Heisenberg’in Belirsizlik İlkesi Ve Kuantum Mekaniksel Yaratılış

200 yıl kadar önce Laplace, Newton kanunlarının ne kadar başarılı olduklarını dikkate alarak, “evrende mevcut maddelerin konumları, momentumları ve onların etkileyen güçler bilinirse, geçmiş hakkında bilgi sahibi olmak ve geleceği kesinlikle bilmek mümkündür”, demiştir.

Bu sözler açıkca Laplace’in Newton’a duyduğu güvenin sonsuz olduğunu göstermektedir. Son yüzyıl içindeki gelişmeleri duysaydı, mezarında kahrolurdu herhalde Laplace. Aslında Newton’a bu kadar güvenmesi kendi hatası idi. Laplace’in bu sözleri onun kadere olan inancını da dile getiriyordu.

Eğer cisimler değişmeyen bazı yasalara uyarak hareket ediyorlar ve o yasalar her zaman geçerliklerini koruyorlarsa, geleceği tahmin etmek mümkün olduğu gibi, geleceğin değişmeyeceğini de kabul etmek zorunluğu vardır diyordu, Laplace.

Başka bir deyişle Laplace’e göre geleceğin akibeti geçmişte saptanmıştır. Bu durumda diyebiliriz ki Big Bang sırasında geleceğin akibeti, tabiri caiz ise, kaderi, saptanmış olmalıdır.

Bu büyük sözlerin söylenişinin üzerinden 100 yıl geçtikten sonra, Alman asıllı ünlü fizikçi Werner Heisenberg (1901-1976), herşeyin bilinemeyeceğinin bir fizik yasası olduğunu bulmuş ve onu açıkca formüle etmiştir. Bu yasa Heisenberg’in belirsizlik (kesinsizlik) yasası olarak bilinir. Bu ilginç ve temel yasa için kuantum şüphe terimini de kullanmak mümkündür. Ama ben şüphe yerine belirsizlik terimini kullanmayı yeğliyorum.

Heisenberg kuantum belirsizliğini atom düzeyinde tanımlamıştır.

Ama bu kuramı evrensel boyutlarda da tanımlamak mümkündür.
Hatta diyebiliriz ki evrensel boyutlarda bu kuramın anlamı çok daha derin olup, yaratılışın gizemine ışık tutmaktadır. Orasına ilerde değineceğiz. Şimdilik her iki tanıma kısaca yer vereceğiz.

Heisenberg belirsizlik kavramını 1920’li yılların sonlarına doğru somutlaştırmıştır.

Kuantum belirsizlik aslında son derece belirli bir kuramdır.

Kuantum zerreler, örneğin elektronlar için geçerili olup, önemli bir fizik yasasıdır.

Bu yasaya göre elektronların yerini ve momentumlarını aynı anda ölçmek mümkün değildir. Burada kullanılan momentum bir yöne doğru hareket etmekte olan objenin hızı ve kütlesinin çarpımının ürünüdür.

Günlük yaşamda hareket halinde olan zerrelerin yerini ve momentumlarını saptamak bir sorun oluşturmaz. Örneğin bilardo topunun bilardo masasının neresinde olduğunu, hızını ve yönünü aynı anda kolaylıkla biliriz.

Kuantum varlıkları, örneğin elektron ve fotonları, yakından inceleyen Heisenberg, onların davranışlarının bilardo topunun davranışlarından çok farklı olduğunu gözlemlemiştir. Bu gözlem ilk bakışta insan aklı ve rasyonalitesi ile çelişiyor gibi görünmektedir ama, elektron ve fotonlarla ilgili dalga ve zerre düalitesi dikkate alınırsa, hiç de olağanüstü değildir.

Elektron ve fotonların kuantum davranışlarını dalga ve zerre olarak tanımlamak mümkündür. Dalgaların uzayda yeri kesin değildir.O halde bu varlıkları uzayda kesin olarak lokalize etmek de mümkün değildir.

Bunun daha iyi anlaşılması için somut bir örnek olarak deniz dalgalarını gösterebiliriz.
Hareket halinde olan dalgayı bir nokta olarak belirtemezsiniz.Bazı yerlerde daha çok, diğer yerlerde daha az belirlidir.

