Kuantum nedir? Kuantum fiziği nedir? Kuantum fiziği ne işe yarar?
Nobel Ödüllü fizikçiler bile Kuantum fiziğini anlatma konusunda afallıyor. Kuantum fiziği nedir? Kuantum fiziği ne işe yarar? Işık dalga mı parçacık mı yoksa her ikisi de mi? Kuantum teorisi nedir? Kuantum nedir? Kuantum sıçraması nedir? Kuantum etkilerini görebilir miyiz? Kuantum fiziği kullanılan pratik uygulamalar var mı? Kuantum fiziği güneş enerjisini nasıl açıklar? Antimadde nedir? Kuantum fiziğinin tarihçesi ve Kuantum sözlüğü içeriği ile Kuantum fiziğinin yaşamlarımızı nasıl etkiliyor? sorularının cevabı için okumaya devam ediniz ve kolayca Kuantum fiziğini çözeceksiniz.
Kuantum fiziği nedir? Kuantum fiziği ne işe yarar?
Kuantum fiziği, pratik bir değeri olmayan, ezoterik bir konu gibi görünebilir ama aslında hiç de öyle değil. Kuantum fiziği; atomların, elektronların ve ışığın davranışlarını anlamak için ihtiyacımız olan bilim dalı.
Mikroçiplerin, lazerlerin ve daha birçok şeyin işleyişinin temelinde kuantum fiziği yatıyor. DNA ipliklerini bir arada tutan ve ikili sarmal moleküllerinin kendilerini kopyalamasını sağlayan kimyasal bağlar da tamamen kuantum fiziğinin yasalarına göre işliyor. Basitçe söylemek gerekirse, kuantum fiziği aslında yaşamın bilimi.
Işık dalga mı parçacık mı yoksa her ikisi de mi?
Bilim insanlarının 19. yüzyılın sonunda ulaştığı fizik anlayışına günümüzde “klasik fizik” diyoruz. Klasik fizik, fiziksel dünyanın davranışlarını Isaac Newton‘un keşfettiği yasalarla açıklarken, ışığın ve diğer elektromanyetik ışımaların (radyo dalgalarından gama ışınlarına kadar her şey) davranışlarını da James Clerk Maxwell’in dalga denklemleriyle açıklıyor.
Klasik fizik dünyasında dalga dalgadır, parçacık da parçacıktır. Dalgalarla parçacıklar birbiriyle etkileşime girerler (örn. elektrik yüklü, titreyen bir elektronun radyo dalgaları yayması) ama her zaman kendi kimliklerini korurlar.
Genel görelilik teorisi bile (daha basit kardeşi özel görelilik teorisi gibi) “klasik” bir teori olarak kabul edilir çünkü bu teori, dalgalarla parçacıklar arasındaki bu ayrımı ve değişimlerin süreklilik arz edecek şekilde gerçekleştiği fikrini muhafaza eder.
Ancak kuantum fiziği tüm bu bilgileri altüst ediyor. Klasik fiziğin yetersiz kaldığına dair ilk ipucunu Max Planck ortaya çıkardı: Işığın sürekli bir dalga olmadığı ve parçacıklardan oluştuğu kabul edilirse Planck, ışığın davranışlarının sadece bir kısmını (örn. kara cisim ışıması) açıklayabiliyordu. Oysa bazı deneyler ışığın dalga gibi de davrandığını gösteriyordu!
İlerleyen zamanlarda, klasik fiziğin parçacık olarak kabul ettiği elektronların bazı durumlarda dalga gibi davrandıkları keşfedildi. Daha sonra “dalga-parçacık ikiliği” adını alan bu kavram, kuantum fiziğinin temelini oluşturuyor.
Kuantum teorisi nedir? Kuantum nedir?
Klasik fizikle kuantum fiziği arasındaki ayrım, dalga-parçacık ikiliğinden ibaret değil. Klasik fizik dünyasında elektron gibi parçacıkların uzayda belirli bir konumu varve belirli biryönde hareket ediyorlar. Yol boyunca karşılaştığı tüm kuvvetleri hesaba katabilirseniz parçacığın başına gelecek her şeyi hesaplayabilirsiniz. Bu tüm parçacıklar için geçerli.
