Kuantum fiziği dediğimizde en temel, en önemli, en kilit bilgi şudur:
“Işık hem dalga gibi davranan bir parçacık, hem de parçacık gibi davranan bir dalgadır”.
Bu bilgi bize aslında kuantum fiziği ile ilgili bilmemiz gereken bir çok şeyi anlatıyor.
Kuantum fiziğinin anlamsızlığını, karmaşıklığını, neden bildiğimiz evrenden çok farklı ele almamız gerektiğini bize net olarak gösteriyor.
Çünkü kuantum fiziği bu bilgi üzerine kurulmuştur.
Ondan sonra bildiğimiz her şey bu bilgiden çıkmıştır desek yeridir.
Ampulün nasıl daha verimli olduğunu bulmaya çalışırken keşfettiğimiz akıl almaz bir evrenin anahtarı gibi.
Sonrasını biliyorsunuz. Yepyeni bir fizik, yepyeni bir matematik… Yepyeni bir anlayış.
Kesin olanın yerini alan olasılıklar, rasgelelikler ve belirsizlikler dünyası…
Bu belirsizlik ise işte bugüne kadar konuşmadığımız belki de en önemli konu.
Kediden bahsettik, çift yarıktan, dolanıklıktan… Hepsi bu video için bir hazırlıktı desem yeridir.
Çünkü hepsinin dayandığı ilkeden, belirsizlik ilkesinden detaylıca bahsetmedik henüz.
Heisenberg’ün Belirsizlik İlkesinden…
1926’da Werner Heisenberg bu yeni evreni anlamlandırmaya çalışırken dalga mekaniğine dayanan bir teori geliştirmeye başlıyor.
Bunun için daha önce hiç karşılaşmadığımız denklemler kullanıyor.
Kopenhag’da Niels Bohr ile birlikte çalışan Heisenberg şunu keşfediyor.
Bir parçacığın konumunu ve hızını aynı anda ölçmeye çalıştığınızda bir şeyler ters gidiyordu.
Ya hızını tam ölçemiyordunuz ya da konumunu. Ne yaparsanız yapın bir parçacığın hızı ile konumunu aynı anda ölçemiyordunuz.
Burada hemen “ölçüm yapanın ya da ölçüm cihazının” olaya müdahale ettiği çıkarımını yapabiliriz. Çift yarık deneyinde de bize kalırsa tek cevap buydu değil mi?
Ama işte Heisenberg’ün tüm fiziği derinden sarsan çıkarımı şuydu. Bu durum, yani iki özelliği de aynı anda ölçme imkansızlığı… Atom altı parçacıkların dünyasının temelinde yatan bir olguydu.
Bunu söylediğinde Hesienberg bir anda kuantum devriminin lideri oluvermişti. Herkes bir cevap ararken bu “cevapsızlık”, “belirsizlik” ilkesi iddiası ile herkes işini gücünü bırakıp Heisenberg’ün söyleyeceklerini dinlemeye başlayacaktı. Henüz 26 yaşındaki genç bir dâhinin…
Çünkü Heisenberg’e kadar herkesin içinde biraz da olsa bir umut vardı. Tüm bu anlamsızlığı açıklayacak bir şeylerin olduğunu, herkesin gözden kaçırdığı bir şeyler olduğunu düşünüyordu tüm bilim insanları.
Birilerinin mutlaka bu cevabı bulacağından eminlerdi.
Ama işte Heisenberg çıkıp “boşuna aramayın” diyecekti.
Çünkü kuantum fiziği artık bize şunu söylüyordu.
Bir parçacığın tam hızını ve konumunu aynı anda bilmeniz olanaksız.
Çünkü parçacık dediğimiz şey sadece bir parçacık değil. Ayrıca bir dalga…
Hız derken aslında momentumdan basediyoruz ama oldukça yakın kavramlar o yüzden herkesin kafasında gerekli resim oluşması için hız ve konumdan ilerlemeye devam edeceğim.
İşin özü çok daha önemli burada.
