Kuantum

Kuantum kelimesi, “paket” ya da “öbek” anlamı taşır. Bu kelime ilk olarak 1900’de Max Planck tarafından, ışınım olarak yayılan ve emilen enerji paketlerini tanımlamak için kullanıldı. Bu tanım ile birlikte “kuantum fiziği” adında yeni bir fizik dalı doğmuş oldu.

Kuantum fiziği ya da kuantum mekaniği, atom altı ölçekte madde ve enerji davranışlarını ele alan fizik dalına verilen isimdir. Duyu organlarımız ile deneyimlediğimiz dış dünya klasik fizik kurallarına tabi iken, kuantum dünyasında bambaşka kurallar geçerlidir.

Temel olarak klasik fizik ile kuantum fiziğini birbirinden ayıran şey, etkili oldukları ölçeklerdir. Uzay-zamanın bir atomdan daha küçük boyutlarında olan bitenleri anlamlandırmaya çalıştığınızda klasik fizik kuramları yetersiz hatta anlamsız kalır. Aynı şekilde ele aldığınız ölçekler kabaca bir atom ya da molekül boyutundan daha büyük olduğunda kuantum fiziği kuralları etkisini kaybeder.

Günlük hayatta deneyimlediğimiz bir çok doğa olayı insan sezgileri ile uyumlu olarak işlemektedir. (örn. elimizden bıraktığımız bir cisim yere düşmesi gibi) Fakat “çok küçük” ölçeklerde gerçekleşen fiziksel süreçleri sezgisel olarak kavramak çok zordur. Hatta bazı kuantum mekaniği kavramları en basit ifade ile “tuhaf” olarak adlandırılacak kadar sezgilerimizle çelişiyor gibi görünür. Bunun temel sebebi evrimsel süreçte algılarımızın ve mantık kavramımızın, her an etkileşim içinde olduğumuz klasik fiziğe tabi dış dünya tarafından şekillendirilmiş olmasıdır.

Kuantum mekaniğinin temel kavramlarına girmeden önce kısaca boyutlara ve “çok küçük” derken ne demek istediğimize daha detaylı bir bakış atalım.

Çok Küçük

Bir atom ne kadar küçüktür? Bu soruya basitçe 0.1 – 0.5 nanometre (0.1 x 10^-9 – 0.5 x 10^-9 metre) diye cevap verebiliriz fakat bu denli küçük bir ölçüyü sadece bir rakama bakarak kavramak epey zor olacaktır.

Bu ölçüyü daha iyi anlamak için çevremizdeki küçük nesnelerden biri ile başlayalım yolculuğumuza. Örneğin bir saç telinin kalınlığı (çapı) yaklaşık 0,05 mm dir. Yani bir milimetrenin 20 de biri veya bir metrenin 20 binde biri (5×10^-5 metre). Oldukça küçük bir uzunluk. Aslında çıplak gözle görebileceğimiz en küçük ölçülerden biri. Şimdi bu saç telinin çapını 100 kat küçültelim. Elde ettiğimiz bu ölçüyü çıplak gözle görmek mümkün değil fakat hala iyi bir optik mikroskop ile görünebilecek kadar büyük (5×10^-7 m). Ortalama bir atomun boyutuna yaklaştık mı? Hayır! Henüz çok uzağız. Elde ettiğimiz bu yeni ölçüyü 1000 kat daha küçültelim. Sanırım artık “çok küçük” bir ölçümüz oldu. Elde ettiğimiz bu boyutu en iyi optik mikroskop yardımı ile bile görmek mümkün değil. Artık bu rakamı irice bir atomun çapını tanımlamak için kullanılabiliriz (5×10^-10 m).

En basit atom olan hidrojen atomunun çapı, yaklaşık 1×10^-10 metredir.^[1] Fakat bu “çok küçük” ölçü birimi bile kuantum dünyası için oldukça “büyük” sayılır. Hidrojen atomun çekirdeğini oluşturan tek bir protonun büyüklüğü yaklaşık 1×10^-15 metredir (1 fermi), başka bir değişle atomun büyüklüğünün 100 binde biri kadardır.^[2] Bunun yanında bugüne kadar keşfedilmiş en küçük atom altı parçacıkların boyutu ise yaklaşık 1×10^-18 metredir.^[2] Yani bazı atom altı parçacıklar protondan bin kat daha küçüktür.

