Kuantum Sıçrama Nedir ve Nasıl Çalışır?

Atom çekirdeklerinin çevresinde dönen elektronlar nasıl yörünge değiştiriyor? Kuantum sıçrama yoluyla mı, yoksa yörüngeler arasında dalga gibi yayılarak mı? Elektronlar çekirdeğe daha uzak olan üst yörüngeler ve daha yakın alt yörüngelere nasıl geçiyor? Elektron enerjisi arttığı zaman bunlar bir önce veya sonraki yörüngeye adeta ışınlanarak tek seferde mi sıçrıyor, yoksa denize atılan taşın yaydığı eşmerkezli dalgalar gibi ara yörüngelere uğrayarak mı geçiş yapıyor? Kuantum ışınlamayla yakından ilgili bu sorulara kuantum mekaniği doğru mu, yanlış mı açısından da bakabilirsiniz. Öyleyse kuantum sıçrama nedir ve nasıl çalışır?

Kuantum sıçrama konusunu görelim

Modern atom teorisinin temeli olan Bohr modelinde elektronların atom çevresinde dönebileceği yörüngeler belli olup ara yörüngeler yoktur ve elektronlar belirli yörüngelere ışınlanarak sıçrar. Peki kuantum ışınlama dahil olmak üzere evrendeki parçacıklar uzayda yol almadan ve zaman akmadan aniden başka bir konuma sıçrayabilir mi?

Kısacası ışınlama gerçek mi, yoksa olasılık dalga fonksiyonu denklemini geliştiren Schrödinger’in dediği gibi elektronlar uzayda ancak dalga olarak yayılıyor da kademeli yörünge geçişi çok hızlı gerçekleştiği biz bunu anlık sıçrama olarak mı algılıyoruz? Parçacıkların temelde dalga mı, parçacık mı, yoksa ikisi gibi de görünebilen bambaşka bir şey mi olduğu fizikteki en önemli konudur:

Sıçrama anlık değilse Bell eşitsizliği deneyleriyle çürütülen Bohm pilot dalga ve gizli değişkenler teorisi her şeye rağmen doğru olabilir! 😮 O zaman da doğayı çok iyi açıklayan kuantum mekaniği yanlış olabilir. Pilot dalga teorisini belirsizlik ilkesi, kuantum alanları ve hiçliğin fiziği yazılarında anlattım. Bugün sadece elektronların yörüngelerde nasıl sıçradığını göreceğiz; çünkü 2020’de atomların içine bakarak bunu görmenin bir yolunu bulduk. Peki kuantum sıçrama nasıl çalışıyor?

İlgili yazı: Kodlama İçin En Gerekli 16 Programlama Dili

 

Kuantum sıçrama ve kuantum mekaniği

Kuantum sıçrama kuantum fiziğinin uzaktan etki, dolanıklık ve belirsizlik ilkesi gibi hem sağduyuya hem de klasik fiziğe aykırı en sıra dışı özelliklerini temsil ediyor. Kuantum fiziğini anlamak için kuantum sıçramayı anlamak gerekiyor. Bu yüzden modern atom teorisinin geliştirilmeye başladığı 1913’ten itibaren kuantum sıçramanın nasıl modelleneceği ve buna göre de kuantum mekaniğinin nasıl yorumlanacağı en önemli konulardan olmuştur. Kuantum sıçrama Niels Bohr’un ünlü Kopenhag yorumunu sürekli test ettiğimiz arenadır.

Nitekim 2020’de yayınlanan konuya ilişkin en yeni makale¹ kuantum sıçramanın nasıl gerçekleştiğini kısmen göstererek tartışmayı yeniden alevlendirdi: Kuantum sıçrama kuantum mekaniğinin temel kavramlarından biri olup atom çekirdekleri çevresinde dönen elektronların belirli bir yörünge veya enerji düzeyine ara aşamalar olmadan aniden sıçraması demektir. Bu da bir yerden bir yere hiç yol kat etmeden, solucandeliği bile kullanmadan gitmeye benzer. O kadar sıra dışıdır.

