by HisCulArtBelirsizlik ilkesi fiziğin en önemli konularından biridir. Bunu ortaya atan kişi ise Heisenberg’dir. Tam adı ile “Karl Werner Heisenberg”…
1927 tarihinde ortaya atılmıştır. Belirsizlik ilkesi, fiziksel anlamda elektron gibi bir atom altı taneciğinin bazı özelliklerinin aynı anda sonsuz hassaslıkla ölçülemeyeceğini belirtir. Aralarında belirsizlik ilişkisi olduğu bilinen çiftlerden biri momentum –konumdur. İlkeye göre atom altı bir parçacığın konumu ne kadar az belirsiz ise momentumu o kadar fazla belirsiz olacaktır.[1]
Yani her şeyi bilmek mümkün değildir. Her şeyi oluşturan parçacıkların davranışları ile ilgili bilebileceklerimizin bir sınırı vardır. Seçim yapmalı ve bazı kesin bilgilerden feragat yapmalıyız. Ancak bir parçacığın nerde olduğu ve nasıl davranacağına dair mümkün olan en iyi tahmini yapabilmektir. Bu ilkenin en önemli sonucu da Newton’ın öne sürdüğü evren ile çelişmesidir. Her şeyin kurallara göre hareket ettiği, başlangıç şartlarını bildiğimiz sistemde tüm davranışları basit ve seviyede tahmin edebildiğimiz evren ile çelişmektedir. Hiçbir şeyin kesin olmadığı söyleyen, bilim dünyasına belirsizliği kazandıran bir ilkeydi bu. Ne kadar bu ilkenin adı belirsizlik olsa da, etkisi oldukça büyük oldu.
Peki Heisenberg bu fikri ortaya nasıl ve neden attı?
Alman fizikçi olan Heisenberg bu ilke ile, Kopenhag’da Niels Bohr’un enstitüsünde çalışırken 1927 yılında yazdığı bir makalede karşımıza çıkıyor. Heisenberg’in yola çıkış noktası, önceki yıllarda Paul Dirac, Niels Bohr ve Schrödinger gibi bilim adamları tarafından geliştirilen ve atomun davranışları ile ilgili farklı bakış açısı kazanmamızı sağlayan “Kuantum Mekaniği”nin temel ilkeleriydi. Bu ilkelerden en önemlisi, Kuantum mekaniği bizlere enerjini sürekli olmadığını ve enerjinin “kuanta” ismi verilen paketler halinde taşındığını ifade eder. Ve ışığın ise bu paketler halinde taşındığını yani hem parçacık hem de dalga olduğunu söyler. İşte Heisenberg’in aklına yatmayan hatta sorun olarak gördüğü bir nokta olmuştu. Bir parçacığın temel fiziksel özelliğinin ölçülmesi Heisenberg için bir sorun teşkil ediyordu. Ve Heisenberg bu ilke temelde şunu ifade ediyordu: “Bir parçacığın konumu ve momentumunu aynı anda tam olarak ölçemeyiz…”
Parçacığın konumu hakkında ne kadar doğru bilgi elde edersek, o parçacığın momentumu hakkında elde edeceğimiz bilgiler o denli az olur. Yada tam tersi olacak şekilde momentumu hakkında ne kadar tam ve doğru bilgi elde etmek istersek, konumu ile ilgili bildiklerimizi o denli belirsizleşir.
Yukarıdaki denkleme göre bir parçacığın konumundaki belirsizlik ile momentumunda ki belirsizliğin çarpımı h/2’den büyük eşit olmak zorundandır. Burada yazmış olduğumuz “h” Planck sabitidir. Değeri h= 6.62607015*10-34 j.s’dir.
Bu değer kuantum mekaniğinde etki eden en küçük birimi temsil eder. Diğer bir deyişle süreksizliği temsil eder[2]. Bu değer oldukça küçük olduğu için bu belirsizliği makroskobik ortamda gözlemleyemeyiz ancak atom altı ölçeğe indikçe belirsizlik oldukça önem kazanmaya başlar. Mesela elektron gibi atom altı parçacıkları görmek oldukça zordur. Bunun için yapılması gereken şey elektrona bir foton göndermek ve elektrondan yansıyan fotonu bir cihazla tespit etmektir. Bu foton sayesinde elektron ile ilgili bilgi sahibi olabiliriz. Fakat fotonu elektrona çarptırdığımız zaman bir sorun ortaya çıkar. Fotonun momentumunun bir kısmı elektrona aktarılıyor ve bu aktarım sonucunda elektronun yönü değişir. Kuantum dünyasından her şey çok hızlı hareket ettiği için foton geri geldiğinde ve bizler cihazla tespit ettiğimizde elektronun fotonun ilk çarptığı konumda olmama ihtimali oldukça yüksek. Bunun sebebi ise bahsettiğimiz gibi fotonun elektrona çarptığı anda momentumunu elektrona aktarmasıdır. Ve atom altı parçacıklar oldukça hızlı hareket ettiği için elektron tekrar aynı konumda olamayabilir.
