Belirsizlik İlkesi: Geleceği Bilemeyiz Çünkü Şimdiyi Bilmiyoruz!

Başlangıçta felsefe ilkelerinden biri gibi görünebilir, fakat aslında en ünlü, belki de en az anlaşılan ve çokça karıştırılan fizik teorilerinden birisi: Heisenberg Belirsizlik İlkesi.

Bohr, Dirac ve Schrödinger gibi öncü fizikçiler tarafından keşfedilen ve geliştirilen, atomların ve atom altı parçacıkların nasıl davrandığını açıklayan yeni ve olağandışı bir yöntem olan Kuantum Teorisi, Heisenberg’i de ilhâmla bir araştırmaya sürükledi.

Kuantum Fiziğinin mihenk taşlarından biri olan Heisenberg Belirsizlik İlkesi, ismini aldığı bilim insanı Alman Fizikçi Werner Heisenberg tarafından, 1927 yılında, üzerinde çalıştığı Kuantum Mekaniği araştırmaları ile ortaya çıkmaya başladı. Sezgisel bir Kuantum Fiziği modeli oluşturmaya çalışırken, Heisenberg, belirli ölçümleri ne kadar doğru tahmin edebileceğimize dair sınırlamalar getiren bazı temel ilişkilerin olduğunu keşfetti.

Bu modelin temel ilkesi,

Bir parçacığın momentumunun ve konumunun aynı anda tam doğrulukla ölçülemez olduğudur.

Bu ifadedeki ∆x konumdaki belirsizliği, ∆p momentumdaki belirsizliğini gösterir. ℏ ise h/2π ye eşittir. (h=Planck sabiti)

Konum ve momentum yerine, Heisenberg’in denklemi enerji ve zaman açısından ifade edilebilir. Aynı şekilde, bir değişkenin “belirliliği” diğerinin belirsizliğini arttırır. Bu nedenle, çok kısa bir süre için, bir Kuantum sisteminin enerjisi son derece belirsiz olduğunda, parçacıkların ortamdan(vakumdan) uzaklaşması-ya da çıkması beklenebilir.

Bu denklemlerden, ölçüm ile ilgili hassasiyetimize dayanan sistemin özelliklerini anlatabiliriz. Bu ölçümlerin herhangi birindeki belirsizlik çok küçük olursa, bu da son derece hassas bir ölçüme karşılık gelir, o zaman bu sonuçlar bize karşılık gelen belirsizliğin orantılılığı korumak için artması gerektiğini söyler. Başka bir deyişle, her denklemdeki her iki özelliği de sınırsız bir hassasiyet seviyesine aynı anda ölçemeyiz. Pozisyonu ne kadar hassas bir şekilde ölçersek, momentumunu daha az hassasiyetle ölçeriz (ve tam tersi). Zamanı ne kadar hassas bir şekilde ölçersek, enerjiyi daha az hassasiyetle ölçeriz (ve tam tersi).

Aynı anda birbirinden farklı iki soru sorup iki bambaşka cevap alamadığınız gibi aynı anda iki farklı tip gözlem yapmak da mümkün değildir. Heisenberg’in Belirsizlik İlkesi bu büyük gerçekle ilgilidir. Nitekim bu gerçek, dünyada en yaygın okunan fizikçilerden olan John Gribbin tarafından şu şekilde belirtilmiştir:

“.. Hiçbir varlık aynı anda tam belirlenmiş momentum ( Bu esas itibari ile hız demektir) ve tam belirlenmiş pozisyona sahip değildir. Bu bizim ölçüm cihazımızın eksikliğinden kaynaklanan bir netice değildir. Bu sadece, örneğin bir elektronun, aynı anda hem konumunu hem momentumunu ölçemeyiz demek değildir. Bu bir elektronun aynı anda belli bir konum ve belli bir momentuma sahip olmaması demektir. Herhangi bir anda, elektronun kendisi nerede olduğunu ve nereye gittiğini bilemez.”

Kuantum fiziğinin kurulmasında ilk adımı atan meşhur fizikçi Max Planck ise Heisenberg belirsizlik ilkesi ve maddenin hakikati üzerine şu çarpıcı tespitleri yapıyor:

“… Dalga mekaniğinin ilkelerinden biri olan Heisenberg belirsizlik yasasına göre, belli bir hıza sahip bir elektronun konumu (yeri) tamamiyle belirsizdir. Yalnız elektronun yerini saptamanın olanaksızlığı anlamında değil, aynı zamanda belirli hiçbir yeri (konumu) olmadığı anlamındadır bu belirsizlik.”

