-
kuantum fiziği
kişisel öngörüme göre fizik yasaları, zaman, birimler ve formüller insanoğlu'nun hayatını kolaylaştırmak için götünden uydurduğu bir takım kurallar bütünüdür.bilim dediğimiz olay sadece gözlem yeteneğimiz ve algı kapasitemiz ile ulaşabildiğimiz son nokta olarak tanımlanabilir.
100 sene sonra fizik kuralları değişecektir ama 100 sene sonra hiçbir şey için bu kesindir diyemeyiz.klasik fizik her şeyi formülüze edebilirken, kuantum şu aralıklarda olabilir der,bana göre de doğrusu budur. atom altı parçacıkları hale anlayabilmiş değiliz, gözlem bile yapamıyoruz.gözlem yapmak için yaptığımız her türlü çalışma gözlem yapmak istediğimiz olayın yapısını bozuyor,dolayısı ile gözlem yapmak istediğimiz hiç bir şeyin doğal halini göremiyoruz.
kuantum,klasik fizik çatır çatır işlerken kafası çalışan üç beş bilim adamının ulan bu böle olmaz millete fizik mizik diye yitiyoruz ama birisi ayıkırsa foyamız ortaya çıkar diye piyasaya sürdüğü daha yuvarlak hatlara sahip bir fizik dalıdır.hatta kilise bile fizik biliminden kaçarken kuantum olayına ısınmıştır,çünkü açıklanamayan tanrısal bir takım olaylar vardır.bulmaya çalıştıkları parçacığın adı bile tanrı parçacığı.
insanoğlunun gözlem ve algı teknikleri geliştikçe kurallar baştan yazılacaktır fakat gerçek bilim modern bilimin çok ötesindedir.insanoğlu bir gün mutlaka tanrıyı bulacaktır ama bugün değil...
1 yıl sonra gelen edit :
yazıda anlatılmak istenen aslında fenomenlerin bizi aldattığı, günümüz itibari ile bildiğimiz tüm bilim edinimlerinin bir süre sonra geçerliliğini kaybedecek olması üzerinedir. 1 santimi tüm insanlar bir ölçü birimi olarak tanımlar fakat 1 santimin ne kadar uzunluğa sahip olacağına insan oğlu karar verdi, aynı şekilde anlam yüklediğimiz tüm formül, birim ve terimlerin içini insanoğlu doldurdu.
bilim kesindir, ispat gerektirir fakat bugün ispatlanan bir kuram yarın yeni bilgiler ışığında değişebilir, bilimin ve kuramların güzelliği buradan gelir.
dünya üzerinde ciddi çalışmalar yapan bilim adamları son 5-10 yıldır makalelerinde kesinlik bildiren bir üslup yerine kuramlarının yada tezlerinin yeni bilgiler ışığında değişebileceği öngörerek daha yuvarlak izahat dilleri kullanmaktadır. -
başlığını yeni fark ettiğim fizik dalı. bu konuda bir rehber hazırlanabilir. -
açıklayamadığı şeyleri "şimdilik açıklayamıyoruz, ama gün gelecek zekamız, teknolojimiz gelişecek ve bulacağız" der. şu vakte kadar aynen böyle oldu ve bundan sonra da böyle olacak diyerek desteklerim. -
öncelikle başlık kuantum mekaniği olarak değiştirilmelidir.
1910’ların başında neih bohr’un atomun asıl modelini yarattığında karşılaştığı matematiksel çıkmazın sonucun max born, werner heisenberg ve pascual jordan tarafından yorumlanması ve yeniden dizayn edilmesiyle oluşmaya başlayan, sadece 5-10 yıl içerisinde bilimin gözdesi olmakla kalmayıp aynı zamanda evrene karşı bakış açımızı komple değiştiren fiziğin iki ana kolundan birisidir.