Heisenberg ayrıca bu zerrelerin yerlerinin kesinlik kazanması durumunda, momentumlarının giderek daha belirsiz olduğunu bulmuştur. Momentumlarının belirli olduğu durumlarda ise yerleri belirsizlik kazanmaktadır.

Heisenberg bu iki belirsizliği matematiksel bir formülle bir araya getirmiştir.
Ortaya çıkan formül Heisenberg’in belirsizlik ilişkisi olarak bilinir.
Bu belirsizlik doğanın en önemli temel yasalarından, hatta yapı taşlarından biridir.

Örnek olarak en basit atom olan Hidrojene bakalım.

Hidrojende yalnız tek bir protondan oluşan çekirdeğin etrafındaki bir yörüngede tek bir elektron dönmektedir. Bu elektronun yeri az çok bilinmektedir. Ama buna rağmen hızını ve momentumunu bilmeye olanak yoktur. Çünkü tek olmasına rağmen elektron, aynı zamanda dalga da olduğu için, Hidrojen çekirdeğinin etrafında bir bulut oluşturmaktadır. Elektronun oluşturduğu bu bulutun bazı yerlerinde daha çok, diğer yerlerinde daha az zaman geçirdiğini söyleyebilirsiniz.

Kuantum belirsizlik için ilginç bulacağınız bir örnek daha verebilirim.
Aslında bu örnek evrenin varoluş nedenine de ışık tutmaktadır ama, ona sonra değineceğiz. Bunda elektronun yeri ve momentumunda olduğu gibi, farklı bir çift kuantum niteliği ele alabiliriz. Onlar enerji ve zaman olsunlar.

Heisenberg’in belirsizlik kuramı ile Einstein’ın özel görelik kuramını birleştirip, herhangi bir hacimdeki boş uzayı dikkatle izlerseniz, o boşlukta ne kadar enerji olduğunu bilemezsiniz. Bunu bilmeyen yalnız siz değilsiniz. Doğa da bilemez.

Bu doğanın bilinmezlik yasasıdır.

O boşluğu ne kadar kısa bir zaman için izlerseniz, enerji muhtevasından o kadar az emin olursunuz. O boşlukta enerji yok demeyin. Çünkü var! Çok kısa bir zaman için boşluğu enerji doldurur ama, belirsizlik ilişkisi tarafından saptanan belli bir zaman dilimi içinde yok olur gider. Enerjinin ömrü 10^-21 saniyedir.

Yeri gelmişken bu enerjiden de kısaca bahsedeyim. Bu enerji kendini foton şeklinde belli edebilir. Hiç yoktan aniden ortaya çıkar ve çıktığı gibi hızla kaybolur gider. Bazı durumlarda bu enerji elektron kılığına da bürünebilir. Tabii yine belirsizlik ilişkisinin izin verdiği bir zaman dilimi içinde var olabilir. O sürenin sonunda yok olup gider.

Bu kısa ömürlü varlıklar için yalancı zerreler (virtual particles) denir ve bu süreç kısaca vaküm dalgalanması olarak bilinir.

Bütün bu gözlemleri evrenin başlangıcını simgeleyen bir model olarak kabul etmek mümkündür. Gözlemler diyorum, çünkü Casimir deneyi ile adı geçen yalancı zerrelerin varlığını göstermek mümkündür.

Bu modelde vaküm da denen boş uzay, kuantum düzeyde müthiş bir etkinlik göstermektedir. Elektronlar, yalancı zerreler ve fotonlardan oluşan bir okyanus içine serpiştirilmiş elementer zerrelerdir. Bu okyanusda fotonlar ve yalancı zerreler birbirleri ile sürekli bir etkileşme halindedirler.

Belirsizlik ilkesi ile ilgili önemli bir diğer sonuç da kuantum sistemlerinde hareketesizliğin olmamasıdır. Bu sistemde her şey sürekli bir hareket halindedir.

