Kuantum teorisi nedir?
Fizikte ışın - enerjiyle ilgili bir teoridir. Bu teoriye göre, ışın enerjiyi, «kuanta» (foton) denen belirli, küçük birimler verir ve emer. Bir cisim enerji verirken de, alırken de içindeki atomların durumu bozulur, titreşmeye başlarlar. Atomların bu titreşimi ışık şeklinde ortaya çıkar. Bu ışık da bize renk şeklinde görünür. Bundan ötürü her lemanın ayrı bir rengi vardır. Enerji alan cisimlerin ışık verdiğini ilk Alman bilgini Max Planck 1900'de ispatladı. Planck'a göre ışın-enerji veren her cisimde, cismin cinsine göre bir miktar «kuanta» (foton) vardır. Kuanta'nın değeri cismin saniyedeki titreşim sayısına, aynı zamanda bütün cisimler için sabit olan bir niceliğe bağlıdır.
Buna «Planck sabiti» denir. Bir cismin kuanta değeri, titreşim sayısı «Planck sabiti» ile çarpmakla bulunur. Formülü: E = hv'dir. Burada E = enerji, h = Planck sabiti, v = saniyede titreşim sayısı. Isı, ışık, morötesi (ultraviyoie), kızılöte (enfraruj), X ışınları, radyo dalgalan, kozmik ışınlar hep dalgalarla yayılan birer ışın - enerjisidir. Radyoaktif elemanların yaydığı gamma ışınları da bunlardandır. Yüzyılımızın başında ortaya atılan iki teori, fizik ve felsefe dünyamızı çok derinden etkiledi. Bunlar kuantum ve rölativite teorileriydi. Rölativite, tek başına kendi yolunda yürüyen bir adamın ürünüyken, kuantum teorisi birçok kişinin katkılarıyla oluşmuştu: Planck, Einstein, Bohr, De Broglie, Schroedinger, Heisenberg, Dirac ve Paui gibi... Ve her birine bu katkılarından dolayı Nobel ödülü verilmişti.
Otuz yıl kadar süren bir arayışın sonunda da kuantum mekaniği denilen yeni bir bilim felsefesi doğdu. Kısaca tanımlamak gerekirse, atom altı parçacıklarının fiziksel yapılarını ( Konum, momentum,...gibi), matematiksel bazı denklemlerle açıklama sistematiğidir.Burada araya girerek yazıda geçecek ve okuyucuların yabancı olduğu bazı fiziksel tabirlere kısa bir açıklama getirelim: Dalga boyu; belli bir anda, bir dalga tepesinden en yakın dalga tepesine olan mesafedir. Elektromanyetik Spektrumu oluşturan gama, X, mor ötesi, görünen ışık ve kızıl ötesi ışınlarıyla, mikro dalgalar, radyo, radar ve televizyon dalgalarının farklı özellikler göstermesi, sadece aralarındaki dalga boyu farkı nedeniyledir.
Bu ise, elektromanyetik dalgaları taşıyan foton adını verdiğimiz parçacıkların ihtiva ettiği enerji miktarına bağlıdır. Fotonun enerjisi ne kadar fazla ise, dalga boyu (iki dalga tepeciği arasındaki mesafe ) o kadar kısa, frekansı ise ( Bir saniyede belli bir yerden geçen dalga sayısı ) o kadar fazladır. Her şey Max Planck (1858-1947)'in 1900'de Kara Cisim radyasyonu üzerine çalışırken ışığın "kuantum" dediği enerji paketçiklerinden oluştuğunu bulmasıyla başladı. Bulduğu formül, ışık enerjisinin dalga paketleri halinde aktarıldığını ifade ediyordu.
