KUANTUM DÜNYASINDA RASTGELELİK VE KLASİK DÜNYA

 

 Kuantum dünyasında,ki bu dünya genelde küçükler dünyasıdır,çılgınca şeyler olabilmektedir.Bu dünyadaki olaylar olasılıksaldır,ayrıca gözlenmedikçe bir parçacık mümkün olan her yoldan gider.Işık hızını aşan,hatta zamanda geriye giden sanal parçacıklar vardır ve kuvvetlerin iletiminden bu parçacıklar sorumludur.Nedensellik bizim sağduyumuza uygun olanınden farklı işler.Nedeni olmayan deterministik olmayan olaylar sözkonusudur.Vuku bulan olaylar,parçacıkların hareketi olasılıksal ve son derece keyfi olup,bunlar rastlantısal görünür.Makroskobik düzeyde,yani bizim günlük hayatımızdaki dünyada ise bu kuantum dünyasındaki olayların yığınsal etkisini,toplam etkisini klasik fiziksel olaylar olarak görmekteyiz.Parçacıkların belirli ve tek bir yörüngesi vardır bu düzeyde ve olaylar deterministik görünür.Klasik düzey düzgün ve anlaşılabilir bir düzeydir.Ancak bizim klasik düzey dediğimiz dünya kuantum dünyasındaki ölçüm sonucu dalgafonksiyonlarının çöküşünden ve kuantum etkilerinin üstüste yığılıp makroskobik düzeye yükseltilmesinden meydana gelir.Biz de klasik düzeye yükselen bu olayları deterministik,belirli,nedensel görürüz.Yaşadığımız günlük hayatın dünyasının altında rastgelesel görünen,çılgın bir dünya vardır.Bence bu rastgele görünen olaylar ilahi irade kapsamında ortaya çıkmaktadır.Çünkü bu olaylar ne kadar rastgele görünürse görünsün ortaya bir miktar bilgi ortaya çıkmakta yani seçim yapılmaktadır.Dolayısıyla bu olaylar başıboş değildir.Aslında işin daha tuhaf tarafı bu çılgın dünyadan yaşadığımız nedensel,deterministik görünen,bize normal gelen klasik dünyanın oluşması,oluşturulmasıdır.Bu da etrafımızda görünen dünyanın ve yaşamın ortaya çıkmasına,çıkarılmasına olanak sağlamıştır.

KUANTUM MEKANİĞİNDE GERÇEKLİK

https://bilimfili.com/gercekligin-olculmeden-once-varolmadigi-deneysel-olarak-kanitlandi

 Wheeler'in öngördüğü gecikmeli seçim deneyi daha önce fotonlarla yapılmıştı.Sözkonusu deneyler fotonun dalga veya parçacık davranışlarından birini seçmesi gerektiği aşamadan sonra dalga veya parçacık davranışını ölçecek sistemin oluşturulması esasına dayanır.Burada da deney süper soğutulmuş atomlarla yapılmış.Demet ayırıcı,aynalar,yarı geçirgen aynalar yerine lazer ışınları kullanılmış...Önce atom tek bir yol izleyecek şekilde lazer ışınlarının arasından geçmiş...Ondan sonra atomun farklı yolları aynı anda geçmiş olup girişim oluşturabileceği şekilde konumlandırılmış lazer ışınlarının arasından geçmiş.Tabii ki bu,tesbit edilebilen bir süre zarfında olduğundan,ikinci lazer ışınları konumlandırılırken atomun çoktan davranışını belirlemiş olması gerekiyordu,klasik olarak.İkinci lazer ışınları konumlandırıldığında atom dalga davranışı göstererek izlediği farklı yollar girişim deseni oluşturmuş.İkinci lazer ışını olmadığında girişim olmamış.Yani burada parçacık veya girişime uğramış dalga oluşturması durumu sonradan belirlenmiş.Yani yine bir dalgafonksiyonu var ve girişim gösterip göstermeyeceği sonradan belirleniyor.Bir nevi gelecek geçmişi etkiliyor ama bu yolla geçmişe bilgi gönderilemez.Ben dalgafonksiyonunun gerçek olduğunu düşündüğümden dolayı,ortada gerçekliğin yokluğu yok.Makalenin başlığını o yüzden beğenmedim.Fiziksel gerçeklik yok oluyor diyebiliriz ama neyin fiziksel olduğu ayrı bir tartışma konusu.Bence zamanla evrilen matematiksel bir sistem fizikseldir,dalgafonksiyonu da buna dahildir...Sadece çökme gerçekleştiğinde fiziksel gerçeklik oluşmaz.Fiziksel gerçeklik tanımını genişletmemiz gerekir.Görüldüğü gibi Kuantum Mekaniği "gerçeklik","fiziksel" gibi kavramları da tartışmaya açıyor.Bence çok güzel bir deney...

