Bir kuantum dünyasında mı yaşıyoruz?

Paul Sutter

Kabul etmeliyiz ki kuantum mekaniği gerçekten kafa karıştırıcı bir alandır. Fiziğin aşina olduğumuz tüm kuralları, kuantum diyarında bir köşeye atılır.

Klasik fiziğe (ve ortak akla) göre, bir kutuya bir parçacık koyduğunuzda, bu parçacığın sonsuza dek o kutuda kalması gerekir. Fakat kuantum mekaniğinde, bu parçacık bir sonraki bakışınızda kutunun dışında olabilir. Klasik düşüncede, bir şeyin momentumunu ve konumunu rastgele bir hassasiyet derecesine göre ölçebilirsiniz. Kuantum dünyasındaysa işler böyle yürümez; birisi hakkında ne kadar çok şey biliyorsanız, diğeri hakkında o kadar az şey biliyorsunuzdur. Bir şey dalga mı yoksa parçacık mıdır? Klasik bakış açısına göre, yalnızca ve yalnızca bir tanesini seçebilirsiniz. Buna karşın, dost canlısı komşunuz kuantum mekaniğine sorduğunuzda, size bir şeyin her ikisi de olabileceğini söyler.

Kuantum dünyasını anlamak güçtür; fakat bir noktada, atom altı dünyanın kuralları makroskopik (gözle görülebilen/ç.n.) kurallara yol açar. Peki bunu nasıl yapar? Bundan tam olarak emin değiliz ve bu soruyu cevaplamaya çalışmak uzun ve garip bir yolculuktu.

HER SEFERİNDE BİR ATOM

Kuantum dünyasına faydalı uyarı işaretlerini koyan ilk kişi, fizikçi Niels Bohr’du. 1900’lerin başında, dünyanın dört bir yanındaki bilim insanları atomik ve atomaltı sistemlerin garip ve beklenmedik davranışlarını keşfetmeye başlıyorlardı. On yıllar boyunca süren yorucu çalışmaların ardından, enerji gibi bazı özelliklerin, 'quanta' adı verilen farklı seviyelerde paketler halinde olduğunu fark ettiler. Fizikçiler bu deneyleri açıklamak için matematiksel bir temel çizmeye başlarken, henüz hiç kimse tam ve tutarlı bir çerçeve geliştirememişti.

Bohr, bunu deneyen ilk insanlardan biriydi. Ve tam bir kuantum mekaniği teorisi sağlamadığı halde, buna ciddi bir zemin oluşturdu. Dahası, modern kuantum teorisinin temel taşları olacak bazı fikirlere de destek sundu.

İlki, atomu modellemeye yönelik ilk denemesinde ortaya çıktı. 1920’lerde, çok başarılı deneylerle atomun küçük, hafif ve negatif yüklü bir elektron kümesiyle çevrili ağır, yoğun, pozitif yüklü bir çekirdekten oluştuğunu biliyorduk. Bununla birlikte, bu atomların yalnızca çok özel enerjilerde radyasyon soğurabildiklerini (emebildiklerini) ya da salabildiklerini anlamıştık.

Peki bu neye benziyordu?

Bohr, elektronları çekirdeğin etrafında bir 'yörüngeye' oturttu ve minicik bir güneş sistemindeki gezegenler gibi, yoğun bir çekirdeğin etrafında dans ettirdi. Gerçek bir güneş sisteminde, gezegenler keyfi yörüngelere sahip olabilirler. Buna karşın Bohr’un atomunda, elektronlar küçük pistler üzerinde sıkışıp kalmıştı; yalnızca belirli ve önceden tanımlanmış yörünge mesafelerine sahip olabilirlerdi.

Atomlar, bir yörüngeden diğerine atlayarak, belirli enerjilerde radyasyon alabilir veya yayabilirdi. Böylelikle, kuantumun doğası kodlanmış oldu.

KUANTUM BAĞLANTISI

Ama Bohr bunlara ilginç bir not daha ekledi. Atomun kuantum modelini yapmanın pek çok yolu varken neden bu yol kullanılmalıydı? Elektronlar çekirdekten çok uzaktaki bir yörüngede olduklarında, kuantum yapılarının ortadan kaybolduğunu ve bu durumda atomun klasik elektromanyetizma tarafından mükemmel bir şekilde tanımlanabileceğini buldu. Yalnızca iki tane yüklü parçacık yörüngede dönüp duruyordu.

