Kuantum Mekaniği

Kuantum mekaniği; fizikte, doğanın fiziksel özelliklerinin atomlar ve atom altı parçacıklar ölçeğinde bir tanımını sağlayan temel bir teoridir. Kuantum kimyası, kuantum alan teorisi, kuantum teknolojisi ve kuantum bilgi bilimi dahil tümü kuantum fiziğinin temelidir.

Klasik fizik, kuantum mekaniğinin ortaya çıkmasından önce var olan teoriler topluluğu, doğanın birçok yönünü sıradan (makroskopik) bir ölçekte tanımlar, ancak onları küçük (atomik ve atom altı) ölçeklerde tanımlamak için yeterli değildir. Klasik fizikteki çoğu teori, büyük (makroskopik) ölçekte geçerli bir yaklaşım olarak kuantum mekaniğinden türetilebilir.

Kuantum mekaniği, enerji, momentum, açısal momentum ve bağlı bir sistemin diğer miktarlarının ayrık değerlerle sınırlandırılması (kuantizasyon), nesnelerin hem parçacık hem de dalga özelliklerine sahip olması (dalga-parçacık ikiliği), klasik fizikten farklıdır. Ve tam bir başlangıç ​​koşulları seti (belirsizlik ilkesi) verildiğinde, fiziksel bir niceliğin değerinin ölçümünden önce ne kadar doğru tahmin edilebileceğinin sınırları vardır.

Kuantum mekaniği, Max Planck’ın 1900’de kara cisim radyasyonu  sorununa yaptığı çözüm ve Albert Einstein’ın fotoelektrik etkiyi açıklayan 1905 tarihli makalesindeki enerji ve frekans arasındaki karşılıklılık gibi klasik fizikle uzlaştırılamayan gözlemleri açıklamak için yavaş yavaş teorilerden ortaya çıktı. Şimdi “eski kuantum teorisi” olarak bilinen mikroskobik fenomenleri anlamaya yönelik bu erken girişimler, 1920’lerin ortalarında Niels Bohr, Erwin Schrödinger, Werner Heisenberg, Max Born, Paul Dirac ve diğerleri tarafından kuantum mekaniğinin tam olarak gelişmesine yol açtı.

Modern teori, özel olarak geliştirilmiş çeşitli matematiksel biçimlerde formüle edilmiştir. Bunlardan birinde, dalga fonksiyonu adı verilen matematiksel bir durum, bir parçacığın enerjisinin, momentumunun ve diğer fiziksel özelliklerinin hangi ölçümlerinin verebileceği hakkında olasılık genlikleri biçiminde bilgi sağlar.

Temel Kavramlar

Dalga Parçacığı İkililiği

Kuantum mekaniğinde parçacıklar bazen dalgalar, bazen de parçacıklar olarak var olabilirler. Bu, deneyin basit versiyonunda, lazer ışını gibi bağdaşık (eş fazlı) bir ışık kaynağı, iki paralel yarık açılmış ince bir levhayı aydınlatır ve yarıktan geçen ışık levhanın arkasındaki bir ekranda gözlemlenen çift yarık deneyinde en ünlü şekilde görülebilir. Eğer elektronlar parçacık olsaydı, yarıklardan birinden veya diğerinden geçtikten sonra ekrana çarptıkları yerde iki parlak çizgi oluştururlardı. 

Bunun yerine, deney yapıldığında ekranda bir girişim deseni oluşur. Bu karanlık ve parlak kuşaklar modeli, yalnızca elektronlar, birbirleriyle etkileşime girebilen tepeler (yüksek noktalar) ve çukurlar (düşük noktalar) olan dalgalarsa anlamlıdır. Yarıklardan bir seferde tek bir elektron gönderildiğinde bile, girişim deseni ortaya çıkıyor – kendine müdahale eden tek bir elektrona benzer bir etki.

1924’te Fransız fizikçi Louis de Broglie, parçacıkların dalga benzeri özellikler sergileyebileceğini ve dalgaların parçacık sergileyebileceğini göstermek için Einstein’ın özel görelilik teorisinin denklemlerini kullandı. Birkaç yıl sonra Nobel Ödülü’nü kazandığı yeni bir bulgu elde etti.

Kuantum Mekaniğine Göre Atom

1910’larda Danimarkalı fizikçi Niels Bohr, kuantum mekaniğini kullanarak atomların iç yapısını tanımlamaya çalıştı. Bu noktada, bir atomun ağır, yoğun, pozitif yüklü bir çekirdekten, küçük, hafif, negatif yüklü elektron sürüsü ile çevrili olduğu biliniyordu. Bohr, elektronları atom altı güneş sistemindeki gezegenler gibi  çekirdeğin etrafındaki yörüngelere yerleştirdi, ancak yalnızca önceden tanımlanmış belirli yörünge mesafelerine sahip olabileceklerini ekledi. Bir yörüngeden diğerine atlayarak atom, kuantum doğasını yansıtan belirli enerjilerde radyasyon alabilir veya yayabilir.

