Kuantum Fiziği

Zamanda yolculuk kuramlarının bilimsel dayanaklarından biride 'Görecelik kuramları'ndan sonra gelen Kuantum fiziğidir






Kuantum Kuramı, 20 yy'ın büyük kuramlarından biridir Kuantum ne demektir? Kuantum kuramı, nedensellik kavramını,yani determinizmi nasıl etkilemiştir? Elektron nedir,bir parçacık mı,bir dalga mıdır? Yoksa her ikisi midir? Işık nedir? Bir parçacık (foton) sağanağı mıdır, elektromanyetik bir dalga yayılması mıdır? Einstein, kuantum kuramının kurucuları arasında bulunduğu halde, sonradan neden ve nasıl bu kurama karşı çıkmıştır? Einstein, 1930 Solvay konferansına nasıl bir düşünce deneyi ile geldi? Ona "Einstein, senin adına utanıyorum Çünkü yeni kuantum kuramına senin karşıtlarının görelilik kuramına karşı ortaya koydukları kanıtlarla karşı çıkıyorsun" diyen dostu kimdir? [Linkleri sadece kayıtlı üyelerimiz


görebilirForumTR üyesi olmak için tıklayınız], kuantum kuramının eksik olduğunu göstermiş midir?Yine kuantum kuramının kurucularından Erwin Schrödinger , "[Linkleri sadece kayıtlı üyelerimiz görebilirForumTR üyesi olmak için tıklayınız]" diye ünlenen düşünce deneyi ile bu kurama neden ve nasıl karşı çıkmıştır? Kuantum kuramı, deneylerle test edilmiş midir? Karadeliklerin gönülsüz babası kimdir? Belirsizlik ilkesi nedir? Bu ilke araçlarımızın yetersizliğinin bir sonucu mudur? Her şeyi bilebilir miyiz?Bir gizemli sayı daha:1/137'nin anlamı nedir?


Sizleri, bir kısmını buraya sıraladığım soruların yanıtı için atom ve moleküller dünyasında bir gezintiye çağırıyorum Bu atomaltı dünya (mikrodünya), makrokosmos kadar çeşitli, ilginç, renkli, neşeli, kafa karıştırıcı ve heyecan verici Aşağıdaki açıklamaları yazarken kaynaklar bölümünde belirttiğim eserlerden neredeyse tümüyle alıntılar yaptım Benim yaptığım, zaman zaman araya girerek yazarlığı hepten kaynakların yazarlarına kaptırma endişemi gidermek oldu! Örneğin Belirsizlik ilkesini Hawking'e, olasılık ve belirsizlik açısından doğayı Feynman'a anlattıracağım Bohr ile Einstein'nin Solvay Konferanslarındaki tartışmalarını ve o yılların iklimini W Heisenberg bize sunacak Yani kuramı, ustalarından dinleyeceğiz


Kimya derslerinden bilir misiniz? Tüm maddeler atomlardan ve her bir atom da pozitif elektrikle yüklü bir çekirdek ve negatif yüklü elektronlardan oluşur O halde, çok küçük atomik ölçekte kütle, atomik kütlelere karşılık gelen kesikli niceliklerden oluşur Yani modern fizik dilinde kütlenin kuantumlanmış olduğu söylenir Enerji içeren pek çok nicelik de kuantumlanmıştır Enerjinin kuantumlu tabiatı özellikle atom ve atomaltı dünyada ortaya çıkar

-------------------------------------------------------------------------------------

HEM İNSAN HEM DE IŞIK HIZINDA DALGA OLABİLİR MİYİZ?

Hem insan hem de ışık hızında dalga olabilir miyiz?

Burada anlatacağımız gerçekler; karadelikler, zaman uzaması ve diğer garip fizik olayları hakkında okuduklarınızdan bile daha inanılmaz gelecektirYine de, buğün artık hiç kimse yaratılan her şeyin ‘ikili’ bir özellik gösterdiğinden kuşku duyamaz: Her madde aynı zamanda bir dalgadır ve bundan dolayı ışık hızıyla uzayı aşabilirBilim bu parçacık dalga ikiliği
ni nasıl buldu? Bununla ne demek isteniliyor? Bunun hangi sonuçlarını somut olarak kanıtlayabiliyoruz? Yazımızda bunları göreceksiniz
ProfPaul DAVIES