Bu görüş, 'Karşılanım İlkesi' olarak adlandırıldı ve Bohr’un atomunun en iyi model olduğunu ifade ediyordu. İstediğiniz herhangi bir kuantum teorisine sahip olabilirsiniz ama doğru olanlar bazı sınırlar altında klasik fiziğe yol verenlerdir. Bohr’un atomunun durumunda da elektronlar çekirdekten uzaklaştığında böyle oluyordu.

Bohr’un atom modeli yine de eksikti ve daha sonra günümüze dek korunan ‘valans (birleşme değeri) kabuk modeli’ ile değiştirilecekti. Öte yandan, Bohr’un Karşılanım İlkesi varlığını sürdürdü ve fizikçilerin atom altı dünyayı tanımlamak amacıyla doğru matematiği oluşturmasına ve seçmesine izin veren bir yol gösterici ışık olarak tüm kuantum teorileri için temel taşı vazifesi gördü.

Fakat Bohr bununla da kalmadı. Karşılanım İlkesi’nin kuantum ve klasik dünyalar arasında bir bağlantıya izin vermesine karşın, bu iki dünyanın aynı olmadığını savundu.

SİZİN İÇİN KUANTUM YOK

Bohr’un tüm bu bilmeceleri ortaya attığı günlerde, yakın dostu Werner Heisenberg, kısa süre sonra meşhur Belirsizlik İlkesi’ni oluşturdu: Küçük bir parçacığın konumunu ölçmeye çalıştığınızda momentumu hakkında elinizdeki bilgiyi yitirirsiniz. Tam tersini deneyerek momentumunu belirlemeye çalıştığınızdaysa onun konumu hakkında bilgisiz kalırsınız.

Bohr bu fikri aldı ve onu çok daha da ileri taşıdı. Heisenberg’in Belirsizlik İlkesi’ni kuantum dünyasının çok daha büyük bir yönünün bir parçası olarak gördü: Her şey çiftler halinde var oluyordu. Örneğin, kuantum dünyasındaki en ünlü çift olan dalga ve parçacığı ele alalım. Klasik sistemlerde, bir şey ya tamamen bir dalga ya da parçacıktır. Kimi davranışları sınıflandırmak için birini ya da diğerini seçebilirsiniz. Ne var ki, kuantum mekaniğinde bu iki özellik eşleştirilir: Her şey aynı anda hem bir parçacık hem de bir dalgadır ve her ikisinin de bazı özelliklerini gözler önüne serer.

Ek olarak, kuantum kuralları özünde olasılıklara dayanır ve kuantum mekaniği yalnızca ortalama klasik fiziği yeniden üretir. Bohr, bu iki anlayışa dayanarak, kuantum teorisinin klasik fiziği asla açıklayamayacağını savundu. Farklı biçimde söylersek, atomlar ve ilkeleri bir dizi kural altında işlerken, trenler ve insanlar farklı bir takım kurallar altında işlerler. Bunlar Karşılanım İlkesi’yle birbirlerine bağlanabilir ve bağlı olmalıdırlar; eğer böyle değilse, birbirinden ayrı ve paralel yaşamlar sürerler.

Sonuç olarak Bohr haklı mıydı? Kimi fizikçiler bu konu üzerinde yeterince çalışmadığımızı, temelde bir kuantum dünyasında yaşadığımızı ve klasik fiziği tamamen kuantum kurallarından yeniden üretebileceğimizi savunuyorlar. Diğer bazı fizikçiler de Bohr’un bunu zaten başardığını ve artık bu konuda konuşmamıza gerek olmadığını ileri sürüyorlar. Birçoğuysa yalnızca başını önüne eğiyor ve bu konuda çok fazla endişe duymadan matematikle meşgul oluyorlar.

Ama yine de bu, kafa yorulması gereken bir konu.

Yazının aslı Live Science sitesinden alınmıştır. (Çeviren: Tarkan Tufan)