Planck'ın yetkin örnek olarak aldığı Kara Cisim üzerindeki kuramsal çalışması 1900'de yayımlandı. Çalışmanın dayandığı temel düşünce şuydu : Madde, çeşitli frekansları paketler halinde bulunduran ve bu frekansları yayan bir kaynaktı. Gerçi bu düşüncenin yürürlükteki kurama ters düşen yanı yoktu : Ne var ki, Planck aynı zamanda madde dediğimiz kaynaktan çıkan frekansların sürekli değil de paketçikler şeklinde salındığı görüşünü ileri sürdü. Klasik fizik ise, enerjinin paketler şeklinde değil de sürekli bir akıntı (su dalgası gibi) olduğunu düşünüyordu.
Radyasyonun tanecik görünümünün daha basit bir örneği foto elektrik olayıdır. Einstein 1905 yılında yayımladığı makalelerinden birinde bu konuyu açıklıyordu. Fotoelektrik olayını basit olarak şöyle izah edebiliriz: Metal bir yüzeye düşürülen ışık, yüzeyden elektron koparır. Koparılan elektron, devrede bir akım meydana getirir. Fizikçiler, bu elektronun hızının şiddetinden bağımsız olmasını anlayamıyorlardı. Kopan elektronun hızı, ışığın rengine yani dalga boyuna bağlı olmalıydı. Einstein, ışığın aslında dalga olmayıp fotonlardan, yani kuantum paketçiklerinden oluştuğunu öne sürerek sonuca açıklama getirdi. Buna göre metal yüzeyden kopan elektronun hızı, kuantum paketçiğinin enerjisine veya frekansına bağlıdır.
Işığın şiddetini artırmak, sadece kuantum paketçiklerini artırmak anlamına geliyordu. Dolayısıyla, ışığın şiddetini artırmak, yüzeyden koparılan elektron miktarını çoğaltır fakat, elektronun yüzeyden ayrılma hızına etki edemezdi. Böylece Einstein, ışığın bir dalga olmayıp, parçacıklar (fotonlar) topluluğu olması gerektiğini öne sürdü.Işığın parçacık gibi davranabileceğinin kesin delili, 1922'de Compton tarafından bulundu. Compton, yaptığı deneyde, fotonun momentumu varmış gibi parçacık hareketi yaptığını gözlemledi.Newton zamanından beri girişim ve kırınım deneyleri, ışığın dalga karakterinde olması gerektiğini söylüyordu.Işığın, parçacık yapısında yani enerji paketçikleri (kuantumlar) cinsinden olaylar henüz açıklanamamıştı. Görünürdeki bu çelişki, dalga-parçacık ikilemi olarak bilinir.
Modern yoruma göre her iki karakter de doğrudur: Işık bazı olaylarda dalga, bazı olaylarda da parçacık gibi davranır. Ama iki karakteri de aynı anda gösteremez.Bu gelişmelerden sonra sıra, klasik fiziğin açıklamada yetersiz kaldığı atom yapısına gelmişti. Danimarkalı bilim adamı Niels Bohr (1885-1963) 1913'te atom yapısına ilişkin günümüzde de kabul edilen bir teori oluşturdu. Bu teori, Planck'ın orijinal kuantum teorisi, Einstein'in ışığın foton kuramı ve Rutherford'un atom modellerinin fikirlerinin bir birleşimidir.
Bohr teorisinin varsayımları şunlardır: Elektron, protonun etrafında Coulomb (+ yükün – yükü çekmesi) çekim kuvvetinin etkisi altında, dairesel bir yörüngede hareket eder.Elektron atom etrafında belirli yörüngelerde bulunur. Bu yörüngeler çeşitli enerji seviyelerdir. Bir üst yörüngeye geçmek için enerjiye ihtiyaç duyulur, alt seviyeye geçmek için de dışarıya enerji verilir.Elektron ancak, enerjisi E1 olan kararlı bir durumdan, daha düşük enerjili bir E2 durumuna geçiş yaptığında enerji farkıyla orantılı bir enerji yayınlar.
