Kuantum Mekaniği Nedir?

Madde ve ışığın, atom ve atomaltı seviyelerdeki davranışlarını inceleyen bilim dalına kuantum mekaniği ismi verilmektedir. Diğer isimleri Nicem mekaniği ve dalga mekaniği olarak karşımıza çıkar. Kuantum mekaniğinin açıklamaya çalıştığı konular, moleküller ve atomlar olduğu gibi aynı zamanda moleküller ve atomları oluşturan elektron, proton, nötron, gluon ve kuark gibi parçacıkların özellikleri ve davranışlarıdır. Çok geniş bir çalışma alanı olan kuantum mekaniği aynı zamanda parçacıkların birbirleri ile ve ışık, gama ışını veya x ışını gibi elektromanyetik radyasyonlarla gerçekleşen etkileşimlerini de anlamaya ve açıklamaya çalışmaktadır.

Kuantum kelimesi Latince “quantus” kelimesinden türemiştir ve İngilizce anlamı “ne büyüklükte, ne kadar” olarak açıklanabilir. Bu kullanım kuramın fiziksel nicelikler için kullandığı kesikli birimlere gönderme yapma amaçlıdır. Mekanik kelimesi ise “bir şeyin çalışma prensibi” anlamına gelip İngilizce söylemi “mechanics” olarak karşımıza çıkar. Kuantum mekaniğinin temellerini atan pek çok bilim insanı vardır. Bu bilim insanları arasında Max Planck, Niels Bohr, Albert Einstein, Werner Heisenberg, Max Born, Erwin Schrödinger, Paul Dirac, Wolfgang Pauli ve John von Neumann gibi ünlü bilim insanları yer almaktadır. Bu alanda geliştirilen kavram ve kuramlara örnek verecek olursak; belirsizlik ilkesi, Planck sabiti, anti madde, kara cisim ışınımı, Kuantum alan kuramı ve dalga kuramı gibi kavramları sıralayabiliriz. Geliştirilen bu kavramlar aslında klasik fizikte bir sarsıntı yaşanmasına ve klasik fiziğin değiştirilmesine sebep olmuştur.

Tarihi Gelişimi

• Pieter Zemaan isimli bilim insanının 1897 yılında bir atom içindeki yüklü parçacıkların hareketi sonucu ışığın yayımlandığını ortaya atmasından sonra J. J. Thomson isimli bilim insanı da elektronu keşfetmiştir.

• 1900 yılında Max Planck, kara cisim ışıması olayını kuantumlanmış enerji yayımı ile açıklamayı başarmış ve böyle kuantum kuramının doğuşu gerçekleştirmiş.

• Albert Einstein 1905 senesinde dalga özellikleri olan ışığın belirli büyüklüklerdeki enerji paketlerinden meydana geldiği düşüncesini öne sürmüştür. Dalga özellikleri olan ışık, daha sonraları foton olarak adlandırılmıştır.

• 1911 yılında Ernest Rutherford'un atomun çekirdek modelini yaratmasının ardından 1913 yılında Bohr, atomu bir gezegen sistemi halinde betimlemiştir.

• Arthur Compton 1923 yılında yaptığı çalışmalar sonucu x-ışınlarının elektronlarla etkileşime girmesi sonucu tıpkı bilardo toplarına benzer davranışlar sergilediklerini gözlemlemiş ve bu sayede ışığın parçacık hareketi ile ilgili yeni kanıtlar sunmuştur.

• Yine 1923 yılında Louis de Broglie araştırmaları ve çalışmaları sonucunda dalga-parçacık ikiliğini genelleştirmiştir.

• 1924 yılında Satyendra Nath Bose ve Albert Einstein kuantum parçacıklarını sayabilmek adına, Bose-Einstein istatistiği ismi verilen yeni bir yönteme imza atmışlardır.

Kuantum Mekaniği Uygulamaları

Fizik ve kimya bilimlerinin temelleri aşağıdaki temel araştırmalar üzerine kurulu haldedir:

• Elektromanyetik
• İstatistiksel Mekanik
• Akışkanlar Mekaniği
• Klasik Mekanik
• Kuantum Mekaniği
• Kimyasal Kinetik
• Termodinamik
• Optik

Fizik ve kimyanın bunlar dışındaki diğer tüm dalları yine bu temel araştırmaların uygulamaları olarak karşımıza çıkar. Bu bilgiye göre bu dallar “saf” diğerleri ise “uygulamalı” kimya ve fizik olarak yorumlanabilir. Bunun dışında kuantum mekaniğinin mikro sistemeler üzerine uygulanması ise aşağıda belirtilen uygulamalı fizik ve kimya dallarından türemiştir;