Kuantum mekaniğinin hükmettiği bir alemde-ki sınırları bir atomla belirlenmiştir- zerrelerin davranışı geniş bir yelpaze oluşturur. Zerreler sert duvarlara penetre olabilirler ve geçmemeleri gereken engelleri aşarlar. Elektronlarına bağlı olarak atomlar farklı enerji düzeylerine sahip olabilirler. Aynı koşullar altında yapılan aynı deneyler her zaman aynı sonucu vermezler. Kuantum olguların sonuçlarını daha önceden saptamak mümkün değildir. Deneylerin sonucu da bir yelpaze oluşturur.
Sonuçlar olasalık dağılımı olarak ifade edilirler.

Kuantum mekaniği her ne kadar kendini, yalnız mümkün olabilecek en küçük ölçüde belirtirse de, aynı zamanda irili ufaklı bütün kozmik yapıların ve evrenin gözlemlediğimiz şekilde ortaya çıkışından sorumludur. Bazı kuantum mekanik ilkelerden dolayı hızla genişleyen bir yalancı zerre, evreni oluşturmuştur.

Kuantum mekanik dalgalanmalar yaratılışın ilk mikro saniyesi içinde maddenin ortaya çıkmasını sağlamış, daha sonra aynı ilkeler galaksilerin tohumunu atmıştır.

Yıldızların merkezinde enerji kuantum ilkelere uyarak açığa çıkmaktadır.

Mevcut bütün elementlerin varlık nedeni kuantum ilkeleridir.

Kayalardan oluşan gezegenlerin varlık nedeni de kuantum yasalarıdır. Kayalar ve evrende mevcut her türlü katı ve solid yapı, kuantum mekanik süreçlere bağlı olarak ortaya çıkmışlardır.

Dünyanın derinliklerinde açığa çıkan nükleer enerji de varlığını önemli bir ilke olan kuantum mekanik tunelleşmeye borçludur. Kimyasal bağlar ve elektron paylaşmak ana teması üzerine kurulan yaşam bile, kuantum mekanik bir süreçtir.

Aralarında belirsizlik ilkesinin de olduğu kuantum mekanik yasaların bu kadar olumlu ve somut sonuçlar vereceğini hiç tahmin etmiş miydiniz?..

KUANTUM KÖPÜĞÜ VE VAKUM DALGALANMALARI

Aniden ortaya çıkıp 10^-21 saniye içinde yok olan zerreler için virtual particles (yalancı zerreler) denir.
Ve bu ilginç olgu vaküm dalgalanması olarak bilinir.

Kuantum ölçülere inince boş olduğuna yemin edebileceğimiz uzayın, kuantum zerrelerinin aktif olarak doğup battıkları ilginç bir dokusu olduğunu gözlemleriz. Bu gözle görünmeyen alem için kuantum köpüğü terimi de kullanılır.

Kuantum köpüğü terimi kavramı ilk defa Nobel ödüllü fizikci John Wheeler tarafından 1960’lı yıllarda teklif edilmiştir.

Aslında bu Einstein’ın özel görelik kuramındaki uzay-zaman antitesinden başka bir şey değildir.
Bu açıklama, 10^-33 smlik ölçülerde, uzayın dokusu olduğu kavramına bir açıklık getirmeyi amaçlamaktadır.

Çekim gücünün diğer güçlerin niteliklerini paylaşan bir alan oluşturduğunu biliyoruz.
Buna göre bu alanda da kuantum fiziğine göre bir belirsizlik söz konusudur.

Einstein’ın genel görelik kuramına göre çekim alanı ve uzay zaman matematiksel olarak aynı şekilde davranırlar ve aynı belirsizlik kuramına tabidirler.

Buna göre aynı anda uzay-zamanı (uzamı) hem de onun değişme oranı belirsiz olacaktır.
Wheeler bu belirsizliklerin 10^-33 smlik bir ölçüyü ve 10^-43 saniyelik zamanı tuttuğunu imgelemiştir.
Uzay-zamanın köpüklü bir niteliği olacağını ve onun geometrisinde belirsizlik yasasına göre vuku bulacak ani değişikliklerin çeşitli karmaşık ve zengin bir doku oluşturacağını ileri sürmüştür.

Bu ortamda açığa çıkan kuantum kara delilerini çapı 10^-33 sm olacak ve onlar 10^-43 saniye içinde kaybolup gideceklerdir.

Tabii bu kuramsal yaklaşım şimdiye kadar deneylerle gözlemlenmemiş olup Wheeler’in zengin imajinasyonunu ürünüdür.

