Tipik bir atomun, merkezindeki çekirdekten 100.000 kat daha büyük olduğunu hatırlayın. Atomların içinde neden böylesine fantastik boyutta bir boşluk olduğunu anlamak, Heisenberg belirsizlik ilkesi hakkında birazcık daha net olmamızı gerektiriyor. Kesin bir şekilde ortaya koyacak olursak, Heisenberg belirsizlik ilkesi bir parçacığın aynı anda hem konum hem de (yalnızca hızından ziyade) momentumunun yüzde 100 kesinlikle bilinemeyeceğini söylemektedir.
Bir parçacığın momentumu, kütle ve hızının çarpımıdır. Aslına bakacak olursanız, momentum yalnızca, hareket halinde olan bir şeyi durdurmanın ne denli güç olduğunun bir ölçütü olarak düşünülebilir. Örneğin trenin, otomobile nazaran (otomobil çok daha hızlı yol alıyor olsa bile) çok daha fazla momentumu vardır. Atom çekirdeği içindeki bir proton da, bir elektrona göre 2000 kat daha fazla kütleye sahiptir. O halde, Heisenberg belirsizlik ilkesine göre, bir proton ve elektron aynı hacme sahip bir boşluğa kapatılacak olursa, elektron 2000 kat daha hızlı hareket edecektir.
Şimdiden, atom içindeki elektronların, proton ve nötronlardan çok daha büyük bir hacimde dolaşıyor olması gerektiğini sezebiliyoruz. Fakat atomlar çekirdeklerinden 2000 kat değil, 100.000 kat daha büyüktür. Neden?
Cevap, atom içindeki elektron ve çekirdek içindeki protonun aynı kuvvetin hükmü altında olmamasıdır. Çekirdek içi parçacıklar nükleer kuvvet tarafından tutulurken, elektronlar daha zayıf olan elektrik kuvveti tarafından tutulmaktadır. Çekirdek etrafında dolanan elektronların incecik lastiklerle bağlı olduklarını, proton ve nötronların ise elli kat daha kalın bir bant tarafından kısıtlandığını düşünün. İşte size atomun neden çekirdekten 100.000 kat daha büyük olduğunun açıklaması.
Fakat atom içindeki elektronlar çekirdek etrafında tek bir yörünge izlemez; farklı mesafelerde birçok yörünge izlemelerine müsaade edilir. Bunu açıklamak için başka bir dalga olayına müracaat edeceğiz. Bu defa kilise orglarına bakacağız!
Yeni Zelandalı fizikçi Ernest Rutherford’un 1911 yılında gerçekleştirdiği Cambridge deneyleri, atomun minyatür bir güneş sistemini andırdığını ortaya koymuştur. Yoğun atom çekirdeği etrafında uçuşan elektronlar, güneşin etrafındaki gezegenlere benzemektedir. Öte yandan Maxwell’in elektromanyetik teorisine göre, çekirdeğin yörüngesinde dönen bir elektronun ışık enerjisi saçması ve saniyenin yalnıza yüz milyonda biri gibi bir anda çekirdek içine doğru sarmal çizerek düşmesi gerekmektedir. Richard Feynman’ın belirttiği gibi, “klasik bakış açısına göre atomlar kesinlikle imkansızdır.” Ancak atomlar vardır. Ve bunun açıklaması ise kuantum teorisinden gelmektedir.
Bir elektron, çekirdeğe çok fazla yaklaşamaz, çünkü bu durumda uzaydaki yeri çok net bir şekilde biliniyor olurdu. Ancak Heisenberg belirsizlik ilkesine göre, bunun anlamı elektronun hızının çok belirsiz olacağıdır. Bu hız muazzam bir yükseklikte olabilir.
Küçülmekte olan bir kutu içine hapsolmuş bir arı düşünün. Kutu küçüldükçe, arı daha da öfkelenecek ve kendisini daha da sert bir şekilde sıkışıp kaldığı hücresinin duvarlarına vuracaktır. Atom içindeki elektron da az çok böyle bir davranış içindedir. Elektron bütünüyle çekirdeğin içine sıkışıp kalırsa, çekirdek içinde hapis kalmasına izin vermeyecek kadar yüksek bir hız kazanabilir.
Elektronların neden çekirdeğin içine düşmediğini açıklayan Heisenberg belirsizlik ilkesi, dolayısıyla ayaklarımızın altındaki zeminin katı olmasının en önemli nedenidir. Ancak belirsizlik ilkesi, atomların varlığını ve maddenin katılığını açıklamaktan çok daha fazlasını ortaya koymaktadır. Belirsizlik ilkesi, atomların neden böylesine büyük olduğunu da (ya da en azından çekirdeklerinden çok daha büyük olduğunu) açıklamaktadır
Güneş, protonları birbirine kenetleyerek, yani hidrojen çekirdeklerini füzyonla helyuma dönüştürerek ısı üretir. Bu füzyon sürecinin yan ürünü olan nükleer enerji güneşten ayrılarak dünyamıza ışık sağlar. Ancak hidrojen füzyonunda bir problem söz konusu.
