Fizik, doğanın anlaşılmasıdır. Atomların, elektronların, fotonların, moleküllerin kısacası hemen hemen her şeyin davranışını tanımlayan kuantum fiziği ise karmaşık yapısıyla sürekli yeni bilgilerin keşfedildiği oldukça geniş bir alandır. Birçok alanda kullanılan elektronların nasıl hareket ettiğini, ışık fotonlarının bir cihazda nasıl ışınlara, enerjiye dönüştüğünü hatta güneşin nasıl yanmaya devam ettiğini anlamak istiyorsan kuantum fiziğine hakim olman gerekir.
Kuantum fiziği başlangıçta oldukça karmaşık gelebilir. Bunun bir nedeni, insanların günlük yaşamlarında atom gibi minik nesnelerle sınırlı deneyime sahip olmalarıdır. Bu nesneler her zaman etrafımızdadır; ancak güçlü mikroskoplar ve diğer teknolojik aletlerin yardımı olmadan görülemezler. Bu yazımızda kuantum fiziğinin gizemli dünyasının kapısını aralıyoruz. Atomları, maddeyi, dalgaları, parçacıkları ve kuantum fiziğinin en dikkat çekici keşiflerinden bazılarının arkasındaki ünlü bilim insanlarını keşfetmeni amaçlıyoruz. Hazırsan kuantum fiziği hakkında merak edilen soruları cevaplamaya başlayalım.
İçindekiler
Kuantum Fiziği Nedir?
Kuantum fiziği, atom ve atom altı düzeyde madde ve enerjinin doğasını, davranışını açıklayan modern bir fizik türüdür (1). Kuantum fiziği en basit ifadeyle evrende bulunan maddelerin, atomların kısacası birçok şeyin ne şekilde çalıştığını anlamamızı sağlar. Doğadaki en küçük şeyleri anlamlandırmak için maddenin davranışını ve atomların içinde meydana gelen faaliyetleri inceler.
Biraz daha derine inmeden önce kuantum fiziği giriş bilgilerinde yer alan ve bilim insanlarının anlamaya çalıştığı iki önemli öğeyi açıklayalım (2):
- Maddeler, belirli bir kütleye sahip ve evrende bir alan kaplayan şeylerin bütünüdür. Başka bir deyişle, bir nesnenin içindeki malzeme miktarıdır.
- Atomlar, maddenin en küçük birimidir. Evrendeki her şey atomlardan oluşur ve vücudumuzda bile milyarlarca atom bulunur.
Kuantum fiziği atom altı parçacıkların ve atomların hareketlerini dalgalar olarak tanımlar. Peki, kuantum fiziğinin genel yasaları nelerdir? Kuantum kuramı, atom ve atom altı düzeyde madde ve enerjinin doğasını ve davranışını açıklayan modern fiziğin teorik temelidir. Modern fiziğin iki temel bilimsel yasası vardır (3): Kuantum fiziği ve genel görelilik. Bu iki bilimsel yasa farklı çalışma alanlarını temsil eder. Kuantum fiziği doğadaki en küçük nesneleri incelerken; görelilik doğayı, gezegenleri, galaksileri bir bütün olarak evren ölçeğinde inceleme eğilimindedir.
Bu bilim, doğanın yapı taşlarının özelliklerini ve davranışlarını ortaya çıkarmayı amaçlar. Kuantum fiziği, her şeyin temel yapı taşlarının, atomu oluşturan küçük parçacıkların kuvvetlerini ve doğasını açıklar ve teorileştirir. Atomların nasıl var olduğu ve nasıl etkileşime girdiği kuantum fiziğinin temelidir. Kuantum fiziğinin zorluğu ve ayrıca çekiciliği, normal boyuttaki maddenin etkileşim biçimlerinin ve fizik yasalarının atom altı ölçeğindekilerden farklı olmasından kaynaklanır.
Kuantum fiziği, fiziksel fenomeni mikroskobik ve atomik yaklaşımlarla açıklayan, maddenin ikili davranışını dikkate alan bilim dalıdır (4). Madde ve enerjinin en temel düzeyinde incelenmesini içeren bu bilim dalı, aslında günlük hayatımızın eksiksiz bir resmini elde etmemiz için fizik bilgimizdeki boşlukları kapatır. Kuantum fiziği, duyularımızın kavrayamadığı evrende bulunan her şeyin diğer şeylerle nasıl bağlantılı olduğunu ortaya çıkarabilir.
Kuantum fiziği kavramlarının birçoğunu görselleştirmek zor olduğu için matematik bu alan için esastır. Bu anlamda matematiksel denklemler kuantum nesneleri ve fenomenlerini kesin yollarla tanımlamak veya tahmin etmeye yardımcı olmak için kullanılır.
Matematik, kuantum fenomenlerinin olasılıksal doğasını temsil etmek için de gereklidir. Örneğin, bir elektronun konumu tam olarak bilinemeyebilir. Ancak matematikle bir dizi olası konum tanımlanabilir.
Kuantum Fiziği Nasıl Ortaya Çıktı?
