Kuantum Fiziği

KUANTUM

Nerede bu parçacıklar, Heisenberg,Kopenhag…

Makro alemdeki kuralların mikro alemin kapısına geldiğinde geçiş için mikro alemin vize vermediği bir kuramdır kuantum. Çok popüler bir isim olan kuantum piyasada pazarlama aracı olarak kullanılsa da gerçek manasından oldukça uzaklaştırılmıştır. Kısaca tanımlamak gerekirse atom ve atomaltı dünyasını (mikroskobik sistemleri) inceleyen bilimsel bir yöntemdir. Peki neden klasik fizik bu kuramın kapısında durur da içeriye giremez?

Aradaki farkı anlayabilmek için klasik fiziği de tanıyalım. Mekanik olayları (Newton Yasaları), elektrik, optik (Maxwell denklemleri) ve termodinamik olaylarını açıklamakta başarılı olan fiziktir.

Ve öngörülük…

Örneğin; günlük hayatımızda bir hareketlinin hareketini başladığı an itibariyle hızını, konumunu, momentumunu tayin edebiliriz. Daha da açmak gerekirse serbest düşmeye bırakılan bir taşın ya da eğik atış hareketi yapan bir topun saniye saniye hızını ve konumunu önceden  öngörebiliriz.

Peki kuantum parçacıklar nasıl davranır? Bu parçacıklar için 1sn, 2sn, 3sn(Gerçi kuantum dünyası için saniye büyük bir zaman dilimi) hızları bu konumları şu diyebilir miyiz? Biz parçacık dedik ama gerçekte parçacık gibi mi davranır, yoksa dalga gibi mi?

DALGA MI PARÇACIK MI?

Sadece kütlesi olan noktasal parçacıklar mı? Enerji transferine sebep olacak bir hareketin sonucu olan dalgalar  mı?

 Günlük hayatımızda da dalga ile ilgili birçok terim duymuşuzdur. Su dalgaları, ses dalgaları, radyo dalgaları, mikrodalgalar vb. dalgalar enerjiyi bir yerden başka bir yere taşırlar.

Thomas young çift yarık deneyi : Kuantum fiziğinin çok çok öncesinde young tarafından yapılan bu deney ışığın dalga doğasını kanıtlamak için yapılmıştır. Bir kaynaktan çıkan ışık dalga boyu ışığınkinden daha küçük iki yarıktan geçirildiğinde aydınlık ve karanlık olmak üzere bir girişim deseni oluşturmuştur. Daha sonra bu deney elektronlarla yapılacak elektronların doğası hakkında bize fikir verecekti.

MAXWELL DENKLEMLERİNE kadar ışığın davranışlarını hep dalga gibiydi.  Daha sonra

EİNSTEİN: Fotoelelektrik etki ışığın          DE BROGLİE: Parçacık dalga gibi davranabilir.          Schrödinger: Peki bu    parçacık özelliğini gösterir.                                                                                                                           dalgalar nerde?

FOTOELEKTRİK ETKİ: Işığın metallerden elektron sökmesi olayıdır. Bunun sebebi ışığın dalga modeli ile açıklanamıyordu. Einstein 1905 yılında ışığın enerji paketlerinden oluştuğu fikrini ortaya atarak ışığın tanecikli bir yapıya sahip olduğunu da göstermiş oldu. Ve bu enerji paketlerine foton adını verdi.

Tam bu esnada Compton’a yer vermezsek haksızlık etmiş oluruz. Işığın(fotonların) parçacık gibi davranacağını ispatlayan kişi compton’du. Einstein’ın ilham olduğu kişilerden biridir. Einstein foton teorisinden yola çıkarak fotonlarla atom veya elektronların etkileşmesini açıklamıştır. Klasik dalga teorisine göre fotonlar elektronla çarpıştığında fotonların dalgaboyu değişmemeliydi. Compton X Işınları ile yaptığı deneyde fotonların dalgaboyunun çarpıştıktan sonra daha da büyüdüğünü gördü.

