Ana Sayfa Kuantum Mekaniği Kuantum Mekaniği Nedir?

Kuantum Mekaniği Nedir?

1245
62

Kuantum mekaniği oluşmaya başladığı ilk zamanlardan bu yana fiziksel dünyayla ilgili düşüncelerimizin farklılaşmasına sebebiyet vermiştir. Bu içerik kuantum mekaniğinin ne olduğuna, kuantum mekaniğinin temel ilkelerine kısaca değinmektedir. Kuantum mekaniği (Quantum mechanics; kuantum fiziği, kuantum teorisi, dalga mekanik modeli ve matris mekaniği olarak da bilinir), kuantum alan teorisi de dahil olmak üzere, fizikte doğanın özelliklerini atomik ölçekte tanımlayan temel bir çerçeve ve teoridir. Diğer bir şekilde söylenecek olursak; kuantum mekaniği, belirsizlik ilkesine tabi olan atom, molekül ve diğer fiziksel sistemlerin mekanik teorisidir.

Klasik fizik ise, görelilik teorisinin ve kuantum mekaniğinin formülasyonundan önce var olan fiziği tanımlamaktadır. Doğanın makroskopik ölçekte birçok yönüne açıklama getir ve formüle eder. Kuantum mekaniği ise, büyük ölçeklerde doğa yasalarını açıklamanın haricinde bu tanımı küçük (atomik ve atom altı) ölçeklere genişletir.

Atomik ve atom altı ölçeğinde, nesnelerin günlük boyutlarda ve hızlarda nasıl hareket ettiğini tanımlayan klasik mekaniğin denklemlerinin çoğu yararlı olmaktan çıkar. Klasik mekanikte, nesneler belirli bir zamanda belirli bir yerde bulunur. Bununla birlikte, kuantum mekaniğinde, nesneler bunun yerine bir olasılık bulanıklığında bulunur; nesnelerin hem A noktasında olma şansları, hem de B noktasında olma şansları da vardır.

Klasik fizikteki teorilerin çoğu ölçekte geçerli bir yaklaşım olarak kuantum mekaniğinden türetilebilir. Kuantum mekaniği; enerji, momentum, açısal momentum ve bağlı bir sistemin diğer miktarlarının ayrık değerlerle (nicemleme) sınırlandırılması, nesnelerin hem parçacıkların hem de dalgaların (dalga-parçacık ikiliği) özelliklerine sahip olması ve sınırları olması nedeniyle klasik fizikten oldukça farklıdır.

Kuantum mekaniği, Max Planck’ın 1900 yılındaki çözümünde olduğu gibi klasik fizik ile uzlaştırılamayan gözlemlerin, Albert Einstein’ın fotoelektrik Albert Einstein’ın 1905 makalesinde enerji ve frekans arasındaki iletişimi açıklamasının ardından yavaş yavaş ortaya çıkmıştır. Ancak erken kuantum teorisi 1920’li yılların ortalarında Erwin Schrödinger, Werner Heisenberg, Max Born ve diğerleri tarafından derinlemesine olarak yeniden tasarlanmıştır.

Kuantum mekaniğinin gelişim sürecini Kuantum Mekaniğinin Kronolojisi yazımız aracılığıyla keşfedebilirsiniz.

Üç temel ilke

Kuantum mekaniği, klasik mekanik matematiğinin açıklayamadığı deneylerin bir dizi tartışmalı matematiksel açıklaması olarak başlayarak, onlarca yıl boyunca gelişti. 20. yüzyılın başında, Albert Einstein’ın görelilik teorisini, nesnelerin yüksek hızlarda hareketini tanımlayan ayrı bir matematiksel devrim olan görelilik teorisini yayınlamasıyla başladı. Bununla birlikte, göreliliğin aksine, kuantum mekaniğinin kökenleri herhangi bir bilim insanına atfedilemez. Daha ziyade, birden fazla bilim adamı, 1900 ve 1930 arasında giderek kabul gören ve deneysel doğrulama kazanan üç devrimci ilkenin temeline katkıda bulundu.

Niceliksel Özellikler

1900 yılında Alman fizikçi Max Planck, ampul filamanları gibi kırmızı-sıcak ve beyaz-sıcak nesnelerin parıltısında spektrumdan yayılan renklerin dağılımını açıklamaya çalıştı. Bu dağılımı tanımlamak için türettiği denklemin fiziksel anlamını verirken, Planck, sadece belirli renklerin (çok sayıda da olsa) kombinasyonlarının, özellikle de bazı temel değerin tam sayı katları olanların yayıldığını ima etti. Her nasılsa renkler nicelendi! Bu beklenmedik bir şeydi çünkü ışığın bir dalga gibi davrandığı anlaşılıyordu, yani renk değerleri sürekli bir spektrumda olmalıydı. Atomların bu tam sayı katları arasındaki renkleri üretmemesinin sebebi ne olabilirdi? Bu o kadar garip görünüyordu ki Planck nicemlemeyi matematiksel bir numaradan başka bir şey olarak görmedi. Ancak o dönemde herkes bu yanılgıya düşmüş durumdaydı.