Bohr'un teorisi, hidrojen atomunda ve hidrojene benzeyen bir kez iyonlaşmış iyon ile iki kez iyonlaşmış lityum gibi iyonlarda başarıyla uygulandı. Bununla birlikte, teori daha karmaşık atomların ve iyonların spektrumlarını doğru olarak tanımlayamazdı.Atomik sistemlerin yeni mekaniğine doğru ilk cesur adım, 1923 yılında Louis Victor De Broglie tarafından atıldı. De Broglie, doktora tezinde, fotonların dalga ve tanecik özelliklerine sahip olmalarından dolayı, belki bütün madde biçimlerinin tanecik özellikleri olduğu kadar, dalga özelliklerine de sahip olacakları tezini ileri sürdü. O zaman için hiçbir deneysel doğrulanması olmayan bu öneri, oldukça büyük, devrimci bir düşünce idi. De Broglie'ye göre elektronlar, hem tanecik hem dalga olarak ikili bir doğaya sahiptirler. Her elektrona, ona uzayda yol gösteren veya "yörünge çizen" bir dalga eşlik ediyordu. De Broglie bu savı ile 1929 yılında Nobel ödülü aldı.
Schrödinger, 1926 yılında "Schrödinger Dalga Denklemi" olarak izah ettiği elektron dalgalarını eski fizikçilerin aşina olduğu su ve ses dalgalarının denklemleri gibi matematiksel bir denklemle ifade etti. Bu nedenle Schrödinger'in dalga mekaniği, Max Planck ve de Broglie gibi fizikçiler tarafından hüsn-ü kabul gördü. Schrödinger, Kuantumun dışladığı neden-sonuç bağını dalga denklemi yardımıyla ortadan güya kaldırıyordu. Ona göre elektronların bir durumdan bir başka duruma ani değişimlerinin sebebini. Elektron geçişlerini bir keman telinin titreşimleri gibi, bir notadan diğerine geçiş olarak yorumladı.Paul Adrian Maurica Dirac (1902-1984),1926' da özel rölativite kavramlarından yararlanarak. Schröndinger dalga denklemini değişik biçimde ortaya koydu. Dirac'ın fiziğe ikinci önemli katkısı, 1928'de özel rölativite teorisini kuantum mekaniği ile uyuşturması olmuştur.
1927'de , Werner Heisenberg (1901-1976) ilk kez bir parçacığın konumunu ve momentumunu aynı anda son derece doğrulukla belirlemenin olanaksız olacağını öne sürdü. Bu demektir ki, bir parçacığın tam konumunu ve tam momentumunu aynı anda ölçmek fiziksel olarak olanaksızdır. Örneğin elektronu ele alalım. Çekirdek etrafında hızı en az, 10^10 cm/sn içinde tanımlanmalıdır. Aksi halde, atomun çekiminden kurtulup dışarıya fırlayacaktır. Bu, elektronun konumunda yaklaşık 10^-8cm.lik bir belirsizliğe denk gelir. Bu ise atomun toplam boyutudur. Elektron, atom etrafında o derece yayılmıştır ki, yörüngenin kalınlığı atomun yarı çapına eşit olur. Yani, elektron aynı anda çekirdeğin her tarafında bulunabilir. (Dünyanın, Güneşin hemen dibinden şimdiki yörüngesine kadar bütün alanlarda bulunma ihtimali gibi).
Bu durum,"fiziksel olarak şu cisim çoğunlukla burada,ama kısmen orada, ara sıra da uzakta." gibi ifadelerin kullanılmasını gerektirir. Neticede, Kuantum fiziği tek ve kesin bir sonu değil, birtakım olası sonuçlar öngörür ve her birinin ne kadar mümkün olduğunu söyler. Fizikçi Nick Herbert, dünyayı "sadece baktığımız zaman madde görüntüsü veren, aslında durmaksızın akan bir dalga çorbası" olarak ifade etmektedir. Midas'ın dokunduğu her şeyi altın yapan elleri gibi. John Wheler "Bizler sadece gözlemci değiliz, olanları anlatma hakkımız olduğu gibi, oluşturan da yine bizleriz." der. Ve "Olanlarla olacakları bizler gözlem aletlerimizle belirlemekteyiz"diyen Bohr'a hak verir.Hilbert Uzaylarının bazılarında zaman yoktur, bazılarında zaman teğettir. Bir diğerinde zaman ileri akarken, başkasında geriye doğru akmaktadır. Zaman alternatif akım gibi bir ileri bir geri osilasyonik çalışır. Örneğin, orada insan yaşlı doğar sonra gittikçe gençleşir.
