Kuantum Tünelleme Süresi Atomlarla Ölçüldü

Kanadalı bilim insanları kuantum tünelleme süresini ultra soğuk rubidyum atomları ve lazer ışınlarıyla ölçtü. Rubidyum atomlarının kuantum tünelleme yaparak hayalet gibi duvarın içinden geçmesi yalnızca 0,61 milisaniye sürdü ancak bu kuantum mekaniği ölçülerinde sonsuzluk kadar uzun bir süre. Peki kuantum tünellemenin anında değil de göreli oldukça uzun bir sürede gerçekleşmesi dolanık parçacıkların özelliklerini birbirine göre anında değiştirmediğini de gösteriyor olabilir mi? Kuantum tünellemenin ne olduğunu kuantum bilgisayarlar, solucandelikleri ve uzay-zamanın doğasıyla görelim.

Kuantum tünelleme nedir?

Kuantum tünelleme elektron gibi bir parçacık ya da atomun aniden hemen yakınındaki bir konuma sıçramasıdır. Kuantum tünelleme elektronların bilgisayar işlemcilerini oluşturan mikroskobik transistor telleri arasında geçiş yaparak işlemciyi ısıtması ve yavaşlatmasına yol açar. Bu da bugünkü teknolojiyle birbirine 2 nanometreden daha yakın transistorlar üretmemizi engelleyerek Moore yasası uyarınca işlemcilerin kapasitesini sınırlar ancak kuantum dünyası bilgisayar dünyasından çok daha gariptir:

Kuantum tünellemede bir parçacık ışık hızını aşarak anında başka bir yere sıçramış gibi görünür. Öyle ki bitkilerin fotosentez yaparak besin zincirinin temelini oluşturması, Dünya’ya ısı ve ışık veren Güneş’in çekirdeğinde nükleer füzyonla enerji üretmesini hep kuantum tünellemeye borçluyuz fakat kuantum tünelleme ışıktan hızlı iletişime izin vermez.

Bu yüzden ışıktan hızlı gerçekleşiyor olsa bile görelilik teorisini çiğnemez ama ne hızda gerçekleştiği bu yazının konusudur. Bazı fizikçilere göre anında gerçekleşir ve bazıları da bunun mikroskobik solucandelikleriyle gerçekleştiğini öne sürer (kara delik enformasyon paradoksu). Peki kim haklı?

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

 

Kuantum tünelleme ve zaman ilişkisi

Kuantum tünelleme anında gerçekleşiyorsa zamandan bağımsız mı, yoksa zamana tabi mi? Zamandan bağımsız ise Einstein’ın blok zaman modelinden hareketle 10 milyar ışık yılı uzaktaki iki dolanık fotonun birbirini anında etkilemesi önermesinin anlamsız olduğunu söyleyebiliriz. İki foton aynı uzay-zamanda yer almadığı ve kendi şimdiki zamanları birbiriyle eşzamanlı olmadığı için kuantum tünellemenin anında gerçekleşmesinin ışık hızını aşmak anlamına gelmediğini belirtiriz.

Öte yandan kuantum tünelleme mikroskobik solucandelikleriyle gerçekleşiyorsa işin rengi değişir. Solucandelikleri evrenin uzak köşelerini birbirine kısa yoldan bağlar. Böylece bir ucundan geçip diğer ucundan çıktığınızda dış evrene göre 1 saniyede 1000 ışık yılı yol almış kadar uzağa erişebilirsiniz. Solucandeliğinin içinde ışık hızını aşmazsınız ve tünelden geçmek de az çok zaman alır. Kuantum tünelleme atomik mesafeler veya çok kısa mesafelerde gerçekleştiği için göze anında olmuş gibi görünür. Yine de belirli bir süre geçmiştir. Bizde bunu rubidyum atomlarıyla görelim:

İlgili yazı: Kodlama İçin En Gerekli 16 Programlama Dili

 

Rubidyum atomlarını tünellemek

Ultra soğuk rubidyum atomlarının bir duvarın öte tarafına geçmesinin 0,61 saniye alması oldukça şaşırtıcıdır ki bundan yola çıkarak atomların kuantum tünelleme yapması uzun sürüyor diyebilirsiniz. Atomların özellikle de boyuna göre uzak sayılabilecek bir mesafe olan duvarın berisine geçmesi tabii ki uzun sürer diyebilirsiniz ama bir de protonlar var. Bunlar Güneş’in çekirdeğinde aniden (?) birbirine tünelleme yaparak birleşir ve helyum çekirdekleri sentezler.

