Nedir Bu Kuantum Fiziği, Ne İşe Yarar?

Özellikle son yıllarda kuantum kavramı her yerde karşımıza çıkar oldu. Bilim kurgu eserlerinde kuantum fiziği ile ilgili bir şeyler görmeye alışkınız ancak bu bilim dalına farklı açılardan yaklaşarak popüler amaçlar uğruna çarpıtıldığını da görüyoruz. Evet, kuantum fiziği bir bilim dalı. Üstelik, öyle birkaç kitap okuyarak da çözülebilecek bir alan değil. Konu ile ilgili yapılan çalışmalar yüz yıl öncesine kadar uzanıyor.

Kuantum fiziği nedir sorusuna verilebilecek kısa ve net bir yanıt yok ancak konu ile ilgili bilinmesi gereken bazı temel ilkeler var. Bilim insanları da bu temel ilkeler üzerine çalışmalar yapıyorlar ve kuantumun sırlarla dolu dünyasını çözmeye çalışıyorlar. Kuantum fiziği nedir sorusunu gelin daha yakından inceleyelim ve bilim insanlarının ortaya koydukları temel ilkeler ışığında bu bilim dalının çalışma alanı ile ilgili neler öğrenebiliriz görelim.

Kuantum fiziği nedir?

Dediğimiz gibi bu soruya net bir yanıt vermek zor ancak temel olarak ifade etmek gerekirse kuantum fiziği; maddenin ve ışığın atom hatta atomaltı seviyedeki davranışlarını inceleyen bir bilim dalıdır. Kuantum fiziği aynı zamanda elektron, kuark, proton, nötron, gluon gibi parçacıkların birbirleriyle olan ve ışık, x ışını, gama ışını etkisindeki hareketlerini gözlemler.

Albert Einstein ile başlayan kuantum fiziği çalışmaları:


Konu ile ilgili pek çok çalışması olsa da ünlü bilim insanı Albert Einstein’ın asıl alanı kuantum fiziği değil, fiziktir. Einstein’ın fizik alanında devrim yaratan görelilik ya da diğer adıyla izafiyet teorisi, fizik yasalarını uzay - zaman ilişkisi çerçevesinde değişmez kalıplar içinde değerlendirir. Bu durum kuantum fiziğine tamamen aykırıdır.

Kuantum fiziğinde olan her şey, şu an bildiğimiz kadarıyla, rastgeledir. Yani tam olarak kimse ne olup bittiğini bilemiyor, bu durum da izafiyet teorisinin aksi olarak kabul ediliyor. Kuantum fiziği çalışmaları Albert Einstein’ın teorisi ile benzer dönemde başlamış ve dört temel ilke ortaya konulmuştur. Bunlar;

• Nicelleştirilmiş özellikler
• Işık parçacıkları
• Madde dalgaları
• Belirsizlik ilkesi

Nicelleştirilmiş özellikler


Alman fizikçi Max Planck, 1900 yılında yaptığı bir çalışmada belirli bir spektrum üzerinde bulunan renklerin dağılımını tarif etmek için bir denklem geliştirdi. Bugün Planck Sabiti olarak bildiğimiz bu denklem ile ışık nicelleştirildi yani matematiksel bir hale geldi. Bu da ışığın bilinenin aksine bir dalga gibi davrandığını gösteriyordu. İlerleyen yıllarda fizik özelliklerini nicelleştirmek, kuantum fiziğinin ana ilkelerinden biri haline geldi.

Işık parçacıkları


Albert Einstein, 1905 yılında ışığın bir dalga değil de bir çeşit enerji kuantumu olduğunu ileri sürdüğü bir makale yayımladı. Bu makalede her atomun bir bütün halinde sıçrayabileceğinden bahsediliyor. Sonraki yıllarda bu sıçrama ile elde edilen enerji miktarı Planck Sabitine bölündüğü zaman sıçrayan bu ışığın renginin ortaya çıktığı tespit edildi. Bugün foton dediğimiz ışık parçacıkları bize gösteriyor ki ışık, hem dalga hem de parçacık olabilir. Tıpkı kuantum alanındaki tüm şeyler gibi.

