Kuantum fiziği moleküler, atomik ve atom altı seviyede madde ve enerjinin doğasını ve davranışını inceleyen modern fiziğin önemli bir çalışma alanıdır. 20. yüzyılın başlarında makroskobik nesnelerin davranışını açıklayan yasaların, böyle küçük boyutlarda aynı işlevi yapmadığı tespit edilmiştir. 1900 yılında fizikçi Max Planck Fizik Derneğine üzerinde çalıştığı kuantum teorisini sunmuştur.
Cisimler bazen termal ışıma da denen bir ışıma yayar. Bu ışıma cismin sıcaklığına bağlıdır. Planck, bir cismin sıcaklığının değişmesiyle turuncudan kırmızıya ya da maviye dönen renk değişikliklerinin yaydığı radyasyonun nedenini bulmaya çalıştı. 1900 yılında Planck, çalışmasını yaptığında fizikçiler atomların toplam enerji olarak bir değere sahip olabileceğini düşünüyorlardı, enerji sürekli olarak değişkendi. Yani enerji “sürekliliğe” sahipti. Fakat Planck‘ın kuantum önermesi, enerji değişiminin “kuantalaşmış” (kesikli) olduğu anlamına geliyordu.
Planck, adına “kuanta” dediği enerji paketlerini temsil eden bir takım matematiksel denklemleri oluşturdu. Sonunda denklemler bu fenomeni çok iyi açıkladı; bazı farklı sıcaklık seviyelerinin (bunlar bir temel asgari sıcaklık değerinin tam katlar), enerji renk spektrumunun farklı alanlarını işgal edeceğini buldu. Planck aslında doğa yasalarının tamamen yeni ve temel bir anlayışı olan kuantaların keşfini üstlenmiş oldu.
Bu teorisiyle 1918 yılında Nobel Fizik Ödülü’nü kazandı ve bundan sonraki 30 yıllık süreç boyunca çeşitli bilim adamları tarafından elde edilen gelişmelere ön ayak olarak kuantum teorisinin modern anlayışına katkıda bulunmuş oldu.
Kuantum Mekaniğinin Gelişimi
Teknolojinin gelişmesiyle daha hassas ölçümler yapılmaya başlanmış ve garip olaylar gözlenmiştir. Kuantum fiziğinin doğuşu, 1900 yılında Max Planck‘ın “Siyah Cisim Işıması” olayına yaptığı katkıya dayanır. Alanın gelişimi Max Planck, Albert Einstein, Niels Bohr, Werner Heisenberg, Erwin Schrödinger ve daha birçok bilim insanının çalışmalarıyla sürdürülmüştür. İronik olarak Albert Einstein‘ın kuantum fiziği ile ciddi kuramsal sorunları vardı ve onu çürütmek veya değiştirmek için yıllarca çalışmıştı.
• 1900 yılında Max Planck enerjinin kesikli halde bulunduğu başka bir deyişle “kuanta”lardan oluştuğu varsayımını yaptı.
• 1905 yılında Albert Einstein aynı davranışın tam olarak enerji olmayıp, radyasyonun kendisinin kuantizasyonu olduğunu ileri sürdü.
• 1924 yılında Louis de Broglie parçacık veya dalga yapısındaki enerji ve maddenin, atomik ve atom alt seviyelerde davranışlarında hiçbir temel fark olmadığını söylemiştir. Bu teori “Dalga Parçacık ikilemi ” olarak bilinir . İkilem , tüm maddelerin yalnızca kütlesi olan bir parçacık gibi değil, aynı zamanda da enerji transferi yapabilen bir dalga olduğunu gösterir.
• 1927 yılında Heisenberg iki tamamlayıcı değerin (konum ve momentum gibi), eş zamanlı ölçümünün imkansız olduğunu önerdi. Klasik fizik ilkelerine göre eş zamanlı ölçülebilen bu değerler onların kaçınılmaz kusurlu değerleridir. Bu teori “Belirsizlik İlkesi” olarak da tanımlanan, Einstein‘ın “Tanrı zar atmaz.” şeklindeki ünlü yorumunu akıllara getirir.
Kuantum Fiziğini Özel Kılan Nedir?
Kuantum fiziği dünyasında, bir gözlemlemiş olmanız, aslında gerçekleşecek fiziksel süreçlerin hepsini etkiler. Işık dalgaları parçacık gibi, parçacıklar da dalga gibi hareket ederler (Dalga Parçacık ikilemi).
Madde uzayda hareket etmeden bir noktadan başka bir noktaya taşınabilir (Kuantum Tünelleme). Bilgi ise uzak mesafeler arasında anında aktarılır. Aslında kuantum mekaniği bize tüm evrenin bir dizi olasılıktan oluştuğunu söyler.
Kuantum Engeli Nedir?
Kuantum engelinin anahtar kavramlarından biri, bir parçacığın kuantum durumunu ölçmenin diğer parçacık ölçümlerine kısıtlamalar koymasıdır. Bu EPR Paradoksu’nu en iyi örneklendiren durumdur (EPR Paradoksu, Albert Einstein, Boris Podolsky ve Nathan Rosen soyadlarının baş harflerini içeriyor).