Kuantum fiziği, 1800'lerin sonlarında ve 1900'lerin başlarında bir dizi deneysel atom gözleminden doğar. Kuantum mekaniği olarak da bilinen kuantum fiziğinin gelişimine katkıda bulunan birçok bilim insanı vardır. En önemlileri arasında Niels Bohr, Max Planck, Werner Heisenberg, Erwin Schrödinger, Louis de Broglie ve Albert Einstein sayılabilir. Kuantum teorisinin gelişim aşamaları aşağıdaki şekilde verilebilir (1):
- 1900 yılında Alman teorik fizikçi Max Planck, cesur bir önermede bulunur. Bu öneri, radyasyon enerjisinin bireysel birimlerden veya kuanta adı verilen ayrı paketler halinde yayıldığını varsayar.
- 1905'te Albert Einstein, Max Planck'ın hipotezini genişletir. Enerjinin ve radyasyonun nicelleştirildiğini teorileştirir.
- 1924'te Louis de Broglie, madde ve enerjinin yapısında, davranış şeklinde temel bir fark olmadığını öne sürer. Enerji ve maddenin, atomik ve atom altı düzeyde ya parçacıklardan ya da dalgalardan yapılmış gibi davranabileceğini belirtir. Dalga-parçacık ikiliği ilkesi olarak bilinir hale gelen bu teoriye göre enerji ve madde, değişen koşullara bağlı olarak parçacıklar veya dalgalar gibi davranır.
- 1927'de ise Werner Heisenberg, klasik fizik ilkelerinin aksine bir atom altı parçacığın konumu ve momentumunun eşzamanlı ölçümlerinin kaçınılmaz olarak kusurlu olacağını belirtir. Bir değer ne kadar kesin olarak ölçülürse diğer değerin ölçümünün o denli kusurlu olacağını dile getirir. Sonrasında bu teori, Albert Einstein'ın ünlü "Tanrı zar atmaz" yorumunu harekete geçiren belirsizlik ilkesi olarak bilinir hale gelir.
- Kuantum hipotezini atoma uygulayan Danimarkalı Niels Bohr, gaz halindeki atomlar tarafından yayılan ışığın spektrumlarını kapsamlı bir şekilde inceler. Düşük basınçta gaz halindeki atomlardan gelen radyasyonun bir dizi ayrık parçadan oluştuğunu bulur. Bohr, nesnel gerçekliğin var olmadığını ifade eder. Bu da, herhangi bir nesnenin durumunun ne olduğunu bilmesek de kontrol etmeye çalışmadığımız sürece aynı anda tüm olası durumlarda olduğunu iddia eden süper pozisyon adı verilen bir ilkeye dönüşür.
Newton Fiziği ile Kuantum Fiziği Arasındaki Farklar
Klasik Newton fiziği, genellikle görülebilecek kadar büyük şeylerle ilgilenir. Kuantum fiziği ise atomların boyutu olan bir nanometre veya daha küçük olan küçük şeylerle ilgilenir. Genellikle kuantum etkilerinin önemli hale gelmesi için bir nanometre ölçeğine veya daha altına inmek gerekir. Kuantum fiziği ve Newton fiziği arasındaki diğer bazı temel farklar ise şu şekilde sıralanabilir (5):
- Kuantum fiziğinde görelilik tüm ölçeklerde mevcuttur, ancak etkiler yalnızca çok yüksek hızda, büyük mesafelerde veya çok büyük kütlelerde önemli hale gelir.
- Newton fiziği biraz yavaş hareket eden şeylerle ilgilenirken, kuantum mekaniği ışık frekansı gibi belirli bir hızla hareket eden şeylerle ilgilenir.
- Kuantum teorisinde durumlar, dalga fonksiyonları adı verilen matematiksel nesnelerle tanımlanır. Dalga fonksiyonlarını fiziksel olasılıklara bağlayan kurallar, dolaşıklığın merkezini ifade eder. Bu nedenle dolaşıklık kuantum fiziğinin kalbinde yer alır.
- Kuantum fiziğinde nesneler bir olasılık sisi içinde var olur.
Özetle; Newton fiziği yalnızca büyük nesneler için geçerliyken, kuantum fiziği yalnızca çok küçük nesneler için geçerlidir. Newton fiziğinde bir nesnenin konumu ve hızı belirli bir zamanda tahmin edilebilirken, kuantum fiziği bu konuda yalnızca olasılıklar verebilir.
Kuantum fiziğinde bir şey hem dalga hem de parçacık olabilir. Evrenin büyük ölçekli yapısını açıklar. Kuantum teorisi ve Einstein'ın görelilik teorisi modern fiziğin temelini oluşturur. Kuantum fiziğinin ilkeleri, kuantum optiği, kuantum kimyası ve kuantum hesaplama dâhil olmak üzere artan sayıda alanda uygulanmaya devam eder. Kuantum bilimi alanı gizemli veya mantıksız görünebilir, ancak farkına varsak da varmasak da etrafımızdaki her şeyi tanımlar. Kuantum fiziğinin gücünden yararlanmak, hem günümüzde kullandığımız uygulamalar hem de gelecekte kullanılabilecek uygulamalar için yeni teknolojilerin doğmasına yol açar.
Kaynaklar ve Referanslar:
https://scienceexchange.caltech.edu. (1)
https://www.eia.gov/energyexplained (2)
http://labman.phys.utk.edu (3)
Benzer İçerikler