kuantum mekaniği ile ilgili çok şey söylenmesinin yazılıp çizilmesinin nedeni galilei galileo’dan beri (aristo fiziği'de başlangıç alınabilir)büyük cisimler üzerine odaklanmış olmamız ve hareketlerinin temel mantığımızla örtüşmesidir. her ne kadar 17.yy’da isaac newton, leonhard euler, joseph-louis lagrange gibi bilim insanları klasik mekaniği doğru ve temel formuna kavuşturmuş, hatta newton least action principle (en az aksiyon teoremi) gibi günümüz kuantum fiziğininde etrafında var olan (richard p. feynman tarafından uyarlaması doktora tezinde verilmiştir.) inanılmaz kuramları ortaya atsada, insan zihnini kurcalamasının zorluğu ve objelerin davranışlarının göz önüne alınması yüzünden bir müddet sonra kalıplaşmasına ve dayatılma sıkıcılığının yansımasına yol açtı. keza 2008’de odtü ve gazi işbirliğinde geliştirilen lise fizik eğitim müfredatına konulana dek, üniversite’de ikinci sınıf derslerini alana kadar insanların pek haberi olmadığı bir alandı. (aslında yaptıkları müfredat ne kadar sorunluda olsa, modern fiziğin ve rölativite gibi konuların lisede gençlere öğretilip ileriye yönelik düşüncelerinin değiştirilmesini hep takdir etmişimdir)
buraya parantez açmak isterim, klasik fizik bildiğimiz newton, hamilton ve lagrange’ın kuramlarını donattığı fizik, aslında kuantum mekaniği kadar zor ve karmaşık olsada, hem 1800 yıl boyunca elde edilen bilgi ve kültür birikimi hem de bu insanların üstün başarıları sayesinde 12 yaşında ki bir çocuğun evrenin içgüdüsel davranışlarını anlamasını sağlayabilecek kadar kolay öğrenilebilen bir dal. işte sıkıntı burada, 1920’de heisenberg ve bohr atom’un asıl modelini keşfedip, kimyayı yeniden diriltip, evrenin küçüldükçe bilindik ve görüldük boyuttaki mekaniğini kaybettiğini söylediğinde, daha önce hiç kimse böyle bir şey yapmamıştı. kuantum mekaniği, klasik mekanik gibi arkasında yığınlarca deney, tez ve matematik bulunan ve üzerine konulacak temel doğrulara sahip olan bir alan değildi. sıfır noktasından başlanmıştı ve bilinenlerin aksine her şey farklıydı. bu yüzden hem anlatması hem de anlaması çok zordur. çünkü kuantum mekaniği yeni yaratılan bir dil gibidir.
temel ortaya çıkışına geleyim, çoğu kişi paralel evrenler, belirsizlik ilkesi, ışığın dalga-parçacık doğası, tanrı parçacığı gibi kuantum mekaniği ile alakasız şeylerle başlasada iş böyle değildir. kuantum teorisi (aslen kuantum mekaniğin başlangıcı da denebilir) ve ludwing boltzman’ın enerjinin moneküler düzey de sadece kuantize (sadece kesin ve belirli olan sayılar gibi düşünün) olması gerektiğini bulmasıyla başlamıştır.( ultraviolet catastrophe yasasının bir sonucu) bunun anlamı şu moneküler düzeyde her şeyin belirli kalıpları var, bir elektron, en alt düzeyde (ground state) sadece 13,6mev olabilir. aynı seviye de başka bir elektron bulamazsınız. bu mantıklı gelebilir ama biraz düşündüğünüzde birden şunu farkedersiniz, e bu seviye dışında gezenler? evet, bu seviye dışında ki elektronlar da belirli seviyelere ait, belirli kuantize enerjilere sahiptirler ve bu seviyelerin arasında başka bir enerji yok. normal hayatta bu mümkün değil! zaten fizik dünyası ilk şoku burada yaşadı ve açıklayamadı, ta ki max planck’ın varsayımlardan yürüye yürüye kendini tarihe yazdırana kadar.