Kuantum mekaniği işte bu “çok küçük” dünyada geçerli olan fizik kurallarını tanımlar.

Boşluk

Bir protonun çapının, bir atomun çapından 100 bin kat küçük olduğunu artık biliyoruz. Peki elektronun çapı ne kadardır? Cevap, sıfır. Evet elektron uzay-zamanda yer kaplamaz, hiç bir uzamsal boyutu yoktur. Everende yer kaplamamasına rağmen bir kütlesi vardır ve bu kütle protonun kütlesinin yaklaşık 2000 de biri kadardır (bu “tuhaflığa” daha sonra döneceğiz).

Bir atomda yer kaplayan tek şey çekirdekse ve çekirdeği oluşturan proton, atomun çapının 100 binde biri kadarsa, atomun geri kalanında ne var? Sadece boşluk! Atom devasa bir boşluktan ibarettir (en temel atom olan hidrojen atomunun çekirdeğinde sadece bir proton yer alır. Diğer elementlerin çekirdeklerinde ise nötron adı verilen ve kütlesi proton kütlesine eşit olan bir birleşik parçacık daha yer almaktadır). Görebildiğimiz tüm maddeler atomdan oluştuğuna göre aslında çevremizi saran tüm maddeler neredeyse tamamen boşluktan ibarettir (bir “tuhaflık” daha).

Kuantum fiziğine daha derin bir bakış için, önce atomun içinde ne olduğuna göz atmamız gerekiyor.

Atomun İçinde Ne var?

MÖ 440 civarında, yunan felsefeci Demokritos, bir nesneyi sürekli olarak ikiye böldüğümüz bir düşünce deneyi tasarladı, bu bölme işlemine yeterince devam edersek en sonunda artık bölünemeyecek kadar küçük bir parçaya ulaşacağımız sonucuna vardı. Bu parçaya Yunancada bölünemez anlamına gelen “Atomus” kelimesinden türettiği “atom” adını verdi.

Bugün atomun da bölünebileceğini biliyoruz ve atomu, bir elementin tüm özelliklerini taşıyan en küçük parçası olarak tanımlıyoruz. Klasik bir atom çiziminde, proton ve nötronlardan oluşan bir çekirdek ile bu çekirdeğin etrafında dönen elektronların olduğu bir yapı tasvir edilir. Gerçekte ise atom çok daha karmaşıktır.

Kuantum mekaniğini açıklamak için kullanılan en etkili model olan “Klasik Model”, atomun 12 temel parçacıktan ve 5 güç taşıyıcısından oluştuğunu öngörür. Bununla beraber 8 adet birleşik parçacık ve klasik modelin öngöremediği graviton isimli güç taşıyıcı da eklenince, atomaltı dünyayı tanımlamak için en az 26 farklı bileşene ihtiyacımız olduğunu söyleyebiliriz.

Gelin bu atom altı parçacıkları daha detaylı inceleyelim.

Atomaltı Parçacıklar

Elektron, leptonlar olarak adlandırılan 6 temel parçacıktan biridir. Elektron dışında, yine elektron gibi (-1) elektrik yüküne sahip olan müon ve tau da lepton ailesinin birer üyesidir. Ayrıca her bir leptonun kendi adıyla anılan nötr yüke sahip bir nötrinosu vardır. Elektron nötrinosu, müon nötrinosu ve tau nötrinosu ile birlikte 6 elemanlı leptonlar ailesi tamamlanmış olur.

Proton ve Nötron aslında birer temel parçacık değildir, kuarklar adı verilen temel parçacıklardan oluşan bileşik parçacıklardır. Toplamda 6 adet kuark bulunmaktadır. Bunlar tamamıyla keyfi olarak adlandırılmıştır. “Aşağı” ve “yukarı” kuarklar 1. kuark grubunu, “tılsım” ve “acayip” kuraklar 2. kuark grubunu, “alt” ve “üst” kuarklar ise 3. kurak grubunu oluşturur. Bu kuraklar gluon adı verilen güç taşıyıcılar sayesinde birleşerek, bileşik parçacıkların oluşmasını sağlar.

