21 Temmuz 2019

Parçacık-dalga ikiliği: Kuantum dünyasını anlamak neden zor?

Bizim gerçeklik algımızla çelişse de kuantum gerçekliği,  belki de "temel gerçekliği" yansıtıyor olamaz mı?

20 yüzyılın başında bilim dünyası, eş zamanlı  gelen iki teori ile sarsıldı: Kuantum teorisi ve görelilik, ya da diğer adıyla relativite teorisi.

Görelilik, bize makro evrenin kapılarını açarken kuantum mikro dünyanın sırlarını aralamada umut aşılıyordu.

Kuantum kuramı deneysel sonuçların yorumu ile doğdu ama sonrası çok da kolay olmayacaktı. 

Bilim insanları kararlıdırlar, sabırlıdırlar, inatçıdırlar: Planck, Einstein, Bohr, De Broglie, Schroedinger, Heisenberg, Dirac ve Pauli..

Sonrasında  insan aklını zorlayan fikirler ve varsayımlar ardı ardına gelmeye başlar ve matematik tarafından desteklenir. Her fikir ve buluş derin bir felsefe içermektedir ve elbette felsefeciler de kayıtsız kalamazlar.

Kuantum  hikayesi 1800 lerin başında İngiliz bilim insanı Thomas Young'ın o çok ünlü çift yarık deneyi ile başlıyor.

Thomas Young basit bir deney tasarlıyor. Aynı kaynaktan gelen ışın demetinin önüne iki minik yarıktan oluşan bir levha yerleştiriyor ve o yarıklardan geçen ışınların birbiri ile etkileşimini görmek üzere  onları bir ekran üzerine düşürüyor.  Amacı Newton ekolünün öne sürdüğü tanecik kuramını test etmek. Ekranda karanlık ve aydınlık çizgiler beliriyor. Bunlara girişim saçakları diyoruz ve bu olay ışığın dalga karakterinin bir kanıtı olarak kabul görüyor ve böylece dalga teorisinin temeli atılmış oluyor.  

Thomas Young kimdir derseniz,  ona bir bilim insanı demek yetersiz kalır, 66 yıllık ömrüne sığdırdıkları ise inanılmaz.

1773 yılında doğan Young, on çocuklu bir ailenin en büyük çocuğu, dindar bir aileye sahip.

Eğitimine önce tıp okuyarak başlar, hemen ardından 1795'de Almanya’nın Göttingen Üniversitesi'ne gider ve orada bir yılda fizik doktoru derecesi alır.  Sonrasında  Londra'da hekim olarak çalışmasını sürdürür ve üniversitede de "doğa bilimleri" dersleri verir.

Young fizyolojik optiğin kurucusu olarak bilinir. 1793 yılında gözdeki lensin eğriliğindeki değişikliklere bağlı olarak gözün farklı uzaklıklarda aldığı durumu inceler ve  o, 1801 yılında  "Astigmatizm"i ilk tanımlayan bilim insanı olarak bilim tarihinde yerini alır. Bu çalışması ile "Royal Society" üyeliğine seçildiğinde henüz 21 yaşındadır.

Katı cisimlerin esnekliği konusunda yaptığı çalışmalarla malzeme bilimine büyük katkılarda bulunur. Young modülü'nü tanımlar. Enerji sözcüğünü ilk onun telaffuz ettiği söylenir. Bu arada yukarıda bahsedilen ve bilim literatüründe "Young Deneyi" olarak bilinen çalışmasını 24 Kasım 1803’de Royal Society’de sunar ve çalışma "Dalga Kuramı" olarak bilim tarihine geçer. Ve o daha 30 yaşındadır.

Tıp, fizik derken dilbilim onun bir başka ilgi alanıdır. 16 yaşında iken Latince ve Yunanca'yı öğrenmiştir. Daha sonraları  Fransızca, İtalyanca, İbranice, Almanca, Keldanice, Süryanice, Sümerce, Arapça, Acemce, Türkçe dillerini de öğrendiği söylenir. Mevcut dilleri 5 ana gruba ayırır ve onları tanımlar. Britannica Ansiklopedisi’ne  makaleler yazar,  bazı temel kelimeleri  400 dilde dilbilgisi ve kelime bakımından kıyaslar. Yıl 1813, ve o 40 yaşındadır.

66 yıllık ömrüne sığdırdığı; görme alanları, ışık, katı mekaniği, enerji, fizyoloji, dilbilim,  müzikal armoni ve Mısırbilim alanlarında önemli bilimsel buluşları bulunan bu olağanüstü bilim insanı için Mısır hiyerogliflerini çözdüğü, özellikle Rosetta Taşı'nın deşifresi ile Jean-François Champollion'un çalışmalarının önünü açtığı söylenir ama hikayenin bir de arka planı vardır.