Aynı zamanda bir dalga olan bir cismin hikayesi, akrep ve yelkovanı karanlıkta sarımsı yeşil parıldayan, eski ışıklı saatlerle başlarBu saatlerin göstergeleri radyum kaplıydıHafif parıltıları, radyoaktiviteden gelmekteydiBu radyoaktivite, fizikçileirn ‘alfa bozunumu’ dedikleri bir olaya bağlı olarak ortaya çıkıyorduAlfa bozunumu olayı, yüzyılımızın başında keşfedilmiştiBundan bir süre sonra araştırmacılar, bu olayın çok garip özellikleri bulunduğunu anladılarOlaydaki garipliği anlayanlardan biri, İngiltere’de araştırma yapan bir Yeni Zelandalı çekirdek fizikçisi Ernest Rutherford idiO zamanki adıyla alfa ışınları üzerinde ilk deneyleri yapanlar arasında oda vardıBu ışınları üzerinde ilk deneyleri yapanlar arasında o da vardıBu ışınları doğrudan neden, o zaman da bilinmekteydiDurağan olamayan ağır bir atom çekirdeği, örneğin, bir uranyum ya da radyum çekirdeği; kendiliğinden dışarıya yüksek enerjili elektrik yüklü bir parçacık fırlatırRutherford burada hiç beklenmeyen bir şey bulduEğer böyle parçacıklarla başka uranyum atomlarının çekirdekleri bombardıman edilirse, parçacıklar çekirdekten geriye yansıtılıyorduAnlaşıldığına göre çekirdeğin elektrik yükü, onları geri itiyorduBilmece de buyduRutherford şu soruyu cevaplandırmaya çalışıyordu: ‘Madem alfa parçacığı


uranyum çekirdeğinden çıktı, o halde neden tekrar çekirdekten içeri giremiyor?’

Elbette ki araştırmacılar, her atom çekirdeğinin görünmez bir engelle çevrili olduğunu biliyorlardıBu, çekirdeğin elektrik alanının doğurduğu bir kuvvettirŞimdilik anlaşılan şuydu: Alfa parçacığı engeli içerden dışarıya doğru aşabildiği halde, neden dışardan içeriye doğru aşamıyordu? Yapılan yaklaşık hesaplar, bilmeceyi daha da içinden çıkılmaz hale getirmekteydi; çünkü, kuvvet engelinin gücünün, dışarıya fırlatılan parçacıkların enerjisinden çok daha üstün olduğunu ortaya koymakta idilerBu hesaplara göre, aslında zaten alfa parçacıklarının hiç dışarıya çıkamamış olmaları gerekiyorduÖyleyse bu parçacıklar çekirdekten kaçabilmek için engelin altından bir tünel mi açmışlardı? Her halde burada pek tekin olmayan işler dönüyordu!





Rutherford’ un bilmecesi, ancak bambaşka proplemlerle uğraşan iki araştırmacının dahice buluşları sayesinde çözülebildiBu dahice buluşlardan biri, atomun yapısı ile ilgiliydiRutherford, atom için bir ‘gezegen modeli’ geliştirmiştiBu modelde negatif yüklü elektronlar, pozitif yüklü çekirdek kütlesi etrafında dolanıyorduRutherford’un modelinin zayıf tarafı şuydu: Dolanan elektrik yükü taşıyıcıları, mekanik kanunlarına göre, sürekli olarak elektromanyetik ışınım biçiminde hareket enerjisi kaybetmek zorunda idiler ve sonlarının çabucak gelmesi gerekiyorduEnerjilerini kaybedip helozonlar çizerek atom çekirdeğinin üzerine düşmeleri kaçınılmazdı


O halde, Rutherford’un modelini doğru kabül edersek, atom yapısının çabucak çöküntüye uğraması ve elektronların yörüngede kalamaması gerekiyorduOysa gerçekte elektronların düşüşü diye bir şey gözlenmemiştirAslında elektronlar dolanırken enerji düzeylerini korurlar; yani ışınım biçiminde enerji kaybetmezlerSadece, dışarıdan gelen bir uyarma ile elektronlar çeşitli enerji düzeylerinin birinden diğerine atlarken; kalan fazla enerji, ışınım şeklinde açığa çıkar

