Kafası Karışanlar için Kuantum Fiziği Nedir?

Kuantum Fiziği Hakkında Bilgiler

Kuantum Fiziği Hakkında Bilgiler
Parçacıkların her şeyi yaratmak için birbirleriyle nasıl etkileşime geçtiklerini gösteren bir resim

Kuantum fiziği nedir? En basit haliyle her şeyin nasıl işlediğini açıklamaya çalışan fizik dalıdır. Bu tanım maddeyi oluşturan parçacıkların doğası ve etkileştikleri kuvvetler hakkında yapılabilecek en iyi açıklama.

Kuantum fiziğinin temelinde atomların işleyişi, kimya ve biyolojinin doğada oldukları gibi işleyişi yatar. Aramızda kalsın ama hepimiz belli bir düzeyde kuantum melodisiyle dans ediyoruz.

Eğer ki elektronların nasıl bilgisayar çiplerinde dolaştığını, ışığın güneş panellerinde nasıl elektrik akımına dönüştüğünü ya da lazerle kendilerini yükselttiklerini hatta güneşin nasıl hala ışıldadığını öğrenmek istiyorsanız, kuantum fiziğine başvurmak zorunda kalacaksınız.

Kuantum parçacıkları gerçekten sadece parçacıklar değildir, aynı zamanda dalgalardır. Kaynak: Shutterstock / Agsandrew

Zor kısım -ve fizikçiler için eğlenceli olan kısım- burada başlıyor. Başlamak için tek bir kuantum teorisi yok. Sadece 1920’lerde Niels Bohr, Werder Heisenberg, Erwin Schrödinger ve diğer bilim insanları tarafından geliştirilen ve hepsinin temelini oluşturan kuantum mekanikleri var. Bu mekanikler tek bir parçacığın ya da az bir parçacık grubunun konumunu ve momentumunu zamanla nasıl değiştiğini karakterize eder.

İlginizi çekebilir: Kuantum Fiziğindeki Son Gelişmeler Bizi Işınlanmaya Daha da Yaklaştırdı

Ama gerçek dünyada bir şeylerin nasıl işlediğini anlamak için ve kuantum alan teorilerilerini yaratmak için kuantum mekanikleri fiziğin diğer dallarıyla birleştirilmelidir. Özellikle Einstein’nın parçacıkların hız kazandığında neler olup bittiğini açıklayan görelilik teorisiyle.

Üç farklı kuantum alan teorisi maddelerle etkileşen dört temel kuvvetin üçüyle uyuşuyor, bunlar:

  • Atomların bir arada durmasını sağlayan elektromanyetizma,
  • Atomun kalbindeki nükleusun kararlılığını sağlayan güçlü nükleer kuvvet,
  • Atomları radyoaktif bozunmasını sağlayan zayıf nükleer kuvvet.

Higgs Bozonu Keşfi Maddeye Kütle Kazandırdı!

Geçen son elli yılda bu üç teori parçacık fiziğinini standart modelinde bir araya getirebildiler. Zar zor bu modelleri bir arada durması izlenimlerine göre şimdiye kadar geliştirilen, maddenin temel çalışmasının en doğru şekilde test edilen şeklidir. Bunu taçlandıran zafer ise parçacıklara kütlesini kazandıran ve varlığı 1964 yılında kuantum alan teorileri temellerince tahmin edilen Higgs Bozonu’nun 2012 yılında keşfiydi.

Avrupa Nükleer Araştırma Merkezinde (CERN) Büyük Hadron Çarpıştırıcısı (BHÇ) ile deneyler yapıyor.

Geleneksel kuantum alan teorileri en küçük boyutların dahi önemli olduğu Higgs bozonunun da keşfedildiği yer olan CERN’deki Büyük Hadron Çarpıştırıcısı gibi yüksek enerjili parçacık deneylerinin sonucuyla uyuştuğu gözlemlenmiştir. Ama işlerin nasıl işlediğini daha az karmaşık konuları öğrenmek isteseniz dahi (mesela elektronların katı materyaller içerisindeki hareketleri sonucu elementlerin metal, ametal ya da yarı metal olması) işler daha da karmaşık bir hal alıyor.