• Katı Hal Kimyası (Fiziği): Katı halin kuantum mekaniği olarak karşımıza çıkar.
• Sıvı Hal Kimyası (Fiziği): Sıvı halin kuantum mekaniğine verilen isimdir.
• Anorganik Kimya, Organik Kimya ve Biyokimya: Bu kavramlar temel bir uygulama dalı olarak incelenen Kuantum Kimyasının özel olarak ve sırasıyla anorganik, organik ve biyomoleküller üzerinde olan uygulamasıdır.
• Nükleer Kimya (Fizik): Çekirdeğin kuantum mekaniğine verilen isimdir.
• Kuantum Kimyası: Atom ve moleküllerin kuantum mekaniğine kuantum kimyası ismi verilir. Fizikte ise genellikle Atom ve Molekül Fiziği ismi tercih edilmektedir.
• Parçacık Kimyası (Fiziği): Atomaltı parçacıkların kuantum mekaniği olarak karşımıza çıkar.
• Plazma Kimyası (Fiziği): Plazmanın kuantum mekaniğine verilen isimdir.

Kuantum mekaniğinden uygulamalar içeren farklı birçok dal daha vardır bunlara örnek olarak fotokimya, fotofizik ve yüzey kimyası gibi dalları verebiliriz. Kuantum mekaniğinin sağladığı faydalardan biri de biyoloji, elektronik, malzeme bilimi gibi birçok alanın günümüzde anlam kazanmasına yardımcı olmasıdır.

Kuantum mekaniği sayesinde mümkün olan icatlar arasında, laser, maser ve yarı iletkenler gibi günümüzde olmazsa olmaz icatlar bulunmaktadır. Bize kuantum mekaniğinin gösterdiği doğayla ilgili bilgiler sonucunda ortaya çıkan icatlar arasında, elektron mikroskobu, taramalı tünellemeli mikroskop, atomik kuvvet mikroskobu gibi ve biyolojik ve nanoteknolojik uygulamaların olmazsa olmazları olan, PET-Scan, MRI, tomografi gibi tıbbi görüntüleme cihazları söylenebilir. Ayrıca yine tıp, elektronik, nanoteknoloji gibi pek çok alanda birçok kullanımı olan fiberler, kuantum mekaniğinin doğrudan bir uygulama örneği olarak karşımıza çıkar. Modern kimya, tamamen kuantum fikirleri üzerine inşa edilmiş ve çok karmaşık modellerin ortaya çıkması bu sayede mümkün olmuştur.

Kuantum Mekaniği Tamamlanmış Bir Teori Midir?

Kuantum mekaniğinin temelleri 1927 yılında formüle edilen Heisenberg belirsizlik ilkesinden bu yana hiçbir değişikliğe uğramadan günümüze kadar gelmiştir. Kuantum mekaniğine bağlı olarak ortaya çıkan teori ve kavramlar da bu ilkede herhangi bir değişiklik yapılmasını gerektirmemiştir. Kuantum mekaniğinin doğuşundan itibaren temel ilkelerin anlaşılması açısından ortaya büyük tartışmalar çıkmıştır. Bu tartışmalardan en bilineni, A. Einstein, N. Rosen ve B. Podolsky'nin 1935 yılında yayınladıkları “Doğanın Kuantum Mekaniksel Tasviri Tamamlanmış Kabul Edilebilir Mi?” başlıklı makaleyle başlamıştır. Bu makale yazarların isimlerinin baş harfleri olan “EPR Paradoksu” olarak adlandırmaktadır. Bu makale bir fizik teorisinin tamamlanmış olarak isimlendirilmesi için iki temel şarta ihtiyaç olduğunu öne sürmektedir. Bu iki temel şart;

1. Teorinin doğruluğu
2. Teorinin tamamlanmışlığı

EPR makalesinin öne sürdüğüne göre bir teorinin doğru olarak kabul edilebilmesi için teori deney sonuçlarıyla uyumlu olmalıdır. Kuantum mekaniği ise deneyleriyle oldukça uyumlu olduğu için doğru olarak kabul edilir. Teorinin başarılı olabilmesi için gereken diğer şart olan tamamlanmışlık şartı ise makalede şu şekilde verilmiştir; “Bir fizik kuramında, her fiziksel gerçekliğe karşılık gelen bir öge bulunmalıdır.”

Makalede tanımlanan fiziksel gerçeklik ifadesi ise; “Dinamik sistemi herhangi bir biçimde bozmadan kesinlikle tahmin edilebilen bir fiziksel nicelik değeri varsa, o zaman fiziksel gerçekliğin bu fiziksel niceliğe karşılık gelen bir ögesi vardır anlamına gelmektedir.”

Dinamik sistemi bozmadan teoride elde edilebilen fiziksel niceliğin kesin bir değeri varsa, o zaman teoride hesaplanan bu kesin değer fiziksel gerçekliğin bir ögesine karşılık gelmektedir. Fakat fiziksel gerçekliğin tüm ögelerinin fizik teorisinde karşılıklarının olması gerektiği gibi bir şart yoktur. Bu sebeple, EPR paradoksuna göre doğru bir teorinin aynı zamanda tamamlanmış olması gerekmemektedir.