Planck’ın denklemi, ileride kuantum mekaniğinin gelecekteki gelişimi için çok önemli olacak bir sayı da içeriyordu; o sayı, bu gün Planck sabiti olarak adlandırılmaktadır.

Nicemleme fizikteki diğer gizemleri açıklamaya yardımcı oldu. 1907’de Einstein, bir katının sıcaklığının neden farklı miktarlarda değiştiğini açıklamak için Planck’ın nicelik hipotezini kullandı.

1800’lerin başından beri, spektroskopi bilimi, farklı elementlerin “spektral çizgiler” adı verilen belirli ışık renklerini yaydığını ve emdiğini göstermiştir. Spektroskopi, uzak yıldızlar gibi nesnelerde bulunan elementleri belirlemek için güvenilir bir yöntem olmasına rağmen, bilim insanları her bir elementin neden bu belirli çizgileri ilk başta verdiğini merak etti. 1888’de Johannes Rydberg, hidrojenin yaydığı spektral çizgileri tanımlayan bir denklem elde etti, ancak kimse denklemin neden çalıştığını açıklayamadı. Bu, Niels Bohr’un Planck’ın nicemleme hipotezini Ernest Rutherford’un 1911 “gezegen” atom modeline uyguladığı zaman değişti.

Physics 2000’e (Colorado Üniversitesi’nden bir yayın) göre Bohr, elektronların bir atom çekirdeği etrafındaki “özel” yörüngelerle kısıtlandığını öne sürdü. Özel yörüngeler arasında “sıçrayabilirler” ve sıçramanın ürettiği enerji, spektral çizgiler olarak gözlenen belirli ışık renklerine neden olur. Niceliksel özellikler sadece bir matematik hilesi olarak icat edilmiş olsa da, o kadar iyi açıklama getirdiler ki kuantum mekaniğinin kurucu ilkesi haline geldiler.

Dalga-Parçacık İkiliği

1905 yılında Einstein, ışığın bir dalga olarak değil, bir tür “enerji kuantası” olarak hareket etmesini öngördüğü “Işığın Emisyonu ve Dönüşümü Hakkında Sezgisel Bir Bakış Açısı” başlıklı makalesini yayınladı. Einstein’ın önerdiği bu enerji paketi, özellikle bir atom, nicelenmiş titreşim hızları arasında “sıçrarsa” “sadece bir bütün olarak emilebilir veya üretilebilir” anlamına geliyordu. Bu aynı zamanda, birkaç yıl sonra gösterildiği gibi, bir elektronun nicelenmiş yörüngeler arasında “zıplaması” durumunda da geçerliydi. Bu model altında, Einstein’ın “enerji miktarı”, sıçramanın enerji farkını içeriyordu; Planck’ın sabitine bölündüğünde, bu enerji farkı, bu miktarların taşıdığı ışığın rengini belirledi.

Işığa göz atmanın bu yeni yolu ile Einstein, Planck’ın bir ampul filamanından yayıldığını tarif ettiği spesifik renkler de dahil olmak üzere dokuz farklı fenomenin davranışı hakkında bilgiler sundu. Ayrıca, belirli etkileşimlerin, “fotoelektrik etki” olarak bilinen bir fenomen olan elektronları metal yüzeylerden nasıl koparabileceğini açıkladı.

Einstein’ın bu keşfinden yaklaşık yirmi yıl sonra, “foton” terimi, bir elektron ışını tarafından dağılan ışığın renk değiştirdiğini gösteren Arthur Compton’un 1923 çalışması sayesinde enerji miktarını tanımlamak için popüler hale geldi. Bu, ışık parçacıklarının (fotonlar) gerçekten parçacıklarla (elektronlar) çarpıştığını ve böylece Einstein’ın hipotezini doğruladığını gösterdi. Bu sayede, ışığın hem dalga hem de parçacık olarak davranabileceği ve ışığın “dalga-parçacık ikiliği” nin doğrulanarak kuantum mekaniğinin temeline oturtulabileceği anlaşıldı.

