Evrenin sırları-6: KUANTUM FİZİĞİ

Astrologlara ve kişisel gelişimcilere açık savaş ilan ediyorum. Astrofizik bir bilimdir, çok büyük cisimlerin çok büyük ölçeklerde nasıl hareketlerde bulunacaklarıyla ilgilenir. Astroloji yani yıldız falı ise kesinlikle bilim değildir. Gökyüzünde belli bir yönde dizilmiş gibi duran, ama aslında birbirlerinden yüzyıllarca ışık yılı uzakta duran yıldızlar, yine yüzlerce ışık yılı uzakta duran biz insancıkların kaderini belirleyemez. En basitinden dünya nüfusunun 12’de birinin bazılarının mayıs ortasında kariyerinde sıçrama yapmadıklarını ben bile gözlemledim. Bir çift laf da, “Zengin olmayı kabul ettiğiniz zaman, zenginlik size gelecektir, yeter ki kuantum düşünce tekniğini uygulayın” diyen kişisel gelişimcilere. Sizce kuantum düşünmeye çalışan insanların kaçı kuantum mekaniğinin atom ve atom altı dünyasıyla ilgilenen yani en küçüklerin diyarında geçerli tuhaf kuralların bir bütünü olduğunu biliyor? Kanımca, sırf sokakta atıp tutanlara bir çift lafınız olsun diye bile, bilim öğrenilir. İki hafta misafirim olun, kuantum bilginizle herkesi dövün. Merkür soldan soldan geliyor diye agresif miyim acaba?

KUANTUM MEKANİĞİ

Gariplikler silsilesinin kapısından içeri  buyurun. Bu tanımı dünyanın gelmiş geçmiş en akıllı adamı yapıyor. Einstein, kuantum mekaniğini ‘spooky action’ yani tuhaf hareket olarak nitelendirmişti. Günlük yaşamımızda etrafımızdaki tüm cisimlerin davranışlarını kesin bir şekilde belirleyebiliyor, tam doğrulukla tahmin edebiliyor, ihtimallere bırakmıyoruz. Makroskopik düzeyde geçerli bu kanunlara klasik mekanik deniyor. Fakat söz konusu bizi ve her şeyi oluşturan atomlar olunca, hüküm süren kanunlar çok farklı, dahası tuhaf. Mikroskopik düzeyde geçerli bu kanunlara ise kuantum mekaniği deniyor. Bu tuhaflıkları gözle görmüyor veya günlük yaşamımızda deneyimlemiyor olabiliriz, ama   küçüklerin dünyasında bu esrarengiz kanunların hükmettiği defalarca kanıtlandı. Atomları yöneten kuantum mekaniğiyle tanıştıktan sonra atomların oluşturduğu evrenimize aynı gözle bakabilecek misiniz? Gerçeklik algınızın sarsılmasına hazır olun.

Her şey bir deney ile başladı

Bu deney açıklanmadan kuantum fiziğinin tüm doğrularımızla çakışan doğası yansıtılamazdı. Kuantum fiziğini anlamanın anahtarı gerçekten de bu deneyi anlamaktan geçiyor. Fizikte önce deneylerin yapılıp sonra kanunların bulunması çok sık rastlanan bir durum. Işık hızının sabit olduğu bulunup sonra bunun testleri yapılmadı. Milyonlarca kere test edildikten sonra ışık hızının sabit olduğuna karar verildi. Serinin ilk yazısını tamamen bu deneye ayırdım. Deneyi iyice sindirdikten sonra gelecek hafta anlatacağım tuhaflıklar çok daha anlamlı gelecek ‘hadi ya’ diyeceğinize ‘tabi ya’ diyeceksiniz.

