Evrenin İçindeyiz Evren De Bizim İçimizde

Hücrelerimizi, organlarımızı, bizi, doğayı, dünyayı, galaksileri yani Evrenin tamamını oluşturan en küçük yapılar atomlardır. Atomlar birbirleriyle etkileşim halinde olan aynı zamanda çarpma ve dağılma hareketine sahip çok küçük parçacıklardır.

Bir atomun konumuna ve hızına bakarak diğer atomlarla çarpışması sonrası nasıl hareket edeceklerini hesaplayabiliriz. Bu durumda atomları gözlemleyerek evreni anlamak pek çok noktada mümkün olacaktır çünkü evrenimiz atomlardan oluşan koca bir kütledir.

Ancak Klasik Fizik ve Kuantum Fiziği’nin en büyük ayrışma noktası da budur. Yani klasik fizik deterministik  (belirlenimci) bir bakış açısına sahip olurken, Kuantum Fiziği öngörülemez bir bakış açısına sahiptir. Klasik fiziğe göre bir şeyin geçmişini biliyorsak geleceğini de tahmin edebiliriz, ancak kuantumda bu durum farklıdır.

Kuantum fiziği çalışan bilim insanları çarpışma sonrası atomların davranışlarının kesin olarak belirlenemediğini bilimsel verilerle ortaya koydu. Atomlar hakkında konum ve hızları gibi önemli bilgilere sahip olsak bile, nasıl hareket edeceklerini nihai anlamda bilmek mümkün değildir, çünkü kuantum fiziği bir olasılıklar fonksiyonudur.

Bu konu Bilim Dünyası’nda büyük tartışmalara neden olmuştur. Evrenin bir olasılıklar fonksiyonu ile işlemesini kabul etmeyen Albert Einstein “Tanrı zar atmaz” diyerek olasılık önermelerini reddetmiştir. Kuantum atom modelini oluşturan Danimarkalı fizikçi Niels Bohr “Tanrıya ne yapacağını söyleme Albert” diyerek Einstein’a  karşı çıkmıştır.

Şimdi bu noktada kuantum mekaniğinin temeli sayılacak bir örnekle giriş yapalım.

Örneğin; Sahildesiniz ve elinizde iki adet karton parçası var. Bu karton parçalardan birini yere bırakıyorsunuz ve ikinci kartonu alıp ortasında küçük bir kesik oluşturuyorsunuz. Sonra bir avuç kum alıp elinizdeki kartonla yerdeki kartonu paralel şekilde tutarak üstteki oluşturduğunuz kesikten kumu boşaltıyorsunuz. Yerdeki kartonda beklediğiniz şekil üstteki oluşturduğunuz kesik ile paralel olacaktır. Kesikten düşen kumların büyük çoğunluğu bir noktada yığın oluşturacaktır. İkinci kesik atıp kumu tekrar döktüğünüzde bu defa aşağıdaki kartonda iki noktada toplanan kumlar göreceksiniz. Bu gayet bilinen bir durumdur. Peki benzer durumu dalgalarla denersek ne olur diye düşünüp denizde denemek istiyorsunuz ve kalkıp suya giriyorsunuz. Elinizde ortasında bir yarık olan plastik bir tahtayı yarısı suyun içinde yarısı dışında dik duracak şekilde koyuyorsunuz ve  biraz geriye gelip elinizle dalga oluşturuyorsunuz. Dalgalar gelip plastiğe çarpıyor ve ortasındaki yarıktan geçen su yeni bir dalga oluşturuyor. Buraya kadar da her şey normal görünüyor. Peki plastiği alıp yerine iki yarıklı bir plastik koyarsanız ne olur? Kumun oluşturduğuna benzer bir durum yani iki ayrı dalga mı? Böyle düşünüyorsanız yanılıyorsunuz. Çünkü yarıklardan geçen dalgalardan birinin tepesi diğerinin dibiyle çarpışıyor (yapıcı girişim) veya birinin tepesi ile diğerinin dibi örtüşüyor (yıkıcı girişim) ve ortaya girişim örüntüsü dediğimiz bir şekil çıkıyor.

Yani buradan anlamamız gereken sonuç madde parçacıkları çift yarıktan geçince iki ayrı yığın oluşturuyor ama dalgalar iki yarıktan geçince girişim örüntüsü dediğimiz bir şekil oluşturuyor. Hadi gelin şimdi atom altı dünyaya inelim.

