Belki de herkes kuantum fiziği konusunda tam olarak ne olduğunu bilmiyordur. Kuantum fiziği çok tartışılan, büyüleyici ve bizi çevreleyen evren hakkında sahip olduğumuz fikirde devrim yaratma yeteneğine sahiptir. Bazıları, kuantum keşiflerini varoluşu görmenin bir yolu olarak kabul etti. Peki nispeten bu yeni disiplinin arkasında ne var? Hadi yenilikçi bilimin içyüzünün ve ana aşamalarının kaynağına inerek birlikte öğrenelim.
Kuantum Mekaniği:
Kuantum fiziği olarak bilinir ama aynı zamanda kuantum teorisi veya kuantum mekaniği olarak da adlandırılabilir. Aslına bakılırsa, uzunluk ölçeği, atomik ve atom altı enerji olaylarına odaklanan, çağın gereksinimlerini karşılamadığı düşünülen önceki teorilere yeni bir hayat getiren bir mekanik teorisidir.
Klasik mekanik ile kuantum mekaniği arasındaki fark nedir?
Kuantum mekaniği, radyasyonu ve maddeyi ikili bir fenomen olarak tanımlar: dalga ve p∂rç∂cık. Dalga-p∂rç∂cık ikiliği bu nedenle disiplinin karakteristik özelliklerinden biri olarak düşünülebiilir. Dalgalar ve p∂rç∂cıkl∂r arasındaki ilişki iki ilke tarafından incelenir ve teyit edilir:
- Tamamlayıcılık ilkesi
- Heisenberg belirsizlik ilkesi
Kuantum mekaniği klasik mekaniği resmileştirir.
İzafiyetin keşfinden ve klasik fiziğin doğuşundan sonra, bu sezgilerin yeni bir çağı yani modern fiziği doğurduğunu kesinlikle söyleyebiliriz. Kuantum mekaniğini kapsamlı bir şekilde incelemek için farklı fizik bölümleri arasında entegrasyon gereklidir:
- Atom fiziği
- Maddenin fiziği
- Nükleer Fizik
- P∂rç∂cık fiziği
Ancak bu alanda yeni ufaklara ve araştırmalara duyulan ihtiyaç nelere yol açtı? Kuantum fiziği nasıl doğdu?
Modern Fiziğin Doğuşu
On dokuzuncu yüzyılın sonlarından itibaren klasik fizik, maddeyi atomun ötesinde mikroskobik düzeyde araştıramadı. Bu nedenle deneysel gerçeklik, özellikle ışık ve elektronla ilgili fenomenler incelenemedi. Ancak insanoğlu, her zaman daha ileri gitmek istemiş ve doğuştan gelen merakı onu daha fazla araştırmaya itmiştir.
Yirminci yüzyılın ilk yıllarında atom ölçeğinden ortaya çıkan keşifler eski varsayımlara meydan okudu. Böylelikle yirminci yüzyılın başlarında bilim adamı Max Planck tarafından icat edilen bir terim sayesinde kuantum teorisi doğdu. Temel kavram, bazı fiziksel sistemlerin büyüklüklerinin ve mikroskobik miktarlarının, sürekli olmayan fakat kesintili bir şekilde bile değişebileceğidir.
Ancak önceki keşifler sayesinde bu sonuçlara ulaşmak mümkün oldu.
- 1803 atomların molekülleri oluşturan bir element olarak tanınması
- 1860 periyodik tablo atomları kimyasal özelliklerine göre gruplandırır
- 1874 elektronun ve atom çekirdeğin keşfi
- 1887 ultraviyole radyasyon çalışmaları
Bu tarih belki de asıl dönüm noktasını işaret eder. Elektromanyeteik radyasyon ve madde (fotoelektirk etki) arasındaki etkileşim olgusu, bir eşik değerinden daha düşük radyasyon frekansları için ortadan kalktı. Fotoelektirk etki ile, elektronların enerjisi elektromanyetik radyasyonun frekansı ile orantılıydı. Maxwell’in dalga teorisi artık belirli olguları açıklamak için artık yeterli değildi.
Kuantum Teorisinin Kökeni
Kuantum fiziğinin doğuşuna neyin katkıda bulunduğunun bir özetini sağlamak için keşifler ve içgörüler ile bağlantılı olan önemli tarihleri sağlayabiliriz. Teknik-bilimsel lisans kurslarının öğrencileri neden bahsettiğimizi iyi bilirler, ancak bu sansasyonel bilimsel devrimlere yol açan olayların ardışıklığını her zaman hatırlamazlar.
İşte kuantum mekaniğinin tarihinin kökenine inmek için kısa bir zaman çizelgesi:
- 1990: Max Planck, enerjinin nicelleştirildiği, emildiği ve yayıldığı fikrini ortaya koyar.
- 1905: Albert Einstein fotoelektrik etkiyi kanıtlar (elektromanyetik alanın enerjisi ışık kuantumları (fotonlar) tarafından taşınır.
- 1913: Niels Bohr elektronun yörünge hareketini nicelleştirir.