Klasik fiziğin “deterministik” olduğu söylenir çünkü her şeyin nerede olduğunu ve nereye gittiğini bildiğinizde onların tüm geleceğini ve geçmişini hesaplayabilirsiniz. Geleceği ve geçmişi, cisimlerin şu anki durumları ve özellikleri belirler. Bu da özgür iradeye pek şans tanımıyorl Bu kavrama bazen “Newton’un saat gibi işleyen evreni” de deniyor.
Ancak Kuantum fiziğine göre bir elektron asla kesin bir yerde bulunmaz (dalga yapısı nedeniyle) ve nereye gideceğini anla kesin olarak bilmez. İşte bu Werner Helsenberg’in keşfettiği belirsizlik ilkesi dir. Kuantum cisimleri ya nispeten iyi tanımlanmış bir konuma ve kötü tanımlanmış bir yöne ya da iyi tanımlanmış bir yöne ve kötü tanımlanmış bir konuma sahip olabilir, ama ikisine birden sahip olamaz. Özgür iradenin bedeli budur.
Bu da bizi kuantum fiziğinin bir diğer önemli fikrine götürüyor: olasılık. Bir kuantum varlığının tam olarak nerede olduğunu veya nereye gittiğini asla bilemezsiıılznına kuantum fiziğinin kurullarını kullanarak olasılıkları hesaplayabilirsiniz. Örneğin, bir elektronun belirli bir yörüngeyi takip etme olasılığı veya bir radyoaktif madde örneğinin belirti bir süre içinde bozunup parçacık verme olasılığı hesaplanabilir.
Kuantum nedir? Kuantum sıçraması nedir?
Kuantum, herhangi bir şeyin var olması mümkün olan en küçük miktarıdır. Örneğin, var olabilecek en küçük ışık miktarı, foton denilen bir parçacıktır. Parlak bir ışığınız varsa dışarı doğru akan pek çok foton var demektir. Işığı kısarsanız fotonlar giderek azalır. Sonunda o kadar az foton kalır ki bunları tek tek tespit edebilirsiniz.
Gökbilimciler, uzun pozlamalı CCD’ler kullanarak çok zayıf ışık yayan cisimlerin görüntülerini oluşturduklarında bunun gcıçekleştiğini görebiliyor. Atomlar ışık saçtığında elektronlarını enerji yayacak şekilde yeniden düzenliyor. Elektron, merdiven basamakları atasında zıplayan bir top gibi, bir enerji seviyesinden öteki enerji seviyesine sıçrıyor ve bu sırada bir foton saçılıyor. İşte bu sıçramaya ‘Kuantum sıçraması* deniyor. Kuantum sıçraması, yapılması mümkün olan en küçük değişikliktir.
Elektron, adeta merdiven basamakları orasında zıplayan bir top gibi enerji seviyeleri arasında sıçrıyor.
Kuantum etkilerini görebilir miyiz?
Kuantum etkileri ilk olarak 1980’lerde Japon bilim insanları gözler önüne serdi. Işığın bir dalga olduğunu “kanıtlayan” klasik deneyi alıp elektronlara uyarladılar. Geleneksel deneyde, karton bir perdedeki iki delikten ışık ışınları gönderilerek karşıdaki duvarda bir desen oluşturulur. Suya taş attığınızda oluşan dalgacıklar gibi ışık dalgaları iki delikten yayılmaya başlar ve birbirleriyle etkileşime girerek duvardaki deseni oluşturur.
Japon ekip ise aynı düzeneği kurarak televizyon ekranına benzer bir ekrana teker teker elektronlar ateşledi. Elektronların her biri ekrana ulaşınca tek bir nokta oluşturuyor, bu da parçacık olduklarını gösteriyordu. Ancak deney boyunca yüzlerce elektron ateşlendiğinde noktaların oluşturduğu desen bir “girişim deseni” oluyordu. Bu da onların dalga olduğunu kanıtlıyordu.
Bu deney kafanızı karıştırdıysa hiç endişelenmeyin: Kuantum fiziği çalışmalarıyla Nobel Ödülü alan Amerikalı fizikçi Richard Feynman, “Kuantum fiziğini hiç kimse anlayamaz.” der.
Kuantum fiziği kullanılan pratik uygulamalar var mı?
Uygulamalı kuantum fiziği heryerde karşımıza çıkıyor. Akıllı telefonunuzdakiler de dahil olmak üzere bilgisayar işlemcileri, kuantum fiziği kullanılarak tasarlanıyor ve kuantum ilkelerine göre çalışıyor. Blu-ray diskleri okumada kullanılan lazerler, Albert Einstein‘ın 100 yıl önce geliştirdiği kuantum ilkelerine göre çalışıyor.