Burada önemli olan vakümun dalgalandığı ve yalancı zerrelerle dolu son derece aktif bir alan olduğu gözlemleri ve bunun üzerine geliştirilen kuramlardır.

Casimir etki uzayın yalancı zerre dolu olduğuna işaret etmektedir.

CASİMİR ETKİ ve YALANCI ZERRELER….

Kuantum fiziği ve evrenin ortaya çıkış nedenlerini, bazı ayrıntıları ile birlikte tartışmadan önce temeli Casimir etkiyi yeterince öğrenmekle atmak gerekiyor. Hendrik Casimir hala yaşayan Holandalı bir teorik fizikçidir. Kendi ismini taşıyan bir etkiyi 1948 yılında ortaya atmış ve bu kuram daha sonra kesinlik kazanmıştır. Konu hakkında daha geniş ingilizce bilgi için aşağıdaki adrese bakabilirsiniz..

http://physicsweb.org/articles/world/15/9/6

Aşağıda bu kaynağın açıklamalı bir özetini bulacaksınız. İlginç bulacağınıza eminim..

Vaküm nedir? Bir kap alın.. İçinde ne varsa boşaltın.. İçinde tek bir atom bile kalmasın. Sonra onun ısısını absolu sıfır dereceye indirin. Klasik fizikte vakümun tanımı bu kadar basittir. İçinde hiç bir şeyin olmadığı daha soğuğunun olamayacağı kadar soğuk bir yerdir.

Vakümu kuantum fiziği bakış açısından değerlendirirsek çok daha farklı bir şey olduğunu görürüz. Bütün alanlar belli değerler arasında dalgalanırlar. En iyi bilineni elektromanyetik alanlardır. Vaküm boşluğu da bir alandır ve bu bağlamda bir istisna değildir. Dalgalanır. İlginç olarak bu dalgalanma yalnız soyut bir kavram değildir. Onun somut gösterileri de vardır. Casimir etki vaküm dalgalanmasına bağlı olarak ortaya çıkan mekanik bir süreçtir.

Elektromanyetik alan çeşitli frekansların bir arada bulunduğu bir spektrum oluşturur. Serbest ve geniş bir boşlukta her frekansın önemi aynıdır. Alan çok geniş ise, frekanslardan biri diğerinden önemli değildir. Ama dar bir alanda, alanın genişliğine bağlı olmak üzere, durum birden değişir. Bunu şöyle bir örnekle açıklayabiliriz. Vaküm içinde iki aynayı, yüzleri birbirlerine karşı olmak üzere bir araya getirin. İkisi arasında elektromanyetik bir dalganın varlığını düşününün. Bu alan kendisine tam uyan dalga boyundaki yarım dalgaların iki ayna arasında gidip geldikleri için çoğaltıldığı bir mekan olacaktır. Belli dalga boyunda olan elektromanyetik spektrum abartılacaktır. İki ayna arasına mükemmel şekilde sığanların dışındakilere yer yoktur. Bu dar boşluğun içindeki frekansı ifade etmek için kavite rezonansı, kavite titreşimi terimi kullanılıyor. Yalnız belli dalga boyunda olan dalgalar burada yer alabilecekler ve abartılacaklardır. Aynı şekilde vaküm dalgalanmalarının frekansları da kavite titreşimine bağlı olarak ya abartılacaklardır, ya da süprese edileceklerdir.

Yeri gelmişken yeni bir kavrama kısaca değinmek istiyorum. Ona radyasyon alanı basıncı deniyor. Kuantum mekaniğine göre istisnasız her alan enerji içeriyor. Yukarda tanımını yaptığımız vaküm alanı bir istisna değil demiştik. Elektromanyetik alanlar uzayda yayılırlar. Ve bu arada etrafa bir basınç uygularlar. Buna radyasyon basıncı deniyor. Nasıl bir nehir akarken yamaçlarına basınç uyguluyorsa, elektromanyetik alan da etrafa basınç uyguluyor. Bu radyasyon basıncı enerjiye parelel olarak artacaktır. Radyasyonun enerjisini ise dalgalarının frekansı saptayacaktır. Aynalar arasındaki kavite titreşimi basıncı söz konusu olunca, kavite titreşim frekanslarında kavite içindeki radyasyon basıncı daha büyük olacak ve aynaları dışa doğru itecektir. Kavite titreşim frekansı dışındaki radyasyon basıncı ise dışarda daha çok olacak ve aynaları birbirlerine doğru itecektir.

