Kuantum Süperpozisyonu

Kuantum dünyasında nesneler, en azından ölçülene kadar aynı anda birden fazla yerde bulunabilirler. Aynı deney, aynı koşullar altında birçok kez tekrarlandığında farklı sonuçlar verebilir. Bu olguyu anlamak için yapılan benzetmelerin hepsi yetersiz kalıyor.

Moleküller, atomlar ve onları oluşturan parçacıklar, 20. yüzyılın başlarında atomların fiziğiyle boğuşan bilim insanlarına sırlarını kolayca açıklamadılar. Dram, hayal kırıklığı, öfke, şaşkınlık ve sinir krizleri bol miktarda vardı ve şimdi, tam yüzyıl sonra, neyin tehlikede olduğunu anlamak bizim için zor olabilir. Olan şey, sürekli bir dünya görüşü yıkımı süreciydi. Bir şey hakkında doğru olduğunu düşündüğünüz her şeye inanmayı bırakmanız gerekebilir. Kuantum fiziği öncülerinin durumunda, bu, maddenin nasıl davrandığını dikte eden kurallar hakkındaki anlayışlarını değiştirmek anlamına geliyordu.

Bohr, 1913 yılında minyatür bir güneş sistemine benzeyen bir atom modeli tasarladı . Elektronlar atom çekirdeğinin etrafında dairesel yörüngelerde hareket ediyordu. Bohr, modeline birkaç değişiklik ekledi, bu değişiklikler onlara bir dizi tuhaf ve gizemli özellik kazandırdı. Değişiklikler, deneysel ölçümlerin sonuçlarını tanımlayabilmesi için Bohr'un modelinin açıklayıcı bir güce sahip olması için gerekliydi. Örneğin, elektronların yörüngeleri çekirdeğin etrafındaki demir yolu rayları gibi sabitti. Elektron yörüngeler arasında olamazdı, aksi takdirde çekirdeğe düşebilirdi. Yörünge merdiveninin en alt basamağına ulaştığında, daha yüksek bir yörüngeye atlamadığı sürece orada kalırdı.

Bunun neden gerçekleştiğine dair, Broglie'nin elektronların hem parçacık hem de dalga olarak görülebileceği fikriyle ortaya çıktı . Işık ve maddenin bu dalga parçacık ikiliği şaşırtıcıydı ve Heisenberg'in Belirsizlik İlkesi ona kesinlik kazandırdı. Parçacığı ne kadar kesin olarak konumlandırırsanız, ne kadar hızlı hareket ettiğini o kadar az kesin olarak bilirsiniz. Heisenberg'in kuantum mekaniğine dair kendi teorisi vardı, deneylerin olası sonuçlarını hesaplamak için karmaşık ve aşırı zor bir cihaz.

1926'da Avusturyalı fizikçi Erwin Schrödinger'in aklına büyük bir fikir geldi. Elektronun çekirdek etrafında ne yaptığını gösteren bir denklem yazabilseydik ne olurdu? Fransız fizikçi De Broglie ortaya bir fikir attı. Elektronların dalgalar gibi davrandığını öne sürdüğünden, bu bir dalga denklemi gibi olurdu. Gerçekten devrim niteliğinde bir fikirdi ve kuantum mekaniği anlayışımızı yeniden çerçevelendirdi.

Işığı elektrik ve manyetik alanlar olarak tanımlayan Maxwell'in elektromanyetizmasının ruhuna uygun olarak Schrödinger, de Broglie'nin madde dalgalarını tanımlayabilen bir dalga mekaniği izledi. De Broglie'nin fikrinin sonuçlarından biri, eğer elektronlar dalga olsaydı, o zaman neden sadece belirli yörüngelere izin verildiğini açıklamanın mümkün olacağıydı. Bunun neden doğru olduğunu görmek için, Ana ve Bob adlı iki kişi tarafından tutulan bir ipi hayal edin. Ana ipi hızla çeker ve Bob'a doğru hareket eden bir dalga yaratır. Bob da aynısını yaparsa, bir dalga Ana'ya doğru hareket eder. Ana ve Bob hareketlerini senkronize ederlerse, sola veya sağa hareket etmeyen ve aralarında düğüm adı verilen sabit bir nokta gösteren bir desen olan duran bir dalga ortaya çıkar. Ana ve Bob ellerini daha hızlı hareket ettirirlerse, iki düğümlü, sonra üç düğümlü yeni duran dalgalar bulacaklardır. Ayrıca, farklı düğüm sayılarına sahip duran dalgalar bulana kadar değişen güçlerde bir gitar telini çekerek duran dalgalar da üretebilirsiniz. Duran dalganın enerjisi ile düğüm sayısı arasında birebir bir ilişki vardır.

