Kuantum Bilgisayarlar

Günümüz bilgisayarının temel yapı taşı transistörlerdir. Transistörler iki farklı gerilim seviyesinde bulunabilir; bunlardan biri ikili basamaklardan (bitlerden) “0”ı, diğeri ise “l “i temsil eder. Sıfır ve birlerin oluşturduğu bir sıra, çok büyük bir sayıyı temsil edebilir ve bilgisayar içinde bu sayı, bir başka büyük sayıyla toplanabilir, çıkarılabilir, çarpılabilir ve bölünebilir.* Öte yandan bir kuantum bilgisayarının temel yapı taşları süperpozisyon konumunda da bulunabilir.

Diğer bir deyişle, aynı anda hem “0”ı hem de ” l “i temsil edebilirler. Fizikçiler, kuantum bitlerini normal bitlerden ayırt edebilmek için, şizofren
kuantum bitleri (ya da “kubit”) terimini kullanmaktadır.

Tek bir kubit iki durumda (0 ya da 1 ) , iki kubit dört durumda (00, 01 , 10 ya da 11 ), üç kubit sekiz durumda bulunabilir ve bu şekilde devam eder.

Dolayısıyla tek bir kubit üzerinde aynı anda iki farklı işlem, iki kubitle dört farklı işlem, üç kubitle sekiz farklı işlem yapabilirsiniz ve kubit sayısı arttıkça, aynı anda gerçekleştirebileceğiniz işlem sayısı da 2 ‘nin kuvvetleri olarak artar. Bu sizi etkilemediyse, 10 kubitle aynı anda 1024 işlem ve yalnızca 100 kubitle milyarlarca işlem yapabileceğinizi söylemek isterim!

Hiç de şaşırtıcı olmayan bir şekilde kuantum bilgisayarlarının bu potansiyeli karşısında fizikçilerin ağzı sulanmaktadır. Kuantum bilgisayarlarının günümüz bilgisayarlarını bazı hesaplamalarda performans açısından silip geçeceği anlaşılmıştır. Geleneksel bilgisayarlar performans açısından kuantum bilgisayarlarının yanında geri zekalı gibi görünmektedir.

Fakat bir kuantum bilgisayarının çalışması için, dalga süperpozisyonları tek başlarına yeterli değildir. Dalga süperpozisyonlarının ihtiyaç duyduğu bir başka şey de, girişimdir.

Thomas Young tarafından 18. yüzyılda gözlemlenen ışığın girişimi, ışığın bir dalga olduğu konusunda herkesin ikna olmasını sağlayan esas çalışma oldu. 20. yüzyılın başlangıcında, ışığın aynı zamanda bir parçacık akımı olarak da davrandığı ortaya konduğunda ise Young’un çift yarık deneyi yeni ve umulmadık bir önem kazandı. Deney, mikroskobik dünyanın en merkezi özelliğini ortaya çıkarıyordu.

Bir Atom Nasıl Aynı Anda Birden Çok Yerde Olabilir ve Birden Çok Şey Yapabilir

Abaküsle dünyanın en hızlı süper-bilgisayarı arasındaki farkı düşündüğünüz takdirde bile bir kuantum bilgisayarının günümüzün bilgisayarlarından ne kadar daha güçlü olduğunu anlamanın yakınından geçemezsiniz.
Julian Brown

Yıl 2041 . Küçük bir çocuk, odasındaki bilgisayarın başına oturuyor. Bu sıradan bir bilgisayar değil. Bu bir kuantum bilgisayarı. Çocuk bilgisayara bir komut veriyor. . . Aynı anda bilgisayar kendi binlerce kopyasına bölünüyor ve her biri problemin farklı bir dalı üzerinde çalışmaya koyuluyor.