Oysa Bohr’un kuantum sıçrama modeli atomların davranışını o kadar iyi açıklıyordu ki kuantum sıçramayı olduğu gibi kabul ettik. Erwin Schrödinger ise kuantum sıçramaya asla inanmadı ama 1910’larda bunun yanlış olduğunu gösterecek deneyleri yapmaya uygun bir teknoloji de yoktu. Bugün gereken teknolojiyi geliştirdik ve kuantum sıçramanın doğasını çözmeye koyulduk fakat her şey 1913’te başladı:

İlgili yazı: Gerçek Adem: ilk insan ne zaman yaşadı?

 

Kuantum sıçrama ve atom modeli

Ünlü Danimarkalı fizikçi Niels Bohr o yıl gazla dolu bir boruya elektrik verildiği zaman bunun floresan lambaya dönüşmesini sağlayan emisyon tayfını açıklamak için kuantum sıçrama modelini geliştirdi (emisyon tayfı floresan lambalarının gökkuşağına benzer çok renkli ışığıdır. Beyaz floresan bile tüm dalga boylarında, kırmızı renkte bile ışık yayar ama beyaz ışık baskın olduğu için beyaz gözükür).

Bohr, efsanevi Alman fizikçi Max Planck’ın 1901 yılında sıcak cisimlerin yaydığı ışık tayfını (siyah cisim ışıması) ışığı dalgalar halinde değil de parçacık benzeri enerji paketleri olarak açıklayan yaklaşımından, yani kuantum mekaniğinden esinlendi. Buna göre ışık foton parçacıklarından oluşuyordu. Bohr, elektronları da enerji paketleri olarak düşündü. Öyle ki elektronlar her element için (proton ve nötron sayısı farklı atom çekirdekleri) yalnızca belirli yörüngelerde bulunabilirdi. Elektronlar bir yörüngeden diğerine foton emerek veya yayınlayarak sıçrıyordu (enerjisi artarak ya da azalarak).

Bohr modeli kuantum mekaniğinin ilk örneği olup hidrojen atomlarının ısınınca nasıl ışık saçtığını açıklıyor ama hidrojenden daha ağır elementlerin ışık yaymasını açıklamıyordu. Bohr’dan yola çıkan Erwin Schrödinger ve Werner Heisenberg ise 1925 yılında kuantum sıçrama modelini biraz değiştirerek bütün elementleri kuantum mekaniğiyle açıklamayı başardılar; ancak kuantum sıçrama nasıl çalışır sorusu uzun yıllar yanıtsız kaldı. Sorun nasıl çözüldü derseniz:

İlgili yazı: Buzul Çağı Nasıl Oluşur ve Ne Zaman Geri Gelecek?

 

Kuantum sıçrama ve süperpozisyon

Bohr ve Heisenberg’in klasik kuantum sıçrama açıklamasına Kopenhag yorumu diyoruz. Buna göre tanrı evrende zar atar; elektron spini, momentumu ve enerjisi gibi kuantum durumları temelde rastlantısaldır. Elektronlar aninden sıçrayarak yörünge değiştirir. Kopenhag yorumuna göre bir atomu gözlemlediğiniz zaman elektron olasılık dalga fonksiyonunu çökertirsiniz (Schrödinger denklemiyle gösterilir).

Böylece elektronun atom çekirdeği çevresinde nerede döndüğünü bilmediğimiz için görülen bulanık elektron bulutu veya kabuğu, yani süperpozisyon çöker ve elektron belirli bir yörüngede dönmeye başlar. Schrödinger denklemi kısmen klasik fizik denklemidir, hatta ilk hali klasik fizik kategorisine girer ki ancak Heisenberg’in belirsizlik ilkesi eklendiği zaman kuantum parçacıklarını ölçmenizi sağlar.

Schrödinger işte bu yüzden geliştirdiği denklemin ilk başlarda hatalı ve işe yaramaz olduğunu düşünmüştür. Kısacası Schrödinger’in görüşü Einstein’a yakındır. İkisi de kuantum mekaniğinin bir gün klasik fizikle açıklanabilecek eksik bir teorili olduğunu düşünmüştür. Nitekim 1926’da Bohr’u evinde ziyaret eden Schrödinger, “Bu lanet kuantum sıçramalara katlanmaya devam edeceksek üzülerek belirtmeliyim ki benim kuantum mekaniğiyle işim olmaz” demiştir. Sanırım kuantum fiziği gerçekten onu hasta ediyordu; çünkü Bohr ziyaretinden sonra hastalanıp yatağa düştü. J

Bohr ise Kopenhag yorumunu öğretmeye ve savunmaya devam etti. Tabii bu inatçı Schrödinger’in fikrini değiştirmedi. Öyle ki 1952’de yayınlanan iki bölümlük “Kuantum sıçramalar var mı?” makalesinde kuantum sıçramaları dış çember teorisine benzetti. Ptolemaios (Batlamyus) tarafından 150’de geliştirilen ve en mükemmel örneğini 1600’lerde Kepler’in ortaya koyduğu bu model gezegenlerin Güneş yerine Dünya çevresinde döndüğünü varsayıyordu. Schrödinger kuantum sıçramanın o kadar uyduruk olduğunu düşünüyordu. Peki kim haklı çıktı?

İlgili yazı: İnternetinizi Uçuracak En İyi 10 Modem

 

Schrödinger kuantum sıçramaya karşı

Schrödinger’e göre dış çember ve kuantum sıçrama modelleri insan zihninin dahice fikirleriydi ama gerçek değildi. İyi de kuantum sıçramadan neden bu denli nefret ediyordu? Ona göre bu kuantum mekaniğinin tam olarak açıklayamadığı elektronları modellemek için kullanılan doğa ve fizik dışı bir uydurmaydı. Kuantum sıçrama gerçekliğin doğası nedir tartışmasının ön cephesiydi. Kopenhag yorumu ile buna karşı olan yorumların çatıştığı bir hattı. Atomaltı olaylar temelde rastlantısal mı, yoksa determinist midir? Ana soru buydu.

Öyleyse Schrödinger kuantum sıçramayı nasıl açıkladı? Ona göre elektronların yörünge geçişleri klasik dalgalardaki girişim yapma özelliğiyle açıklanabilirdi. Kuantum dolanıklık bile dalgaların girişim yapmasıyla açıklanabilirdi. Schrödinger fotonların üst üste binerek düğümlenen dalgalardan oluştuğuna inanıyordu. Foton diye daha küçüğe indirgenemeyen enerji paketleri diye bir şey yoktu.

Elektronlar da belirli enerji düzeyleri arasında geçiş yapmıyordu. Atom çevresinde farklı yörüngelere geçerken yaydıkları dalgalar ise davul zarı veya gitar telinin titreşim modlarıyla açıklanabilir; elektron yörüngeleri de çok sayıda titreşim modunun üst üste binmesiyle gösterilebilirdi. Özetle elektronlar farklı yörüngelere gerçek uzayda genişleyen eşmerkezli dalgalar halinde yayılarak ulaşıyordu.

Schrödinger’e göre Bohr çok sayıda parçacıktan oluşan bir kuantum bulutu hayal edip bu bulutun davranışlarıyla tek tek parçacıkları açıklamaya çalıştığı için yanılıyordu. Evrende tekil parçacıklar olduğunu düşünmek bile saçmaydı ki “Biz asla tek bir elektron veya atomla deney yapmayız. Düşünce deneylerinde bazen yaptığımızı varsayarız ama bu gülünç sonuçlar doğurur” demişti. Schrödinger’in zamanında elektronların nasıl sıçradığını gösteren deneyler yapılamıyordu ama artık yapılıyor: 

İlgili yazı: Periyodik Tabloda Keşfedecek Kaç Element Kaldı?

