Kuantum Fiziğinin Hayatımızdaki Pratik Karşılıkları

Aslında, kuantum fiziği bütün çevremizi sarmış durumdadır. Bildiğimiz haliyle evren, kuantum kurallarının etkisi altındadır.

Birçok kişi için safsata ve akıl dışı görünse de kuantum fiziği tüm insanlık zekasının ortaya çıkardığı en muazzam düşünsel kavramdır. Kuantum fiziği ile alakalı çoğunlukla garip ve mantık dışı olgulardan bahsederiz; süperpozisyon durumundayken Schödinger’in kedisinin hem canlı ve hem ölü olması, kuantum dolanıklığının sonucu olarak ortaya çıkan uzun mesafe bağlantıları gibi.
Günlük Hayatta Kuantum Fiziğinin Dallanıp Budaklanması ile Ortaya Çıkan Aletler:
Tost Makinası

Ekmeğimizi ya da tost kızartırken ısıtma araçlarında oluşan turuncu parlak renk herkes tarafından bilinen bir görüntüdür. Bu renk aynı zamanda kuantum fiziğinin başlangıcıdır! çünkü kuantum fiziği sıcak objelerin neden kırmızı/turuncu renkte parladığı problemine cevap ararken ortaya çıkmıştır.
Sıcak bir nesnenin yaydığı ışığın rengi, teorik fizikçiler için merak uyandırıcı, evrensel bir fenomenin bir örneğidir. Evren’in bu davranışı, 1800’lerin sonlarında pek çok zeki fizikçiyi kendine çekmiş ve probleme bir çözüm aranmış fakat hiçbiri doğruya ulaşamamıştır.
Işığın cismin türünden bağımsız olması, basit bir evrensel yaklaşımın ortaya çıkmasını sağladı: Bir nesnenin yayabileceği tüm ışık renklerini toplarsanız her bir renge nesnede bulunan ısı enerjisinin eşit bir payını verebilirsiniz.
Ancak burada, yüksek frekansa sahip ışığın yayma yolunun kısa frekansa sahip olana göre daha uzun olmasından kaynaklanan bir sorun ile karşılaşıyoruz.
Bu sorun ekmek kızartma makinesinin küçük kırmızı/turuncu parıltıdan ziyade, mutfağın her yerine x-ışınları ve gama ışınları püskürtmesi gerektiğini düşündürmektedir. Fakat böyle bir olay yaşanmıyor (iyi bir şey!), peki bunun nedeni nedir? Öyleyse, başka bir sebep olmalı.
Bu problemin cevabı Max Planck tarafından ortaya konulmuş olan “kuantum hipotezi” ile bulundu. Küçük bir sabitin tam sayı katları ve frekansın çarpılması ile elde edilen denklem ile problemi açıklayarak, ışığın yalnızca küçük enerji parçaları halinde yayılabileceğini gösterdi.
Yüksek frekanslı ışık için Planck’ın elde ettiği enerji kuantumu, bu frekans için tahsis edilen ısı enerjisinden daha büyüktür, bu yüzden bu frekansta yayılmanın gözlemlenmemesi gerekir. Yüksek frekanslı ışığın kesilmesi diğer bir deyişle yayılamaması, formül ile sıcak nesnelerde gözlemlenen ışık sprektrumunun uyumlu olmasını sağladı.