Buraya kadar fotonların hem dalga hem de parçacık özelliğini gösterdiğini anlamış bulunuyoruz.

DE BROGLİE DALGABOYU: De broglie de elektron gibi parçacıklarında fotonlar gibi hem dalga hemde parçacık özelliği olduğunu ileri sürerek momentuma sahip bir parçacığın dalga boyunu teorik olarak hesapladı. Buna de Broglie dalga hipotezi desek daha doğru olur. Çünkü ortaya attığı bu şeyi ispatlayan kişi kendisi değildi.

SCHRÖDİNGERİN DALGA DENKLEMİ:De Broglie’den İlham alan schrödinger devasa bir denklem buldu. Bu denklem biraz garipti çünkü içinde sanal ifadeler içeriyordu. Meşhur i harfi. Bir takım fizikçilere göre bu bir olasılık denklemiydi ve bu dalga denkleminin karesi bir parçacığın bulunma olasılığını hesaplıyordu.

Veeeeeeee

Tam bu esnada  Heisenberg  kulağımıza fısıldar, fısıldamaz hatta bağırır.

Yukarıda gördüğünüz formülü yazar.

-Ne demek istedin heisenberg?

-Belirsizlik.

-Elbette fiziksel ölçümlerin hepsinde bir belirsizlik vardır.

-Kastettiğim bu değil. Ölçüm aygıtlarınız ne kadar iyi olursa olsun momentum ile konumu aynı anda bilemezsiniz, çünkü yaptığınız ölçme sonucu etkileyecektir.

HEİSENBERG BELİRSİZLİK İLKESİ : Heisenberg bu göremediğimiz evrene ulaşmak için bir düşünce deneyi ortaya atar. Atomaltı parçacıkları nerde olduğunu anlamak için onlara dokunabilmenin çaresini onlara dalgaboyu çok küçük olan gama ışınlarıyla temas etmekte bulur. Yalnız bu ışınların enerjileri çok yüksekte olduğundan dolayı parçacığa etkileşime geçtiği anda paçacığın hızını da öngörülmez bir şekilde değiştirecektir, biz o andaki konumunu bilsek bile…Enerji-zaman, açısal momentum-açısal konum içinde aynı belirsizlik geçerlidir.

Yukarıdaki durumu biraz daha aklımıza yaklaştıralım. Gözleriniz kapalı bir şekilde içinde balonlar olan bir odaya girmeniz isteniyor. Elleriniz açık bir şekilde odanın içinde hareket etmeniz isteniyor.(Balonları tutmanız yasak) Balona değdiğiniz anda Burda!  diye bağıracaksınız .Birincisi çok hızlı hareket ederseniz balona değdiğiniz anda o anki konumunu bilecek fakat hızını değiştirmiş olacaksınız. Bu da demek oluyor ki konumunu ne kadar kesin bilirsem hızını o kadar aynı duyarlılıkla hesaplayamayız.

KOPENHAG YORUMU: Schröndiger denklemi ve Heisenberg belirsizlik ilkesinden yola çıkan Bohr’a göre ışık aynı anda hem dalga hem parçacıktır. Biz onu ölçmeye kalktığımızda sadece biri olarak gözükecektir. Sadece biri olarak gördüğümüzde dalga fonksiyonu oraya çöktü denecektir. Bohr’a göre gözlemci deneyden ayrı düşünülemez. Kısacası”Bir ormanda devrilen bir ağaç ,biri gelip onun düştüğünü gözleyinceye kadar aslında düşmemiştir” Kopenhag bakış açısına göre. Hem düşmüştür hem de düşmemiştir 😉

Daha sonra bunu saçma bulan Einstein arkadaşlarıyla birlikte bir makale yayınlayacaktır. Schröndiger yukarıdaki yorumu yaptığı meşhur kedi deneyiyle (ki bu düşünce deneyidir, gerçekte kediye zarar vermemiştir) yukardaki durumun saçmalığını anlatmaya çalışacaktır. EPR Paradoksu,dolanıklık,kuantum bilgisayarları ve daha fazlası bir sonraki yazımızda. 😉