Gerçek Hayat Düzeyinde Kuantum Mekaniği

Transkript

1 Gerçek Hayat Düzeyinde Kuantum Mekaniği Kuantum mekaniğini anlayamayanların en çok yakındığı şey, sağduyuya aykırı olmasıdır. Peki birçok insan bu konudan şikayetçiyken, gerçekte böyle midir? Evet, gerçekte tamamen algılayışımıza bir tezat oluşturacak şekildedir. Kuantum mekaniğinin temel olgularını gündelik nesnelerle birleştirip size bu karmaşık fiziği anlamanızda yardımcı olacağız. Fotonun dalga-parçacık ikililiğini duymuşsunuzdur. Hatta bu bir tek fotona özgü değildir; elektronlar, müonlar, nötrinolar vb atomaltı parçacıklar da hem dalga, hem de parçacık gibi davranırlar. Bu şu demektir; eğer aşağıdaki gibi çift yarıktan sürekli olarak foton veya elektron ateşlerseniz, arkada oluşması gereken desenin sadece iki çift çizgi olması gerekir ama, gerçek bu değildir. Gönderdiğiniz parçacık yarıkların arkasına bir gözlemci koymadığınız takdirde dalga gibi davranır ve eğer gözlemlemeye kalkarsanız, atomaltı parçacığın dalga fonksiyonu çöker ve parçacık gibi davranmaya başlar. Bu örneği geliştirip fotonları sürekli değil teker teker de gönderebilirsiniz. Ancak yine oluşan desen girişim desenidir. Burada anlaşılması gereken tek bir elektronun veya fotonun bile delikten geçmeden önce gözlemci olup olmamasına göre dalga veya parçacık gibi davranmasıdır. Eğer gözlemlemiyorsak tek bir elektron iki delikten de aynı anda geçer. Not: Gözlem olgusunun gerçekte ne demek olduğunu yazımızın sonunda açıkladık

2 Bunu gündelik objelerle bağdaştırmak gerekirse şöyle diyebiliriz: Bir otobanda arabanızla normal bir hızda ilerliyorsunuz ve önünüze 10km sonra 3 tünel çıkacağını navigasyonunuzdan görüyorsunuz. Sizin ortadaki tünelden geçmeniz gerekiyor. Eğer kuantum mekaniği makro seviyede de geçerli olsaydı, siz ortadaki tünelden geçtiğiniz anda aynı zamanda 1. ve 3. tünellerden de geçmiş olurdunuz yani 3 farklı yerde aynı anda var olmuş olurdunuz. Gözlemci etkisini şöyle canlandırabilirsiniz aklınızda; kaldırımda yürüdüğünüzü ve karşıdan karşıya geçmeye çalıştığınızı hayal edin. Ancak biraz umursamaz olduğunuz için karşıdan karşıya geçerken sağınıza ve solunuza bakmadan yola atladınız ve sol tarafınızdan 50km/saat hızla hareket eden bir araba size doğru yaklaşıyor. Bunun sonucunda aradaki mesafenin hızınıza bölümü kadar olan sürede aracın size çarpmasını beklersiniz. Ancak kuantum mekaniği makro seviyede geçerli olsaydı, siz arabayı gözlemlemiyor olduğunuz için araba size çarpmazdı. Çünkü araba gerçekte var olmazdı bile. Bu olayı Einstein ın, Niels Bohr a söylediği; Ne yani ben aya bakmıyorum diye sen ay yok mu diyorsun? sözünden kolayca anlayabilirsiniz. Bu kuantum fiziğinin sağ duyuya aykırı olan bir çok yönünden biridir. Geçelim diğerlerine Heisenberg in formüle ettiği gibi bir parçacığın konumu ve momentumu mutlak kesinlikle hiçbir zaman bilinemez. Konumunu %29 kesinlikle biliyorsanız momentumunu en iyi ihtimalle %71 kesinlikle bilebilirsiniz. Burada momentum yerine hızda alabilirsiniz, çünkü momentum = kütle. hız dır ve kütle

