Kuantum Fiziği

Kuantum

20. yüzyıla damgasını vuracak iki büyük kuramdan birini, tam da bu yüzyılın başında, 1900 yılında, Max Planck ortaya attı. Enerjiyi, sürekli (kesiksiz) bir akış olarak gören Klasik Enerji Kuramı yerine Kuantum Kuramı'nı ortaya atmıştı. Planck’ın deneysel temellere dayanan önerisi, enerjinin kesik kesik ya da paket paket alınıp verildiği şeklindeydi. Bu kuramı, 1905 yılında Albert Einstein, fotoelektrik olayını açıklamakta kullandı. Danimarkalı Niels Bohr, 1913'te Kuantum Kuramı'yla, atomdaki elektron düzeninin ilk açıklamalarını yaptı.

Sponsorlu Bağlantılar

Çağımıza damgasını vuran diğer büyük kuram da Görelilik Kuramı'dır. Einstein, 1905'te Özel Görelilik Kuramı'nı, 1915'te de Genel Görelilik Kuramı'nı ortaya koydu. Einstein, kütle ve enerjiyi apayrı şeyler olarak değil, birbirine dönüşen olgular olduğunu ileri sürdü.
O sıralar, Zürih Patent Bürosu'nda memur olarak çalışıyordu. Kütle ve enerjiyi bambaşka iki varlık olarak düşünmeye alışmış bilim çevreleri, kavramları birbirine karıştıran patent bürosunun " zırvaları" üzerinde durmadı bile. Bilim dünyası, onun söylediklerini ancak 15 yıl tartıştıktan sonra hazmedebildi.

Einstein, 1921'de Nobel Ödülü'nü aldı; ama Görelilik Kuramı'ndan değil de foto elektrik olayından. Arthur Eddington’un alkışlanası ukalalığına göre, o zaman bile birçok bilim adamı göreliliği anlamamıştı. Eddington’a, göreliliği, yalnızca üç kişinin anladığının doğru olup olmadığı sorulduğunda, nükteli İngiliz profesör durmuş ve "üçüncü kişinin kim olduğunu bulmaya çalışıyorum" demişti (Time-2000, Frederic Golden’in yazısı).

Kütlenin yoğunlaşmış bir enerji olduğu görüşü, 1927'de denel olarak da destek buldu. Aston, kütle spektrometresi denen bir aygıtı geliştirmişti. Bu alet, atom kütlelerinin çok duyarlı olarak ölçülmesini sağladı. Bu aygıt yoluyla, özellikle nükleer tepkimelerde, bir kısım kütlenin enerjiye dönüştüğü ve bu dönüşümün Einstein'in ünlü denklemine (enerji= kütle x ışık hızının karesi) uyduğu kanıtlandı.
Atom çekirdeğini bulan Rutherford, 1919 yılında, simyacıların ünlü düşünü gerçeğe dönüştürdü. Havanın azotunu, alfa ışınlarıyla bombardıman ederek onun oksijene dönüştüğünü gördü. Simyacılar, her şeyi altına çevirecek filozof taşını hiç bulamadılar; ama bir elementin, insan elinde başka bir elemente dönüştürülmesi, bir düşün gerçek olmasıdır elbette.

Bir element, başka bir elemente dönüşebiliyordu. İnsanoğlunun eli artık atom çekirdeğine gidiyordu. İlk yapay nükleer tepkime, çekirdeğe ilk müdahale. Atom çekirdeği, pozitif yüklüydü; nötral bir atomda elektron sayısı, eile proton sayısının, yani birim negatif yüklü parçacık sayısı ile birim pozitif yükteki parçacık sayısının eşit olacağı açıktı.

Çekirdekte pozitif yükten başka ne var acaba? Bu sorunun yanıtını Rutherford'un öğrencisi James Chadwick verdi: 1932 yılıydı. Alfa ışınlarıyla berilyum çekirdeklerini bombardıman edince yüksüz bir radyasyonun oluştuğunu açıkladı ve buna nötron dedi. Böylece, atomun üç temel parçacığı elektron, proton ve nötron bulunmuş oluyordu. Alfa, kendisi de bir çekirdek (helyum atomunun çekirdeği) olduğu halde, atom çekirdeğine giden yolu aydınlatıyordu.

Bilim tarihinin en büyük kadını Madam Curie, 4 Temmuz 1934'de gözlerini yaşama kaparken, birkaç ay önce damadının ve kızının -Joliot-Curie çiftinin- yapay radyoaktifliği keşfettiklerini biliyordu. Joiot-Curie çifti, alfa ışınlarıyla, alüminyum çekirdeğini bombardıman ettiler. Sonuçta, radyoaktif bir element (radyoaktif fosfor) oluştuğunu buldular. Böylece, bir inanışa daha son verildi: Radyoaktiflik, yalnızca doğadaki elementlerin bir özelliği değildi; onu insanoğlu da "yaratabilir"di.

İnsanoğlu, radyoaktif elementler de üretiyordu artık. Bombardımanda kullanılan radyasyonlar, doğal radyoaktif maddelerden sağlanıyordu. Belli ki, doğal kaynaklara bağlı kalmamak ve doğal olanlardan yayılan parçacıkları hızlandırarak kullanmak nükleer tepkimeleri çeşitlendirecekti. Atlantik'in iki yakasında hemen aynı anda hızlandırıcılar yapılmaya başlandı.

Amerika'da Ennest Lawrence 1930'da, Robert J. van de Graff 1931'de; yine aynı yıl içinde İngiltere'de John Cockroft ile E.T.S. Walton kendi adlarıyla anılan hızlandırıcılar yaptılar. Çok kısa sürede, 3 yıl içinde 1937'de keşfedilen radyoaktif izotop sayısı 200'ü bulmuştu.
H. G. Wells, 1913 yılında, The World Set Free: A Story of Mankind adlı kurgu bilim romanını yayınlamıştı. Bu romanda, bazı tahminler de yer alıyordu. Örneğin, 1933'te yapay radyoaktif maddelerin bulunacağını ve 1956 yılında atom bombasının kullanılacağı hayali savaşları anlatmıştır. O günlerde bunlar neredeyse akıl dışı şeylerdi. Yapay radyoaktiflik, yazarın öngördüğü tarihten bir yıl önce keşfedildi, ama savaşa neden olmadı. Atom savaşı, yani atom bombasının kullanılması ise yazarın öngördüğünden onbir yıl önce gerçekleşti.

Macar doğumlu, Musevi asıllı fizikçi Leo Szilard, 1932 yılında Berlin'de çalışırken, nasılsa bu romanı okuyor ve çok etkileniyor. Ertesi yıl göçe zorlanıyor ve İngiltere'ye gidiyor. Romandan aldığı esinle "zincir tepkimelerine dayalı kanunun patenti" ni 1934 yılında İngiliz Amirallik Dairesi'ne tescil ettiriyor.

Kuantum Kaosu

''Kuantum teorisi karşısında şaşkınlığa uğramayanlar bu teoriyi anlamamış demektir'' diyen Fizikçi Niels Bohr, bu teorinin ne kadar zor anlaşıldığına dikkat çekiyordu. Yüzyılın başlarında fizikçiler, radyasyonun dalga gibi hareket ettiğine inanıyordu. Max Planck'ın enerjinin parçacıklar veya kuvanta tarafından emildiğine ilişkin keşfi, fizikçiler tarafından pek tatmin edici bulunmadı. Planck, bunun üzerine, nesnelerin parçacık şeklinde enerji yaydığını duyurdu. Bundan sonraki 20 yılda bilim adamları, enerji ve maddenin dalga ve parçacık özelliği taşıdığını kabul ettiler.

1927 yılında, Werner Heisenberg, ''Belirsizlik İlkesi''ni bilimsel bir biçime dönüştürdü. Daha sonraları Nazi Atom Enerjisi Projesi'nin başına getirilen Heisenberg, atomdan küçük parçacıkların pozisyon ve momentumlarının aynı anda ölçülmesinin mümkün olmadığını bildirdi. Bu teori Albert Einstein'ı yalnızca şaşırtmadı, bilimsel birikimlerinin altüst olmasına yol açtı.

1920'li yılların ortalarında Alman fizikçi Max Born, elektron gibi parçacıkların belirli bir pozisyonu işgal etmelerinin çok düşük bir olasılık olduğunu ileri sürdü. Einstein, Born'a yazdığı bir mektupta, ''Evren yasalarının şans üzerine kurulu olduğuna inanmıyorum; bence Tanrı kumar oynamaz'' diyerek, Belirsizlik Kuramı'nı onaylamadığını belirtti.

Kuantum Teorisini Anlamak

Kuantum teorisini anlamak en sade ve pratik şekliyle çok kısaca tanımlamak, mümkün müdür? derseniz, evet mümkündür deriz ve bu teoriyi olabildiğince sade kavramak, günlük yaşamda kullanır ve düşünür hale getirmek için kısa, öz ve en pratik haliyle şöyle sıralayabiliriz.

1. Temelde kuantum teorisi aynı anda hem dalga hem parçacık olmayı içinde barındırır. Bu onun en özgün ifade şeklidir.

2. Fakat ölçmeye veya gözlemlemeye kalkarsanız ya dalgayı ya da parçacığı bulursunuz. İkisi aynı anda saptanamazlar!

3. Dalga ve parçacığı aynı anda net bir şekilde saptayamama durumu, Heisenberg’in ünlü belirsizlik İlkesinin özüdür.

Bu olgu, tıpkı koca bir kazan çorba içindeki şeyler gibi, hiçbir şeyin sabit ve tam ölçülemediği, belirsizliğin hayaletvari bir etki yarattığı, kolay kolay anlaşılamayacak olma olgusunu taşıyan bir yapıya sahiptir ve Newtoncu determinizmdeki her şeyin sabit, belirli ve ölçülebilir olma olgusunun yerine geçmiştir.

4. Bu durumda ya elektron parçacık konumundaysa onun kesin durumunu, ya da dalga konumundaysa momentumunu (hızını) ölçebiliriz. Kuantum teorisinde gerçeklikle ilgili her şey bir olasılıktır ve öyle kalmaya da mahkumdur.

Örnek: Dalgınlık anlarımızda birbirine bağlı birçok his ve bazen de görüntü oluşur, bunların ayırımına varamayız, öylesine geçerler. Gözümüz dalmıştır sanki. Bir düşünceye odaklandığımızda ise yalnızca o düşünce oluruz. Bir yandan düşünüp bir yandan dalmamız mümkün değildir. İşte düşünmeye başladığımız anda dalga hareketi çöküşe uğrar gibi.

