Kuantum Fiziği Nedir? Kuantum Mekaniğine Giriş

Geçmişten günümüze fizik evreni daha iyi anlamamızı sağlıyor. Fakat bir noktada klasik fizik bazı olayları açıklamada yetersiz kalıyor. Klasik fizik büyük nesneler için tahminler ve ölçümler yapmamızı sağlar. Peki nesnelere daha küçük ölçekte baktığımızda, yani küçük cisimlerin dünyasına girdiğimizde, klasik fizik kuralları pek işe yaramaz. Burada devreye kuantum fiziği girer ve elektron, proton, nötron gibi çok küçük parçacıkların veya dalgaların davranışlarını anlamamızı sağlar. Nitekim kullandığımız birçok teknolojik ürünün gelişiminde küçük parçacıkların veya dalgaların özellikleri göz önüne alınır.

Planck, Einstein, Bohr (ve diğerleri) kuantum mekaniğindeki çalışmaları nedeniyle Nobel Fizik Ödülü’nü kazanmıştır. Dijital cihazların çalışma prensibi kuantum mekaniği ile açıklanır. Aklınıza gelebilecek hemen hemen her dijital cihaz yarı iletken transistörler kullanır. Bilgisayarınız, cep telefonunuz, hatta televizyonunuz! Bunların veya İnternet’in olmadığı dünyayı hayal edin. Kuantum mekaniği olmayan bir dünya düşünün! Bu yazımızda kuantum mekaniği nedir? sorusundan başlayarak kuantum fiziğinin ortaya çıkmasında büyük bir rolü olan ve kuantum fiziğinin babası olarak bilinen Max Planck’ten Einstein’a, Schödinger’in meşhur kedisinden, ışığın dalga mı parçacık mı olduğundan, kuantum ışınlamadan bahsedeceğiz. Yani kısacası kuantum mekaniğinin geçmişi, gelişimi ve geleceğinden bahsedeceğiz. Hadi o zaman kuantum dünyasının derinliklerine inelim.

• Linkedln
• Twitter
• Instagram
• Pinterest
• Youtube

Kuantum Fiziği Nedir?

Kuantum fiziği, kuantum mekaniği veya kuantum teorisi olarak da bilinen bir fizik dalıdır. Mekanik, tenis toplarından arabalara, roketlerden gezegenlerin hareketlerine kadar fiziksel dünyadaki tüm cisimlerin hareketini inceleyen bir fizik dalıdır. Kuantum mekaniği ise fotonlar ve elektronlar gibi moleküler, atomik ve atom altı düzeylerdeki nesnelerin hareketlerini tanımlayan fizik alt dalıdır. Yani kuantum mekaniği veya fiziği tüm atomların, yıldızların, gezegenlerin, hepimizin içindeki en küçük parçaların dünyasına hükmediyor.

Kişisel bilgisayarların gelişimine, evreni daha iyi anlamamıza öncülük eden kuantum kanunları normal bilgisayarların çözemediği denklemleri saniyede hatta salisede çözebilecek kuantum bilgisayarların gelişimine, insanların bir yerden bir yere ışınlanmasını sağlayan Kuantum ışınlamanın mümkün olmasına da öncülük ediyor. “Kuantum fiziği nedir?” sorusunun daha derinine inip, geleceğimizi büyük ölçüde değiştirecek olan kuantum mekaniğinin geçmişini inceleyelim.

Kuantum Mekaniğinin Kısa Tarihi

1900: Planck and Quanta

Yirminci yüzyılın başında birçok fizikçi, kendi alanlarında keşfedilecek hiçbir şey kalmadığını düşünüyordu. Ancak sıcak nesneler ile ilgili sorulara cevap bulunamamıştı.

Bir şeyi ısıtığınızda rengi kırmızıya dönüşür. Hatta eğer daha fazla ısıtabilseydiniz, renginin beyaza dönüştüğünü gözlemleyecektiniz. Sıcaklıkla birlikte bu renk değişimi modeli, nesnenin hangi maddeden yapıldığına bakılmaksızın herhangi bir nesne için aynıdır. İlk başlarda bilim adamaları bu olayı açıklamak için klasik fiziği kullandılar. Bu olaya karşı açıklamaları sıcak nesnelerin çoğunlukla ultraviyole frekans aralığında ışık yayması gerektiğini öngördüler.

İlginizi Çekebilir! Yarı İletken Teknolojisi Nedir? Elektronik Cihazlar İçin Önemi

Ancak deneyleri, neredeyse hiç ultraviyole ışığın yayılmadığını gösterdi. Bu soruna “ultraviyole felaketi” deniyordu. Bu olay Alman teorik fizikçi Max Planck’ın denklemi ile çözüldü.

