101 Soruda Kuantum (Göremediğiniz Dünya Hakkında Bilmeniz Gereken Herşey) – Kenneth W. Ford

??Kuantum fiziğindeki ?büyük fikirlerin? kesin bir listesi yok. Ancak kuantum fiziğinin doğa kavrayışımıza kazandırdıklarının özünü yansıtan on iki fikir var. Bunların tümünün ortak noktası fiziksel dünyanın nasıl işlemesi gerektiğine dair gündelik deneyimimize dayanarak kazandığımız beklentilerle, bir diğer deyişle ?sağduyuyla? çelişiyor olmaları…??

Konusunda uzman bir fizikçi olan K.W.Ford, dikkatlice seçilmiş 101 sorunun cevabını herkesin anlayabileceği bir şekilde vererek, kuantum kuramının üzerindeki gizemi kaldırmayı amaçlıyor. Son yıllarda çok sık rastladığımız ‘yanlış kuantum önyargılarını’ bu 101 soru-cevap ile çürütüyor. Kuantumun en temel özelliklerinin birer özetinin yer aldığı kitap, kuantum konusunda bilmeniz gereken her şeyi özetliyor.

‘Çok harika bir kitap. Okumaktan kendinizi almayacaksınız’ Frank Wilczek, 2004 Fizik Nobel ödülü sahibi

?Bu eğlenceli ve kapsamlı kitabında Ford, modern fiziği başarıyla özetliyor. Fizikçi olmayanların anlayacağı bir dilde, en zor kuantum kavramlarını açıklıyor.??Publishers Weekly (starred review)

?Kenneth Ford? un soru-cevap yöntemi, kuantum tuhaflıklarını bir referans kitabı olacak şekilde açıklıyor.??Amanda Gefter, New Scientist
?Onlarca yıl boyunca piyasada yayınlanan genel okur kitlesine yönelik modern fizik kitapları içinde en iyisi?? Jack W. Weigel, Library Journal (starred review)

Princeton Üniversitesinden doktora alan fizikçi Kenneth W. Ford, çeşitli üniversitelerde ve enstitülerde görev yaptıktan sonra Massachusetts Üniversitesi Fizik bölümünden emekli olmuştur. Bir süre Amerikan Fizik Enstitüsünün başkanlığını yapmış olan Kenneth W. Ford, aldığı çok sayıda bilim ödülünün yanı sıra, bir çok popüler fizik kitabına da katkıda bulunmuştur.

Önsöz
Kuantum Fiziğinin Büyük Fikirleri

Kuantum fiziğindeki ?büyük fikirlerin? kesin bir listesi yok. Ancak kuantum fiziğinin doğa kavrayışımıza kazandırdıklarının özünü yansıtan on iki fikir var. Bunların tümünün ortak noktası fiziksel dünyanın nasıl işlemesi gerektiğine dair gündelik deneyimimize dayanarak kazandığımız beklentilerle, bir diğer deyişle ?sağduyuyla? çelişiyor olmaları.

Genel algı ile kuantum algı arasındaki bağlantı kopukluğunun basit bir nedeni var. İçinde yaşadığımız dünyada kuantum etkileri (ve görelilik etkileri) duyularımız üzerinde doğrudan bir etkide bulunmuyor. Dünyaya dönük (en azından fiziksel dünyaya dönük) yaklaşımımızı bizler gördüklerimiz, duyduklarımız, tadını aldıklarımız, kokladıklarımız ve dokunduklarımız üzerine inşa ediyoruz. Bu dünya yaklaşımının, çok küçük ve çok hızlı olanların dünyası olan kuantum dünyasında da geçerli olduğu ortaya çıkabilirdi, ancak öyle olmadı. Dolayısıyla bize acayip ve olağanüstü görünen yeni fikirlerle karşı karşıya kaldık. Bu kitap boyunca bunlar anlatılacaktır. O yüzden tetikte olmalısınız.

Günlük yaşamlarını kuantum alanında sürdüren canlıların var olduğunu hayal edin. Onlar için aşağıda sıralanan fikirler hiç heyecan verici olmaz, bilakis apaçık olurdu. Biz dünyalılar için ise akla hayale sığmayan ürkütücü bir nitelik taşıyorlar.

