Birleşmiş Milletler, 2025 yılını kuantum mekaniğinin bugün derslerde öğretmeye çalıştığımız formunun ortaya çıktığı tarihin 100. yılına denk gelmesi nedeniyle Uluslararası Kuantum Bilim ve Teknoloji Yılı olarak ilan etti. Amaç, kuantum fiziğinin ve uygulamalarının hayatın tüm yönleri üzerindeki önemi ve etkisi konusunda toplumsal bilincinin artırılmasına yardımcı olmak şeklinde duyuruldu.
Prof. Dr. Savaş Arapoğlu
Birleşmiş Milletler, 2025 yılını kuantum mekaniğinin bugün derslerde öğretmeye çalıştığımız formunun ortaya çıktığı tarihin 100. yılına denk gelmesi nedeniyle Uluslararası Kuantum Bilim ve Teknoloji Yılı olarak ilan etti. Amaç, kuantum fiziğinin ve uygulamalarının hayatın tüm yönleri üzerindeki önemi ve etkisi konusunda toplumsal bilincinin artırılmasına yardımcı olmak şeklinde duyuruldu. Tüm insanlığın, kuantum fiziği hakkında daha fazla bilgi sahibi olmasına yardımcı olacak çeşitli etkinlikler düzenlenmesi ve bu sayede hem bilimsel bilginin doğru şekilde yayılması hem de kuantum fiziğinin hayatımızı her gün daha da kolaylaştıran teknolojik uygulamaları hakkında toplumsal farkındalık oluşturulması planlanmaktadır.
Bilimsel bilginin doğru şekilde anlaşılması, bugün özellikle aşılar konusunda gördüğümüz, komplo teorileri ve bunun sonucu olarak ortaya çıkan bilimin reddiyle, tüm insanlığı tehdit edebilecek durumları engellemesi açısından son derece önemlidir.
Bilimsel bilginin doğru şekilde anlaşılması, bugün özellikle aşılar konusunda gördüğümüz, komplo teorileri ve bunun sonucu olarak ortaya çıkan bilimin reddiyle, tüm insanlığı tehdit edebilecek durumları engellemesi açısından son derece önemlidir. Benzer şekilde ‘‘kuantum’’ kelimesinin insanlar üzerindeki şaşırtıcı ve cazip etkisi kullanılarak kuantum düşünce, kuantum astroloji, kuantum beslenme gibi bilimsel açıdan hiçbir anlamı olmayan konular ortaya atılmakta ve hatta bu saçmalıkların toplumun eğitimli kesimlerinde bile karşılık bulduğu görülmektedir. İşte bu tür yanlış bilgiye dayalı, safsatalarla desteklenerek toplumu yanlış yönlendiren palavraların ortadan kaldırılabilmesi için 2025 Uluslararası Kuantum Bilim ve Teknoloji Yılı gibi dünya ölçeğinde etkinlikler ve organizasyonlar düzenlenmesi son derece önemli ve gereklidir.
Ne yazık ki, konuyla ilgili olarak ülkemizde ve özellikle ilk ve orta dereceli okullarımızda etkinlikler ve çalışmalar yapıldığını duymuyoruz. Bilimsel bilginin önemini kavrayamayan toplumların, bu konuda daha bilinçli ve dolayısıyla daha ileri toplumlar için bir iş gücü kaynağı haline gelerek sömürülmesi kaçınılmaz bir durum gibi görünüyor. GazeteBilim ailesi olarak 2025 Uluslararası Kuantum Bilim ve Teknoloji Yılı münasebetiyle, yıl boyunca hem kuantum fiziğinin temel bilim yönünden ele alındığı hem de teknolojik getirilerinin anlatıldığı çeşitli yazılar yayımlamayı umuyoruz.
Kuantum fiziğini iki ana başlık altında ele almak uygun olacaktır: Birinci başlık, ‘‘kuantum fiziğinin temelleri ve fiziksel gerçekliğin anlaşılması’’ şeklinde, ikinci başlıksa ‘‘kuantum fiziğinin teknolojik uygulamaları’’ şeklinde düşünülebilir. Bu ilk yazıda, daha çok kuantum fiziğinin ortaya çıkış süreci ve kuantum mekaniği yasalarının, klasik fizik yasalarından ne şekilde farklı olduğunu anlatan kısa bir giriş yapacağız ve daha sonra kuantum fiziğinin gelişim sürecindeki önemli keşiflerin herbiri için ayrı yazılar yayımlamaya çalışacağız.
19. yy ortalarından itibaren, gelişen deneysel imkanlarla (özellikle spektroskopi) maddenin ve ışığın daha küçük ölçeklerde incelenmesi, klasik fizik yasaları ile açıklanamayan bazı deneysel sonuçlar elde edilmesine olanak verdi (https://gazetebilim.com.tr/kuantum-mekaniginin-kisa-tarihi/). Bunların ilki ve tarihsel süreçte en önemlisi “kara cisim ışıması” gözlemidir. Bu gözlem, ısıtılan cisimlerin yaydığı elektromanyetik radyasyonun özelliklerinin anlaşılması ile ilgiliydi ve klasik fizik çerçevesinde yapılan hesaplamalar, deney sonuçlarıyla uyuşmuyordu. Bu problem, 1900 yılında Planck’ın radikal bir varsayımı ile çözüldü. Planck, ısıtılan isimlerden yayımlanan elektromanyetik dalgaların enerji dağılımını veren fonksiyonun, salınım yapan sistemlerde enerjinin mümkün her değerde (sürekli) değil, frekansa bağlı bir değerin tam katları şeklinde (kesikli/kuantize) alınıp verilebileceğini varsayımıyla elde etmiştir. Temel sabitlerden biri olarak saydığımız ve Planck sabiti olarak adlandırılan bu sabit de ilk defa bu enerji dağılım fonksiyonunda, deneylerle uyumlu sonuç (fitting the data) elde edebilmek için kullanılmıştır. Bu açıdan 1900 yılı kuantum fiziğinin doğuş yılı olarak görülür.