Yalnızca birkaç saniye sonra, dallar yeniden bir araya geliyor ve bilgisayarın gösterge panelinde tek bir cevap yanıp sönüyor. Dünyadaki bütün bilgisayarlar bir arada çalıştırılsa bile bu cevabı bulmaları trilyonlarca yıl alırdı. Sonuçtan memnun olan çocuk bilgisayarı kapatıyor ve oyununa geri dönüyor. Bu akşam için ev ödevi bitmiş durumda.

working pattern internet abstract

Çocuğun bilgisayarının yapabildiğini aslında hiçbir bilgisayar yapamaz, değil mi? Bir bilgisayarın bunu yapabileceği gerçeği bir kenara, bu bilgisayarların taslak halindeki ilk versiyonları günümüzde bile mevcuttur. Üzerinde ciddi tartışmaların döndüğü asıl nokta ise, bu türden bir kuantum bilgisayarının yalnızca çok fazla sayıdaki bilgisayarın toplamı gibi mi çalışacağı, yoksa bazılarının inandığı gibi, kendi kendisinin paralel gerçeklikler veya evrenlerde var olan birçok farklı kopyasının bilgi işlem gücünden mi yararlanacağı sorusudur.

Kuantum bilgisayarının temel özelliği olan aynı anda birçok işlemi birden yapabilme yetisi, dalgaların (dolayısıyla da, dalgalar gibi davranan atom ve fotonların da) yapabildiği iki şeyden kaynaklanmaktadır. Bunlardan ilki, okyanus dalgalarında görülebilir.

Okyanusta hem büyük dalgalar hem de küçük dalgacıklar oluşur. Ancak rüzgarlı bir günde dalgalı bir denizi seyreden herkesin bilebileceği gibi, büyük dalgaların üzerinde küçük dalgacıklar da görebilirsiniz. Bu, tüm dalgaların genel bir özelliğidir. Eğer iki farklı dalga var olabiliyorsa, aynı şekilde, dalgaların bir kombinasyonu, yani süperpozisyonu da var olabilir.

ocean water wave photo

Süperpozisyon gerçeği, gündelik dünyada önemsiz bir şey gibi görünebilir. Ancak atomlar ve bileşenlerinin dünyasında, bu durumun etkileri sarsıcı düzeydedir.

Bir kez daha, pencere camına vuran fotonu düşünelim. Schrödinger denkleminin ortaya koyduğu gibi, foton ne yapacağı konusunda bir olasılık dalgası tarafından bilgilendirilir.

Fotonun camdan geçmesi de, geri yansıması da olasılık dahilinde olduğundan, Schrödinger denklemi iki dalganın varoluşuna imkan tanımalıdır – biri camdan geçip gidecek, diğeri de geri yansıyacak foton için. Burada şaşırtıcı bir durum yok. Fakat şunu unutmamak gerekiyor ki, aynı anda iki dalganın birden var olmasına imkan tanındığında, bu dalgaların bir süperpozisyonunun var olmasına da imkan tanınmış olur. Deniz dalgaları için konuşacak olursak, bu türden bir kombinasyon kimse için inanılmaz bir durum değildir. Ancak atomların dünyasında söz konusu kombinasyon olağanüstü sayılabilecek bir duruma tekabül eder: aynı anda hem camdan geçen hem de geri yansıyan bir fotonun varlığına. Diğer bir deyişle, foton aynı anda camın iki tarafında birden bulunabilmektedir.

Tahayyül sınırlarımızı zorlayan bu özellik, iki kaçınılmaz gerçekten kaynaklanıyor: fotonların dalgalar tarafından tanımlandığı ve dalgaların süperpozisyon hallerinin olası olduğu gerçeklerine.

Bu uçuk bir teori değil. Yapılan deneylerde, aynı anda iki yerde birden bulunan bir foton ya da atomu gözlemlemek gerçekten de mümkündür (daha doğru bir ifadeyle ortaya koyacak olursak, aynı anda iki yerde birden bulunan bir foton ya da atomun neden olduğu sonuçları gözlemlemek mümkündür). Bu durumun gündelik hayatımızdaki karşılığı, aynı anda hem San Francisco hem de Sydney’de bulunabilmenizdir. Dahası, üst üste binecek dalgaların sayısının bir sınırı olmadığından, bir foton ya da atom aynı anda üç, on ya da bir milyon yerde olabilir.

adult book boring face

Öte yandan mikroskobik bir parçacıkla bağlantılı olasılık dalgası, bu parçacığa nerede bulunabileceğinden daha fazla bilgi vermektedir. Olasılık dalgası, parçacığa tüm durumlar dahilinde nasıl davranacağını da bildirir (örneğin bir fotona, pencere camının içinden geçip geçmeyeceğini ya da camdan geri yansıyıp yansımayacağını).

