Google'da "quantum" ya da "kuantum" sözcüğü ile bir arama yapacak olursanız ilk saniyede yüz milyonların üzerinde veri ile karşılaşırsınız. İlk sıralarda, saat markalarından kredi kart isimlerine kadar sözcüğün ticari amaçlı kullanımları yer alıyor. Bunlara kuantum koçluğu yapanlar, kuantum düşünce pazarlayanlar da dahil!

Görüyoruz ki kuantum, sözcük olarak çok güçlü, sihirli bir sözcük.

Yıllar önce öğrencilerimize "Quantum Computing" dersi koymak istediğimde dersi verecek öğretim üyesi bulmada çok zorlanmıştım. Kuantum fiziği ve kuantum mekaniği adları altında fizik tabanlı dersler şüphesiz veriliyordu ama kuantum bilgisayarlarına temel olabilecek bir kuantum hesaplama dersi henüz ders planlarına yansımamıştı. Bugün o dönem ders veren değerli hocamız dahil dersi alan öğrencilerimizin epey yol kat ettiklerini izliyorum.

Kuantum bir teori. Fiziğin iki önemli teorisinden biri. Diğeri rölativite ya da görelilik teorisi.

Teorinin kurucusu Max Planck

Nedir kuantum teorisini böylesine özel yapan?

Kuantum teorisi için bir dizi düşünce deneyleri bütünü demek mümkün.

Kuantum teorisi madde ve ışığın, atom ve atomaltı seviyelerdeki davranışlarını açıklamaya çalışır.  Kuantum dünyasında nesneler hem parçacık hem dalga özellikleri taşırlar. Parçacık özellikleri enerji ve momentum ile dalga özellikleri frekans ve dalgaboyu ile tanımlı. Frekans ve dalgaboyu arasındaki bağlantıyı belirleyen temel sabitin adı ise "Planck sabiti".

Planck adı daha önce de yazılarımızda geçmişti; daha sonraları da olacak.

Max Karl Ernst Ludwig Planck, kuantum teorisinin kurucusu olarak bilinen, 1858-1947 yılları arasında yaşamış Alman fizikçi.

Planck, "Kuantum Kuramı"nı geliştirdi ve Termodinamik yasaları üzerine çalıştı. Kendi adıyla bilinen "Planck sabiti"ni ve "Planck ışınım yasası"nı buldu. Ve 1918 yılı Nobel Fizik Ödülü sahibi oldu.

Onun yaşamında başka çarpıcı detaylar da var. Planck muhafazakâr bir aileden gelmekle beraber Hitler faşizmine karşı direnen bir bilim insanı olarak bilinir.  1879 yılında Münih Üniversitesi’nden mezun olur ve kariyerine Kiel Üniversitesi’nde devam eder. 1889’da Berlin Üniversitesi'nde kirchoff’tan boşalan kürsüye çağrılır ve 1928’de emekliye ayrılana dek buradaki görevinde kalır. Bu sırada büyük oğlunu Birinci Dünya Savaşı sırasında cephede kaybetmiştir.

Hitler Almanya’sı karanlığında 1930 yılında Kaiser Wilhlem Enstitüsü'nde (KWG-Kaiser Wilhelm Gesellshaft) başkan olarak görev alır ancak Nazi baskısının giderek artması ile 1937’de bu görevden ayrılacaktır.  Daha öncesinde Planck, KWG' nin başkanı sıfatıyla Hitler’i ziyaret ederek Yahudi bilim insanlarının işten atılmasının, örneğin Einstein gibi büyük bilimcilerin kaybının Alman bilimine zarar verdiğini belirterek onu ikna etmeye çalışır. Sonucu biliyoruz.