Bu açıdan bakıldığında kuantum mekaniği, Albert Einstein’ın tek başına geliştirdiği görelilik kuramlarından farklı şekilde kollektif bir etkinlik olarak görülebilir. Bu müthiş tarihsel sürecin önemli adımlarını başka yazılarda ele almayı planlıyoruz.
Ancak kuantum mekaniğinin bugün kullanmakta olduğumuz formülasyona ulaşması için aradan yaklaşık 25 yıl daha geçmesi gerekecekti. Bu 25 yıllık süreçte, pek çok ünlü bilim insanı kuantum mekaniğinin gelişimine katkıda bulundu. Bu açıdan bakıldığında kuantum mekaniği, Albert Einstein’ın tek başına geliştirdiği görelilik kuramlarından farklı şekilde kollektif bir etkinlik olarak görülebilir. Bu müthiş tarihsel sürecin önemli adımlarını başka yazılarda ele almayı planlıyoruz.
Kuantum mekaniğinin “matris mekaniği” formülasyonu W. Heisenberg tarafından 1925 yılında ve “dalga mekaniği” formülasyonu da E. Schrödinger tarafından 1926 yılında oluşturuldu. Daha sonra 1926 yılında Schrödinger, bu görünüşte birbirinden farklı formülasyonlardan matris mekaniğinin prensiplerinin, dalga mekaniğinden de türetilebileceğini gösterdi. Ancak matris mekaniği, sadece birkaç sistemde hesaplanabilir sonuçlar verdiği için çok pratik değildi.
Bugün temel bilimler fakültelerinde öğretilen giriş düzeyindeki kuantum mekaniği dersleri Schrödinger’in dalga mekaniği formülasyonu ile başlar. Bu formülasyonun ana denklemi Schrödinger denklemidir:
Burada ℏ=h/2π, Planck sabitinin 2π’ye bölünmüş hali, m parçacığın kütlesi, V(x,t) de parçacığın etkileşmelerini içeren potansiyelleri içeren terimdir. Bu diferansiyel denklem çözülerek dalga fonksiyonu Ψ(x,t) elde edilmeye çalışılır.
Bu denklemi klasik mekanikte Newton’un ikinci hareket yasası olarak bildiğimiz
bağıntısının kuantum mekaniksel versiyonu olarak düşünebiliriz. Burada da F┴⃗ cisme etki eden kuvveti ve p┴⃗=m v┴⃗ ise cismin momentumunu temsil eder. Newton’un ikinci yasasını kullanarak hareket eden bir cismin ivmesini ve sonrasında hızı ve konumunu belirlemek mümkündür. Bu şekilde cismin hareketinin hem geçmişini hem de gelecekte nasıl hareket edeceğini tam bir kesinlikle söylemek mümkündür. Öte yandan, Schrödinger denkleminin çözümünden elde edilen dalga fonksiyonu, hareket eden parçacıkla ilgili yapılabilecek gözlemlerin sonuçlarını ancak olasılıklarla belirlemeye yarar. Bu durum klasik mekaniğin deterministik yapısından farklıdır.
Cisimlerin ve parçacıklarının hareketlerinin klasik fizikte ve kuantum fiziğinde farklı şekillerde tasvir edilmesi ve kuantum mekaniğinin yukarıda bahsedilen olasılıklı yapısı, cisimlerin hareketlerini kafamızda canlandırmaya çalıştığımızda birbirinden çok farklı görünmektedir. Algılarımızın içinde evrildiği ve doğrudan gözlem yapabildiğimiz ölçeklerde klasik fizik yasaları geçerli olduğu için, kuantum fiziği ve kavramları bizlere karmaşık geliyor. Hatta sadece bir elektronun hareketini bile kuantum mekaniği yasaları uyarınca zihnimizde canlandırmak son derece zor bir hal alıyor. Bu da ‘‘kuantum’’ kelimesine esrarengiz bir cazibe kazandırıyor. Ancak, muhtemelen atomlar ölçeğinde yaşayan canlılar olsa, onlara da bize çok doğal gelen klasik fizik yasalarını aynı şekilde zihinlerinde canlandırmaları zor olurdu.
Yarı iletkenler, transistörler, çipler vs. gibi bugün kullandığımız her tür elektronik cihaz aslında kuantum teknolojileri kullanıyor ve bunlar her geçen gün geliştirilmeye devam ediyor.
Her ne kadar parçacıkların davranışlarını kuantum mekaniksel olarak zihnimizde canlandırmak zor olsa da ve hatta olasılıklı yapısı günümüzde hâlâ pek çok bilim insanını rahatsız etse de, kuramın teknolojik getirileri muazzam olmuştur. Yarı iletkenler, transistörler, çipler vs. gibi bugün kullandığımız her tür elektronik cihaz aslında kuantum teknolojileri kullanıyor ve bunlar her geçen gün geliştirilmeye devam ediyor.