max planck (-ki kendisi komiktir, dahi bir öğrenci olmasına rağmen hem kariyerinde büyük sorunlar yaşamış, hem de fizikte keşfedilecek bişey kalmadığını düşünüp matematiksel ve deneysel fiziğe yönelmiş bir adamdır) kuantize enerji fikrini bir harmonik yay ( harmonic oscillator olarak geçen temel bir düzenek) gurubunu kullanarak buldu. yaptığı temel varsayım, boltzman’ın bulduğu belirli seviyeler olayından yola çıkarak eğer sistem titreşim yapıyorsa maksimum enerjisi en uzak iki uçta olacak ve frekansı kadar bir enerjiye sahip olmak zorunda. planck bu enerjilerin eğer belirli seviyelerde ise h’ın (planck sabiti) katları şeklinde ilerlemesi gerektiğini düşünmüş.(hv, 2hv, 3hv....) ve kendisinden önce boltzman’ın bulduğu durumu bu titreşimin frekansıne bir üst limit koyarak, enerjiyi de sınırlandırmış oldu. bunu yaparken de tüm sistemi tek bir harmonik yay gibi düşünerek toplam enerjinin hv kadar olabileceğini düşündü. eğer bir harmonik yay 2hv kadar enerji yayıyorsa, bu sefer de frekansının e/2h kadar olması gerekiyordu. biliyorum okunduğunda yavan geliyor ama planck’ın bu varsayımı kendisi tarafında matematiksel olarak müthiş bir şekilde ispatlanmakla kalmadı, boltzman’ın deneyinden bulduğu yasayla örtüşüp, o yasanın da eksiklerini giderdi ve 1905 yılında (einstein’ın altın çağı) albert einstein tarafından fotoelektrik efekt için kullanılarak bir kez daha ispatlandı.(planck’da iki sene sonra nobel aldı.) ama büyük bir soruna yol açtı, mikroevren’de istediğiniz gibi hareket edemiyordunuz.
bunu 1910’larda niels bohr’un(einstein ile atışmalarını kesin okuyun, bohr farklı bir zihin yapısına sahip ve inanılmaz dehalar arasında çok flaş buluşları olmasa da, bu gelişmelere kendi enstitüsünde hem imkan hem de müthiş bir rehberlik sağlayan kişi) hidrojen atomunda ki elektronları tam da planck’ın söylediği enerji seviyelerinde gözlemlemesi takip etti. fakat asıl olay, 1920lerin ortasında niels bohr’un atom modeliyle(bohr atom modeli) patlak verdi. bohr hidrojen atomunu hem matematiksel hem de fiziksel olarak incelediğinde atom sahip olduğu toplam momentumun, takip ettiği patikaya (yani aldığı yola) eşit olamacayacağını söyledi. (aslında müthiş şeyler keşfettiler ama bu bir eksik gibi kaldı) bu şu demek tamamen sallıyorum elektron birinci yörünge için 1m lik bir çember etrafında dolanmalı, fakat toplam momentumu atomun o enerjide 1.2m lik çembersel bir tur atması gerektiğini söylüyor. yani elektron kendi hareketine uygun bir enerjiye sahip olamıyor. bu sadece ilk adım asıl görünen yüzü, arka planda işi tamamen değiştiren ve göz ardı edilen bir denek ve çalışma da var, bir şeyler kesin seviyelere sahip olmak zorundayken, parçacık kendi verilerine uygun hareket edemiyordu. zaten kuantum mekaniği terimini bir parça da bu şekilde elde ettiler, parçacıkların mekaniği, teoriyle örtüşmüyordu bu yüzden bu soru 1925’e kadar ortada kaldı, hatta einstein tarafında bi çok kez tanrıya bağlandı vs vs.
çözümü bulan altın üçlü ilk başta bahsettiğim born, heisenberg ve jordan üçlüsünün en yaşlısı heisenberg tarafından geldi. kendisi bir tür matris mekaniği (kompleks işlemler ve çevirilen için ideal teknik) geliştirdi ve bunu klasik fiziğin artık işlememeye başladığı alanlar için kullandı. heisenberg zaten elektronların kesin yörüngelerde olmadığını hidrojen atomunu belirli seviyelerde uyayarak farketmişti, kesin çizgilerin yerine hep belirli alanlarda elektron hareketi gözlemledi. bunun üzerine zaten uyguladığı matris’e zaman değişkenini ekledi (fourier transformasyonu diye’de geçer, üniversitede öğrencilerin en çok kaçırdığı konu) ve bunun sonucunda hem pozisyonun hemde momentumun aralığının çarpımının planck sabitinin iki pi kadarından büyük olması gerektiğini buldu. (uncertainity principle) bunu ilk başta anlamlandıramasa da o sene içerisinde ki gözlemlerinde bunu doğruladı, daha sonra bunu matematiksel olarak ispatlayabildi.(bu bi kaç defa soruldu ölçmeyi nası matematiksel ispatlıyoruz diye, ingilizce’de cannonical commutation olarak geçen bir prensip sayesinde ispatlayabiliyoruz, aynı zaman da bu bir parçacığın kuantum mekaniğinde var olduğunu anlamak içinde kullanılabiliyor.) heisenberg’in bulduğu şeyin anlamı tam olarak şudur, her hangi bir mikro parçacığın momentumu sadece belirli bir aralıkta ölçebilirsiniz. yani bir parçacık için asla burada diyemezsiniz, sadece bu arada bir yerde diyebilirsiniz. keza enerji için de geçerli (heisenberg tarafından değil max born tarafından geliştirilen denklemi), her hangi kesin bir zamanda parçacık belirli bir enerji aralığına sahiptir.
artık alfabe hazırdı, sıra kelimeleri oluşturmaya gelmişti.
hemen toparlayayım biraz fazla uzatmışım, bundan sonra herşey çorap söküğüne döndü. önce bu üçlü jordan’ın müthiş matematiği ve max born’un deliliği sayesinde bu matris mekaniğini alıp kuantum mekaniği olarak gelişmiş formatta yayımladı. artık kelimeler de hazırdı, bundan sonrası sanattı.
tüm bu olan bitenin solvay kongrelerinde daha ilk kez tartışılmasının hemen ardından, hayatta en çok tanınan fizikçilerden erwin schrödinger ışığın dalga-parçacık davranışından, dalga kısmını ayırıp bunu parçacığa çevirdi ve parçacığın dalga denklemi gibi ilk duyduğunuzda ne alaka dedirdecek denklemiyle ortaya çıktı.( herkese tavsiyem schrödinger ve onun notları, dersleri gibi şeylerinden yüksek lisans düzeyine gelmediğiniz sürece uzak durun) schrödinger bu üçlünün çalışması yerine gözlemlere dayanarak parçacığın aslında dalga formatında (relativiteyi hesaba katmayan bir formatta bulması ilk başta sıkıntı yarattı aslında) hareket ettiğini ve bu hareketin içerinin nasıl olması gerektiğini bir satır ve 4 bileşene ayırdı. zaten bundan sonra yapılması gereken tek bir olay kaldı. parçacığın hareketinin relativiteye uyarlaması gerekiyordu ki bunuda 1920’lerin sonunda nobeli kucağına atacak şekilde paul dirac gibi deli-dahi arasında kalmış bir fizikçi yaptı.(schrödinger için ne dediysem dirac için tam tersi geçerlidir.) dirac 1926’da einstein’ın görecelik kanunlarını alıp yüksek hızlarda gerçekleşen tepkimeler ve hareketler için mikroevrene uyarladı ve schrödinger’in eksiği de çözülmüş oldu.
aslında yazılması gereken 100 yıla yakın bir gelişme var ama 1930’a girildiğinde kuantum teorisi, kuantum mekaniği olarak değiştirilmiş ve şu an ki dilin temelleri çoktan atılmıştı. artık o dilin yarattığı sanatın şokunu atlatıp yeni çalışmalar üretmeye odaklanmış bir bilim dünyası var. ve kuantum mekaniğini temelde anlamak istiyorsanız şu güzel bir ip ucu verebilir. artık bişey aradığımızda onun ne olduğunu sormuyoruz, hangi enerjiye baktığımızı soruyoruz. -
fizik tarihinin en basarili teorilerinden biri, belki de en basarili olanidir. -
bu teoriye göre madde yani atom aslında gözlemciye göre şekillenir..maddenin yapı taşı atom bir eğilimdir..aslında bilinçli bir gözlemci yoksa evren yoktur..hızını bildiğin bir elektronun konumunu, konumunu bildiğin bir elektronun hızını bilmen mümkün değildir..gözlem yapmadan önce elektron bütün olasılıkları barındıran süper pozisyondadır..gözlemlediğin anda tek bir pozisyona alır ve diğer dalga boylarını çökertirsin.. -
fizik bilgisi mühendislik 1. sınıfta gösterilen temel fizik derslerinden ibaret olan bir insanın kendisini anlamaya ve üzerinde çalışmaya nereden başlayabileceğini merak ettiğim fizik dalı. -