Heisenberg’in belirsizlik ilkesi, elektronların neden çekirdek üzerine düşmediğine iyi bir açıklama getirmiştirAncak soruyu ilk kez Danimarkalı fizikçi Niels Bohr doğru olarak cevaplandırabilmiştiBohrn 1912 de Rutherford’u Manchester’de ziyaret ettikten sonra, atomların en basiti olan hidrojen atomunun olası değişik enerji düzeylerinin doğru olarak hesaplanmasına olanak veren bir formül düzenlenmiştiBu formülde, her şeyin kendisine bağlı olduğu bir nicelik yer alıyorduBu da, Alman fizikçisi Max Planc’ın keşfetmiş bulunduğu Planck değişmezi(konstantı) idiBu değişmez, daha 1905’te ünlü Albert Einstein’ın fotoelektrik etkisini açıklayabilmesine yardımcı olmuştuAyrıca da, eskiden herkesin sadece elektromanyetik dalgalar saydığı ısı ve ışık ışınlarının, bir parçacık akımı özelliğini de gösterebildiklerini ortaya koymuştur Einstein, bunlara foton adını verdi ve küçük enerji paketleri, ya da o zamanki deyimle, kuvantlar biçiminde ortaya çıktıklarını belirtti




Bundan yedi yıl sonra, Niels Bohr atom bilmecesini çözdü Bohr, ışık kuvantları ve atomdaki enerji düzeyleri arasında bir ilişki olduğunu bulmuştuBuluşuna göre, enerji düzeyleri öyle rastgele değerler alamıyorduBir enerji düzeyi ile onu hemen izleyen enerji düzeyi arasındaki fark, hep tam sayılar, örneğin, Planck değişmezinin bir katı, iki katı, üç katı, yedi katı vsbiçiminde olabiliyorduBuna karşılık, diyelim sekizde yedi gibi kesirli bir değer alamıyordu


Fizikçiler bir şeyin nasıl olduğunu anladıkları zaman ne yaparlar? Cevap: Bunu doğuran nedeni de araştırılarBurada şu proplem vardı: Atomdaki elektronların enerjisi neden kuvantlaşmış biçimde idi? Bohr’un buluşundan oniki yıl sonra genç bir Fransız, cevabı bulmak amacıyla cesur ve spekülatif bir fikir ortaya attı: Louis de Broglie’ün düşüncesine göre, Einstein’ın ‘ışık bazen bir parçacık akımı gibi davranır’ sözünü tersine çevirmek gerekiyordu Herkes elektronların küçük küreciklere benzeyen maddesel parçacıklar olduğundan emindi ama, belki de elektronlar, bazen dalgalar gibi davranabiliyorlardı


İş, sadece fikir safhasında kalmadıDe Broglie basit bir formül tasarladıBu formül, böyle bir madde dalgasının dalga uzunluğunun nasıl hesaplanabileceğini gösteriyorduBunun sonucuna göre; bir elektronun impulsu ne kadar yüksek olursa, dalgaları da o ölçüde kısalmaktaydıİmplus, kütle çarpı hıza eşittirElektronun kütlesi çok küçük olduğu için, bu kuralı daha basit olarak da ifade edebiliriz: Bir elektron ne kadar hızlı hareket ederse, dalgasıda o ölçüde kısalırHangi ölçüde mi? Burada Planck değişmezi gene önümüze çıkıyor


Belki burada anlattıklarımız sadece teorik düşünceler olarak görülebilirAncak bu görüş yanıltıcıdırAslında ‘de Broglie’ün fikri, atom araştırmalarında çok önemli sonuçlara varılmasını sağlamıştır’ Nitekim, Avusturalyalı Erwin Schrödinger ‘dalga mekaniği’ ni geliştirirken şunları belirtmişti: Elektronlar ve diğer atomiçi parçacıklar söz konusu olunca, İngiliz bilgini Isaac Newton’a dayanan klasik hareket kanunları geçerliliğini kaybederBunun yerini madde dalgaları konusundaki yeni bir denklemin alması gerekirBöylece atom araştırmacıları birdenbire atomla ilgili bir çok bilmeceyi çözebilir duruma gelmişlerdiÖrneğin neden sadece belirli enerji düzeyleri vardıCevap: Çünkü ancak belirli dalga motifleri, enerji kaybı olmaksızın yan yana bulunmaya olanak verirAtom çekirdeğinin etrafındaki durumu, gitar teli tınlatıldığı zaman ortaya çıkan tonlara ve üst tonlara benzer


