar atom altı parçacıkları bir araya getiriyorlar. Yani enerjiyi maddeye dönüştürüyorlar. Enerji, yani kütlesi ya da hacmi olmayan bir şeyi bir madde haline getirerek yani bir tutkal görevi görerek anlık olarak oluşup yok oluyorlar. Higgs Bozonu, tamamen başka bir yazının konusu olsa da enerjiyi maddeye dönüştürerek yoktan yaratımın temellerini oluşturuyor olabilecek potansiyele sahip çünkü bundan 13.8 milyar yıl önce evrenimiz yoktu ve her şey enerjiydi. Daha sonra nedenini bilmediğimiz şekilde bu enerji bir toplu iğnenin ucu kadar küçük bir yere toplandı daha sonra bu enerji korkunç bir patlamayla evrenin her yerine dağıldı. İşte bu enerji, Higgs Bosomu sayesinde maddeye dönüşmüş olabilir.

Kısacası Kuantum ve ilkelerinin varlığı defalarca bilimsel olarak kanıtlanmış ve bildiğimiz her şeyi kenara bırakarak incelenmesi gerektiğini bize göstermiştir. Tamamen farklı yasalarla işleyen, bize gerçeklik ve zaman algılarımızı sorgulatan bir boyuttur.

Kaynakça:

https://evrimagaci.org/kuantum-alan-teorisi-nedir-kuantum-alanlar-butunlesik-bir-fizik-teorisini-dogurabilir-mi-9955

https://bilimvegelecek.com.tr/index.php/2015/06/01/kuantum-alan-kurami-2/

https://www.kuark.org/2012/08/graviton/

https://indico.cern.ch/event/496615/contributions/1175406/attachments/1227552/1939369/2016-1.pdf

https://www.scientificamerican.com/article/is-gravity-quantum/

https://home.cern/science/physics/standard-model

https://plus.maths.org/content/physics-minute-double-slit-experiment-0