Bir evren düşünün, bir cismin aynı anda farklı yerlerde olduğu, önceden birbirleri ile etkileşmiş olan parçacıkların aralarında kilometrelerce mesafe olmasına rağmen iletişim kurdukları, hem canlı hem de ölü olan bir kedi düşünün. İşte tüm fizik kurallarına aykırı olan bu evren, fizik kurallarına uygun hareket eden evrenimizin yapıtaşıdır. Atomların dünyasına hoşgeldiniz. Bu garip dünyada hiçbir şey bizim kurallarımıza göre hareket etmiyor. Tüyler ürperten de bu zaten. Devasa yıldızların, gezegenlerin ve diğer gök cisimlerinin kurallarına, onları oluşturan atomlar uymuyor. Hayatımızı oluşturan klasik fizik ile kuantum fiziği çatışıyor. Bu iki bilim dalı bir türlü uyuşamıyor. Eğer bir gün bu çatışma son bulursa ve aralarındaki bu zıtlık aydınlatılabilirse bilim dünyasında bir devrim gerçekleşecek. Gerçi bunu bilim dünyası ile sınırlı tutmak hata olur.
Tüm insanlık tarihi için yeni bir dönem açılacak. Çünkü enerji elde etmek daha kolay olacak. Yaptığımız çoğu şey çok daha verimli hale gelecek. Yıldızlararası seyahat çok daha mümkün hale gelecek hatta ışınlanmaya bile başlayacağız. Karadeliklerin içinden bilgi almanın bir yolunu bulacağız belki de. Bu söylediklerim hayal değil. Eğer bu anlaşmazlığı çözersek, daha doğrusu iki tarafı uzlaştırabilirsek evreni anlama konusunda çok önemli bir kilometre taşına erişeceğiz. İşte bu sebeptendir ki Bohr, Einstein, Planck ve Hawking gibi bilim dünyasının ağır topları bu uyumsuzluğun üzerine gittiler. Onlardan sonra gelenler ve gelecek olanlar da bu işe devam edecekler. Milyonlarca yıldır süregelen insan evrimini belki de kökten etkileyecek, kim bilir? Somut bir örnek verecek olursam, sensörler ve güneş panelleri, Einstein’ın açıkladığı fotoelektrik olay ile mümkün olmuştur. Kuantum mekaniğinin küçük bir parçası hayatımıza bu şekilde olanaklar verdiyse gerisini siz düşünün. Şimdi klasik fizik ile açıklanamayan garipliklere bir göz atalım.
Enerji ve Renk
Hepimiz lise fizik kitaplarındaki bir “renk” şeridine aşinayızdır. Bu şerit bize ışığın dalga boylarını gösterir, bir yandan da enerji seviyelerini. Peki herhangi bir madde nasıl oluyor da sıcaklığı değiştiğinde rengi de değişiyor? Bunun cevabını bizler Max Planck sayesinde biliyoruz. Bir atom enerji ile dolduğunda orbitallerinde dolanan elektronlar üst enerji seviyelerine sıçrar ve bu onları kararsız hale sokar. Kararlı hale geri dönmek isteyen elektronlar, aldıkları enerji kadar bir enerji yayarak kararlı pozisyonlarına geri dönerler. Bu olaya kuantum sıçraması denilir. İşin içinden bir türlü çıkamayan Planck, meşhur Planck sabitini denklemine ekler ve konuyu aydınlatır. Ancak bu durum ortaya bir problem daha çıkarır. Biz ışığı bir dalga olarak biliyoruz ama bu dalgalar nasıl oluyor da bir elektrona etki ediyor? Kuantum fiziği tam da burada doğuyor ve ışığın parçacıklı davranışı görülüyor ve bu parçacıklara foton denilmeden önce “kuanta” deniliyor. Kuantum kelimesi de kuantanın çoğul halidir. Burada şuna da değinmek isterim. Mutlak sıfır. Yani -273 santigrat derece. Bu sıcaklık bir maddenin sahip olabileceği en düşük sıcaklıktır. Çünkü maddenin artık soğumak için verecek enerjisi kalmamıştır. Atom çekirdeğinin etrafında dönen elektronlar artık dönemez ve dururlar. Buradan sonra da o madde artık madde değildir. Bilim insanları bu sıcaklığa yaklaştılar ancak henüz ulaşamadılar.
Utangaç Elektronlar
Aranızda konuya hâkim olanlarınız varsa çift yarık deneyine gönderme yaptığımı anlamıştır muhtemelen. Deney düzeneğimizi şöyle anlatayım: Elimizde ışık yayan yani foton fırlatan bir tabanca var. Tabancanın önünde üstünde yukarıdan aşağıya doğru bir yarık olan engelimiz, arkasında ise fotonları algılayan bir ekran. Tabancamızdan foton fırlatmaya başlıyoruz ve tahmin edeceğimiz gibi ekranda yarığın izine benzer bir iz oluşuyor, sorun yok. Bu sefer engelimizi değiştiriyoruz ve üstünde iki tane yarık olan bir engel koyuyoruz. Foton fırlatıyoruz ve ekranda iki iz çıkmasını beklerken, sanki bu yarıklardan su dalgaları geçiyormuş da onlar ekranda dalga izleri oluşturuyormuş gibi izler ortaya çıkıyor. Bu ışığın dalga modeline bir ispat oluyor. Tamam burada da bir sorun yok. Işık hem dalga hem de parçacık özelliği gösteriyor.