Schrödinger’in dalga denklemi, üstelik Niels Bohr’un 1912’den kalma formülü ile de iyi uyuşuyorduSadece, Schrödinger’in denklemi çok daha kapsamlı idi ve Bohrn’un formülüne onun sadece bir bölümü gözüyle bakılabilirdiDaha sonraki yıllarda kuvantum mekaniği adıyla tanınan bu yeni teori, elektronlar ve diğer parçacıklara ilişkin yeni proplemlere de uygulandıBugün Schrödinger’in dalga denklemi bütün atom, molekül ve katılar fiziğinin, ayrıca fizikokimyanın büyük bölümünün temelini oluşturmaktadır
Acaba maddenin dalga yapısı, sadece en küçük parçacıklar alanında mı geçerlidir? İnsan da bazı durumlarda bir dalga gibi davranabilir mi? Dünyadaki bütün araştırmacılar birden bu soruyla karşılaşmış bulunuyorlardıAtom içi alanda bile olanaksız sanılan şeylerin mümkün olduğu ortaya çıkmıştıÖrnek olarak bir kuvvet alanıyla karşılaşan bir lektron akımını ele alalım: Eğer bu itici bir alansa elektronları iteceğini ve buna karşılık çekici bir alansa elektronları kendine çekeceğini varsaymak uygun olur



Bu varsayım akla uygun görünüyor ama; anlattığımız olayı dalga mekaniği denklemleriyle incelersek varsayımlarımız yanlış çıkmaktadırBu denklemlere göre; çekici bir alan bile bazı dalgaları itebilmekte, elektronlar bazen çekilecekleri yerde geriye fırlatılabilmektedirBu olay seyredilebilse ; deliğe kadar yuvarlanan, fakat deliğin kenarına gelince içeriye düşeceğine birden geri dönen bir golf topu görmüş gibi olacaktık

İkinci ve hemen hemen inanılmaz gibi gelen bir olay da şudur: Madde dalgaları örneğin atom çekirdeğinin etrafındaki kuvvet alanı gibi bir engelle karşılaştıkları zaman, bütünüyle durdurulamazlar Bazı dalgalar engelden sızar ve öbür tarafında tekrar görünürlerBunun anlamı; elektronların, aşmak için enerjileri yetmese bile bir engelden ‘tünel’ açıp geçebilecekleridirTünel etkisi diye adlandırılan bu olaydan şimdi elektronikte yararlanıyoruzBuna bir örnek, bir devre elemanı olarak kullanılan tünel diyotudur
Yazımızın başında, parıldayan radyum saatinden ve bu parıltıyı doğuran alfa bozunumundan söz etmiştikArtık bu olayı açıklaybiliyoruzAlfa bozunumunun arakasında da dalgalar yatmaktadırNasıl elektron dalgaları varsa, alfa parçacıkları da dalgalı olabilirler Alfa parçacıkları ve bunlarla ilişkili dalgalar atomun kuvvet alanı gibi bir engelle çevrelendikleri zaman bunun arasından sızabilirlerBöylelikle alfa parçacıklarının engelden ‘tinel’ açarak sıyrılmaları mümkün olurBunun tersine bir olayı neden seyrek olarak gözleyebiliyoruz? Cevap; böyle dalgaların kaçış oranının fevkalade küçük olmasıdırBir alfa parçacığının atom çekirdeğinden tünel açabilmesi için milyarlaca yıl geçmesi gerekir


Tünel etkisinden daha şaşırtıcı diyebileceğimiz bir olay, üstün iletkenliktirElektronlardan oluşan elektrik akımı, normal olarak, örneğin bir bakır tel gibi iletkenlerden dümdüz akmazAksine, elektronlar metalin kristal yapısının arasından, önceden hesaplanamayacak biçimde dolanırlarBu arada, çoğu kere engellere çarpar ve yollarından saptırılırlarBunun sonucunda bildiğimiz elektrik direnci olayı ortaya çıkarİşte şimdi işin şaşırtıcı tarafına geliyoruz: Bazı maddeler, onları mutlak sıfır derecesine kadar soğuttuğumuz zaman, birdenbire bütün dirençlerini kaybeder ve üstün iletken olurlarHalka biçimindeki bir üstün iletkende, elektrik akımı fiilen enerjisini kaybetmeksizin sonsuza kadar akabilir