5. Elektronların çoğu ve atom altı varlıklar ne tam anlamıyla parçacık, ne de dalgadırlar. Onlara daha muğlak bir tanımla “dalga paketi” diyebiliriz.

6. “Tamamlayıcılık Prensibi”nde, varlığın iki türlü tanımı da birbirini tamamlar ve “tek bir dalga paketinden” çıkmış olur. Temel varlığın şu ya da bu şekilde görülmesi koşulların tümüne bağlıdır. (Herhangi birinin o varlığa bakıyor olup olmadığı, ne zaman ve niçin baktığı gibi koşullar dalga veya parçacık şeklinde görünmeyi etkileyecektir.)

Sir W.Bragg, “Temel parçacıklar, pazartesi, çarşamba ve cumaları dalga, Salı, Perşembe ve cumartesileri parçacık gibi görünüyorlar” diyerek şaşkınlığımızı zarif bir espriyle tanımlar. Bu teori gerçekten de çok şaşırtıcı etkilere sahiptir ve evreni bildiğimizi sandığımız evren olmaktan tamamen çıkarmaktadır.

7. Hem dalga hem de parçacık aynı derecede varlığın temel unsurudur; yani her biri maddenin beliriş yollarından biridir ve maddeyi birlikte oluşturur.

8. Kuantum kuramı; hareketi, kesintiye uğramış bir dizi sıçrama diye tanımlar. Bu onun fizikte yapmış olduğu en belirgin kavramsal değişikliktir.

Max Planck, tüm enerjinin bir spektrum içinde akımlar halinde sürekli akmayıp, “kuanta” denilen paketler içinde ışınlar yaydığını buldu. Niels Bohr ise elektronların, süreksiz kuantum sıçramaları şeklinde bir enerji durumundan diğerine atladıklarını gösterdi.

Film şeridindeki karelerin sunuluşundaki ardı ardına sıralanış, yukarıdaki ifadeyi andırmaktadır. Atom altı parçacıklar belki daha doğal gelen bir sıralanış içindeki planı yok sayıp 2-3 sonraki kareye sıçrıyor olabilirler.

9. Bu kesintili yolda “gerçekliğin” sabit bir edimsellikten değil, bilebileceğimiz bir takım edimsellik olasılıklarından ibaret olduğu dünyada, bir parçacığın hareketini ne kadar derinden incelerseniz o denli anlaşılması zor hale gelir. “Anlaşılmazlık” kuantum hareketinin en büyük sorunudur; daha büyük sorun ise bütün o kayıp olasılıkların nereye gittiğidir!

10. Doğanın türlü olasılıklarından biri hangi aşamada ve niçin, kendini “gerçek şeyler” dünyasında sabitler?
Olasılık dalgası görünümündeki bir elektron bir yörüngeden diğerine geçmeye niyetlendiğinde, gelecekteki durağanlığına yönelik, sonunda yerleşebilme olasılığı olan tüm yörüngelerin nabzını aynı anda ölçer!
Bu yoklama mahiyetinde etrafa gönderilen dokungaçlara “sanal geçişler” denir.

Elektronun sonunda geçtiği kalıcı evine ise "gerçek geçiş" deniyor.

11. “Sanal geçişler” enerji tutmazlar ve bu yüzden de enerjiyi daha ileri gitmeden tersine çevirirler. (Yukarıda dokuzuncu maddedeki “bütün kayıp olasılıklar” tanımı sanal geçişler için kullanılan bir ifadedir.)

12. “Çok dünya” kavramı, her birinde bir versiyonumuzu bulabileceğimizi ve bu farklı versiyonların farklı olaylar zincirinin gelişmesini sağladığını öne sürer. “hiçbir kayıp olasılık yoktur!” Bunun izlerini evrimin mucizevi ilerleyişinde görebiliriz. Az ömürlü iki mutasyon uzun ömürlü (asıl geçiş) bir melez oluşturabilir. Biz insanlar büyük bir olasılıkla böyle iki “sanal türün” melez birleşmesinden oluştuk.

13. Eğer tüm potansiyel şeyler tüm yönlere doğru sonsuz olarak uzanıyorsa bunlar arasında bir ayrılık olabilir mi? Bütün şeyler ve bütün anlar her noktada birbirleriyle temas halindeler; tüm bu sistemin BİR’liği onu mükemmel kılmıştır. Parça bütünde ve bütün her bir parçadadır. Zaman ve mesafeler anlam yitirirler. Kuantum şu ana kadarki en büyük kavramsal meydan okumadır.

14. Gözlemlenmemiş kuantum olayı, gözlemlenmiş olandan tamamıyla farklıdır. Schrödinger’in Kedisi olgusu; “Gözlenmeden önce dar iki yarıktan aynı anda gizemli bir biçimde geçmeyi başaran görünmeyen foton ışınları, biz gözlemlediğimizde ya birinden ya ötekinden geçmeyi seçerler ve biz bakarak kediyi öldürürüz!” demek istemektedir.

Kısaca, sonsuz ve çok olasılıklı kuantum dalga fonksiyonu görüldüğü (ya da kaydedildiği) anda tek ve sabit bir gerçeklik olarak çözünür. Biz baktığımızda dalga fonksiyonu neden çöker? (Yanıtı fizikçiler tarafından şimdilik bilinmiyor!)

15. Kuantum fiziğinde bir şeyin varlığının onun tüm çevresine bağlı olma durumuna “bağlamsallık” denir. Başka bir tanımla da “Durum içindeki hakikat!” demek mümkündür.

16. Gözlemci, gerçeği oluşturmaz. Dalga fonksiyonu içinde zaten var olan bir olasılığa “somut bir şekil” verir. Görünür hale getirir.

17. Yeni fizikte ifade edilen temel gerçekliğin davranış biçimiyle ilgili bir şey, bizden neredeyse tüm bilinç sorunsalını gözden geçirmemizi talep eder. Ve bu yalnızca kendimizle ilgili değil evrendeki tüm şeyleri kapsamalıdır.

18. “Ya insan biricik değilse?” Bilinçli oluşumuzu evrendeki diğer şeyler ve yaratıklarla, belki de evrenin kendisiyle paylaşıyorsak? Acaba biz insan varlıkları bildik Batı geleneğinin ileri sürdüğü gibi diğer bütün şeylerden farklı mıyız yoksa bizim bilincimiz evrendeki diğer şeylere/şeylerle süreklilik mi kazandırıyor/kazanıyor?

Oysa gerçeklik hem dalgaları (ilişki) hem de parçacıkları (bireysellik) kapsar.

19. David Bohm’a göre; “Bir noktaya yoğunlaşmış düşünce, elektronun parçacık yönü, ilham ise dalga yönü gibidir, ikisini aynı anda deneyimleyemeyiz.”

20. “Bose-Einstein Yoğunluğu”: Belli bir çizginin üstünde enerji pompalanan moleküllerin birlik içinde titreşim yaydıklarını göstermiştir. Kendilerini olabilecek en düzenli yoğun dönem konumuna sokuncaya kadar devam ederler.

21. Bose-Einstein Yoğunluğu’nun en önemli özelliği; düzenli bir sistem oluşturan parçaların yalnızca bir bütün olarak davranmaları değil “bir bütün oluşturmalarıdır.” Her parçanın kimliği öyle bir birleşime uğrar ki kendi bireyselliklerini tamamıyla yitirirler.

22. Bilinçliyi bilinçli olmayandan ayıran şey, nöron bileşenleri arasındaki B-E Yoğunluğudur.

23. Örnekleyecek olursak; bir iş esnasında durup dalgınlıkla geçirdiğimiz anlar bilincin sınır bölgelerinde “zihnin alacakaranlığı” denen bölgede bulunuruz. Ve bir çok olasılığı birinin üzerinde özellikle durmaksızın seyrederiz/yaşarız. Bir an gelir bedenimizde meydana gelen rahatsızlık bizi yoğunlaşmaya kışkırtır. Gerilimden kurtulmak için yoğunlaşır ve bir seçim yaparak “olası düşüncenin dalga fonksiyonunu çökertiriz.”

24. Yani insan özgür iradeye sahiptir. Bedenimizin o anki olası rahatsızlık durumu, yalnızca seçim yapmamızı gerektirdi; seçimin kendisi özgürdü. Rahatsızlık, seçimimizin ne olacağının bağlayıcı ya da yönlendiricisi değildi.

25. Kuantum kuramının işlerliğinde, bir şeyin olabilme olasılığı, onun olabilmesi için gerekli enerjinin miktarıyla ilgilidir.

26. Enerjinin miktarı kavramının doğanın temel yapısında belirsizliğe izin veren bir yasanın bulunuşu yani “Kritik Etki Yasası” ile de bağlantısı vardır. Bir olayın veya olgunun (fenomenin) ortaya çıkabilmesi için kritik bir etkinin bulunması gerekir. Doğa genelde bu şekilde çalışmaktadır. Eğer bu kritik etki oluşmuyorsa olay gerçekleşmez. Yani varlığın hem oluşumunda hem de dağılımında kritik etki yasasından söz edebiliriz.

Dolayısıyla, hem düzenli hem de düzensiz rastlantıların gerisinde duran yasa “Kritik Etki Yasası” dır ve kuantum kuramlarının işleyişinde belirleyici rol oynar.

Kuantum Fiziği

Fiziki evrenin inşa edilme şekli, ruhun varlığına işaret etmeye yeterlidir. Benim ruhu bulduğum noktalar kuantum mekaniğinin işleyişi ya da kuantum fiziği diyebiliriz, bunlar, fiziki dünyanın ardında ruhla bağlantılı bir temel olabileceğini gösteriyor. (Kaliforniya Üniversitesi'nden ünlü parçacık fizikçisi Fred Alan Wolf)

Isaac Newton'a göre ışık, "corppuscule" adı verilen bir madde akımıydı. Tümüyle parçacıklardan oluşuyordu. Bir başka deyişle kuantum fiziği keşfedilene kadar kabul gören geleneksel Newton fiziğinin temeli, ışığın bir parçacık yığını oluşuna dayanıyordu. 19. yüzyıl fizikçilerinden James Clerk Maxwell ise ışığın dalga davranışı gösterdiğini öne sürüyordu. Kuantum teorisi, fiziğin bu en büyük tartışmasını uzlaştırdı.