Klasik modele göre 5 temel güç taşıyıcısı (bozonlar) vardır. “W bozonu” ve “Z bozonu” olarak bilinen iki güç taşıyıcısı zayıf nükleer kuvvetin taşıyıcısı olarak görev yaparlar ve radyo aktivite gibi süreçlerin sorumlusu bu bozonlardır. Güçlü nükleer kuvvetin taşıyıcısı ise “gluon” adı verilen bozonlardır. Einstein’ın 1905’te tanımladığı “Fotonlar” ise elektro-manyetik kuvvetin taşınmasında rol oynar. Standart modelin ön gördüğü son bozon ise “Higgs bozonu” dur. Higgs bozonu evreni tümüyle kuşatan “higgs alanı” nı oluşturur^[3] ve atomaltı parçacıkların kütle kazmasından sorumludur. Klasik modelin öngörmediği ve henüz hiç bir şekilde gözlemlenememiş olan son güç taşıyıcısı ise “graviton” dur. Graviton şuan için sadece kuramsal olarak var olan bir bozondur ve kütleçekim kuvvetinin taşınmasından sorumlu olduğu düşünülmektedir.

Temel Kuvvetler

İster klasik fizik kanunlarına tabi olsun ister kuantum fiziği kurallarına, üzerinde yaşadığımız evrenin işleyişini açıklayan tüm süreçler 4 temel kuvvetin etkisi altındadır. En küçük ölçeklerden en büyük ölçeklere kadar evrenimizde olup biten her şey zayıf nükleer kuvvet, güçlü nükleer kuvvet, elektro-manyetik kuvvet ve kütle çekim kuvveti olarak adlandırılan bu dört temel kuvvetin sonucudur. Kısaca evrenimiz bu temel kuvvetler sayesinde vardır ve bu temel kuvvetler sayesinde bugün olduğu gibi görünmektedir diyebiliriz.

Temel kuvvetlerden en fazla aşina olduğumuz, kütle çekim kuvvetidir ve etkisini daha çok klasik fizik kanunları ile açıklanan ölçeklerde gösterir. Basitçe, kütleye sahip cisimlerin birbirini çekmesi olarak tanımlanabilir. Bu kuvvet, aslında çok zayıf olmasına rağmen, uzak mesafelere kadar etki edebilmektedir. Bu sayede büyük kütleli cisimler üzerinde açıkça görülebilecek sonuçlar doğurur. Dünyamızın güneş etrafında dönmesinden, galaksilerin bir arada durmasına ve elimizden bıraktığımız bir cismin yere düşmesine kadar bir çok gözlemlenebilir sonucu vardır. İlk olarak 1687’de Newton tarafından formüle edilen bu kuvvet, evrenimizin şekillenmesinde büyük rol oynamaktadır.

Elektro-manyetik kuvvet, hem kuantum fiziği hem de klasik fizik dünyasında etkileri gözlemlenebilen bir kuvvettir. Atom altı dünyada negatif yüklü elektronların, pozitif yüklü çekirdek etrafında dönmesi gibi net etkilerini gördüğümüz kuvvet, daha büyük ölçeklerde bir mıknatısın bir demiri çekmesi gibi gözlemlenebilir süreçlerden sorumludur. Günlük hayatımızda çok önemli yeri bir olan “Elektrik Enerjisi” kavramı da bu kuvvetin sonucudur. Etkileri çok daha erken dönemlerden beri biliniyor olsa da bu kuvvetin doğası ancak 1873’te, James Clerk Maxwell’in çalışmaları sayesinde anlaşılabilmiştir.

Zayıf nükleer kuvvet, kuantum mekaniğinin en temel kuvvetidir denilebilir. Bu kuvvet “bozunma” olarak tanımladığımız parçacıkların birbirine dönüşümü ve etkileşimi sürecinde rol oynamaktadır. İlk olarak Enrico Fermi tarafından 1930’ların ortasında formülleştirilen zayıf nükleer kuvvet, kütle çekim kuvvetine oranla çok güçlü olmasına rağmen etki mesafesi çok kısa olduğu için, etkileri sadece kuantum dünyası ile sınırlıdır.

Güçlü Nükleer Kuvvet ise atomaltı dünyanın işleyişinde etkili olan bir diğer kuvvettir. Diğer tüm kuvvetlere oranla en güçlü temel kuvvet olmasına rağmen etki mesafesi çok kısadır ve bu nedenle sadece kuantum dünyasında etkilidir. 1970’lere kadar varlığını anlayamadığımız bu kuvvet proton ve nötron gibi birleşik parçacıların oluşmasından ve çekirdekte bir arada durmasından sorumludur.