Bu nasıl oluyor? Bu olayın ardında ne yatıyor? Yine dalga etkileşimi ile karşı karşıyayızHer türlü parçacık bir elektrik alanı ile çevrelenmiştirBu alan, parçacığın yer aldığı kristal yapının biçimini biraz değiştirirBu da, öteki parçacıkların hareketini etkilerFizikçilerin deyişiyle, kristalin içindeki atomlar arasında zayıf bir karşılıklı etkileşim vardırÇok düşük sıcaklık derecelerinde, bu etkileşim elektron çiftlerinin oluşmasına yol açarŞimdi biz bu elektronları halka biçimindeki bir cisme elektron çifti olarak aktarbilirsek; bunların halkadan geçen kuvantum dalgaları, aynı düzeyde kalan bir enerji durumuna erişecektirArtık normal direnç olayı ile bu durumun değişmesi söz konusu değildirBöyle akım elektronları tıkı bir atom çekirdeğinin etrafında dolanan ya da salınan elektronlar gibi davranırlarOnun için, üstün iletkenleri dev boyutlu, makroskopik atomlar sayabiliriz


Bundan 25 yıl önce Cambridge Üniversitesi’nde brian Josephson adlı bir öğrenci, tünel etkisi ile üstün iletkenliği birbiriyle ilişkilendiren bir şey bulduJosephson şunu kanıtlamıştı: Bir üstün iletkendeki elektron çiftleri, ince bir yalıtkan madde tabakasından ‘tünel’ açabilirler Bugün andığımız tünel etkisinin sadece belirli bir akım şiddetine kadar ortaya çıktığını biliyoruzAncak, bir manyetik alan yardımıyla mümkün en yüksek akım şiddetini azaltabilirizEğer manyetik alanı bir kuvvetlendirir bir zayıflatırsak: o taktirde mümkün en şiddetli akım da belirgin ritmik bir biçimde yükselir ve alçalır
Bu etki de, elektron çiftlerinin dalga özelliği gösterdiğini ortaya koyarAkım değerindeki yükselip alçalmalar; dalgaların manyetik alanın değişik bölgelerinden geçmesi, fazdan çıkması ve birbirini girişim(enterferans) dolayısıyla dönüşümlü olarak kuvvetlendirmesi ve zayıflatmasından ileri gelmektedir


Üstün iletkenlik de artık çoktan laboratuardan çıkarak uygulama alanına geçmiştirArtık üstün iletkenlerden, çok güçlü mıknatıslar yapmak, çok zayıf manyetik alanları ölçmek ve evrendeki şu esrarlı ‘tekkutup’ ları araştırmakta yaralanılmaktadırBu tekkutuplar, mıknatısların aksine sadece bir kuzey ya da güney kutbu bulunduğu öngürülen parçacıklardır
Brian Josephson’un buluşu, belki kısa süre sonra fevkalade hızlı çalışan bilgisayar devre anahtarlarının yapımını sağlayacaktırElektronların dalga özelliğinden de teknikte yararlanılmaktadırBunun bir örneği, elektron mikroskopudurBu mikroskopta, ışık dalgaları yerine elektron dalgaları kullanılıyorBunun yararı şudur: Elektron dalgaları çok daha kısadır ve bu yüzden bir resmi çok daha ince ayrıntısıyla gösterebilirlerElektron dalgalarının meyal yapısındaki kusurları ortay çıkarma yeteneği de dikkatten uzak tutulmamalıdırBunun için elektron ya da nötron dalgalarından oluşan bir akım, incelenecek metale yöneltilir ve dalga uzunluğu, atom çekirdeğinin kendi salınımı ile rezonans sağlayıncaya kadar değiştirilir


