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.

Yorum Durumu: Yorum yok --- Kategori: Bilim --- Etiketler: , , , , , , ---

Işık nedir? Madalyonun iki yüzü

Işık ve maddenin etkileşimi günlük yaşantımız açısından çok önemlidir. Ampul telindeki atomlar ışık yaymasaydı, evlerimizi aydınlatamazdık. Gözünüzdeki retina tabakasını oluşturan atomlar ışığı soğurmasaydı, bu kelimeleri okuyamazdınız. Problem şu ki, ışık bir dalga olsaydı, atomlar tarafından yayımlanması ve soğurulmasım açıklamak mümkün olmazdı.

Atom uzayda oldukça küçük bir boşluğa sabitlenmiş bir şeyken, ışık dalgası yayılan ve oldukça büyük boşluk kaplayan bir şeydir. Peki öyleyse, ışık atom tarafından soğurulduğunda, böylesi büyük bir şey nasıl olur da küçücük bir şeyin içine sığar? Ve ışık atom tarafından yayımlandığında, böylesi küçük bir şey nasıl olur da kocaman bir şeyi çıkartmayı başarabilir?

Sağduyumuzu kullanarak konuya yaklaşacak olursak, ışığın böylesine küçük ve uzayda belli bir yerde bulunan bir şey tarafından soğurulabilmesi veya yayımlanabilmesi için, ancak kendisinin de aynı oranda küçük ve belli bir yerde bulunan bir şey olması gerektiğini çıkarabiliriz.

ışık

Söylenegeldiği üzere, “bir yılanın içine en iyi sığan şey yine bir yılandır.”

Fakat ışık, dalga olarak biliniyordu. Fizikçiler için bu güç durumdan kurtulmanın tek yolu, umutsuzluk içinde kollarını açmaları ve ışığın hem dalga hem de tanecik olduğunu kabul etmeleriydi. Ancak aynı anda hem bir dalga gibi dağınık hem de uzayda yeri belli olan bir şey olamazdı. Gündelik hayatta bu tam anlamıyla doğrudur. Ne var ki, burada gündelik hayattan değil, mikroskobik dünyadan bahsediyoruz.

Atom ve fotonların mikroskobik dünyasının yakından tanıdığımız hiçbir şeye benzemediği ortaya çıkmaktadır. Hem, aşina olduğumuz nesnelerden milyonlarca kez daha küçük olduklarını düşünürsek, neden benzesinler ki?

Işık gerçekten de hem bir parçacık hem de bir dalgadır. Daha doğru bir ifadeyle , ışık, kullandığımız dilde herhangi bir karşılığı ve günlük yaşantımızda mukayese edebileceğimiz herhangi bir benzeri olmayan, “başka bir şeydir.”

Tıpkı bir madalyon gibi, tüm görebildiğimiz onun ya parçacık yüzü ya da dalga yüzüdür. Işığın gerçekte ne olduğu ise doğuştan görme engelli bir insan için renklerin ifade ettiği şey kadar bilinmezdir.

Işık bazen bir dalga, bazense parçacık akımı gibi davranır. Bu durum, 20. yüzyılın b aşlarında fizikçiler için kabul edilmesi çok güç bir şeydi. Fakat bir tercih şansları da yoktu; doğanın ortaya koyduğu net olarak buydu.

İngiliz fizikçi William Bragg, 192l’de, “Pazartesi, çarşamba ve cuma günleri dalga teorisini; salı, perşembe ve cumartesi günleri ise parçacık teorisini öğretiyoruz,” diyerek yaşanan ikilemi kendi mizahi bakış açısıyla değerlendirmişti.

Bragg’ın pragmatist yaklaşımı takdire şayan olsa da, bu mizahi bakış açısı fiziği yıkımdan kurtarmaya yeterli değildi. İlk olarak Einstein tarafından fark edildiği üzere, ışığın ikili dalga-parçacık doğası fizik için tam bir felaket demekti. Ortaya çıkan durum, yalnızca zihinde canlandırılması imkansız değil, aynı zamanda o güne dek bilinen tüm fizikle de tam bir uyumsuzluk içindeydi.