Şimdi bu noktada şunu sorabiliriz. Tamam. Bir parçacığın hızını ve konumunu aynı anda bilemeyiz. Anladık. Da bu neden önemli olsun ki?
Şu yüzden önemli: bu bilgi klasik fiziğin dayandığı en önemli temellerden biridir. Kemer köprüleri bilirsiniz. Bir kilit taş vardır. En tepede. Onu çektiğiniz zaman köprü ayakta kalamaz.
İşte bunu söylemek o taşı çekip çıkarmak gibi bir şeydi.
Klasik fiziğin teslim olduğu yer en basit haliyle.
Peki. Nedir bu belirsizlik ilkesi?
Neden bahsediyoruz daha detaylı konuşmadan önce işleri biraz daha ilginçleştirelim.
Heisenberg’ün teorisini ortaya atmadan birkaç yıl öncesine. 1923’e.
Charles DeBroglie’den bahsedelim biraz.
DeBroglie de çok önemli bir isim bu hikayede. Kilit isimlerden birisi. Ve DeBroglie’nin bir inancı vardı. Doğada bir paralellik olması gerektiğine inanıyordu. Bu nedenle bu Dalga-Parçacık İkiliği… Işığın hem parçacık hem dalga olması mevzusunda da bir paralellik arıyordu.
Sürekli fotonlardan bahsediyorduk… Kütlesi olmayan parçacıklardan… Elle tutulamayan…
Kendisi şu soruyu sormuştu. Peki kütlesi olan parçacıklarda… Hatta daha büyük cisimlerde, hatta bizde de bir belirsizlik olmalıydı…
Doğa böyle işliyordu çünkü…
Tüm cisimlerin de bir dalga özelliği olmalıydı.
Ve DeBroglie haklı çıkacaktı.
Biz bunun kanıtını da yine Çift Yarık deneyinde görecektik. Foton yerine elektron fırlatmaya başladığımızda da yine dalga deseni çıkmıştı ya hani?
İşte bu bize atomların, moleküllerin… Her şeyin bir dalga boyu olması gerektiğini göstermişti.
Evet.
Bizim de bir dalga boyumuz var. İnsanın aklı almıyor ama etrafımızdaki her şeyin bir dalga boyu var…
Bunu da şu formülle hesaplıyoruz.
Dalga boyu eşittir Planck sabiti bölü momentum…
Ama Planck sabitini biliyorsunuz. Çok ama çok küçük bir sayı. O yüzden momentum arttıkça dalga boyu haliyle inanılmaz küçük bir sayıya denk geliyor.
Yani saniyede 40 m hızla süzülen 200 gramlık bir beyzbol topunun dalga boyunu hesaplamaya kalkarsak karşımıza şöyle bir rakam çıkıyor.
0,00000000000000000000000000000000008
Bu da aslında bizim neden bu dalga boyunu göremediğimizi ya da ölçemediğimizi açıklıyor.
Ama. Her şeyin bir dalga boyu olduğunu da biliyoruz artık.
Herkesin…
O yüzden dalga boyu olan… Dalga gibi davranan her şeyin de bir “olasılıklar” denizinde yüzdüğünü biliyoruz.
Ama biz ölçüm yapabildiğimiz parçacıklara, elektronlara, atomlara dönelim tekrar konuyu tam olarak anlayabilmek için.
Çift yarık deneyine tekrar bakarsak elektronların bir dalga deseni oluşturmasının açıklamasını da görebiliriz burada.
Az önce beyzbol topuna uyguladığımız denklemi tekrar ele alırsak, bir parçacık ne kadar küçük olursa dalga boyu o kadar artıyor haliyle. Dalga gibi davranma olasılığı da…
Bir parçacık ne kadar dalga gibi davranırsa da belirsizlik o kadar artıyor haliyle.