1905 yılında Albert Einstein, ışığın kuantalara, yani enerji paketçiklerine sahip olduğu iddiasını ortaya attı. Bu enerji paketçiklerine foton adı veriliyordu. Parçacık olarak adlandırılsalar da, fotonlar 1860'larda James Clerk Maxwell'in iddia ettiği gibi dalga hareketine eşit şekilde gözlemlenebiliyordu. Dolayısıyla ışık, dalga ve parçacık arasında bir geçiş gibiydi. Ancak bu durum, Newton fiziği açısından oldukça büyük bir çelişki sergiliyordu.

Einstein'ın hemen ardından Alman asıllı fizikçi Max Planck, ışık üzerinde çalışmalar yaparak, ışığın hem dalga hem de parçacık halinde bulunduğu değerlendirmesini yaptı ve tüm bilim dünyasını şaşırttı. Kuantum teorisi adı altında ortaya attığı bu teoriye göre enerji, düz ve sürekli değil, kesik, kopuk ve noktasal paketçikler halinde yayılıyordu. (Kuantum kelimesi, Latince'de "nicelik", fizikte ise "parçacık" anlamına gelmektedir.) Bu düşünce Planck sabiti olarak matematiğe kazandırıldı. Kuantum olayında ışık, hem madde hem de dalga özelliği göstermekteydi. Foton denilen maddeye, uzayda bir de dalga eşlik etmekteydi. Yani ışık, uzayda yol alırken dalga gibi, önüne engel çıkınca aktif bir parçacık gibi davranmaktaydı. Bir başka deyişle ışık, önüne bir engel çıkana kadar bir enerji şekline bürünüyor, bir engelle karşılaştığında ise sanki maddesel bir varlığı varmış gibi kum tanelerini andıran parçacıklar şeklini alıyordu. Bu teori, Planck'ın ardından Albert Einstein, Niels Bohr, Louis De Broglie, Erwin Schroedinger, Werner Heisenberg, Paul Adrian Maurica Dirac ve Wolfgang Pauli gibi bilim adamları tarafından geliştirildi. Her birine bu büyük buluştan dolayı Nobel ödülü verildi.

Amit Goswami, ışığın bu yeni keşfedilmiş özelliği ile ilgili şunları söylüyordu:

Işık, dalga olarak görülebildiği zamanlarda, aynı anda iki veya daha fazla yerde olma yeteneğinde olur. Bir şemsiyenin deliklerinden geçer ve dağılma özelliği gösterir. Ancak ışığı bir fotoğraf filminde yakaladığımızda, parçacık taneleri gibi aralıklı ve nokta nokta bir özellik gösterir. O halde ışık hem parçacık hem de dalga olmalıdır. Çelişkili, değil mi? Söz konusu olan eski fiziğin siperlerinden biri: birden fazla yoruma yer vermeyen kesin bir izah. Söz konusu olan bir diğer şey de nesnellik kavramı: Işığın doğası, yani ışığın ne olduğu, onu nasıl gözlemlediğimize mi bağlı?

Bilim adamları, artık maddenin cansız, kör ve anlaşılmaz parçacıklar olduğuna inanmıyorlardı. Bir başka deyişle kuantum fiziği, materyalist bir anlam taşımıyordu. Çünkü maddenin özünde, maddesel olmayan bir şeyler vardı. Einstein, Phillip Lenard ve Compton ışığın tanecik yapısını araştırırken, Louis De Broglie de dalgaların yapısını incelemeye başladı. Broglie'nin keşfi ise olağanüstüydü. Yaptığı çalışmalar sonucunda atom altı parçacıkların da dalga özellikleri gösterdiklerini gözlemlemişti. Elektron, proton gibi parçacıklara da dalga boyu eşlik etmekteydi. Yani materyalizmin mutlak madde olarak tanımladığı atomun içinde, materyalistlerin inancının aksine madde değil, aslında var olmayan enerji dalgaları vardı. Atomun içindeki bu küçük parçalar, tıpkı ışık gibi, istedikleri zaman dalga gibi davranıyor, istedikleri zaman da parçacık özelliği gösteriyorlardı. Yani materyalist yoruma göre atomun içinde "mutlak şekilde var olan madde", materyalistlerin beklentilerinin aksine kimi zaman görülebilir oluyor, kimi zaman da yok oluyordu. Bu önemli keşif, gerçek dünya zannettiğimiz görüntülerin birer gölge varlık olduğunu, maddenin, fizikten tamamen uzaklaştığını ve metafiziğe yöneldiğini gösteriyordu.

Fizikçi Richard Feynman, atom altı parçacıkları ve ışıkla ilgili bu ilginç gerçeği şu sözlerle açıklıyordu:

"Elektronların ve ışığın nasıl davrandıklarını artık biliyoruz. Nasıl mı davranıyorlar? Parçacık gibi davrandıklarını söylersem yanlış izlenime yol açmış olurum. Dalga gibi davranırlar desem, yine aynı şey. Onlar kendilerine özgü, benzeri olmayan bir şekilde hareket ederler. Teknik olarak buna "kuantum mekaniksel bir davranış biçimi" diyebiliriz. Bu, daha önce gördüğünüz hiçbir şeye benzemeyen bir davranış biçimidir... Bir atom, bir yay ucuna asılmış sallanan bir ağırlık gibi davranmaz. Çekirdeği saran bir bulut veya sis tabakasına da pek benzemez. Daha önce gördüğünüz hiçbir şeye benzemeyen bir şekilde davranır. En azından bir basitleştirme yapabiliriz: Elektronlar bir anlamda tıpkı fotonlar gibi davranırlar; ikisi de aynı şekilde "acayiptir". Nasıl davrandıklarını algılamak bir hayal gücü gerektirir; çünkü algılayacağınız şey bildiğiniz her şeyden farklıdır... Bunun neden böyle olabildiğini hiç kimse bilemiyor."

Tüm bunları özetlersek, kuantum mekanikçilerinin söyledikleri, nesnel dünyanın bir illüzyon olduğuydu. Max Planck Institude of Physics (Max Planck Fizik Enstitüsü) yöneticisi Prof. Hans-Peter Dürr, bu gerçeği şu şekilde özetliyordu:

Madde her ne ise, maddeden yapılmamıştır.

1920'lerde en ünlü fizikçiler, Paul Dirac'tan Niles Bohr'a, Albert Einstein'dan Werner Heisenberg'e kadar herkes, kuantum deneylerinin sonuçlarını açıklamak için uğraştı. Sonunda, 1927'de Brüksel'deki beşinci Solvay Fizik Kongresi'nde bir grup fizikçi –Bohr, Max Born, Paul Dirac, Werner Heisenberg ve Wolfgang Pauli– Kuantum Mekaniğinin Kopenhag Yorumu olarak adlandırılan bir uzlaşmaya vardılar. Bu isim, grubun liderliğindeki Bohr'un çalıştığı yerin adıydı. Bohr, kuantum teorisinin öngördüğü fiziksel gerçekliğin, bir sisteme dair bizim sahip olduğumuz bilgi olduğunu ve bu bilgiye dayanarak ortaya attığımız tahminler olduğunu öne sürdü. Ona göre bizim beynimizdeki bu "tahminler", "dışarıdaki" gerçek ile alakasızdı. Yani "içimizdeki dünya", Aristo'dan bu yana fizikçilerin merak ettiği başlıca konu olan "dışarıdaki gerçek" dünya ile ilgili değildi. Fizikçiler, bu görüş ile ilgili eski düşüncelerini bir kenara atmışlar ve kuantum anlayışının fiziksel sistem üzerinde yalnızca "bizim bilgimizi" temsil ettiği konusunda hemfikir olmuşlardı. Bir başka deyişle bizim algıladığımız maddi dünya, yalnızca bizim beynimizdeki bilgiler ile var oluyordu. Yani dışarıdaki maddenin aslı ile hiçbir zaman muhatap olamıyorduk.

Jeffrey M. Schwartz, Kopenhag yorumuna göre ortaya çıkan sonucu şu şekilde tanımlıyordu:
Fizikçi John Archibald Wheeler'ın söylediğine göre: "Hiçbir olay, gözlemlenmeden, bir olay değildir."
Özetle, kuantum mekaniğinin tüm geleneksel yorumu, bir "algılayanın" varlığına bağlı idi.

Amit Goswami, bu gerçeği şu şekilde tanımlamıştı:

Şunu sorduğumuzu varsayalım: Yukarıya bakmadığımızda da Ay hala yerinde midir? Ay, sonuçta bir kuantum objesi olduğu için (tamamen kuantum objelerinden oluştuğu için), fizikçi David Mermin'in de belirttiği gibi buna hayır demeliyiz.

Belki de en önemli ve çocukluğumuzda özümsediğimiz en sinsi zan, dışarıda var olan objelerin maddesel dünyasının, gözlemleyenlerin oluşturduğu objelerden bağımsız olduğudur. Bu zannın lehinde dolaylı kanıtlar bulunmaktadır. Örneğin biz Ay'a baktığımızda, onun klasik olarak hesaplanmış yörüngesinde olmasını beklediğimiz yerde buluruz. Doğal olarak, biz ona bakmasak bile, zaman-mekan kavramı içinde Ay'ın mutlaka orada olduğunu zihnimizde tasarlarız. Kuantum fiziği ise buna hayır der. Biz Ay'a bakmadığımızda, her ne kadar çok küçük miktarlarda da olsa, Ay'ın olası dalgaları yayılır. Biz ona baktığımızda, dalga hemen söner ve dalga artık zaman mekan kavramı içinde olmaz. İdealist bir metafizik varsayımı belirtmek daha anlaşılır olacaktır: Eğer ona bakan bilinçli bir kişi bulunmuyorsa, zaman mekan kavramı içinde hiçbir obje yoktur.

Bu elbette bizim algı dünyamız için geçerlidir. Elbette dış dünyada Ay'ın varlığı aşikardır. Ama biz baktığımızda ancak Ay'ın kendi algı dünyamızdaki varlığı ile karşılaşırız.