Şu sırada belli bir toleransa ihtiyacım var. Çünkü, ele aldığım konunun ana teması "Belirsizlik ilkesi"dir. Eski bir devlet adamı için beceriksizliğini ifade eden bir söz vardır; "iki işi bir arada yapamazdı" derler. Örneğin, hem çiklet çiğneyip hem yürüyemezdi. Gerçi bu kadar beceriksizliğin mübalağa edilmiş şeklidir. Bir yandan konuşur bir yandan da otomobil kullanabiliriz. Ama bir kitaptan not alırken aynı anda mektup yazamayız, iki ayrı dili konuşan iki kişi arasında tercümanlık yapan biri aynı anda şarkı söyleyemez. Örnekler pek çoktur, en akıllı yaratık "insan"dan söz ediyoruz. Fakat aşağı doğru inildiğinde, atomlara gelince durum değişmektedir. Atomik ve subatomik partiküller aynı anda pek çok şeyi yapabilecek evrensel Zeka ya sahiptirler.
Kuantum mikrofiziğinden önce, Klasik Fizik zamanında, Comogenesis yani evrenin kökeni ve gelişimi ile ilgili teoriler, günümüzdeki kadar gelişmemişti. Bugün ise Kuantumcular artık gözlenemez evrenlerin içinde adeta evlerindeymiş gibi davranmaktadırlar. Kuantum kelimesi Latincede "Nicelik", kuantum olaylarında ise "parçacık" anlamındadır. Alman Fizikçi Max Planck 1900 yılında bir teori ortaya koydu. Kuantum Teorisi, buna göre enerji, düz ve sürekli değil; kesik, kopuk, ardışık, noktasal paketçiler halinde yayılıyordu. Planck bu düşünceyi bir sabitle "Planck sabiti", "h" ile fiziğe kazandırdı. Newton'a göre ışık, 'Corppuscule' denilen madde akımıydı. Tanecikli bir yapıya sahipti. Maxwell ise ışığın dalga davranışı gösterdiğini savunmaktaydı, Kuantum teorisi, fiziğin bu en büyük tartışmasını uzlaştırmış bulunmaktadır.
Kuantum olaylarında ışık, hem madde hem de dalga özelliği taşımaktaydı. Foton denilen maddeciğe, uzayda bir de dalgacık eşlik etmekteydi. Yani ışık, uzayda yol alırken bir dalga gibi, önüne engel çıkınca da aktif bir parçacık gibi davranmaktaydı. Aslında madde ile enerji farklı şeyler değildi. Madde yoğun, enerji ise seyrek madde idi ve birbirine dönüşebilirlerdi. Einstein'in ünlü denklemi E=m.c2 bunu anlatır, 'enerji, maddenin kütlesi ile ışık hızının karesinin çarpımına eşittir.' Einstein, Lenard ve Comten, ışığın tanecik yapısını soruştururken, Louis De Bruglie de dalgacıkların yapısını araştırmaya başladı. Broglie, atomaltı parçacıkların aynı zamanda dalga boyu olduğunu keşfetti. Elektron, Proton gibi parçacıklara bir dalga boyu eşlik etmekteydi. Hareket halindeki bu parçacıklar dalga davranışında bulunuyorlardı, yani titreşiyorlardı.