Klasik fizik algılarımıza bağımsız bir varlık atfetmişti. Bu varlıklara atfedilen fiziksel özelliklerin de değişmez ve yine bağımsız nitelikler olduğunu öne sürmüştü. Ancak görüldüğü üzere modern fizik bu düşüncelerin yanlışlığını bilimsel olarak ortaya koymuştur. Relativite teorisi ve Kuantum fiziği bu bakımdan aynı gerçeği anlatırlar.

Maddenin algı mertebesinde yaratıldığı teknik bir gerçektir. Modern fizik de buna şahitlik etmektedir. Heisenberg belirsizlik ilkesi gibi sıradışı ilginç bir başka prensip de Kuantum Tünel Etkisi olarak bilinir. Bu bilimsel gerçek de materyalist anlayışın geçersizliğini çarpıcı bir şekilde ortaya koyar.

Belirsizlik ilkesini düşünmenin bir yolu da, gündelik yaşamdaki şeyleri nasıl gördüğümüz ve ölçtüğümüzün bir uzantısı olmasıdır.

Yukarıdakilerin çok garip görünmesine rağmen, aslında gerçek (yani klasik) dünyada işlev görebileceğimiz şekilde iyi benzetmeler de var. Bu kelimeleri okuyabilirsiniz çünkü ışık parçacıkları, fotonlar, ekrandan veya kağıttan sıçradı ve gözlerinize ulaştı. Bu yoldaki her foton, ışık hızında sıçradığı yüzey hakkında bazı bilgiler taşır. Bir elektron gibi atom altı bir parçacık görmek o kadar basit değildir.

Benzer şekilde bir fotonu dışarı atabilir ve daha sonra bu fotonu tespit etmeyi umut edebilirsiniz. Ancak, fotonun, çarptığı ve ölçmeye çalıştığınız parçacığın yolunu değiştirdiği için elektrona bir miktar ivme kazandırması ihtimali var. Ya da başka, kuantum parçacıklarının sıklıkla bu kadar hızlı hareket ettiği göz önüne alındığında, elektron artık foton başlangıçta geri döndüğünde olduğu yerde olmayabilir. Her iki durumda da, ya pozisyon ya da momentum gözleminiz yanlış olacak ve daha da önemlisi, gözlem eylemi gözlemlenen parçacığı etkileyecektir.

Benzer bir işlem, güneşimizin merkezinde, protonların birbirine kaynaştığı ve yıldızımızın parlamasını sağlayan enerjiyi serbest bıraktığı bir olay ile gerçekleşir. Güneşin çekirdeğindeki sıcaklıklar, protonların karşılıklı elektrik itme güçlerinin üstesinden gelmek için yeterli enerjiye sahip değildir. Ancak, belirsizlik ilkesi sayesinde, enerji bariyeri boyunca yollarını tünelleyebilirler.

Başka bir örnek ile devam edelim.

Diyelim ki bir pistte bir yarış arabası izliyorsunuz ve bu araç bitiş çizgisini geçtiğinde kaydetmeniz gerekiyor. Sadece bitiş çizgisini geçtiği zamanı değil, aynı zamanda bunu yaptığı kesin hızı da ölçmeniz gerekiyor. Arabanın bitiş çizgisini geçtiğini gördüğümüz anda bir kronometre üzerindeki bir düğmeye basarak hızı ölçüyorsunuz. Bu klasik durumda, bu konuda belli bir belirsizlik derecesi vardır, çünkü bu eylemler fiziksel olarak zaman alır. Aracın bitiş çizgisine ulaştığını, kronometre düğmesine bastığınızı ve dijital ekrana baktığınızı farklı zamanlarda gözlemleyeceksiniz. Sistemin fiziksel doğası, bunun ne kadar kesin olabileceği konusunda net bir sınır uygular. Hızı izlemeye odaklanıyorsanız, bitiş çizgisinde tam zamanı ölçerken biraz daha esnek olacaksınız ve bu tam tersi için de geçerlidir.

Kuantum fiziksel davranışını örneklemek için klasik örnekleri kullanmak sistem olarak tam örtüşmez, ancak kuantum alanındaki gerçeklik, fiziksel gerçeklikle bağlantılıdır. Kuantum Fiziğinde oldukça küçük boyutlardan, atom altı parçacıklardan bahsediyoruz. En küçük bir değişim, ölçümde büyük farklar yaratabilir.