Planck’a Hitler zulmü

Yine bu dönemde, 1934 yılında, Stuttgart'da Kaiser Wilhlem Enstitüsü'nün açılışında yaptığı konuşmada elini yukarı kaldırmakta zorlanır, bunu birkaç kez daha tekrarlar, sonunda kaldırıp 'Heil Hitler' diyebilir. Ama dikkatlerden kaçmaz

Planck, Hitler rejimine karşı çıktığı için, savaşın bitimine kadar çeşitli zorluklarla savaşır. Berlin'de 1944 yılında evi bombalanır. Ardından ikinci ve kalan tek oğlu Erwin, yine aynı yıl, 1944 yılında Hitler’e düzenlenen suikastte yer aldığı gerekçesi ile idamla yargılanır.

Ve savaşın bitimine saatler kala 1945'te oğlu idam edilir.

Planck, Hitler'e olan karşıtlığının bedelini çok ağır öder.

Almanyadaki bilim insanlarını ve özellikle genç fizikçileri Hitler faşizmi süresince pozisyonunu ve kariyerini kullanarak korumaya çalışan Max Planck, kendi oğlunu koruyamamıştır. 

1947 yılında 91 yaşında onurlu ve sıradışı yaşamına veda eder. Bugün Max Planck adı Almanlar için çok büyük bir onur kaynağı; karşıtların ne olduğunu ise söylemeye bile gerek yok.

Işık hem bir dalga hem de parçacık

Kuantum teorisine dönecek olursak, Danimarkalı ünlü fizikçi Niels Bohr'un “Kuantum teorisi ile aklınız karışmadıysa onu tam olarak anlamamışsınızdır” dediği söylenir.

Çok da haksız değil.

Bizim klasik düşünce sistemimize uygun bir mantığa sahip olmaması bunun nedeni diyebiliriz.

Bilim dünyasının en yoğun ilgisini çeken konuların başında ışık gelir ve elbette maddenin derinliklerindeki gizemli yapısı.

Kuantum teorisinin doğuşu, işte bu iki konuda, yani ışığın doğası ve maddenin yapısı konularında klasik fiziğin yetersiz kalmasından kaynaklanır. 

Newton’a göre ışık, ‘Corppuscule’ denilen taneciklerden meydana gelimekteydi. Yani kesikli bir yapısı vardı.

Maxwell'e göre ise bir elektromagnetik dalga formunda ve sürekli idi…

Daha sonraları ışığın hem dalga hem de parçacık gibi davrandığı görüldü. Bu deney günümüzde çift yarık deneyi olarak bilinir.  Ama daha çarpıcı olan ise deneyin elektronlar gibi atomaltı parçacıklar kullanıldığında da benzer sonuçları vermesi…

Yani atomaltı parçacıklar da hem parçacık hem de dalga özelliği göstermekteydi. Ve bu olguyu klasik fizik yasalarıyla açıklamak zor değil, imkansızdı.

Işık dalgası “Quanta”

1900 yılında Max Planck çok sıradışı bir öngörü getirir: Işık dalgası, "kuanta" adı verilen parçacıklardan oluşmaktadır ve bu parçacıkların enerjisi dalganın frekansı ile de orantılıdır.  Kuantum adını işte bu "quanta" sözcüğünden alır.

Ardından Albert Einstein, 1905yılında yayınladığı makalesi ile Planck'ın savını destekler. Bir elektromagnetik dalga özelliğine sahip olduğu bilinen ışık, foton adını verdiği enerji paketlerinden oluşmaktadır ve üzerine düştüğü bir metal yüzeyden elektron koparmaktadır.  Einstein, fizikte "fotoelektrik etki" olarak bilinen bu çalısması ile 1921 yılında Nobel Ödülü sahibi olacaktır.

Klasik fiziğin çözemediği bir konu çözüme kavuşmak üzeredir.

Ama daha önemlisi, artık bilim dünyasının elinde mikrodünyaya açılan kapıyı açacak sihirli bir anahtar vardır: "Kuantum Teorisi"!

(Kaynaklar: https://www.nature.com/articles/35012165; https://www.mpg.de/8241451/max-planck-kwg)