Dolayısıyla atomlar ve türevleri yalnızca aynı anda birçok yerde bulunabilmekle kalmaz, aynı anda birçok işi de gerçekleştirebilirler. Bunun gündelik yaşantımızdaki karşılığı ise aynı anda ev temizliği yapmanız, köpeği dolaştırmanız ve haftalık süpermarket alışverişini halletmenizdir.

Kuantum bilgisayarının muazzam gücünün ardındaki giz budur. Atomların aynı anda birçok işi yapabilme yetisini kullanan kuantum bilgisayarları, aynı anda çok sayıda hesaplamayı yapabilmektedir.

Tanrı neden zar atar?

Öngörülemeyeni Öngörmek

Penceremize geri dönelim. Her fotonun yüzde 95 camdan geçme ve yüzde 5 de geri yansıma olasılığı var. Fakat bu olasılıkları ne belirliyor?

Işığın parçacık ve dalga olarak çizilen iki farklı portresi de aynı sonucu vermek durumundadır. Şayet dalganın yarısı geçiyor ve yarısı yansıyorsa, dalga ve parçacık görüşlerini bağdaştırmanın tek yolu, her bir parçacığın da yüzde 50 geçme ve yüzde 50 yansıma olasılığı olmasıdır. Aynı şekilde, eğer dalganın yüzde 95’i geçiriliyor ve yüzde 5’i yansıtılıyorsa, her bir foton için buna karşılık gelen geçme ve yansıma olasılıkları yüzde 95 ve yüzde 5 olmalıdır.

background beautiful blossom calm waters

Işığın bu iki portresi arasında bir uyum olabilmesi için parçacık davranışının, dalga davranışı hakkında bir şekilde “bilgi sahibi” olması gerekir. Bir başka deyişle, mikroskobik dünyada yalnızca dalgalar parçacık gibi değil, parçacıklar da dalga gibi davranmaktadır! Burada mükemmel bir simetri söz konusu. Aslına bakılacak olursa, bu ifade bir anlamda, kuantum kuramı hakkında bilmeniz gereken (birkaç detay dışında) tek şeydir. Geriye kalan her şey bunu kaçınılmaz bir şekilde takip eder. Tüm bu tuhaflık ve mikroskobik dünyanın hayret verici zenginliği, gerçekliğin temel yapı taşlarının dalga-parçacık ikiliğinin doğrudan bir sonucudur.

abstract background beach color

Ancak ışığın dalga hali, parçacık halini nasıl davranacağı hakkında tam olarak nasıl bilgilendiriyor? Bu hiç de kolay bir soru değil.

Işık kendisini, bir parçacıklar akımı olarak veya dalga şeklinde açığa vurur. Hiçbir zaman bir madalyonun aynı anda iki yüzünü birden görmeyiz . Yani ışığı parçacıklar akımı olarak incelediğimizde, ortada parçacıkları nasıl davranacakları konusunda bilgilendirecek bir dalga yoktur. Dolayısıyla fizikçiler fotonların bir dalga tarafından yönlendirilerek (camın içinden gitmek gibi) bir şeyler yaptığını açıklamakta problem yaşamaktadır.

Bu problemi kendilerine özgü bir yoldan çözmeye girişen fizikçiler, gerçek dalganın yokluğunda, soyut bir dalga hayal etmektedir – matematiksel bir dalga. Kulağa gülünç geliyorsa, şunu söyleyeyim ki, bu fikir ilk olarak 1920 yılında Avusturyalı fizikçi Erwin Schrödinger tarafından ortaya atıldığında, fizikçilerin tepkisi de sizinkiyle aynı olmuştu.

Schrödinger tıpkı gölette yayılan bir su dalgası gibi, uzayda yayılan, engellerle karşılaşarak yansıyan ve iletilen soyut bir matematiksel dalga hayal etti. Dalga yüksekliğinin arttığı yerlerde bir parçacığın bulunma olasılığı en üst düzeydeyken, dalga yüksekliğinin düşük olduğu noktada bu olasılık en alt düzeye inmekteydi. Böylelikle Schrödinger olasılık dalgasıyla, sadece fotonları değil; bir atomdan, atomu teşkil eden elektronlara kadar, tüm mikroskobik parçacıkları nasıl hareket edecekleri hakkında bilgilendiren dalga fonksiyonunu vaftiz etmiş oldu.