                                        Fotonlarla yapılan Gecikmeli Seçim Deneyi
 

 a) fotonlarla yapılan deney, b) atomlarla yapılan deney. Burada en alttaki lazer ışınları  yazıda bahsedilen ikinci lazer ışınları.

 

PAULİ DIŞLAMA İLKESİ VE HAYATIMIZDAKİ YERİ

 

 Doğadaki parçacıkları iki gruba ayırmak mümkündür;fermiyonlar ve bozonlar.Fermiyonlar maddeyi oluşturan parçacıklardır (elektron,quark gibi) ve ½,3/2 gibi buçuklu spinlere sahiptirler.Bozonlar (foton,graviton gibi) kuvvetlerin iletiminden sorumlu olup 0,1,2 gibi tamsayı spinlere sahip parçacıklardır.Spin dönme anlamına gelse de buradaki  anlamı günlük hayatımızdan bildiğimiz bir dönme değildir.Örneğin spini 1 olan bir parçacığı kendi çevresinde 1 tam tur döndürdüğümüzde dalgafonksiyonu aynı kalır.Spini ½ olan bir parçacığı kendi etrafında 1 tam tur döndürdüğümüzde ise dalgafonksiyonu öncekinin negatifi olur,dolayısıyla parçacığı 2 tam tur döndürdüğümüzde dalgafonksiyonu aynı kalır.

 Kuantum dünyasında parçacıkların bir özelliği de ayırt edilemez olmalarıdır.Günlük hayatta örneğin “kedi” cins bir isimdir ve kedi sınıfına giren tüm şeyleri kapsar.Fakat iki kedinin birbirinin tıpatıp aynı olamayacağı aşikardır.Temel parçacıklarda ise durum değişir,mesela elektron fabrikasından çıkmış iki elektron birbirinin aynısı olabilir.Çünkü elektron kediye nazaran üzerinde çok az bilgi barındırır ve bu da doğada elektronların ayırt edilemez olabilmesine neden olur.

 İki parçacıklı bir sistem düşünelim.Bu sistemin dalgafonksiyonu  Ψ (x1,x2,t) dir.Dalgafonksiyonunun karesi parçacıkları t anında x1 ve x2 konumlarında bulma olasılığını verecektir.Şimdi birinci parçacık ile ikinci parçacığın yerlerini değiştirdiğimizi düşünelim.Yeni sistemin dalgafonksiyonu  Ψ (x2,x1,t) dir.Yani  birinci parçacık x2 konumunda,ikinci parçacık ise x1 konumunda olacaktır.Bu aynı zamanda sistemi 180 derece döndürmeye denktir.Peki bu ikinci sistem birinci sistemle aynı mı olacaktır?Temel parçacıkların ayırt edilemez olduğunu bildiğimizden ikinci sistemin birincisinden tamamen farklı olmayacağını da öngörebiliriz.Parçacıkların yer değiştirmesi özelliği doğanın temel bir simetrisidir.Doğa ayırt edilemez parçacıklar arasında bir ayırım gözetmemekte hepsine aynı muameleyi yapmaktadır.Dalgafonksiyonunun bu yer değiştirme simetrisi fizik yasalarının değişmezliğini sağlar.Kuantum mekaniksel olarak bu durum değişikliği gerçekleştirdikten sonra elde edeceğimiz olasılık değerinin orijinal değerle aynı olması anlamına gelmektedir.