Yorum Durumu: Yorum yok --- Kategori: Bilim --- Etiketler: , , , , ---

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.

Yorum Durumu: Yorum yok --- Kategori: Bilim --- Etiketler: , , , , , , , ---

Madde Dalgaları

1924’te Louis-Victor de Broglie madde parçacıklarının da dalga gibi davranabileceği fikrini ortaya attı. Her nesnenin kendine özgü bir dalga boyu olduğunu, dolayısıyla parçacık-dalga ikiliğinin sırf ışığa özgü olmadığını ileri sürdü. Üç yıl sonra elektronlardan tıpkı ışık gibi kırındığı ve girişim yaptığı gözlenince, madde dalgası fikri kanıtlanmış oldu. Günümüz fizikçileri nötron ve proton gibi daha büyük parçacıkların hatta karbondan mikroskobik futbol topuna benzetebileceğimiz “bucky” kürelerinin de aralarında olduğu bazı moleküllerin bile dalga gibi davrandığını gözlediler. Bilye ya da rakun gibi büyük nesnelerin dalgaboyları çok küçük olur; öyle ki onların dalgaı gibi davrandığını gözlemleyemeyiz. Bir tenis topunun dalga boyu 10-34 metredir; yani bir protonun çapından (10-15 metre) çok daha kısadır.

Yorum Durumu: Yorum yok --- Kategori: Bilim --- Etiketler: , , , , ---

Işık Dalga mı Parçacık mı?

Fizikçiler hala bu ikilikle boğuşur. Bugün ışığın farklı koşullarda nasıl davranması gerektiğini biliyormuşcasına hareket ettiğini biliyoruz. Işığın dalga özelliklerini gözlemlemek için tasarlamış bir deneyde, örneğin bir kırınım ağından geçirildiğinde, ışık dalga gibi davranır. Parçacık özelliklerinin gözlemlemek için tasarlanmış bir deneyde ise parçacık gibi davranır.

Fizikçiler ışığın gerçek doğasını ortaya çıkarmak için zekice deneyler yapsalar da şimdiye kadar hep başarısız oldular. Bunların çoğu Young’ın çift yarık deneyinin çeşitlemeleriydi. Bir ışık kaynağından çıkıp iki ince yarıktan geçerek bir ekrana düşen ışık ışınlarını düşünün. Her iki yarık da açıkken girişim saçaklarına benzeyen aydınlık-karanlık şeritler görürsünüz. Dolayısıyla ışık, bildiğimiz üzere dalgadır. Işığı kısarak fotonların yarıklardan teker teker geçeceği düzeye kadar düşürdüğümüzde, bir dedektörler her bir fotonun duvara çarpışını saptayabiliriz. Bu durumda bile fotonlar ekran üzerinde şeritlerden oluşan girişim desenleri oluşturacak şekilde yığılır.

Peki tek bir foton, ekranda girişim dalgası oluşturacak şekilde hangi yarıktan geçeceğini nereden bilir? Eğer yeterince hızlı davranırsanız, foton ışık kaynağından çıkar çıkmaz veya yarıklardan geçmiş ama daha ekrana düşmemişken yarıklardan birini kapatabilirsiniz. Fizikçiler test ettikleri her durumda fotonların bir mi yoksa iki mi yarık olduğunu biliyormuş gibi davrandıklarını gördüler. Hatta ortada tek bir foton olmasına rağmen, sanki aynı anda iki yarıktan birden geçiyormuş gibi görünüyordu.

Fotonun hangi yarıktan geçtiğini gözlemlemek için yarıklardan birinin yanına bir dedektör konduğunda, şaşırtıcı bir biçimde ekranda girişim deseni oluşmamaya başlar. Fotonlar ekranda tek bir yığın oluşturur ve girişim saçakları oluşmaz. Yani fotonları iş üstünde yakalamak için ne yaparsanız yapın, sanki tüm yapılanları biliyor gibidirler. Ve aynı anda hem dalga hem de parçacık gibi davranırlar – ikisinden bir tanesi gibi değil.