Protonlar çok daha hızlı tünelleme yapıyor gibidir. Dolayısıyla bunun hızını ölçmek önemlidir. Tünelleme zamandan bağımsız değilse evrende ölçülebilecek en kısa anın Planck zamanı olmasından hareketle parçacıkların ışınlanmasının da en az 10^-44 saniye süreceğini söyleyebilirsiniz. Öyleyse kuantum tünellemeyle sıçramak anında gerçekleşiyor sayılır ama çok kısa sürse de zaman alır. Peki gerçekte ne kadar hızlı ve bunun kuantum bilgisayar geliştirmekle evrenin dokusu olan uzay-zamanın doğasını aydınlatmak açısından ne önemi var? Tünellemenin nasıl işlediğini görelim:

İlgili yazı: İnternetinizi Uçuracak En İyi 10 Modem

 

Kuantum tünelleme nasıl çalışıyor?

Kuantum fiziğinde parçacıkların özellikleri ve davranışını Schrödinger dalga fonksiyonuyla gösteririz (denklemi normalleştirerek). Böylece bir elektronunun nerede olduğunu veya ne hızla ne yöne gittiğini hesaplarız. Dalga fonksiyonu belirsizlik ilkesi nedeniyle bize yalnızca parçacıkların konumu, hızı ve benzeriyle ilgili olasılıkları verir. Örneğin elektronun yüzde 70 ihtimalle soldan gitmesi olasılığını kesin hesaplarız ama ne taraftan gideceğini önceden bilemeyiz.

Olasılık dalga fonksiyonu gökcisimleriyle top mermilerinin hareketlerini hesaplamayı sağlayan Newton mekaniğine benzer ama ultra mikroskobik atom ve atomaltı ölçekte işler. Dalga fonksiyonunun fiziksel olup olmadığı ve ne olduğu kuantum ölçüm problemi olarak 94 yıldır tartışılıyor ama bizim kuantum tünellemenin de olasılıklara bağlı olduğunu bilmemiz yeterli. Ayrıca dalga fonksiyonu adı üstünde dalgadır.

Parçacıklar ise ne dalga ne parçacıktır ama bakış açımıza göre ikisinden biri gibi davranabilir. Kuantum tünellemenin gerçekleşmesi ise atomlar ve parçacıkların dalga gibi davranmasına bağlıdır. Normalde atomlar duvarın içinden hayalet gibi geçmesi imkansızdır. Atomları saran negatif yüklü elektronlar ile duvar atomlarının eş yüklü elektronları birbirini iter. Bu da atomların yüzde 99’unun bir anlamda boşluk olmasına karşın birbirinin içinden geçmesini önler.

Öte yandan atomun uzayda herhangi bir yerde olma olasılığını dalga gibi gösterirseniz dalgaların kesintisiz ve sonsuz menzilli olduğunu görürsünüz. Bir dalgaya yandan bakınca, yani kesitini alınca onu dalgalı bir ip gibi de düşünebilirsiniz. Bu incecik ipin atomun duvarın içinden geçebileceği nadir boşluklardan birinden geçmesi halinde (ipliği iğnenin deliğinden geçirir gibi) duvarın arka yüzüne tünellenebileceğini de hayal edebilirsiniz.

Kılı kırk yaran tünelleme

Bu durumda atomun duvarın içinden geçmesi çok düşük bir olasılıktır. Civar atomlarla etkileşime girmesi onu yolundan saptırır (atom dalgasının civar atomların olasılık dalgalarıyla iç içe geçmesi eşevresizliğe yol açarak atomun duvarın bu yanında kalma şansını artırır). Öyle ki atomlar ancak kısa mesafelerde tünelleme yapabilir. Uzun mesafelerde tünelleme evren yok olana (?) dek gerçekleşmeyecek kadar düşük bir olasılıktır. Oysa çok kısa mesafelerde atom dalgasının incecik bir iplik gibi duvarın içinden geçerek öte yandan çıkması mümkündür. Kuantum tünelleme özetle budur.

İlgili yazı: Düz Dünya Teorisini Çürüten 12 Kanıt

 

Dalga fonksiyonu fiziksel mi?

Kuantum tünellemeyi açıklamak için mecburen dalga fonksiyonunun fiziksel olup olmadığından söz etmemiz gerekiyor. Ne olduğunu bilmiyoruz ama olasılık dalgası fiziksel değil gibi görünüyor; çünkü deniz dalgası gibi fiziksel dalgalar duvarlardan geçemez. Yoksa her yağmurda bütün evleri su basardı. Öte yandan elektromanyetik dalgalar fiziksel olmakla birlikte bunların nasıl dalgalandığını belirleyen olasılıklar fiziksel değil gibidir. Aksi takdirde ışık pencere camından geçemez, saydamlık diye bir şey olmaz ve eviniz zifiri karanlık olurdu. Tünellemenin düşük olasılıklı olmasına şükretmeliyiz.