Kısa bir süre sonra, bağımsız çalışan ve ayrı matematiksel düşünce çizgileri kullanan iki bilim insanı, atomun daha eksiksiz bir kuantum resmini yarattı. Almanya’da fizikçi Werner Heisenberg bunu “matris mekaniği” formülasyonunu geliştirerek başardı. Avusturyalı-İrlandalı fizikçi Erwin Schrödinger, “dalga mekaniği” adı verilen benzer bir teori geliştirdi. Schrödinger, 1926’da bu iki yaklaşımın eşdeğer olduğunu gösterdi.

Her elektronun bir atomun çekirdeği etrafında bir dalga gibi davrandığı atomun Heisenberg-Schrödinger modeli, önceki Bohr modelinin yerini aldı. Atomun Heisenberg-Schrödinger modelinde, elektronlar bir “dalga fonksiyonuna” uyarlar ve yörüngeler yerine “yörüngeleri” işgal ederler. Bohr modelinin dairesel yörüngelerinden farklı olarak, atomik yörüngeler kürelerden halterlere ve papatyalara kadar çeşitli şekillere sahiptir.

Shrödinger’in Kedisi 

Schrödinger’in kedisi, kuantum mekaniğinin ilk geliştiricilerinden bazılarının sonuçlarıyla ilgili sahip olduğu endişeleri açıklayan, genellikle yanlış anlaşılan bir düşünce deneyidir. Bohr ve öğrencilerinin çoğu, kuantum mekaniğinin, parçacıkların gözlemlenene kadar iyi tanımlanmış özelliklere sahip olmadığını öne sürdüğüne inanırken, Schrödinger ve Einstein, gerçekliğin doğası hakkında gülünç sonuçlara yol açacağı için böyle bir olasılığa inanamadılar. 1935’te Schrödinger, bir kedinin yaşamının veya ölümünün, bir kutu açılıncaya kadar durumu görünmeyen bir kuantum parçacığının rastgele dönüşüne bağlı olacağı bir deney önerdi.

Schrödinger, Bohr’un fikirlerinin saçmalığını, bir kuantum parçacığının olasılıksal doğasına dayanan, ancak anlamsız bir sonuç veren gerçek dünyadan bir örnekle göstermeyi umuyordu.

Bohr’un kuantum mekaniği yorumuna göre, kutu açılıncaya kadar kedi, aynı anda hem canlı hem de ölü olmak gibi imkansız ikili bir konumda var oldu. Hem Schrödinger hem de Einstein bunun kuantum mekaniğinin eksik bir teori olduğunu ve sonunda sıradan deneyime uygun olanın yerini alacağını göstermeye yardımcı olduğuna inanıyordu.

Schrödinger ve Einstein, kuantum mekaniğinin hiçbirinin tam olarak kavrayamayacağı başka bir garip sonucunun altını çizmeye yardımcı oldular. 1935’te Einstein, fizikçiler Boris Podolsky ve Nathan Rosen ile birlikte, iki kuantum parçacığının, kuantum durumlarının her zaman birbiriyle ilişkili olacağı şekilde kurulabileceğini gösterdi. Parçacıklar esasen her zaman birbirlerinin özelliklerini “biliyordu”. Bu, bir parçacığın durumunu ölçmenin, birbirlerinden ne kadar uzakta olursa olsunlar, ikizinin durumunu size anında söyleyeceği anlamına gelir; bu, Einstein’ın “uzaktan ürkütücü eylem” dediği, ancak Schrödinger’in kısa süre sonra “dolanıklık” olarak adlandırdığı bir sonuçtur.

Dolanıklığın kuantum mekaniğinin en temel yönlerinden biri olduğu ve gerçek dünyada her zaman meydana geldiği gösterilmiştir. Araştırmacılar sıklıkla kuantum dolaşıklığı kullanarak deneyler yaparlar ve bu fenomen, ortaya çıkan kuantum hesaplama alanının temelinin bir parçasıdır. ^[1]Quantum mechanics^[2]What is quantum mechanics?^[3]Atomic orbitals^[4]The Einstein-Podolsky-Rosen Argument in Quantum Theory^[5]This Month in Physics History^[6]Two slits and one hell of a quantum conundrum^[7]Çift yarık deneyi

[cite]