Kuanta (Quanta) Nedir?

Planck elektromanyetik enerjinin kuanta denilen küçük ve ayrı ayrı paketlerden oluştuğunu söylüyordu. Başka bir deyişle, belirli bir noktada, enerjiyi bu paketlerden daha küçük parçalara ayıramazsınız. Ve her kuantumdaki enerji, ışığın frekansı ile çok küçük olan Planck sabitinin (h) çarpımına eşittir. Planck’ın bu çalışması ile klasik fiziği temelerini sarsılacak, fizikçileri herşeyi yeniden düşünmelerine sevk edecekti.

Max Planck genellikle kuantum mekaniğinin babası olarak anılır. Planck, sıcak bir nesneden yayılan ışık enerjisi frekansları için yeni bir matematiksel formül yarattı. Planck sıcak nesnelerin kırmızı frekanslar yayacağını gösterdi. Daha sıcak nesneler, tüm görünür renklerin frekanslarını yayarak, onları beyaz rengi gibi gösterir. En önemlisi, Planck’ın formülü hiçbir ultraviyole frekansının yayılmayacağını bize gösterdi. Deneysel olarak da kanıtlandı.

Enerji sadece quanta denilen ayrık paketlerde bulunabilirdi. Önceden, fizikçiler enerjinin kesintisiz bir akış olduğunu düşünürdü. Planck’ın radikal hipotezi atom altı seviyede sıcak nesnelerin yalnızca küçük birimler veya “paketler” halinde enerji yayabileceğiydi. Planck bu paketlere “quanta” (tek bir paket veya quanta, çoğulu da kuantumdur) adını verdi. Planck, bir kuantumdaki enerji miktarının frekansı ile arttığını söyledi. Kırmızı ışık gibi daha düşük frekanslar, beyaz ışıkta olduğu gibi yüksek frekanslardan daha az enerjiye sahiptir. Aslında Planck bu hipotezi ile aynı zamanda ışığın dalga değil de, bir parçacık olduğunu belirtmişti.

1905: Einstein Ve Fotoelektrik Etki

Kuantum teorisi fizik dünyasındaki birçok sorunu çözmeye yardımcı olmaya devam ediyordu. Belki duymuşsunuzdur çünkü güneş panelerinden, akıllı telefonların yongalarına kadar geniş bir uygulama alanı bulan Einstein’ın Fotoelektrik etkisi, bir metal yüzeye ışık tutmanın elektronların metalden fırlamasına neden olabileceği gözlemidir. Nitekim yaygın inanışın aksine, Einstein’ın nobel odülü kazanmasını sağlayan çalışması ne Genel Görelilik ne de Özel Görelilik kuramıdır. Einstein 1921 yılında nobel ödülünü Fotoelektrik çalışması ile kazanmıştır.

İlginizi Çekebilir! Dünya’yı Değiştiren 17 Denklem Ve Anlamları

Einstein enerjinin şu an foton dediğimiz paketler içinde taşındığını savundu, bu temel olarak ışığın parçacık olmasını gerektiriyordu. Bu çok tuhaftı, çünkü ışığın dalga olduğunu gösteren çok fazla deney gerçekleştirilmişti. Ancak Einstein ışığın bu paketler içinde seyahat ettiğini kanıtlayan bir yol önerdi: Fotoelektrik etkiyi içeren bir deney. Fotoelektrik etki bir metal plakaya bir ışık demeti gönderdiğinizde olanları açıklar. Elektronları tabakadan ayrılır ve yakın bir toplayıcıya çarpar ve bir akım oluşturur. Nitekim bilgisayarların yapıtaşı olan transistörler, mikro çipler, güneş panelleri gibi birçok teknolojik uygulama bu çalışma prensibine göre çalışır.

Bu Yazımızı Okumalısınız! Güneş Paneli Nasıl Çalışır? Enerjinin En Temiz Halinin Üretimi

Einstein bu konuda çalışırken fizikçilerin ışık hakkında daha fazla şey öğrenebileceğini fark etti. Çünkü, hem dalga hem de parçacık teorisi fotonun metalden elektron koparabileceğini söylüyordu.
Ancak, iki teoride detaya inildiğinde farklı açıklamalara ve tahminlere sahipti.