Maddenin Dalga Özelliği

1896’da elektronun keşfinden bu yana, tüm maddelerin parçacıklar şeklinde var olduğuna dair kanıtlar yavaş yavaş inşa ediliyordu. Yine de, ışığın dalga-parçacık ikililiğinin göstermesi, bilim insanlarına maddenin sadece parçacık olarak hareket etmekle sınırlı olup olmadığını sorgulattı. Belki de dalga-parçacık ikiliği madde için de geçerli olabilirdi?

Bu muhakemeyle önemli ilerleme kaydeden ilk insanı, Louis de Broglie adında bir Fransız fizikçiydi. 1924 yılında de Broglie, parçacıkların dalga benzeri özellikler gösterebileceğini ve dalgaların parçacık benzeri özellikler gösterebileceğini göstermek için Einstein’ın özel görelilik teorisinin denklemlerini kullandı. Daha sonra 1925’te bağımsız çalışan ve ayrı matematiksel düşünme çizgilerini kullanan iki bilim insanı, de Broglie’nin denklemlerini elektronların atomlarda nasıl dolaştığını açıklamak için (klasik mekanik denklemleri kullanılarak açıklanamayan bir fenomen) uyguladı. Almanya’da fizikçi Werner Heisenberg (Max Born ve Pascual Jordan ile birlikte) bunu “matris mekaniği” geliştirerek başardı. Avusturyalı fizikçi Erwin Schrödinger, “dalga mekaniği” adlı benzer bir teori geliştirdi. Schrödinger 1926’da bu iki yaklaşımın eşdeğer olduğunu gösterdi (İsviçreli fizikçi Wolfgang Pauli, Jordan’a matris mekaniğinin daha eksiksiz olduğunu gösteren yayınlanmamış bir sonuç gönderdi).

Her bir elektronun Rutherford-Bohr modelinin yerini bir atom çekirdeği etrafında bir dalga (bazen “bulut” olarak da anılır) olarak gördüğü Heisenberg-Schrödinger atom modeli oluşuyordu. Yeni modelin şartlarından biri, bir elektron oluşturan dalganın uçlarının buluşması gerektiğiydi. Bu şartın bir sonucu, sadece bazı sayılarda kret ve bretlere izin verilmesidir, bu da bazı özelliklerin neden nicelendirildiğini açıklamaktadır.

Atomun Heisenberg-Schrödinger modelinde, elektronlar yörüngelerden ziyade bir “dalga fonksiyonuna” uyar ve “orbitalleri” işgal eder. Rutherford-Bohr modelinin dairesel yörüngelerinden farklı olarak, atomik orbitaller değişen çeşitli şekillere sahiptir.

1927’de Walter Heitler ve Fritz London, atomik orbitallerin moleküler orbitalleri oluşturmak için nasıl birleşebileceğini göstermek için atom mekaniğini geliştirdiler ve atomların molekülleri oluşturmak için neden birbirlerine bağlandığını etkili bir şekilde gösterdiler. Bu, klasik mekaniğin matematiği kullanılarak çözülemeyen başka bir sorundu. Bu anlayış “kuantum kimyası” ise alanına yol açtı.

Belirsizlik ilkesi

Ayrıca 1927’de Heisenberg kuantum fiziğine büyük bir katkı daha yaptı. Belirsizlik ilkesi olarak tanımlanan ilke, 1927 yılında Werner Heisenberg tarafından öne sürüldü.

Kuantum fiziğinde Heisenberg’in belirsizlik ilkesine göre, bir parçacığın momentumu ve konumu aynı anda tam doğrulukla ölçülemez (momentum değişimi = kütle değişimi x hız değişimi). Belirsizlik ilkesini daha da genellenmiş olarak anlatmak istersek şunları söyleyebiliriz. Kökleşik (klasik, deterministik) fizikten ayrı olarak kuantum fiziğinde her fiziksel niceliğe denk gelen bir gerçek sayı değil, bir işlemci vardır. Bu işlemciler, kökleşik mekanikten ayrı olarak sayısal değerler ile değil matrisler ile temsil edilir. Dolayısıyla, kuantum mekaniğinde ölçülen fiziksel niceliğin ölçüm sırası önemlidir. Herhangi iki fiziksel niceliği (örneğin: konum ve momentum) ele alalım. Eğer bu fiziksel niceliklere denk gelen iki işlemci yer değiştiremiyorsa bu iki niceliğin (örneğin: momentum ve konum) aynı anda ölçülmesi olanaksızdır. Bu durumda kesin sonuçlardan değil, bir ortalama değer yakınlarında dalgalanan değerlerden söz edebiliriz.

