Kuantum Fiziği Nedir ?

1930’lara doğru kuantum mekaniği (ya da Kuantum Fiziği) denilen yeni bir fizik kuramı inşa edildi.O günden bu yana fizik camiasında pek çok tartışmalara sebep oldu. Peki ya nedir bu yeni kuram ve klasik fizikten ne farkı vardır.Bunu size kısaca ve basit bir şekilde açıklayacağım.
Kuantum mekaniği atomların, fotonların ve atomaltı parçacıkların davranışlarını inceler. Klasik fizikle de çelişir.Klasik fizikle kuamtum mekaniği arasındaki fark insanı şaşkınlığa düşürecek kadar fazla.Bu farkı daha iyi algılayabilmek için işe kuantum mekaniğinin iki temel kavramını açıklayarak başlayalım.
Süperpozisyon
Süperpozisyon durumundaki bir parçacık aynı anda iki halde birden olabilir. Bir örnek vermek gerekirse bunu döndüğü için aynı anda hem yazı hem tura halini görebildiğiniz bir bozuk paraya benzetebilirsiniz.Klasik fizik paranın yazı ya da tura tek bir halde bulunduğunu söyler.Oysa kuantum fiziğine göre para hem yazı hem de turadır yani iki halde de eşit bulunur.Bu durum ancak bir gözlemci tarafından gözlemlendiğinde yani para yere düştüğünde süperpozisyon durumu ortadan kalkar ve tek bir hale gecer yani para ya yazıdır ya da tura diyebiliriz.
Avusturyalı fizikçi Erwin Schödinger’in 1935’te ” Schödinger’in kedisi ” adlı ünlü düşünce deneyini anlatarak bu konuyu biraz daha açacağım.Schrödinger sağlıklı bir kediyi hava alabilen bir kutu içine koymuş.Kutuda zehirli bir gaz şişesi var ve bu gazın şişeden salınmasını sağlayacak mekanizma, bozunma yarı ömrü 1 saat olan bir radyoaktif parçacık ile kontrol ediliyor. Schrödinger’in iddiasına göre 1 saat sonunda kedinin canlı ve ölü olma olasılıkları eşit. Kedi gözlemlenmediği sürece her iki olasılık da aynı oranda gerçektir. Eğer gözlemci gidip kutuyu açarsa, işte bu durumda, kedi “ya ölü, ya da canlı”olarak karşısına çıkacaktır ki gözlemcinin bu müdahalesi, ortam şartlarını değiştirmiş ve olasılıklardan birinin gerçekleşmesine neden olmuştur.
Dolanıklık
Dolanıklık içindeki iki parça birbirine tuhaf biçimde bağlanmıştır, o yüzden birine olanlar diyerini de etkiler.Bir örnekle aynı kaynaktan aynı anda yaratılan iki elektron düşünün bunlar kendi aralarında dolanıktır.Dolayısıyla birine yapılan herhangi bir etki diğeri her ne kadar uzak olusa olsun dünyanın bir ucu dahi olsa aynı etkileşim diğer elektronda da olucaktır.Konuyu biraz daha açarsak bu iki elektrondan birinin yönünü değiştirirsek diğerinin yönü de aynı şekilde değişir.Dolanıklık diğer atomaltı parçacıklar için de geçerli bir kavram.Parçacıklar ne kadar dolanıklık içindeyse süperposizyonu korumak o denli zordur.


Peki Kuantum mekaniğini nerelerde kullanıyoruz?
1-Süper-Güçlü Bilgisayarlar
Standart bir bilgisayar bilgiyi ikili basamaklarla (1 ve 0’larla veya bitlerle) kodlar. Kuantum bilgisayarlar ise kuantum bitleri (kubitler) kullanarak işlem gücünü katlayarak arttırır. Çünkü kubitler, belli kuantum durumlarının süperpozisyonu (birden fazla halin bir arada etki etmesi) ile çalışırlar. Yani ölçülene kadar kubitler hem 1, hem 0 olabilirler.