Kaliforniya Üniversitesi'nden nörobilimci ve psikiyatri profesörü Jeffrey M. Schwartz ise, kuantum fiziğinin gösterdiği bu gerçekle ilgili olarak The Mind and The Brain (Zihin ve Beyin) kitabında şu satırlara yer vermiştir:

Kuantum fiziğindeki gözlem güçlü bir şekilde ifade edilememektedir. Klasik fizikte (Newton fiziği) gözlemlenen sistemler, onu gözlemleyen ve araştıran bir bilincin varlığından bağımsız olarak bir varlığa sahiptir. Ancak kuantum fiziğinde, yalnızca gözlemleme sonucunda fiziksel bir niceliğin gerçek bir değeri olur.

Jeffrey M. Schwartz, çeşitli fizikçilerin konuyla ilgili yorumlarını ise şu şekilde özetlemiştir:

Jacob Bronowski'nin "The Ascent of Man" kitabında belirttiği gibi: "Fizik bilimlerinin bir amacı, maddesel dünyanın tam bir görüntüsünü vermekti. 20. yüzyılda fizikteki en büyük başarılardan biri ise, bu amacın elde edilemez olduğunu kanıtlamak oldu."

Heisenberg'e göre ise, objektif gerçeklik "buhar olup uçmuştur". 1958 yılında şunları itiraf etmiştir:

"Kuantum teorisinde matematiksel olarak formüle ettiğimiz doğanın kanunları, artık doğrudan parçacıklarla ilgili değildir, parçacıklar hakkındaki bilgimizle ilgilidir."

Bohr ise, "Fiziğin görevinin, doğanın nasıl olduğunu bulabilmek olduğunu düşünmek yanlıştır. Fizik, doğa hakkında bizim ne söyleyeceğimizle ilgilidir." demiştir.

Ülkemizde de gösterilen "What the Bleep Do We Know" (Ne Biliyoruz ki?) belgesel filimindeki konuk fizikçilerden Fred Alan Wolf ise bu gerçeği şu şekilde tanımlamıştır:

Nesneleri oluşturanlar, daha fazla nesneler değildir. Nesneleri oluşturanlar fikirler, kavramlar ve bilgidir.

80 yıl süren insan zekasının gerçekleştirebileceği en ilginç ve hassas deneylerden sonra kesin ve bilimsel olarak ispatlanmış olan kuantum fiziğine karşı hiçbir karşıt görüş yoktur. Yapılmış deneylerin getirdiği sonuçlara önerilebilen bir karşıt görüş de yoktur. Kuantum teorisi, yüzlerce farklı yönden mümkün olan her türlü denemeye tabi tutulmuş ve bilim adamlarının geliştirdiği her türlü testi geçmiştir.21 Sayısız bilim adamına Nobel ödülü kazandırmıştır ve hala kazandırmaktadır. Koşulsuz olarak tek gerçek şeklinde kabul edilmiş Newton fiziğinin getirdiği en temel kavramı, mutlak madde kavramını ortadan kaldırmıştır. Eski fiziğin destekçileri, maddenin tek ve gerçek varlık olduğuna inanan materyalistler, kuantum fiziğinin getirdiği "maddesizlik" gerçeği karşısında gerçek bir bocalama yaşamışlardır. Artık tüm fizik yasalarını metafizik içinde aramak zorundadırlar. Bu büyük şok, 20. yüzyıl başlarında, materyalistlere, şu an bu satırlarda tarif edilemeyecek kadar büyük bir şaşkınlık yaşatmıştır. Kuantum fizikçisi Bryce Dewitt ve Neill Graham bu durumu şu şekilde tarif etmektedirler:

Modern bilimin hiçbir gelişmesi, insan düşüncesi üzerinde kuantum teorisinin ortaya çıkışından daha derin bir etki bırakmamıştır. Yüzyıllar boyunca oluşan düşünce kalıplarından acı çeken bir kuşak öncenin fizikçileri, yeni bir metafiziği kucaklamak zorunda kaldılar. Bu yeni yönlenmenin yol açtığı sıkıntı günümüze kadar devam etti. Temel olarak fizikçiler ciddi bir kayıpla karşılaştılar: Gerçeğe olan bağlılıklar.

Kuantum Işınlanma Rekoru Kırıldı! Peki Sırada Ne Var?

Uluslararası araştırmacılardan oluşan bir ekip, Kanarya Adaları'ndan La Palma ve Tenerife arasında bir kuantum bitini (qubit) tam 143 km'lik uzaklığa ışınlamayı başardı. Dikkate değer olan bu uzaklık aynı zamanda alçak yörünge uydularının dünyaya olan uzaklığına eşit. Yani başka bir deyişle artık teorik olarak uydu tabanlı bir kuantum iletişim ağının kurulmaması için hiç bir sebep kalmadı. Işınlanma denildiğinde aklınıza hemen Star Trek ve Chocolate Factory'deki ışınlanma sahneleri gelmesin. Fakat konsept hemen hemen aynı. Temel olarak bilim adamları La Palma'da bazı fotonları yoğunlaştırarak çok güçlü bir lazer yardımıyla bu fotonlardan birini Tenerife'deki alıcıya gönderiyor. Daha sonra bu ilk fotonun kuantum seviyesi değiştiğinde, ikinci fotonun kuantum seviyesi de 143 km uzakta olmasına rağmen herhangi bir gecikme olmaksızın ışıktan daha hızlı bir şekilde değişiyor. Yani burada fiziksel bir maddenin ışınlanmasından değil, maddelerin kuantum seviyelerinin transferinden bahsediyoruz.

Peki Bu Rekorun Bize Ne Faydası Olacak?

Bununla ilgili en basit uygulama kuantum kriptografi. Kuantum mekaniği kanunlarına göre kriptografik bir anahtarı güvenli bir şekilde transfer etmenin en iyi yolu bir çift yoğunlaştırılmış foton kanalı olarak kabul ediliyor. Bu şekilde yapılan bir transferin herhangi birisi tarafından izlenmesi fiziksel olarak imkansız oluyor. Bu özellikleriyle uydu tabanlı kuantum iletişim ağı, devletlerin yüksek güvenlikli iletişim sırasında kullanmak isteyecekleri bir teknoloji gibi görünüyor. Ayrıca bu kuantum iletişim ağı uzun vadede kuantum bilgisayarlar tarafından oluşturulacak ana internet omurgasının altyapısını sağlayabilir.

Teorik olarak kuantum ağına bağlı olan her işlemci ya da bilgisayar yoğunlaştırılmış fotonlar aracılığıyla bu ağdaki diğer tüm bilgisayarlara anında bağlanabilir. Bir sonraki aşama ise ışınlanan qubitleri alabilen ve iletebilen bir uydu fırlatmak olabilir. Bu tabi ki kolay bir işlem değil ve büyük ihtimalle önümüzdeki bir kaç yılda olamayacak, fakat buna rağmen teknoloji hızla ilerliyor. Sadece iki yıl önce Çinli araştırma ekibinin kuantum ışınlanmasında kırdığı rekor 16 km iken, bu yılın ilk çeyreğinde kendi rekorlarını kırarak fotonları 97 km uzağa ışınlamışlardı. Ve şimdi bir kaç ay sonra bu rekor 143 km'ye taşındı. Gelişmeler bu hızda devam ederse belkide yazıda bahsettiğimiz şeylere çok da uzak değiliz.

Kuantum Fiziği, Kaos ve Sinirbilimleri

Kuantum Dünyası

Kuantum fiziği, çağdaş bilimin en önemli buluşlarından biri (belki de en önemlisi) olarak kabul ediliyor. İlk başta, atom çapı ve daha küçük mesafelerle ifade edilen boyutlarda, klasik fiziğin bulgularının geçerli olmadığının ortaya çıkması, daha sonra çok önemli felsefi ve bilimsel çıkarımlara yol açacak olan kuantum fiziğinin doğmasına neden oldu. Artık basit ve “başlangıç şartları bilindiğinde” tüm geleceği hesap edilebilen “makinemsi” evren anlayışı, yerini yavaş yavaş, parçacıkların aynı zamanda “dalga” gibi davrandığı, aynı anda bir kaç şekilde ve yerde bulunduğu, aralarında ışık hızından daha yüksek hızlarla (aslında zamansız ve gecikmesiz olarak) haberleştikleri, bulunmamaları gereken yerlerde birden beliriverdikleri ve artık, kesinlikler yerine ihtimallerin ve istatistiksel verilerin hüküm sürdüğü bir evren anlayışına bırakmaya başladı. Bundan böyle, bilinen her şeyin en azından yeniden yorumlanması gerekecekti.

Newton fiziğinin aksine, kuantum düşüncesi, bir kişinin parlak birkaç fikrinden ziyade, bir çok bilim adamının ortak katkısıyla ve bir çok deneyin sonuçlarının ortak bir çerçevede yorumlanma çabasıyla şekillenmiştir ve hala da gelişimini (hatta belki de emeklemesini) sürdürmektedir. Büyük fizikçi Einstein, genel ve özel görelilik kuramlarını ortaya attığında, bu günkü kuantum fiziğinin de temellerini attığını muhtemelen bilmiyordu. O, çağdaşları ve ardından gelen bir çok önemli bilim adamı, çok önemli katkılarla kuantum fiziğini bu gün bilnen sonuçlarına ulaştırdılar. Kurucuların önemlilerinden bazıları; Albert Einstein, Max Planck, Paul Dirac, Erwin Schrödinger, Wolfgang Pauli ve Warner Heisenberg gibi adlarını bilim tarihine kazımış ünlü simalardır. Bu bilim adamlarının bir kısmı (özellikle Schrödinger ve Einstein) kuantum kuramının temellerini atan parlak buluşların bizzat sahipleri olmalarına rağmen klasik Newton mekaniğine bilinçaltı bir şartlanmadan mıdır bilinmez- kuantum fiziğinin “saçma-sapan görünen” sonuçlarını bir türlü kabullenemediler. Hatta Schrödinger’in, kuantum fiziğine yaptığı katkılardan pişmanlık duyduğu bile anlatılır.