O yüzden kuantum dünyasında bir şeyin bir yerde olma olasılığı söz konusudur. Klasik fizikte olduğu gibi bir şeyin tam olarak nerede olduğunu bilmemize imkan yoktur kuantum evreninde. Sadece olasılıklar. Her şey. Olasılıktan ibaret. Hiçbir şey kesin değil.
Kafa karıştırıcı biliyorum. Nereden tutarsanız elde kalıyor değil mi?
Ama işte evren böyle işliyor. Mekaniğimiz bu. Senin benim. Her şeyin…
Olasılıklar.
Peki bu hiçbir şeyi tam olarak bilemeyiz anlamına mı geliyor?
Elbette hayır. Çok yakın tahminlerde bulunabiliriz. Erwin Schrödinger sayesinde.
Kediyle tanıdığımız Schrödinger bu kuantum olasılığını, yani parçacıkların dalga fonksiyonunu nasıl hesaplayacağımızı göstermiştir bize.
Çok çok karmaşık görünen bu denklem bize basit olarak bir parçacığı yüksek olasılıkla nerede bulabileceğimizi söyler. Buna da Olasılık Yoğunluğu Fonksiyonu diyoruz.
Bu noktada kısaca atom modelinden de bahsetmemiz lazım. Biliyorsunuz Niels Bohr bir atom modeli geliştirmiş ve model aşağı yukarı şöyle görünüyordu.
İşte bu model belirsizlik ilkesi ile birlikte şuna dönüşmek zorunda kaldı.
Çünkü ne yaparsak yapalım çekirdeğin etrafındaki elektronun tam olarak nerede olduğunu bulamıyorduk. İşte yeni atom modelinde çekirdeğin etrafında gördüğünüz bu bulut benzeri oluşumlar elektronun “olabileceği” alanlardır.
Elektron işte burada bir yerde der bize.
İşte schrödinger’in denklemi de bize bu hesaplamayı yapmamızı sağlar.
Ama burası kuantum fiziği ile ilgili en ciddi tartışmaların döndüğü yerdir. Bizlerin de kafasını en çok karıştıracak konulardan birisi.
Şimdi parçacıkların yerini biz ölçtüğümüzde biliyoruz, ölçmeden nerede olduğunu bilmiyoruz mevzusu var ya.
Ölçtüğümüzde orada olduğunu düşünüyoruz. Yani bir nevi havada sağa sola uçan bir sineği yakalamış gibi düşünüyoruz.
Fakat.
Aslında. Misal elektron biz ölçtüğümüzde az önce bahsettiğim olasılık bulutu olarak ifade ettiğimiz bölgenin tamamında. Aslında parçacık o anda her yerde.
Biz ölçtüğümüzde sadece olasılığı daraltıyoruz. Yerini öğrenmiyoruz.
Ölçerek belli bir yerde olmaya zorluyoruz onu…
Buna da işte Kuantum Süperpozisyonu demiştik. Bir parçacığın aynı anda birden fazla durumda bulunma olasılığı…
Schrödinger de sağolsun kedisiyle bize bunu anlatmaya çalışıyordu. Gerçekten faydalı da bir metafor ama işin özünü kaçırabiliyor insan.
Fakat işler tabi ki bu kadarla da kalmıyor. Daha da karışıyor.
İşte burada bizim Heisenberg devreye giriyor.
Aynı anda her yerde olan elektronu ölçtük belli bir yerde olmaya zorladık ya hani?
Hesienberg diyor ki. Siz ölçtünüz ama bu ölçüm de kesin değil…
Haydaa…
Evet.
Hesienberg Belirsizlik İlkesi.
Başta da bahsettiğim gibi. Heisenberg bu ilke ile bize şunu söylüyor.
Ölçüm cihazınız ne kadar iyi olursa olsun, ne kadar hassas olursa olsun bir parçacığın, bir elektronun konumunu veya hızını sadece belli bir seviyeye kadar bilebilirsiniz.
Konumu hakkında kesin bir bilgi istiyorsanız momentumunu tam olarak bilemezsiniz.
Ya da tam tersi.
İlla ki bir fedakarlık yapmak durumundasınız.