Tuhaflıklar

Kuantum fiziği kanunlarının sezgilerimizle çelişiyormuş gibi göründüğünden ve bunun da bir çok “tuhaflığa” neden olduğundan bahsetmiştik fakat bu tam olarak doğru bir açıklama değil. Klasik fizik kanunları ile açıklanan bir çok fenomen de gerçekte sezgilerimiz ile çelişiyor gibi görünebilir. Örneğin; demir bir geminin deniz üzerinde batmadan yüzmesi pekte sezgilerimizle uyumlu görünmüyor. Peki metal bir uçağın kanat çırpmadan gök yüzünde süzülmesi ya da gök cisimlerinin görünen hiç bir bağ olmadan birbiri etrafında dönebilmeleri sezgilerimiz ile ne kadar uyumlu?

Sezgilerimizin güvenilmez ve hatta çoğu zaman yanıltıcı olduğunu ilk fark eden kişi yunan felsefeci Platon’dur. Platon’un da gösterdiği gibi duyu organlarımız ve önceki deneyimlerimizden yola çıkarak ulaştığımız yargılar, tekrarlanabilir ve tekrar tekrar test edilebilir bir süzgeçten geçirilmediği sürece yanıltıcı olabilir. Demirden bir geminin denizde neden yüzebildiğini ya da hangi şartlar altında bir cismin suda yüzüp yüzmeyeceğini gerçekten bilmenin tek yolu bilimsel yöntemi kullanmaktır. Özkütle kavramını anlamadan demirden bir geminin yüzüşünü anlamak ya da bernolli prensibini kavramadan bir uçağın gökyüzünde nasıl süzüldüğünü tam olarak anlamak mümkün değildir. Ve doğal olarak bu süreçleri anlamak temel seviyede de olsa bilimsel okuryazarlık gerektirir.

Kuantum mekaniğindeki bir çok fenomen ve süreç te benzer şekilde sezgilerimizle çelişiyor gibi görünse de gerçekte hepsi temel kuvvetlerle uyumlu şekilde işlemektedir. Ve bu süreçleri anlamlandırabilmek için bilimsel yönteme başvurmamız gerekir.

Örneğin yazımızın içinde bahsettiğimiz tuhaflıklardan biri olan, atomun neredeyse tamamının boşluktan oluşmuş olmasına rağmen, gerçek dünyada gördüğümüz cisimlerin boşluk gibi görünmemeleri durumunu ele alalım. Konuyu anlaya bilmek için evlerimizde kullandığımız bir vantilatörü hayal ederek başlayalım. Vantilatör kapalı durumda iken pervaneleri vantilatörün dönme alanının çok küçük bir bölümünü kaplar, gerisi ise boşluktur. Fakat çalıştırıldığında dönme hızı nedeniyle tüm dönme alanı dolu gibi görünür. Eğer yeterince hızlı dönüyorsa vantilatöre doğru hızla fırlatacağınız bir misket, vantilatörün pervanelerine çarparak geri dönecektir. Atomun çekirdeği etrafında dönen elektronları da bu pervanelere benzetmek yanlış olmayacaktır. Elektronlar o kadar hızlı hareket ederler ki atomun tüm boşluğu doluymuş gibi davranır. Atoma fırlatacağınız fotonlar, elektronlar tarafından emilecek ya da geri fırlatılacaktır. Bu etki ve bu etkiye sahip milyonlarca atomun bir araya gelişi kocaman bir boşluk yerine “dolu” bir cisim görmemizin sebebidir.

Şimdi temel kuantum fizik kanunlarını incelemeye başlayalım.

Kuantum’un Temelleri

1800’lerin sonuna gelindiğinde elimizdeki tek kuram klasik fizik kuramıydı. O güne kadar bir çok sorumuza cevap bulan klasik fizik, radyoaktivite gibi süreçlerin keşfinden sonra artık yetersiz olduğunu göstermeye başlamıştı. Cevap bulunamayan sorunlardan biri de “kovuk ışınımı” adı verilen bir fenomendi. Isınan cisimlerin, ısı seviyelerine bağlı olarak farklı renklerde ışınım yaydığı biliniyor fakat bunun sebebi net olarak açıklanamıyordu. Bu soruna cevap bulmaya çalışan ünlü fizikçi Max Planck, bu ışınımın titreşen elektrik yükleri ya da “kuantalar” (enerji paketleri) şekilde yayıldığını ve emildiğini gösterdi. Bu açıklama süreci çok iyi açıklıyor ve matematiksel olarak soruna net bir çözüm üretiyordu.