Bütün bunlar çok ilgi çekici değil mi? Ancak hepsinden önemli soru, insanın da bir madde parçası olup olmadığıdırKesin olarak evrende her parçacığın bir de dalgası olduğunu söyleyebilirizÖrneğin tam yapılı atomlar arasında bile girişim olayları gözlenebilmiştirBu, ancak atomla ilişkili bir dalganın olmasıyla açıklanabilirO halde ilke olarak insanların ve hatta gezegenlerin bir kuvantum dalgası vardırBu dalgayı algılayamamamızın nedeni, bundan 60 yıl önce Fransız bilgini deBroglie’ün düzenlemiş olduğu formülden anlaşılabilmektedir Bu formüle göre, impuls artıkça dalganın boyu kısalırİmpuls ise cismin hızı ve kütlesi ile orantılı olarak artarBir elektrikli ev aletinden akım olarak geçen bir elektronun dalga uzunluğu, aşağı yukarı milyonda bir santimetre kadardırTipik bir bakterinin dalga uzunluğu, bir atom çekirdeğinin çapından daha küçüktürBir futbolcunun havaya fırlattığı bir futbol topunun dalga uzunluğu ise 10* (-32) (on üzeri eksi otuziki) santimetredirBu sayıyı bir kere de rakamla belirtelim: 0 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 01 santimetre!
İnsanlar ve gezegenler için bu değerler çok daha küçüktürO hal de pratikte kendi beden dalgalarımızı fazla önemsemeden göz ardı edebiliriz


Eğer madde dalgaları ile ilişkili bazı çözülmemiş temel sorunlar olmasaydı yazımızı burada noktalayabilirdikBilim adamlarının özellikle son elli- altmış yıldır uğraştığı bu sorunların temelinde şu soru yatmaktadır: Kuvantum dalgaları aslında nedir?
Normal hayatta her şey mantıkla açıklanabilir gibi görünmektedirBuna göre ortada ya madde vardır, ya dalga


Bir cisim aynı zamanda bir dalga olamazBuna göre, cismi olan elektronların dalgası olamazNe var ki, elektron dalgaları olduğu ortaya çıkarıldı ve fizikçiler önce ne diyeceklerini şaşırdılarSonra, dalga-parçacık ikililiğinden söz ettiler Açıklamalarına bakılırsa, elektronlar duruma göre dalga ya da parçacık özelliği gösterebiliyorlardıDanimarkalı Niels Bohr bu konuda bir adım daha ileir gitti ve ‘bütünleme ilkesi’ni ortaya koyduBu ilkeye göre, dalgalar ve parçacıklar birbirinin zıddı değildir; tam tersine, birbirini bütünlerlerBundan dolayı bir elektron bazen bir dalga bazen bir parçacık özelliği gösterebilir ama; her iki özelliği aynı anda gösteremez




Bohrn elektronların aslında bir dalga mı, yoksa parçacık mı olduğu sorusunu mantıksız bulmaktaydıGerekçesi şuydu: Bir elektron hakkında bir şey öğrenmek isteyen kimse, onu gözlemlemek zorundadırGözlem yapmak demek, ölçüm yapmak demektirO halde elektronun dalga olup olmaması, yapılan deneye bağımlı kalacaktır


Bohrn’un düşüncesi, ilk defa 19 yüzyılın başlangıcında Thomas Young adlı İngiliz fizikçinin yapmış olduğu bir deneyi yeniden gün ışığına çıkardıYoung bu deneyi ışık ışınları ile yapmıştı ama, bu deney kolayca elektronlarla da tekrarlanabilirYoung, deneyinde ışığı iki dar aralıktan geçirmiştiBunun üzerine arkalarındaki duvarda bugün girişim çizgileri dediğimiz bir sıra aydınlık ve karanlık çizginin belirdiğini gördüYoung’un deneyinde bu şekilde ortaya çıkan çizğiler, ışığın dalga özelliğini açıkça kanıtlamaktadırİki dalga birbiriyle karşılaşır ve kesişirse, her zaman girişim ortaya çıkarDalga doruğu ile dalga doruğu karşılaşırsa, dalga zayıflar ya da yok olur; yani karanlık meydana gelir

Daha önce Josephson etkisini anlattığımız zaman girişim olayından söz etmiştikNitekim Young deneyinde de sağ ve sol aralıktan geçen ışık dalgaları üst-üste gelmekte ve dönüşümlü olarak birbirini kuvvetlendirmekte ya da zayıflatmaktadır
Şimdiye kadar anlattığımız her şey normaldir ve iyi bilinmektedirAncak şimdi ışığı bir parçacık (foton) akımı olarak ele alırsak, garip bir çelişki ile karşılaşırızIşığı, aralıklardan her defasında sadece bir foton geçecek kadar karartmak mümkündürŞimdi, uzun bir süre içinde elde edilen sonuçları, örneğin, fotonların bir fotoğraf plakasını karartmasını sağlayarak kaydedersek, tuhaf bir şey görürüz: Fotoğraf plakasında girişim olayını gösteren noktacıklar meydana gelmiştirÇelişki bunun neresinde? Cevap: Tek bir foton sadece tek bir aralıktan geçebilir, her ikisinden birden değil! Girişim motiflerini açıklamak içinse her iki aralığın varlığı gerekirBir foton davranışını, nasıl içinden geçmemiş olduğu aralığın durumunu ‘bilip’ belirleyebiliyor?