Kuantum öbeklilik: Doğa, hem dünyayı oluşturan madde parçalarında hem de gerçekleşen değişimlerde esasen tanecikli veya topaklı bir yapıya sahiptir.

Olasılık: Küçük ölçekli dünyadaki olaylara, bizler olaylar hakkında bilenebilecek her şeyi biliyor olsak dahi olasılık hükmeder.

Dalga-parçacık ikiliği: Madde hem dalga hem de parçacık özellikleri gösterebilir.

İmha ve yaratım: Tüm etkileşimler parçacıkların yok olma ve var olmasını içerir ve gerektirir.

Spin: Görünür fiziksel uzama sahip olmayan ?nokta parçacıklar? bile spin edebilir, spin (dönme) kuantize bir özelliktir.

Üst üste binme: Bir parçacık veya bir parçacık sistemi aynı anda iki veya daha fazla hareket durumunda olabilir.

Anti sosyal parçacıklar: Fermiyon denen parçacıklar bir dışarlama ilkesine uyarlar. Özdeş iki fermiyon aynı anda aynı hareket durumunda olamazlar. Periyodik tablo dışarlama ilkesi sayesinde var olur.

Sosyal parçacıklar: Bozon denen parçacıklar aynı hareket durumunda toplaşabilirler (hatta bundan ?hoşlanırlar?), bu Bose-Einstein yoğuşması adı verilen üst düzey bir ?birlikteliği? mümkün kılar.

Korunum: Bazı nicelikler değişimin tüm süreçlerinde sabit kalırlar. Başka bazı nicelikler (kısmi korunumlu nicelikler) değişimin belirli bazı çeşitleri esnasında sabit kalırlar.

Hız sınırı: Işık hızı doğadaki hız sınırıdır. (Görelilik kuramının bu sonucu, en çarpıcı biçimiyle kuantum dünyasında ortaya çıkar.)

E = mc2: Kütle ve enerji tek bir kavramda birleşir; böylelikle kütle enerjiye, enerji kütleye çevrilebilir. (Görelilik kuramının bir diğer sonucu, kendisini en etkileyici biçimde kuantum dünyasında gösterir.)

Tanrı’nın belası parçacığı anlamak için ?101 Soruda Kuantum? – Kerem Cankoçak

Sonunda medyatik parçacık keşfedildi. 4 Temmuz 2012 tarihinde CERN’in genel müdürü Rolf Hauer Higgs parçacığının kütlesinin 125 GeV’ da (proton kütlesinin 125 katı) gözlemlendiğini açıkladı. Birçok yayın organında ?Tanrı parçacığı?, ?evrenin oluşumunu açıklayan parçacık? vb gbi sıfatlar alan Higgs bozonu gerçekte nedir?

Söylentiye göre kendisi de ünlü bir parçacık fizikçisi olan Lederman, Peter Higgs’in adını taşıyan parçacığın bulunması için gösterilen tüm çabalara rağmen bir türlü saptanamayışı dolayısıyla ?kahrolası (goddamned) parçacık? demek istemiş, ancak yayıncısı kamu beğenisini gözeterek bunu ?Tanrı (God) parçacığı? olarak değiştirmiştir. Uğrunda bunca para harcanan ve 50 yıldır keşfedilmeye çalışılan Higgs bozonu gerçenten bu kadar önemli mi?