Işığın Dalga Teorisi

Dalga teorisi şunu söylüyordu: Işık bir elektrona çarptığında ona kuvvet uygurlar ve metalden fırlatır. Bu teoriye göre, ışığın yoğunluğunu artırırsanız, elektronlara çarpan elektrik alanın gücünü artırmış olursunuz. Böylece daha fazla elektron fırlar ve bu elektronlar daha hızlı olur yani maksimum kinetik enerji artar. Maksimum kinetik enerji en hızlı elektronun kinetik enerjisidir. Şu önemlidir ki, dalga teorisine göre ışığın frekansının bir fark yaratmaması lazımdır. Tek etken faktör yoğunluktur (ışık şiddeti).

Işığın Parçacık Teorisi

Diğer taraftan, parçacık teorisi şunu söyler: Elektronlar tek bir foton tarafından vurulduktan sonra metalden fırlarlar. Foton enerjisini elektrona transfer eder, onu fırlatır ve bu süreçte foton yok olur. Ancak elektronun metalle olan etkileşimini yenmek ve fırlamasını sağlamak için fotonun transfer etmesi gereken bir minimum enerji vardır. Bu minimum enerji iş fonksiyonu(W₀) olarak adlandırılır. Eğer foton iş fonksiyonundan daha az enerjiye sahipse, elektron hiçbir yere gitmez. Ancak foton daha fazla enerjiye sahipse, o zaman fotonun enerjisi elektronu metalden koparmak için kullanılır ve geri kalanı elektrona kinetik enerji kazandırır.

Sonuç olarak, parçacık teorisine göre, fotonun enerjisi iş fonksiyonu (W₀ ), ile maksimum kinetik enerjinin toplamına eşittir.

Fotonun enerjisi ayrıca Planck sabiti ile frekansın çarpımına eşit olacaktır. Aşağıdaki denklem eğer frekans artarsa, elektronların maksimum kinetik enerjisinin de artması gerektiğini söyler. Eğer belli bir frekansın altına inerseniz, Planck sabiti işleminin iş fonksiyonuna eşit olması durumunda hiçbir elektronu fırlatamazsınız.

İlginizi Çekebilir! Transistör Nedir? Bilgi Çağının En Önemli İcadı

Bu şu anlama geliyor: Işığın yoğunluğu artıkça fırlayan elektron sayısı da artar ancak yoğunluk maksimum kinetik enerjiyi etkilemez. Tüm bu testlerin sonucu ve fotoelektrik etki ışığın parçacık teorisinin tüm öngörüleriyle eşleşir. Yani, fotonlar gerçekten varlar. Işık ayrık paketler halinde seyahat ederler ve parçacık gibi davranırlar. Fakat ışığın dalga olduğunu gösteren diğer deneylere ne demeli? Peki, ışık iki şekilde hem parçacık hem dalga olarak davranabilir mi?

Belirli koşullarda, parçacık gibi davranır. Diğer koşullarda, dalga gibi davranır. Buna dalga-parçacık ikiliği denir. Buraya kadar Kuantum fiziği nedir? Kuantum mekaniğinin başlangıcı olarak tanımlanan Max Planck denklemini konuştuk. Ayrıca fotonlar ve fotoelektrik etkinin ışığın parçacık doğasını nasıl kanıtladığı hakkında konuştuk. Hadi kuantum dünyasını incelemeye devam edelim.

1913: Bohr ve Elektron Orbitalleri

Kuantum teorisi giderek dikkatleri üzerine çekmeyi başardı. Fakat bazıları için garip gözlemler için matematiksel bir açıklamaydı sadece. Enerjinin neden kesikli paketler halinde geldiğini kimse açıklayamadı. Ancak Danimarkalı fizikçi Niels Bohr ortaya çıktı ve atomun yapısı için yeni bir model önerdi.

Bohr’dan önce bilim adamları, bir atomun, etrafında negatif yüklü elektronlar bulunan pozitif yüklü bir çekirdekten oluştuğunu biliyorlardı. Bohr kendisine Nobel ödülünü kazandıran çalışması da Max Planck’ın formüllerinden yararlanarak ve Rutherford’un atom modelinden esinlenerek bugün ATOM dediğimizde aklımıza gelen, kafamızda canlanan resmi ortaya çıkaran BOHR ATOM MODELİDİR. Bu model gezegenlerin Güneş etrafındaki yörüngelerde hareket etmesindeki gibi elektronların da belli yollarda atomun etrafında hareket edeceğini belirtti. Bohr bu yollara elektron yörüngeleri ismini verdi ve her yörüngenin belli bir enerji seviyesi olduğunu belirtti.

Bir elektron yeterli enerjiyi emdiğinde, bir yörüngeden bir sonraki büyük enerji seviyeli yörüngeye atlar. Bir elektron enerji yaydığında, düşük enerjili bir önceki yörüngeye atlar. Yayılan enerji miktarı, iki orbital arasındaki enerji farkıdır. Bu nedenle enerjinin sürekli bir ölçekte değil, “quanta” olarak farklı değerlerde kesikli olarak var olmasının nedeni budur.

Planck’ın gördüğü kuantize edilmiş veya paketlenmiş enerji, sıcak nesnelerdeki elektronlardan yayılan elektromanyetik radyasyondu. Einstein’ın fotonları ise enerjilerini metaldeki elektronlara aktardı. Bir fotonun enerjisi yeteri kadar yüksekse, elektronların yörüngelerinden ayrılmasını ve metal yüzeyinde serbest kalmasını sağlar.

Işık Dalga Mı Parçacık Mı İkilemi

Fizikte karşılaşılan en garip fikrin ışığın hem dalga hem parçacık olarak davranabileceğidi. 1923’te Louis de Broglie adlı bir Fransız fizikçi bu fikrin daha da radikal bir uzantısını önerdi: Dalga-parçacık ikiliği sadece ışığa uygulanmasaydı, tüm maddelere uygulansaydı ne olurdu? Louis de Broglie tüm maddelerin kendisiyle ilişkili bir dalgası olduğunu belirtti. Ve haklı da oldu.

Dalga-parçacık ikiliğini maddeye uygulamak, küçük parçacıkların davranışını her zamankinden daha doğru bir şekilde analiz etmenin bir yolunun geliştirilmesine yol açtı.

Louis de Broglie mantığı şuydu: Eğer ışık hem parçacık hem de dalga gibi davranabiliyorsa, o zaman madde de bunu yapmalıdır. Işığın momentumu, Planck sabitinin ışığın dalga boyuna bölünmesine eşittir.

Dolayısıyla de Broglie’nin önerisine göre, aynı denklem madde için de geçerli olacaktır. Bu, momentumunu bildiğiniz sürece herhangi bir maddenin dalga boyunu bulabileceğiniz anlamına gelir. Bunu test etmenin en kolay yolu elektron kullanmaktır. Çift yarık deneyini hiç duydunuz mu? Işığın dalga olarak davrandığını gösteren bu deney bir sonraki yazımızın konusu olacak. Bu deney kısacası bize elektronların da dalga gibi davranabileceğini ve De Broglie’nin haklı olduğunu gösterdi.

Elektronlar hem dalga hem de parçacık gibi davrandılar. Diğer tüm maddeler de öyle – atomlar, moleküller, her şey hem parçacık hem dalga gibi davranır. Yani herşeyin bir dalga boyu vardır. Gökyüzündeki uçağın, etrafımızda gördüğümüz herşeyin hatta kendi vucudumuzun bile bir dalga boyu vardır. Dalga boyo yukarıdaki denklem ile bulunur. Dalga boyu, Planck sabitinin momentuma bölümü ile bulunur. Her şeyin dalga boyu var ama neden göremiyoruz diye sorabilirsiniz. Çünkü Planck sabiti o kadar küçük ki büyük momente sahip bir cismin dalga boyu çok küçüktür. Moment ile dalga boyu arasında ters orantılı bir ilişki vardır.

Erwin Schrödinger Ve Meşhur Kedisi

Genel olarak elektron ve madde için olasılık, kuantum seviyesinde nasıl davrandıkları konusunda çok büyük bir faktördür. Kuantum mekaniği, maddenin dalga yapısına baktığında, çoğunlukla parçacık olasılığıyla ilgilenir. Elktronlar, moleküler yani tüm atomlar belirli zamanlarda belirli yerlerde olacaktır. Bu olasılık, bir elektron veya atom gibi bir kuantum mekanik sistemin bazı özelliklerini ilişkilendirebilen bir denklem olan dalga fonksiyonu ile tahmin edilir. Denklem 1920’lerde Avusturyalı fizikçi Erwin Schrödinger tarafından geliştirildi.

İlginizi Çekebilir! Grafen Nedir? Nobel Fizik Ödülü Aldırtan Keşif

Denklemin ün kazanmasının ana nedenlerinden biri, uzayda herhangi bir noktada bir parçacığı bulma olasılığını tahmin etmek için kullanabilmesidir. Bu denklem olasılık yoğunluğu fonksiyonu olarak bilinir.

