Atomlar Hakkında Bilmek İsteyeceklerimizin Tamamını Neden Hiçbir Zaman Bilemeyeceğiz ve Neden Bu Gerçek Atomları Olası Kılıyor
Kuantum topraklarının içlerine doğru ilerledikçe, yolcularımız birçok ilginç olaya daha tanık oldu. Bunlardan biri de, küçük kütleleri yüzünden nerede oldukları zar zor belirlenebilen kuantum sivrisinekleriydi.
George Gamow
Aklını kaçırmış olmalıydı. Gıcır gıcır Ferrari’sini daha az önce garajına park etmişti. Hatta garaj kapısı otomatik olarak kapanırken önünde bir süre dikilmiş, duyduğu gurur ve keyfi son anına dek yaşamak istemişti. Ardından çakıllı yoldan evine doğru yürürken birdenbire rüzgar çıktı ve zemin hafif şekilde sarsıldı. İstemdışı olarak, gerisingeri garaj yoluna doğru yürüdü. Ferrari ‘si kapalı olan garaj kapısının önündeydi! Bu türden Houdini tarzı kaçış olayları elbette ki gündelik hayatımızda görülmez. Öte taraftan ultra-küçük parçacıkların dünyasında, bu olaylar sürekli vuku bulan şeylerdir.
Bir an için, bir atomu mikroskobik bir hücrenin içine kilitlersiniz ve bir an sonra, kelepçelerini kırıp atarak sessizce gecenin içine doğru süzülmüş bir atomunuz olur. Kaçmanın olanaksız olduğu hücrelerden bu mucize kabilinden kaçma becerisi, mikroskobik parçacıkların, dalgaların yaptığı her şeyi yapabilmesine imkan tanıyan dalgasal yüzüyle bağlantılıdır. Ve dalgaların yapabildiği şeylerden biri de, geçilemez görünen engelleri aşıp geçmektir.
Bu, apaçık şekilde ortada olan ya da herkes tarafından bilinen bir dalga özelliği değildir. Fakat bu özellik, cam bir blokun içinde yol alan ve blokun dışına kaçmaya çalışan bir ışık huzmesiyle gözlemlenebilir. Burada önemli olan, cam blokun havayla birleştiği sınır noktasında ne olduğudur.
Işık bu sınıra, yani camın kenarına dar bir açıyla çarpacak olursa, tekrar cam blokun içine doğru yansıtılır ve havaya kaçma girişimi başarısızlıkla sonuçlanır. Işık görünürde cam blokun içinde hapistir. Öte yandan blokun hemen yanına (aralarında ancak dar bir hava boşluğu kalacak kadar uzaklıktaki bir noktaya) bir başka cam blok konulduğunda, bambaşka bir şey gerçekleşir.
İkinci blokun yerleştirilmesinin ardından, cama çarpan ışığın bir kısmı -ilk durumda olduğu gibi- geri yansıtılır. Ancak bu defa, ışığın bir kısmı da, bloklar arasındaki hava boşluğunu aşarak ikinci cam blokun içinde yoluna devam eder.
Garajından kaçan Ferrari ve cam bloktan kaçan ışık arasındaki paralellik çok net olmayabilir. Ancak pratikte, Ferrari için kapalı garaj duvarı nasıl geçilemezse, bloklar arasındaki hava boşluğu da ışık için aynı şekilde aşılamaz olmalıdır. Işık dalgasının, önündeki engeli aşarak cam bloktan kaçabilmesinin nedeni, dalganın belli bir yerde bulunan değil, uzayda yayılan bir şey olmasıdır.
Işık dalgaları camhava engeline saldırıp yeniden camın içine yansıtıldığında, çarparak yansıtıldıkları yer aslında camın kenarı değildir – camın ötesindeki havanın içinde kısa bir mesafe katetmektedirler. Dolayısıyla çıktıkları cam blokun içine tekrar dönmeden önce bir başka cam blokla karşılaşırlarsa, yollarına devam edebilirler. İlk cam blokun hemen dibine, aralarında ancak bir saç teli kadar boşluk olacak şekilde bir başka blok yerleştirin; ışık çoktan aradaki hava boşluğunu atlamış ve tutulduğu hücreden kaçmıştır bile!
Geçilemeyeceği düşünülen engelleri geçebilme yetisi, ışık dalgalarından ses dalgalarına ve atomlarla bağlantılı olasılık dalgalarına dek, tüm dalga türleri için geçerlidir. Dalgaların bu özelliğini mikroskobik dünyada görebiliriz. Bu konu üzerine verilebilecek muhtemelen en çarpıcı örnek, alfa parçacığının atom çekirdeği gibi kaçmanın imkansız olduğu düşünülen bir hapishaneden kaçabildiği alfa bozunumu olayıdır.
