KUANTUM: Tanrı'nın Nefesi mi? Aklın Sesi mi? Neyin Nesi
Copyright © 2015, AKILÇELEN KİTAPLAR, Ankara
Kuantum fiziğinin basit açıklamasıyla birlikte; oluşum ve gelişim hikayesini de anlatan bir kitap.
Prof. Dr. Cengiz Yalçın, ODTÜ Fizik bölümü başkanlığı, TÜBİTAK bilim kurulu üyeliği, Türkiye Atom Enerjisi Kurulu başkanlığı, European Science Foundation icra kurulu üyeliği, İsveç Kraliyet Akademisi Nobel Komitesi raportörlüğü, Turkish Journal of Physics editörlüğü gibi görevlerde bulunmuş, dünyaca ünlü pek çok eseri Türkçeleştirdikten sonra yazdığı Kuantum: Tanrı'nın Nefesi mi? Aklın Sesi mi? Neyin Nesi? kitabıyla kuantum fiziğini hiç fizik bilmeyen, belki çok az matematik bilen, formülleri görünce aklı karışanlar için yazmış.
"CERN'de gerçekleştirilen deneye, inanç gözüyle değil akıl gözüyle bakabilirsen içinde yaşadığın yüzyılın bir bireyi olmayı başarabilirsin."
düşüncesi etrafında oluşturulmuş bir kitap. Dolayısıyla kitabın adındaki sorunun cevabını da daha 15. sayfada vermiş oluyor.
Youtube'da da izleyebileceğiniz onlarca kuantum mekaniği videosunun hemen hemen hepsi, öncelikle bildiğiniz fiziğin kabullerini unutmak ve 5 duyunuzla algıladığınız evrene yönelik kabullerinizi bir kenara bırakmakla işe başlamanızı tavsiye eder, kuantum dünyasına giriş için. Prof. Yalçın'ın da kitabı "gerçeğin" tanımını arayarak başlıyor.
"Algı alanımız içindeki en çarpıcı gerçek, içinde yaşadığımız evrendir. Evrenin dinamikleri karşısında akıl, "Gerçek nedir?" sorusunu, "Gerçek nasıl davranır?" sorusuna dönüştürür. Bu sorunun yanıtını vermek olasıdır: Evren, gerçeğin davranışlarını matematik aracılığıyla dile getirir. Doğa olaylarını ifade edebilen matematiksel modeller gerçeğe giden yolun aydınlığıdır."
Kitap uzunca bir okuyucuyu kuantuma hazırlama girişinden sonra sırasıyla kuantum mekaniğini ve "felsefesi"ni anlatma yolculuğuna başlıyor.
İlk olarak yine herkesin duyduğu, Latince "quanta" sözcüğünün "kesikli" dünyasının, klasik algıladığımız evrenin "sürekli" dünyasıyla farklılığını açıklayarak başlıyor.
Elementler yani periyodik cetveldeki her bir atom, kendisini karakterize eden dalga boylarındaki ışınımları yayar veya soğurur. ...... Her nesnenin yaydığı ışığın sürekli olmadığı görülür. Bunun anlamı yukarıda belirtildiği gibi enerjinin, yani ışınımların sürekli bir karakter taşımadığıdır. ..... Kuantum sözcüğünün sürekli olmayan kesikli büyüklüklere yakıştırılmasının nedeni de budur. ..... Her element kendine özgü farklı renklerde ışınım yayıyor, farklı frekans farklı renk demek, böylece renkler ile elementler etiketleniyor. Işınımlar elementlerin sanki kimlikleri gibidir.
Büyük bir dahi olan Max Planck'ın hesaplamalarını akkor halindeki metalin atımlarının da kesikli enerjilerde yani kesikli frekanslarda ışıma yaptığına dayandırarak, Planck sabitine ismini vermesi ile yolculuk başlıyor. Sonraları fotoelektrik olayı olarak bilinecek bir sonraki adımı Einstein'ın "ışığın tanecik karakterinde" olmasını Planck formülünü kullanarak açıkladığını da belirtelim. (Einstein'a e Nobel ödülü kazandıran, genel kanının aksine Uzay-Zaman çalışmaları değil, bu fotoelektrik olayı bu arada.)
