Kuantum Mekaniği

Temmuz 19th, 2009 • Yorum yapılmamış Kuantum Fiziği, Sözlük
Etiketler: kuantum, quantum mechanics

Kuantum ile ilgili yazıların ikincisini konuyu biraz açmak üzere tasarladım. Okumaya başlamadan önce kuantumu anlatmaya çalıştığım ilk yazıya bakmanız iyi olabilir. Bu yazıda kuantum mekaniğinin postülalarını(koyut diye çevirmiş TDK, genel olarak bir şeyi ispatlarken varsayılacak şeyler gibi bir anlamı var), yani temel direklerini anlatmaya çalışacağım.

Aslında tarihsel olarak kuantum mekaniği bu şekilde açıklanmaya çalışılmamış. Yani kuantum mekaniğine neden gerek duyuldu gibi bir mantık ile düşünmeyin bu yazıyı. Daha ziyade kuantum mekaniğini anlamak için bir ilk basamak olarak düşünün. Bu tip bir yaklaşımın güzellikleri olmasının yanında, bence, en kötü özelliği konuyu kavramak için üstüne biraz daha bir şeyler eklemek gerekliliğidir. Okullarda da bu yazıdaki mantık silsilesi gösterilir ama öğrenci (yani ben) bu basamağı sanki bir “neden”miş gibi algılayıp kavrama mantığını bu ilk dersin üstüne oturtmaya çalışır. Halbuki nedenden ziyade nasıl işlendiği için bu tip bir kavrama teşebbüsü iyi sonuçlar doğurmayabilir.

İşin nedenine inmak için belki bir bilim tarihi kitabı okumak daha verimli olabilir. Matematiksel silsileyi oturtmak ve klasik mekaniğin nerelerde yetersiz kaldığını anlamak için ise Newton mekaniğinden başlamak gerekir, ki bu da çok zaman alır.

Benim tavsiyem işin nedenine çok takılmadan nasılına bir göz atmanız. Kuantum mekaniğinin matematiğini kavramak gerçekten zaman ve emek alan bir iştir. Fiziğinin asıl sebeplerini zaten kimse bilmemekte. Tek bildiğimiz parçacıklar belli özellikler göstermekte ve belli kurallara uymaktalar. Çok sığ gözükse de aslında bu kadar bilgi bile şu anda gelinen teknolojik seviye için yeterli olmuş. Belki daha soyut uygulamaların hayata geçirilmesi için, mesela kuantum bilgisayarların realizasyonu için fiziğin daha net açıklanabilmesi gerekebilir. Son birkaç cümleden bir şey anlamadıysanız çok üzülmeyin, daha ayrıntılı bir yazıyla açıklamay açalışırım ileride.

Kuantum mekaniği ile klasik mekanik arasındaki en önemli fark parçacıkların nasıl davrandığını anlatma biçimleridir bence. Klasik mekanik bir parçacığı yer ve momentumu ile tanımlar. Yer tanımını bir koordinat sistemine ve bir merkeze (orijin) göre tanımlarken o andaki hızını ve gitmekte olduğu yönünü momentum ile tanımlar. Momentum tanımını başka bir yazıda yaparım ama kısaca değinmek gerekirse kütle ile hızının çarpımı diyebiliriz. Yani momentum bilgisi içerisinde hem kütle hem de hız bilgisi yatmakta. Yer ve momentum bilgilerini kullanarak parçacık hakkındaki diğer her türlü bilgiyi elde edebilirsiniz.

Kuantum

Haziran 16th, 2009 • Bir yorum yapılmış Kuantum Fiziği, Sözlük
Etiketler: kuantum

Kuantum fiziği ya da kuantum mekaniği atom altı boyutlarda geçerli doğa kanunlarını açıklamaya çalışan bir fizik konusudur. Kuantum kelimesi dilimize nicem diye çok doğru bir şekilde çevrilmiştir. Fakat, kuantum fiziğini bu konuda bilgisi olmayan birine anlatırken nicem mekaniği demek de kesmiyor. Konu zaten kendinden bir anlaşılmazlış taşırken Türkçesinin (aslında İngilizcesinin de) çok garip bir kelime olması bir anlaşılmazlık katmanı daha ekliyor.