Yorum Durumu: 2 yorum --- Kategori: Bilim --- Etiketler: , , , , , , ---

Fotoelektrik Etki

Bakır bir levhaya morötesi ışık düştüğünde elektrik üretilir. Bu “fotoelektrik” etki Albert Einstein’a kadar gizemini korumuştu. Max Planck’ın enerji kuantalarından esinlenen Einstein, ışık parçacıkları, yani foton fikrini geliştirdi. Einstein ışığın dalga gibi davranmasının yanında foton parçacıkları gibi davranabildiğini de gösterdi.

Fotonlar 1905 yılında Albert Einstein fotoelektrik etkiyi açıklayan radikal bir fikir ortaya attı. 1921’de ona Nobel Ödülü’nü kazandıran da görelilik kuramı değil, bu çalışmasıdır. Einstein’ın ışık kuantası sonradan foton adını aldı. Fotonların kütlesi yoktur ve ışık hızında hareket ederler. Einstein metalin dalgalar halindeki ışık tarafından değil, tek tek fotonlarca bombardımana uğratıldığını ileri sürdü. Fotonlar metalteki elektronlara bir mermi gibi çarparak onları harekete geçirip fotoelektrik etkiye yol açıyordu.

Eintein’ın ortaya attığı düşünce, tartışmalı olmasının yanında dalga-parçacık ikiliği denen ve ışığın aynı anda hem dalga hem de parçacık olması gibi rahatsız edici bir düşünceyi de gündeme getirdi.

Yorum Durumu: Yorum yok --- Kategori: Bilim --- Etiketler: , , , , ---

Nötrino

notrinoBüyük patlama taraftarları kayıp “soğuk karanlık madde”nin % 99’unu boş yere araştırırken, evrenin sonsuza kadar genişlemesini önlemek için teorinin gerektirdiği niceliklere benzer bir şey bulamadılar. 18 Aralık 1993’te New Scientist, Evren Sonsuza Kadar Genişleyecek başlıklı bir makale yayınladı. Burada “Cepheus takımyıldızındaki bir grup galaksinin birkaç ay önce düşünüldüğünden çok daha az görünmez madde ihtiva ettiği” ve Amerikalı gökbilimcilerin eskiden ileri sürdüğü iddiaların “hatalı analizlere dayandığı” itiraf edildi. Araştırmalara harcanan yüz milyonlarca doları bir tarafa bıraksak bile işin ucunda bilimsel şöhret yatıyordu. Acaba bu gerçeğin büyük patlamayı bu denli bağnazca savunmakla bir bağlantısı olabilir miydi? Her zamanki gibi, görmek istediklerini gördüler. Gerçekler teoriye uygun olmak zorundaydı! Teorinin hayatta kalması için varlığı zorunlu olan “soğuk karanlık madde”yi bulmaktaki açık başarısızlık, bilim çevrelerinin daha sorgulayıcı kesimlerinde rahatsızlığa neden oluyordu. Zamanımızın Bir Çılgınlığı mı? manidar başlığıyla 4 Haziran 1994’te yayınlanan New Scientist’in başyazısı, karanlık madde fikriyle Viktorya döneminin gözden düşmüş “eter” kavramını –ışık dalgalarının uzayda yol almasına aracı olduğuna inanılan, görünmez bir ortam– karşılaştırıyordu: Görünmezdi, her yerde, her an hazır ve nazırdı ve 19. yüzyılın sonlarında her fizikçi ona inanırdı. Fizikçilerin ışığın içinde yayıldığı ortam olduğunu düşündükleri eterdi bu, ama bu düşüncenin bir hayalet olduğu ortaya çıktı. Sesten farklı olarak, ışığın, içinde yayılacağı bir ortama ihtiyacı yoktur.
Devamını oku

Yorum Durumu: Yorum yok --- Kategori: Bilim, Felsefe --- Etiketler: , , , , , , , ---