Kuantum Fiziğinin Sihirli Dünyası

Sihirbazlar, her zaman insanların ilgisini çekmişlerdir. Çocukluğumuzda sihirbazların yaptıklarının illüzyon olduğunu öğrendiğimiz zaman yaşadığımız hayal kırıklığını çoğumuz hatırlarız. Ancak, yaşadığımız evrendeki küçük parçacıkların davranışını belirleyen bir teori vardır ki, sihirbazların bile zor hayal edebileceği olguları öngörür; bu teori meşhur kuantum teorisidir. Bu yazımızda, kuantum teorisinin ortaya koyduğu ve deneysel olarak gösterilmiş birkaç “sihirli” olguyu, yaşadığımız dünyadan örneklerle aktarmaya çalışacağız.

KAYBOLUP ORTAYA ÇIKAN MİSKET

Sihirbazların yaptığı klasik gösterilerden biri, bir topu ellerinde kaybedip diğer ellerinde ortaya çıkarmaktır. Evet, bu bir el çabukluğudur, ancak buna benzer olgular, kuantum dünyasında hep gerçekleşir. Maddenin en küçük yapı taşları, örneğin elektronlar; kimi zaman dalga, kimi zaman parçacık gibi davranırlar ve bu iki davranış arasındaki geçiş, çok keskin olabilir. Elektronu bir misket gibi düşünün, misketi bir göle atıyorsunuz. Misket suya değer değmez kayboluyor ve gölde etrafa yayılan bir dalga beliriyor. Sonra bu dalga, suyun içindeki bir tahta parçasına çarpıyor ve bir anda bütün gölde dalganın kaybolması ile tahtanın yanında misketin ortaya çıkması bir oluyor. Hiçbir sihirbazın yapamadığı bu illüzyon, mikro dünyada devamlı gerçekleşiyor, hatta şu anda odanızda yayılan ışık, bu şaşırtıcı olayı gerçekleştiriyor. Bu anlattığımız, kuantum teorisinde bolca atıf yapılan meşhur “dalga-parçacık ikilemi”dir.

DUVARIN İÇİNDEN GEÇEN TENİS TOPU

Ünlü sihirbaz David Copperfield, Çin Seddi’nin içinden geçtiği zaman hepimiz büyük bir aldatmaca ile karşı karşıya olduğumuzu biliyorduk. Hiçbir şey duvarın içinden geçemez, değil mi? Karar vermekte acele etmeyin, kuantum dünyasında bu da mümkün. Elektronu bu sefer tenis topu gibi düşünün, topu duvara doğru atalım. Normal şartlarda top, duvara çarpıp geri gelecektir. Ama öyle bir an gelecektir ki, bir bakmışız top geri gelmemiş, duvarın arkasına geçmiş, büyük bir hızla boşlukta uçuyor, duvarda ne bir çatlak ne de bir delik var. Buna ise kuantum fiziğinde “tünelleme” diyoruz. Bu öyle bir “sihirli” olay ki, bu olay gerçekleşmeseydi biz de var olamazdık. Şöyle ki; bize hayat veren Güneş, iki hidrojen atomunun birleşmesi ile ışık ve sıcaklık yayar. Hidrojen atomlarını, tenis topları gibi düşünün, bunlar birbirine çarpıp seker. Ama arada bir, iki tenis topu “kuantum tünellemesi” sonucunda iç içe girer, işte hidrojen atomları bu şekilde helyum atomlarına dönüşür. Sabah odanıza gelip gününüzü aydınlatan o ışık, işte böyle bir sihir gösterisi sonucunda size ulaşır. Cep telefonlarımız ile bilgisayarlarımızın en temel parçaları olan transistörler de “kuantum tünellemesi” sonucunda çalışırlar, çektiğiniz selfiler de bu şekilde depolanır.

360 DERECE DÖNEN EL

David Copperfield, İstanbul’a geldiğinde, elini 360 derece “çevirerek” bütün gazetecileri şaşırtmıştı. Kayıtlar dikkatli incelendiğinde, elini kaldırıp yönünü değiştirdiği fark edilmişti. Peki David Copperfield, illüzyon yöntemlerini kullanarak, elini aynı anda hem saat yönünde hem de saat yönüne ters yönde döndürebilir miydi? Hayal etmeye çalışın. Hayal bile edemediniz değil mi? Elbette yapamazdı. Ancak mikro dünyadaki parçacıklar, bunu büyük bir sıklıkla yapar. Elektronu gene tenis topu gibi düşünün, elektron aynı anda hem saat yönünde hem de saat yönüne ters yönde spin atabilir. Buna kuantum fiziği dilinde “süperpozisyon” diyoruz. Hastaneye gidip MRI cihazına girdiğiniz zaman, bu cihaz, vücudunuzdaki tüm hidrojen atomlarını, aynı bu şekilde, hem saat yönünde hem de ters yönde döndürür. Bunu kullanarak içinizin resmini çizer, vücudunuz böylece bu kuantum durumlarının muhteşem sihir gösterisinin parçası olur. Dahası, MRI cihazına gerek kalmadan da vücudunuzdaki parçacıklar bunu yapmaktadır.

GÜLÜŞÜ KENDİSİNDEN AYRILAN CHESHIRE KEDİSİ

Kuantum teorisine aşina olanlar “Schrödinger’in kedisi”ni duymuştur. Ancak ikinci bir kedi daha vardır; Alice Harikalar Diyarında’daki meşhur “Cheshire kedisi”nin kuantum versiyonu. Alice, Harikalar Diyarı’nda gördüğü en garip şeyin, kendisi kaybolup gülüşünü geride bırakan “Cheshire kedisi” olduğunu söyler. Tahmin edebileceğiniz gibi, bu garipliğin de kuantum fiziğinde yeri vardır. “Kuantum Cheshire kedisi” deneysel olarak yapılabilir, yani bir parçacığın özelliği ondan ayrılabilir. Elektronu yeşil bir elma gibi düşünelim, yeşilliği elmadan koparıp başka tarafa gönderebiliriz. Ya da elektronu çikolata gibi düşünün, tadını bir yere, tadı eksik çikolatanın kendisini başka bir yere göndermek mümkündür. 2014 yılındaki bir deneyde, bir nötronun bir yoldan, nötronun özelliği olan manyetik momentin başka bir yoldan gitmesi sağlandı.

Burada sunduğumuz şaşırtıcı olaylar, kuantum fiziğinin öngördüğü ve deneysel olarak gerçekleşmiş sihirli olguların çok küçük bir kısmı. İllüzyon ile bilim arasında önemli bir fark vardır; illüzyonlar hakkında bilgimiz arttıkça şaşkınlığımız azalır, ama bilim söz konusu olduğunda yeni şeyler öğrendikçe şaşkınlığımız artar. Bundan sonra bir sihir gösterisi izlediğinizde şunu hatırlayın, yaşadığımız evren o sihir gösterisinden çok daha şaşırtıcıdır.