Fizikçiler aynı şeyi maddenin çok küçük parçası olan elektronlar ile denemeyi düşündüler. Elektronları tek yarıktan bir cihaz yardımı ile göndererek arkada oluşan şekle baktılar beklendiği gibi tek yarıktan geçen elektronlar arkada geçtikleri yarığın şeklinde bir iz oluşturdular. Sonra aynı şeyi çift yarıktan denediler madde parçacığı olduğu için beklenilen iki yarık şeklinde arkada iki iz oluşmasıydı tıpkı sahildeki kumlar gibi. Ama deneyi yapanlar gördükleri şekil karşısında şaşkına dönmüşlerdi. Çünkü madde parçacığı olan elektron iki yarıktan geçince tıpkı dalgalar gibi girişim örüntüsü oluşturmuştu.

Bu olağanüstü durum fizikçilerin kalbinin hızla çarpmasına neden oldu . Daha sonra bu elektronlar yarıktan geçtikten sonra birbirlerine mi çarpıyor da bu şekil oluşuyor diye düşünüp elektronları tek tek göndermeyi denediler. Sonuç değişmedi. Arkada tek yarıktan tek bir iz oluşmasına rağmen çift yarıkta deneyince beklenenin aksine yani çift iz yerine girişim örüntüsü çıkıyordu. Ne oluyordu da bu küçücük madde parçacıkları dalga gibi davranıyordu? İki iz oluşturması gerekirken girişim modeli oluşturuyordu? Aslında onları şaşkına çevirecek durum bununla sınırlı değildi. Gönderdikleri elektronların hangi yarıktan geçtiğini gözlemlemek için yarıkların hemen yanına bir ölçüm cihazı koyup elektronlar hangi yarıktan geçiyorlar ve ne oluyor da bu şekli oluşturuyorlar diye görmek istediler. Ölçüm cihazını aktif hale getirip elektronları çift yarıktan göndermeye başladıktan bir süre sonra gördükleri şey karşısında tamamen hayrete düştüler. Az önce dalga gibi davranıp girişim örüntüsü oluşturan elektronlar onları gözlemlemek için ölçüm cihazı koyduğumuzda davranışlarını değiştirip kum gibi yani madde parçacığı gibi sadece iki iz oluşturdular. Ölçüm cihazını kaldırıp tekrar denediklerinde yine önceki gibi girişim örüntüsü oluşturdular.  Bu inanılmaz bir şeydi böyle bir şey nasıl mümkün olur diye düşünürken kulağa biraz garip gelse de akıllara şu soruyu getiriyordu.

“Yoksa gözlendiğinde davranışlarını değiştiren sadece biz insanlar değil miyiz?”

Gördüğümüz gibi ölçüm yapıldığında elektronlar davranış değiştiriyorlar. Elektronlar hem dalga özelliği hem de parçacık özelliği gösterirler. Bunu ölçmeye çalıştığımızda parçacık halini görürüz. Dalga özelliği gösterirken gözlemlemek şu an için pek mümkün değil. Yani bu demek oluyor ki atom-altı parçacıkların aynı anda farklı yerlerde farklı şeyler yapmalarının ancak sonuçlarını görebiliyoruz bu da “girişim deseni” ile mümkün oluyor.  Şimdi aşağıdaki şekli biraz inceleyelim.  Gördüğümüz gibi girişim bazı yerlerde güçlü bazı yerlerde ise zayıf bir desen oluşturmuş. Işığın bazı noktalarda ne kadar canlı ve parlak bazı yerlerde ise silik görünmesinin hatta bazı noktalarda hiç desen oluşturmamasının nedeni çarpışan kuantum dalgalarının birbirlerini güçlendirdiği yerler olduğu gibi birbirini sıfırladığı yerlerin de olmasından kaynaklanır. Aslında bizim duvarda gördüğümüz desen dalgaların birbirlerini güçlendirdikleri doğrultulardır.