- 1915: Sommerfeld nicemleme yöntemlerini genelleştiren yeni kurallar getirir.
Ancak şimdi Kuantum Teorisi olarak bildiğimiz şeyin temelleri 1924’ten itibaren atıldı. Bu tarihte, Lousie de Broglie madde dalgaları teorisi geliştiriyor. Bir sonraki yıl matrislerin mekaniğini açık ve kesin bir şekilde ifade eden Heisenberg’in ismini devralır, 1927’de her zaman belirsizlik ilkesini belirtecek, Dirac’ı 1927’de izafiyet teorisiyle takip edecek. 1982’ye kadar, Orsay Optik Enstitüsü’nün Bell’in eşitsizliğinin ihlali konusundaki araştırmasını bitirdiği yıl, keşifler sıkı bir şekilde birbirini takip etti.
Kuantum Fiziğinin Temel Kavramları
En büyüleyici keşifler arasında, yalnızca arkalarında her türden fizik ustası olan fizikçiler arasında değil, aynı zamanda meraklı insanlık arasında da şunları buluyoruz:
- Dalga-p∂rç∂cık ikiliği
- Tamamlayıcılık ilkesi
- Belirsizlik ilkesi
Bu bilimde daha da derinlere inmek için bu temel kavramları tek tek analiz edelim.
Dalga-p∂rç∂cık ikiliği
Daha önce yalnızca klasik fizik vardı. Bu, iki yasa grubuna ayrıldı:
- Newton yasaları
- Maxwell yasaları
Her ikisine de çalışmaları ve aşılayabildikleri taahhüt için minnettarız. İlk grup yasalar, mekanik cisimlerin hareketini ve dinamiklerini tanımlarken, ikinci grup, bir elektromanyetik alanın p∂rç∂sı olan konular arasındaki eğilimi ve bağlantıları tanımlar: örneğin ışık ve radyo dalgaları.
Bazı deneyler ışığın bir dalga olarak kabul edilebileceğini ileri sürdü. Ancak bu deneylere onay verilmedi. Yerine, ışığın cisimsel bir doğaya (Einstein ve Planck’ın) sahip olduğu ve bu sebeple fotonlardan oluştuğu fikri giderek dah fazla geçerlilik kazandı. Bohr sayesinde maddenin ve radyasyonun doğasının şu şekilde olduğu anlaşıldı:
- Bir dalga olsun
- Kuvvetli ol
Artık biri ya da diğeri açısından düşünmek mümkün değildi, daha ziyade tamamlayıcı bir bakış açısıyla düşünmek mümkündü. Bohr’un tamamlayıcılık ilkesi tam olarak da bunu vurgular, atomik ölçeklerde meydana gelen fenomenlerin hem dalgaların hem de p∂rç∂cıkl∂rın ikili özelliklerine sahiptir.
Heisenberg Belirsizlik İlkesi
Daha önce 1927’de belirttiğimiz gibi, Heisenberg, hız ve pozisyon gibi bazı fiziksel nicelik çiftlerinin hata yapmadan eşzamanlı bir şekilde kaydedilmesinin imkansız olduğunu gösterdi. Kesinlik iki ölçünün biri ile ilişkili olabilir, ancak her ikisi ile değil, çünkü hız gibi bir olgu diğerinde sonuçlara neden olur ve ölçümü etkiler.
Elektronun yerini saptamak için bir fotonu aydınlatmak gerekli olacaktır. Fotonun dalga boyu ne kadar kısa olursa, elektronun konumunun ölçümü o kadar düzgün olur.
Kuantum Fiziğinin Kullanım Alanları
Eğer şu an son teknolojiye erişime sahipsek teşekkür etmemiz gereken bir kuantum teorimiz var. Elektroniklerden, bilişim teknolojisine kadar modern kuantum sezgilerine dayanan pek çok cihaz var, birkaçına örnek vermek gerekirse ;
- Lazer
- Elektronik mikroskop
- Bilişimsel kimya
- Nükleer manyetik rezonans
Birkaç milimetrede milyarlarca transistör içerebilen bilgisayarlarımızın ana işlemcilerini düşünün, bunlar sinyalleri güçlendiren ve gerekli oldukları kanıtlanan yarı iletkenlerdir. O olmadan, araştırma ve gelişimin geleceğine doğru ilerleyemedik.
Siber güvenlik konusu, ele geçirilmesi zor olan daha güvenli bilgileri elde etmek ve iletmek için kuantum kriptografiden yararlanmanın mümkün olup olmayacağını anlamak için ufukları genişletiyor.
Birkaç on yıl içerisinde, güncel modellerden büyük ölçüde daha iyi performansa sahip kuantum bilgisayarlarını görmemiz çok muhtemel. Kim bilir bizi daha neler bekliyor. Bilim günden güne gelişiyor, ve biz bir sonraki keşfin ne olacağını bilmiyoruz, şuan sadece hayal gücüne sahibiz.
Özge Özcan
Yorumlar 2