Şimdi, kuantum kuramının bazı temel bulgularından ve bunların sinir bilimlerini ilgilendiren muhtemel yorumlarından bahsetmeye çalışalım. Fakat okuyucuyu öncelikle uyarmak isterim: Kuantum fiziğinin kurucularından Warner Heisenberg anılarını anlattığı kitabında, Danimarka’nın başkenti Kopenhag’da, parçacık fiziği üzerine yoğun çalışmalar yaptığı günlerden birinin akşamında, göl kıyısında yaptığı bir gezinti sırasında, kendi kendine “Evrenin, deneylerde bize göründüğü kadar saçma olabilmesi mümkün mü?” diye sorduğunu yazar. Kuantum fiziğinin bir başka büyük ismi Niels Bohr ise, “birisi kuantum fiziği hakkın düşünürken zihni allak-bullak olmuyorsa, onu hiç anlamamış demektir” diyerek, konunun sağduyuya ne kadar aykırı olduğunun altını çiziyordu. İşte konumuz, hayatını bu bilim dalına adamış bilim adamlarını bile kimi zaman umutsuzluğa sevkedecek kadar çetrefilli ve sağduyuya ters bir takım düşünce ve bulgular üzerine kurulu (bendeniz örneğin; asla tam olarak anlamış değilim!). Fakat artık, evreni yeni bir gözle görmemiz için tüm insanlığı çağıran bu davete, en azından ben cevapsız kalamadım.

Kuantum Kuramı Hakkında Kısa Bilgiler

Maddenin aslında yoğunlaşmış enerjiden oluşan atom altı parçacıklardan kurulu olduğunu Einstein’dan beri biliyoruz. Ünlü E=mc formülü bize, madde ve enerjinin (birbiri ile devamlı ve birbirine dönüşebilen anlamında) “eşdeğer” olduğunu göstermişti. Bu devrimsel eşitliğin ortaya çıkması ile neredeyse eş zamanlı olarak yapılan deneylerin ise ışığın bazen dalga, bazen de parçacık gibi davrandığını göstermesi, o güne kadar var olan ön kabullerin yıkılması anlamına geliyordu. Madde, enerjinin akıl almaz biçimde yoğunlaşmış bir haliydi aslında; zira Einstein’ın o ünlü formülün anlamı kısaca, maddenin, gram olarak kütlesinin saniyede 300 bin kilometrelik ışık hızının karesi ile çarpılmasına denk bir enerjiye sahip olduğudur. Bu, yüzyıllardır maddenin doğasına dair kazanılmış en önemli bilimsel iç görülerden de birisidir aynı zamanda. Bu şaşırtıcı özelliğin fark edilmesinin hemen ardından, ışık üzerinde yapılan deneylerin ilginç sonuçları fizik alemini yeni tartışmalara sürüklüyordu.

Kuantum kuramının temel uzunluk birimi Planck uzunluğudur. 1900 yılında Max Planck enerjinin kuanta adını verdiği temel birimlerden oluştuğunu keşfetti ve bu, kuantum kuramını başlattı. Buna göre zaman ve uzay, sonsuza kadar bölünemez. Bu uzunluk, Bir metrenin 1035 te biri kadardır ve ışığın bir Planck zamanında kat ettiği yola eşittir. Bir metre, 100.00.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000 tane planck uzunluğuna eşittir.

Planck; değişmeziyle çözüme deneysel verileri matematiksel olarak dile getiren masum bir formül gözüyle bakıyordu. Oysa, "" dediği bir enerji paketi ile bir dalga frekansı arasındaki ilişkiyi belirleyen denklemi (E = h.f), bilimde yeni bir devrimin temel taşıydı Denklemde E enerjiyi, f radyasyon frekansını, h ise "Planck değişmezi" denen sayıyı Joule- saniye) göstermektedir. Buna göre, bir enerji u, dalga frekansıyla Planck değişmezinin çarpımına eşittir (ışık hızı gibi doğanın temel değişmezlerinden sayılan h, herhangi bir radyasyon enerji miktarının dalga frekansına orantısını simgelemektedir).

Planck sabiti, kuantum mekaniğinde aksiyonun temel birimi (kuantumu) olarak düşünülebilecek bir sabittir. Adını fizikçi Max Planck'tan alır. Değeri Jul x saniye cinsinden:


Parçacığın enerjisi ve hc ifadesi
Frekansı v olan bir fotonun enerjisi formülüyle hesaplanabilir. Fotonun hızı c olduğu için frekansı şeklinde yazılabilir. Bu sayede enerji ifadesi: haline dönüşür. Böylece dalga boyu bilinen bir ışığın enerjisinin hızlıca hesaplanabilmesi için hc ifadesinin hesaplanmış büyüklüğü,


Özetle; ışık, daha doğrusu ışığı oluşturan ve “foton” adı verilen ışık parçacıkları, bazı durumlarda bir parçacık gibi davranırken, başka bazı deney şartlarında adeta bir dalga gibi davranıyordu. Özellikle fizikte ısıtılan cisimlerin yaydığı fotonları inceleyen bilim adamları, yaptıkları hesapların anlamsız sonuçlarıyla boğuşuyor; “morötesi felaket” denen bir hesap anlamsızlığı üzerine kafa yoruyorlardı. Bu tuhaflığı ortadan kaldıran ilk fikir Max Planck’tan geldi. Plank, ışığın, veya ışığı oluşturan fotonların belli bir “en küçük dalga paketleri” halinde yayılması gerektiğini düşünerek, içinden çıkılmaz görünen denklemleri mantıklı ve deneylerle uyumlu bir çözüme ulaştırmayı başardı. O zamana kadar ışık fotonlarının her değerde enerji taşıyabileceği düşünülürken, Planck, olası en küçük enerji paketçiği kavramını ortaya atarak buna (latince “miktar” anlamında) “quanta” adını verdi. İşte bu fikir, kuantum fiziğinin doğuşunu başlatan bilimsel keşif oldu (fizikteki meşhur “Planck sabiti” de işte bu fotonların enerjisini hesaplamakta kullanılan formüllerin bir parçası olarak ortaya çıktı). Bu fikir aslında herhangi bir deneysel sonuca doğrudan dayanmayan, sadece “eğer öyle olsa nasıl olurdu” varsayımıyla Planck’ın zihninde beliren parlak bir fikirdi. Fakat bu parlak fikir hem denklemleri anlamlandırdı; hem de o güne kadar kimsenin düşünmediği yepyeni bir fikrin, kauntum kuramının kapısını açtı. 

Tüm bunlara rağmen, esas sorun hala orta yerde duruyordu: Işık nasıl olup da bazen dalga bazen de parçacık gibi davranabilirdi? Deneyler ilerledikçe daha garip sonuçlar ortaya çıkmaya başladı: Işığın dalga benzeri davranış gösterdiği deneylerde, foton parçacıkları tek tek tespit edilmeye çalışıldığında ışık aniden davranış değiştiriyor ve sanki “gözlendiğini anlıyormuşçasına” parçacık davranışına geri dönüyordu! Daha sonraki çalışmalar bu ikiliğin sadece fotonlar için değil, elektronlar, atom çekirdeğinin proton ve nötron gibi yapıtaşları ile birlikte, yeterince küçük kütleli tüm parçacıklar (hatta 60 karbonlu “kocaman” fulleren molekülü için bile) için geçerli olduğunu gösterdi.

Bu deneysel sonuçları anlamlı bir çerçevede birleştiren kişi ise Fransız fizikçi Louis de Broglie oldu. De Broglie, her kütleye eşlik eden bir dalganın var olması gerektiğini göstererek, maddeye eşlik eden bu dalga özelliğinin kütle azaldıkça belirgin etkiler gösterebildiğini ortaya koydu. Bu gün, maddesel bütün nesnelere eşlik eden bu dalga özelliğine “De Broglie Dalgası” adını veriyoruz. Artık sadece madde-enerji eşlenikliğini değil, maddenin aynı zamanda bir çeşit “dalga” olduğu fikrini de sindirmemiz gerekiyordu!

Bu garip “ikili davranış”, Heisenberg’in belirsizlik ilkesi ile birlikte ilginç bir durum kazandı. Heisenberg, herhangi bir anda, bir parçacığın hem hızının (momentum) hem de konumunun aynı anda belirlenemeyeceğini ortaya koydu ve bunu formülleştirdi. Buna göre, bir parçacığın hızını belirlemeye çalıştığınızda konumu; aksi durumunda da hızı, belli bir miktar (en az Planck sabiti kadar) belirsizleşiyordu.

İlk önceleri, Einstein dahi bu fikirden hoşlanmamış ve bunun ölçüm araçlarının yetersizliğinden kaynaklandığını söylemişti. Belirlenemez bir evren fikrinin, evreni “belirlemeye” çalışan bilimcilere ters gelmesi pek de beklenmeyen bir sonuç değil. Fakat ilerleyen çalışmalar ve bunların sonuçlarının değerlendirilmesi, belirsizlik ilkesinin, ölçüm araçlarının yetersizliğinden değil, bizatihi, evrenin yapı taşlarının özelliklerinden kaynaklandığı ortaya çıktı. Artık “gözlemci” gözlenenden ayrı olarak kabul edilemeyecekti. Çünkü, gözlemcinin yaptığı seçim (yani neyi gözlemlemek veya ölçmek istediği) artık doğrudan gözlemin sonuçlarını belirliyordu. Yani artık, gözlenen ve gözlemci, aynı bütünün parçaları oldukları ve parçalara bölünerek (indirgenerek) daha fazla baş edilemeyecek olan bir bütüncül (holistik) anlayışa doğru fırlatılıyorlardı. Zira artık biliyoruz ki, bir şeyi asgari düzeyde etkilemeden gözlemenin bir yolu yoktur. En azından, “görebilmek” için ona bir “foton” göndermelisiniz ki bu küçücük gözüken etki, küçücük atomaltı parçacıklar için oldukça büyük bir etkidir.

Kuantum kuramında, her mikroskobik parçacık, bir dalga fonksiyonu (Schrödinger dalga denklemi) ile tanımlanır. Bu denklem kısaca, parçacığın bulunabileceği durumlara ait tüm olasılıkların bir kümesini içerir ve parçacığın o an ve haldeki “kuantum durumunu” verir. Kuantum durumu, olası bütün durumların üst üste bulunduğu ve gerçek dünyada tanık olmadığımız özel bir haldir aslında. Normalde, makroskobik sistemleri oluşturan tüm bileşenler (parçacıklar) kendilerine has ve sürekli değişen farklı dalgasal olasılıklara sahiptirler. Bunu bir benzetmeyle açıklamaya çalışalım: Örneğin bir elektronun bulunduğu konumu belirlemek istiyoruz. Elektron, dalga fonksiyonunun etkisini belirgin biçimde hissettirebileceği kadar küçük kütleli bir parçacık olduğu için, elektronun bildiğimiz anlamdaki “yeri” yerine belli bir mekanda bulunma olasılığı ancak saptanabilir. Elektronun bulunma ihtimalinin güçlü olduğu yerlerde dalga fonksiyonu kuvvetli bir ihtimal verirken, bulunma olasılığının zayıf olduğu yerlerde ise ihtimaller daha düşük olarak hesaplanır.