Önce tarihte ufak bir gezinti

200 yıl kadar önce 1803’deThomas Young, adında genç ve hep ‘genç’ kalmış bir fizikçi ışık ile dahiyane bir deney gerçekleştirdi; adı ‘Çift Yarık Deneyi’ydi. Deney ışık süzmesi ile yapılmış, ışığın dalga gibi hareket ettiği ispatlanmıştı. Fakat daha sonra Einstein geldi ve fotoelektrik adını verdiği ve 1921’de Nobel Fizik Ödülü aldığı (Dikkat:125.000 lira değerinde bir bilgi. 19 Ocak gecesi Kim Milyoner Olmak İster yarışmasında 125.000 liralık bu soru karşısında yarışmacı geri çekilmişti. 125.000 lira ile Şalom'a 500 sene abone olabilirsiniz.)teorisiyle “Işık hem dalgadır hem parçacıktır,” dedi. Bu kuantum devriminin ta kendisiydi!

Niels Bohr da kuantum fiziğinde en az Einstein kadar bilinen ve kendisinden bir yıl sonra Nobel Ödülü alan Danimarkalı Yahudi kökenli bir fizikçidir.

Bilim adamları ışığın oldukça garip, bilinen klasik mekaniğin kurallarına aykırı davranış gösterdiğini gördüler. Bir tüpün içine konulmuş ve  ısıtılmış  gazın yaydığı ışığın önüne bir prizma konulduğunda beklenildiği gibi gökkuşağı renklerinden birbirine geçişli bir spektrum değil, birbirinden apayrı ve keskin, net renklerde çizgilerin oluşturduğu bir dizim çıkmıştı. Bohr, bu oluşumu anlamak için, maddenin atom yapısını inceledi. Elektronlar çekirdeğin etrafında aynı gezegenlerin güneşin etrafında döndüğü gibi dönüyordu, yani yörüngeler boyunca. Ama güneş sisteminden bir farkla. Elektronların bulunabileceği fiks yörüngeler vardı, bunlara sadık kalmak zorundaydılar. Yörüngeler 1,2,3,4.. gibi tam sayılarda bulunabilirdi, 3,5’de bir yörünge olamazdı. Bohr bir atomu ısıttı ve atomun etrafında dönen elektronların heyecanlanarak tepki gösterdiğini gözlemledi. Bu elektronların enerji seviyeleri değiştikçe bir sabit yörüngeden diğer sabit yörüngeye sıçrayıveriyorlardı. Aradaki boşluğa hiç uğramadan. Yani Mars’ın Jüpiter yörüngesinde dönmeye karar verirken aradaki yola hiç uğramaması gibi bir durum; bir anda beliriveriyorlardı. Elektronlar bir yörüngeye zıpladıklarında belirli dalga boylarında ışık şeklinde enerji yayıyorlardı. Belirli dalga boyu belirli renk demek. Yani her bir sıçrayış bir renk oluşturuyordu. Kuantum sıçraması sayesinde aşırı net, spesifik renkler ortaya çıkıyordu. Birbirine girişmiş bir gökkuşağı değil. Çünkü sıçrayışlar keskindi; bir yörüngeden diğerine hiçbir yere uğramadan. Kuantum sıçraması diye duymuş olabileceğiniz olgu bu işte.

Dünyanın en güzel deneyi

1961 yılında Clauss Jönsson söz konusu aynı deneyi ışık yerine elektronlarla yaptı. 2002 yılında, Physics World okuyucuları tarafından Jönsson’un Çift Yarık Deneyi  ‘en güzel deney’ olarak seçildi. Nihayet deneye başlıyoruz.

1- Bir bilyeyi içinde tek bir yarık olan bir levhadan geçirmeye ve arkasında bulunan düz bir duvara çarpmasını sağlamaya çalışırsak,

bbeklenen sonuç arka duvarda yarığın hizasında bilyelerin bırakmış olacağı bir iz olur.

Şimdi bu deneyi çift yarıkla denersek, arka duvarda aynı hizalarda oluşmuş iki set iz görürüz.

2- Bu deneyin aynısını su ile yaparsak da suyun dalga karakterinden dolayı yarıktan geçtiğini, yine yayıldığını ve arka duvara vurduğunu gözlemleriz. En kuvvetli vurduğu yer dalganın ortasıdır, kenarlarda da daha hafif de olsa iz kalacaktır elbette. Bu davranış şekli bilyenin tek delikten geçmesiyle pek farklı sayılmaz. Yarığın tam arkasında en parlak sütun oluştu.