Bohr, bu soruya da bir cevap bulduCevap, insanın gözlemci olarak rolü ile ilişkiliydiBohr’a göre, girişim motifini bozmadan belirli bir fotonun hangi aralıktan geçtiğini öğrenmemize olanak yoktuDiyelim ki, biri fotonun yolunu öğrenmek istesinO taktirde yaptığı gözlemle sistemi etkileyecek ve motifi bozacaktırSonuçta girişim çizgileri ortadan kaybolacak ve sadece birbiriyle üst üste gelen parlak noktacıklar kalacaktırBaşka türlü söylersek; örneğin uzayda belirli bir yol izleyen fotonların parçacık özelliğini gözleyen bir kimse, onların dalga özelliğini fark edemeyecektirTersine, eğer fotonun izlediği yol ile uğraşmazsak, o taktirde girişim çizğileri ile ortaya çıkan dalga özelliğini gözleyebilirizBohr’un düşüncesine göre; burada tek bir deney değil, birbirini bütünleyen iki deney sözkonusudurDeneyin biri parçacıkları, diğeri ise dalgaları ortaya çıkarmaktadır


Kısa bir süre önce, Teksas’taki Austin Üniversitesi’nden fizikçi John Wheeler bu garip açıklamaya daha da şaşırtıcı bir nokta eklediWheeler, dalganın mı yoksa parçacığın mı gözleneceği seçiminin, foton ya da elektron aralıklar düzeninden geçtikten sonra yapılması gerektiğini belirtmektedirWheeler’in gösterdiği gibi, ya projeksiyon ekranından aralığa doğru, yani tersine bakarak ışığın hangi aralıktan geçmiş olduğunu tespit etmek, ya da buna bakmaksızın girişim motifinin oluşumunu sağlamak seçimimiz vardırBunun anlamı şudur: Araştırmacı verdiği kararla, aralıktan bir dalga mı yoksa ışın mı geçeceğini ‘sonradan’ etkileyebilmektedir!


Fizikçiler, bu deney düzenine ‘geçikmiş seçim deneyi’ adını vermektedirlerBu deney, dalga –parçacık ikiliğinin insana pek tekin görünmeyen bazı özelliklerini ortaya koyuyor: Burada deneyi yapan sanki geçmişi etkileyebiliyormuş gibi görünmektedir
Kuvantum teorisinde ortaya çıkan bu gibi etkiler, mistik eğilimleri olan kimseler tarafından bütün olağan dışı olayları açıklamada kullanılmak istenmiştirDurumu açıklığa kavuşturmak için hemen söyleyelim ki, bu gecikmiş seçim düzeni öyle geçmişe mesajlar göndermek üzere kullanılamazDeneyi yapan kimse geçmişi değiştirmemekte, sadece bir seçim almasında etken olmaktadır


Doğrulanmış olan deney, gözlemcinin, kuvantum düzeyinde gerçeğin ne olduğunun belirlenmesinde temel bir rol oynadığıdırBu durum fizikçilerle filozofları her zaman şaşırmıştır Şu soruyu sormamız gerekmektedir: Bir kimse bir elektron ya da fotonu gözlediği zaman ne olmaktadır? Daha önce gördüğümüz gibi, dalga özelliği, insan gibi büyük cisimlerde normal olarak tamamen önemsizdirYine de; kuvantum düzeyinde yapılan ölçümde ne ölçüm aletinin, ne insanın dalga özelliklerinin gözardı edilemeyeceğini sanıyoruz


Bilim burada çok zor bir proplemle karşı karşıyadırBilgisayarların gelişimine önemli katkısı olan Amerikalı matematikçi John von Neumann, bunu çözümlemek için bir model geliştirdi