Burada ince bir nokta söz konusu. Fizikçiler Schrödinger’in yaklaşımını, herhangi bir noktada parçacık bulunma ihtimali ancak olasılık dalgasının o noktadaki yüksekliğinin karesiyle orantılıysa gerçeğe uydurabiliyorlardı.

Başka bir deyişle, uzayda herhangi bir noktada olasılık dalgası başka bir noktada olduğunun iki katı yükseklikteyse, parçacığın orada bulunma ihtimali diğer noktaya göre dört kat büyük olmalıdır.

Olasılık dalgasının kendisinin değil de karesinin fiziksel bir gerçeği ifade ediyor olması, günümüzde bu dalganın, evrenin altında yatan gerçek bir şey mi, yoksa kullanışlı matematiksel bir gereç mi olduğu tartışmalarını doğurmuştur. Bilim adamlarının büyük çoğunluğu ikinci görüşe taraftır.

Olasılık dalgasının kesin bir öneme sahip olmasının nedeni, maddenin dalgasal tarafıyla, su dalgalarından deprem dalgalarına kadar tanışık olduğumuz diğer tüm dalga türleri arasında bağlantı kurmasıdır. Tüm dalgalar, dalga denklemi olarak bilinen bir denkleme riayet eder. Bu denklem, dalgaların uzayda nasıl yayıldığını tanımlayarak, fizikçilerin herhangi bir yer ve zamanda dalga yüksekliğini öngörebilmesine imkan tanımaktadır.

Schrödinger’in büyük başarısı, atomlar ve türevlerinin olasılık dalgalarının davranışını tanımlayan dalga denklemini bulmasıdır. Schrödinger denklemini kullanarak uzayda herhangi bir yer ve zamanda bir parçacık bulunma olasılığını hesaplamak mümkün. Örneğin pencere camına vuran fotonları tanımlamak ve fotonlardan birini camın diğer tarafında bulmanın yüzde 95’lik olasılığını öngörmek için bu denklem kullanılabilir. Aslında Schrödinger denklemi, foton ya da atom olsun, herhangi bir parçacığın herhangi bir davranışı sergileme olasılığını tahmin etmek için kullanılabilir. Bu durum, fizikçilere mikroskobik dünyada olup bitenleri öngörebilmek için bir köprü oluşturur, yüzde 100 kesinlikle olmasa da, en azından öngörülebilir bir belirsizlik dahilinde !

Olasılık dalgaları üzerine bu konuştuklarımız bizi nereye götürüyor? Mikroskobik dünyada dalgaların parçacıklar gibi hareket ediyor olduğu gerçeği, ister istemez , mikroskobik dünyanın gündelik yaşantımızdan tamamen farklı bir mekanizmaya sahip olduğunu anlamamıza yol açıyor. Mikroskobik dünyada rastlantısal bir belirsizlik hüküm sürmektedir. İlk kez ortaya çıktığında bu gerçek, saat gibi işleyen öngörülebilir bir evrene inanan fizikçiler için tam anlamıyla sarsıcı bir darbe olmuştu. Ve anlaşıldığı kadarıyla bu durum sadece başlangıçtı. Zaman içinde, doğanın zulasında birçok sarsıcı gerçek daha olduğu anlaşıldı. Yalnızca dalgaların parçacık gibi davranıyor olmayıp, parçacıkların da dalga davranışları sergiliyor olması, su ve ses dalgaları gibi bize daha tanıdık gelen dalgaların yapabildiği her şeyi , atomların, fotonların ve türdeşlerinin davranışlarını ileten olasılık dalgalarının da yapabileceğini anlamamızı sağladı.

Yani? Durum şu ki, dalgalar birçok farklı davranışta bulunabilir. Ve bu davranışların her birinin mikroskobik dünyada yarı-mucizevi sonuçlar doğurduğu anlaşılmıştır.

Dalgaların yapabileceği şeylerden en açık olanı, süperpozisyon halinde var olabilmeleridir. Süperpozisyon, bir atomun aynı anda iki farklı yerde bulunabilmesine imkan tanır. Sizin aynı anda hem Londra hem de New York’ta bulunmanız gibi.

Kuantum Kesinsizliği

Bir pencere bulun. Şayet yakından bakacak olursanız, kendi yüzünüzün zayıf bir yansımasını görebilirsiniz. Bunun nedeni camın tamamıyla saydam olmamasıdır. Üzerine çarpan ışığın yüzde 95’ini geçirirken, kalan yüzde 5’ini geri yansıtır.