Prof. Yalçın daha sonra uzunca bir "dalga" açıklamasına giriyor. Konudan biraz haberdar olanlar için bu "yalınlaştırılmış" anlatımlar bir miktar "gereğinden fazla basitleştirilmiş" gelebilir. Işımaların elektromanyetik dalgalar olduğu, görünür ışınım bandı, kızılötesi ve morötesi ışınımlar, sonradan "fazlasıyla karışacak" kuantum konusu için gerekli diye düşünülebilir.
Sonrasında ise "gerçek" kuantum macerası başlıyor. Elbette ki klasik olarak "çift yarık deneyi" ile. Anladığım kadarıyla fotonların ve elektronların, parçacık özelliğinde olmalarına rağmen, çift yarıktan geçerek dalga özelliğinden beklenen bir girişim deseni oluşturması, diğer taraftan foton veya elektron "izlendiğinde" ("gözlendiğinde") bu özelliklerinin kayboluyor olması ve parçacık deseni oluşması, bilim adamlarının halen çözemediği bir muamma. İşte bu noktada da kuantumun Tanrı'nın işi olduğu görüşleri yüksek sesle söylenmeye başlıyor.
İkinci yarık açıldığında yarıkların üzerine düşen her foton hangi yarıktan geçiyor olursa olsun, diğer yarığın açık olduğunu kendiliğinden bilmektedir. ..... Yarıkların bulunduğu yüzey üzerine düşen ışık demetini oluşturan fotonlar nasıl oluyor da diğer yarığın kapalı mı açık mı olduğunu biliyor? Fotonların kulaklarına yarıkların tek mi çift mi olduğunu kim söylüyor?
Tek başına deliklerden birinden geçen elektron rastgele bir yere değil, daha önce gönderilen elektron demetinin aydınlattığı bölgeye gelip oturur. Elektronlar demet olarak değil tek tek gönderildiğinde dahi ekranda girişim saçağı oluştururlar. ... Elektron tek başına bir delikten geçerken öbür deliğin açık olmadığını bilmektedir, aynen ışık gibi. Delik açıksa daha önce gönderilen elektronların aydınlattığı saçağa gidiyor; kapalı ise deliğin tam karşısındaki noktaya gidiyor. Gerçekten şok edici bir gözlem!
Sonraki sayfalarda fiziğin içine "olasılık" kavramı ve bir miktar "felsefe" girdiğinde şaşırabilirsiniz.
Maddesel parçacıklardan oluşan bir elektron demetinin, dalga özelliği göstererek girişim yapmasını; yani elektron demetinin nereye gideceğini belirleyen dalganın ne olduğu sorusunun cevabını Louis De Broglie vermiş ve fiziğe olasılık kavramı girmiş olmuş.
Elektron gibi temel bir parçacığın, olasılık dalgasını veya olasılık fonksiyonunu tanımlamasını düşünmek olağanüstü bir soyutlamadır. ... De Broglie işte bu soyutlamayı yaparak kuantum fiziğine unutulmaz bir katkı yapmıştır. ... De Broglie dalgası, elektronu sırtlayıp kendi istediği yere götürür. Elektron gideceği yeri kendisi belirleyemez, dalga belirler.
Yarıkların üzerine tek bir elektron dahi yöneltilmiş olsa, elektrona eşlik eden dalga fonksiyonu elektron yarıklardan birinden geçerken diğer yarığı da görür. Bu tek elektron, sanki iki yarıktan elektron demeti geçiyormuş gibi girişim desenindeki parlak saçaklardan birisinde yerini alır. Yani elektron tek bir yarıktan geçmesine rağmen diğer yarığın da bulunduğunun farkındadır. ... Elektron demetindeki her elektron diğer elektronların ne yaptığını bilerek hareket etmektedir.
Bu dalgaların isim babası da Max Born olmuş. "Olasılık Dalgaları".
De Broglie dalgasını matematiksel olarak veren bir dalga denklemi yazabilmek de Schrödinger'e nasip olmuştur. .Klasik fizikte Newton denklemleri ne ise, kuantum fiziğinde de Schrödinger denklemi de odur.
Tanrı, matematik ile nefes alıp verir; ayetleri de matematik ile yazılmıştır. Schrödinger denklemi tanrının soluğunu duymak için kulağa takılan bir işitme cihazına benzer.
Diğer taraftan;
Schrödinger, kendi denkleminin derinliğini, fizikte olasılığa yer olmadığını düşünerek kendisi bile fark edememiştir.