Bu modelde kuvantum parçacıkları, ölçüm aleti ve gözlemci, tek ve bölünmez bir kuvantum sistemi olarak ele alınıyorAnılan sistem bir bütün olarak Avusturalyalı Schrödinger’in daha önce anlattığımız dalga denklemine uymaktadırNeumann bununla insan vucudu boyutlarındaki bir sistem de olsa ve dalga boyunun küçüklüğü yüzünden gözlenemese bile, dalga girişiminin etkilerini araştırmak istiyorduVon Neumann’ın vardığı sonuçlar bizi kaygılandırmıştır: Gözlemcinin dalga özellikleri; nicelik (miktar ve güç) açısından kuşkusuz çok küçük değerler taşımakla birlikte, temel bir rol oynamaktadırEğer gözlemcinin sonuçlarını doğrulukla belirleyeceksek, bunları görmezlikten gelemeyiz




Bir çok fizikçiler büyük sistemlere dalga özellikleri tanınmasından rahatsız olmaktadırBunun nedeni şudur: Hayattaki çok değişik durumları karşılayan iki değişik dalga biçimi düşünülebilirBu dalga biçimleri birbirleriyle kesişip birbirlerini etkileyebilirlerBu olanaklar konusunda bir örneği, bizzat dalga denklemlerinin kurucusu Schrödinger vermiştirBu, bir sandık ya da kutu içinde bulunduğu varsayılan bir kediyle yapılan ‘düşünce yürütme’ deneyidirKutuda kediyle birlikte bir potasyum siyanür şişesi ve vurmaya hazır bir çekiç bulunmaktadırKutuda ayrıca bir parça radyoaktif madde yer almakta olup, hiç kimse bu maddenin ne zaman alfa parçacıkları yayınlayacağını kesinlikle bilmemektedirParçacıklar yayınlandığı zaman çekiç şişeye vuracak, şişe parçalanacak ve çıkan gaz kediyi öldürecektirDüşüncemizde yürüttüğümüz bu deneyi, çok insanlık dışı olmakla birlikte, buraya kadar hayatta da gerçekleştirebilirizŞimdi işin içine dalgalar girerse, bir çelişki ile karşılaşırız: Belirli bir anda, alfa parçacığına ilişkin dalganın bir bölümünün ‘tünel’ açarak atom çekirdeğinden ayrılmış olduğunu, bir bölümünün de hala çekirdekte bulunduğunu düşünebilirizEğer kediyi dalga olarak ele alırsak, o taktirde dalga motifi kısmen canlı vir kediye, kısmende ölü bir kediye ait birer dalgadan oluşacaktırHer iki dalga girişim yapacak ve hayali zorlayan bu geçiş


safhasında kedi ne ölü, ne de canlı olacaktırBilimsel tartışmalarda henüz böyle çelişkili durumların uzlaştırılması sağlanamamıştırBazı fizikçilere göre durum şu şekilde yorumlanmalıdır: Evren, birbiriyle yan yana varolan iki gerçekliğe bölünmektedirBunlardan birinde canlı kedi, ötekisinde ise ölü kedi bulunuyorBaşka fizikçiler ise şöyle bir çıkış yolu teklif etmişlerdir: Kuvantum dalgaları bir kedi ya da insanın vucuduna uygulanabilir ama, ruh konusunda geçersizdirler
Üçüncü bir düşünceye göre dalgalar, tek başına alfa parçacıkları ve kediler hakkında değil, olsa olsa özdeş sistem dizileri hakkında bilgi verebilirlerBu yüzden kedi bazı hallerde canlı, bazı hallerde ölü olabilir


Sorunun doğru cevabı ne olursa olsun, açıkca görülen şudur: Maddenin dalga özelliği bir gerçektir ve büyük cisimlerin, özellikle akıl sahibi gözlemcilerin dalga özelliklerini dikkate alırsak; gerçeğin ne olduğu ve gözlemciyle dış dünya arasındaki bağlantı konusunda zor proplemlerle karşılaşırızElbette kediyle yaptığımız düşünce yürütme deneyi, madde dalgalarının çelişkili yönlerini göstermek üzere öncelikle böyle düzenlenmiştirAncak bir atom çekirdeği bir alfa parçacığını açığa çıkardığı zaman, her defasında tam bunun gibi bir olay meydana gelmektedir
Eğer radyum boyalı parıldayan bir saatiniz varsa; belki de rakamları ile akrep ve yelkovanına bakarken, yazımızda anlattıklarımızı hatırlarsınız

PM’den Çeviri: Dr Ergin KORUR