Kuantum tünelleme

Kuantum Kuramı, atomlar ve onları oluşturan temel parçacıkların davranışlarına açıklama getirebilen bir kuram ve biliyoruz ki evrende her şey, canlı cansız her şey, hepimiz, bu kuantum parçacıklarının bir toplamıyız ve sorularımızın yanıtları da onların bu tuhaf dünyasında gizli

25 Ekim 2020 - 10:40

Kuantum parçacıklarının hüküm sürdüğü dünya, bizim gerçekliğimizde imkansız olanın gerçekleştiği oldukça garip bir dünyadır.

Bu dünya bizim klasik gerçekliğimiz ve mantığımızla örtüşmeyen garip prensipler içerir: Parçacık-dalga ikiliği, süperpozisyon, kuantum dolanıklık, dışlama ilkesi, belirsizlik ilkesi ve kuantum sıçrama bunlardan bazıları. Onları daha önceki yazılarımızda konu etmiştik. Yine de bu tuhaf kuralları kısaca özetlemeye çalışalım.

Kuantum dünyasında nesneler hem parçacık hem dalga özelliği taşırlar. Parçacık özellikleri, enerji ve momentum ile; dalga özellikleri de frekans ve dalga boyu içeren bir dalga fonksiyonu ile tanımlıdır. Bu mucizevi fonksiyonun adı ise "Schrödinger dalga denklemi". Bu denklem, parçacığın kuantum durumunu, yani parçacığın bulunabileceği durumlara ait tüm olasılıkları barındırır.

Süperpozisyon, tüm bu olasılıkların üst üste bindiği bir durumu, ya da kuantum parçacığının aynı anda bulunabileceği çok sayıda farklı durumun tümünü ifade eder. Ancak bir gözlem ya da ölçüm yaptığınızda, parçacık bu durumlardan birini seçmek zorunda kalır. Ölçüm sonucu süperpozisyon durumundan tek bir duruma geçiş, dalga fonksiyonunun çökmesi olarak tanımlanır.

Kuantum fiziğinin en garip özelliklerinden bir diğeri de, şüphe yok ki kuantum dolanıklık olgusu; Einstein ona "uzaktan hayalet etkisi" demişti. İki atomaltı parçacık bir süperpozisyon durumunda ise dolanık durumdadırlar ve birbirinden uzak olsalar bile- bu evrenin diğer ucu da olabilir, dolanıklık durumu sürer. Parçacıklardan birinin durumunun bilinmesi, bize anında diğeri hakkında bilgi verir. Kuantum bilgi sistemlerinin temeli, işte bu kuantum dolanıklık olgusuna dayanır.

Kuantum kuramının öncülerinden Alman fizikçi Heisenberg, dalga ve parçacık ikiliği gösteren bir kuantum parçacığının "konumunu ve hızını aynı anda tam olarak bilemeyeceğimizi" söyler, ve doğru söyler. Bu belirsizlik ilkesidir.

Dışlama ilkesine göre ise aynı özelliklere sahip iki parçacık asla bir arada bulunamaz.

Atomik yapının başka sürprizleri de vardır. Atom, enerjiyi belirli seviyelerde saklamaktadır ve birinden diğerine ulaşım yasak bölgeler üzerindem sıçramalarla gerçekleşmektedir. Bu gizemin çözülmesi Kuantum Kuramı'nın en büyük başarısı, hatta zaferidir. Bu olguya da kuantum sıçrama deniyor.

Nasıl oldukça kafa karıştırıcı değil mi?

Ancak en kafa karıştırıcı kuantum süper güçlerinden biri de "Kuantum Tünelleme".

Kuantum tünelleme, 1920'li yıllarda bilinen bir olgu.

Daha öncesinde, 1900'lerin başında bilim dünyası radyoaktivite ile daha yeni tanışmıştır. Radyoaktif atom çekirdekleri, alfa ve beta parçacıkları yanısıra gama ışınları ile enerji atımları yaparak kimlik değiştiriyor ve daha hafif bir elemente dönüşüyorlardı.