Belirsizlik ilişkileri, kuantum ölçeğinde parçacıkların dalga benzeri davranışından ve klasik durumlarda bir dalganın fiziksel konumunu tam olarak ölçmenin zor olduğu gerçeğinden çıkarılabilir.

Belirsizlik ilkesi, gözlemlediğimiz ancak klasik fiziği kullanarak açıklayamayacağımız birçok şeyin kalbindedir.

Örneğin, negatif yüklü elektronların pozitif yüklü bir çekirdeği yörüngede tuttuğu atomları alın. Klasik mantığa göre, iki karşıt suçlamanın birbirini çekmesini bekleyebiliriz, böylece her şey parçacıkların çekirdeğine çökmesi beklenir. Belirsizlik ilkesi bunun neden gerçekleşmediğini açıklıyor: Bir elektron çekirdeğe çok yakınsa, uzaydaki konumu tam olarak bilinebilir ve bu nedenle konumunu ölçmede hata minimum olurdu. Bu, momentumunun ölçülmesindeki hatanın çok büyük olacağı anlamına gelir çünkü bu durumda, elektron atomdan fırlayacak kadar hızlı hareket edebilecek hâle gelir.

Bir sözünde Heisenberg şöyle der:

“… modern doğa bilimleri bize şunu gösteriyor: Maddenin, başlangıçta son nesnel gerçek sayılan parçacıklarına artık “kendinden” bir şey gözüyle bakamayız; bunlar zaman ve uzay içinde nesnel olarak saptanamazlar ve elimizde bilim konusu olarak yalnız bu parçacıklar üstüne bilgimiz var. Buna göre, atomlarla onların “kendinden”, yani deneysel gözlemden bağımsız, devinimlerine ait bilgi, araştırma konusu olmaktan çıkmıştır artık. Biz, daha çok şimdi, insanla doğa arasındaki karşılıklı konuşmanın (ki bilim bunun bir parçasıdır) tam ortasındayız. Öyle ki dünyanın öznel ve nesnel, iç ve dış dünya, beden ve ruh diye keyfe bağlı olarak ikiye bölünüşü artık uygulanmamakla kalmıyor, bir takım güçlükler de doğuyor. Doğa bilimleri içinde araştırma konusu artık salt doğa değil, insan tarafından soru yağmuruna tutulan doğadır, bu ölçüde de insan, yine karşısında kendinden başka şey bulamamaktadır.”

Modern fizik göstermiştir ki, gözlemler sorduğunuz bir soru gibidir. Gözlemler, saklı olan bir bilgiyi açığa çıkartmaz. Aksine gözlemle bir soru sorarsınız. Sistem bu cevaba uygun bir yapıya bürünür. Başka bir soru sorduğunuzda da ona uygun bir yapıya bürünür. Seven Ideas That Shook The Universe adlı kitapta, Nathan Spielberg ve Bryon D. Anderson bu gerçeği teyid eden şu itirafı sözleri dikkat çekicidir:

“Ölçmenin kuantum mekaniksel teorisine göre, gözlem elektronu normalde girmeyeceği bir kuantum durumuna girmeye zorlar. Ölçümden önce elektronun hangi yörüngede olduğu bulunamaz, aslında ölçüm onu herhangi bir yörüngeye koyar.”

Belirsizlik ilkesinin, Kuantum Fiziğinde Gözlemci Etkisi fenomeni ile karıştırılması çok yaygındır. Belirsizlik ilkesi, aslında gözlem yapma ya da yapmama durumunda, eylemimiz ne olursa olsun, bir kuantum sisteminin davranışı hakkında kesin ifadeler üzerinde temel bir kısıtlamadır. Öte yandan, gözlemci etkisi belirli bir gözlem yaptığımızda, sistemin kendisi, bu gözlem olmadan da olduğundan farklı davranacağını ima eder.

Kuantum Fiziğinin yasaları içinde, parçacıklar sadece “zamansız” olarak var olduğu ve zamanları dolduğunda yok oldukları(ortadan kayboldukları) sürece bu iyi bir şeydir. Öyleyse belirsizlik, endişelenecek bir şey değildir. Aksine bu ilke varoluşun temelini oluşturur.

REFERANSLAR:

1. https://www.theguardian.com/science/2013/nov/10/what-is-heisenbergs-uncertainty-principle

2. https://www.thoughtco.com/the-heisenberg-uncertainty-principle-2699357

3. Concepts of Modern Physics,Arthur Beiser,2003

All photo credits goes to owners.