Sonuç olarak vücudunuzdaki protonların aniden birbirine sıçrama yaparak bütün atomlarınızı demire dönüştürüp sizi cansız bir demir heykel haline getirmesini istemezsiniz. 😉 Her durumda bir parçacık ne kadar küçük ve hafifse tünelleme olasılığı da o kadar artar. Elektronlar protonlardan küçük ve hafif olduğundan daha kolay sıçrarlar. Biz de Moore yasasının temeli olan bu özelliği 1927’den beri biliyoruz.

İlgili yazı: Yapay Zeka Nedir ve Nasıl Çalışır?

 

Peki tünelleme ne kadar sürüyor?

Toronto Üniversitesi’nden Aeprahin Steinberg ve meslektaşları son 20 yılda yaptıkları deneylerde ultra soğuk rubidyum atomları kullanarak kuantum tünellemenin hızını 0,61 milisaniye olarak ölçtüler. Oysa bu ölçümün kesin olup olmadığını anlamak için neden rubidyum diye sormamız gerekiyor. Nitekim kuantum ışınlama deneylerinde fizikçilerin genellikle rubidyum atomları kullandığını görüyoruz. Bunun nedeni rubidyum spinin lazer ışınlarıyla değiştirilebilmesidir:

Parçacık spinine Türkçede fırıl deriz ve genellikle bunu özdönüş, yani parçacıkların kendi çevresinde dönmesi olarak anlatırız. Tam olarak doğru değildir. Örneğin elektronlar ya saat yönünde ya da saatin ters yönünde dönebilir ve yarım spinlidir. Bu süreçte kendi çevresinde kesintisiz bir tur yapmaz. Anında (?) yön değiştirir ve deyim yerindeyse bir an var olup bir an yok olarak kesikli bir şekilde döner. Newton mekaniğinde rotasyon terimini kullanırken elektron spini dememizin sebebi budur.

Peki rubidyum spininin kuantum tünellemeyle ne ilgisi var? Rubidyum atomlarının fırılını değiştirerek onların duvarın içinden geçme şansını artırabilirsiniz ama deneyin ince karton perde bile olsa gerçek bir duvarla yapılmadığına dikkat edin. Gerçek duvarlar trilyonlarca atomdan oluşup parçacıkları kontrol etmemizi sağlayan kuantum dolanıklığı bozar. Bu yüzden tünellemenin hızını lazerlerle ve ultra soğuk atomlarla ölçeriz. Hemen hiç titreşmeyen soğuk atomları yoldan çıkmadan kontrol etmek kolaydır.

Tünelleme deneyini nasıl yaptılar?

Atomların fırıl eksenini ölçerek “duvardan” geçip geçmediklerini anlayabiliriz. Fizikçiler de atomların fırılını deney başlamadan önce ve sonra ölçerek hangilerinin tünelleme yaptığını gördüler. Sonuçta bu rastlantısal bir olaydır ve hangi atomun veya kaç atomun sıçrayacağını bilemezsiniz. Peki duvar yoksa ne kullandılar? Fizikçiler rubidyum atomlarını yatay bir lazerle arkadan ittiler ve önlerine dikey lazer ışınından oluşan bir enerji perdesi koydular. Dikey lazer bir tür güç alanı oluşturarak ışıktan engel yarattı ve sadece bazı atomlar lazer engelinin ardına geçebildi. Bu da 0,61 milisaniye sürdü.

İlgili yazı: Virüsler Canlı mı ve RNA Yaşamın kökeni mi?

 

Bu ne anlama geliyor?

Lazer kullanarak atomların gerçek tünelleme süresini ölçebilir miyiz? Bazı fizikçiler bu deneyle sıçrama hızının ölçüldüğüne inanmıyor ama olumsuz bakanlar azınlıkta. Sonuçta bu kuantum deneyi büyük titizlikle ve 20 yıl boyunca tekrarlandı. Çok temiz ve net bir deney… Hem atomlar için duvar veya lazer fark etmez; çünkü onların boyunda her şey atomlardan oluşuyor. Biz de lazer perdesinin genişliğini biliyoruz. Lazerin içinden 0,61 milisaniyede geçen bir atomun ince bir duvardan geçmesi daha düşük olasılıktır ve daha uzun sürebilir. Yine de hızını ölçtük.

