Kuantum dünyası: Küçük boyutlarda büyük sorular - 1

Tabi ki şimdi "kuantum fiziği" dediğimiz zaman çok büyük bir olay gibi geliyor kulağa ama aslında çok küçük olgularla ilgileniyor. 1900 'lü yıllardan önce teknoloji yeterince gelişmemişken insanlar ya gökyüzüne bakıyor yada mikroskobun altında cisimleri inceliyordu. Bu sayede doğanın işleyişi hakkında tahminlerde bulunabiliyorlardı. Sonrasında daha fazla imkan ve daha fazla gözlemle gelen veriler zeki bilim insanları ile buluşunca bilim konusundaki bilgilerimiz ciddi biçimde değişti. Bu yazıyı anlayabilmek için evren hakkındaki ilk yazıyı ve çekim yasası ile ilgili yazıyı okumanızı tavsiye ederim. Konuyu ilgi çekici kılabilmek adına biraz kuantum fiziği tarihinden, bazı bilinmeyenlerinden ve günümüzdeki durumundan bahsedeceğim. Bu konuda ilginiz veya merakınız varsa veya uyanırsa öğrenmeye başlayabileceğiniz linkler de yazının içerisinde olacak.

Kuantum nedir?

Kelimenin yabancı kötü kuanta 'dan gelmektedir. Kuanta, belli sınırlar içerisinde değişen bir veriyi ifade edecek kesin seviyelerin belirlenmesidir. Kuantum ise anlamlı bir etkileşimin oluşabilmesi için gereken minimum seviyede veriyi ifade eder. Doğada derinlere doğru gittikçe moleküllere ve atomlara denk gelirsiniz. Bu noktadan sonra bilinen fizik kuralları değişmeye ve ortalık karışmaya ve olaylar belirsizleşmeye başlar. Burada sözü edilen ölçekler 10 üzeri - 30 kadar. Yani noktadan sonra 30 tane 0 'ı olan bir ondalıklı sayı :)

Neden kuantum fiziği?

Önceki yazılarımı okuduysanız büyük ölçeklerden, çekim kuvvetinden ve genel görecelilik kavramından haberdarsınızdır. O yazılarda çekim kuvvetinin bilinen 4 temel kuvvetten birisi olduğunu ve aslında bu kuvvetin maddenin uzayzamanı bükmesi ile oluştuğunu belirtmiştim. Madde dediğimiz şey atomlardan oluşuyor. Peki atomdan daha derine gittiğinizde ne olacak? Oradaki oyunun kuralları ne? Çekim kuvveti 4 temel kuvvet arasında tutarlılığı bozuyor çünkü diğerleri kendi field (alan) teorileri ile açıklanabiliyor, bu alanlar konusu bir sonraki yazıda. Bu şekilde ilk sorunumuz boyut oluyor.

İkinci sorunumuz da birçoğunuzun bildiği çift yarık deneyi yani dobule slit experiment. Bu deney özetle "Nereye gitti bu parçacık ya?" şeklinde bir soru soruyor. Çünkü küçük boyutlara indikçe maddenin doğası ve davranışları değişiyor. Mesela bir atomun yer kaplamasını ve kütlesi sayesinde uzayzamanı bükebilmesini beklersiniz. Fakat atomu oluşturan parçalar (kuarklar, elektronlar veya fotonlar gibi) daha farklı davranır ve bildiğimiz fizik kuralları ile hareket etmezler. Genelde olağandışı özelliklere sahiptirler. Bunlara parçacık denir ve çoğunlukla parçacık dediğimiz zaman aslında atom altı parçacıkları kastederiz. Çift yarık deneyinde parçacıklar bir su dalgası gibi davranır yarıklardan geçerken ve her iki yarıktan birden geçiyormuş gibi karşıdaki ekrana yansır. Ekranda yansıyan görüntü ise aslında parçacığın ekranda bir noktaya düşme olasılığının yüksek veya düşük olduğu noktaları gösterir. Yüksek olasılık parlak, düşük olasılık karanlıktır. Bu sonuçlar gözlemlenebilir ve algılanabilir.

Gözlemlemek ne demek?

Sonuçlar "gözlemlenebilir" dedim kasıtlı olarak. Burada enteresan bir davranış daha oluşuyor. Bu parçacıklar yarıklardan geçerken gözlemlendiğinde dalga değil de normal parçacıkmış gibi davranıyorlar. Sanki elinizde toplar varmış ve bunları yarıklardan geçiriyormuşsunuz gibi ekrana 2 çubuk şeklinde düşüyorlar. Peki bu gözlemleme ne demektir? Gözlem dediklerinde neyi kastediyorlar? Bana basit anlamda gözlem = etkileşim gibi geliyor. Parçacığın hareketi veya kendisi bir şeklinde başka bir katılımcı ile etkileşime geçtiğinde gözlemlenmiş oluyor. Bu şekilde olasılık dünyasından kesinlik dünyasına (kuantalanmış) geçiş yapıyor. Atom altı parçacıklarının davranışları normalde olasılıksal ifadelerle tanımlanıyordu fakat işlerine geldiğinde kesin davranışlar da gösterebiliyorlar. Bu geçiş ise gözlem yapıldığında gerçekleşiyor ve buna "olasılık fonksiyonunun sonlanması" veya "wave function collapse" deniyor. Utangaçlar mı acaba?