Floresan Işıklar

Eski akkor ampuller, beyaz ışık için yeterli sıcaklığa ulaşması gerekir bunun içinde tel parçası sayesinde aydınlatma yaparlar. Eğer etrafınızda floresan ampuller mevcutsa devrim niteliğindeki bir başka kuantum işlemiyle aydınlanıyorsunuz demektir.
1800’lerin başlarında, fizikçiler periyodik tablodaki her elementin benzersiz bir spektruma sahip olduğunu, az sayıda kesikli frekanslarda ışık yaydığını fark ettiler. Bunu, bilinmeyen materyallerin bileşimini tanımlamak ve hatta bilinmeyen elementlerin varlığını keşfetmek için kullanıldılar.
1913 yılında Niels Bohr’un Planck’ın kuantum fikrini (Einstein’ın 1905’te geliştirdiği) devralmasına kadar bu olay açıklanamayan bir fenomen olarak kalmıştı. Bohr çalışması ile atomun ilk kuantum modelini tanıttı. Bir elektronun atom çekirdeğinin etrafında mutlu bir şekilde dolaştığı özel yörüngeleri olduğunu ve atomların yalnızca bu düzeyler arasında hareket ederken ışığı soğurabileceği ya da yayabileceği fikrini öne sürdü.
Emilen veya yayılan ışığın frekansı, (Planck tarafından sunulan) enerji düzeyleri arasındaki enerji farkına bağlıdır, böylece her atom için farklı kesikli frekans dizisi vardır.
Bu radikal bir fikirdi, ancak hidrojenin yaydığı ışık spektrumunu ve ayrıca çok çeşitli elementler tarafından yayılan x-ışınlarını başarılı bir şekilde açıkladı.
Bugün, bir atomun içinde neler olup bittiğini anlatan modern resim Bohr’un ilk modelinden çok farklı olsa da, temel fikir aynıdır: elektronlar, belirli frekanslarda ışığı emerek ya da yayarak çekirdek etrafında belirli düzeyler arasında hareket ederler.
Floresan aydınlatmanın arkasındaki temel fikir şu şekildedir; bir floresan ampulün (uzun tüp veya CFL) içinde, bir plazma olacak enerjide uyarılmış bir miktar cıva buharı vardır. Civa, çoğunlukla görünür spektruma düşen frekanslarda, gözlerimizi ışığın beyaz göründüğünü düşünmeye sevk edecek şekilde ışık yayar.
Kalitesiz kırınım yapan bir gözlük ile floresan ampule bakarsanız, ampulün sürekli bir gökkuşağı lekesi verdiğini ve birkaç farklı renkteki görüntüsünü görürsünüz.
Yani, evinizde veya ofisinizde aydınlanmak için floresan lambaları kullanıyorsanız, bunun için kuantum fiziğine teşekkür etmelisiniz!

Bilgisayarlar

Bohr’un kuantum modeli inkar edilemez derecede faydalı olsa da, başlangıçta atomların içindeki elektronlar için neden özel durumlar olması gerektiğini açıklayacak fiziksel sebebi sunmak için ortaya konulmamıştır.
Neredeyse on sene boyunca bu sebep için kullanılmamış olsa da keşfedildiği andan itibaren geçen yüzyılın en dönüştürücü teknolojik devriminin temeli haline gelmiştir.
Bohr’un özel enerji durumları için fiziksel bir temel sağlayan radikal fikir, aristokrat bir ailenin parçası olan Fransız doktora öğrencisi Louis de Broglie’den geldi.
De Broglie, Planck ve Einstein’ın ışık dalgaları için parçacık benzeri bir doğa ortaya koyduğu gibi (burada bir ışık demeti, her biri o frekans için bir birim enerji taşıyan bir “ışık kuantumu” akışı olarak düşünülebilir), elektron gibi parçacıklar için de buna karşılık gelen dalga benzeri bir davranış olabileceğini öne sürdü.
Eğer elektronlara momentumlarına bağlı bir dalga boyu verirseniz, elektron dalgasının çekirdek etrafında dolaşırken tam sayıdaki salınımları tamamladığı “duran dalga” yörüngelerine sahip olduğunu görürsünüz. Bu sonuç Bohr’un Hidrojen atomu için gösterdiği enerji düzeyleri ile uyumludur.
Bu dalga davranışı hem ABD hem de Birleşik Krallık’ta doğrudan deneylendi. Bu dalgalar hakkında düşünmek, Erwin Schrödinger’i dalga denklemine ve dolayısıyla modern kuantum mekaniği teorisini oluşturacak temel yaklaşımlardan birine götürdü.
Elektronların dalga doğası, malzemeler arasında nasıl hareket ettiklerine dair anlayışımızı derinden değiştirerek, malzeme içindeki enerji bantları ve bant boşluklarını modern bir bakış açısı ile anlamamıza yol açtı.
Bu fiziği yarı iletkenlerin elektriksel özelliklerini kontrol etmek için kullanabiliriz ve silikon parçalarını diğer elementlerin tam doğru karışımıyla birbirine yapıştırarak; dijital bilgiyi işlemek için kullanılan basit bitleri oluşturan küçük transistörler elde edebiliriz.
Yani, bilgisayarınızı her açtığınızda elektronların dalga doğasından ve malzemelerin benzeri görülmemiş kontrolünden yararlanıyorsunuz. Her modern bilgisayarın düzgün çalışması için kuantum fiziğine ihtiyacı vardır.
Sonuç
Bu örnekler günlük yaşamda kuantum fiziği ile karşılaştığımız birçok obje ve olaydan yalnızca birkaçıdır. Haberleşme, görüntüleme, radar gibi birçok modern mühendislik üretiminde kuantum etkisini görebiliyoruz. Kısaca, insanlığın en büyük başarılarından birisi olan bu bilimsel devrim, modern dünyanın oluşumunda önemli katkılar yapmıştır ve yapmaya devam etmektedir.