Kuantum Mekaniğini Anlamak Neden Bu Kadar Zor?
Bilimkurgu çizgi romanları okuduysanız, oldukça sık ortalıkta dolaşan bazı moda sözcükleri fark etmişsinizdir. “Kuantum mekaniği”, “tekillik”, “kuantum eşevresizliği” ve benzeri kelimeler. Okuyucunun dikkatini başka hiçbir şeye benzemeyen şekilde çekiyorlar ve fenomenlerle ilgili bir gizem duygusu yaratarak okuyucunun kuantum dünyasını merak etmesini sağlıyorlar. Bu, QM’nin anlaşılmasının “zor” olduğu algısı yaratır.
Pekala, hadi kuantum dünyasının gizemini çözmeye çalışalım, çünkü bilimin gerçek güzelliği gizemli fenomenlerin arkasında değil, onları anlamaya ve bilginin sınırlarını zorlamaya yönelik tekrarlanan girişimlerde yatar.
Fizikteki ‘kuantum’ kelimesi, belirli bir varlığı tanımlayan bir sıfat değildir. Bunun yerine, kuantum aslında ‘kuantize’ kelimesinden gelir. 1900’lerde, mikro ölçekli sistemlerin (moleküller, atomlar, bir metale bağlı elektronlar vb. topluluğu) enerjisinin yalnızca belirli izin verilen değerlere sahip olabileceği keşfedildi .
Bir tenis topu fırlattığınızı hayal edin. Topun hızı, prensipte, 0 km/sa ile 150 km/sa arasında (gerçekçi olarak, kol kuvvetine dayalı olarak) sürekli aralıkta herhangi bir hıza sahip olabilir. Bununla birlikte, top kuantum mekanik yasalara tabi olsaydı, o zaman top yalnızca izin verilen belirli değerlerde, örneğin 2 km/sa’in katları olan hızlarda (yani 2, 4, 6, 8, …) veya hızlarda hareket ederdi. Bunlar 3km/s’nin üsleridir (yani 3, 9, 27, 81,…). Bu, topun hareket edemediği bazı yasaklanmış hızların olduğu anlamına gelir. Bu nedenle, zamana karşı hız grafiği, süreksiz bir çizim olacaktır. Bu oldukça saçma fenomen aslında elektronlar ve protonlar gibi kuantum parçacıkları için geçerlidir. Buna hızın kuantizasyonu denir.
Ultraviyole Felaketi: Kuantum Dünyasının İlk İpucusu
19. yüzyılın sonlarında fizikçiler ideal bir kara cismin yaydığı toplam enerjiyi hesaplamaya çalıştılar. Bu, klasik fizik yasalarını kullanarak kara cismi oluşturan tüm atomların enerjilerini toplamayı içeriyordu. Ardından gelenler, fiziğin temellerini özüne kadar sarstı. Çevresiyle termal dengede olan bir kara cismin yaydığı enerjinin sonsuz olduğu hesaplandı. Meslekten olmayanların terimleriyle, bu kara cisim tarafından yayılan enerjinin, evrendeki tüm yıldızların, gezegenlerin, kuyruklu yıldızların, asteroitlerin vb. enerjisinden daha büyük olduğu anlamına geliyordu.
Bu saçma sonuç, fizikçileri alternatif teoriler aramaya sevk etti. Max Planck, kara cismi oluşturan atomların yalnızca belirli izin verilen değerlerle enerji yaydığını varsaydığında problem çözüldü . Basit bir ifadeyle, tüm atomlar tarafından yayılan enerjinin nicelleştirildiği anlamına geliyordu. Bunu daha da basitleştirirsek, her atom belirli izin verilen enerjileri yayabilir. Bu basit varsayım, sonsuz enerji sorununu çözdü ve teorik hesaplamalar (daha önce saçma sonuçlar verdi) pratik gözlemle eşleşti.
Konuyla Alakalı: Planck Sabiti
Kuantum Ölçeğinde Garip Olaylar
Ya sizinle ilişkili bir dalganız olduğu söylenseydi? İster inanın ister inanmayın, arabanız, eviniz ve kıyafetleriniz de öyle. Aslında, evrendeki tüm fiziksel maddenin kendisiyle ilişkili bir dalga doğası vardır.
Tek Elektron Girişimi
Girişim, aynı yönde hareket eden aynı frekanstaki dalgaların üst üste binmesidir (vektör eklenmesi).