Riemann Tansörü (Big Bang Öncesi Hareketlilik). Birinci derecede hacim koruyan "Gel-Git" şekil değiştirmelerini belirten kuram. Kuantum Mekaniği, fiziği bu özel alanı "Bilgi teorisi" olarak da tanımlanmaktadır. Ancak bu düşünce, bu konudaki teknik ilerlemelerden kaynaklanmaktadır. Kuantum Teorisi ile ortaya çıkan ilkelerden biri de 'Hilbert Uzayı' teorisidir, belli bir operatöre bağlantı olarak Kuantum Teorisinin matematiksel çerçevesini ve dilini ifade eder. Diğer bir ilke ise Kuantum Dinamiği ilkesidir, Erwin Schrodinger bu denklemin kurucusudur. Fizik tarihinde bazen bir fikri ortaya atanların, sonraki gelişmelerden memnun olmadığı da görülmüştür. Örneğin Newton'un Girişim Halkaları deneyi, Faraday'ın kısmen kendi deneyimlerinden kaynaklanan "Maxwell Denklemleri"ni fazla matematiksel bulması gibi. Kuantum Mekaniğine temel katkıları olan birçok fizikçi sonradan bu önemli teoriye cephe almışlardır.
1900'de "Enerji Kuantumu" fikrini ortaya atan Max Planck'ın bu girişimini çok beğenen Einstein işi biraz daha ileri götürerek Fotonları deklare etti. Fakat Planck, Eintein'in bu fikrini 1913'te hala kabul etmemişti. Aslında, Einstein foton kavramını ortaya attıktan sonra Kuantum Teorisi şekil almaya başlamıştır. Luis de Broglie "parçacık-Dalgacık" dualitesi fikrini ortaya koyduktan sonra Max Planck da teorinin "İhtimaller" cinsinden yorumunu yaptı. Niels Bohr "Objektif Gerçeklik" felsefesi görüşü ile teoriyi tanımladı ve Einstein, Podolsky, Rosen'in (EPR) makalesi yayınlandı. Bu makale, Kuantum serisinin şaşırtıcı yanlarını sergilemesi bakımından yararlı oldu. Buna rağmen; Louis De Broglie meşhur E= h.r (Parçacık eşittir Planck sabiti kare dalga frekansı) denklemiyle yeni bir yorum getirdi.
Bu, Dalgalar Kuantumu teorisi, Kopenhag yorumunda yer aldığı Louis De Broglie bu teoriye yeni bir yorum ileri sürdü. "Pilot Dalga" teorisi. Bu yorum Wolfgang Pauli tarafından şiddetle eleştirildi. Daha sonra David Behrn 1950'lerde Pilot Dalga kavramını içeren ve yerel olmayan etkileşimleri ortaya koyan yeni bir teori geliştirdiyse de bu teori fazla ilgi görmedi. Kopenhag ekolu fizikçilerinden Erwin Schrodinger, özellikle birden fazla parçacık içeren problemlerin savunulmalarının imkansız olduğunu söyledi. Zira, iki parçacıklı problemlerde altı boyutlu bir uzay ortamı çıkıyordu, ve "YÜK" gibi gerçek bir fiziksel dağılımın böyle bir uzayda anlamı kalmıyordu.
Kuantum ile ilgili ilkeleri
• Her parçacık aynı zamanda Dalgacıktır:
• Kuantum Teorileri evrende her şeyi parçacık olarak görür.Kuantum Durumu: Evrene (Kuantum Durumu) ya da (Kuantum Davranışı) olarak bakabiliriz.
• Belirsizlik İlkesi: Kuantum düzeyinde "ışık hızı" yasağı nedeniyle sistemlerin durumları belirlenemediğinden "Belirsizlik İlkesi" hakimdir.
• Üst üste gelme İlkesi: Bir sistemdeki durumlar üst üste geldiğinde, başka yeni olasılıklar meydana gelir. Gizli değişkenler gibi.
• Nesnel Olasılık: Yani her şey rastlantıdır.Correlation: Tıpatıp davranış olgusu.
• Gecikmeli Seçim: Bu, beş boyutlu uzay-zaman kavramı kapsamındadır. Yalnız fotonlar değil, her parçacık tünel aracılığı ile özelliklerinden birini seçip kullanabilirler.
• Süper İletken Halka: Kuantlar arasındaki bir tünel ucu, parçacığın varlığını belirtir.