 | Ψ (x1,x2,t)|^2=| Ψ (x2,x1,t)| ^2  Bu şart,değişikliğin dalgafonksiyonu üzerindeki etkisi için iki matematiksel çözümün olası olduğunu bildirmektedir.                                                                              Ψ (x1,x2,t)= Ψ (x2,x1,t)  veya  Ψ (x1,x2,t)=- Ψ (x2,x1,t)

 Değiştirilmiş olan dalgafonksiyonu ya simetrik olarak orijinalin +1 katıdır,ya da antisimetrik olarak orijinalin -1 katıdır.Prensipte her iki durum da mümkündür,çünkü biz yalnızca dalgafonksiyonlarının karesi olan olasılıkları ölçebiliriz.

 Bozonlardan bahsettiğimiz zaman dalgafonksiyonunda iki parçacığı yerdeğiştirdiğimiz zaman + işaretini elde edeceğiz,yani dalgafonksiyonu değişmeyecektir.Eş bozonların yer değiştirme simetrisi:                                   Ψ (x1,x2,t)= Ψ (x2,x1,t)  x1 ile x2 nin aynı nokta olduğunu farzedersek yani x1=x2=x dersek,              

Ψ (x,x,t) sıfırdan farklı bir değer alabilir.Yani iki eş bozon uzayda aynı noktada bulunabilir.Aslında,büyük bir dalgafonksiyonu tarafından tanımlanan ve aynı uzay bölgesine konumlanmış bir çok bozon için,bu bozonların sistemdeki en olası yerleri birbirleri üzerine yığılmalarıdır.Bu sayede fotonlar birbiri içerisinden geçebilmekte ve bildiğimiz optik kuralları oluşmaktadır.Bir sistemde bir atom ışıma yaparsa aynı sistemdeki diğer atomların da ışıma yapması daha olanaklı hale gelecek (çünkü bozonlar aynı kuantum durumunda bulunmayı severler) ve bu şekilde bu etki çığ gibi büyüyecektir.Bu da laserleri mümkün kılar.Bir lazer ışını aynı momentumda ışık ışınlarından oluşur ve bu sayede normal ışıktan daha güçlü ve daha yönlendirilebilirdir.Laser ışınları varlığını bozonların bu özelliğine borçludur.

 Eğer bir kuantum durumunda iki fermiyonu yer değiştirirsek elde edeceğimiz dalgafonksiyonunun önüne bir eksi işareti koymamız gerekecektir: Ψ (x1,x2,t)= -Ψ (x2,x1,t) .                                         x1=x2=x olduğunda yani x1 ile x2 aynı konum olduğunda;                                                                      Ψ (x,x,t)=- Ψ (x,x,t) olacaktır.Negatifine eşit tek sayı sıfır olduğundan 

 Ψ (x,x,t)=0 olur.Bu da demek oluyor ki tüm kuantum mekaniksel özellikleri aynı olan iki fermiyonun uzayda aynı noktada bulunma olasılıkları sıfırdır,yani bu iki fermiyon uzayda aynı noktayı işgal edemez.Daha genel olarak eş iki fermiyon aynı momentum durumunda da bulunamaz.Bu durum Pauli Dışlama Etkisi olarak adlandırılır.Bunun sonucunda fermiyonlar antisosyal parçacıklar olarak davranırlar.Sözgelimi aynı kuantum durumunda bulunan elektronlar sıkışmaya karşı bir direnç gösterirler,çünkü aynı yerde bulunmayı istemezler.

 Aslında bu durum bizim için oldukça iyidir,elektronların birbiri üzerine gelmeye gösterdikleri bu direnç birbirine yaklaştırılan iki katı cismin birbiri içerisine geçmemesini sağlarlar.Biz elimizle masanın üzerine bastırdığımızda elimizin atomlarının masanın atomlarının içerisine geçmemesini sağlayan pauli dışlama etkisidir.Yine aynı etki sayesinde yerçekimi etkisiyle yerin içine geçmeden yaşayabilmekteyiz.