fizik doğadan aldığımız ampirik bilgiler üzerine kurulu matematiksel bir yapıdır. bu ampirik bilgiler bizim postülatlarımızı (temel varsayımlar) oluşturmamıza yardımcı olur. doğru postülatların neler olduğunu hiçbir zaman bilemeyebiliriz ancak ne olmadıklarını deney yardımıyla gösterebiliriz. newton'ın postülatlarından biri, üzerine kuvvet etki etmeyen bir cisim duruyorsa durmaya, hareket ediyorsa aynı çizgi üzerinde sabit hızla hareket etmeye devam eder der. bu bilgi bize ilköğretim, lise çağlarında verildiğinde pek sorgulamayız çünkü o zamana kadar etrafımızdaki cisimler gerçekten de buna uygun şekilde hareket etmiştir. benzeri şekilde ivmenin kuvvetle doğru, kütleyle ters orantılı olduğu (f=ma) aklımıza yatar çünkü yaşamımız boyunca ağır cisimleri daha zor hızlandırmışızdır. ancak einstein bunun doğru olmadığını; kuvvet, momentum, enerji gibi kavramların arasındaki ilişkilerin sandığımızdan daha karmaşık olduğunu göstermiştir. postülatlar evreni matematiksel olarak modellememizi sağlayan ampirik çıkış noktalarıdır ve değişime tabidir.
pek çoğumuzun thomas young'ın çift yarık deneyi üzerinden tanıdığı kauntum mekaniği ise newton mekaniğinin aksine sezgilerimize aykırıdır, çünkü sezgilerimiz çevremiz tarafından şekillenmiştir ve kuantum mekaniğinin etkileri bizim makro dünyamızda gözlenemez. ancak evrende klasik mekaniğin postülatları ve deterministik yapısı ile açıklanamayan fiziksel fenomenler mevcuttur (ışığın dalga davranışı vb.), kuantum mekaniği de bunları açıklar. açıklar burada doğru bir kelime değil aslında. nasıl klasik mekanik iki kütlenin birbirini neden çektiğini açıklamıyor hangi kurallar altında çektiğini ifade etmeye çalışıyorsa kuantum mekaniği de benzer şekilde olayların neden olduğunu açıklamaz onları matematiksel bir modele oturtmaya uğraşır. nasıl newton'ın postülatlarının bize anlatılması üzerine, neden ivme kuvvet ile doğru orantılı diye sormadıysak aynı şekilde birazdan bahsedeceğim kuantum mekaniği postülatlarına da sormamalıyız. burada neden sorusunu değersizleştirmiyor ya da anlamsız olduğunu iddia etmiyorum, aksine çok önemli buluyorum. ancak bugün itibariyle bu sorular fiziğin değil felsefenin, metafiziğin sorularıdır.
yukarıdaki iki paragrafın olgulardan oluşuyormuş gibi yazılmış olmasına bakmayın, birtakım olgular içerdiği gibi bir kısmı da şahsi kanaatimdir ve tartışmaya son derece açıktır. yazının buradan sonrası için ise giriş seviyesi lineer cebir bilgisi gerekmektedir ve bilgilerin büyük kısmı tekin dereli'nin kuantum mekaniği kitabına dayanmaktadır. en azından vektör uzayı, lineer işlemci, özdurum (eigenstate), özdeğer (eigenvalue), baz (basis) kavramlarının bilinmesi yazının kalanının anlaşılması açısından önemli. istek olursa bu giriyi düzenleyerek bunları da elimden geldiğince açıklayabilirim.
kuantum mekaniğinin bazı postülatları şu şekildedir:
-iyi tanımlanmış (well-defined) her fiziksel gözlemlenebilire karşılık gelen bir lineer hermite-sel (hermitian) işlemci vardır.