 

80’lerde kuantum sıçrama

1980’lere geldiğimizde atomları lazer ışınlarıyla tuzağa düşürüp rastgele titreşimler hariç hareketsiz kılarak soğutmayı, yani hareketsiz kılmayı öğrendik. Lazer ışınlarını oluşturan fotonların momentum transferiyle gerçekleştirdiği atomaltı kinetik darbeler atomlara bilardo topları gibi hükmetmemizi ve adeta onları havada dondurmamızı sağladı. 1986 yılında bu teknik daha da geliştirildi ve dünya çapında üç farklı ekip neredeyse aynı anda, dondurulmuş atomlardaki kuantum sıçramaları görmeyi başardı. Bunun için cıva ve baryum atomlarını kullandılar:

Bunlara lazer ışını tutup iki elektronun aç-kapa Artema reklamı gibi düşük ve yüksek enerji yörüngelerine karşılıklı olarak geçiş yapmasını sağladılar; yani elektronlar yörüngelerinde karşılıklı yer değiştiriyordu. Bir elektron diğerinin yörüngesine geçerken diğer elektron da onun yörüngesine geçiyordu. Bu iki elektron artık bir devre anahtarı gibi davranıyor ve lazer ışınları elektronların enerjisini artırıp azaltarak yörüngeler arasında geçiş yapmasını sağlıyordu.

86’da yapılan deneyin en dahice yanı elektronların yörüngelere sıçrayıp sıçramadığını görmek için elektron enerjisini azaltıp artıran çok yüksek frekanslı lazerler kullanılmasıydı. Öyle ki elektronlar sıçramak yerine çok kısa süre için de olsa yörüngeler arası uzaya dalga gibi yayılıyorsa bu davranış ortaya çıkmalıydı; ancak bu deneyin tasarımı kuantum sıçramayı saptamaya yeterli olmadı. Bilim insanları yalnızca elektronların saniyede 100 milyon kez iki yörünge arasında sıçradığını gördüler.

Oysa sıçrama olup olmadığını gösterecek tek tek fotonları göremediler (elektronların foton yayıp enerji yitirerek alt yörüngelere geri döndüğünü unutmayın). Görebildikleri tek şey deneyde kullanılan atomlara ait elektronların floresan lamba gibi ışık yayarak parlaması oldu. Oysa sıçrama varsa bunu ayırt etmenin tek yolu üçüncü bir elektron yörüngesi kullanmaktı. Şimdi bu yeni deneyi görelim:

İlgili yazı: Yapay Zeka Nedir ve Nasıl Çalışır?

 

Kuantum sıçrama yörüngeleri

Atom çekirdeği çevresindeki 3. yörünge daha kararlı olup bu yörüngede bulunan elektronların alt yörüngelere geçmesi birkaç saniye sürebilir (saniyenin 100 milyonda biri yerine 5 saniye gibi görelik çok uzun bir süre). Öyle ki elektronumuz ilk lazerden aldığı enerjiyi yitirene dek, örneğin 5 saniye boyunca parlayacaktır. Siz de bu sırada elektrona normalde onu 1. yörüngeden 2. yörüngeye çıkarmaya yetecek enerji sağlayan ikinci bir lazerle ateş edersiniz.