Şimdi burada levhaya ikinci bir yarık açınca, işler değişiyor. Yarıklardan geçtikten sonra iki tane olan dalgalar, karşı duvara ilerlerken,  tepe kısımları ile dip kısımları birbiriyle çakışarak birbirlerini götürüp düz hale geliyor; tepeler kesişince daha yüksek bir tepe oluşuyor, dipler kesişince ise daha derin vadiler oluşuyor. Tepeler en yoğun parlak çizgileri ortaya çıkıyor. Sonuçta duvarda karşımızda şöyle bir  ‘girişme’ dizimi beliriyor.

Bilye fırlattığımızda iki düz bant elde etmiştik su dalgası yolladığımızda ise bir “girişme modeli” elde ediyoruz. Duvar boyunca çizgiler, üstelik de en yoğunu iki yarığın ortasında yani en beklenmedik yerin tam arkasında hizalanıyor.

Kemerleri bağlayın uzun bir yola çıkıyoruz, istikamet: Kuantum dünyası

Elimizdeki bilye yerine artık miniminnacık bir elektron var. O küçüklüğe inmek için aldığımız yolu şöyle ifade edelim. Çapı 1 metrelik bir hulahup’u  10⁰metre (10 üzeri 0, 1’dir.) olarak da ifade edebiliriz. Dünyanın çapı takribi 10⁷ metre (12.000 km); dünyadan güneşe olan mesafe ise 1,5 x 10¹¹ metre. (150 milyon km) 10²¹ metre Samanyolu galaksisinin boydan boya uzunluğu. 300 milyar kadar galaksiyi gözlemleyebildiğimiz evrenimizin ise boydan boya uzunluğu 10²⁶ metre.

Başınız döndüyse size tam tersi yöne döndüreyim ki dengenizi bulun. Hulahup’un çapı 10⁰ metre demiştik. Tek hücreli bir terliksi hayvanın boyutu 10^-4 metre; ilkokulda çocukları olanların yakından tanıdığı Influenza virüsü 10^-7 metre, bir DNA molekülü ise 10^-9 metre boyunda. Buna nanometre de deniyor. Nano dünyasına hoş geldiniz. Kuantum dünyasına 10 katı daha yolumuz uzun. 10^-10 bir atomun büyüklüğü; bir  atomun içinde bulundurduğu çekirdek(proton ve nötron) ise 10^-15 metre boyutunda. Yani atom bir stadyum ise çekirdek içinde bir bilyecik. Proton ve nötronların çevresinde dönen elektronların henüz tam boyutu bilinmiyor.(10^-18 dolayında). 10^-34 metreye yolculuk edersek Büyük Patlama yani evrenin ilk oluşumundaki büyüklüğe gitmiş oluruz. 10^-35  ise, ispatlanmamış sicim teorisinde Planck uzunluğu adı verilen maddenin yapıtaşı olduğu düşünülen iki boyutlu sicimlerin uzunluğu. Gözünüzde canlandırabilmeniz için son bir tablo veriyorum. Bir kalemle nokta çizdiniz. Bu noktadan gözlemlenebilir evrene yaptığınız yolculuğun bir o kadarını planck uzunluğuna inmek için yapmalısınız, oransal olarak tabi.

Hazır! Fırlat!

1- Deneye tek yarıklı levha ile başlarsak ve fırlatılan elektronların tam da beklediğimiz gibi yarığın arkasında bir bant oluşturduğunu gözlemleriz.

2- İki yarıklı levhada iki bant bekleriz ,öyle değil mi? Ama öyle olmuyor! Bilye gibi düşündüğümüz ve madde parçacığı diye fırlattığımız elektronlar su dalgası gibi davranarak ‘girişme modeli’ oluşturuyor. 