Eğer ışık bir dalgaysa, bunu kavramak oldukça kolaydır. Pencereye vuran ışık dalgası, camdan geçen büyük bir dalgaya ve geri dönen daha küçük bir dalgaya ayrılır. Bir sürat teknesinin kıç tarafında oluşan dalgayı düşünün. Bu tekne, yarıya kadar suya batmış bir şekilde sürüklenen bir tahta parçasına rastladığında, oluşturduğu dalganın büyük bir kısmı yoluna devam ederken, küçük bir dalga parçası ise tahta üzerinden geri döner.

lights water blur rain

Öte yandan ışığı bir dalga olarak kabul ettiğimizde bu davranışı anlamak ne denli kolaysa, özdeş parçacıklardan oluşan bir akım olarak düşündüğümüzde de aynı ölçüde zordur. Sonuçta tüm fotonlar özdeşse, pencerenin bu fotonların her birini aynı şekilde etkilemesi gerektiğini düşünürüz. Bir futbolcunun defalarca serbest vuruş kullandığını düşünün. Eğer futbol topları özdeşse ve futbolcu her birine tamamen aynı şekilde vurursa, hepsi havada aynı falsoyu alır ve hedefi aynı noktadan vurur. Bu bakış açısıyla, topların çoğu hedefi aynı noktadan vururken, bir kısmının auta çıkacağını düşünmek mantıksız olacaktır.

Öyleyse nasıl oluyor da, birbirinin tamamen aynısı parçacıklardan oluşan bir akım pencereye çarptığında, yüzde 95’i camın içinden geçip giderken, kalan yüzde 5’i geri dönebiliyor? Einstein’ın ortaya koyduğu üzere, bunun tek bir yolu var. “Özdeş” kelimesinin mikroskobik dünyada, gündelik hayatımızdakinden çok daha farklı bir anlama gelmesi gerekiyor – indirgenmiş ve budanmış bir anlama.

Görünen o ki, mikroskobik dünyada, özdeş şeyler özdeş koşullar altında özdeş davranışlar sergilemiyor. Bunun yerine, yalnızca, herhangi bir şekilde davranmak açısından özdeş bir şansa sahipler. Pencereye varan her bir fotonun, pencereden geçme (yüzde 95) veya yansıma şansı (yüzde 5), diğer fotonların sahip olduğu şansın aynısı.

Herhangi bir fotona ne olacağını kesin olarak bilebilmenin yolu yok. Söz konusu fotonun camdan geçmesi ya da geri yansıması bütünüyle şansa bağlı ve rastgele gerçekleşmekte.

20. yüzyıl başlarında bu öngörülemezlik, dünya için kökten bir yenilikti. Rulet döndükçe üzerinde sıçrayan topu düşünün. Rulet durduğunda topun hangi sayının üzerinde kalacağını bilemeyeceğimizi varsayarız. Ancak durum gerçekte böyle değildir. Şayet topun harekete başladığı rotayı, ilk hızını, hava akımının kumarhanede bir andan diğerine nasıl değişiklik gösterdiğini ve bu türden diğer bilgileri bilebilseydik, fizik kurallarını kullanarak topun nerede duracağını yüzde 100 kesinlikle belirleyebilirdik.

close up shot of a roulette

Aynı şey yazı-tura atmak için de geçerlidir. Fırlatma anında ne kadar kuvvet uygulandığını, paranın tam olarak şeklini ve diğer verileri bilebilseydik, fizik kuralları paranın yazı mı tura mı geleceğini yüzde 1 00 kesinlikle belirleyebilirdi.

Gündelik hayatta hiçbir şey kesinlikle öngörülemez değildir. Aynı şekilde, hiçbir şey tamamıyla rastlantısal da değildir. Rulet oyununda veya yazı-tura atıldığında sonucu tahmin edemememizin sebebi, hesaplayabileceğimizden çok daha fazla verinin göz önüne alınması gerekliliğidir.

Fakat prensip olarak (esas nokta da budur) , her ikisini de tahmin etmemizi engelleyecek hiçbir şey yoktur. Fotonların mikroskobik dünyası ise bunun tam tersidir. Ne kadar veriye sahip olduğumuzun hiçbir önemi yoktur.