Fizikçiler, elektron dalgalarının yüzük büyüklüğünde bir metal halka etrafında dolaştığı, süper iletken kuantum girişim cihazı (SQUID) denilen araçlar geliştirdiler. Bunlar, aşırı duyarlı manyetik alan detektörleri ve MR cihazı gibi birçok farklı uygulamada kullanılıyor.
Günümüzde kuantum fiziğinin en heyecan verici uygulama alanıysa henüz gelişmekte olan Kuantum bilgisayarları. Sıradan bilgisayarlar ya açık ya da kapalı olabilen (o veya ı) anahtarları temel alıyor. Oysa gerçek bir kuantum bilgisayarı aynı anda hem açık hem de kapalı olabilen anahtarlara (tek bir atom veya elektron) sahip. “Süperpozisyon” denilen bu kavram, bilgisayarı çok daha güçlü kılıyor.
Kuantum fiziği güneş enerjisini nasıl açıklar?
Güneş gibi yıldızlar, “Nükleer füzyon” süreci sonucunda enerji açığa çıkarırlar. En basit anlatımla, Güneş’in içinde iki proton (hidrojen çekirdeği) bir araya gelerek kaynaşır, ardından başka parçacıklarla birleşerek helyum çekirdeği oluşturur. Helyumun kütlesi, içine giren parçacıklardan daha azdır. Bu nedenle, Einstein’ın ünlü E = mc2 denklemi gereğince enerji açığa çıkar.
Gökbilimciler, kütle çekimine karşı koyabilmek için Güneş’in iç kısmının ne kadar sıcak olması gerektiğini hesaplayabiliyor. Ama bu da başka bir muamma doğuruyor. Protonlar pozitif yüklü oldukları için birbirlerini iterler. Çarpışarak birbirlerine yapışmadan önce çok hızlı hareket etmeleri gerekir.
Klasik fizik, Güneş’in iç kısmının bunu gerçekleştirecek kadar sıcak olmadığını söylüyordu. Çözüm kuantum fiziğinden geldi. İki proton birbirine yakın olduğunda, ama klasik teoriye göre birbirine değecek kadar yakın olmadığında, kuantum belirsizliğine göre aslında birbirine değme olasılıkları var. Bunu kavramanın bir başka yolu da protonları birbirine doğru uzanan dalgalar gibi düşünmek. Her iki durumda da sonuç, protonların kaynaşabilmesi.
Antimadde nedir?
Kuantum fiziğinin en garip tahminlerinden biri, her parçacık türünün temel özelliklerin tersine sahip bir antiparçacık türü de olması gerektiği. Örneğin, elektron negatif yüklü olduğu için, elektronun antiparçacığı olan pozitron pozitif yüklü.
Fizikçi Paul Dirac, bu konuyu ciddiye alan ilk kişiydi. 1920’lerde fikrini yayımladığında, gerekli pozitif parçacığın proton olabileceğini öne sürdü çünkü o sırada bilinen diğer tek parçacık protondu. Ancak 1932’de fizikçi Carl Anderson, “bulut odası” denilen bir cihazda elektronlarla aynı kütleye sahip pozitif yüklü parçacıkların izlerini keşfetti. Bu keşfi ona Nobel Ödülü kazandırdı.
Dirac son derece haklı çıktı: Parçacık-antiparçacık çiftlerinin (örn. bir elektron ve bir pozitron) Einstein’ın denklemine uygun olarak saf enerjiden oluşabileceği, ancak bir parçacıkla antiparçacık karşılaştığında gama ışını patlamalarıyla birbirlerini yok ettikleri anlaşıldı.
Kuantum fiziğinin tarihçesi
- 1900 yılında Kuantum fiziği dünyasına anlam kazandıran büyük buluşlar Alman fizikçi Max Planck (1858-1947), “kara cisim ışımasının. ışığın enerji kümeleri (fotonlar) halinde yayılmasıyla açıklanabileceğini keşfetti. Bu. ışığın bir dalga olduğu fikriyle çelişiyordu.
- 1905 yılında Alman fizikçi Albert Einstein (1879-1955) “fotoelektrik etkiyi açıkladı: Metal bir yüzeye düşen ışık, fotoelektronların yüzeyden dışarı fırlamasına neden oluyordu.