Parçacık olarak fırlattığımız elektron, yarıktan geçmeden önce dalgaya dönüşüyor, sonra iki dalga olup kendisiyle girişiyor, duvarda dalgaların bıraktığı girişme modelini bırakıyor. Bir saat boyunca tek tek fırlatılan elektronlar en fazla izi ise iki yarığın ortasının arkasında oluşturuyor.  Yarıkların tam arkasında ( normalde en çok görmeyi beklerdik) ise elektronlardan eser yok! Elektronun duvara hiç iz yapmadığı yerler dalgaların birbirini götürdüğü durumlar. Elektron bir dalga gibi davranıyor.

İhtimaller demeti

Ünlü Avusturyalı kuantum fizikçisi Erwin Schrodinger elektronun bu dalgaya dönüşmüş hareketini hesaplamak için bir dalga fonksiyonu yazdı. Bu ona 1933’te Nobel Fizik Ödülünü kazandırdı. Bu fonksiyona devrimsel bir boyut katarak ihtimaller dalgası adında yeni bir fonksiyon yaratan fizikçi ise Yahudi olduğu için Almanya’dan kaçmak zorunda olan Max Born’du. (1954 Nobel ödülü aldı.) Yarıktan geçtikten sonra birleşen ve yükselen iki dalganın boylarının toplamı, elektronun orada olma ihtimalini verir. İki dalganın tepesinin kesişip en yükseğe ulaştığı yer hemen yarıkların ortasının arkası. Yani elektronu orada bulma ihtimalimizin en yüksek olduğu yer. Elektron mesela yüzde 50 iki yarığın tam arkasında, yüzde 20 bir sonraki bantlarda, yüzde 10 bir sonraki bantlarda… gibi. Dalgayı ihtimaller demeti olarak düşünebiliriz. Sanki elektronun sabit bir yeri yok, duvarda farklı belirme ihtimalleri olabilecek her yerde! Aynı anda birden fazla yerde, üstelik buna hiçbir yer de dahil! Kafanıza yatmıyor mu? Tarihin en zeki insanı Einstein’ın da yatmamıştı. O yüzden içiniz rahat etsin.

Elektronun bu durumuna ‘süper pozisyon’ deniyor. İsmini hakketmiş bir pozisyon.  Bunun ne anlama geldiğine, ne gibi sonuçları olduğuna sizi dehşete düşürüp öyle geçeceğim. İşte bu noktada ‘gerçek’ tanımınız değişecek. Evren, sırlarını saklamakta öyle becerikli ki gerçeğe ulaşabilir miyiz gerçekten?

Madde fikir değiştirir mi?

Parçacık dalgaymış gibi iki yarıktan da geçti. Çünkü deney sonunda duvarda bıraktığı iz buna işaret ediyor. Parçacığın aynı anda iki yerde oluşu fikrini yadırgayan deneyci, hepimizin aklından geçeni yapsa, yani parçacığın yarıktan geçiş anında onu gözlemlemek isterse ne görür? Parçacık hangi yarıktan geçti sahiden?

Deneyde yarığın hemen yanına bir detektör konulduğunda işler değişiyor; şok edici bir durumla karşılaşıyoruz; duvarda iki bantlı iz çıkıyor.

Detektör yokken bir dalga gibi davranan elektron artık bilye gibi davranıyor. Yani tek bir yarığı seçip, tek bir yarıktan geçip, onun arkasında iz bırakıyor. Gözlemci elektronun süper pozisyon halini çökertti! Elektron sanki izlendiğinin farkındaydı. Gözlemci maddenin nasıl davranacağına, dahası dalga halini terk edip yalnızca parçacık gibi hareket etmesine neden oldu, onu ihtimaller demetinden çıkarıp bir konum almaya zorladı. Maddenin gerçek doğasının ne olduğunun gözlemci ile ilgisi ne? Tabi ki madde düşünen bir varlık falan değil. Bunun bilimsel en ufak bir kanıtı yok.

Haftaya maddenin bu belirsiz halinin sonuçlarını daha çok konuşacağız. Yanıtını arayacağımız diğer sorular ise Tanrı zar atar mı? Schrödinger’in kedisi öldü mü? Felek öcün aldı mı?