De Broglie elektronu çekirdeğin etrafında duran bir dalga olarak resmetti. Bu nedenle, yalnızca belirli titreşimli desenler kapalı bir daireye sığardı. İzin verilen yörüngeler, her biri kendine özgü bir enerjiye sahip olan elektron dalgasının düğüm sayısıyla tanımlandı. Schrödinger'in dalga mekaniği, de Broglie'nin elektronu duran bir dalga olarak resmetmesinin neden doğru olduğunu açıkladı. Ancak çok daha ileri giderek bu basitleştirilmiş resmi üç uzaysal boyuta genelleştirdi.

Schrödinger, altı önemli makaleden oluşan bir dizide yeni mekaniğini formüle etti, bunu hidrojen atomuna başarıyla uyguladı, bunun daha karmaşık durumlara yaklaşık cevaplar üretmek için nasıl uygulanabileceğini açıkladı ve mekaniğinin Heisenberg'inkiyle uyumlu olduğunu kanıtladı.

Schrödinger denkleminin çözümü dalga fonksiyonu olarak biliniyordu . Başlangıçta, bunun elektron dalgasının kendisini tanımladığını düşündü. Bu, dalgaların zaman içinde nasıl evrimleştiğine dair klasik kavramlarla uyumluydu ve determinizme uyuyordu. Başlangıçtaki konumları ve hızları göz önüne alındığında, gelecekte ne olacağını tahmin etmek için hareket denklemlerini kullanabiliriz. Schrödinger özellikle bu gerçekle gurur duyuyordu, denkleminin atom fiziğinin neden olduğu kavramsal karmaşaya bir düzen getirmesi, Elektronun ayrı yörüngeler arasında "sıçraması" fikrinden hiç hoşlanmadı.

Ancak Heisenberg'in Belirsizlik İlkesi dalga fonksiyonu için bu deterministik yorumu mahvetti. Kuantum dünyasında her şey bulanıktı ve elektronun, parçacık veya dalga olsun, zaman evrimini tam olarak tahmin etmek imkansızdı. Soru şu oldu: Peki bu dalga fonksiyonu ne anlama geliyor?

Madde ve ışığın dalga parçacık ikiliği ve Heisenberg'in Belirsizlik İlkesi, Schrödinger'in güzel (ve sürekli) dalga mekaniğiyle nasıl uzlaştırılabilirdi? Yine radikal yeni bir fikre ihtiyaç vardı ve yine birileri bunu bulmuştu. Bu sefer sıra, kuantum mekaniğinin baş mimarlarından biri olmasının yanı sıra 1970'lerin rock yıldızı Olivia Newton John'un da büyükbabası olan Max Born'daydı.

Born, Schrödinger'in dalga mekaniğinin elektron dalgasının evrimini değil, elektronun uzayda şu veya bu konumda bulunma olasılığını tanımladığını doğru bir şekilde ileri sürmüştür. Fizikçiler, Schrödinger denklemini çözerek bu olasılığın zaman içinde nasıl evrildiğini hesapladılar. Elektronun burada mı yoksa orada mı bulunacağını kesin olarak tahmin edemeyiz. Sadece bir ölçüm yapıldıktan sonra burada veya orada bulunma olasılıklarını verebiliriz. Kuantum mekaniğinde, olasılık dalga denklemine göre kesin olarak evrilir, ancak elektronun kendisi evrilmez. Aynı koşullar altında birçok kez tekrarlanan aynı deney farklı sonuçlar verebilir.

Fizikte ilk kez, bir nesneye ait fiziksel bir şeyin davranışını tanımlamayan bir denklem var. Bir topun veya gezegenin konumu, momentumu veya enerjisi gibi. Dalga fonksiyonu dünyada gerçek bir şey değil. Aslında, karmaşık bir nicelik olduğu için mutlak değeri bir ölçüm yapıldıktan sonra parçacığı uzayda belirli bir noktada bulma olasılığını verir. Peki ölçümden önce ne olur? Bunu bilemeyiz. Dalga fonksiyonunun elektron için birçok olası durumun üst üste gelmesidir . Her durum, bir ölçüm yapıldıktan hemen sonra elektronun bulunabileceği bir konumu temsil eder.

Muhtemelen faydalı bir görüntü (hepsi belirsiz) kendinizi tamamen karanlık bir odada, birçok resmin asılı olduğu bir duvara doğru yürürken hayal etmektir. Duvarda belirli bir yere, bir resmin önüne ulaştığınızda ışıklar yanar. Elbette, resimlerden birine doğru yürüyen tek bir kişi olduğunuzu biliyorsunuzdur. Ancak bir elektron veya bir foton gibi bir atom altı parçacık olsaydınız, aynı anda duvara doğru yürüyen birçok kopyanız olurdu. Birçok siz'in üst üste gelmesi durumunda olurdunuz ve yalnızca bir kopyanız duvara ulaşır ve ışıkların yanmasına neden olurdu. Her bir kopyanızın duvara ulaşma olasılığı farklı olurdu. Deneyi birçok kez tekrarlayarak, bu farklı olasılıklar ortaya çıkar.