Higgs parçacığı bir atom-altı parçacık, hatta temel parçacık olduğu için her şeyden önce kuantum yasalarına tabidir ve Higgs’i anlamak için biraz kuantumdan anlamak gerekir. İkinci olarak da Standart Modelin son eksik parçası olan Higgs parçacığını ancak Standart Model içinde kavrayabiliriz. Bu iki derin konuyu en iyi anlatan kitaplardan birisi 101 Soruda Kuantum.
Konusunda uzman bir fizikçi olan K.W.Ford, dikkatlice seçilmiş 101 kuantum sorusunun cevabını herkesin anlayabileceği bir şekilde vererek, kuantum kuramının üzerindeki gizemi kaldırmayı amaçlıyor. Son yıllarda çok sık rastladığımız ‘yanlış kuantum önyargılarını’ bu 101 soru-cevap ile çürütüyor. Kuantumun en temel özelliklerinin birer özetinin yer aldığı kitap, kuantum konusunda bilmeniz gereken her şeyi özetliyor. Amerikan Fizik Derneğinin eski başkanı olan ve ünlü fizikçi John Wheeler’in hem öğrencisi hem dostu olan Ford 101 Soruda Kuantum kitabının 98. sorusu olarak Higgs’i ele alıyor. 2010 yılında yazılan kitabın Higgs’le ilgili bölümünde okunabileceği gibi, fizikçiler uzun yıllar süren araştırmalarının sonunda Higgs parçacığının kütlesinin 115 GeV ile 141 GeV arasında olması gerektiğini saptamışlardı. Nitekim CERN’de yapılan ölçümler sonunda Higgs parçacığının 125 GeV kütlesine sahip olduğu buldu. Burada GeV bir enerji birimidir (bir milyar elektron volt) ki Einstein’ın ünlü enerji eşittir kütle formülünü hatırlarsak parçacığın kütlesini neden enerji cinsinden aldığımızı kavrarız. Ancak Higgs bozonu maddesine gelene kadar, daha önceki maddelerde yer alan SM’i okumak gerekiyor. Örneğin neden Higgs parçacığına ?bozon? deniyor? Bir kuvvet taşıyıcı parçacık olan bozonlar, diğer temel parçacıklar olan fermiyonlar arasındaki etkileşimi nasıl sağlıyorlar? Bütün bu soruların cevabı 101 Soruda Kuantum kitabında yer alıyor.

İnsanlık, tarih boyunca ?madde nelerden oluşur?? ve ?bunları bir arada tutan şey nedir?? soruları etrafında doğayı anlamaya çalışmıştır. Sayısız deneyler ve deneylere öneri, öngörü ve yorum getiren kuramsal çalışmalar göstermiştir ki madde çok az sayıda ve oldukça küçük yapı taşlarından oluşmaktadır. Diğer bir deyimle, hava, su, ateş ve toprak bir metrenin on milyarda biri büyüklüğündeki atomlardan; atomlar kendilerinden on bin kat küçük çekirdek ile bir milyar kat küçük elektronlardan; çekirdek ise kendinden on kat daha küçük nötron ve protonlardan oluşmaktadır. Atom çekirdeğindeki proton ve nötronlar ise temel parçacık olan kuarklardan meydana gelmektedir. Böylesi küçük varlıkların davranışları günlük hayatta gözlemlediğimiz cisimlerden farklıdır: konumları ne kadar yüksek hassasiyetle ölçülürse hızları o kadar az hassasiyetle bilinebilir (Heisenberg belirsizlik ilkesi); hem dalga hem parçacık özellikleri gösterirler; devinim esnasında belli bir yörünge izlemezler; verilen bir durumdan diğerine geçerken gözlenemeyen ara durumlar yaşarlar. Bu prensipler bütünü kuantum mekaniği olarak adlandırılır. Günümüzde içinde yaşadığımız evrenin ve onu oluşturan maddenin temel yapısını çok iyi biliyoruz. Bu konuda şimdiye kadar gelişmiş ve deneysel olarak ispatlanmış en iyi teori Standart Model (SM) adı verilen bir modeldir. Evrende, bilinen dört temel kuvvetten ikisini, Elektromanyetik ve Zayıf kuvveti, aynı kuram içinde birleştiren Standart Model, fizik biliminin 20. yy’ daki en büyük başarılarından biri olmuştur.
Standart modeldeki soruların bir kısmını çözmek için ortaya atılan en basit teori, bütün parçacıkların kütlesiz oluşudur! Evreni alanlar doldurmuştur, parçacıklar Higgs alanı denilen bu alanla etkileşime girerken kütle kazanmaktadır. İşte bu nedenle Higgs parçacığı önemlidir.
SM’deki parçacıkların nasıl kütle kazandırıdıklarını açıklığa kavuşturan Higgs mekanizması, ilk defa 1962 yılında Philip Warren Anderson tarafından ortaya atılmıştı. Daha sonra 1964’de birbirinden bağımsız 3 gurup, bu mekanizmayı görelilik kuramına uygun hale getirdiler: Robert Brout ve Francois Englert; Peter Higgs; ve Gerald Guralnik, C. R. Hagen, ve Tom Kibble.
Daha sonra Steven Weinberg ve Abdus Salam Higgs mekanizmasını kullanarak SM’i temellerini kurdular. SM’e göre, çok yüksek sıcaklıklarda Elektro-zayıf simetri kırılmadan dururken, bütün parçacıklar kütlesizdir. Düşük sıcaklıklarda, belli bir kritik sıcaklıkta EW simetri kırılır ve W ile Z bozonları kütle kazanır.