Ancak açıklanamayan önemli bir sorun vardır.

Alfa aktif olan Uranyum çekirdeğinin pozitif yüklü tam 92 protonu vardı ve artı yüklü bu parçacıkların itme kuvvetine dayalı olarak atom çekirdeği ciddi bir enerji bariyerine sahiptir. Alfa parçacığının enerjisi bu bariyerin çok altında olduğundan bariyeri aşması imkansızdı.

Ama Uranyum atomu alfa aktifti, yani alfa parçacıkları yaymaktaydı.

Klasik fizik kurallarına göre açıklaması imkansız bir durum.

Açıklama, 1928 yılında, Ukrayna doğumlu bir kuramsal fizikçi ve kozmolog olan Georgiy Antonovich Gamow'dan gelecektir.

Gamow, atom çekirdeğiyle ilgili alfa bozunum sorununa kuantum gözüyle çözüm getirir. Buna göre, bir alfa parçacığının şiddetli çekirdek kuvvetlerini yenip çekirdeğin dışına çıkması kuantum fiziğine özgü kurallara bağlıdır. Dalga özelliği olan parçacık, süperpozisyon durumunda olup hem çekirdeğin içinde ve hem de dışında olma olasılığına sahiptir ve bu durum ona öbür tarafa geçme olanağı sağlar.

Gamow, bu garip durumu "kuantum tünelleme" olarak tanımlar.

Gamow'un bilime katkısı kuantum tünelleme ile sınırlı değil. Atom çekirdeği ve radyoaktif bozununla ilgili çalışmaları uzantısında çekirdek "sıvı damla" modelini geliştirmiştir. Evrendeki hidrojen ve helyum seviyelerine dönük öngörüleri, yıldızların oluşumu ve nükleosentez çalışmalarının yanısıra DNA ile ilgili araştırmaları bu alanlarda çığır açıcı olarak nitelendirilmekte.

Kuantum tünelleme nedir?

Kuantum tünelleme, kuantum parçacıklarının klasik dünyamızda aşılmaz görünen bariyerlerden bir hayalet gibi geçebilmesi özelliğidir.

Klasik fizik kurallarına göre eğer bir parçacığın enerjisi bir engeli aşmak için yeterli değilse o engeli aşamaz. Örneğin, bir elektron bir enerji engeli ile karşılaştığında enerjisi bu engelin enerjisinin üstüne çıkmadığı sürece bu bariyeri geçemez.

Ancak kuantum dünyasında bu mümkündür.

Kuantum parçacıklarının hem parçacık hem de dalga karakteri taşıdığını biliyoruz. Tüm parçacıklar bir dalga fonksiyonu ile tanımlanırlar ve bu onlara aynı anda farklı durumlarda bulunma şansı verir. Dolayısıyla dalga özelliği taşıyan bir parçacık, bir enerji duvarı ile karşılaştığında duvarın içinden sızarak bir hayalet gibi öbür tarafa geçebilecektir.

Klasik fizikte karşılığı olmayan bu olgunun, kuantum mekaniğinde çok önemli karşılıkları bulunuyor.

Radyoaktif çekirdeklerin alfa bozunumu ve yıldızlarda hidrojen çekirdeklerinin füzyonu kuantum tünelleme olgusu ile açıklanabiliyor. Günümüzde bazı teknolojik cihazlarının kuantum tünelleme esasına göre çalıştıklarını da belirtelim.

Kuantum Kuramı, atomlar ve onları oluşturan temel parçacıkların davranışlarına açıklama getirebilen bir kuram.

Ve biliyoruz ki evrende her şey, canlı cansız her şey, hepimiz, bu kuantum parçacıklarının bir toplamıyız ve sorularımızın yanıtları da onların bu tuhaf dünyasında gizli.

İşin ilginç tarafı, sonuçlarını kabul etsek de hala onları tam olarak anlayabilmiş değiliz!