Fransız dilbilimci Jean-François Champollion, 1822 yılında Mısır hiyerogliflerin çevirisi ve dil yapısı ile ilgili çalışmasını yayınlar. Young'ın bu konuda yaptığı çalışmaları ve bulgularının çoğunu daha önce 1816’da yayınladığı ve Champollion'a da gönderdiği söylenir ancak Champollion, paylaşma konusunda isteksizdir. Oysa 1922'de yayınlanan çalışmasında, Young tarafından yapılan aynı hataların yer almasına karşın Champollion tüm çalışmanın yalnızca kendisine ait olduğu iddiasında ısrarcıdır. Louvre Müzesin’in müdürü olduktan sonra Champollion, Young’un hiyeroglif el yazmalara erişimine izin vererek bu olayı telafi etmeye çalışır.

Ne diyelim, bilim insanları da insandır!

Konumuza dönecek olursak, hikaye çift yarık deneyi ile başlıyor demiştik ve onunla da devam ediyor.

Bu deneyle ışığın dalga yapısı kanıtlanmış olur. Aradan 100 yıl geçer.

1900 yılında Plank ışığın "kuanta" adını verdiği enerji parçacıklarından oluştuğunu öne sürer. Ardından Einstein, 1905 yılında yayınladığı "fotoelektrik olay" makalesi ile bu savı destekleyecek ve enerji paketçiklerine "foton" adını verecektir.

Yani ışık, hem parçacık hem de dalga karakterindedir.

Sorun şu: Işık nasıl oluyor da bazen dalga bazen de parçacık gibi davranabilmektedir?

Daha bunun yanıtı verilmeden Young'ın o ünlü iki yarık deneyine bu kez ışık demeti yerine kütlesi olduğunu bildiğimiz elektron demeti gönderilir. 

Sonuçlar inanılmazdır. Elektronlar aynı ışık deneyinde olduğu gibi girişim saçakları oluşturmuştur. Yani elektronlar da dalga karakteri sergilemektedir.

Ama sürprizler bitmez.

Bilim insanları daha garip durumlarla karşılaşırlar. Işığın dalga benzeri davranış gösterdiği deneylerde, foton parçacıkları ölçülmeye çalışıldığında ışık aniden davranış değiştirmekte ve sanki “gözlendiğinin farkındaymış gibi” parçacık davranışına dönmektedir. Ve sonra görülüyor ki bu garip davranış yalnızca fotonlara özgü değil, aynı davranışı elektronlar da göstermektedir.

İşte bizim klasik gerçekliğimizde mantığımızın tıkandığı ilk yer de tam burasıdır.

Ve bilim insanlarından farklı yorumlar gelir. Bunlardan en çok kabul göreni  "Kopenhag Yorumu" olarak bilinmekte. İlk olarak Niels Bohr ve öğrencileri tarafından Danimarka'nın Kopenhag kentindeki Niels Bohr Enstitüsü'nde geliştirilmiş olması nedeniyle bu ismi alır.

 Kopenag yorumuna göre gerçeklik, biz onu ölçene kadar yoktur.

Artık "kuantum parçacığı" kavramı ile tanışabiliriz. Bir kuantum parçacığının en temel özelliği "dalga-parçacık ikiliği" özelliğine sahip olması.

Kuantum parçacığı ile dalga-parçacık ikiliği gösteren foton, elektron, proton, quark gibi ışık paketçikleri ve atomaltı parçacıkları kasdediyoruz. Bir atomaltı parçacık, aynı ışık örneğinde olduğu gibi,  serbest halde iken dalga karakteri gösterirken, ölçüm yapıldığında bir parçacık gibi davranabilmektedir.

Bizim klasik dünyamızda madde ve dalga farklı iki formdur; oysa kuantum dünyasında böyle kesin bir ayrım yok.

Ama biliyoruz ki bugün, kuantum kuramı en çok kabul gören, en zekice kurgulanmış ve bir çok yönüyle kanıtlanmış bir kuram.

Bize kalan ise parçacık-dalga ikiliğini ve maddenin “dalga” karakterini sindirebilir bir mantığı üretebilmek.

Bizim gerçeklik algımızla çelişse de kuantum gerçekliği,  belki de "temel gerçekliği" yansıtıyor olamaz mı?

Kaynakça:

Yazarın Diğer Yazıları

Hiçlik ya da karanlık enerji: Hangisi daha korkutucu?

Hiçlik, boşluk ya da yokluk aynı şey midir? Bu sorunun yanıtı, soruyu kime sorduğunuza bağlı

Szilard, Hiroşima ve Enola Gay

6 Ağustos 1945, sabah saat 08.15. Hiroşima yeni güne, o gün yaşanacaklardan habersiz olarak uyanır. Üç gün sonra Nagazaki de aynı deneyimi tüm insanlık adına yaşayacak ve insanlıkla birlikte tüm kent yerle bir olacaktır

Zamanda geleceğe zorunlu yolculuk!

Bir uçak yolculuğu sonrasında evimize döndüğümüzde 'evdekilere göre' mikro salise mertebesinde daha genç olarak geleceğe gitmiş oluyoruz