 Bu ilke atomların çeşitliliğini de sağlamaktadır.Şöyle ki spini ½ olan bir fermiyon olan elektron  için iki spin durumu vardır,bunlara spin yukarı ve spin aşağı diyebiliriz,yukarı ve aşağı uzayda seçilmiş rastgele zıt yönleri ifade eder.Bir helyum atomunda en düşük enerji seviyesine iki elektron sığdırabiliriz.İki elektronu da aynı enerji seviyesine yerleştirebilmemiz için iki elektronun tüm kuantum mekaniksel özelliklerinin aynı olmaması gerekir.Bu yüzden spinleri yukarı ve aşağı olacak şekilde ters olan iki elektron aynı en düşük enerji seviyesine yerleşebilir.Ne var ki buraya üçüncü bir elektron yerleştiremeyiz,çünkü gelecek olan elektronun spini ya yukarı ya da aşağı olacaktır ve bu iki spin durumu da daha önce orada olan iki elektron tarafından işgal edilmiştir.Bu nedenle periyodik cetveldeki bir sonraki element olan lityumda üçüncü elektron yeni bir yörüngeye geçmek zorunda kalır.Bu dıştaki elektron hidrojende bulunan tek elektron gibi davranır,bu nedenle hidrojen ve lityumun kimyasal özellikleri benzerdir.Bunun gibi periyodik cetveldeki diğer elementler de elektronların zıt spinli olarak ikişer ikişer aynı enerji seviyelerine yerleşmesiyle oluşmaktadır. Eğer elektronlar fermiyon olmasaydı ve bu şekilde davranmasalardı,atomdaki bütün elektronlar süratle temel seviyeye doğru çökecek ve bütün atomlar hidrojen gazı gibi davranacaklardı.Organik moleküllerin zarif kimyası imkansız hale gelecekti.

 Atom çekirdeği proton ve nötronlardan oluşuyor.Fakat nötron çekirdekten çıkarıldığı zaman beta bozunmasıyla bir proton,bir elektron ve bir elektron antinötrinosuna dönüşüyor.Nötronun çekirdek içinde kararlı olmasının sebebi bozununca bir proton ortaya çıkaracak olması ancak çekirdekte oluşacak protonun geleceği yerlerin zaten proton dolu olması.Çekirdekte proton seviyeleri ve de nötron seviyeleri var.Yani pauli dışlama ilkesinin sonucunda nötron çekirdekte bozunmadan kalabiliyor.Bunu şöyle de ifade edebiliriz bir benzetme olarak,mesela şehirdeki tüm mezarlıklar dolu,o yüzden insanlar ölemiyor gibi bir şey.

 Ünlü Avusturyalı-İsviçreli teorisyen Wolfgang Pauli kendi bulduğu spin ½ parçacıklarla ilgili dışlama ilkesinin fizik yasalarının dönme ve Lorentz simetrilerinden ileri geldiğini ispatlamıştır.Eğer parçacıklar spini tamsayı ve buçuklu sayı olarak iki gruba ayrılmasalardı ve eş parçacıkların yerdeğiştirme simetrisi matematiksel olarak kuantum dalgafonksiyonunun +1 katını ve -1 katını vermeseydi katı maddeler birbirinin içinden geçecek,nötronlar çekirdek içinde bozunacak,atomlar tek tip olarak hidrojen atomu gibi davranacaklardı.Bozonlar fermiyonlar gibi antisosyal davransalardı ışık ışınları birbiri içinden geçemeyecek,bildiğimiz optik oluşmayacak ve laserler imkansız hale gelecekti.Bu da yaşama olanak veren bildiğimiz Dünyanın oluşmaması demek olacaktı.Rastgele oluşmuş bir sistemden böyle bir düzenin çıkmayacağı çok açık.Evrende doğa sabitlerini içeren niceliksel bir ince ayar olduğu gibi,Evren yasalarının hayatı var edecek şekilde akıllıca düzenlenmiş olması şeklinde de niteliksel bir ince ayar/ince yaratılış var görünmektedir.