İmkansız…
Peki neden?
Yine maddenin dalga-parçacık ilişkisi ile ilgili.
Daha önce de bahsettiğim gibi. Bir dalganın hızı ya da momentumu Planck sabiti ile dalga boyunun bölünmesi ile bulunabiliyordu.
Ama siz bunu kullandığınızda elektronun dalga özelliğini ele alıyorsunuz. Evet bu şekilde tam olarak momentumunu bilebilirsiniz.
Ama bir şeyi dalga olarak ele aldığınızda da her yere yayılmış bir durumda olduğunu kabul ediyorsunuz. O nedenle tam olarak konumunu bilmeniz de mümkün olmuyor.
Tamam diyorsunuz. Elektronu parçacık olarak ele alalım. Bu sefer tam olarak konumunu öğreniyorsunuz ama momentumu bulmak için iki kere ölçmek ve arada geçen süreyi hesaplamanız gerekiyor. Ama ilk ölçümünüzde siz parçacığa müdahale etmiş oluyorsunuz, çünkü ölçüm için foton gönderiyorsunuz ve bu fotonun momentumu da parçacığa aktarılmış olduğu için iki ölçüm arasında tam olarak bir sonuca ulaşamıyorsunuz.
Yani.
Özetle. Bir parçacığın hem konumunu hem de hızını aynı anda ölçmeniz, tam olarak bilgi almanız mümkün değil.
Ve bu klasik bakış açısı ile, bizim dünyayı deneyimleme şeklimiz ile çok ama çok ters…
Ama söylediğim gibi. Gerçek bu.
Gerçeklik ile ilgili elimizdeki en iyi açıklama bu.
Evrendeki her şey bir olasılık denizinde yüzüyor. Kesin olan bir şey yok.
Ve her şey… Ama her şey bu kesin olmayan… Hiç alışılagelmiş biçimde davranmayan çok çok küçük parçacıkların bir araya gelmesi ile oluşuyor.
Gelmiş… Gelecek… En küçüğünden en büyüğüne…
Her şey anlayamadığımız parçacıkların bir bütünü.
Ve bu yolculukta daha önce de konuştuğumuz gibi bu parçacıklar arasında göremediğimiz bir bağ da mevcut. Tek başına anlamsız görünen bu yapıtaşları bir araya geldiğinde neredeyse mükemmel işleyen bir düzen ortaya çıkarıyor.
En azından öyle zannediyoruz. Öyle olduğuna inanmak istiyoruz.
Zira serinin sonraki videolarında da göreceksiniz. Kuantum evreninde bir kaos söz konusu. Kendi içinde bir düzeni olan bir kaos… Bizim yapmaya çalıştığımız ise bu bağlantıları bulmaya çalışmak.
Hep söylediğim gibi.
Tarihin en önemli ve en heyecanlı keşiflerinden birinin tam da ortasındayız aslında.
Kuantum fiziği ile ilgili temelde bilmemiz gereken konuları en basit haliyle toparladık sayılır. Şimdi artık günümüze ve sonrasına doğru ivmeyi artırarak devam edeceğiz.
Ve hep birlikte bu heyecanı paylaşıyoruz. Beni en çok sevindiren de bu.
Kuantum macerası tüm hızıyla devam ediyor. Takipte kalın…
Bitirmeden Instagram ve Twitter’dan da video olmadığı günlerde bilimsel gelişmeleri takip etmeye ve sürekli paylaşım yapmaya çalışıyorum. Bu mecralarda da buluşmak dileğiyle…
Ve her zaman olduğu gibi.
Tekrar görüşene dek.
İyi ki varsınız.
Sevgiler!
Kaynaklar:
Heisenberg’s Uncertainty Principle – Chemistry LibreTexts
What is Heisenberg’s Uncertainty Principle? | Science | The Guardian
String Theory: The Uncertainty Principle – dummies
1.9: The Heisenberg Uncertainty Principle – Chemistry LibreTexts