Protonları birbirine kenetleyen çekim gücü, yani yüksek nükleer güç ancak çok kısa bir mesafede etkilidir. Bu nedenle, güneşteki iki protonun bu çekim gücünün etkisi altına girerek birleşmesi için, birbirlerine çok yakın geçmeleri gerekmektedir. Ancak yakınlaşan iki proton, aynı elektrik yüküne sahip olduklarından dolayı, birbirlerini insafsızca itecektir. Bu şiddetli itmenin üstesinden gelinebilmesi için, protonların muazzam bir hızla çarpışması gerekir. Pratikte bunun gerçekleşebilmesi için ise nükleer füzyonun sürmekte olduğu güneş çekirdeğinin aşırı yüksek sıcaklıkta olması gerekir.
Atomlar Hakkında Bilmek İsteyeceklerimizin Tamamını Neden Hiçbir Zaman Bilemeyeceğiz ve Neden Bu Gerçek Atomları Olası Kılıyor
Kuantum topraklarının içlerine doğru ilerledikçe, yolcularımız birçok ilginç olaya daha tanık oldu. Bunlardan biri de, küçük kütleleri yüzünden nerede oldukları zar zor belirlenebilen kuantum sivrisinekleriydi. George Gamow
Aklını kaçırmış olmalıydı. Gıcır gıcır Ferrari’sini daha az önce garajına park etmişti. Hatta garaj kapısı otomatik olarak kapanırken önünde bir süre dikilmiş, duyduğu gurur ve keyfi son anına dek yaşamak istemişti. Ardından çakıllı yoldan evine doğru yürürken birdenbire rüzgar çıktı ve zemin hafif şekilde sarsıldı. İstemdışı olarak, gerisingeri garaj yoluna doğru yürüdü. Ferrari ‘si kapalı olan garaj kapısının önündeydi! Bu türden Houdini tarzı kaçış olayları elbette ki gündelik hayatımızda görülmez. Öte taraftan ultra-küçük parçacıkların dünyasında, bu olaylar sürekli vuku bulan şeylerdir.
Bir an için, bir atomu mikroskobik bir hücrenin içine kilitlersiniz ve bir an sonra, kelepçelerini kırıp atarak sessizce gecenin içine doğru süzülmüş bir atomunuz olur. Kaçmanın olanaksız olduğu hücrelerden bu mucize kabilinden kaçma becerisi, mikroskobik parçacıkların, dalgaların yaptığı her şeyi yapabilmesine imkan tanıyan dalgasal yüzüyle bağlantılıdır. Ve dalgaların yapabildiği şeylerden biri de, geçilemez görünen engelleri aşıp geçmektir.
Bu, apaçık şekilde ortada olan ya da herkes tarafından bilinen bir dalga özelliği değildir. Fakat bu özellik, cam bir blokun içinde yol alan ve blokun dışına kaçmaya çalışan bir ışık huzmesiyle gözlemlenebilir. Burada önemli olan, cam blokun havayla birleştiği sınır noktasında ne olduğudur.
Işık bu sınıra, yani camın kenarına dar bir açıyla çarpacak olursa, tekrar cam blokun içine doğru yansıtılır ve havaya kaçma girişimi başarısızlıkla sonuçlanır. Işık görünürde cam blokun içinde hapistir. Öte yandan blokun hemen yanına (aralarında ancak dar bir hava boşluğu kalacak kadar uzaklıktaki bir noktaya) bir başka cam blok konulduğunda, bambaşka bir şey gerçekleşir.
İkinci blokun yerleştirilmesinin ardından, cama çarpan ışığın bir kısmı -ilk durumda olduğu gibi- geri yansıtılır. Ancak bu defa, ışığın bir kısmı da, bloklar arasındaki hava boşluğunu aşarak ikinci cam blokun içinde yoluna devam eder.
Garajından kaçan Ferrari ve cam bloktan kaçan ışık arasındaki paralellik çok net olmayabilir. Ancak pratikte, Ferrari için kapalı garaj duvarı nasıl geçilemezse, bloklar arasındaki hava boşluğu da ışık için aynı şekilde aşılamaz olmalıdır. Işık dalgasının, önündeki engeli aşarak cam bloktan kaçabilmesinin nedeni, dalganın belli bir yerde bulunan değil, uzayda yayılan bir şey olmasıdır.