Kuantum teorisinin matematiksel değerlerini - "Kuantum Mekaniği" - kuranlar, teorik fizikçi Paul Dirac ve Warner Heisenberg'tir. Ernest Rutherford'un öğrencisi olan Niels Bohr, modern fizikte kuantum durumlarının tutarlı ve kuramsal görünmelerini geliştirmiştir. Böylece, James Clark Maxvell'in ışığın elektromanyetik dalga olduğunu ileri sürüşünden bu yana, ışık ile madde etkileşmesinin kuantsal kuramı sonunda, "Kuantum Elektrodinamiği" gibi ilginç bir adla 1920'de geliştirildi. Planck sabitinin altında bir mini uzay bulunmaktadır. "Hilbert Uzayı". Uzay ne kadar küçülürse enerji o kadar çoğalır. Fakat zaman etkisi de o derece azalır. Mini uzaylarda mesafe küçüldükçe enerji (Rezonans) sonsuz güce ulaşır. Bu güce Evrenimizin tohumudur denebilir.
Hilbert Uzayı, David Hilbert'in adına izafeten adlandırılmıştır. Soyut bir mekandır. Hiçlikten varlığa geçişte "t=e", ısının -10 43 derece ile - 10 32 derece arasında ortaya çıkmıştır. Bu aralıkta olup bitenleri bizlere Hilbert Uzayı açıklar. Teorik fizikçiler bu zaman aralığına "Kuantum Gravite" adını vermişlerdi. Hilbert Uzayı, Evrenin en küçük aralığıdır. Beşinci boyutun yer aldığı, soyut matematik uzay modellerinden en önde gelenidir. Bu uzay da, zaman ve bilinç gibi soyut boyutlar oluşur. Teorik Hilbert Uzayı asla Kuantlaşmaz. Oraya evrenimizi teşkil eden Tradyonların(madde parçacıklarının) negatifi olan Takyonlar hakimdir.
Hilbert Uzayı, aslında sayısız Hilbert Uzayları dizisidir. Henüz keşfedilmemiş, bilinmeyen varlıkların mekanı olduğu kabul edilir. Bir Hilbert Uzayında zaman boyutu teğet olabilir. İçine girilemezken bir diğerinde ise zaman uzunluk boyutu gibi yer alır. Hilbert Uzayında zaman tersine akar. Orada geçmiş yaşanır. Çünkü matematiksel bir mekan olan Hilbert Uzayında negatif olasılıklar da yer alır. Hilbert Uzaylarının bazılarında zaman yoktur, bazılarında zaman teğettir. Bir diğerinde zaman ileri akarken, başkasında geriye doğru akmaktadır. Zaman alternatif akım gibi bir ileri bir geri osilasyonik çalışır. Örneğin, orada insan yaşlı doğar sonra gittikçe gençleşir.
Hilbert Uzayının daha altında Süper Uzay bulunmaktadır. Sıfırdan küçük, tek boyut, tekillik bölgesidir. Süper Uzay, en büyükle en küçüğü birleştirebilir. Hilbert Uzayından başka en uzak ile en yakını birleştiren Kara Delik Uzayını da anlatır. Burada her şey hem gerçek hem sanaldır. Dün bugün yarın yoktur. Hepsi iç içedir. Işık hızı çok gerilerde kaldığı için burada zaman da yoktur. Süper Uzayın kurgusu "geometro-dinamik"tir. İki tip ortak yasadan meydana gelmiştir. Kıpır kıpır kaynadığı için dinamiktir. Hiçbir şekilde biçimlenmediği için topolojiktir. Yani kaostur. Bu bir kuantum vakumunun topolojik durumunu ifade eder.
Evrenimiz, yaradılış patlaması sırasında, iki tip içerik ve tutarlılığa dönüşmüştür. Birincisi, maddi cisimler, ikincisi göremediğimiz kuvvet alanlarıdır. Büyük patlamada açığa çıkan toplam enerji de varlıklar ve alanlar olarak ikiye ayrılmıştır. İkincisi, yani alanlar, sanal evreni (soyut evreni) yapılandırmıştır. Bu durumda (parçacık-kuvvet) düalitesi sanal evrenlerde de mevcuttur.