O zaman bu elektron üçüncü yörüngede sıkışıp kalır, atomun floresanlı parlaması sona erer ve elektronun 5. saniyeden sonra 1. veya 2. yörüngeler arasında geçiş yapması mümkün olmaz. Bu yöntemi kullandığınız zaman elektronun sadece yörüngeler arasında geçiş yapma frekansını değil, yörüngeler arasında tam olarak ne zaman geçiş yaptığını da görürsünüz. Elektron her zaman düzenli aralıklarla geçiş yapıyorsa Bohr yanlış, Schrödinger haklıdır. Geçiş yapma süresi rastgele değişiyorsa belirsizlik hakim, Bohr haklı ve Schrödinger’in elektron dalgası modeli yanlıştır. Beklenti budur:

Bilim insanları elektron geçişlerinin rastgele aralıklarla gerçekleştiğini gördüler. Bu durumda kuantum sıçrama doğruydu. Hayır, aslında bu sonuca varmak için çok erken; çünkü rastgele aralıklı geçişler kuantum sıçramayı kanıtlamaz. Elektron dalgası Scrödinger’in beklentisinin tersine farklı yörüngelere rastgele sürelerde de ulaşabilir. Bunu çözmenin tek yolu elektronların yörünge geçişleri sırasında yaydığı fotonları tek tek görmektir. 2019’da bunu bir anlamda görmeyi başardık. Nasıl mı? Bilgisayar devreleriyle:

İlgili yazı: Zamanda Yolculuk Etmenin 9 Sıra Dışı Yolu

 

Öngörülebilir kuantum sıçramaları??

Artık teknoloji o kadar ilerledi ki tek tek kuantum sıçramaları görmekle kalmıyor, bunların nasıl gerçekleştiğini de görüp sıçrama aşamasındaki elektronların yolunu kesebiliyoruz. Gerçi bunu gerçek atomlarla yapamıyor; bunun yerine iki süperiletken bilgisayar devresi kullanarak bir tür yapay atom oluşturuyoruz. Öyle ki gerçek atomdaki üç yörüngeyi elektronik devrelerin elektromanyetik kuantum durumlarına kodlayabiliyoruz. Kısacası elektron sıçramaları için bilgisayar simülasyonu yapıyoruz.

Bu durumda temel durum, yani birinci yörünge devrelerde 0 durumuna ve ikinci-üçüncü yörüngeler de devrelerde 1 durumuna karşılık geliyor (bilgisayarlar 1 ve 0’larla çalışır). Devreleri donanım üzerinde bu şekilde kodladıktan sonra mikrodalga boşluk rezonatörüne alırsınız. Bu boşluk da devrelere enerji yükleyen lazer ışını işlevini görür. Atom yerine devre kullanmak kuantum gürültüyü azaltarak çözünürlüğü artırmamızı sağlar.

Böylece kuantum sıçramalara zum yaparak gerçekten sıçrama olup olmadıklarını anlamayı umarız. Peki 2020’deki deney ne gösterdi? Elektronların belirli yörüngelere doğrudan sıçramak yerine her biri birkaç mikrosaniyelik ara yörünge geçişleri yaptığını gösterdi. Bu geçişler de örneğin ikinci ve üçüncü yörüngeler arasındaki ara yörüngelere karşılık geliyordu. Üstelik de bu geçişler yörüngeler arası kuantum gezinge teorisinde gösterildiği gibi gerçekleşiyordu.

Schrödinger mi haklı çıktı?

Hem Bohr hem Schrödinger haklı çıktılar diyelim: Ara yörünge geçişleri Bohr’un öngördüğü gibi rastgele aralıklarla gerçekleşiyor ama her geçiş öncesinde elektron sistemi öyle bir duruma giriyordu ki bilim insanları elektronların bir sonraki ara yörüngeye ne zaman geçeceğini öngörebiliyordu. Tıpkı yarı klasik Schrödinger olasılık dalga fonksiyonu denklemiyle kuantum parçacıklarının davranışları hesaplarken olduğu gibi… Öyle ki mikrodalgalarla bu ara sıçramaları tam ortasında durdurup geri çevirmek ve elektronları önceki yörüngeye geri göndermek mümkündü.