Bir fotonun camdan geçeceğini ya da geri yansıyacağını tahmin etmemiz prensipte bile imkansızdır. Bir rulet topunun her hareketinin bir nedeni vardır; çok sayıda küçük kuvvetin karşılıklı etkileşimi geçerlidir. Ancak bir fotonun gerçekleştirdiği eylemin hiçbir sebebi yoktur! Esas olan, mikroskobik dünyanın öngörülemez oluşudur. Ve bu durum gerçekten de, dünya üzerinde yepyeni bir şeydir. Ve fotonlar için geçerli olan bu durum, mikroskobik dünyanın tüm sakinleri için de aynı şekilde geçerlidir.

Bir bomba, zamanlayıcısı tetiklediği için, titreşimlerden dolayı veya içeriğindeki kimyasallar aniden indirgendiği için patlayabilir. Kararsız (veya “radyoaktif”) bir atom ise herhangi bir duruma bağlı olmadan patlayabilir. Şu anda patlayan bir atomla patlamadan önce 10 milyon yıl bekleyen özdeş bir atom arasında gözlemlenebilir hiçbir fark yoktur.

Pencereden her baktığınızda yüzünüze vuran sarsıcı gerçek, tüm evrenin rastlantısallık üzerine kurulmuş olduğudur. Einstein bu fikre o kadar bozulmuştu ki, dudaklarını büküp şu açıklamada bulundu: “Tanrı evrenle zar atmaz !”

five dice on sand

Sorun ise Tanrı’nın bunu yapmasıdır. İngiliz fizikçi Stephen Hawking’in alaycı bir dille ifade ettiği gibi: “Tanrı evrenle zar atmakla kalmaz, bazen zarları bizim göremeyeceğimiz yerlere de atar!”

Einstein 1921 yılında Nobel Fizik Ödülü’nü ünlü görelilik kuramıyla değil, fotoelektrik olayını açıklamasıyla aldı. Üstelik bu Nobel kurulunun hatalı bir kararı değildi.

Einstein’ın kendisi de, “kuantum” üzerine yaptığı çalışmanın, bilim dünyasında gerçekleştirdikleri içinde devrimsel olan tek şey olduğuna inanıyordu. Nobel kurulu da kendisiyle tamamen aynı fikirdeydi.

Işık ile maddenin arasını bulma çabalarından doğan kuantum teorisi, o güne dek bilinen tüm bilimle çatışma halindeydi. l900’lerden önce fizik, geleceği tam bir kesinlikle tahmin etmenin reçetesi olarak görülüyordu. Bir gezegen belirli bir noktadayken, Newton’un hareket kanunları ve kütleçekim kanunu kullanılarak ertesi gün hangi noktaya ilerleyeceği kesin bir şekilde öngörülebiliyordu. Uzayda başıboş dolaşan bir atomun durumu ise bunun tam zıttıdır. Bu atom üzerine hiçbir şey kesin bir doğrulukla bilinemez.

Öngörebileceğimiz yalnızca olası rotası ile olası son noktasıdır.

Kuantum belirsizlik üzerine kurulmuş olsa da, fiziğin kalanı kesinlik üzerinedir. Bunun fizikçiler için bir sorun olduğunu söylemek biraz hafif kalır! “Fizik verilen koşullar altında neler olabileceğini çözme probleminden vazgeçmiştir,” der Richard Feynman. “Yalnızca olasılıkları öngörebiliriz.”

Mikrodünya bütünüyle öngörülemez olsaydı, evren kaosun hüküm sürdüğü bir yer olurdu. Ancak durum bu denli kötü değil. Atomlar ve türevlerinin ne yapacağı öngörülemez olsa da, en azından bu öngörülemezlik durumu öngörülebilir!

Uzay Denizindeki Dalgalanmalar

19. yüzyıl başlarında , Rosetta Taşı’nı Fransız Jean François Champollion’dan bağımsız olarak deşifre etmesiyle ün salmış olan İngiliz fizikçi Thomas Young, ışık geçirmez bir perdede birbirine çok yakın iki dikey yarık oluşturarak perdeyi tek renkli bir ışıkla aydınlattı. Şayet ışık bir dalgaysa , her yarığın yeni bir dalga kaynağı gibi davranacağını ve bu ayrı kaynaklardan çıkan iki ışığın perdenin uzak tarafına , küçük bir gölde oluşan iç içe geçmiş dalgalara benzer şekilde yayıla cağını düşündü.