Trilyonlarca etkileşimin olduğu bu hareketli çevre bazı ilginç detayları göz ardı eden efektif alan teorisinin gelişmesini gerektiriyor. Bu gibi teorileri inşa etmekteki zorluk katı hal fiziğindeki birçok sorunun neden hala çözülmediği ile ilgili, örnek olarak düşük sıcaklıktaki bazı materyaller elektrik akımına hiç direnç göstermeyen süper iletken davranışı gösteriyor, peki biz neden oda sıcaklığında bunu elde edemiyoruz?

İlginizi çekebilir: Büyük Hadron Çarpıştırıcısı 2021’e Kadar Kapatıldı!

Ama tüm problemlerin altında kocaman bir kuantum fiziği gizemi yatıyor.

Temel seviyede, kuantum fiziği maddenin gerçek hayatta işleyiş biçimiyle çelişen çok ilginç bir işleyiş biçimi ön görüyor. Kuantum parçacıkları tek bir yerde bulunan bir parçacık gibi davranabilir. Ya da aynı anda birden fazla yerde bulunan bir dalga gibi davranabilirler. Davranış biçimleri tamamen onları ölçüm biçimimize bağlı ve eğer ölçmezsek ne dalga özelliği ne de parçacık özelliği gösteriyor. Bu da bizi gerçekliğin doğasını sorgulamamıza itiyor.

Kafası Karışanlar için Kuantum Fiziği Nedir?
Kafası Karışanlar için Kuantum Fiziği Nedir?

Bu karışıklık bizi kutu içindeki bir kedinin belirsiz bir kuantum süreci sonucunda aynı anda hem ölü hem canlı olduğu Schrödinger’in kedisi paradoksuna götürüyor. Ama hepsi bu da değil, kuantum parçacıkları aralarında ne kadar uzaklık olursa olsun birbirlerine aynı anda etkileyebiliyor. Bu şaşırtıcı fenomen bilim dünyasında dolanıklık olarak bilinir ya da Einstein’nın deyimiyle “uzaktan hayalet eylemi”. Bu gibi kuantum güçleri bize tamamen yabancı ama kuantum şifreleme ve ultra güçlü kuantum hesaplama gibi yeni teknolojilerin temelini oluşturuyor.

Ama elbette tüm bunların ne anlama geldiğini ve nasıl olduğunu kimse bilmiyor. Başlangıç için, kuantum teorisinin açıklayamadığı doğanın dördüncü bir gücü var. Kuantum teorisi olmayan ve parçacık içermeyen yerçekimi Einstein’ın genel görelilik teorisinin bir parçası olmaya devam ediyor. Onlarca yıl boyunca yerçekimini kuantumla açıklamaya çalışıp temel fiziği “her şeyin teorisi” içine alma çabası hiçbir sonuç vermedi.

Bu arada kozmolojik ölçümler gösteriyor ki evrenin %95’inden fazlası standart modelle açıklanamayan kara madde ve kara enerjiden meydana geliyor ve kuantum fiziğin gerçek hayattaki işleyişi bir bilmece olarak kalacak. Dünya aslında bir kuantum seviyesinde ama kuantum fiziği tüm her şeyi açıklayacak son şey mi? İşte orası belirsiz.

İlginizi çekebilir: Sınırsız Güce Ulaşabilmemiz İçin Bir Fırsat Kuantum Bilgisayar

Emre AKINCI

Bu gönderi güzel ve kolay başvuru formumuzla oluşturuldu. Yayınınızı oluşturun!

NASA ‘nın İnsanlı Uzay Görevleri İçin Kullandığı 6 İleri Teknoloji Sistem.

Teori Nedir? Teori Geliştirme Aşamaları