Lafı gevelemeden nice yani kuanta ya da quanta kelimelerinden işe başlayalım. Nice kelimesini ben uydurdum aslında. Hemen TDK sözlüğüne bakıyorum…, ve evet yanılmamışım. Nice miktar anlamına geliyor. Nicelik kelimesinin de kökeni diyebiliriz. Miktardan kasıt sayısal bir değer yani “10 tane elma” derken nicelik 10 sayısına denk geliyor. “On elma” öbeğindeki sıfada da bu yüzden nicelik sıfatı diyoruz. Osmanlıcası da kemmiyet. Hatta işi biraz daha geyiğe vurmak için “nicelik değil nitelik önemlidir” denir mesela; yani çokluk değil nasıl olduğu önemlidir. Osmanlıca’da da “kemmiyet değil keyfiyet lazımdır” denebilir. İngilizce’de de “not the quantity, but the quality is the important thing” gibi bir şeyler denebilir. Yani bu kadar açıklamadan sonra “kuantum” kelimesinin “kuanta” ya yani “quantity”nin köküyle aynı şeye denk geldiğini anlamışsızdır umarım. Yani sayılabilir bir şeylerden bahsediyoruz. Bu genellikle “bir, iki, üç” gibi bir sayılma demek. Şimdi niye bu kelime üzerinde bu kadar duruldu ve hatta kuantum mekaniği ile alakası nedir onu açıklamaya geçelim.

Kuantum mekaniği zamanında klasik mekaniğin açıklayamadığı bazı olayları açıklamaya çalışırken çıkmış bir konu. Klasik mekanik de bildiğiniz Newton mekaniği yani lisede başlangıç tadında işlediğimiz mekanik. Tabii kuantum çıkmadan önce de “klasik”miydi bilmiyorum. Bence değildi. O zamanlar bence o mekaniğe sadece “mekanik” ya da “Newton mekaniği” gibi şeyler deniyordu.

Açıklanamayan olarlar neler diye soracak olursanız ilk olarak aklıma ışık görüngeleri geliyor. Hani güneş ışığını prizmadan geçirince çıkıyor ya. Gökkuşağı gibi. İşte o tip bir görüngeyi tüm ışımalara uygulayabiliyorsunuz. Mesela mavi ışığa uyguladınız diyelim. Yüm bir gökkuşağını görmek yerine sadece mavi kısımda birkaç çizgi görüyorsunuz (aslında çizgi görmek için özel bir kaç ekipmana ihtiyacınız var, prizmadan mavi ışığı geçirirseniz muhtemelen gene mavi bir ışık görürsünüz). Bu görünye yöntemi gelen ışığın nasıl bir kaynaktan geldiğini anlamamıza yardımcı oluyor. Floresan lambaları düşünün. O lambaların içinde civa gazı falan var değil mi? İşte o gazı çıkarım diyelim ki Helyum koydunuz. Beyaz filtreyi boyamadığınız zaman helyumun ışıma rengini göreceksiniz. Bunu bir prizmamsı aletten geçirirseniz elinizde Helyumun ışık görüngesi olacaktır. İyi bir düzenekle bu görüngenin aslında ayrık bir kaç noktadan oluştuğunu gözlemlersiniz. Yani helyum sadece bir kaç dalga boyunda ışık saçıyor. Sadece belli dalga boylarında. Bunun çevirisi şudur. Helyumun yörüngelerinde dolaşan elektronlar sadece belli atlamalar yapıyorlar. Bu atlamalarda da belli enerjide ve dolayısıyla belli dalga boylarında ve dolayısıyla belli renklerde ışık saçıyor.

Görünge çizgileri (Wikipedia)

Eee… Bunun neresinde kuantum var? İşte belli…belli…belli diye saydım ya. Saydım yani. Bir, iki, üç… diye. İşte kuantum bu.