Planck, bu paketlerin bir rezonansı yani titreşimi olduğunu ve bu titreşimin taşıdığı enerji ile doğru orantılı olduğunu gösterirken muhtemelen yepyeni bir fizik dalının temellerini attığının farkında bile değildi. Işınım paketlerinin taşıdığı enerji ve sahip olduğu frekansın birbirine oranı sabitti. “h” simgesi ile gösterilen bu sabit, bugün Planck sabiti olarak biliniyor ve kuantum mekaniğinin merkezinde yer alıyor

Kuantum mekaniğinin temellerine yaptığımız yolculuğa devam etmeden önce enerji ve frekans terimlerini açıklamaya çalışalım.

Enerji

Kuantum mekaniği dünyasında enerjisi dediğimiz kavram, bir parçacığın kütle ve hızının (kinetik enerji) toplamından başka bir şey değildir^[4]. Einstein’ın meşhur formülünde (E=mc²) gösterdiği gibi, kütle de hız gibi enerji çeşididir. Bir parçacığın hız ya da kütle kazanması enerji kazanması anlamına geldiği gibi kütle ya da hız kaybetmesi de enerji kaybetmesi demektir. Atom altı bir parçacığın kütlesi Elektron Volt (bir enerji birimi*) cinsinden belirtilir. Örneğin protonun kütlesi 938 milyon elektron volt’tur (938 MeV) .

Frekans

En basit ifade ile frekans, tekrar eden bir sistemin, tekrar aralığı olarak tanımlanabilir. Birim zaman içinde oluşan tekrar sayısı sistemin frekansını verir. Örneğin deniz dalgasının frekansını ölçmek için deniz zeminine sabitlenmiş bir çubuğa saniyede kaç dalga çarptığını saymamız yeterlidir. Saniyedeki dalga sayısı bize deniz dalgasının o anki frekansını verecektir.

Dalga mı Parçacık Mı?

Kuantum dünyasındaki en ilginç fenomenlerden biri, atomaltı parçacıkların hem noktasal bir parçacık hem de dalga gibi davranıyor olması gerçeğidir. Bir dalga gibi bulunması mümkün olan tüm alana yayılmış haldeki atomaltı parçacıklar, konumları ölçülmeye çalışıldığında noktasal bir parçacık gibi görünür olurlar (bkz. çift yarık deneyi).

Belirsizlik

Kuantum mekaniğini klasik mekanikten ayıran en temel özelliklerden biri de Heisenberg belirsizlik ilkesidir. Klasik fiziğin geçerli olduğu boyutlarda bir nesnenin konumunu ve hızını aynı anda neredeyse kesin olarak bilmek mümkündür. Fakat ölçekleri küçülüp kuantum dünyasına indiğimizde iki özelliği aynı anda bilmek imkansız hale gelir. 1927’de ünlü fizikçi Werner Heisenberg tarafından ortaya konan bu belirsizlik ilkesi, kuantum dünyasının tamamına hakimdir. Bu ilkeye göre iki niceliğin belirsizliğinin çarpımı her zaman planck sabitinin 2π ye bölümünden daha büyük olacaktır.

Örneğin bir dalga fonsiyonu şeklinde, atom içerisinde bulunabilmesi mümkün olan tüm alana yayılmış olarak bulunan bir elektonun, parçacık olarak konumunu bulmak isterseniz hızının belirsizliği artacaktır. Hızını belirlemek istediğinizde ise konumunun belirsizliği artacaktır. Her iki niceliği aynı anda net olarak ölçmek mümkün değildir. Bu iki niceliğin arasında her zaman planck sabiti ile orantılı bir belirsizlik olacaktır.

Kuantum fiziğinin temel kavramlarını ve tuhaflıkları elimizden geldiğimizce anlaşılır bir şekilde anlatmaya çalıştığımız makalemiz devam edecek…

Notlar:

* Elektron Volt, 1 voltluk elektrik gücü ile hızlandırılan bir elektrondan elde edilen enerjidir.

Kaynaklar:

1. 101 Soruda Kuantum, Kenneth W. Ford, Sayfa:53
2. Kuantum Dünyası, Kenneth W. Ford, Sayfa:22
3. Higgs Bozonu, Christophe Grojean, Laurent Vacavant, Sayfa:51
4. Kuantum Dünyası, Kenneth W. Ford, Sayfa:31