Girişim [interference] dalgaların sergilediği karakteristik bir özelliktir. İki benzer dalga birbirinin içinden geçerken, dalga tepelerinin birbirine denk düştüğü noktalarda kuvvetlenir, birinin dalga tepesi diğerinin dalga çukuruna rastladığında ise birbirlerini sönümlendirirler.

Sağanak yağmur yağarken bir su birikintisine bakarsanız, her bir yağmur damlacığının oluşturduğu dalgalanmaların yayılarak birbirleriyle “yapıcı” ve “yıkıcı” şekilde girişim de bulunduğunu görürsünüz.

Young, açtığı iki yarıktan çıkan ışığın önüne ikinci bir beyaz perde koydu. Ve bunu yaptığı anda, süpermarket barkodlarındaki gibi, ardı sıra dizilmiş karanlık ve aydınlık şeritler gözlemledi. Bu girişim deseni, ışığın dalga olduğunu gösteren inkar edilemez bir kanıttı. İki yarıktan çıkan ışığın dalga tepeleri birbirine ayak uydurduğunda ışığın parlaklığı artıyor; uyduramadıklarında ise ışık sönümleniyordu.

Young “çift yarık” düzeneğini kullanarak ışığın dalga boyunu hesaplamayı başardı. Bu dalga boyu, milimetrenin yalnızca binde birine tekabül eden (insan saçından bile daha ince) bir değerdi. Bu değer, daha önce ışığın dalga olabileceğinin neden tahmin edilemediğini açıklıyordu.

Gelecek iki yüzyıl boyunca, Young’ın ışığın uzay denizindeki dalgalanmalar olduğu görüşü, tüm ışık olaylarını açıklamada geçerli oldu. Fakat 19. yüzyılın sonlarına doğru, bu konuda sorunlar yaşanmaya başladı. Her ne kadar ilk zamanlarda çok az kişi farkına varmış olsa da, ışığın dalga olduğu görüşüyle, atomun maddenin en küçük yapı taşı olduğu fikri uzlaşmıyordu.

Sorun, ışıkla maddenin bir araya geldiği kesişim noktasındaydı.

Atomların Dünyasında Olup Bitenlerin Nedensiz Olduğunu Nasıl Keşfettik

Zamanında bir filozof, “aynı koşulların her zaman aynı sonuçları doğurması bilimin ,Varoluşu için şarttır,” demişti. İyi de, öyle olmuyor ki!
Richard Feynman

Yıl 2025 ve ıssız bir dağın tepesindeki 100 metrelik dev teleskop gece semalarını tarıyor. Teleskop, gözlemlenebilir evrenin sonundaki ilkel bir galaksiye kilitleniyor ve dünyanın doğumunun çok öncesinden beri uzayda yol alan cılız ışık, teleskobun aynası tarafından, aşırı hassas elektronik algılayıcılarda yoğunlaştırılıyor. Teleskobun kubbesinde, yıldız gemisi Enterprise’ın konsolundan çok da farklı olmayan kontrol panelinde oturan gökbilimci Zer, önlerindeki bilgisayar ekranlarında galaksinin belli belirsiz bir görüntüsünün oluşumunu seyretmekte. Biri sesi açıyor ve kontrol odasını kulakları sağır eden bir çatırdama sesi kaplıyor. Ses, makineli tüfek ateşine, sac çatıyı döven yağmur damlalarının sesine benziyor. Fakat bu, uzayın dipsiz derinliklerinden teleskobun algılayıcılarına yağan ışık parçacıklarının sesi.

Kariyerlerini evrenin en zayıf ışık kaynaklarını görmeye çabalayarak geçiren bu gökbilimcilere göre, ışığın küçük kurşunvari taneciklerden (yani fotonlardan) oluşmuş bir akım olduğu apaçık ortadadır. Ne var ki, çok da uzak olmayan bir geçmişte, bilim dünyasının bu fikri kabul etmesi için büyük patırtılar kopması gerekmişti. Aslına bakılacak olursa, ışığın kesikli paketler (ya da kuantalar) olarak bize ulaştığının keşfedilmesinin, bilim tarihindeki en sarsıcı gelişme olduğu söylenebilir. Bu keşif, 20. yüzyılın öncesinde bilimin üzerini örten rahat battaniyeyi kaldırıp atmış ve fizikçileri, uygar sebep-sonuç ilişkilerini tamamen göz ardı eden ve olayların yalnızca gerçekleştiği için gerçekleştiği bir Alice Harikalar Diyarı evreninin haşin gerçekleriyle yüz yüze bırakmıştır.