Klasik mekaniğe göre ise elektronlar her eşenrjide atlama yapabilmeli! Yani helyumu ışıttığımızda belli bir renkte ışık almak yerine bembeyaz bir ışık almalıyız. Ama olmuyor.

İşte aklıma gelen en basit ve en güzel örnek bu.

Tabii ki bu belki kuantum mekaniği konusunun sadece ufak bir kısmı. Kuantum mekaniği, her türlü enerjiyi belli kuantalara ayırır. Mesela ışık için bu kuanta fotondur. Elektrik için elektron, yerçekimi için graviton (”gravite”den), ses(titreşim) için fonon,… Asıl soru şu. Biz neden bunu tam olarak algılayamıyoruz? Yani elektrik akımını devamlı süregiden bir akım olarak görüyoruz da dıt..dıt..dıt diye atlayan bir şey olarak görmüyoruz? Bunun cevabını yazının başında vermiştim aslında. Kuantum mekaniği atom altı dünyada olup biteni açıklamak için bir kuram. Yani belli bir ölçekte anlamlı oluyor. Ölçek büyüdükçe zaten gözümüzün dibine kadar giren klasik mekanik geçerli oluyor. Bu geçiş nasıl oluyor tam bir bilgim yok. İleride öğrenebilirsem yazarım.

Kuantumla alakalı başka bir çok konu var. Belirsizlik ilkesi, v.s. gibi; ama, bir açıklama niteliğindeki bu yazıya eklemek istemiyorum. Onlar için ayrı ayrı yazılar yazarım.

Resim kaynağı: Wikipedia

Üstüniletkenlik

Haziran 15th, 2009 • Yorum yapılmamış Sözlük
Etiketler: superconductivity, süperiletkenlik, üstüniletkenlik

Üstüniletkenlik belli malzemelerde gözlenir ve malzemenin üzerinden geçen akımın neredeyse hiçbir kayıba uğramadan iletilmesi anlamına gelir. İlk defa 1910′lu tarihlerde gözlenen bu özellik, malzemenin belli bir sıcaklığın altına soğtulmasıyla açığa çıkıyor. Bu sıcaklığa terim olarak kritik sıcaklık dense de, kritik sıcaklık ferromanyetizma gibi daha başka özellikler için de kullanılan bir terim.

Maglev Tren (Wikipedia)

Üstünilekenlerin içerisinden geçen akıma karşı direnç göstermemesi bu malzemeleri çok verimli ve güçlü manyetik alan üretebilen elektromıknatıslar üretmeye elverişli kılıyor. Şu anda en yaygın uygulamalar da bu alanda. Üretilen elektromıknatıslar hızlı trenlerin havada asılı gitmelerinden parçacık hızlandırıcılara kadar büyük manyetik alan uygulamanın gerekli olduğu her alanda kullanılmakta. Örneğin MRI makinelerinde de bu tip mıknatıslar kullanılmakta.

Üstüniletkenliğin tam olarak sebebi çözülmüş değil. Yani hangi malzemenin üstüniletkenlik gösterebildiği konusunda çok açık bir özellik listesi yok. Şu ana kadar elde edilen malzemeler genellikle deneme yanılma yoluyla elde edilmiş.

Üztün iletkenliğin fiziksel olarak açıklanmasında ise bir kaç kuram mevcut. Bunlardan birisi kritik sıcaklığın altında elektronların çiftler oluşturduğunu öne sürer. Cooper eşleri denen bu çiftler normalde elektronların 1/2 olan spin değerlerini iki elektronun çiftlenmesinden dolayı toplanda 1 spin değerine sahip oluyorlar. Spin değeri tam bir sayı olduğu için bu çiftler bozon parçacıkları gibi davranmaya başlıyorlar ve kritik sıcaklığın altında üstünakışkan bir kipe geçiyorlar. Benzer bir üstün akışkan kipi sıvı helyum için de geçerli.

Fotoğraf kaynak: Wikipedia