Bu deneyde beyin yakıcı bir olgu daha var. Biz insanlar milyarlarca atomdan oluşarak bir varlık haline geliyoruz. Bu halimizle bu deneyleri gözlemliyoruz. Örneğin bu çift yarık deneyinde yaptığımız gözlem gerçekten objektif mi? Yanlı veya taraflı bir gözlem olamaz mı? Ortada evrensel bir bilinç mi var gözlemi yapıp parçacığın kesin pozisyona geçmesini sağlayan ve bu sonuçları objektif olarak algılayan? PBS digital studios tarafından hazırlanan aşağıdaki videoda kime göre neye göre gibi sorular kurcalanmış.

Ne zaman başladı?

Çok karıştı ise toparlayayım. Madde atomlardan oluşuyor. Bunun altında başka bir gerçekliğin olduğunu bilmiyorduk. Gözlemlediğimizde bazı sorunlarla karşılaştık. Çünkü fizik yasalarımız kesin değerler ve davranışlar üzerine kurulu idi. Ama atom altına geçildiğinde böyle bir kesinlik yokmuş. Bu olaylar ne zaman yaşandı? 1900 'lü yılların başında. Evet 100 yıl önce ve hala günümüzde kafa karıştıran bir sorun olarak devam ediyor. Bu alandaki gelişmeler sanayi devrimi ve teknolojik gelişmeler ile hızlandı tabi. Başta dediğim gibi insanlar evren hakkında, elektromanyatizma hakkında veya çekim kuvveti ve atomlar hakkında düşünüyorlardı. Fakat bu seviyeden sonrası için sadece makaleler yayımlayabiliyor ve parçacık modelleri veya yeni teorilerle ilgili tahminlerde bulunabiliyorlardı. Çift yarık deneyinin sonucu kafa karışıklığına sebep olmuştu tabi 1900 'lerden önce. Zeki bilim insanlarının da ilgisini çekmişti. Bugüne kadar bu konudaki sorunları çözebilmek adına veya analiz edebilmek için yeni yaklaşımlar getirmek adına çalışmalar hala devam ediyor. Günümüzde doğanın garip davranışını açıklamak isteyen bazı teoriler bir sonraki yazıda olacak. Kuantum fiziği alanında büyük veya küçük rol oynamış birkaç kişiyi tanıtayım.

Bu konuda rol oynayanlar

Bu kişileri kabaca kronolojik sıralama ile yazacağım. İleri fizik ile ilgilenen ve gelişmelere katkıda bulunmuş çok sayıda insan var tabi ki ve ben bunların sadece birkaç tanesini yazabilirim, yoksa yazı olur size kitap. Ama isterseniz bir fikir olması açısından 5. Solvay Konferansına katılanlara bir göz atabilirsiniz.

James Maxwell elektrik ve manyetizmanın çok yakın ilişkili olduğunu kanıtlamış ve ışığın da elektromanyetik alanda bir dalgalanma olarak ifade edilebileceğini göstermiştir. Bu kuram ışığı dalga olarak tanımladığı için kafa karışıklığına yol açmıştır tabi. Dalga olarak tanımlandıysa kuantalanmalıdır da. Bu konuda da Max Planck çalışmış ve E = hv denklemini formülize etmiştir. Burada E fotonun enerjisi, v frekansı ve h ise Planck 's constant yani Planck sabitidir. Bu sabitin matematiksel olarak nasıl elde edilebileceğini bu videoda bulabilirsiniz. Bu sayının önemi doğada kuantalanmış bir değerin artıp azalabileceği en küçük ölçeği belirlemesidir. Bir nevi ölçümleme birimi gibi.

Başka bir bilim adamı olan Werner Heisenberg parçacıkların başka bir özelliğini formülize etmiştir. Parçacıkların yarıklardan geçerken aynı anda ikisinden geçiyormuş gibi davrandığını belirtmiştim. Heisenberg bunun üzerine şu çıkarımı yapıyor. Bir parçacığın sadece pozisyonunu veya momentumunu kesin olarak bilebilirsin. İkisi toplamda %100 olasılık eder ve birisi kesin ise diğerini bilmek imkansızlaşır. Bu da kuantum mekaniğinin bulanık ve belirsiz davranışlarını bir şekilde açıklar aslında.