3 değişmediğinden, hız ile konum belirsizliği vardır denebilir. Bunu aşağıdaki formülden kolayca anlamanız mümkün. Bunu makro seviyede şöyle canlandırabilirsiniz: Birkaç ay sonraki koşu olimpiyatlarına hazırlanıyorsunuz ve hızınızı her geçen gün arttırmanız gerekiyor. Çünkü hala beklediğiniz hızın altındasınız. Pazar sabahı saat 8 de kalktınız, spor kıyafetinizi giydiniz ve koşmaya hazırsınız. Ayrıca hızınızı ölçmesi için yanınıza bir de hız ölçer aldınız. A noktasından koşmaya başladığınızı hayal edin ve belli bir zamanda hız ölçerinize baktığınızı varsayalım. Hızınızı hız ölçer vasıtasıyla %100 kesinlikle öğrendiniz ancak, burada olan şey konumunuzun belirsizleşmesidir. Yani siz hızınızı kesin biliyorsunuz diye konumunuz hakkında en ufak bir bilgi sahibi bile olamazsınız kısacası A noktasında olabilirsiniz aynı şekilde A+10m ilerde de olabilirsiniz veya A+25m ilerde veya A noktasının 0.73m gerisinde de olabilirsiniz. Bunların hepsi olasıdır ve sizin hızınızın %100 kesinlikle bilinmesi konumunuzu tamamen belirsiz yapar. Bu da kuantum mekaniğinin garip bir olgusudur. Gelelim Shrödinger deneyine: Erwin Shrödinger, kuantum mekaniğinin sağ duyuya aykırı oluşunu göstermek için bir düşünce deneyi tasarladı ve düşünce deneyinde kapalı bir kutunun içine bir kedi ve radyoaktif bozunmaya 1 saat içinde uğrama olasılığı %50 olan bir atom yerleştirdi. Bu radyoaktif atom bozunursa, bozunma sonucunda sayaca veri gidecek ve içinde zehir olan bir şişe kırılarak kediyi öldürecektir. Ancak radyoaktif atom 1 saat içinde bozunmazsa, bu sefer de sayaca veri gitmeyecek ve şişe kırılmayacaktır. Dolayısıyla kedi ölmeyecektir.

4 Burada gözlemci etkisine değineceğiz: Eğer kutuyu açıp kedinin ölü olup olmadığını gözlemlersek, gözlemimizin sonucu olarak kediyi ya ölü yada canlı görürüz (çift yarığın arkasına dedektör koyma durumumuzla aynı yani elektron sadece bir yarıktan geçer). Fakat kutuyu açıp kediyi gözlemlemezsek kedinin dalga fonksiyonu iki olası durumu da içinde barındırır yani gözlemlemediğimiz sürece kedi hem ölü hemde canlıdır. Kuantum mekaniksel olguları makrolaştırarak bunların sağ duyuya ne kadar aykırı olduğunu kendinizde görebiliyorsunuz. Şimdi geldik bir diğer olayı açıklamaya: Dolanıklık. Kuantum fiziğinde dolanıklık; bir parçacığın üzerindeki belli bir ölçümün, dolanık eşini anında etkileme durumuna dayanır. Anında dedik, dikkatinizi çekeriz. Burada olan etki, parçacığın diğer parçacıktan uzaklığına bağlı değildir, bir parçacığın Kız Kulesi nde, bunun dolanık parçacığının ise Ay da olduğunu hayal edin. Birisinin gözlemlenme etkisi, diğer parçacığı anında etkiler.

5 Elektron gibi parçacıklar spin gibi özellikler taşır. Bu spinler yukarı ve aşağı yönlüdür. Bir parçacığın spini yukarıysa, dolanık eşininki aşağı doğrudur ve bu gözlemin olduğu anda anlık olarak belirlenir. Bunu makro seviyede şöyle canlandırabilirsiniz: En yakın arkadaşınızla yollarınız ayrılıyor. O İstanbul a, siz ise Washington a gidiyorsunuz. Arkadaşınızla siz dolanık olduğunuzdan dolayı onu etkileyen bir şey doğrudan sizi de etkiler. Yani arkadaşınız İstanbulda bir kavgaya karışıp 3-5 yumruk yerse, siz de bunu hissedersiniz. Hatta evrenin bir ucunda olsanız bile bunu anında hissedeceksiniz. Bu yazımızda kuantum dünyasının makrolaştırılmasının klasik dünyada nasıl görüneceğine sadece biraz göz attık ve sağ duyuyla ne kadar çeliştiğine yakından şahit olduk. Sağ duyuyla ne kadar çelişiyor gibi gözükse de, deneysel olarak binlerce kez kanıtlanmış ve sistemli matematiği olan bir alandır. Gözlem Nedir? Gözlem, kuantum seviyesinde parçacıklara yapılan müdahale dir. Örneğin, bir parçacığın (foton, elektron vs) konumunu öğrenmek istiyorsanız, o parçacığın üzerine başka bir elektron veya bir foton göndermeniz gerekir. Bu gönderdiğiniz elektron veya foton, sizin gözlem aracınızdır. Gönderdiğiniz elektron veya foton, gözlemlemek istediğiniz parçacığa çarpar, ondan seker ve dedektörünüze gelir. Bunu yapmazsanız, gözlemlemeniz gereken parçacığın konumunu öğrenemezsiniz. Dikkat ettiyseniz, çok küçük olan bu parçacığa, yine çok küçük olan başka bir parçacığı çarptırdınız. Yani, müdahale ettiniz. Bu müdahaleniz de, parçacığın konumunu, hatta hızını değiştirdi. Siz, çarpan parçacık sekip dedektörünüze geldiğinde o paraçacığın konumunu (değiştiği için) sadece belli bir yüzdelik değerde tespit edeceğiniz gibi, hızını ve

6 yönünü de artık tespit edemeyecek duruma geldiniz. Hazırlayan: Eyüp Gürses Gözlem Notu: Zafer Emecan