Yazar kitabında SM’i detaylıca tarif etmeden önce temel kuantum kavramlarını ele alıyor. Ford’un sözüyle devam edersek: ?Kuantum fiziğindeki ?büyük fikirlerin? kesin bir listesi yok. Ancak kuantum fiziğinin doğa kavrayışımıza kazandırdıklarının özünü yansıtan on iki fikir var. Bunların tümünün ortak noktası fiziksel dünyanın nasıl işlemesi gerektiğine dair gündelik deneyimimize dayanarak kazandığımız beklentilerle, bir diğer deyişle ?sağduyuyla? çelişiyor olmaları…??

Kuantum öbeklilik, olasılık, dalga-parçacık ikiliği, spin, üst üste binme, korunum, doğadaki hız sınırı ve kütle ve enerjiyi tek bir kavramda birleştiren, böylelikle kütleyi enerjiye, enerji kütleye çevrilebilir kılan ünlü E = mc2 ? vb gibi tüm kuantum ?tuhaflıklarını? tek tek ve sistemli bir biçimde, elbette soru-cevap sınırları içerisinde ele alan yazarın iddiası hiç fizik eğitimi almamış okura kuantumu ve SM’i anlatmak.

?Fizik eğitimi almadık, konu hakkında bilgimiz sınırlı? diye endişelenmeye gerek yok; kitapta her bir kavrama sırasıyla açıklamalar getiriliyor.