Işığın fotonlardan oluştuğunu ilk anlayan kişi Einstein olmuştu. Einstein, ışığı küçük parçacıklardan oluşan bir akım olarak ortaya koyduğunda, fotoelektrik etki olarak bilinen olayı da anlamlandırabilmişti. Bir süpermarkete girerken kapıların otomatik olarak açılması, fotoelektrik etki tarafından kontrol edilen bir sistem sayesindedir.

Belli başlı metaller ışığa maruz kaldığında, dışarı elektrik parçacıkları, yani elektron yayar. Bu türden bir metal bir fotosele yerleştirildiğinde, üzerine ışık düştüğü sürece küçük bir elektrik akımı üretir. Markete doğru adım atan birisi, bu ışık akışını keser ve bu sayede elektrik akımı da kesilerek, kapıların açılması için gerekli sinyali verir.

Fotoelektrik etkinin pek çok garip özelliğinden biri de, aşırı zayıf bir ışık kullanılsa bile elektronların metalden anında salınmasıdır. Diğer bir deyişle, bu noktada herhangi bir gecikme yaşanmaz. Işık bir dalgaysa, bu olay açıklanamaz. Bunun nedeni, yayılan dalganın metaldeki çok sayıda elektronla etkileşime girecek olmasıdır. Ve de kaçınılmaz bir şekilde bu elektronlardan bazıları diğerlerinden daha sonra harekete geçecektir. Esasen, bazı elektronlar ışık metale yansıtıldıktan yaklaşık 10 dakika sonra bile yayılıyor olabilirdi.

Öyleyse, elektronlar nasıl oluyor da metalden anında atılabiliyor? Bunun tek bir yolu olabilir. Her bir elektron, metalden, tek bir ışık taneciği tarafından atılmaktadır.

Işığın küçük kurşunvari parçacıklardan oluştuğuna dair daha da güçlü bir kanıt, Compton saçılması denilen olaydan gelmektedir. Elektronlar, yüksek enerjili bir ışık türü olan X-ışınlarına maruz bırakıldığında, bilardo toplarının birbirleriyle çarpışarak dağıldığı gibi dağılmaktadır.

Dışarıdan bakıldığında, ışığın küçük parçacıklardan oluşan bir akım olmasının keşfi çok önemli veya şaşırtıcı görünmeyebilir. Fakat sanıldığından çok daha önemlidir.

Bunun nedeni, ışığın bir parçacık akımından mümkün olan en farklı şey, yani bir dalga olduğunu gösteren çok fazla sağlam kanıtın da bulunmasıdır.

Schrödinger Dalga Denklemi

Eğer parçacıklar da dalga gibi yayılabiliyorsa, nerede olduklarını nasıl söyleyebiliriz? Erwin Schrödinger dalga gibi davranan bir parçacığın bulunabileceği konumu ihtimale bağlı olarak veren çığır açıcı bir denklem buldu. Bu denklem atomlarda elektronların enerji düzeylerini de verdiği için kuantum mekaniğinin yanı sıra modern kimyayı da başlatmıştır.

Işığın da aralarında olduğu elektromanyetik dalgalar, her ikisinin de özelliğini gösterir ve hatta atomaltı parçacıklar ile moleküller bile tıpkı dalgalar gibi kırınabilir ve girişim yapabilir.

Fakat dalgalar sürekliyken parçacıklar değildir. Bu durumda dalga gibi yayılmış haldeki parçacığın nerede bulunduğunu nasıl söyleyebiliriz? Avusturyalı fizikçi Erwin Schrödinger’in 1926’da bulduğu denklem, dalga fiziğini ve olasılık kullanarak dalga gibi davranan bir parçacığın belli bir konumda bulunma ihtimalini verir.

Denklem ilk olarak atomlarda elektronların yerlerini belirlemek için kullanıldı. Schrödinger denklemi dalga-parçacık ikiliği fikrinin yalnızca atomlar için değil, tüm maddeler için geçerli olduğunu göstererek fizikte bir devrim yaratmıştır.