Erwin Schrödinger ise ünlü düşünsel kedi deneyi ile bilinir. Gözlem yapmanın olasılıktan kesinliğe geçirdiğinden bahsetmiştik. Schrödinger de bu belirsizliği dalga fonksiyonları (wave function) ile açıklar ve formülize eder. Bir kediyi %50 ihtimalle radyoaktif zehirlenme ihtimali olan bir kutuya koyduğunu ve kutuyu kapattığını farz eder. Bu durumda kedi hem ölü hem diridir siz kutuyu açıp ne olduğunu gözlemleyene kadar. Gözlem yapılınca kuantalanmış sonucu %100 kesinlikle sonucu bilebilirsiniz. Gördüğünüz gibi belirsizlik, kuantalama ve gözlem üçlüsü her yerde karşımıza çıkıyor.

Bu garip mantık sadece parçacıkların davranışları ile sınırlı değil. Bu yaramaz parçacıklar belli özelliklerini kaybederek veya yeni özellikler kazanarak başka parçacıklara da dönüşebiliyor. Evet bunu anlamak epeyce zor. Bu yüzden Richard Feynman Feynman diagramları ismi verilen çizimleri üretiyor. Bu çizimler parçacıkların geçirdikleri başkalaşımları modelliyor ve üzerinde çalışmayı anlaşılır hale getiriyor.

Niels Bohr ise kuantum mekaniğinden biraz uzakta başlamış başka bir fizikçi. Bohr kendi atom modelini geliştiriyor. Bu modelde atom çekirdeği etrafında elektronlar için yörüngeler ve orbitaller var. Ama bu modelde elektronların kuantum özellikleri açıklanamıyor. Daha doğrusu önerilen modelle bu özellikler çakışıyor. Bu gelişmeler sonucunda evrenin bilinmeyen ve kesinliği olmayan özelliklerle çalıştığına kanaat getiriyor. Böylece Bohr ile Einstein arasındaki rekabet başlamış oluyor.

Einstein ise çoğunlukla Maxwell 'in yolundan ilerleyip özel görecelilik üzerine çalışıyordu ve formülize edebilmişti. Çünkü kuantum fiziğindeki belirsizlik ve bulanıklık konusunda şüpheci yaklaşıyordu. Bu da ünlü Bohr - Einstein atışması olarak tarihe geçti. Einstein doğayı kesin özellikler ve olaylarla açıklamaya çalışırken Bohr tam tersini savunuyordu.

Şöyle bir sözü var: "Ben ona bakmasam da ay dünyanın etrafındadır. Tanrı evrende zar atmaz." Sonuçta kuantum mekaniklerini kabul etmekte zorlansa da savaştan çekilir. Bu atışmalar da kuantum fiziği yorumlamalarını doğurmuştur. Sıra bu yorumlamalara geldi.

Ama o konuya geçmeden önce şunu belirteyim. Tabi ki bu hikayeler ve bu alanda çalışan insanlar çok daha geniş bir zamanda anlatılabilir. Birçok bilim insanı hayatını bilimin bu alanında geçirmiştir. Bazıları direkt veya dolaylı olarak Manhattan projesine ve atom bombasına katkıda bulunmuştur. Bazılarının Hitler 'in çalışmaları ile yolları kesişmiştir. Bu da teknoloji ve bilimin felsefi yani. Bunlarla ne elde ettik ve nelere sebep olduk.

Yorumlamalar

Yok bu benim yorumlamarım değil :) Bohr bir parçacığın nerede olduğunu bilemezsin diyor. Heisenberg pozisyonunu ve momentumunu aynı anda bilemezsin diyor. Schrödinger kedi ne yaşar ne yaşamaz diyor. Bu görüşler bir araya getirilince dünyanın en şüpheci felsefecisine dönüşüyor :) Neyse, bazı insanlar bu olasılıksal ve kesin olmayan özellikleri ve davranışları açıklayabilecek daha temelde bir mantığın yattığına inanıyorlar ki buna ben de dahilim. Günümüzdeki deneylerimiz ve aletlerimiz daha ilerisini dürtmeye yetmiyor sadece diyorlar. Bu şekilde birden çok kuantum mekaniği yorumu oluşuyor.

Burada çok eğlenceli bir tablo var. Bu tabloya göre benim yorumum "de Broglie–Bohm theory" ve "many worlds interpretation" karışımı birşey :) Bu yorumları birbirinden ayıran bazı kıstaslar var. Mesela deterministik mi veya lokaliteye dayalı mı veya bilmediğimiz gizli değişkenler içeriyor mu gibi birkaç soru. Bugün bile insanlar yeni yorumlamalar üretebiliyor. Fakat bunlar hipotez değil tabi ki. Kendi içlerinde önerdikleri yaklaşımlar ve kendilerine has deneyleri bulunuyor. Bu deneylere göre hipotezlerini test edip teorilere dönüştürmeyi amaçlıyorlar.

De Broglie–Bohm teorisi yaygın kabul görmüş yorumlamalardan birisi. Çift yarık deneyini hatırlayın. Bu kişiler yarıklardan hali hazırda geçen dalgaların var olduğunu ve parçacıkların da sadece bu dalgalardan birini takip ettiğini düşünüyorlar. Doğadaki olayların ve parçacıkların davranışlarının çoğu bu düşünce ile açıklanabiliyor ve işin içinde belirsizlik de yok. Bir de Copenhagen Interpretation var ve bu da neredeyse diğerinin tam tersini savunuyor. Parçacıkların garip ve belirsiz davrandıklarını ve hiçbirşeyi kesin bilemeyeceğini ön görüyorlar. Buradaki deterministik yaklaşım bir üst seviye düzenin olduğuna inanıyor, belirsizlik ilkesine dayalı olan yaklaşım ise parçacıkların kendi garip davranışları olduğuna inanıyor. Bir başka eğlenceli yorumlama ise many worlds interpretation yani çoklu dünya yorumlaması. Bu görüşe göre her kuantum gözlemi sizin hali hazırda var olan dünyalardan birine doğru dallanmanız demek oluyor. Kutuyu açtığınızda kedi canlı veya ölü ise o evrene seyahat etmiş veya dallanmış oluyorsunuz. Yani evet bir başka evrende ülkenin başbakanısınız ama görünüşe göre başka bir dalı seçmişsiniz :) Ben deterministik takımdayım ve söz veriyorum bir gün burada kendi evren modelimi de detaylı yazacağım. Ama öncesinde bazı temel konuları yazmış olmayı ve sizin de okumuş olmanızı istiyorum :) Bu arada, hep görmekten ve bilmekten falan söz ediyoruz. Kuantum fiziğinin felsefi tarafı ile bitirelim konuyu ve bilgi nedir biraz bakalım.

Önemli olan eylem değil bilgi

Bu noktada belki fark etmişsinizdir. Kuantum özellikleri bilinmeden ve deneyleri yapılmadan önce doğa çoğunlukla ne yaptığı ile ifade ediliyordu. Elma düşüyor, gezegenler hareket ediyor, ışık yol alıyor, nesneler birbirleri ile etkileşime geçiyor (hayat kısa kuşlar uçuyor falan :D) gibi. Artık biliyoruz ki esas olay aksiyonda değil. Bu eylemleri açıklamaya çalıştığınızda temelde bazı gariplikler karşınıza çıkıyor. Bu yüzden insanlar bu özellikleri açıklayıp bunların eyleme nasıl dönüştüğünü bulmaya çalışıyor. Mesela madde uzayzamanı büker ve çekim kuvveti işleyişe geçer. Bu mantığı kuantum parçacıklarına uyguladığımızda bu parçacıkların kesin olmayan bazı özelliklerinin olduğunu görüyoruz. Bu bilgimiz belli eylemlere yol açıyor ve bu eylemler sonuçları doğuruyor. Uzun lafın kısası: Eylemlerden çok bilgi önemli evreni anlamada.

Kuantum fiziği doğadaki en zorlu bilgilerle baş etmeye çalışıyor. Bilgiyi doğru bir şekilde anlayıp ifade edebilirsek (nereden geldiğini ve ne olduğunu) ne türlü aksiyonlar alacağını da bulabileceğimizi gösteriyor. Bugünlerde evreni açıklayacak fazla tahminleyici teori yok. Çoğunlukla tanımlayıcı teoriler var ve bunlar da olayları ve aksiyonları mantıklı bir şekilde ifade ediyor. Bu da tabi ki kolay bir iş değil. Evrenin bugünkü durumunu kuantum dünyasında açıklamak isterseniz kara delikler, evrenin başlangıcı, genişlemesi veya kara madde gibi bazı çıkmaz sokaklara giriyorsunuz. Bu yüzden birçok kişi de kapsayıcı ve tahminlerde bulunabilen bir teori geliştirmede zorlanıyor.

Bir aday teori yükselişte bugünlerde. String Theory (sicim teorisi) deniyor bu teoriye. Özetle diyor ki evrendeki en küçük cisimler sicimlerdir ve her parçacık ve olgu bunlar sayesinde oluşur ve aksiyonlara dönüşür. Bir sonraki yazı kuantum fiziği dünyasında parçacık modelleri, dolanıklılık (entenglement), alan teorileri ve sicim teorisi ile ilgili biraz daha teknik detaylar verecek. Bir sonraki yazıda görüşmek üzere :)