Sabit olan her şey dönüyor! – Ayca Yılmaz
(03/02/2012,http://www.radikal.com.tr/)
Ne yazık ki, ezberci bir eğitim sistemimiz var. Bu sistem aynı zamanda uzmanlaşmayı özendiriyor, farklı alanların bilgisine giderek daha uzaklaşan, yaratıcılığını yitiren kuşaklar üretiyor. Oysa, mesela geçen yüzyılın başında, eğitime ayrıcalıklı bir azınlık ulaşabiliyordu ama bu şanslı azınlık daha en başından temel bilimleri öğrenme imkanı bulabiliyordu. Matematik, kimya, biyoloji, fizik ve hiç kuşkusuz felsefe, öğrenme sürecinde iç içe geçiyordu. Oysa şimdi üniversitelerde fizikten soyutlanan bir felsefe, felsefeden soyutlanan bir fizik mümkün görünüyor. Tamam, üniversiteler iyice ticari birer mekân haline geldi ve piyasa koşullarına ?kalifiye işçi? yetiştirmeye başladı diyelim. Malum, TÜBİTAK gibi kuruluşlar bile yayınlarının kapaklarında evrim teorisini sansürleyebiliyor, yayın yönetmenlerini görevden alabiliyor?
?101 Soruda Kuantum?, sadece fizik alanındaki bilimsel paradigmanın değişimini anlamaya yönelik bir adım olması açısından değil, temel bilimlerin aslında birbirleriyle ne kadar iç içe geçmiş olduğunu tekrar hatırlamak bakımından önemli bir kitap. Çünkü eğer size boyalı gazetelerdeki ?astroloji? köşeleri bir anlam ifade etmiyorsa, yaşadığımız evreni anlamaya çalışmak için, modern bilimlerin bilgisini edinmek zorundasınız demektir. Peki, günlük hayatın keşmekeşinde bile klasik fiziğin yerini aldığı artık daha fazla insan tarafından duyulur hale gelmiş olan ?kuantum fizik? ne anlama geliyor?
Öncelikle, ?kuantum?un, sözlük anlamıyla bir ?öbek hali? anlamına geldiğini belirtelim. Evet, aslında etrafımızda gördüğümüz tüm nesnelerin, hatta enerjinin ?öbek? halini tasavvur etmeye çalışabiliriz. Ne var ki, kitaptan bir alıntıyla durumu daha açıklayıcı hale getirmek en iyisi?
?Kuantum fizik yasaları nerede hüküm sürer?? diye soruluyor kitapta ve ?Her yerde,? diye bir yanıt veriliyor. Ama esas sorulması gereken soru şu: ?Kuantum fiziğine nerede dikkat etmeliyiz?? Yine kitabın verdiği yanıtta şöyle deniyor: ?Çok küçük şeyler dünyasında, yani moleküller dünyası ve onlardan daha küçük olan atomlar dünyasında, onlardan da küçük atomik çekirdekler ve daha da küçük temel parçacıklar dünyasında; atomlar da dahil olmasına rağmen, genel olarak atom-altı dünya dediğimiz dünyada.?
Elbette herkesten atom-altı dünyayı gözlemleyecek laboratuarlarda sabahlamasını beklemek mümkün değil; o sebeple, kitaplarla tahayyül ve tasavvur sınırlarımızı biraz zorlamamız önerilebilir. Böylelikle ?şimdilik- evrenin sırrını keşfedemesek bile, en azından insanlığın neleri tartışması gerektiği konusunda fikir geliştirme şansımız olabilir. Tamam, kabul ediyorum, teknolojisi konusunda hiçbir fikir sahibi olmasak bile pek yaratıcı şekillerde kullandığımız internet ve sosyal paylaşım siteleri sayesinde evimize kadar gelen Adnan Oktar?ın ?inşallah, maşallah? yüklü sohbetlerini izlemek kadar eğlenceli bir iş olmayabilir bu. Ama biraz hakiki dünyaya dönüp, en azından bilgisine hiç vakıf olmadığımızı fark etmek bile bir değişiklik olmaz mı?
?Sağduyu? dediğin…
?101 Soruda Kuantum? kitabının çevirmeni, ODTÜ ?de öğrenciyken cezaevine giren ve orada uzun seneler felsefeyle derinlemesine uğraşma ?şansı? bulan Barış Gönülşen. Dolayısıyla sağlam bir çeviriyle karşı karşıya olduğumuzu gönül ferahlığıyla söylemek mümkün. Bu, ?101 Soruda Kuantum?un, en azından bir başlangıç ve ?anlama? kitabı olarak değeri konusunda da bir referans olabilir. Ama kitabı sunan arka kapak yazısının yarattığı merak kuşkusuz daha kuvvetli bir okuma arzusu yaratacaktır:
?Kuantum fiziğindeki ?büyük fikirlerin? kesin bir listesi yok. Ancak kuantum fiziğinin doğa kavrayışımıza kazandırdıklarının özünü yansıtan on iki fikir var. Bunların tümünün ortak noktası fiziksel dünyanın nasıl işlemesi gerektiğine dair gündelik deneyimimize dayanarak kazandığımız beklentilerle, bir diğer deyişle ?sağduyuyla? çelişiyor olmaları??
Belki de bizim ?sağduyu? tabir ettiğimiz genel kavrayış biçimi hakikaten bir ?saçmalıklar öbeği?dir, kim bilir?