Kuantum mekaniğindeki en yoğun tartışmalardan biri, bir parçacığın bir olasılık yoğunluk fonksiyonuna sahip olmasının gerçekte ne anlama geldiğiyle ilgilidir. Bir kutuda bir elektronunuz olduğunu varsayalım. Elektronun olasılık yoğunluğu fonksiyonu, size belirli bir anda elektronun kutunun çeşitli yerlerinde bulunma olasılığının olduğunu söyler. Ancak elektronun nerede olduğunu kontrol etmek için kutuyu açarsanız, elektronun yalnızca belirli bir noktada olduğunu görürsünüz. Şu soruyu kendinize soruyor olabilirsiniz: elektronun bir sürü farklı yerde olma olasılığı ne anlama geliyor? Kuantum mekaniğinin tekrar tuhaf ve mantıksız hale geldiği yer burasıdır.

Birçok fizikçi elektronun hiçbir zaman belirli bir yerde olmadığını, en azından siz ona bakana kadar olmadığını düşünür. Bunun yerine, tüm bu farklı yerlerde aynı anda bulunur. Elektronu bir şekilde gözlemlediğinizde veya ölçtüğünüzde, yalnızca tek bir yerdedir. Bir şekilde onu ölçüyorsunuz, elektronu bir noktada olmaya zorluyorsunuz. Bir parçacığın aynı anda birden fazla durumda olabileceği fikri, kuantum süperpozisyonunun bir örneğidir. Schrödinger’in kediyle yaptığı ünlü düşünce deneyinde keşfetmeye çalıştığı fikir buydu.

İlginizi Çekebilir! Sanal Gerçeklik Nedir? Geleceğin Sanal Dünyası

Düşünce deneyi şu şekildedir: Sadece radyoaktif bir atom bozunduğunda zehir salan bir cihaza sahip bir kutuda bir kediniz var. Kuantum süperpozisyonu diyor ki, atomun hangi durumda olduğunu ve dolayısıyla zehirin serbest bırakılıp bırakılmadığını bilmediğiniz sürece, kedinin aynı anda hem canlı hem de ölü olduğunu söyler.

Heisenberg Belirsizlik İlkesi

Şimdi, bir elektron ölçtüğümüzü varsayalım. Heisenberg Belirsizlik İlkesi adı verilen bir şey nedeniyle, bu ölçümde hala bir miktar belirsizlik olacak. Bu ilke, ölçüm cihazınız ne kadar iyi olursa olsun, bir kutudaki elektron gibi bir parçacığın konumunu ve momentumunu yalnızca belirli bir hassasiyet düzeyine kadar bilebilirsiniz.

Eğer elektronunuzun konumu hakkında daha iyi bir ölçüm elde ederseniz, momentum hakkında çok daha az kesin bir ölçüsüye sahip olursunuz. Benzer şekilde, elektronun momentumu hakkında daha iyi bir ölçüm elde ederseniz, o zaman onun konumu hakkında bilgiden biraz fedekarlık yapmak gerekiyor. Momentum da cismin hızının kütlesine çarpımı ile bulunur. Buraya kadar kafanız karışmış olabilir. Hatta anlattıklarım size saçma gelebilir. Ama kuantum mekaniğinde ne kadar fazla bilgiye sahipseniz, aklınız o kadar karışacaktır.

Son

Bu yazımızda Kuantum konulu yazı serisinin ilkini kuantum mekaniğine giriş olarak ele aldık. Bu yazıda kuantum fiziğinin gelişimini, yapılan çalışmaları, Max Planck’i, Albert Einstein’ı, Neils Bohr’u, Erwin Schrödinger’i ve diğer kuantum mekaniğine katkı yapmış bilim adamaları hakkında bilgi verdik ve daha da vereceğiz. Kuantum mekaniğinin çıkış noktası “Işık tam olarak nedir?” sorusudur. Yapılan çalışmalar ışığın hem dalga gibi hem de parçacık gibi davrandığını ve aynı zamanda elektronun dolayısıyla tüm maddelerinde böyle davranacağının kanısına vardık. Kuantum teorisini size sade bir dille anlattım. Umarım beğenilmiştir. Fizik konuları ilgi çekicidir. Hayatımızın birçok noktasında fizik kuralları ile karşılaşırız. Bu kuralları bilerek yaşamak bakış açımızı değiştirir. Merak etmeyi, düşünmeyi,sorgulamayı eleştirmeyi bırakmayın. Bir sonraki yazılarda görüşmek üzere…

Eğer Kuantum Fiziği Hakkında Bilgi Verdiğimiz Yazımızı Beğendiyseniz, Sosyal Medya Hesaplarınızdan Yazımızı Paylaşarak, Bize Destek Olabilirsiniz.

Kayanakça: CrashCourse

https://letstalkscience.ca/educational-resources/stem-in-context/introduction-quantum-mechanics