Aslında bu sonuç, herhangi bir nesnenin dalga fonksiyonunun belki de tüm evrene yayılmış olduğu; fakat ihtimaller neticesinde “belli bir yerde bulunma olasılığının” o an için daha güçlü olduğu ve dolayısıyla “büyük ihtimalle” orada bulunduğu şeklinde anlaşılabilir. Kısacası, ölçümlerimizdeki kesinlik, büyük kütleli maddi dünyadan devşirdiğimiz gözlemlere dayanan bir yanılsamadır aslında! Örneğimizi şu anda bu yazıyı okuyan sizi genişletecek olursak, maddi bir varlık olarak siz, evrenin her köşesinde bulunma olasılığına sahip (kocaman) bir bileşik dalga fonksiyonu ile ifade edilebilirsiniz fakat değişkenlerinizin ortaya çıkardığı baskın ihtimal sayesinde şu anda bulunduğunuz konumda olma ihtimaliniz en yüksektir. Dolayısıyla “genellikle” oradasınızdır. Kütle arttıkça bu kesinlik de artar ve hesaplama sonuçları klasik fizikten bildiğimiz sonuçlarla aynı hale gelir. Bu yüzden bir insanın konumunu fiziksel olarak belirlemekte bir zorluğumuz yoktur. Makro alemde kuantum etkilerinin ihmal edilebilmesi de bu nedendendir.

Tek tek ve çok küçük kütleli parçacıklar düzeyinde, bu dalga fonksiyonundan dolayı kuantum etkileri geçerliyken, makroskobik düzeyde, sistemleri oluşturan parçacıkların dalga işlevleri, “istatistiksel” olarak klasik mekaniğe uyumlu sonuçlar verirler. Bildiğimiz günlük dünyada kuantum etkilerinin neredeyse ihmal edilebilir düzeyde olmasının temel nedeni de işte maddenin bu istatistiksel tabiatıdır. Normal koşullarda kuantum etkilerini makroskobik günlük hayatımızda doğrudan gözlemleyememekteyiz. Fakat bu durumun da bazı istisnaları var (örneğin biraz ileride açıklanacak olan Bose-Einstein Yoğunlaşmaları gibi).

Schrödinger’in Kedisi

Dalga fonksiyonunu formülleştiren Erwin Schrödinger, sonradan çok ünlü olacak bir düşünce deneyi tasarladı. Bu deneyde, bir kedi, kapalı bir kutunun içine yerleştiriliyor ve yanında da, uranyum gibi beta bozunması yapan radyoaktif bir maddenin yapacağı ışınıma bağlı olarak çalışan bir mekanizma yerleştiriliyordu. Bu mekanizmaya göre, eğer yayılan beta parçacığı, detektöre çarparsa, harekete geçecek olan bir mekanizma (örneğin yaylı bir çekiç) tarafından kırılan zehir şişesinden yayılacak olan zehirli bir gaz kediyi öldürecek, beta parçacığı yayılmazsa, kedi canlı kalacaktır. Eğer dışarıdan bir gözlemci, kutunun içerisini görmeden bir tahminde bulunursa, (beta bozunumu olasılığı, öngörülemez bir biçimde %50 olduğundan) kedinin canlı mı yoksa ölü mü olduğunu söyleyemeyecektir. Ona göre, kedi %50 canlı, %50 ise ölüdür. Yani, kedi eşit oranda canlı ve ölü olma şansına sahiptir. Aslında sadece bu kadar da değildir; kedinin yaşaması tamamen kuantum dünyasındaki bir sürece (atom çekirdeğindeki parçalanmaya) kilitlendiğinden, aynen kuantum dünyasında olduğu gibi, gözlenmediği takdirde “kedimiz aynı anda hem canlı hem de ölüdür”! Daha doğru bir ifadeyle, kutudaki kedi, canlı ve ölü durumların üst üste ve birlikte bulunduğu bir binişme (süperpozisyon) durumundadır!

İşin tuhafı, kedi görülmediği (gözlemlenmediği) sürece, her iki olasılık da aynı oranda gerçektir. Eğer gözlemci, gidip kutuyu açarsa, işte bu durumda, kedi “ya ölü, ya da canlı” olarak karşısına çıkacaktır ki, gözlemcinin bu müdahalesi, ortam şartlarını değiştirmiş ve olasılıklardan birinin “gerçekleşmesine” neden olmuştur. İşte, gözlem sonucu ortaya çıkan ve belki de maddi dünyayı algılama biçimimize temel olan bu durum “dalga işlevinin çökmesi” (collapse of the wave function) olarak bilinir. Kutu açıldığı ve kedi gözlemlendiğinde, kedinin ölü veya diri olma şansları eşittir. Kutu açılmadan önceki durum için, kuantum fizikçileri, kedinin hem ölü, hem de canlı olduğu bir üçüncü olasılığın da var olması gerektiğini söylerler (Bu düşünce deneyi çok kaba olarak, mikroskobik bir hadiseyi makroskobik boyuta taşımak için düşünülmüştür; gerçekte böyle bir deney yapılamaz; çünkü, hem bu kadar yalıtılmış bir ortam yaratmak mümkün değildir; hem de kedinin aynı anda hem canlı-hem de ölü olduğu bir durum makroskopik dünya için açık bir çelişkidir). Böyle bir olasılık, aynen elektronlarda, fotonlarda ve diğer tüm atom altı parçacıklarda gözlenen ikili (hem dalga hem parçacık) yapıdan kaynaklanan dalga işlevinin bir özelliğidir ve evrenin temel kanunlarından birini oluşturur. Gözlemci devreye girdiğinde ise, algılanamaz olan bu durum, algılanabilir olan iki (ya da daha fazla) olasılıktan birine doğru “çöker”. Halbuki bizim bildiğimiz “klasik” (Newtonian/Newton’cu) sistemler böyle çalışmazlar. Newton’cu evrende bir şeyi gözleseniz de gözlemeseniz de, her şey belli ve basit kurallara bağlı bir şekilde (deterministik bir tarzda) davranmak durumundadır.
Dalga fonksiyonunun çökmesi meselesi, Schrödinger’in kendisine bile saçma gelmiş ve anlatılanlara göre daha sonraları bu tip yaramaz düşünce deneylerinden mümkün olduğunca uzak durmuştur. Fakat ilerleyen deneysel çalışmalar, bu sürecin açık bir gerçek olduğunu gösterdi.

Kuantum Tünelleme

Kuantum aleminin bir başka garipliği, küçük maddi parçacıkların aslında bulunmamaları gereken yerlerde birdenbire gözlenivermeleridir. Biraz evvel Schrödinger’in Kedisi deneyinde bahsedilen çekirdek bozunumu tepkimeleri, aslında kuantum tünelleme denen bu garip etkiye dayanır.
Atomun çekirdeğini oluşturan proton ve nötron gibi bileşenler, normal şartlarda atom çekirdeğini bir arada tutan çekirdek kuvvetlerini aşarak serbest hale geçemezler. Fakat ışımaetkin (radyoaktif) atomlarda bu olay kendiliğinden gerçekleşir ve her nasılsa, bazı atom çekirdeği elemanları, etraflarındaki enerji engelini hiç çaba harcamadan geçip, atom çekirdeğinden kurtulurlar (radyoaktif ışıma denen şey de tam olarak budur). Hadisenin garipliğini anlamak için, diğer insanlarla birlikte içinde bulunduğunuz büyük bir salonda, sizinle birlikte bulunan insanlardan bazılarının duvarlara yaslandığını, veya dolaşırken duvarlara tosladıklarını; fakat bunların da bazılarının kendiliğinden duvarın diğer yanına geçiverdiğini gördüğünüzü düşünün. Evet, bir insanın kalın bir beton duvarın içinden geçmesi ne derece akıl almaz ise, çekirdekteki parçacıkların bu kadar düşük enerji ile çekirdeği terkedebilmeleri de aynı derece şaşırtıcıdır. Bu etki, nadir durumlarda gözlenen istisnai bir olay da değildir; ışıma yapan (radyoaktif) tüm atom çekirdeklerinde görülür.
Tünellemenin açıklaması aslında Schröndinger’in dalga fonksiyonunda gizlidir. Dalga fonksiyonunun istatistiksel olarak bir atom altı parçacığın bulunabileceği yerleri ifade ettiğini görmüştük. Çekirdekte bulunan bir parçacığın dalga fonksiyonu incelendiğinde, düşük bir olasılıkla da olsa çekirdeğin dışında “bulunabileceği” sonucu ortaya çıkmaktadır. Bir başka deyişle, parçacığın olasılık dalgasının ufak bir kısmı, çekirdeğin etrafındaki enerji kalkanının dışına ulaşır. İşte bu sayede, az sayıda da olsa atom altı parçacık, bu istatistiksel kurala uygun olarak “duvarın diğer tarafında” beliriverirler. Yine bu tip kuantum etkileri büyük ölçekli dünyamızda etkilerini hissettiremediklerinden, bizler büyük nesnelerin böyle engelleri kendiliklerinden aştıklarına şahit olmayız. Bu “gariplikler” ancak, kütlelerin çok küçük olduğu ve dalga fonksiyonlarının etkisinin derinlemesine hissedildiği kuantum dünyasında geçerlidir.