Sonuç olarak hem hızı ve hem de konumu hakkında tam bir bilgiye sahip olamayız. Bununla birlikte belirsizlik ilkesi bize çok önemli bir sorununda cevabını veriyor. Örneğin atom altı dünyada (+) yüklü elektronlar, (- )yüklü çekirdek çevresinde bulunuyor. Neden bu (+) ve (-) yüklü parçacıklar birbirlerine yaklaşıp hatta daha ileri giderek çökmüyorlar. Yani elektron neden çekirdeğe düşmüyor? İşte belirsizlik ilkesine göre elektron çekirdeğe yaklaştığında konumu ile ilgili çok yüksek doğruluklu bilgiler alabiliriz. Konumu ne denli kesin ise momentumu ve hızı o denli belirsiz olacağı için bu durumda elektron atomdan tamamen ayrılacak kadar hızlı hareket edebilir. Bu sayede atom bir nevi dengede kalıyor diyebiliriz.
URANIO 238 gibi çok ağır bir radyoaktif bir çekirdekte alfa parçacıkları bulunur. Bu alfa parçacıkları çok ağır bir çekirdeğin içinde bulundukları için bu bağı kırarak serbest kalmaları pek mümkün değildir. Ancak bu alfa parçacıklarının hızı oldukça sabittir. Yani bu durumda konumlarının oldukça belirsiz olduğu anlamına geliyor. Bu da bir şekilde bu bağın çekirdeğin dışına bir yol bulabileceği anlamına geliyor. Bu duruma teoride “Kuantum Tünellemesi” deniliyor. Çünkü parçacık normalde aşamayacağı bir enerji bariyerinin ötesinde bir yol buluyor.
Kuantum tünelleme, bir kuantum mekanik olgudur; bir partikülün, kendi kinetik enerjisinden daha yüksek potansiyel enerjiye sahip bir bariyere nüfuz edebilmesini veya içinden geçebilmesini tanımlar. Mikroskobik partiküllerin bu inanılmaz özelliği, radyoaktif bozunma gibi, çeşitli fiziksel fenomenin açıklanmasında önemli roller oynar. Dalga-partikül ikiliğinin sonuçlarından biri ‘tünelleme’ denilen olgudur. Klasik fiziğe göre bir obje bir bariyeri (potansiyel engeli), ancak onun üstünden atlayabilecek kadar enerjiye sahip olduğunda geçebilir. Objenin sahip olduğu enerji gerekenden daha az olduğunda bariyerin diğer tarafında bulunabilme olasılığı sıfırdır. Kuantum fiziğine göre ise bu koşullardaki objenin bariyeri geçerek karşı tarafa ulaşabilmesi olasılığı vardır. Mecazi olarak partikülün bir ‘sanal tünel’den geçerek karşı tarafa ulaştığı hayal edilebilir.[3]
(Tünelleme şematik tanımı, Kaynak: Prof. Dr. Bilsen BEŞERGİL)
Aslında bu sayede de radyoaktiviteyi görüyoruz. Aslında bu süreç sayesinde yaşıyoruz dersek abartmış olmayız. Çünkü güneşimizin parlamasını sağlayan süreç bu durumun tam tersi şekilde işler. Protonlar birleşerek güneşin parlamasını sağlayan enerjiyi açığa çıkarırlar. Ancak güneşin merkezinde protonların arasındaki elektrik itmesini aşmasını sağlayacak kadar yüksek bir ısı yoktur. Ama bu kuantum tünellemesi sayesinde bu bariyeri aşıyoruz. Belirsizlik ilkesini bir diğer çarpıcı çıkarımı vakumdur. Vakum, yani tüm parçacıklardan arındırılmış boşluktur. Hiçbir şeyin olmadığı yerler. Fakat kuantum mekaniğinde pek böyle bir durum yok. Kuantum süreçlerinde söz konusu enerjinin miktarı ve bu sürecin gerçekleşmesi gereken süre konusunda da belirsizlik vardır. Hep konum ve momentum üzerinden gittik. Enerji ve zaman konusunda da bir belirsizlik mümkün olabilir. Mantık aynı, enerji ne kadar doğru ve kesin bilirseniz zamanı o denli az bilebilirsiniz. Bir kuantum sisteminin enerjisi çok kısa sürelerle o kadar belirsiz olabilir ki bu durumda vakum dediğimiz ortamlarda da ortaya çıkabilirler. Bu şekilde ortaya çıkan geçici ya da sanal parçacık diyebileceğimiz parçacıklarda elektron ve anti maddesi olan pozitron şeklinde anlık olarak çıkıp birbirlerini yok ederler. Bu aslında kuantum fiziğine göre sıradan ve olağan bir olaydır. Belirsizlik ilkesi kuantum dünyasında gayet sıradan, olağan ve hatta olması gereken bir ilkedir.
Şekil 2
(Pozitron ve elektronun çarpışarak yok olması. Kaynak: KTB BİLİM SİTESİ)
KAYNAKLAR VE İLERİ OKUMA
[1] Uçar, S. “Heisenberg Belirsizlik İlkesindeki ‘Belirsizlik’”. Temaşa Erciyes Üniversitesi Felsefe Bölümü Dergisi (2020 ): 72-82
[2] Ç. Mert Yazıcı, Evrim Ağacı
[3] Kuantum Tünelleme, Prof. Dr. Bilsen BEŞERGİL