Einstein'ın da içine tam sindiremediğini görüyoruz. Belki de hala keşfedilecek şeyler var.
Kitap daha sonra Heisenberg'in Belirsizlik İlkesi ile devam ediyor. Basit anlatımıyla bir elektronun hızı hakkında kesin bir bilgi elde edilmek istendiğinde kesin konumunun tespit edilemeyeceği, konumu kesin olarak saptanmak istenirse kesin hızının bilinemeyeceği olarak açıklanabilir.
Niels Bohr ile Albert Einstein'ın ünlü Solvay Konferansı ve sonrasındaki tartışmalarına da kitapta yer verilmiş. Bohr'un, Kopenhag Yorumu olarak bilinen kuantum fiziğinin temel mantığını vermesini* takiben Einstein ünlü "Tanrı olayları zar atarak belirlemez" yorumuyla karşılamaya çalışmıştır. Ama başarılılığı meçhul.
* 1. Enerji kesikli paketler halinde bulunur; buna kuanta denir. Örneğin foton, elektromanyetik enerji kuantasıdır.
2. Madde, bölünemeyen temel parçacıklardan meydana gelir. Herhangi bir parçacığın herhangi bir konumda bulunma olasılığını dalga fonksiyonu belirler. Dalga veya olasılık fonksiyonu Schrödinger denkleminin çözümüdür.
3. Ölçümden önce sistem aynı anda mümkün olan fiziksel durumların tümünde bulunur. Sistemin hangi fiziksel durumda bulunduğunu saptamak için ölçüm yapıldığında, mümkün olan fiziksel durumları içeren olasılık fonksiyonu çöker ve sistemi sadece ölçülen durum fonksiyonu temsil eder. Diğer olasılıkları içeren fonksiyonlar sıfırlandığında ölçümde elde edilen sonuç gerçeğin ifadesi olur.
Kitabın bir sonraki konusu, Kuantal Dolanıklık ve Kuantum Sıçrama.
Kuantal Dolanıklık, yine basit bir tanımla, birbirlerinden ne kadar uzakta olurlarsa olsunlar, bir tanecik çiftine ait iki taneciğin arasında bir iletişimin mümkün olduğunun kanıtlanmış olması olarak açıklanabilir. Quantum Entanglement olarak ifade edilen bu iletişim, bükülen uzay ve oluşan kurt veya solucan deliği (yani tanecikler arası mesafenin, uzay-zaman'ın bükülmesi sonucu aslında sıfır olması) ile açıklanıyor.
Kuantum Sıçrama ise, sistemin ölçüm sürecinde olasılık fonksiyonundaki değerlerden birini seçerek cevap vermesi, yani ölçme işleminin sisteme ait bilgileri ve bu sisteme ait matematiksel formu değiştirmesi olarak açıklanabilir. Prof. Yalçın'a göre:
Kuantum Sıçrama (Quantum Leap) kuantum fiziğinin en yoğun eleştiriye maruz kalan özelliğidir. Sisteme ait olası tüm bilgiler, aniden ölçülen değere sıçradığı için buna kuantum sıçrama denir. ... Diğer bir ifadeyle, ölçüm sürecinde sistemin olası tüm kuantum durumlarını sıfırlayarak ölçülen değeri tercih etmesidir. Ölçü aleti ile sistem etkileştiğinde, sistem mümkün olan kuantum durumlarından gerçek olanı seçer, yani o duruma sıçrar.
Sağa ve sola yöneltilmiş fotonlar arasındaki uzaklık ne olursa olsun, sola yönelmiş fotonun dönme durumu ölçüldüğünde bu bilgi aynı anda tüm uzaya yayılır, ölçümün dışındaki olasılıklar sıfırlanır. Sonuç gerçekten inanılmaz, kabul edilemez bir olgu. Elektronun biri Ankara'da diğeri Satürn'de dahi olsa bilgi birinden diğerine anında iletilmektedir. Olasılık fonksiyonu ölçülenin dışında tüm uzayda çökmektedir. Ölçülenin dışında başka bir olasılığın olmaması anlamına gelir.
En başta anlatılan çift yarık deneyinin ölçüm yapılarak tekrarlanması durumunda elektronların girişim deseni oluşturmaması muamması da bu şekilde açıklanıyor.
Yorum ve önerileriniz için şimdiden teşekkürler.
Volkan