İşte bu gördüğümüz dalgaların üst üste binme durumuna “süperpozisyon” diyoruz. Bir maddenin birden fazla yerde bulunma halini bu kuantum dalgalarıyla açıklıyoruz. Bir şeyin konumunu belirlemeye çalıştığımızda onun dalga değil parçacık özelliği gösterdiğine şahit oluyoruz. Çünkü ölçüm yaptığımız cihazlar makro evrene ait ve gözlemlediğimizde elektronlar bizim gerçekliğimiz haline geliyor.

Maddenin hem dalga hem parçacık özeliği gösterebildiğini artık biliyoruz. Aslında her madde kuantum dalgasına sahiptir ancak bu maddenin kütlesi ile sınırlandırılır, yani bir maddenin kütlesi  ne kadar büyükse kuantum dalgası da o ölçüde küçüktür, bizim gibi büyük kütleye sahip varlıkların ihmal edilebilecek kadar küçük dalga boyu vardır. Doğadaki en küçük madde olarak tanımladığımız elektronun ise dalga boyu en büyüktür. Bizler de elektronlar kadar büyük dalga boylarına sahip olsaydık yan yana duran iki kapıdan aynı anda farklı odalara geçme şansımız olurdu. Kütlemiz arttıkça dalga boyumuzun küçülüyor olması “Kuantumda geçerli olan durumlar neden günlük hayatımızda da geçerli değildir?” sorusunun basitçe cevabıdır.

Heisenberg Belirsizlik İlkesi

Heisenberg belirsizlik ilkesine göre atom altı seviyede bir parçacığın momentum ve konumu aynı anda ölçülemez. Bu durum belirsizlik ilkesinin temelini oluşturur.  Heisenberg’in belirsizlik ilkesini anlayabilmek için şu örneğe bakalım;

Elinize bir lazer alıp onun ışığını küçük geniş ve dar hale getirilebilen bir aralıktan geçirdiğinizi varsayın. Aralıktan ışık geçiyor ve arkadaki duvara yansıyor. Siz aralığı yavaş yavaş daraltmaya başlıyorsunuz ilk başlarda her şey beklediğiniz gibi gidiyor ve duvara yansıyan ışık aralığı daralttığınız için ışığın tamamı aralıktan geçemiyor ve geçtiği kadarı duvara yansıyor, yansıyan ışık doğal olarak ilk haline göre daralıyor. Belirsizlik ilkesini anlayabilmemiz için biraz daha aralığı daraltmaya devam etmeliyiz. Siz aralığı biraz daha daraltmaya başladığınızda hiç beklemediğimiz ilginç bir durumla karşılaşıyorsunuz. Aralık bir noktadan sonra daralmaya devam edince duvara yansıyan ışık genişliyor. Bu nasıl olur diye hayret ederken aslında heisenbergin belirsizlik ilkesini gözlemliyorsunuz.

Şimdi belirsizlik ilkesi tam olarak nasıl çalışıyor basitçe anlayalım. Belirsizlik ilkesi temel olarak  ∆x*∆p => h/4π bu formül ile ifade ediliyor. Burada ∆x parçacığın konum belirsizliği, ∆p ise momentum belirsizliğidir. Bu ikisini çarpımı her zaman h/4π den büyük veya eşit olmalıdır. (h: planck sabiti) Deneye dönecek olursak lazerden çıkan ışınlar aralık geniş olduğundan aralıktan geçerken konum belirsizliği fazladır. Aralığı daralttığınızda aslında konum belirsizliğini azaltıyorsunuz çünkü ışığın  geçeceği aralık daraldığı için konumu yani nereden geçeceği daha belirgin hale geliyor. ∆x*∆p => h/4π olabilmesi için konum belirsizliği azalınca momentum belirsizliği artmalıdır. Momentum belirsizliği arttığı için de duvara yansıyan ışık genişlemektedir. Yani konum belirsizliği, aralığı daraltınca azaldığı için momentum belirsizliği artacak böylece önceden düz giden fotonlar artık sağa sola sapmaya başlayacaktır. Bu da ışığın duvara daha geniş bir şekilde yansıdığını görmemizi sağlayacaktır.