In Bu deneyde, bir kaynak; belirli bir mesafe aralıklı tutulan bir fotoğraf filmine doğru elektron yayar. Kaynak ( S ) ve film ( F ) arasında, içinde iki delik bulunan ve yine biraz mesafeli bir duvar ( W ) bulunur. Elektron emisyon hızı, bir seferde yalnızca tek bir elektron W’yi geçecek şekilde kontrol edilir . Klasik bir benzetme, bir tenis topu atıcısının, herhangi bir anda duvarı yalnızca tek bir topun geçeceği şekilde iki deliği olan bir duvara ateş etmesi olabilir. Duvarın arkasındaki bir kağıt, topun çarptığı alanı kaydeder.
Klasik teori (tenis topu), kağıt üzerinde elde edilen vuruş deseninin rastgele olacağını tahmin ederdi. Bu teori kuantum dünyasına (tek elektron) genişletildiğinde, fotoğraf filmi ( F ) üzerinde rastgele bir çarpma modeli beklenir.
Ancak gözlemler fizikçileri şaşırttı. F üzerinde elde edilen desen , düzenli aralıklarla yerleştirilmiş yüksek yoğunluklu ve düşük yoğunluklu alanlardan oluşuyordu. Bu model, ışık dalgalarının neden olduğu girişim modeline benzer. Parçacıkların (elektronların) neden olduğu dalgaların karakteristik açık bir modelini belirledikten sonra, parçacıkların da dalga benzeri bir karaktere sahip olduğu sonucuna varıldı.
Konuyla Alakalı: Işık Nedir?
Kuantum Eşevresizliği: Gözlemlenebilirliği Yok Etmek
Tek elektron girişim deneyi ile devam ederek, başlangıçta, cihaz çalışırken gözlem dışında tutuldu. Bu, elektronlar yayılırken ve F filmine çarparken, süreç hakkında hiçbir gözlem yapılmadığı anlamına gelir. Deney birkaç saat çalıştırıldıktan sonra durduruldu ve F filmi geri alındı. Ancak, deney bir kamera tarafından kaydedildiyse ne olur? Yoksa çıplak gözle mi gözlemlendi?
Şaşırtıcı bir şekilde, girişim deseni ortadan kalktı veya daha doğrusu, öncekine benzer bir desen gözlemlenmedi. Bu durumda, desen tıpkı tenis topu deneyinde olduğu gibi rastgeleydi. Başka bir deyişle, gözlem girişimi yok eder. Ancak tenis toplarında durum böyle değil. İstediğiniz kadar kamera ve izleyiciyi hazır tutabilirsiniz, ancak desen değişmez.
Bunun nedeni, kuantum ölçeğinde ışık fotonları elektrona çarptığında elektronun orijinal yolundan ayrılmasıdır. Böylece, bir ölçüm yapma girişiminde saf gözlem kaybolur.
Kuantum Tünel Açma
Sonsuz yüksek duvarlara sahip bir odada bir tenis topunun hareket etmesinin kısıtlandığını hayal edin. Topun yüksek hızlarda bile duvarlardan geçmesi mümkün değildir (duvarın kırılmasına izin verilmez). Duvarı geçmek, topun duvar yüksekliğinden daha yüksek olmasını gerektirdiğinden, topun dışarı çıkması aslında imkansızdır. Benzer şekilde, kuantum ölçeğinde, eğer bir elektron sonsuz derinliğe sahip bir potansiyel kuyusu (duvarlara benzer) ile sınırlandırılmışsa, elektronun duvarı geçme olasılığı sıfır (okuma olasılığı) ile sonsuza kadar hapsolmuş olarak kalması beklenebilir. Ancak, QM bizi tekrar şaşırtmak için burada. Orada bir sonlu olasılık var-yok. O elektron potansiyel duvarı geçecek. Bu gerçek hayatta bile gözlemlenir. Bir eklemi hareketsiz hale getirmek için iki metalik iletken birbirine lehimlenir. Yine de, lehim sadece potansiyel bir engeldir. Elektronların duvarı geçme olasılığı sonludur ve bu nedenle devre kapalı kalır ve elektrik akar.
Klasik Fizikle Koşullu Düşünme
Giriş ve orta düzey fizik, klasik fiziği içerdiğinden, bu teorileri kullanarak günlük olaylarla ilişki kurmak daha kolaydır. Bununla birlikte, kuantum mekaniği ilk kez tanıtıldığında, değişmez bir şekilde, dalga fonksiyonu hakkında ilişkilendirilmesi zor olan varsayımlarla başlar. Ayrıca, kuantum parçacıkları klasik yasalara uymadığından, QM’nin matematiksel çerçevesini anlamak gibi davranışlarını tahmin etmek de zorlaşır. Klasik bir analoji bulmaya çalışmadan operatörler ve dalga fonksiyonları hakkında düşünmek kolay değil…
Konuyla Alakalı: Kuantum Dolanıklık