Işık dalgaları camhava engeline saldırıp yeniden camın içine yansıtıldığında, çarparak yansıtıldıkları yer aslında camın kenarı değildir – camın ötesindeki havanın içinde kısa bir mesafe katetmektedirler. Dolayısıyla çıktıkları cam blokun içine tekrar dönmeden önce bir başka cam blokla karşılaşırlarsa, yollarına devam edebilirler. İlk cam blokun hemen dibine, aralarında ancak bir saç teli kadar boşluk olacak şekilde bir başka blok yerleştirin; ışık çoktan aradaki hava boşluğunu atlamış ve tutulduğu hücreden kaçmıştır bile!
Geçilemeyeceği düşünülen engelleri geçebilme yetisi, ışık dalgalarından ses dalgalarına ve atomlarla bağlantılı olasılık dalgalarına dek, tüm dalga türleri için geçerlidir. Dalgaların bu özelliğini mikroskobik dünyada görebiliriz. Bu konu üzerine verilebilecek muhtemelen en çarpıcı örnek, alfa parçacığının atom çekirdeği gibi kaçmanın imkansız olduğu düşünülen bir hapishaneden kaçabildiği alfa bozunumu olayıdır.
Çekirdekten Kaçış
Alfa parçacığı helyum atomunun çekirdeğidir. Kararsız -radyoaktif- bir çekirdek, kendisini daha hafif ve kararlı bir çekirdeğe dönüştürmek için umutsuz bir girişimde bulunarak dışarı bir alfa parçacığı tükürebilir.
Şu anda basit bir şekilde ortaya koyuyor olsak da, bu süreç bizim için ciddi bir bilmece durumunda. Çünkü bildiklerimizin ışığında, bir alfa parçacığının bulunduğu çekirdeğin içinden çıkamaması gerekiyor. Yüksek atlama dalında yarışan bir olimpiyat atletinin önüne beş metrelik bir engel konduğunu düşünün. Bu atlet dünyanın en iyilerinden biri de olsa, bu yükseklikteki bir çıtayı aşması imkan dahilinde değildir. Dünya üzerindeki hiçbir insanın bu denli yüksek bir engeli aşmasını sağlayacak derecede güçlü bacakları yoktur.
Atom çekirdeği içindeki alfa parçacığı da benzer bir durumla karşı karşıya sayılabilir. Parçacığı çekirdeğin içinde tutan engel, çekirdekteki nükleer kuvvetler tarafından oluşturulmuştur ve beş metrelik çıta bir atlet için ne denli aşılamaz durumdaysa, çekirdek içindeki engel de alfa parçacığı için aynı şekilde aşılamaz olmalıdır.
Fakat alfa parçacıkları atom çekirdeğinin içinden kaçabilmektedir. Ve çekirdeğin içinden kaçabilmeleri parçacıkların dalgasal yüzüyle bağlantılıdır. Cam bir blok içine hapsolmuş ışık dalgalan gibi, parçacıklar da önlerindeki geçilemez sanılan engeli aşarak sessizce dış dünyaya karışırlar.
Bu sürece kuantum tünellemesi (quantum tunnelling) denmektedir – alfa parçacıklarının atom çekirdeğinin içinden çıkabilmek için kendilerine bir tünel açtıkları söylenir. Kuantum tünellemesi aslında belirsizlik denilen ve mikroskobik dünya hakkında ne bilebileceğimiz ve ne bilemeyeceğimiz üzerine esas sınırı ortaya koyan, çok daha genel bir olayın tezahürüdür. Ve çift yarık deneyi belirsizliğin harikulade bir örneğidir.
Kuantum bilgisayarlarının aynı anda muazzam sayıda işlem yapabilmeye yönelik olağanüstü gücü bizim için bilmece durumundadır. Bununla birlikte, günümüzün kuantum bilgisayarları henüz ilkel bir düzeyde ve yalnızca bir avuç kubit üzerinden işlem yapabiliyor olsa da, aynı anda milyarlarca, trilyonlarca ya da katrilyonlarca işlem yapabilecek bir kuantum bilgisayarını hayal etmemiz imkansız değildir.
Aslında önümüzdeki 30 ya da 40 yıl içerisinde, aynı anda evrende var olan parçacıklardan daha fazla işlem yapabilecek bir kuantum bilgisayarı inşa edebiliriz. Bu varsayımsal durum önümüze zor bir soru koyuyor: Bu bilgisayar işlemlerini tam olarak nerede gerçekleştirecektir?
Sonuçta, bu türden bir bilgisayar aynı anda evrende var olan parçacıklardan daha fazla işlem yapabiliyorsa, o zaman evrenin işlem kaynaklarının bu makinenin gerçekleştireceği işlemler açısından yetersiz kalacağı öne sürülebilir.