İlgili yazı: İnternette teknik takip ve gözetimi önleme rehberi

 

Kuantum zeno etkisi

Öngörülebilir kuantum sıçramaları kuantum mekaniğinin özünde determinist olduğunu söyleyen pilot dalga ve gizli değişkenler teorisini, kuantum fizikçilerin nefret ettiği ve adını bile anmak istemediği teoriyi geri getiriyor gibi… Einstein ve Schrödinger yaşasa sevinirdi ama kuantum mekaniğini 107 yıldır bir türlü tam olarak çözemediğimiz bir olaydan yola çıkarak çöpe atmadan önce bir düşünelim. Tam olarak ne oluyor burada? Elektronlar yörüngelere nasıl geçiş yapıyor?

2020’nin son aylarında bir grup araştırmacı buna bir açıklama buldular: Kuantum zeno etkisi… Bu etkiyi kullanarak (aslında yukarıda anlattığım şekilde) bir parçacığın zaman evriminin seçilen bazı ölçüm ayarlarına göre yeterince sık ölçülerek durdurulması mümkündür. Kuantum mekaniği sistemlerinin bir özelliği olan zeno etkisi bir sistemi değiştirmeden gözlemlemeye imkan verir, yani Heisenberg’in belirsizlik ilkesini kısmen baypas eden bir hiledir.

Kopenhag yorumunda bir kuantum sistemini gözlemlemek dalga fonksiyonunu çökertir. Zeno etkisinde de böyledir ama elektronları direkt gözlemlemek yerine dolaylı yollardan ölçmek mümkündür. Böylece en azından ölçülmemiş elektronların aynı anda iki farklı kuantum durumunda olduğu süperpozisyon hallerini ardışık bir dizi halinde öngörebiliriz. Zeno etkisinde elektronların süperpozisyon hali bulanıktır ama hareketlerinin toplamını klasik fizikle ölçmüş gibi hem de elektronların yörünge geçiş yollarını değiştirmeden gözlemlemek mümkündür.

Siz de bunun detaylarını Kuantum Darwinizm yazısında okuyabilirsiniz ama zeno etkisinin nasıl işlediğini ayrı bir yazıda anlatacağım; ancak bugün ele aldığımız iki deneyin kuantum sıçrama olgusunu kısmen açıklayan sonuçlar ürettiğini de belirtmek isterim. İki tür kuantum sistemi vardır: Zeno etkisiyle öngörülebilen sistemler ve Bohr’un gözlerini yaşartacak kadar, yani tümüyle öngörülemez sistemler. Peki kuantum sıçrama deneyleri bize neyi öğretti?

İlgili yazı: Güçlü Nükleer Kuvvet Ne Kadar Güçlü?

 

Gerçeğin peşinde

Deney yaparken bu sistemlerin hangisini göreceğiniz detektörün gözlemlediği parçacıklarla ne kadar eşlenik olduğuna bağlıdır. Detektör ile parçacık etkileşimleri ne kadar güçlüyse, ölçüm ne kadar netse kuantum sıçrama olasılığı o kadar artar. Detektör-parçacık etkileşimleri ne kadar zayıfsa, yani ölçümler ne kadar belirsizse tek tek elektronların kuantum durumları değil ama elektronların atom yörüngelerine nasıl sıçrayacağının bilgisi o kadar net olur.

Bu da izleme cihazı takılı bir kişiyi birebir değil ama ekrandan izlemeye benzer. Başını kaşıdığını göremez ama nereye gittiğini görürsünüz. Sonuçta kuantum sıçramalar bize zamanın nasıl aktığını da gösterecektir. Elektronlar aniden sıçrar veya ara yörüngelere geçiş yaparken saniyeler nasıl geçiyor? Zaman akıyor mu, yoksa bir yanılsama mı? Onu da şimdi okuyabilir, zaman akmıyorsa evren 2B hologram mı diye sorabilir ve fraktal evren teorisini hemen inceleyebilirsiniz. Sağlıcakla ve bilimle kalın. J

Elektron yörüngeleri

¹Are there quantum jumps? Part I
²Are there quantum jumps? Part II
³Quantum Zeno effect appears in stages