NESNELERİ ETKİLEŞTİRMEDEN DOLANIKLIK

 

 Dolanıklık Kuantum Mekaniğinin ilginç özelliklerinden biridir.İki ayrı nesne aralarındaki uzaklık ne olursa olsun birbiriyle bağlantılı davranırlar.Birinde yapılan bir ölçüm diğerini de anında etkiler ve birinde ölçüm sonucu dalgafonksiyonu nasıl çöktüyse diğerinde de benzer şekilde çöker.Genellikle iki kuantum nesnesini dolanık hale getirmek için nesneleri bir araya getirip aralarında bir temas sağlanması gerekir.Nesneler bir araya getirilip ayrıldığında artık dolanık hale gelmişlerdir ve birinde yapılan ölçümün sonucu diğeriyle bağlantılıdır.

 Peki nesneleri bir araya getirmeden uzak mesafeden kuantum dolanıklık oluşturmak mümkün müdür?Kuantum Mekaniği buna izin veriyor.Şekildeki iki kırmızı daire kuantum dolanıklık ilintisi oluşturulacak iki ayrı nesne olsun.Bu nesneleri hiç bir şekilde bir araya getirip temas ettirmiyoruz.Kuantum Silme denilen bir kavram sayesinde bu iki nesneyi dolanık hale getirebiliriz.Şöyle ki,bu nesnelerden biri bir foton yaysın ve bunun sonucunda nesnenin iç özelliklerinden biri değişsin.Mesela kırmızı iken mavi olsun,ya da bunun gibi bir şey.Aynı şekilde diğer nesne de bir foton yaysın ve iç özelliklerinden biri değişsin.Mesela kırmızıyken yeşil olsun.Sonra bu fotonları şekilde sağ taraftaki yarı yansıtıcı ayna üzerine gönderelim ve arkasındaki ekrana ulaşan fotonları gözlemleyelim.Ekranda üst kısma gelen fotonu gözleyelim.Eğer fotonun yolu üzerinde yarı yansıtıcı ayna olmasaydı fotonun hangi nesneden geldiğini bilebilirdik.Aynı şekilde ekranda alt kısma gelen fotonu da gözlediğimizde hangi nesneden geldiğini bilebilirdik.Ancak yarı yansıtıcı aynayı fotonların yolu üzerine koyduğumuzda üst kısma gelen fotonu gözlediğimizde foton alttaki nesneden doğrudan gelebileceği gibi üstteki nesneden yarı yansıtıcı aynadan yansıyarak da gelmiş olabilir.Dolayısıyla fotonun hangi nesneden geldiği bilgisine erişemeyiz.Aynı şekilde ekranın alt kısmına gelen fotonu da gözlediğimizde üstteki nesneden doğrudan gelen bir fotonu da gözleyebiliriz,alttaki nesneden yayılıp yarı yansıtıcı aynadan yansıyan bir fotonu da aynı şekilde gözleyebiliriz.Fotonun hangi nesneden geldiğini bilemeyiz.Bu olguya kuantum silme denilir.Bu şekilde fotonun gözlenip de hangi nesneden geldiği ayırdedilmediği zaman kuantum mekaniği iki nesneyi tek bir durum olarak verir.Dolayısıyla iki nesne kuantum dolanıklığa girer.Yapmamız gereken tek şey nesnelerden yayılan fotonları ölçmek ve bununla beraber fotonların hangi nesnelerden geldiği bilgisine sahip olmamak.Bu şekilde bu iki nesneyi bir araya getirmeden,temas ettirmeden,etkileştirmeden anında kuantum dolanıklığa sokmak mümkündür.

 

     Yapılan işlem sonucu iki nesne tek bir kuantum durumuyla temsil edilir,yani dolanıklığa girer.