Çözülmesi imkansız gibi görünen bu durumdan çıkmamızı sağlayabilecek olağanüstü bir olasılık, kuantum bilgisayarlarının işlemlerini paralel gerçekliklerde ya da evrenlerde gerçekleştiriyor oluşudur.
Bu fikir, 1957 yılında Princeton’da yüksek lisans eğitimine devam etmekteyken, kuantum teorisi atomların mikroskobik dünyasının dahiyane bir açıklaması olduğu halde, neden hiçbir zaman süperpozisyonları göremediğimizi merak eden, Hugh Everett adlı öğrenciye dayanmaktadır.
Everett’in bu soruya verdiği olağanüstü cevap, süperpozisyonun her bir farklı durumunun bütünüyle farklı bir gerçeklikte var olduğu olmuştur. Diğer bir deyişle, tüm olası kuantum olaylarının gerçekleştiği çok sayıda farklı gerçeklik (çoklu evren) söz konusudur.
Everett “Çoklu Dünyalar” fikrini, kuantum bilgisayarlarının ortaya çıkışından çok uzun zaman önce öne sürmüş olsa bile yine de konu üzerine faydalı bir açılımı olabilir. Çoklu Dünyalar fikrine göre, kuantum bilgisayarına bir problem verildiğinde, bilgisayar kendi kopyalarına ayrılmakta ve her bir kopya farklı bir gerçeklikte var olmaktadır.
Bu bölümün başında bahsettiğimiz küçük çocuğun kişisel kuantum bilgisayarının, birçok farklı kopyasına ayrılmasının nedeni budur. Bilgisayarın her bir kopyası problemin farklı bir parçası üzerinde çalışmakta ve en sonunda bu farklı parçalar girişim tarafından yeniden bir araya toplanmaktadır.
Bu bağlamda, Everett’in fikri açısından girişimin çok mühim olduğunu söyleyebiliriz. Farklı evrenler arasında köprü görevi gören, bu evrenlerin birbirleriyle etkileşime girmelerine ve birbirlerini etkilemelerine imkan tanıyan, girişimdir. Fakat Everett’in tüm bu paralel evrenlerin nerede bulunduğuna dair hiçbir fikri yoktu. Dahası, Çoklu Dünyalar fikrinin günümüzdeki savunucularının da buna tatmin edici bir cevabı olduğu söylenemez.
Douglas Adams’ın Otostopçunun Galaksi Rehberi’nde (Hitchhiker’s Guide to the Galaxy) alaylı bir ifadeyle belirttiği gibi: “Paralel evrenler söz konusu olduğunda aklınızda tutmanız gereken iki şey vardır. Birincisi gerçekten paralel olmadıkları; ikincisi ise gerçekten evren olmadıkları !”
Tüm bu bilmecelere rağmen, Everett tarafından öne sürülmesinin üzerinden geçen yarım yüzyılın ardından Çoklu Dünyalar fikri yeniden popülerlik kazanıyor. Her gün sayıları artmakta olan ve aralarında Oxford Üniversitesi ‘nden David Deutsch gibi önemli isimlerin de bulunduğu birçok fizikçi, bu fikri ciddiye alıyor.
Deutsch, Gerçekliğin Dokusu (The Fabric of Reality) isimli kitabında, “Paralel evrenlere yönelik kuantum teorisi, birtakım teorik muammalardan doğan baş belası bir yorum değildir,” demektedir. “Bu fikir sezgilere aykırı, ancak dikkate değer bir gerçekliğin açıklamasıdır – makul olan tek açıklama.”
Eğer Deutsch gibi düşünecek olursanız (ki Çoklu Dünyalar fikri düşünülebilecek her deney için kuantum teorisinin daha geleneksel yorumlarıyla aynı neticeyi öngörmektedir), o halde kuantum bilgisayarları köklü bir yeniliktir. Bu bilgisayarlar, birden çok gerçekliğin kaynaklarını kullanan, insan elinden çıkma ilk makineler olabilir.
Çoklu Dünyalar fikrine inanmasanız bile fikir gizemli kuantum dünyasında neler olup bittiğini anlayabilmemiz için basit ve kolaylıkla algılanabilen bir yol sunmaktadır.
Örneğin çift yarık deneyinde, aynı anda iki yarıktan birden geçen ve kendisiyle girişimde bulunan tek bir foton düşünmek şart değildir. Bunun yerine, bir yarıktan geçen bir foton, diğer yarıktan geçen bir başka fotonla girişimde bulunabilir. Hangi başka foton, diye sorabilirsiniz. Komşu bir evrendeki foton, elbette!