Çekirdekten Kaçış
Alfa parçacığı helyum atomunun çekirdeğidir. Kararsız -radyoaktif- bir çekirdek, kendisini daha hafif ve kararlı bir çekirdeğe dönüştürmek için umutsuz bir girişimde bulunarak dışarı bir alfa parçacığı tükürebilir.
Şu anda basit bir şekilde ortaya koyuyor olsak da, bu süreç bizim için ciddi bir bilmece durumunda. Çünkü bildiklerimizin ışığında, bir alfa parçacığının bulunduğu çekirdeğin içinden çıkamaması gerekiyor. Yüksek atlama dalında yarışan bir olimpiyat atletinin önüne beş metrelik bir engel konduğunu düşünün. Bu atlet dünyanın en iyilerinden biri de olsa, bu yükseklikteki bir çıtayı aşması imkan dahilinde değildir. Dünya üzerindeki hiçbir insanın bu denli yüksek bir engeli aşmasını sağlayacak derecede güçlü bacakları yoktur.
Atom çekirdeği içindeki alfa parçacığı da benzer bir durumla karşı karşıya sayılabilir. Parçacığı çekirdeğin içinde tutan engel, çekirdekteki nükleer kuvvetler tarafından oluşturulmuştur ve beş metrelik çıta bir atlet için ne denli aşılamaz durumdaysa, çekirdek içindeki engel de alfa parçacığı için aynı şekilde aşılamaz olmalıdır.
Fakat alfa parçacıkları atom çekirdeğinin içinden kaçabilmektedir. Ve çekirdeğin içinden kaçabilmeleri parçacıkların dalgasal yüzüyle bağlantılıdır. Cam bir blok içine hapsolmuş ışık dalgalan gibi, parçacıklar da önlerindeki geçilemez sanılan engeli aşarak sessizce dış dünyaya karışırlar.
Bu sürece kuantum tünellemesi (quantum tunnelling) denmektedir – alfa parçacıklarının atom çekirdeğinin içinden çıkabilmek için kendilerine bir tünel açtıkları söylenir. Kuantum tünellemesi aslında belirsizlik denilen ve mikroskobik dünya hakkında ne bilebileceğimiz ve ne bilemeyeceğimiz üzerine esas sınırı ortaya koyan, çok daha genel bir olayın tezahürüdür. Ve çift yarık deneyi belirsizliğin harikulade bir örneğidir.
Kutupluluk doğanın her yanına nüfuz etmiş bir özelliktir. Sadece dünyanın kuzey ve güney kutupları olarak mevcut değildir. Aynı zamanda, çekirdeklerin bir değil iki manyetik kutbu varmış gibi davrandıkları atomaltı düzeyde de mevcuttur. Diyalektik, doğa tecrübemizin sonucu olarak kanıtlamıştır ki, genelde tüm kutupsal karşıtlar, karşıt kutupların birbirleri üzerine karşılıklı eylemiyle belirlenirler, bu kutupların ayrışması ve karşıtlığı, ancak bunların karşılıklı bağlantı ve birliğiyle varolur, ve tersinden, bunların birliği ancak bunların ayrışmasında varolur ve karşılıklı bağlantıları da ancak karşıtlıklarında varolur. Bu bir kez saptandı mı, itme ve çekmenin sonuçta birbirini götürmesi, ya da hareketin bir biçiminin bir yarıya ve diğer biçiminin diğer yarıya bölünmesi gibi bir sorun olamaz, dolayısıyla iki kutbun karşılıklı olarak iç içe geçmesi ya da mutlak ayrışması gibi bir sorun da olamaz. Bu, ilk durumda mıknatısın kuzey ve güney kutuplarının karşılıklı olarak birbirlerini götürmelerini istemekle, ya da ikinci durumda mıknatısı iki kutup arasında ortadan bölmenin, bir tarafta güney kutbu olmayan kuzey bir yarım ve diğer tarafta da kuzey kutbu olmayan güney bir yarım doğurmasını istemekle eşit olur.
Görünüşte basit olan ve birçok eşdeğerlerinin de gündelik deneyim içinde yüzlerce kez gözlenebileceği bu örnek, nükleer fisyonda işleyen süreçlere oldukça yakın bir benzerlik sunar. Çekirdeğin kendisi hareketsiz olmayıp, sürekli bir değişim içindedir. Saniyenin katrilyonda biri kadar süre içinde parçacıklar milyarlarca kez rasgele çarpışmalar yaparlar. Parçacıklar sürekli olarak çekirdeğe girmekte ve onu terk etmektedirler. Ancak çekirdek, çoğunlukla güçlü kuvvet olarak tanımlanan kuvvetle bir arada tutulmakta ve kararsız bir denge durumunda kalmaktadır, ya da kaos teorisinin belirttiği gibi “kaosun eşiğinde” bulunmaktadır.