Casimir etki vakümda vuku bulan dalgalanmaları ölçen bir yöntemdir. İki metal yüzeyi birbirlerine son derece yakın olmak üzere karşı karşıya getirin. Aralarındaki mesafeyi birkaç nanometreye indirin. Vakümda dalgalanma oluyorsa ve bu dalgalanmalar belli frekanslar arasında gerçekleşiyorsa, Ancak belli dalga boyunda olan frekanslar iki metal plaka arasına sığacaktır. Yani kavite titreşimine uyanlar kavite içinde abartılacaklardır. Diğer frekanslar metal plakaların dışında kalacaklardır. Enerji içeren bu dalgalanmaların bir radyasyon basınıcı olacaktır. Ancak belli frekansların sığdığı plakalar arasındaki boşlukta basınç daha az, dışında ise daha çok olacaktır. Bu da metal plakaların birbirlerine doğru yaklaşmasına neden olacaktır.
Casimir etki vakümda belli frekanslar arasında dalgalanan bir enerjinin varlığına işaret etmektedir. Bu enerjinin kaynağı ise yalancı zerrelerdir..

Bu yazıma ilk iletinin kısa özeti ile başlamak istiyorum.

Her türlü alanda enerji vardır ve bu enerji bazı değerler arasında dalgalanır. Vaküm boşluğu da bir alandır. Bu alanlardaki enerjiyi dalgaların frekansları saptar.

Her türlü radyasyon etrafına basınç uygular.

Alanın genişliği sınırlı ise, örneğin alan yüzyüze bakan iki paralel aynanın arasında ise, ancak belli dalga boylarının uyacağı bir aralık olacak ve radyasyon basıncı dışa göre hafifce az olacaktır. Nedeni dar aralığa uyan frekansların sınırlı olmasıdır.

Vakümdaki enerjiden ve bu enerjinin dalgalanmasından yalancı zerreler sorumludur.

Yalancı zerre (virtual particle) kavramı çok önemlidir. Çünkü evrenin ve muhtemelen evrenlerin ortaya çıkışını onlarla açıklamak mümkündür. O konulara değinmeden önce kısaca yalancı zerrelerden bahsedelim..

Yalancı zerreler vaküm boşluğunda ve hiçbirşeylik dediğimiz kuramsal ortamlarda aniden, karşıtları ile birlikte, ortaya çıkan ve 10^-21 saniye kadar var olduktan sonra yok olan zerrelerdir. Karşıtları ile demek, biri negatif ise, diğeri pozitif demektir. İkisi bir araya gelince birbirlerini yok etmektedirler. Bunu madde ve antimadde olarak düşünmemeliyiz. Çünkü yalancı zerreler maddenin ortaya çıkmasından çok daha önceki bir dönemi simgelemektedirler. O dönemde daha ne madde vardır ne de büyük bir enerji. Bu kısa zaman dilimi tükenince doğadan borç aldıkları enerjiyi ona iade ederek yok olur giderler. Borç aldıkları bu enerji vaküm enerjisidir. Bizim hiçbirşeylik veya yokluk dediğimiz kavram işte budur. Hiçbir şey yok gibi durmaktadır ve pratik olarak yoktur da ama, bu yokluk zıt nitelikli yalancı zerrelerin birbirlerini nötralize etmesinden başka bir şey değildir. Bu kavramın önemine gelecek yazımda değinmek istiyorum..

Kuantum fiziğinin ilgi alanı olan atomaltı evrenini ve orada vuku bulan olağan üstü tepkileşmeleri insan aklının imgelemesi mümkün değildir. Fizikçiler yapılan gözlemleri açıklamak için bazı modeller oluşturmaya çalışırlar ama, çoğu kere onda başarılı olamazlar. Bu modeller çoğu kere matematiksel denklemler ve kuantum evreninde nelerin vuku bulduğunu simgeleyen imajlar şeklinde belirtilirler. O modellerden bazıları adı geçen quantum fenomeni açıklamada gerçeğe çok sadık olabilirler. Ve onu doğru ve anlaşılır bir şekilde yansıtabilirler. Ancak diğerleri son derece müphem imgelerden öteye gitmeyen anlaşılmaları güç soyut kavramlardır.