Madde dalgaları


1896 yılında elektron keşfedildikten sonra atomun parçacıklı bir yapısı olduğu kabul edilmiştir. Ancak ışığın dalga olabileceği de ortaya çıkınca bilim insanları bu durumun atom için de geçerli olup olmadığını merak etmiş ve konu üzerine çalışmalar yapmışlardır.

Yıllar içinde farklı bilim insanları tarafından yapılan çalışmalar göstermiş ki atom, çekirdeği etrafında bir dalga hareketi yapmaktadır. Bu durum, kuantum fiziğinde her şeyin dalga ve parçacık olarak değerlendirilme görüsünün önünü açmış, en önemli ilkelerden biri olarak kabul edilmiş ve kuantum kimyası alanını oluşturmuştur.

Belirsizlik ilkesi


Planck Sabiti gibi bazı değişmezler olsa bile kuantum fiziğinin en temel ilkesi belirsizliktir. Öyle ki bir elektronun konumunu ve hızını tam olarak biliyor olsak bile aslında tam olarak bilmiyor da olabiliriz. Biraz kafa karıştırıcı olan bu belirsizlik ilkesi, paralel evren teorilerinin de önünü açmaktadır. Yani bir nesne aynı anda, iki farklı yerde var olabilir.

Heisenberg'in belirsizlik ilkesi olarak adlandırılan teori, küçük nesneler üzerinde çok daha başarılı sonuç veriyor. Kuantum fiziği bir atomun konumunu çok daha başarılı bir şekilde tespit ederken, bir beyzbol topunun konumunu tespit etmek için gereken hassasiyet 0.000000000000000000000000000008 milimetredir. Kısaca durumlar epey karışık.

En basit anlatım ile kuantum fiziği ne yapıyor?


Kuantum fiziği, en azından şu an için, günlük hayatta karşımıza çıkan nesneler üzerinde çalışmalar yapmıyor. Kuantum dediğimiz alanı farklı bir dünya olarak görebiliriz. Bildiğimiz fizik kuralları bu alanda işlemiyor. Bu nedenle kuantum fizikçileri daha çok matematiksel işlemler üzerinden kuantum alanındaki çalışmalarını sürdürüyorlar.

Kuantum fiziği ilkeleri arasında en dikkat çeken ilke ise belirsizlik. Bir şey hem olabilir hem olmayabilir hem de her ikisi birden olabilir. Bu tanım sanki anlamadığı bir şey hakkında konuşan birinin sözlerine benzese de maddenin aynı anda farklı durumlarda olabileceği ispatlandığı için bu anlamsız tanımı bilimsel bir gerçek olarak kabul etmek zorundayız.

Peki, kuantum fiziği çalışmaları neyi amaçlıyor? Atomların aynı anda farklı durumlarda olmasını çözebilirsek, bir atomun belirsizlik ilkesi dışında bir hareketini öngörebilirsek, kısaca bu ufak dünyada neler olduğunu anlayabilirsek rahatça söyleyebiliriz ki artık evrende gizem kalmayacaktır. Dünyanın oluşum süreci, zaman yolculuğu, ışık hızını aşan yolculuklar ve daha nicesi gibi bilim kurgu senaryoları ile gerçek hayatımızda karşılaşabiliriz.

Meraklıları için kuantum fiziği nedir sorusunu yanıtladık ve en basit anlatım ile kuantum fiziği hakkında bilmeniz gereken detayları anlattık. Dediğimiz gibi, bu alanın uzmanları için bile konuyu birkaç cümle ile anlatmak oldukça zordur. Buradan edindiğiniz bilgiler üzerine farklı teorileri anlatan bilimsel makaleler okuyarak konu ile ilgili çok daha detaylı bilgi sahibi olabilirsiniz.