2-Kırılamaz Kodlar
Kriptografi (şifrebilim) kodlarla uğraşan bir daldır. Şifre kodlarının başkası tarafından ele geçirmesine engel olmak çok zordur. Bu sorunu çözmek için, kuantum anahtar dağıtımı (QKD) kullanılmaktadır. QKD’de bilgiler fotonlarla gönderilir ve bu fotonlar rastgele kutuplanmışlardır. Kutuplanma, fotonun sadece bir düzlemde titreşmesine neden olur. Örneğin “yukarı aşağı” veya “sağa sola” gibi…
Alıcı polarize filtreler kullanarak şifreyi kırabilir ve sonrasında da seçili bir algoritma aracılığıyla bir mesajı güvenle şifreleyebilir. Gizli veri halen normal iletişim kanallarıyla iletilebilir; ancak elinde birebir aynı kuantum anahtarı olmayan hiç kimse bu şifreyi kıramaz.
3-Ultra-Hassas Saatler
Güvenilir bir şekilde zamanı ölçebilmek, sadece sabahları sizi uyandıran saatler için önemli değildir. Saatler bizlerin teknolojik dünyasını senkronize eder, borsayı ve GPS gibi sistemleri sürdürebilmemizi sağlar. Standart saatler, sarkaçlar (pendulum) veya kuartz kristalleri gibi sıradan, fiziksel nesnelerin sallanmalarını (osilasyonlarını) kullanır ve bu sayede “tik” ve “tak”ları üretir. Günümüzde var olan en hassas saatler, atomik saatlerdir ve bunlar, kuantum teorisini kullanarak zamanı takip ederler. Elektronların belli enerji seviyelerinden sıçramaları için gereken belirli radyasyon frekanslarını kullanırlar. ABD Ulusal Standartlar ve Teknoloji Enstitüsü’nde (NIST) bulunan kuantum mantığına göre çalışan saat, ancak her 3.7 milyar yılda 1 saniye geri kalır veya ileri gider! 2014 yılında icat edilen ve yine NIST’te bulunan strontiyum saat ise aynı hassaslığa 5 milyar yılda ulaşabilmektedir! Bu, Dünya’mızın şu andaki yaşından bile fazladır. Bu şekilde süper-hassas atomik saatler, GPS navigasyon teknolojilerinde, telekomünikasyonda ve araştırma araçlarında kullanılmaktadır.
4-Gelişmiş mikroskoplar
2014 yılında Japonya’da bulunan Hokkaido Üniversitesi’nden araştırmacılar Dünya’nın ilk dolanıklıkla güçlendirilmiş mikroskoplarını ürettiler. Bu tür mikroskoplar birden fazla ışık dalgasını bir arada inceleyerek onların özelliklerini daha iyi analiz edebilir. İnterferometreler Güneş ötesi gezegenlerin tespitinde, yakın yıldızların görüntülenmesinde ve uzayzamandaki “kütleçekim dalgalanmalarını” tespit etmekte kullanılabilir.
5-Biyolojik Pusulalar
İnsanların yanı sıra kuantum mekaniğinden hayvanlarda faydalanmaktadır. Yer alan teoriye göre, Avrupa narbülbülü gibi kuşlar, göç yollarını kuantum mekaniğinin ürkütücü özelliklerinden faydalanarak bulurlar. Bu yöntem dahilinde ışığa duyarlı kriptokrom isimli bir molekül yer almaktadır.
Fotonlar göze girdiğinde, kriptokrom moleküllerine çarparlar ve onları parçalayacak kadar enerjiyi verirler. Bunun sonucunda iki reaktif molekül (radikal) oluşur. Bunlarda birbirinden ayrılmış ama halen dolanık elektronlar bulunur. Bu sayede hayvanlar, bu moleküllere dayalı manyetik bir “haritayı” görebilirler.
Kuantum mekaniği uygulama alanı hızla gelişen bir teknoloji ve gelecekte daha bir çok farklı alanda görebiliriz.