Modellerle ilgili bilinmesi gerekli tek gerçek onların gerçek olmadıklarıdır. Bir quantum fenomeni açıklamada son derece başarılı birden fazla model olabilir. İlginç olarak bu modeller birbirlerinin tam zıttı da olabilirler. Örneğin ışık modelini ele alalım. Işık hem dalga hem de zerre olarak imgelenebilir. Bazı koşullarda dalga özelliği diğer durumlarda ise zerre özelliği manifest hala geçer.

Atom modeli de böyle bir şeydir. Yapılan modellerin hiç birisi gerçeği yansıtmaz. Bazı atom modelleri atomun gözlemlenen niteliklerinden birini çok güzel açıklayabilir. Ama diğerlerini açıklamada başarısızdır. Her model yalnız kendi konusunda yararlıdır.
Muhtemelen insan aklının quantum aleminde vuku bulan süreçleri anlamasına olanak yoktur. Modellemelerle o dünyada vuku bulan ekzotik süreçlerden yalnız birinin bir yüzü açıklanabilir. Yalancı zerreleri de bu ilkeler göz önünde bulundurarak değerlendirmek gerekmektedir.

Yalancı zerrelere değinmeden önce Casimir etkiden ve vaküm dalgalanmalarından bahsettim. Aslında vaküm dalgalanması kuantum dalgalanmasıdır. Bu dalgalanma sırasında yalancı zerreler ortaya çıkmaktadır. Bu bir modellemedir. Aslında ortaya çıkan yalancı zerre çiftleridir. Bunlar birbirlerinin zıttı olduklarından evrenin elektrik yükünün dengesi bozulmaz. Hep nötraldir. Bunların ortaya çıkması konservasyon (conservation) yasalarını tatmin etmek zorundadır. Doğa için bu önemli bir yasadır. Ama konservasyon yasalarını izlemeyen zerreler de vardır. Örneğin fotonlar.. Fotonlar karşıtları olmadan ortaya çıkabilirler.

Yalancı zerreler, gerçek zerrelerle ilgili davranışları açıklamadaki büyük önemlerine rağmen, direkt olarak asla gösterilmemişlerdir. Casimir etki onların varlığının, direkt değil, indirekt kanıtıdır. Her yalancı zerre konservasyon yasalarına uymaz. Yani zıt etkili çiftler halinde ortaya çıkmaz. Yalancı zerrelerin de türleri vardır. Şimdi biraz da onlardan bahsetmek gerekiyor.. Elektronların etrafında bir bulut oluşturan yalancı zerreler vardır. Onlar için bazan yalancı fotonlar da deniyor. Elektronal nötrino arasındaki tepkileşmeye kısa bir göz atalım. Elektronun çevresindeki yalancı zerrelerden W- denen bir zerre nötrinoya doğru gönderilir ve nötrino tarafından bu zerre absorbe edilir. Peki bunun sonucunda ne olur? Çok ilginç ve insan sağduyusu ile bağdaşmayan bir şey olur. W- yalancı zerresini gönderen elektron nötrino olurken, nötrino elektron olur. Her ikisinin de yükü ve diğer nitelikleri konservasyon yasaları tarafından korunmuştur. Burada aradaki ilişkileri başaran W- yalancı zerresi karşıtı ile bunu başarmamıştır. Karşıtı ile ortaya çıksaydı böyle bir tepkileşme vuku bulmayacaktı.

Bütün kuantum zerrelerinin etrafında yalancı zerrelerden oluşan bir bulutun varlığına inanılmaktadır. Onlar yayılır ve emilirler. Bu yalancı zerrelerin yaşamı, ve ne kadar uzağa gidebilecekleri belirsizlik yasaları ile saptanmıştır. Enerjileri ne kadar yüksekse yaşamları ve kat ettikleri mesafe o kadar kısadır. İki madde zerresi birbirlerine yakınlaşırlarsa, aralarında bu yalancı zerreler aracılığı ile bir tepkileşme vuku bulacaktır.