D. EPR Paradoksu, Kuantum Dolaşıklığı (Entanglement)

Kuantum dünyasının bilim adamlarını en çok bunaltan özelliklerinden birisi de dolaşıklık (entanglement) olarak bilinen özelliktir. Atom altı parçacıklar bazen yüksek enerjili bir çarpışmaya maruz kaldıklarında, birbirinin eşi (fakat bazı özellikler açısından zıddı) parçacık çiftleri üretirler. Bu parçacık çiftleri, bazı özellikleri açısından birbirlerini tamamlamalıdırlar. Örneğin, fizikteki ünlü “momentumun korunumu” kanunu gereği, “spin” olarak bilinen ve bizim dünyamızdaki açısal momentuma (yahut daha basitçe dönmeye bağlı merkezcil itmeye) benzeyen bir parçacık özelliği, oluşan yeni iki parçacıkta tam zıt yönde olmalıdır. Parçacıklardan birisi bir yönde spine sahipse, eşi onun tam zıddı spine sahip olmalıdır. Buraya kadar aslında pek bir sorun yok.
Sorun, aynı kaynaktan ayrılan eş-parçacıklar üzerinde yapılan gözlemlerle başlar: Belirsizlik ilkesi ve dalga fonksiyonu gereği, birbirinden ayrılan parçacıkların spinleri birbirine zıt olsa da, bu spinler ölçülmediği/gözlenmediği sürece “gizli”dir ve her parçacık için her iki spin durumunun da birlikte bulunduğu bir kuantum binişiklik (süperpozisyon) durumu söz konusudur. Fakat parçacıklardan bir tanesinin spinini ölçerseniz ilginç bir şey olur: Diğer parçacık, berikinde ölçtüğünüz spinin tam tersi bir özelliği gösterecek şekilde anında “değişir”! (Buradaki değişir ifadesi tam doğru olmamakla birlikte, günlük dilde bu durumu anlatabilecek daha uygun bir kelime de yoktur maalesef). İsterseniz bu iki eş parçacığı evrenin iki farklı köşesine gönderin, kuramsal olarak bunların birinde yaptığınız bir ölçüm, zamansız olarak, yani anında, diğer parçacığı bir şekilde “etkiler”. Ölçüm yapmak “dalga fonksiyonunu çökertir ve bu çökme, paçacıkların her ikisinde de aynı anda, fakat zıt yönlerde gerçekleşir.

Eğer Einstein’in devrimci “Görecelik” (relativite) fikrine yabancı değilseniz buradaki sorun hemen göze çarpar. Einstein’in görecelik kuramı, ışık hızını en üst hız olarak belirler ve evrende hiç bir şeyin ışıktan hızlı hareket edemeyeceğini söyler. Bu sınır, bir çok deney ve gözlemle kanıtlanmış bir gerçektir. Fakat bu deneyde, aralarındaki mesafeden bağımsız olarak “anında” haberleşebilen parçacıklardan bahsediyoruz! Hiç bir şey ışıktan hızlı gidemeyeceğine göre, taneciklerden birisi üzerine yapılan bir ölçüm etkisi nasıl olur da anında diğer eşine iletilebilir? İşte bu nokta, başta Einstein olmak üzere bazı klasik fizikçiler şiddetle itiraz ettiler ve buradaki deneysel sonuçları kabullenemediler.

Bu olayın bir başka sonucu, inceleme yaptığınız sistemlerin bir başka sistemle “dolaşık” (entangled) olması durumunda, incelediğiniz sistem hakkında elde edeceğiniz bilgilerin sınırlı olacağıdır. Dolaşık sistemlerin tümüne etkiyen faktörlerin hesaba katılmadığı durumlarda öngörü ve hesaplanmalardaki yanılma payı da o oranda artacaktır. Hatta evrenin ilk varoluşundaki Büyük Patlama’nın aslında evrendeki tüm maddelerin çıkış noktası olduğu düşünülürse, maddenin yapıtaşını oluşturan tüm bileşenlerin, evrenin neresinde olurlarsa olsun belli bir derecede “dolaşık” olduklarını düşünmek de mümkündür. Dolayısıyla, bunca gariplikten sonra, kuantum fiziğinin ilgilendiği sistemler hakkında tamamlayıcı ve nesnel (objektif) bir sonuca varmak çok da kolay gözükmüyor.

Kuantum Eş durumluluğu (coherence) ve Bose-Einstein Yoğunlaşmaları

Uygun koşullar sağlandığı takdirde, bazı özel makroskobik sistemleri oluşturan elemanlar birdenbire, son derece ahenkli bir “dans” içine girip, birbirlerinin tıpatıp aynısı olan ortak bir dalga fonksiyonuna göre “eş durumlu” (coherent) hale gelebilmekteler (örnek olarak aynı müzikle ritim tutan bir stadyum dolusu insanı düşünebilirsiniz). Bunun sonucunda da, parçacıkların ahengini sağlayan o minicik kuantum olasılık etkileri, makroskobik bir karakter kazanıp görünür hale gelirler. Bu sistemler, böyle bir olayı birbirlerinden bağımsız olarak tahmin eden Hintli fizikçi Bose ile Einstein’ın adlarına hürmeten “Bose-Einstein yoğunlaşmaları” (condansate) olarak bilinirler.

Bose-Einstein yoğunlaşmalarının en ünlü örneklerinden birisi, “üstün iletkenler”dir. Üstün iletkenlik, normalde elektrik akımına karşı bir direnç göstererek elektrik akımının geçmesi sırasında ısı oluşturarak akımın sönümüne yol açan iletkenlerin, soğutulduklarında (yaklaşık - 200 dereceye kadar) akıma karşı neredeyse sıfır düzeyde direnç göstermeleri şeklinde ortaya çıkan bir hadisedir. Böyle bir üstün iletkende ilerleyen akım, teorik olarak yüzlerce yıl boyunca herhangi bir sönüme uğramadan yoluna devam edebilir. Teorik olarak, elektrik akımına karşı oluşan direnç, iletkeni oluşturan atomların rastgele hareketlerinden kaynaklanmaktadır ve bu rastgele titreşimler de parçacıkların farklı dalga işlevleri ile yakından ilişkilidir. Böyle bir sistem soğutulduğunda, atom ve molekül hareketleri gittikçe azalacak ve mutlak sıfır (-278 santigrat) noktasında tüm sistemi oluşturan parçacıklar aynı dalga işlevine sahip bir Bose-Einstein yoğunluğu oluşturarak “eş durumlu” bir sistem haline dönüşeceklerdir. İşte bu sayede elektrik akımına karşı gösterilen direnç son derece azalacak ve “üstün iletkenlik” durumu ortaya çıkacaktır. Bildiğim kadarıyla, daha yüksek sıcaklıklarda çalışabilecek üstün iletkenler üzerine çalışmalar hızla sürmekte ve muhtemelen ilerideki kuantum bilgisayarlarının temelini de bu tip devreler oluşturacak. Zira oda sıcaklığında eş durumlu halde bulunabilen bir malzemeyle yapılabilecek bir süper-iletken devrenin teknolojik sonuçları, hayallerimizin ötesinde olacaktır.

Bir başka bilinen örnek, “lazerler” olarak bildiğimiz yüksek enerjili ışınlardır (LASER: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation; Uyarılmış ışıma yayılması ile ışık yükseltmesi). Lazerler genellikle yakut gibi maddelerin atomlarının bombardımana tutularak ışık fotonları çıkartması esasına dayanır. Bir lazerde, ışık huzmesini oluşturan tüm fotonlar, aynı dalga işlevini paylaşan “eş durumlu” bir sistemin elemanlarıdır. Bu sayede lazer ışınları, binlerce kilometre yol aldıkları halde, normal bir ışık huzmesinde gözlenen dağılma hadisesini göstermezler ve yoğunluklarını büyük ölçüde korurlar. Bu da lazer ışının Bose- Einstein yoğunlaşması karakteri taşıması ile açıklanır.

Az bilinen bir diğer örnek ise sıvı helyum’un “üstün akışkan” halidir. Burada da yine sistemi oluşturan helyum atomları bir Bose-Einstein yoğunlaşması gibi davranarak, akışa karşı normal bir akışkanın göstereceği direnci sıfır düzeyine indirerek, üstün bir akışkan haline gelir ve hiç bir dirençle karşılaşmadan boru sistemleri içinde akıp gidebilir.

Bu örnekler, Bose-Einstein yoğunlaşmalarının istisnai makroskobik örneklerinden bazılarıdır. Bu tip hadiselerin önemli bir özelliği, kuantum etkilerinin büyük boyutlara taşınarak gözle görülebilir sistemleri etkileyebilir hale gelmesidir. Sinir bilimleri açısından, beyin gibi büyük bir organın ve zihin gibi karmaşık bir işlevin açıklanmasında, bu fikir oldukça ilginç açılımlara yol açmıştır. Özellikle son 50 yıldır, bu “eş durumluluk” ve Bose-Einstein yoğunlaşmalarının, bilincin temelini ve bilinç bilimindeki “bağlantı problemi”, “teklik tecrübesi” gibi sorunları açıklayabilecek bir zemin oluşturabileceği konusunda ciddi savlar boy göstermeye başlamıştır. Yazının ilerleyen bölümlerinde bu konuları daha detaylı inceleyeceğiz.

Sicim Kuramı ve Fiziğin Geleceği

Fizik dünyasını ilgilendiren belki de en önemli sorunlardan bir tanesi, birbirlerinden bağımsız olarak keşfedilmiş olan temel tabiat kuvvetlerini tutarlı bir çatı altında birleştirmektir. Geçmişte Maxwell’in elektrik ve manyetizmayı “elektromanyetik kuvvet” adı altında birleştirmesi gibi, kütle çekim, zayıf çekirdek kuvveti ve güçlü çekirdek kuvveti gibi diğer kuvvetlerin de benzer bir çatı altına toplanma çalışmaları güncel fiziğin en önemli konularından birisidir. Bu birleştirme çabalarının önünde ise yakın zamana kadar ciddi bir engel vardı: Araştırmacılar, özellikle çok zayıf bir kuvvet olan kütle çekim kuvvetini (ve buna bağlı olarak görecelik kuramının ön gördüğü evreni), kuantum aleminde rol oynayan yasalarla birleştirme konusunda sürekli başarısızlığa uğrayan çabalar sergiliyorlardı. Kuantum kuramı diğer üç kuvveti başarıyla açıklarken, kütle çekim kuvveti bu resmin içinde yer almaya direniyordu adeta. Bu iki alan, birleştirilmeye karşı inatla direndiler, ikisini bir arada değerlendirmeye çalışan neredeyse tüm girişimler anlamsız matematiksel sonuçlar verdi. Hâlbuki yaşadığımız evren içinde her ikisinin de gerçeklik payı olduğuna göre bunların belli bir kavramsal çatı altında birleştirilebilmeleri gerekiyordu.
Bu can sıkıcı sorun günümüzde “sicim kuramı” adı verilen sıra dışı bir kuramın ortaya atılmasıyla çözüme biraz daha yaklaşmış gibi görünüyor. Sicim kuramı, maddenin bildiğimiz anlamda “noktasal” parçacıklardan değil, çok boyutlu, titreşen, sicim benzeri telciklerden oluştuğu varsayımıyla başlıyor. Bu “sicim”lerin değişik titreşim frekanslarının ve farklı boyutsal özelliklerinin, bildiğimiz maddenin o muazzam çeşitliliğini oluşturabileceğini düşünen araştırıcılar, o güne kadar kimsenin düşünmediği ilginç bir evren tasavvurunun da kapılarını aralıyorlar. Sicim kuramcılarına göre bizim bildiğimiz uzay-zaman dört boyutlusundan (üç mekan ve bir zaman boyutundan) başka, daha değişik yapıda boyutlar da var olmalı. Çünkü sicim kuramları (evet, birden fazla kuram söz konusu) genellikle ancak 711 boyutlu uzay tasarımlarında işe yarıyor. Dört boyutlu bir uzay zamanda yaşayan bizler için daha fazla boyutlu bir evreni tasavvur etmek elbette imkansızdır; fakat bu tip evren tasarımlarını matematik yardımıyla rahatlıkla inceleyen araştırıcılar, her gün yeni ve şaşırtıcı bulgularla ortaya çıkmaya devam ediyorlar (Sicim kuramına dair grafik bir özet şu adreste bulunabilir).