Kitaptan alıntılar, naçizane yorumlar?
* Eğer bir protonsanız atom çok büyüktür, sizin yaklaşık yüz binlerce katınız büyüklüğündedir. Öte yandan bir atom, bir insandan çok küçüktür, sizden yaklaşık on milyar kez küçüktür. Anlayacağınız atomun büyüklüğü görelidir. Bir atom tanesi en iyi optik mikroskopla bile görülemeyecek kadar küçüktür, öte yandan fizikçilerin bugün çalıştığı birçok şeyden muazzam derecede büyüktür. Atom-altı dünyanın üst sonuna yakın bir mevkide yer alır.
(Bahçedeki bir kör kuyuya sobadaki kül ve közleri attığınızı düşünün. O boşlukta kendi kendine bakteriyel bir yaşamın oluştuğunu, bakterilerin yaşamını közlerden gelen ısıya borçlu olduklarını da var sayabilirsiniz. Onların zaman, yaşam ve büyüklük algısıyla, sizinkini karşılaştırdığınızda, sizin evreninizin de bir ?üst evren?e sahip olabileceği ihtimali aklınıza gelip sizi korkutmaz mı? Görelilik çok korkutucu!)

* Bir yerde yapılan bir ölçümün başka yerdeki bir şey hakkında bir bilgiyi ortaya çıkarması, kendi içinde o kadar acayip bir fikir değildir. Joe ile kız kardeşi Mary?nin seyahate çıktığını varsayalım; biri Tokyo?ya diğeri Paris?e gitmiştir, ancak hangisi nereye gitmiştir, bilmiyorsunuz. Tokyo?da Joe?yla karşılaşırsanız, Mary?nin Paris?te olduğunu derhal anlarsınız. Bunda tuhaf bir şey yok. Ancak bir kuantum fizikçisi Tokyo?da olanın Mary ve Joe?nun bir üst üste binmesi veya karışımı olduğunu ve sokaktaki karşılaşmanızın, yani sizin ?ölçümünüzün? Joe?nun orada olmasını ve Mary?nin Paris?te açığa çıkmasını sağladığını, ve hatta Mary?ye Tokyo?da rastlayıp buradan Joe?nun Paris?te olduğunu öğrenmenizin eşit derecede mümkün olduğunu söylerse, sizin buna ?bu absürt? demeniz anlaşılır olacaktır. Absürt olabilir. Akıldışı da gelebilir. Ancak kuantum diyarında doğrudur.
(Kaldı ki, bizim gibi memleketlerde komplo teorileri de işletilebilir ve Mary?nin bir faili meçhule kurban gitmiş olma ihtimali devreye girebilir! İşte göreliliğe Türk katkısı!)

* Hemen hemen herkes dönen (spin eden) bir topaç ve atlıkarınca görmüştür. Yine hemen herkes dünyanın kendi ekseni etrafında dönüşünü bir günde ve güneş çevresinde dönüşünü ise bir yılda tamamladığını bilir. Aslına bakarsanız doğada dönmeyen fazla bir şey yoktur. Buz patencileri döner. Ay, Dünya?nın yörüngesinde ilerlerken kendi ekseni etrafında da döner (ancak her iki hareket de bir ayda tamamlanır). Galaksiler de döner. Galaksi grupları da döner. Temel parçacıkların çoğunun dönmesi de şaşırtıcı olmamalıdır.
(Yani güneşin sabit kaldığı ve her şeyin onun etrafında döndüğü fikri bir yanılsamadır. Galaksi dönerken, topluca bir spiral hareketten söz etmek mümkündür. Tabii lütfen bu kimi siyasetçilere ?bilimsel? bir meşruiyet zemini olarak telakki edilmesin. Ya da spiral dönmeyi denesinler.)

Kitabın Künyesi
101 Soruda Kuantum / Göremediğiniz Dünya Hakkında Bilmeniz Gerekenler
Kenneth W. Ford
Çevirmen: Barış Gönülşen
Kapak: Bürkan Özkan
Editör: Kerem Cankoçak
Yayınevi: Alfa Yayıncılık
İstanbul 2012, 2.basım
320 sayfa

Yorum yapın

Daha fazla Bilim
Beyin Kitabı (Beynin Yapısı, Görevi ve Bozuklukları Üzerine Resimli Bir Rehber) – Rita Carter

Yaklaşık 1,4 kg ağırlığındaki insan beyni, bütün hayatımızı belirlediği halde, önemi en geç anlaşılmış organımız. Kalp, ciğer veya mesane gibi...

Kapat