Belirsizlik ilkesi günlük boyutlu nesneler için de geçerlidir, ancak fark edilmez çünkü hassasiyet eksikliği olağanüstü küçüktür. Morningside College’dan (Sioux City, IA) Dave Slaven’a göre, bir beyzbolun hızının 0,1 mil / saat’lik bir hassasiyet içinde olduğu biliniyorsa, topun konumunu bilmek için mümkün olan maksimum hassasiyet 0.000000000000000000000000000008 milimetredir.

Kaynakça

  1. Encyclopedia Britannica – Quantum Mechanics
  2. Quantum Mechanical Model by Nuffield Foundation
  3. Matter as a Wave
Bu içeriği paylaş
Önceki İçerikYüksek hızlı kuantum iletişim gelişiyor
Sonraki İçerikKuantum materyaller yapay zekanın ihtiyaç duyduğu enerjiyi karşılayabilir
Avatar
QTurkey, Türkiye’deki kuantum teknolojileriyle ilgili faaliyetler için bir iletişim ve işbirliği ağıdır. “Kuantum Programlamaya Giriş” çalıştayları düzenliyor, ilgili konulardaki ilgili öğrenciler için çalışma grupları ve toplantılar organize ediyoruz ve ülke düzeyinde kuantum meraklıları için bir buluşma alanı oluşturabilme amacıyla hareket ediyoruz.

62 YORUMLAR

  1. Hi there, i read your blog occasionally and i own a similar one and i was just wondering if you get a lot of spam comments? If so how do you stop it, any plugin or anything you can suggest? I get so much lately it’s driving me insane so any help is very much appreciated.

  2. Hey there! I know this is kinda off topic however , I’d figured I’d ask. Would you be interested in exchanging links or maybe guest writing a blog article or vice-versa? My site discusses a lot of the same subjects as yours and I believe we could greatly benefit from each other. If you happen to be interested feel free to send me an e-mail. I look forward to hearing from you! Awesome blog by the way!

  3. I blog frequently and I genuinely appreciate your content. This article has really peaked my interest. I will bookmark your website and keep checking for new information about once a week. I subscribed to your RSS feed as well.

  4. This is the right blog for anybody who would like to find out about this topic. You understand so much its almost hard to argue with you (not that I personally would want toHaHa). You definitely put a new spin on a topic that’s been written about for a long time. Excellent stuff, just excellent!

  5. Whats up very nice web site!! Guy .. Beautiful .. Amazing .. I will bookmark your web site and take the feeds also? I am satisfied to find so many useful information here in the submit, we’d like develop more strategies in this regard, thank you for sharing. . . . . .

  6. Do you have a spam issue on this website; I also am a blogger, and I was wanting to know your situation; many of us have created some nice procedures and we are looking to swap solutions with other folks, be sure to shoot me an e-mail if interested.

  7. Hello there, simply became aware of your blog thru Google, and found that it is really informative. I’m gonna watch out for brussels. I will appreciate if you continue this in future. A lot of folks can be benefited from your writing. Cheers!

  8. I’ve been exploring for a little for any high-quality articles or blog posts in this kind of space . Exploring in Yahoo I finally stumbled upon this web site. Reading this info So i’m satisfied to exhibit that I have a very good uncanny feeling I came upon exactly what I needed. I so much indisputably will make certain to don?t forget this web site and give it a look on a continuing basis.

  9. Does your website have a contact page? I’m having a tough time locating it but, I’d like to send you an e-mail. I’ve got some recommendations for your blog you might be interested in hearing. Either way, great site and I look forward to seeing it improve over time.

  10. Thanks for your marvelous posting! I actually enjoyed reading it, you are a great author. I will be sure to bookmark your blog and will eventually come back in the future. I want to encourage you to definitely continue your great job, have a nice day!

  11. It is perfect time to make a few plans for the longer term and it is time to be happy. I have read this submit and if I may just I want to suggest you few interesting things or suggestions. Perhaps you could write next articles referring to this article. I wish to read more things approximately it!

  12. Pretty component to content. I simply stumbled upon your weblog and in accession capital to claim that I acquire in fact enjoyed account your blog posts. Any way I’ll be subscribing in your augment or even I achievement you access persistently rapidly.

  13. Thank you for any other wonderful article. Where else may anyone get that kind of information in such a perfect means of writing? I have a presentation next week, and I am at the look for such information.

  14. Howdy, I do believe your site may be having browser compatibility issues. When I look at your web site in Safari, it looks fine but when opening in IE, it has some overlapping issues. I just wanted to give you a quick heads up! Other than that, fantastic blog!

CEVAP VER

Lütfen yorumunuzu giriniz!
Lütfen isminizi buraya giriniz