Öyleyse bu ne işe yarayacak? Öncelikle kuantum bilgisayarlar fotonlar gibi dolanık parçacıklarla çalışıyor. Kuantum devrelerinin anakart ve kuantum internetle bağlantı kurması için kuantum tünelleme ve kuantum noktalar kullanmak gerekebiliyor. Kuantum bilgisayarların klasik bilgisayarlar kadar hatasız çalışması için atomlarla parçacıkları kontrol etmeyi öğrenmemiz gerekiyor. Teorik fizik ve kozmoloji açısından ise soru uzay-zamanın doğasıyla ilgili:

İlgili yazı: Zamanda Yolculuk Etmenin 9 Sıra Dışı Yolu

 

Tünelleme ve amplituhedron

Parçacıkların ne dalga ne parçacık olduğunu biliyoruz. Parçacıklar kuantum alanlarındaki titreşimlerdir ama alanlar klasik fizikteki gibi kesintisiz bir davul derisi gibi tanımlanır. Görelilik teorisi uzay-zamanı ve Maxwell denklemleri de elektromanyetizmayı bir alan olarak tanımlar. Görelilik çözümlerinden olan solucandelikleri uzay zamanı kağıt gibi büker. Buna karşın kuantum tünelleme anlık değil belirli bir sürede gerçekleşir.

Kara delik entropisi ve sicim teorisi fizikçileri de dolanıklığı mikroskobik solucandelikleriyle tanımlayabileceğimizi gösterdiler. Peki içinden geçebileceğimiz kadar büyük solucandeliklerinin olmaması ve kuantum tünelleme ile ışınlanmanın ışıktan hızlı iletişime izin vermemesinden hareketle uzay-zamanın doğası nedir? Parçacık-dalga ikiliğiyle kesintili çalışan kuantum fiziğini kesintisiz çalışarak yerçekimini tanımlayan görelilik bir türlü birleştiremediğimize göre bunun farklı bir yanıtı olmalı.

Farklı yanıt derken, görelilik teorisinde uzay-zaman her şeyin temeli ve referans çerçevesidir. Kuantum fiziği ise uzay-zaman kutusunun içinde çalışır. Bununla birlikte uzay ve zaman parçacıkları bulma çabalarımız, uzay ve zamanı nicelikleştirme (kuantumlaştırma) çabalarımız boşa çıkmıştır. Parçacıkların ne dalga ne parçacık olması ama ikisi gibi davranabilmesini açıklayabilmenin en tutarlı yolu kuantum mekaniğinin eksik bir teori olduğunu kabul etmektir. Matematiksel olarak gerçeğe yakındır ama nihayetinde fiziksel gerçeklikle birebir ötüşmez.

Bu sorunu çözmenin yolu amplituhedron teorisinden geçebilir. Bu teori uzay ve zamanın ayrı bir varlık olmadığını ve kuantum fiziğinde bilinen parçacıklardan daha temel parçacıklar arasındaki fiziksel etkileşimlerden türeyen bir network, bir tür etkileşim ağı olabileceğini gösteriyor. Bu fikrin detaylarını amplituhedron nedir yazısında okuyabilirsiniz. Kuantum tünellemenin anında gerçekleşmemesi, sıçrayan parçacıkların uzayda yol alıyor gibi görünmesi ve uzay-zamanın ağsı dokuda olması, uzay-zamanın tıpkı kütlenin enerjiden türemesi gibi sonradan oluşan bir özellik olabileceğine işaret ediyor.

Toparlayacak olursak

Evrenin doğasını anlamak için kuantum fiziği ve görelilik tek başına yeterli değildir. Bunları birleştirmek de yeterli değildir. Kuantum ölçüm problemini mutlaka çözmeli ve kuantum alanlarıyla ile temel parçacıkların gerçekte ne olduğunu anlamalıyız. Peki kuantum alanları nasıl oluştu? Hiçliğin fiziği nedir ve evren 3 paradoksla boşluktan nasıl türedi? Bunları şimdi okuyarak Nobel ödüllü Penrose tekilliğine hemen bakabilirsiniz. Pazar günü havalar açacak ve jazz mevsimi de geldi. Bilimi, geziyi ve müziği sevin. 😊

Kuantum tünelleme nedir?

¹The Hyperfine Transition for the Definition of the Second
²Measurement of the time spent by a tunnelling atom within the barrier region
³Larmor clock for tunneling times