Dolanıklık

Kuantum dolanıklık veya yerelsizlik bilim dünyasını sallayan müthiş bir teoridir.  Teoriye göre birbiriyle ilişkili iki madde birbirine zaman ve mekandan bağımsız olarak bağlıdır, yani iki madde birbirinden milyonlarca ışık yılı uzakta bile olsalar birbirlerini etkilerler. İki elektronumuz olduğunu düşünelim, bu elektronları toplam spinleri her zaman sıfır olmalıdır, yani elektronlarımızdan biri “aşağı spin” durumundayken diğeri “yukarı spin” durumunda olmalıdır. Elektronları gözlemlediğimizde bu durumu açıkça görebiliriz, elektronlar her zaman zıt yöne bakacaklardır. Biz ölçüm yapana dek bir elektron hem yukarı hem aşağı konumda olabilir, ancak birini ölçtüğümüzde diğerinin davranışının ne olacağını anlayabiliriz. Schrödinger denklemiyle tanınan ve Nobel ödülünü alan Avusturyalı fizikçi Erwin Schrödinger atom-altı dünyada gerçekleşen bu olayı daha basit bir şekilde tasvir edebilmek için makroskobik düzeyde bir düşünce deneyi tasarlamıştır. “Schrödinger Kedisi” olarak bilinen deneyde dış dünyadan tam anlamıyla yalıtılmış bir kutu içerisine bir düzenek kurulur ve kediyle birlikte kutunun içerisine kapatılır. Düzenekte yarı ömrü 10 dakika olan bir radyoaktif madde vardır ve bu zehirli maddenin bozunup bozunmama olasılığı eşittir.

Biz ölçüm yapana kadar bu radyoaktif maddenin bozunup bozunmama durumları üst üste gelmiştir. Bu onların “süperpozisyon” durumudur. Eğer bozunmuş olacak olursa kedi ölecektir ancak unutmamalıyız ki bozunma olasılığı %50’dir. Yani biz açıp bakana kadar kedi hem ölü hem de diri olacaktır, bunu ancak gözlemleyerek öğrenebiliriz. Bu deney sayesinde elektronların “süperpozisyon” (üst üste olma) durumuna da daha kolay anlam verebiliyoruz.  Yani kuantum mekaniğine baktığımızda başlangıçta elektronların spinleri belirsizdir,  ancak biz ölçüm yaptığımızda belirlenir. (Ölçüm yapana kadar yukarı, aşağı ve hem yukarı hem aşağı spinlidir) Ölçüm yaptığımız anda ışık hızından daha hızlı bir şekilde diğer elektrona bilgi verilir böylece o da konumunu alır. Ancak Albert Einstein ışıktan hızlı bir haberleşme ağının olamayacağını öne sürerek bu teoriyi tamamlanamamış bir teori olarak değerlendirir.

Ne şekilde haberleştiklerini veya nasıl biribirlerine göre konumlarını belirlediklerini şuan için bilmesek bile bu atom-altı dünyanın bir parçasıdır.Başta söylediğimiz gibi Doanıklık temelde birlikte var olan iki maddenin  bir birine bağlı olduğunu söyler ve bu maddeler birbirlerini milyonlarca kilometre ışık yılı uzakta olsalar bile birbirlerini etkilerler. Şuan bütün evrende var olan her şey Big Bang ile tek bir yerden patlayıp var olduğuna göre her şey ama her şey birbirine dolanıktır. Bu muazzam bir şeydir. Aslında küçücük fare beyni ile evren birbirinden bağımsız değildir. Benim atomlarım ile milyarlarca kilometre uzaklıktaki gezegenler birbirinden bağımsız değildir. Ben sizden bağımsız değilim siz benden bağımsız değilsiniz. Neil De Grasse Tyson bunu  muhteşem bir sözle dile getirmiştir “Hepimiz birbirimize biyolojik olarak, Dünya’ya kimyasal olarak, Evren’e atomik olarak bağlıyız. Evrenin içerisindeyiz, Evren de bizim içimizde…”

HAZIRLAYANLAR

MÜCAHİT GÜRSANÇTI – TUĞBA BECER

KAYNAKÇA:

Tarlacı, Sultan.,  2016. Schrödinger’in Kedisi Neden Şizofren Oldu?. Istanbul: Destek.

Hawking, Stephen.,  2016. Zamanın Kısa Tarihi.  Istanbul: Alfa.

Chown, Marcus., 2015. Dünya’nın Tüm Dertleri. çev. Zeynep Arık Tozar. Istanbul: Domingo

https://m.youtube.com/user/MerakliMaymunn

https://m.youtube.com/user/1veritasium