Bu sefer tabancamızı değiştiriyoruz. Foton yerine elektron fırlatan bir tabanca koyuyoruz. Engelimiz yine üzerinde iki adet yarık bulunan bir engel ve arkada da algılayıcı ekranımız duruyor. Elektronları fırlatmaya başladığımızda ekranda yine dalga izleri beliriyor. Küçük bir bilye gibi olan elektronlar nasıl böyle bir iz oluşturuyor? Çok küçük bir bilye ya. Ama orası atomların dünyası, her şey olur. Bilim insanları diyor ki bu engelin yanına bir algılayıcı koyalım, elektronların yarıktan geçerken izlediği yolları görsün biz de anlayalım bu nasıl oluyor. Algılayıcı konulup tabanca çalıştırılıyor ve Einstein’ın “korkunç” diye tepki verdiği olay gerçekleşiyor. Arkadaki ekranda dalga izleri değil de iki tane yarık izi oluşuyor. Sevgili elektronlar sizi izlediğimizi nereden biliyorsunuz? Hadi bunu geçtik. Neden sizi izlerken farklı davranıp bizim aklımı kaçırmaya çalışıyorsunuz? Mizansen yaptığıma bakmayın. Bu deneyi yapan bizlerden birisi olsaydı eğer, hala akıl sağlığını koruyabilir miydi bilmiyorum. Gözümüzün önünde kafasına göre hareket eden bu parçacıklar, yaşayan ya da yaşamayan her şeyin temel üç parçacığından bir tanesi. Katrilyonlarca kez katrilyonlarca elektron bizi oluşturan atomların çevresinde dönüyor. Yani ne denir bilemiyorum.
Hem Ölü Hem Diri
Schrödinger kuantum süperpozisyonunu açıklamak için bir düşünce deneyi oluşturuyor. Burada kapalı bir kutu içinde bir kedi var. Kutunun içinde de çalıştığında kediyi öldürecek olan zehri ortaya saçacak bir mekanizma var. Bu mekanizma yüzde 50 ihtimalle çalışacak. Kediyi kutuya koyup kutunun kapağını kapatıyoruz ve içeride ne olduğunu bilmiyoruz. Ya kedi ölecek ya da yaşayacak. Eğer kuantum evreninde olsaydık kedi hem ölü hem de diri olacaktı. Aynı anda. Bakın burada sonuçtan söz edilmiyor. Kutunun kapağı kapatılıyor ve ne olduğu bilinmiyor, hem ölü hem diri. Herhangi bir olasılık yok. Yani ya ölü ya diri değil. Aynı anda ikisi de. Buna kuantum süperpozisyonu (üst üste gelme hali) denmektedir.
Nerede karşımıza çıkıyor? En somut olarak yine elektronlarda. Öğrendiğimiz üzere elektronlar atom çekirdeğinin etrafında bir orbitalde dolanmaktadır. Kuantum mekaniğine göre ise elektronlar belirli bir anda orbitalin bir yerinde değil her yerinde oluyor. Bu da bizi yepyeni bir atom modeline götürüyor ve elektronların bulunduğu yere, her yerinde bulunduklarından dolayı elektron bulutu adı veriliyor. Biz bakana bakar bu bulutun aynı anda her yerindeler. Hızla dönen bu elektronların yerini bulalım o zaman. Bulalım ama o zaman da hızlarını bulamıyoruz. Buna da Heisenberg belirsizliği deniyor. Bir parçacığın yerini bilirsen hızını bilemezsin, eğer hızını bilirsen de yerini bilemezsin. Bu bir varsayım değil. Nasıl bizim evrenimizde atılan bir taş yerçekiminden dolayı yere düşüyorsa, kuantum evreninde de böyle oluyor. Yani bir kanun. Bir parçacığın hızını bulmak için kullanılan formülde dalga boyu vardır. Bu da parçacığı dalga modeliyle alır yani hızını bulduğumuzda parçacığın dalga modelini kullandığımız için parçacık her yerde olmuş oluyor.
Anlaması ve anlatması çok zor bir konuya girdim. Eğer yanlış şeyler söylediysem lütfen beni düzeltin çok memnun olurum. Einstein ve Bohr’a kuantum fiziğini araştırdıkça saygım çok daha fazla arttı. Bizlerin anlamakta bu kadar zorlandığı bir konuyu adamlar bizim kahvede siyaset tartışmamız gibi tartışmışlar. Üstelik onların ortaya attıkları çoğu şey Schrödinger kedisi gibi sadece düşüncedeydi. Çoğu zaman kağıt üzerinde formüllerle kendi argümanlarını geliştiriyorlardı. Günümüzde biz de bu kağıtları alıyoruz ve CERN’de uyguluyoruz.