Fizikte birbirleriyle uyuşmaz görünen kuramları birleştirme çabasının en büyük nihai amacı ise Büyük Birleşik Kuram (Grand Unified Theory - GUT) olarak bilinen, nihai bir kavrayıcı çatıya ulaşmak. Böyle bir kuramın var olup olamayacağını henüz kimse bilmese de, Eisntein gibi büyük bir fizikçinin (sonuçsuz kalsa da) ömrünün son birkaç onyılını kapsamış bu çaba, bir çok fizikçinin de aklında yatan “kutsal kase” olma özelliğini koruyor.

Kuantum Gariplikleri?

Gerçekten, sadece atom altı parçacıklar değil, makro dünyadaki bir dizi “garip görünen” olay da, bu kauntum aleminin bir sonucudur. Sinir sisteminin çalışması da işte bu garipliklerden bol miktarda içerir. Bundan dolayı “kuantum nörobiyoloji” yahut “nörokuantoloji” adıyla anılabilecek multidisipliner yaklaşımlar, sinir sisitemi çalışmalarının gelip dayandığı “indirgemeci” moleküler biyoloji tabanından hareketle, sinir sistemi, bilinç, irade, davranış vb. gibi konularda artık bir takım yeni yorumlar ortaya koymaya çalışmakta. Hepsini burada tartışamasak da, en azından temel maddelerini yazının ileriki bölümlerinde gözden geçirmeye çalışacağız...

İlk Kez Quazi-Parçacık Oluşumu Gözlendi!

Bilim adamları quazi-parçacıklarının oluşumunu (belli katılarda gözlemlenen tuhaf bir olay), gerçek zamanlı olarak gözlemlediler. Bu, sadece fizik dünyası için büyük bir olay değil; ultra-hızlı elektronikleri üretme şeklimizi değiştirebilecek ve kuantum işlemcilerinin geliştirilmesine zemin hazırlayabilecek bir başarı.

Quazi-Parçacık Nedir?

Fiziksel bir parçacık olmaktan çok, oldukça gelişmiş düzeneklerde (özel olarak çok kütleli kuantum sistemlerinde ya da katı halli maddelerde) olan bazı garip durumları tanımlamak için kullanılan bir kavram. Bir katı boyunca hareket eden elektron buna bir örnek. Elektron, hareket ederken elektrik yükü sebebiyle çevresinde bir kutuplaşma oluşturur. Bu “kutuplaşma” bulutu madde boyunca elektronu takip eder ve beraberce quazi-parçacık olarak tanımlanabilirler.

Avusturya’daki Innsbruck Üniversitesi araştırmacılarından Rudolf Grimm, “bunu, karlı bir gündeki kayakçı olarak canlandırabilirsiniz,” diyor. “Kayakçı, kar kristallerinden bir bulutla çevrilidir. Beraberce, bulut olmadan kayakçının sahip olduğundan farklı nitelikleri vardır.” Teorik modellerde quazi-parçacıklar ve onların oluşumu derinlemesine tanımlandı ama fiilen gerçek zamanlı ölçüm ve gözlemler ciddi bir sorundu. Bunun sebebi quazi-parçacık olayının sadece çok küçük ölçekte gerçekleşmesi değil, aynı zamanda inanılmaz derecede kısa ömürlü olması.

“Bu süreçler sadece atto-saniyeler sürüyor, dolayısıyla oluşumlarının zaman bazlı gözlemi son derece zor,” diyor Grimm. Daha açık olması için; bir atto-saniye, saniyenin kentilyonda biri. Bu da demek oluyor ki, 31.71 milyar yılda 1 saniye ne kadarsa, 1 saniyede 1 atto-saniye de o kadar sürüyor. Yani evet, oldukça hızlı. Ama ekip, bu süreci biraz yavaşlatacak bir yol bulmayı başardı.

Bir vakum odasının içinde, lityum atomları ve merkezde küçük bir numune potasyum atomlarından oluşan ultra soğuk kuantum gaz üretmek için lazer tuzağı yöntemleri kullandılar. Sonrasında parçacıkların etkileşimlerini ayarlamak için; Fermi polaron olarak bilinen, temel olarak lityum bulutuna gömülü potasyum atomları olan, bir tür quazi-parçacık üreterek, bir manyetik alan kullandılar. Quazi-parçacıkların oluşumu normal bir sistemde 100 atto-saniye bazında sürerdi. Ama ultra soğuk kuantum gaz sayesinde ekip, süreci yavaşlatmayı ve oluşumu şuana kadar ilk kez gözlemlemeyi başardı.

“Aynı fiziksel işlemlerin çok düşük yoğunlukta benzetimini yürüttük. Burada, polaronların oluşum süresi bir kaç mikro-saniye. Şimdiki amacımız, sadece gözlemleri değil, bize geleceğin süper-hızlı elektroniklerini getirecek kuantum işlemcileri geliştirmede kullanılabilecekleri bir yol için fiili ölçümleri nasıl yaparız, onu bulmak. Neredeyse gerçek zamanlı olarak polaronların ‘doğuşunu’ gözlemlemek için yeni bir yöntem geliştirdik,” diyor Grimm. Bu ultra-hızlı elektronik aletlerin kuantum fiziğini daha iyi anlamamız için çok ilginç bir yöntem olabilir.

Kaynak: Sciencealert (11 Ekim 2016)

Nötron Yıldızı Işığını Bozan Kuantum Parçacıkları Görüldü!

Uzay boşluğu (vakum) göründüğü kadar boş değildir. Astronomlar, Şili’deki Very Large Teleskobu ile sanal parçacıkların nötron yıldızından gelen ışığı bir prizma gibi hizaladığını gözlemlediler. Gözlemler, ışık ve maddenin atomaltı boyutlardaki etkileşimlerini açıklayan kuantum elektrodinamiğinin 90 yıllık öngörülerini doğruluyor.

1930’larda Alman fizikçi Werner Heisenberg ve Hans Heinrich Euler, kuvvetli manyetik alanların polarizasyon adı verilen fenomeni oluşturup, manyetik alandan geçen ışığı hizalayacağını tahmin etmişti. Vakumda bu hizalama sanal parçacıklar tarafından yapılır. Sanal parçacıklar, kuantum belirsizliği sayesinde, uzayda bir anda ortaya çıkıp kaybolan, birçok özelliği “gerçek” parçacıklara benzeyen bir parçacık türüdür.

“Güçlü bir manyetik alana sahipseniz, ışığı kırmak için prizmaya ihtiyacınız yok” diyen Londra Kolej Üniversitesi’nden Silvia Zane, “Ancak manyetik alanınız çok güçlü olmalı; günlük hayatta kullandığımız mıknatıslar yetmez” diye belirtiyor. Nötron yıldızları, devasa büyüklükte manyetik alanlara sahiptir. Zane ve ekibi de, tıpkı güneş gözlüklerimizdeki gibi ancak çok daha hassas polarize filtreler kullanarak yakın ve görece sönük bir nötron yıldızını gözlemledi ve sonuçları sıradan yıldızlarla karşılaştırdı.

Sonuçları inceleyen ekip, nötron yıldızından gelen ışığın yüzde 16 civarında polarize olduğunu gördü. Bu gözlem “vakum çift kırınımı (birefringence)” adı verilen fenomenin ilk defa tespit edilmesine olanak tanıdı. Ekip, verileri yardımıyla yıldızın dönme eksenini bile çıkarsamayı başardı. Ekibin lideri, Milano Ulusal Astrofizik Enstitüsü’nden Roberto Mignani, “Bu, son derece önemli ve elde etmesi zor bir sonuçtu. Dünya’nın en iyi teleskobunu en uygun atmosfer koşulları altında kullanmamız gerekti. Kaynağın sönüklüğünden ötürü ölçümler de son derece zahmetliydi ve uygun bir ekibe sahip olmamız gerekliydi” diyor.

Massachusetts Teknoloji Enstitüsü’nden Herman Marshall, bulguların nötron yıldızı çalışmaları adına oldukça önemli olduğunu vurgulayıp benzer çalışmanın x-ışını bandında da yapılması gerektiğini düşünüyor ve “Nötron yıldızlarının nasıl oluştuğunu, (şimdiye dek pek anlayamamış olsak da) manyetik alanlarının zamanla nasıl değiştiğini anlayabiliriz” diyor. Her ne kadar sanal parçacıkların ve kuantum özelliklerinin iş üzerinde olduğunu görsek de bunların kunatum mekaniği ve yeni fizik açısından ne tür ilerlemelere yol açacağı belirsizdir. “Parçacık bakış açısından sonraki adımın ne olacağını bilmiyoruz” diyen Mignani, “Einstein, 100 yıl önce genel görelilik teorisini ortaya attığında, teorisinin navigasyon sistemlerini ortaya çıkaracağını bilmiyordu. Bu keşfin de uzun vadede neleri doğuracağı henüz belirsiz” diye ekliyor.

Kaynak: New Scientist / Görsel: ESO - Dijitalleştirilmiş Gökyüzü Araştırması 2 (30 Kasım 2016)