EPR Paradoksu’na göre nesnelerin fiziksel özellikleri, ölçmeden bağımsız olarak kesin ve belirli niceliklere sahip olmalıydı. Aslında bu bir düşünce deneyi olmasına rağmen, Bell Teoremi olarak da bilinen teorem bunu düşünce ve deneylerle destekleyerek doğruluğunu kanıtlamıştır.
Kuantum Optik
Kuantum optik öncelikle ışık veya foton davranışı üzerinde duran, kuantum fiziğinin bir dalıdır. Isaac Newton tarafından geliştirilen klasik optiğin aksine kuantum optik düzeyinde fotonların davranışı bireysel değil de yoğunlaştırılmış ışın demetleri şeklinde ele alınır. Örneğin lazerler kuantum optik çalışmanın bir uygulaması olarak karşımıza çıkar.
Kuantum Elektrodinamiği (QED)
Kuantum elektrodinamik, elektronların ve fotonların etkileşimlerini inceler. Kuantum elektrodinamik 1940’ların sonlarında Richard Feynman, Julian Schwinger, Sinitra Tomonarge tarafından geliştirilmiştir. Fotonların kütlesi bulunmayan ışık parçacıkları açıklanmasında kuantum elektrodinamiğinin ortaya çıkışı önemli rol oynar.
Birleşik Alan Teorisi
Birleşik alan teorisi genellikle fiziğin temel güçlerini birleştirmek için çalışarak, Einstein‘ın Genel izafiyet Teorisi (Genel Görelilik ilkesi) ile kuantum fiziğini uzlaştırmak için araştırmalar yapar. Ancak başarılı olamaz.
Birleşik Alan Teorisi’nin Çeşitleri
• Kuantum Yerçekimi
• Sicim Teorisi / Süpersicim Teorisi
• Büyük Birleşik Alan Teorisi
• Döngü Kuantum Yerçekimi
• Her Şeyin Teorisi
• Süpersimetri Teorisi
Kopenhag ve Çoklu Dünya Hipotezi
Gerçekliğin doğası için kuantum kuramının en etkili iki yorumu Kopenhag Yorumu ve Çoklu Dünya Teorisi’dir. Niels Bohr makro ve mikro boyutun ayrı fiziksel ilkelerle incelenmesi gerektiğini ve gözlemin esas belirleyici faktör olduğunu öne sürmüştür. Kısacası Bohr, nesnel gerçekliğin olamayacağını savunuyordu. Durumu bilinmeyen nesnenin, aynı anda tüm olası durumlarının var olduğunu belirten bu prensibe “Süperpozisyon İlkesi” adı verildi.
Bu teoriyi açıklamak için ünlü ve biraz da acımasız görünen Schrödinger’in Kedisi Deneyi göz önünde bulundurulur . İlk olarak canlı bir kediyi dışarıdan hiçbir şekilde gözlemlenemeyen kalın kurşun bir kutuya yerleştirdiğimizi düşünelim. Bu aşamada kedi hayatta olduğu için kafamızda hiçbir soru yoktur.
Daha sonra bir şişe siyanürü kutunun içine koyup kutuyu tekrar mühürlediğimizi düşünelim. Kedi radyoaktif madde bozunursa ölecek ya da hiçbir şekilde ölmeyecektir. Eğer kutuyu açmazsak, kedi hem yaşıyor hem de yaşamıyor diyebiliriz. Ya da kedinin yaşadığı ve yaşamadığı iki farklı evren mevcuttur diyebiliriz. Eğer kutu açılırsa ve gözlem yapılırsa, birkaç durumdan bir tanesine indirgenen durumda gözlemci de evrene dahil olmuş.
Kuantum fiziğinin ikinci bir yorumu ise “Çoklu Dünya Teorisi” ya da “Çoklu Evren Hipotezi”dir. Bu teoriye göre kuantum sistemi, bir olayın sonucuyla diğeri arasında seçim yapmak zorunda kaldığında her iki olay birden meydana gelmektedir. Ancak bunlardan sadece bir tanesi bizim evrenimizde gerçekleşir. Diğeri ise o ana kadar her şeyi bizimkiyle aynı olan bir başka evrende gerçekleşir. Böylece bizim evrenimiz, paralel evrenlerden bir tanesi olmuş oluyor.
Var olan her evrendeki her olayın olma olasılığı yeni bir evren yaratmaktadır. Ayrıca her nasılsa bütün evrenler bir şekilde diğer tüm evrenlerin erişilebilir olması için izin verir. Yani bu evrenler arasındaki etkileşim için herhangi bir mekanizma yoktur.
Stephen Hawking ve Richard Feynman çoklu evren modelini benimseyen fizikçiler arasında yer almaktadır.
Kuantum Kuramı’nın Etkisi
Kuantum Teorisinin etkilerine rağmen birçok bilim adamı teoriyi çürütmeye çalışmıştır. Aralarında Max Planck ve Albert Einstein‘ın da bulunduğu bilim insanları Kuantum Teorisini deneylerle desteklemeye çalışmışlardır.
Kuantum Teorisi ve Einstein‘ın Görelilik İlkesi modern fiziğin temelini oluşturmaktadır. Kuantum fiziği temellerine dayanarak uygulanan yöntemlerle kuantum optik, kuantum kimya, kuantum bilgisayar ve kuantum kriptograf gibi giderek artan sayıda uygulama alanı bulmaktadır.
Kaynak: kuark.org