-bir gözlemlenebilirin kesin ölçümünün sonucu, o gözlemlenebilire karşılık gelen işlemcinin özdeğerlerinden biri olabilir.
yani mesela bir kuantum sistemin enerjisini ölçmek istiyorsunuz. enerji fiziksel bir gözlemlenebilir olduğundan ona karşılık gelen bir işlemci vardır, enerji işlemcisinin özel adı hamilton işlemcisidir. sisteminizin durumu bir durum vektörü (state vector) ile tarif edilir. eğer bu durum vektörü bir özdurumsa, kesin bir ölçüm yaptığınızda ölçeceğiniz değer kesinlikle hamilton işlemcisinin bu özduruma karşılık gelen özdeğeridir. fakat sisteminizin durum vektörü bir özdurum vektörü olmak zorunda değildir. işte kuantumun çok bilinen olasılıksal, indeterministik yapısı da burada ortaya çıkıyor. sisteminiz bir özdurumda olmasa bile, işlemciniz lineer hermite-sel bir işlemci olduğundan özdurum vektörleri ortonormaldir (orthonormal) ve herhangi bir durum vektörünüz de bu özdurum vektörlerinin gerdiği (span) vektör uzayının bir elemanıdır. bu yüzden her durum vektörü özdurum vektörlerinin bir lineer kombinasyonu olarak ifade edilebilir. işte böyle bir durum için kesin bir ölçüm yapıldığında elde edilecek değer yine ancak işlemcinin özdeğerlerinden birine eşit olabilir. fakat bir özdeğerin ölçülme ihtimali, ona karşılık gelen özdurumun lineer kombinasyon katsayısının mutlak değerinin karesine eşittir. -
yasal uyarı: bu yorum bu konuda çok çok az okumuş, alanı da fizik olmayan biri olarak sadece yazmanın beni okumaya teşvik ettiğini fark etmiş olduğum için yazılmıştır.
öncelikle kuantum teorisinin hatalı olduğunu söyleyecek kadar salak veya ukala olmadığımı belirteyim. ama bu teorinin sonuçlarını yorumlarken yolunda gitmeyen bir şeyler olduğunu düşünüyorum. öyle düşünmek zorundayım çünkü teori tamamen bilimin temeli olan
nedensellik ilkesine aykırı görünüyor bana. bilim doğal dillerle yapılmaz, bilim deney gözlemle yapılır. matematikle ifade edilir. ama doğal dillerle anlaşılır. fizikçi olmayan bir meraklı olarak benim üzerinde durmak istediğim de bu. teoriyi anlamak. denklemleri çok iyi bilmek mutlaka yardımcı olacaktır ama bana göre kuantum denklerimini tamamen anlamış bir insanın kuantum teorisini anlamış olduğu söylenemez. bunu söyleyen tabii ki sadece ben değilim. inanılmaz bir adam olduğunu düşündüğüm ve daha çok araştırmaya can attığım, teorinin de kurucularından olan niels bohr bu doğrultuda birçok şey söylemiş aslında. türkçe'ye çevirmeyeceğim.ingilizce öğrenin.^:swh^
"there is no quantum world. there is only an abstract quantum physical description.
it is wrong to think that the task of physics is to find out how nature is.
physics concerns what we can say about nature."
"when it comes to atoms, language can be used only as in poetry.
the poet, too, is not nearly so concerned with describing facts as with creating images."
"if quantum mechanics hasn't profoundly shocked you, you haven't understood it yet."
"what is that we human beings ultimately depend on? we depend on our words. we are suspended in language. our task is to communicate experience and ideas to others. "
ve tabii konu determinizme gelince:"einstein, stop telling the god to do!"
şöyle bir beş dakika bakınca karşıma ilk çıkan sözler. inanılmaz bir adam. -
kuantum ile göreliliği birleştirme çabaları şu ana kadar fazla başarılı olamadı. bunun sebebi iki teorinin yaklaşımının uzak uçlarda yer almasıdır. görelilik büyüğe büyükten yaklaşarak kesin sonuçlara odaklanır. kuantum ise küçüğe büyükten yaklaşır ve atom altı parçacıkların genel istatistiki özelliklerine göre maddenin genel karakterini tahmin eder.
benim aklıma bir fikir geldi birleştirme konusunda. şöyle açıklayım. büyüğün büyüğü olan galaksilerden büyük dediğimimiz kendi ölçeklerimize aynı yöntemle inebiliriz. yani mega büyükten normal büyüğe aynen kuantumda küçüğe büyükten iner gibi inip istatistiksel formüller çıkarabiliriz gibi geliyor. ama bunu birileri muhakkak düşünmüştür.