- 1913 yılında Danimarkalı fizikçi Niels Bohr (1885-1962) atomların saçtığı ışık tayfını, atomun içindeki sabit enerji seviyeleri arasında merdiven basamakları gibi sıçrayan elektronlarla açıkladı. Bu”kuantum sıçraması” idi.
- 1927 yılında Clinton Davisson ile George Paget Thomson, elektronların dalgalar gibi kırılabildiğini keşfedip dalga-parçacık ikiliğini kanıtlayarak Nobel Ödülü aldılar.
- 1932 yılında Amerikalı fizikçi Cari Anderson (1905-1991), kozmik ışın izlerini incelerken, elektrona benzeyen ama pozitif yüklü bir parçacığın izini gördü. Bu bir antiparçacık olan pozitrondu.
- 1985 yılında David Deutsch (1953-) bazı görevleri geleneksel bir bilgisayardan daha hızlı tamamlayacak bir kuantum bilgisayarı yapılabileceğini öne sürdü.
Kuantum sözlüğü
- KARA CİSİM nedir?. Işımayı mükemmel bir şekilde emen cisimlere kara çişim denir. Ama kara cisim sıcaksa mükemmel bir ışıma yayıcı haline gelir Yani paradoksal olarak. Güneş neredeyse mükemmel bir kara cisim ışryıcısıdır.
- KIRINMA nedir?. Dalgaların köşelerde bükülebildiği veya küçük bir delik ya da yarıktan her yöne yayılabildiği süreç.
- İKİLİK nedir?. Kuantum varlıkların hem parçacık hem de dalga gibi görünmesinin yolu budur. Işık “dalgalan” foton adlı parçacıklarla, elektron “parçacıkları” ise dalgalarla ilişkilidir.
- ENERJİ SEVİYESİ nedir?. Belirli bir enerjiyle ilişkili bir kuantum durumu. Atomlardaki elektronlar belirli enerji seviyelerinde bulunur.
- KUANTUM SIÇRAMASI nedir?. Bir kuantum sisteminin, mesela biratomdaki elektronun, bir enerji seviyesinden diğerine geçerek değişmesi. Sistem (elektron) herhangi bir “ara durum”dan geçmeden değişir.
- Süperpozisyon nedir?. Bir kuantum sisteminin farklı durumlarda var olması. Örneğin, elektronların “spin” denilen bir özelliği vardır. Elektron kendi başınayken hem yukarı hem aşağı spin süperpozisyonundadır. Elektron yalnızca bir şeyle etkileşime girince tek bir duruma “oturur”. Bu kavram, kuantum olasılığı fikriyle ilişkilidir: Elektronu bu iki durumdan birinde bulma olasılığınız %50’dir.
Hayretlere düşüren Kuantum deneyi (Bunu açıklayana 1 milyon dolar ödül veriliyor)
18. yüzyılda ışığın dalga mı yoksa parçacık mı olduğu tartışılıyordu. Ancak 1803’te İngiliz bilim insanı Thomas Young, ışığın iki delikten bir perdeye yansıtıldığında bir girişim deseni ortaya çıktığını kanıtladı. (Deney 1) Bu durum, benzer şekilde oluşmuş iki dalganın suda çarpışmasına benzer. Dolayısıyla Young, ışığın bir dalga olduğu sonucuna vardı. Ancak 20. yüzyılın başlarında Einstein ve başka bilim insanları, ışığın foton adlı parçacıkların akışı olarak da görülebileceğini kanıtladı.
İşte burada işler karışıyor. Parçacıklar, Young’ın deneyinde olduğu gibi yarıklardan tekerteker gönderildiğinde iki şerit halinde “yığılmalıydı”. Oysa fotonlar böyle yığılmıyor: Fotonları deliklerden tek tek gönderseniz bile bir girişim deseni oluşuyor (Deney 2). İşin daha garibi, her bir fotonun hangi delikten geçtiğini izlerseniz, girişim desenlerinin yerini iki şerit alıyor. Aynı şey, elektron gibi diğer temel parçacıklar içinde geçerli.
Kuantum fiziğinin akıllara durgunluk veren dünyasında “dalga-parçacık ikiliği” normal birşey ve deneyi gözlemlemek bile deneyin sonucunu etkileyebiliyor.