Belirsizlik İlkesini Anlamak: Werner Heisenberg ve Diğerleri Ne Dedi?

Belirsizlik İlkesi, kuantum fiziğinin en temel ilkelerinden biridir. Kuantum fiziğinin ortaya çıkmasından 100 yıl önce Pierre-Siom Laplace bugün “Laplace’ın Şeytanı” olarak bilinen bir fikir ortaya atmıştır. Evren deterministik ise ve eğer birisi (şeytan) evrendeki her türlü cismin o anki konumunu, momentumunu ve üzerindeki kuvvetleri bilirse evrenin geçmişini ve geleceğini hesaplayabileceğini söyler. Ancak kuantum fiziği ile gelen belirsizlik ilkesi bize evrendeki her türlü cismin özelliğini hesaplayabilecek bir bilgisayarımız olsa bile bu özelliklerin asla tam bir kesinlik ile bilinemeyeceğini söyler.

Belirsizlik ilkesi kuantum fiziğinin oluşmasına büyük katkılar yapan Werner Heisenberg tarafından 1927’de ortaya atıldı. Aralarında belirsizlik ilişkisi olduğu en yaygın olarak bilinen çift momentum ve konumdur. Bu belirsizliği matematiksel olarak Earl Hesse Kenard ve 1 yıl sonra Hermann Weyl ortaya attı. 

Bu denkleme göre bir parçacığın momentumundaki belirsizlik ile konumundaki belirsizliğin çarpımı h/2’den büyük olmak zorundadır. Planck sabiti çok küçük olduğu için bu belirsizliği makroskobik dünyada gözlemleyemeyiz ancak atom altı ölçeğe indikçe belirsizlik gitgide önem kazanmaya başlar. Momentum – konum belirsizliği şunu söyler: Bir parçacığın konumu ne kadar az belirsiz ise momentumu o kadar fazla belirsiz olacaktır, aynı şekilde momentumu ne kadar az belirsiz ise konumu o kadar belirsiz olacaktır. Eğer momentum – konum belirsizliği olmasaydı atomlar ve dolayısıyla çevremizde gördüğümüz makroskobik dünya asla var olamazdı. Çünkü negatif yüklü elektronların pozitif yüklü çekirdeğe düşmemelerini belirsizlik ilkesi sağlar. Elektron çekirdeğe yaklaştıkça konumdaki belirsizlik azalır ve dolayısıyla momentumdaki belirsizlik artar. Momentumdaki belirsizliğin artması elektronun çekirdek etrafındaki dönme hızını etkilediği için elektron, çekirdeğe düşmeyecek şekilde hareketine devam edebilir.

Üstelik aralarında belirsizlik ilişkisi olan sadece momentum ve konum değildir. Belirsizlik ilişkisi olduğu bilinen başka bir çift de enerji ve zamandır. 

Enerji – zaman belirsizliğinin muazzam sonuçları vardır. Boş uzayın bize aslında boş olmadığını gösterir. Uzayda “yoktan” parçacıklar meydana gelebilir ancak kısa bir süre sonra yok olmak şartıyla. Bunun yanı sıra parçacıkların, kısa süreliğine büyük enerji kazanmalarına sebep olabilir ve buna Kuantum Tünelleme denir. Örneğin yıldızların enerji üretip ışık yayması için çekirdekteki moleküllerin enerji potansiyelini aşıp füzyon tepkimeyle birleşmeleri gerekir. Tuhaf olan ise, araştırmaların da gösterdiği gibi, yıldızların çekirdeğindeki sıcaklık, moleküllerin enerji bariyerini aşması gerekenden biraz daha düşüktür. Yıldızlar, enerjileri yetmediği halde füzyon tepkime gerçekleştirebilmelerini enerji – zaman belirsizliğine borçlulardır.

Ancak bu çiftlerin yanı sıra aralarında belirsizlik ilişkisi olan başka çiftler de vardır. Bu çiftlere eşlenik değişkenler (conjugate variables) denir. Aşağıdaki eşlenik değişkenler p ve q operatörleri ile temsil edilir.

Bu değişkenlere;

• Enerji – Zaman 
• Çizgisel Momentum – Konum
• Açısal Momentum – Açısal Konum (Orientation)
• Elektrik Potansiyel – Elektrik Yükü Yoğunluğu
• Manyetik Potansiyel – Elektrik Akımı Yoğunluğu 
• Elektrik Alanı – Elektrik Polarizasyon Yoğunluğu 
• Manyetik İndüksiyon – Mıknatıslanma

örnek olarak gösterilebilir.

Heisenberg’in Mikroskobu

Belirsizlik İlkesi hakkında bilinen en büyük yanlış anlamalardan biri belirsizliğin ölçümden kaynaklanmasıdır. Ölçümden dolayı bir belirsizlik oluşur fakat bunun Kuantum Fiziği’ndeki Belirsizlik İlkesi ile hiçbir alakası yoktur. Heisenberg bu örneği Belirsizlik İlkesi’nin daha iyi anlaşılması için vermiştir.

Ölçümden dolayı kaynaklanan belirsizliği anlamak için bir parçacığı hayal edin. Diyelim ki siz bu parçacığın konumunu bir detektörle ölçmek istiyorsunuz. Bunu yapmanız için parçacığı foton yağmuruna tutmanız gerekir, parçacığa çarpan fotonlar detektöre gelecek ve bu şekilde parçacığın nerede olduğunu hesaplayabileceksiniz. Ancak gönderdiğiniz fotonlar, parçacığın momentumunu değiştirdiği için momentumu hakkında kesin bir şey söyleyemezsiniz. Fotonların momentumu şu şekilde gösterilir:

Bu denkleme göre eğer fotonun dalga boyunu arttırırsak göndereceğimiz fotonların momentumu düşer, dolayısıyla gözlediğimiz parçacığın momentumuna daha az etki ederler ve parçacığın momentumunu daha az belirsizlikle bilebiliriz. Fakat parçacığa çarpan elektronların saçılması dağınık olduğu için parçacığın konumu daha belirsiz olur.

Ölçümden kaynaklı belirsizlik her ne kadar geçerli olsa da bu yazının konusu olan Belirsizlik İlkesi ile hiçbir alakası yoktur. Momentum – konum belirsizliğinden örnek vermek gerekirse Belirsizlik ilkesi için “Momentumu ve konumu aynı anda bilemeyiz.” demek yerine “Bir parçacığın aynı anda kesin bir momentumu ve konumu olamaz.” der, yani bu belirsizlik evrenin kendi doğasından dolayıdır.

Konuyu harika bir şekilde anlatan bir Veritasium videosunu Türkçe altyazılı olarak aşağıdan izleyebilirsiniz: