Kuantum Fiziğine Giriş Terim ve Tanımlar

Kuantum öbeklilik: Doğa, hem Dünya’yı oluşturan madde parçalarında hem de gerçekleşen değişimlerde esasen tanecikli veya öbekli bir yapıya s ahiptir.
Olasılık: Küçük ölçekli dünyadaki olaylar, bizler olaylar hakkında bilenebilecek her şeyi biliyor olsak dahi, olasılık hükmeder.
Dalga-parçacık ikiliği: Madde hem dalga hem de parçacık özellikleri gösterebilir.
Belirsizlik ilkesi: Doğada, ölçümlerin hangi kesinliğe kadar yapılabileceğini belirleyen temel bir sınırlama bulunmaktadır.
İmha ve yaratım: Tüm etkileşimler parçacıkların yok olma ve var olmasını içerir ve gerektirir.
Spin: Görünür fiziksel uzama sahip olmayan “nokta parçacıklar” bile spin değerine s ahiptir; spin (dönme) kuantize bir özelliktir.
Üst üste binme (süperpozisyon): Bir parçacık veya bir parçacık sistemi aynı anda iki veya daha fazla hareket durumunda olabilir.
Antisosyal parçacıklar: Fermiyon denen parçacıklar bir dışarlama ilkesine uyarlar. Özdeş iki fermiyon aynı anda aynı hareket durumunda olamazlar. Periyodik tablo dışarlama ilkesi sayesinde var olur.
Sosyal parçacıklar: Bozan denen parçacıklar aynı hareket durumunda toplaşabilirler (hatta bundan “hoşlanırlar”), bu Bose-Einstein yoğunlaşması adı verilen üst düzey bir “birlikteliği” mümkün kılar. Korunuın: Bazı nicelikler değişimin tüm süreçlerinde sabit kalırlar. Başka bazı nicelikler (kısmi korunumlu nicelikler) değişimin belirli bazı çeşitleri esnasında sabit kalırlar.
Hız sınırı: Işık hızı doğadaki hız sınırıdır. (Görelilik kuramının bu sonucu, en çarpıcı biçimiyle kuantum dünyasında ortaya çıkar.)
E = mc2: Kütle ve enerji tek bir kavramda birleşir; böylelikle kütle enerjiye, enerji kütleye çevrilebilir. (Görelilik kuramının bir diğer sonucu, kendisini en etkileyici biçimde kuantum dünyasında gösteri

Kuantum nedir?
Sözlük anlamıyla kuantum bir öbektir, bir pakettir. Bizi çevreleyen gündelik yaşamda karşımıza belli büyüklükte uöbekler” biçiminde çıkan birçok şey vardır: Ekmek somunları, litrelik sütler, otomobiller gibi. Ancak bir ekmeğin, bir şişe sütün, bir otomobilin ne büyüklükte olacağını söyleyen bir doğa yasası yoktur. Ekmek ustası ekmeğine bir dilim, hatta bir kırıntı düzeyinde ekleme veya çıkartma yapabilir (Şekil 1). Sütçü, sütü yanın litrelik veya bir litrelik şişelerde s atıp satmayacağına kendisi karar verir. Araba şirketi, ürününü bir miktar daha büyük veya daha küçük, daha ağır veya daha hafif yapabilir. Kuantum yasalarının hükmettiği küçük ölçekli dünyada ise işler böyle yürümez.

Kuantum fizik yasaları nerede hüküm sürer?
“Her yerde” sorumuzun kısa yanıtıdır. Asıl sormak istediğimiz “Kuantum fiziğine nerede dikkat etmeliyiz?” sorusudur. Yanıt şudur: “Çok küçük şeyler dünyasında, yani moleküller dünyası ve onlardan daha küçük olan atomlar dünyasında, onlardan da küçük atomik çekirdekler ve daha da küçük temel parçacıklar dünyasında; atomlar da dahil olmasına rağmen, genel olarak atom-altı dünya dediğimiz dünyada”. İşte öbekliliğin önem kazandığı bu küçük ölçek aleminde dikkat etmeliyiz. Çakıllı bir nehir yatağında, kumlu bir sahilde, yumuşak bir çamur üzerinde yürüdüğünüzü düşünün. Bu yüzeylerin hepsi taneciklidir: çakıl parçaları, kum taneleri, çamur molekülleri… Çakıllı nehir yatağında adımlarınız tedbirli olur. Öbekliliğin bilincindesinizdir çünkü. Kumda granüllülüğün farkındasınızdır, ancak bunu hemen hiç önemsemezsiniz. Çamurda ise moleküler “öbekliliğin” bilincinden çok uzaksınızdır. Mevcut durum fark etme yetinizin çok ötesindedir.

Bir atom ne kadar büyüktür?
Eğer bir protonsanız atom çok büyüktür, sizin yaklaşık yüz binlerce katınız büyüklüğündedir. Öte yandan bir atom, bir insandan çok küçüktür, sizden yaklaşık on milyar kez küçüktür. Anlayacağınız, atomun büyüklüğü görelidir. Bir atom tanesi en iyi optik mikroskopla bile görülemeyecek kadar küçüktür.

Bir elektron ne kadar büyüktür? İçinde bir şey var mıdır?
Elektron, keşfedilen bu ilk temel parçacık, ilk kez 1 897’de Cambridge Üniversitesi’nde J.J. Thomson’ın laboratuannda katot ışını tüpü denen bir şey içerisinde görüldü.3 Thomson da, dönemindeki diğer fizikçiler gibi şunu biliyordu: Her biri bir uçta olmak üzere biri pozitif diğeri negatif yüklü iki metal plaka içeren ve içindeki hava büyük oranda alınmış bir cam tüpte, bir çeşit Mışınn negatif plakadan pozitife doğru akmaktaydı. Negatif plaka katot (pozitif plaka da anot) olarak adlandırıldığı için bu bilinmeyen ışınlara katot ışınlan denirdi. Thomson, bu ışınların doğasını keşfetmeye koyuldu. Farklı basınçlarda çeşitli gazlar içeren değişik tipte tüpler geliştirdi.ışınları manyetik ve elektrik alanlarla saptırdı.

Fotoelektrik etki nedir?
Metal bir yüzeye morötesi ışık verildiğinde yüzeyden kimi elektronlar açığa çıkar. Morötesi ışıktaki enerjinin bir bölümünün elektronlara geçtiği ve ardından elektronların metalden kurtularak uçabildikleri aşikardır. Buna fotoelektrik etki denir. Bu etki Einstein’ın 1905’teki çalışması esnasında biliniyordu, ancak detayları bilinmiyordu. Elektronların sayısı ve enerjisinin nasıl gelen ışığın doğasına – özellikle yoğunluk ve frekansına – bağlı olduğunun saptanması gerekiyordu. Öne sürdüğü ışığın tanecik modelini kullanarak Einstein bu ayrıntıları tam bir kesinlikle öngördü. Kendisinin on altı yıl sonra Nobel’e layık görülmesi görelilikten değil, bu başarısından dolayı oldu. Klasik bir bakışla, daha yoğun ışığın daha enerjik elektronlara neden olacağını ve bu ışığın – hangi frekansta olursa olsun- eğer yeterince yoğunsa, elektronları serbest bırakacağını öngörebilirdik. Ancak bu öngörülerin hiçbiri deneyle doğrulanamadı. Aksine elektronların enerjisinin ışığın yoğunluğuna değil sadece frekansına bağlı olduğu ve belli bir frekans limitinin altındaki ışığın – yoğunluğundan bağımsız olarak – hiç elektron çıkartmadığı ortaya çıktı. Einstein’ın ışığın tanecik modeli, fotoelektrik etki hakkındaki bu gerçekleri kolaylıkla açıklayabiliyordu. Işığın yayınımını bir foton seli olarak gözünüzde canlandırabilirsiniz (modern terminolojiyi kullanıyorum). Planck’ın formülü, E=hf bize her bir fotonun enerjisini verir. Fotonun enerjisi bir bütün olarak elektrona geçebilir, ama küçük parçalara bölünemez veya foton yavaşladıkça yavaşça dağılamaz (yavaşlayamaz; ya hep ya hiç). Bir elektron bir fotonu soğurduğu takdirde fotonun tüm enerjisini kendisine aktarır. Bu enerjinin bir bölümüne elektron, metal yüzeydeki elektrik alan engelini aşmak için ihtiyaç duyar. Kalansa elektronun kaçışı için kinetik enerji olarak kullanılır. Belli bir frekansın -limit frekansı- altında, elektrona aktarılan enerji engeli aşmak için ihtiyaç duyulandan daha azdır, bu yüzden elektron kaçamayacaktır. Işık ne yoğunlukta olursa olsun hiçbir elektron kaçmak için gereken enerjiyi kazanamayacaktır. Ancak ışığın frekansı limit değerin üzerindeyse, fotonlar yeterli kaçış enerjisine sahip elektronların oluşumunu sağlayacaktır.

Standart model nedir?
Yirmi üç parçacıktan oluşan dizilim, onların oluşturdukları bileşikler, yarattıkları üç etkileşim ve halen teorik bir parçacık olan Higgs, hep birlikte standart modeli oluşturmaktadırlar. Bu model ölümlü müdür, günü sayılı mıdır? Kimse bilmiyor. Günün birinde sicim teorisyenleri yarışı kazanacak olurlarsa, “yeni geliştirilmiş” standart model yirmi üç temel öğeden daha azına sahip olacaktır ve dördüncü etkileşimi, kütleçekim kuvvetini bünyesine katacaktır.
Kuantum mesafe ölçekleri nelerdir?
Bir nano metre bir metrenin milyarda biridir ( 1 nm veya 10-9 m olarak yazılır). Nanometre atom ve molekül aleminde sık kullanılan bir birimdir. On hidrojen atomu omuz omuza dursalar 1 nm genişliğe erişirler. Aynı uzunluğa erişmek için dört veya beş su molekülü yeter. 10 ila 100 nm arası ebattaki devre veya yapılara nano-ölçekli diyoruz. Bu ölçek tam olarak kuantum ile klasik dünya arasındaki sınır çizgisi üzerindedir. Bazı Xışınlarının dalga boyu yaklaşık 1 nm’dir. Gözümüzle gördüğümüz ışığın dalga boyu ise bundan yaklaşık beş yüz kat daha büyüktür (400 ila 700 nm aralığındadır). Nükleer dünyada sık kullanılan bir başka birim de femtometredir, bazen fermi diye adlandırıldığı da olur (her iki durumda .fm diye kısaltılır). Nanometrenin milyonda biridir, 10-15 m olarak ifade edilir.
Kuantum zaman ölçekleri nelerdir?
Gündelik yaşamımızda göz kırpmanın (belki saniyenin onda biri) çok kısa bir zaman olduğunu düşünürüz. Oysa atom-altı 59 alanda bu süre sonsuzluk gibidir. Bir saniyenin onda birinde elektron atomun çekirdeği etrafında 10 milyon kere milyar (1016) kez dönebilir. Parçacık etkileşimleri için işe yarar bir zaman ölçüsü, ışığın protondan geçmesi için gereken yaklaşık 1 fm mesafelik süredir. Bu süre – parçacık saatinde bir tik olarak düşünebilirsiniz bunu – yaklaşık olarak bir saniyenin trilyonda birinin trilyonda birinin üç katı (3 x ıo-24 sn) kadardır. Bu iki kuark arasında değişilen bir gluonun yaklaşık olarak yaşam süresidir. Fizikçilerin en kısa süre olarak düşündükleri zamanın bu olmadığını söylemeye gerek yok. Aynı “Planck uzunluğu” gibi, bir de “Planck zamanı” vardır. Bu ışığın bir Planck uzunluğunu geçmesi için gereken zamandır. Hayal edilemeyecek derecede kısa bir zamandır, yaklaşık 1 0-43 saniye. Bu, kütleçekim/kuantum iç içeliği ve kuantum köpüğünün gerçekleştiği zaman ölçeğidir.

E=mc2’nin anlamı nedir?
Brown hareketini açıkladığı, görelilik kuramını sunduğu ve fotonun varlığını öne sürdüğü yıl olan 1 905 yılında Einstein bir kağıda dünyanın en ünlü denklemi olacak olan E=mc2’yi yazdı. Denklem enerjinin (E) kütleye (m) eşdeğer olduğunu söyer.Çekirdeğin içerisindeki kararlı nötron sonsuza dek yaşayabilir. Bu kütlenin enerjiye dönüştürülebileceği (nükleer bölünme ve birleşmede olduğu gibi) ve enerjinin kütleye dönüştürülebileceği (bir hızlandırıcıda yüksek enerjide parçacıklar birbirleriyle çarpıştırıldığında olduğu gibi) anlamına geliyordu. Hatta daha fazlası: Kütle ve enerji aslında aynı şeydi. Kütle katılaşmış enerjiydi ve enerji kütlenin tanımsal özelliği olan atalete sahipti. Enerji kütledir. Kütle enerjidir.
Spin nedir?
Hemen hemen herkes dönen (spin eden) bir topaç ve atlıkarınca görmüştür. Yine hemen herkes dünyanın kendi ekseni etrafında dönüşünü bir günde ve Güneş’in çevresinde dönüşünü ise bir yılda tamamladığını bilir. Aslına bakarsanız doğada dönmeyen fazla bir şey yoktur. Buz patencileri döner. Ay, Dünya’nın yörüngesinde ilerlerken kendi ekseni etrafında da döner (ancak her iki hareket de bir ayda tamamlanır). Galaksiler döner. Galaksi grupları da döner. Temel parçacıkların çoğunun dönmesi de şaşırtıcı olmamalıdır.
“Hareket durumu” nedir?
Klasik dünyada bir nesnenin hareketini belirtmek için onun nerede olduğunu, ne hızla ve ne yönde hareket ettiğini söyleriz. Cep telefonunuzu açar, bir arkadaşınızı arayarak “Dinle, hareket durumum şu: 45. Cadde ile Madison’ın kuzeybatı köşesindeyim, Madison’ın kuzeyine doğru saatte iki mil hızla yürüyorum” diyebilirsiniz. Arkadaşınız bu işlerle alakalı biriyse sizin momentumunuzu ve kinetik enerjinizi hesaplayabilir. Kuantum dünyasındaysa böylesi belirlilikler olmaz. Parçacığın yeri tam olarak belirlenemez, hızı ve hareketinin yönü de aynı şekilde. Fakat her şey o kadar bulanık da değildir. Parçacığın hareketinin belirli “küresel” özellikleri tam olarak saptanabilir, örneğin enerjisi, açısal momentumu ve hatta spin ekseninin yönü gibi. İşte bu küresel özellikler hareket durumunu tanımlamaktadırlar. Büyük ölçeğe geri dönersek, bu sizin arabanızdan arkadaşınızı arayarak şunları bildirmenize benzer: “Dinle, hareket durumum şu: Upper East Side’da iki blokluk bir alanda saatte ortalama on mil hızla park yeri arayarak dönüp duruyorum.”
Kuantum sıçrama nedir?
1913’te Niels Bohr kuantum fiziğinde çok önemli ve bizlerin bugün de savunduğumuz fikirlerden birçoğunu geliştirdi. Yine de bu fikirler halen bizler için şaşırtıcılıklarını korumaya devam ediyorlar. Bunlardan birisi de kuantum sıçramadır: bir hareket durumundan (veya Bohr’un deyişiyle sabit durumdan) diğerine birdenbire gerçekleşen geçiş. Sağduyudan bu kadar ayrışabilen başka ne olabilirdi? “Bundan daha saçma ne olabilirdi?” diyen de olabilir. Bu neye benzer biliyor musunuz? Manhattan’ın Upper East Side’ında bir blokta sabırla park yeri arayarak dolaşıp duruyorsunuz, sonra birden kendinizi hiç araç sürmeden Greenwich Village’daki Washington Square’da buluyorsunuz. Bohr’un yol göstericisi olan Ernest Rutherford bu fikirle ilk kez Bohr’un bir yazı taslağında karşılaştı, anlaşılır biçimde de canı sıkıldı. “Bana öyle geliyor ki” diye yazdı Bohr’a ” önceden nerede duracağını bildiğini varsayman gerekecek”. Rutherford “ve ne zaman sıçrayacağını da” diye ekleyebilirdi. Ne zaman ve nereye sorularının yanıtları önceden bilinemez. Kuantum sıçrama, Bohr’un fikri ortaya attığı zamandan başlayarak yaklaşık yüz yıl boyunca fizikçileri derin derin düşündürmeye devam etti. Albert Einstein tekrar tekrar bu fikri beğenmediğini söyledi, başka fizikçiler de aslında “Doğrusu biz de beğenmiyoruz, ancak bu kuantum dünyasının bir gerçeği” dediler. Kuantum sıçramayı diğer geçişlerden ayıran şey kendiliğinden olmasıdır. Hiçbir şey ona sebep olmuyor. Hiçbir şey tetiklemiyor. Sadece oluyor.Öngörülemez aniliğine karşın kuantum sıçrama tüm kurallara uymaktadır. Enerji, yük, açısal momentum gibi çeşitli nicelikler korunmaktadır – bir diğer deyişle sıçramadan sonra da öncesiyle aynıdır. Örneğin atomun içindeki bir elektron yüksek enerjiliden düşük enerjili bir hareket durumuna sıçradığında aradaki enerji farkını kendisinde taşıyan bir foton salar. (Bohr o tarihte henüz Einstein’ın foton fikrini benimsememişti, ancak atomun enerji kaybının radyasyona eklenen enerjiyle denkleştiği düşüncesini paylaşıyordu.
Kuanturn fiziğinde olasılığın rolü nedir?
“Başrollerden biri” diyebiliriz. Kuantum fiziğinde gündelik yaşam algımızla çelişen şeylerin çoğunun olasılık ile bir alakası vardır. Bir hidrojen atomundaki uyarılmış durumdaki elektronu düşünün. Şekil 16’da bir fikir vermeye çalıştığımız üzere elektronun “karar vermesi” gereken iki şey vardır: birincisi ne zaman sıçranacak; ikincisi tek bir düşük-enerji durumundan daha fazlası kullanılabiliyorsa eğer, nereye sıçranacak. Her iki “karar” da olasılık tarafından yönetilir, belirlenir. Bir kuantum fizikçisi, elektronun her bir düşük enerji durumuna sıçrama olasılığım ve aynca elektronun sıçramadan önce uyarılmış durumda bulunmasının ortalama süresini hesaplayabilir. (Radyoaktif çekirdek gibi daha karmaşık sistemlerde olasılıkların nasıl hesaplanacağını bilmiyoruz, ama var olduklarını ve ne olacağını belirlediklerini biliyoruz.)
Atom numarası ve (bağıl) atom kütlesi nedir?
Miktarları tanımlarken sembolleri de tanımlayalım. Çekirdekteki protonların toplam sayısı Z ile gösterilir ve atom numarası adını alır: Hidrojen için Z=l, helyum için 2, neon için 10, demir için 26, uranyum için 96 vs’dir. Z periyodik tablodaki elementi de açıkça belirler. Şu ana kadar tespit edilen en yüksek Z değerine -en yüksek atom numarasına- sahip element 1 1 8 numaralı elementtir, an itibarıyla da henüz resmi ismi konulmamıştır.
Radyoaktivite nedir? Biçimleri nelerdir?
Bir çekirdek kararsızsa, kendisini (yarı-ömürlü) daha kararlı bir şeye dönüştürür. Buna radyoaktivite denir. Süreç ismini, henüz çekirdeğin varlığı bilinmeden önce almıştır. On dokuzuncu yüzyılın sonunda Ernest Rutherford ve Marie Curie gibi bilim insanları, kimi ağır elementlerin kendiliğinden “radyasyon” (ışınım) yaydığını keşfettiler. Rutherford, henüz ışınımın doğası hakkında ayrıntılı bilgiye sahip olmaksızın keşfedilen ilk iki çeşide – Yunan alfabesinin ilk iki harfinden yola çıkarak – alfa ve beta adını verdi. Daha sonra Fransız kimyacı Paul Ulrich bir üçüncü ışınım çeşidini keşfetti, mantıki olarak da buna gama adını verdi. Ardından araştırmacılar bu “ışınların” doğasını saptamaya başladılar. Alfa ışınları helyum çekirdekleridir; iki proton ve iki nötron birbirine bağlıdır, bunlara halen alfa parçacıklan diyoruz. Beta ışınları elektronlardır, kimi durumlarda bunlara da hala beta parçacıkları diyoruz. Gama ışınları ise elektromanyetik ışınımdır, bugün bunların yüksek-enerjili protonlar olduğunu biliyoruz (ve halen de gama ışınları olarak adlandırıyoruz). Alfa ve beta bozunumu “dönüşüm” içerirler; başlangıç çekirdeği ile son çekirdek farklı elementlerdir. Gama bozunumu ise elementi değiştirmeden bırakır. Bu, basitçe çekirdekte daha yüksek bir enerji durumundan daha alçak olana doğru bir kuantum sıçramasıdır: atomdaki elektronların kuantum sıçramalarına benzer, ancak neredeyse bir milyon kere daha büyük bir enerjidir.
İsimler, isimler, isimler. Tüm bunlar ne anlama geliyor?
Parçacıklar hakkında bilgi edinirken ayak bağı olan şeylerden birisi de kullanılan adlandırmalar. Bazıları oldukça tuhaf olan kafa karıştırıcı bir isim dizilimi sözkonusu. Şimdi parçacık fizikçilerinin kullandığı bazı tabirlerin açıklamasını verelim. Bunlar referans noktası olarak yardımcı olabilir
Leptonlar – Yeğin etkileşime girmeyen, 112 spine sahip temel parçacıklar. Altı lepton vardır: Üçü -1 elektrik yüklü (elektron, müon ve tau) ve üçü de yüksüzdür (elektron nötrino, müon nötrino ve tau nötrino).
Kuarklar – Yeğin etkileşime giren, 1/2 spine sahip temel parçacıklar. Altı kuark vardır: Yukarı, aşağı, tılsım, acayip, üst ve alt kuark. Yukarı, tılsım ve üst kuarklar +2/3 elektrik yüküne sahiptirler. Aşağı, acayip ve alt kuarklar -1/3 elektrik yüküne sahiptirler. Kuarklar hiç yalnız biçimde gözlemlenmemiştir. İkisi veya üçü bir araya gelerek hadronları oluşturmak üzere birleşirler.
Kuvvet taşıyıcıları – Etkileşimlere aracılık eden 1 spinli temel parçacık. On bir kuvvet taşıyıcısı vardır: W (pozitif ve negatif yüklü) ve zo (yüksüz) zayıf etkileşime aracılık ederler; foton elektromanyetik etkileşime aracılık eder; sekiz tane gluon da yeğin etkileşime aracılık eder. (Aynı zamanda teorik olarak 2 spinli graviton da kütleçekimsel etkileşime aracılık eder ancak, şu ana dek parçacık dünyasında bir rol oynamamıştır.) Kuvvet taşıyıcılarına değişim parçacıkları da denir.
Çeşni – Çeşitli lepton ve kuarkları sınıflandırmak için kullanılan keyfi isim. Leptonlann üç çeşnisi vardır. Her bir elektrik yüklü lepton ile onunla bağlantılı nötrino bir çeşniyi oluşturur. Altı kuark da farklı çeşnilere sahiptir. (Temel fermiyonların farklı çeşitlerini ayırt etmek için aile ve nesil sözcükleri de kullanılır.)
Renk yükü – Her kuarkın kendisini dışa vurduğu farklı biçimleri sınıflandırmak için kullanılan keyfi isim. Üç renk yükü vardır, geleneksel olarak kırmızı, yeşil ve mavi olarak adlandırılırlar.
Hadronlar – İki veya daha fazla kuarktan oluşan bileşik parçacıklar. Kuarklardan farklı olarak laboratuarda tek başlarına gözlemlenebilirler. Yeğin etkileşime girerler.
Mezonlar – Bir kuark ve bir karşı kuarktan oluşan tamsayı spinli hadronlardır. Mezonlar bozondurlar. Baryonlar- Üç kuarktan oluşan, tek tamsayı bölü iki spinli (örneğin 1 12 , 3/2, 5/2) hadronlardır. Baryonlar fermiyondurlar.
Pion – En az kütleli mezon.
Nükleon – En az kütleli baryonlar olan proton veya nötrona verilen isim. Fermiyon – Tek tamsayı bölü iki spinli herhangi bir parçacık (örneğin 1/2, 3/2, 5/2). Fermiyonlar Pauli dışarlama ilkesine uyarlar.
Bozon – Tamsayı spinli herhangi bir parçacık (örneğin O, 1, 2). Bozonlar Pauli dışarlama ilkesine uymazlar.
Karşı parçacık – Bir parçacıkla bazı özellikleriyle özdeş (örneğin kütle), başka bazı özellikleriyle (örneğin elektrik yükü) zıt olan varlık. Bir karşı parçacığın karşı parçacığı orijinal parçacıktır. Parçacıkların çoğu ayrı bir karşı parçacığa sahiptir. Az sayıda parçacıkta (en önemlisi foton olmak üzere), parçacık ve karşı parçacık özdeştir
Bose-Einstein yoğunlaşması nedir?
Uranyum atomundaki doksan iki elektronu, büyük bir apartmanda ikamet eden ve her biri girişe olabilecek en yakın yerde oturmak isteyen doksan iki apartman sakinine benzetebiliriz (bu “istem” elektronlar için mümkün olan en az enerjiye sahip olmayı istemek anlamına gelir). Eğer apartman sahibi kiracılara her dairede bir kişinin oturmasını şart koşan bir “dışarlama ilkesi” kısıtlaması koyarsa, daireler zeminden başlayarak 92 numaraya kadar dolar, 92 numaranın üzerindeki daireler de boş kalır. Daireler derken burada elbette hareket durumlarını kastediyoruz. Atomu “uyarmak” için enerji eklenirse, bir elektron geçici olarak daha yüksek bir enerji durumuna sıçrayabilir. Bunu coşkulu bir apartman sakininin, daha alt katlarda oturma tercihine karşın, geçici olarak üst taraflardaki boş dairelere taşınmasına benzetebiliriz. Bir metaldeki elektronlarda, sadece küçük bir metal parçasında bile elektron sayısının sayısız trilyon çoklukta ve enerji düzeyleri arasındaki ara boşlukların da neredeyse ölçülemeyecek kadar küçük olmasını hariç tutarsak, durum benzerdir. Yine de, elektronların sayısının olağanüstü büyüklüğüne ve enerji düzeyleri arasındaki aralıkların olağanüstü küçüklüğüne rağmen, dışarlama ilkesi amansız iradesini konuşturur. Elektronlar enerji yönünden en son gelen en yüksek düzeyde olacak şekilde ve alttaki tüm düzeyler dolu ve üstteki tüm düzeyler boş olacak tarzda “kümeleşirler”. En sonunda mutlak sıfır veya ona yakın sıcaklığa -boş veya dolu durumlar arasındaki keskin ayrım çizgisine ulaşmanınyolu budur. Sonlu sıcaklıkta elektronların ısı enerjisi de meseleye dahil olur. Enerji “kümesinin” üst tarafına yakın birkaç elektron daha yüksek durumlara sallanır, böylece birkaç yer boş kalır. Bu durum, apartmandaki kısmen dolu olan birkaç kattan oluşan bir çeşit “geçiş alanına” benzetilebilir. Bu alanın üstündeki tüm daireler boştur. Onun altındaki tüm dairelerse tamamen doludur. Apartman sakinleri fermiyonlar değil de bozonlar olursa ne olur? O zaman mülk sahibi dışarlama ilkesini şart koşamaz. Kiracıların hepsi giriş katındaki dairelerde toplaşabilirler. Bu durumda bozonlar aynı durumda olma yetisine sahip olmakla kalmaz, bunu yapmayı tercih etme hakları da vardır. Tümü yumaklaşarak en alt hareket durumunda yer alırlar. Ancak burada da yine termal hareket devreye girer. Bozanların biraraya gelerek gerçekten tek bir durumu – taban durumunu – paylaşabilmeleri, sadece her birinin ulaşabildiği enerji aşın derece de küçük olursa mümkün olur. Aksi durumda termal sallantı birçok bozonu kümelenme eğilimlerini engelleyecek şekilde, daha yüksek enerjili durumlarda tutar. Apartman sakinlerinin en alt kattaki daireyi paylaşmakla kalmayıp artık her birinin daireye yayınlanmış bulanık bulutlara dönüştüklerini düşünün. (Ancak panjurlar sıkıca kapatılmış olmalı. Daireye en küçük bir enerji girdiğinde, kiracılar yine özgün hallerine döneceklerdir.) Böylesi bir kümelenmeye Bose-Einstein yoğunlaşması diyoruz. Bu olgunun varlığı 1 924 yılında Albert Einstein tarafından öngörüldü ve bu 1938’de keşfedilen sıvı helyumun üstün akışkanlığının açıklanmasını sağladı.

Feynman diyagramı nedir?
Richard Feynman parlak zekalı, neşe dolu, olağanüstü meraklı, herkes tarafından takdir edilen bir fizikçiydi; doktora derecesini 1 942 yılında Princeton Üniversitesi’nden aldı, henüz yirmili yaşlarında II. Dünya Savaşı’ndaki Manhattan Projesi’ne önemli katkılarda bulundu, savaştan sonra da parçacık fizik teorisinde dünyaca tanınan biri haline geldi. 1 965 yılında aldığı Nobel Fizik ôdülü’ne (Amerikalı Julian Schwinger ve Japon Sin-Itiro Tomonaga ile paylaşmıştır), kuantum elektrodinamiği (veya QED) dediğimiz, fotonların yüklü parçacıklarla, özellikle de elektronlarla ve karşı parçacıkları olan pozitronlarla etkileşimi üzerine olan çalışması nedeniyle layık görülmüştür (bkz. Soru 7’deki dipnot). Kendisine borçlu olduğumuz Feynman diyagramı, parçacıklar bozunum geçirdiğinde veya diğer parçacıklarla etkileşime girdiğinde en temel düzeyde ne olduğunu gösteren bir uzayzaman şemasıdır.

Hangi parçacıklar kararlıdır? Hangileri kararsızdır? Bir parçacığın bozunduğunu söylemek ne anlama gelmektedir?
Tüm parçacıkların kararsız (veya aynı şey olan radyoaktif) olduğunu söylemek, kötü bir yakınsama olmaz. Her parçacık buna engel oluşturan bir şey yoksa kendisinden daha hafif parçacıklara (enerjide tepe aşağı) bozunacaktır. Bugüne dek edindiğimiz bilgilere göre, bunu ancak iki korunum yasası (istikrar yasası) engelleyebilir: kuark sayısının korunumu yasası ve yükün korunumu yasası. Bu iki yasa olmasaydı, evrendeki tüm parçacıklar bir foton ve nötrino (ve belki de graviton) denizinin içine çözünürlerdi. Bu konuyla ilgilenen bu kadar çok bilim insanı da olmazdı. Kuark sayısının korunumu yasasından baryon sayısının da korunduğu ortaya çıkar. O halde, protonun istikrarı baryon korunumuna atfedilebilir; çünkü proton en düşük kütleli baryondur. Bozunamaz, çünkü bozunabileceği kendisinden daha düşük kütleli bir baryon yoktur. Her ne kadar bilimde bir şeye mutlak demek tehlikeliyse de, bu bir mutlak korunum yasası gibi görünüyor. Aslında protonun bozunabileceğini savunan bazı kuramlar da vardır. Bozunabilse, ortalama ömrü hayal edilemeyecek derecede uzun olurdu. Evrenin yaşının (Büyük Patlama’dan bu yana) olduğu düşünülürse, bahsettiğimiz ortalama ömrün alt sınırı bile, evrenden 10 milyar çarpı milyar kere daha büyük oluyor. Bu durumda, proton kararsız olsaydı, yarı ömrünü ölçmek mümkün olmayacaktı diye düşünülebilir. Kuantum fiziğinde olasılığın tuttuğu rolden kaynaklı, bu düşüncenin doğru olması şart değil. Varsayalım ki, protonun yarı ömrü 1030 yıl olsun. Bir madde parçasındaki protonların yarısı, bundan daha uzun yaşayacaklardır (evren bu kadar uzun yaşarsa tabii!). Ancak bazıları şans eseri daha erken bozunacaktır, çok daha azı ise çok daha erken bozunacaktır. Yılda ortalama bir bozunumu güvence altına almak için ne kadar maddeye gereksinim duyarsınız? Yaklaşık üç ton yeterli olmalı.

Mutlak korunum yasalarının “dört büyükleri” kimler?
Sizi çevreleyen dünyada statik olan bir şey yok gibidir. Bulutlar hareket eder, yapraklar dalgalanır, siz bir yerden diğerine gidersiniz. Euripides’in milattan önce beşinci yüzyılda dediği gibi “her şey değişir”. Bu düşünceyi kabul etmek zor değildir. Zaten Euripides’ten bu yana geçen yirmi beş yüzyıl boyunca, bilimcilerin çoğunun doğa yaklaşımlarının odağında değişim yer almıştır. Newton’un on yedinci yüzyılda şeylerin kuvvetlere cevaben nasıl hareket ettikleri üzerine çalışırken odak noktası da buydu. On dokuzuncu yüzyılda Maxwell, elektrik yük salınımı yoluyla radyo dalgalarının yayınımı üzerinde çalışırken, onun odak noktası da aynısı oldu. Ancak tüm değişimin ortasında, bazı şeyler sabit kalır. Bunlar korunan niceliklerdir. Bugün büyük ölçekli dünyada (“klasik” dünyada) sabit olduğu bilinen şeylerin (aslında parçacık etkileşiminin bireysel eylemleri düzeyine doğru inerek) sabit kaldıklarını biliyoruz. Yükün büyük ölçekli dünyada korunmasının gerekçesi, onun parçacık oluşumu ve yok oluşunun tüm durumlarında korunuyor olmasıdır. Enerjinin büyük ölçekli dünyada korunmasının gerekçesi, onun kuantum dünyasında korunuyor · olmasıdır. Buradan düşündüğünüzde büyük ve küçük ölçekli dünyalar arasında bir sıkı bağın var olması gerektiği açıkça görülmez. Örneğin iyi huylu bir büyükannenin kurabiye kabında daima tam yüz kurabiye bulundurduğunu varsayın. Torunları her ziyarete geldiğinde kapta aynı sayıda kurabiye vardır. Alındıkları gibi yerlerine yenileri aynı hızla konur. Ancak bu özel kurabiye korunum yasası, bireysel kurabiyelerin korunmasından kaynaklanmaz. Kurabiye korunumu büyük ölçekli dünyada bir yasa olabilir, ancak küçük ölçekli de bir yasa değildir
TCP teoremi nedir?
T, C ve P harflerinin her biri (gerçek veya varsayımsal) bir ters çevirme biçimini imlemektedir. Bu ters çevirmelerin anlamlan kısaca: T, (time) zamanı tersine çevirme: Deneyi geriye doğru yap, bir diğer deyişle öncesi ve sonrasını değiştir. C, (charge) yük eşleneği: Deneydeki tüm parçacıkların yerine karşı parçacıklarını ve tüm karşı parçacıkların yerine parçacıklarını koy. P, (parity) parite veya ayna görüntüsü: Deneyi orijinal deneyin aynadaki görünümüne göre yap. “TCP teoremine” göre; bu ters çevirmelerin üçü birden gerçekleşen herhangi bir sürece uygulanabiliyorsa, üç kere ters çevrilmiş süreç de -tüm parçacıklarda- gerçekleşebilir.

Yasaklama ve zorunluluk yasaları nedir?
Kuantum fiziğiyle birlikte doğanın temel yasalarını kavrama ve yorumlama biçimimizde iki büyük değişiklik gündeme geldi. Bunlardan birincisi, büyük ölçekli dünyanın düz doğrusal devamlılığının yerini, atom-altı dünyanın yok olma ve var olmayı içeren patlamalı olaylarının almasıdır. Diğeri de kesinliğin yerini olasılığın almasıdır. Birbirinden bu derece farklı dünya görüşleri nasıl bağdaşabilir? Çünkü bu yok olma-var olma olaylarını çoklu trilyon patlamayla üst üste yığdığımızda, ortaya çıkan yığın devamlılığa benzemekte ve olasılıklar kesinliğe doğru ilerlemektedir. Fiziğin tipik klasik bir yasası, zorunluluk yasasıdır. Bu yasa, çıkış koşulları bir kez belirli olduktan sonra, neyin olmak zorunda olduğunu dikte eder. Örneğin bir uzay aracını Dünya atmosferinin üzerindeki belirli bir noktaya kadar havalandırabilir ve ardından motorunu kapatırsanız, Dünya, Ay, Güneş ve gezegenlerin kütleçekimi gemiye onun uzayda belirli bir yolda ilerlemesini sağlayacak merhametsizlikte yol gösterecektir. Belirli bir andaki yerini ve hızını biliyorsanız, Newton’un hareket yasalarının zorunluluğu altında bundan sonra sonsuza dek nerede olacağını güvenle hesaplayabilirsiniz. (Sadece başlangıçtaki yer ve hızını mutlak kesinlikte bilmediğiniz için biraz belirsizlik sözkonusu olabilecektir). Klasik dünyadan başka bir örnek: Boy ve konumlanması verili olan bir antendeki elektronlar belli bir genlik ve frekansta titreştiklerinde, Maxwell’in elektromanyetizma yasalarının zorunluluğu altında, yayımın elektromanyetik ışınımının tam örüntüsünü çıkarmak mümkün olabilmektedir. Buna karşın kuantum yasaları size neyin olmak zorunda olduğundan daha çok, neyin olamayacağını söylemeye daha yakındır. Bu anlamda bunlara yasaklama yasaları diyebiliriz. Örneğin bir proton bir diğerine belli bir enerjiyle çarptığı zaman çok sayıda olası sonuç sözkonusudur.

Dalgalar ve parçacıkların ortak noktaları nelerdir? Farkları nelerdir?
İlk bakışta dalgalarla parçacıkların ortak herhangi bir noktası olmadığı düşünülecektir. Dalgalar mekanda yayılı haldedirler, sınırları da belirsizdir. Bir dalganın “şu noktada” olduğunu söyleyemezsiniz. Öte yandan parçacıklar iyi tanımlanmış sınırları olan küçük külçelerdir; belki de bahsi geçen parçacıklar lepton veya kuarksa fiziksel uzama dahi sahip değillerdir. Parçacıkların kütlesi vardır. Dalgalara ise genellikle bir kütle atfetmeyiz. Dalgalar dalga boylarıyla, frekansları ve genlikleriyle karakterize olurlar; parçacıklardaysa bu kavramların açık karşılıkları yoktur. Dalgalar kırınıma uğrayabilir (köşeler etrafında bükülebilir) ve girişime uğrayabilir (birbirlerini destekleyebilir veya bozabilirler); bu davranışlar parçacıklardan beklenmez. Gerçekten de ışığın girişime uğradığının tespit edilmesi, on dokuzuncu yüzyılda ışığın parçacıklardan değil de, dalgalardan oluştuğuna bilimcileri ikna etmişti. Yine de dalgaların neler yapabildiği üzerine düşündüğünüzde, parçacıklarla ortak olan yönlerini görmeye başlarsınız. Dalgalar, tıpkı parçacıklar gibi, enerjiye ve momentuma sahip olabilir ve bu nicelikleri bir yerden başka bir yere iletebilirler. Yine parçacıklar gibi, belli bir hızda hareket ederler. Dahası dalgalar, en azından kısmi olarak sınırlandınlabilirler; bu sınırlar tam keskin olmasa da, dalgaların da sınırlan olabilir. Bir obuadaki titreşen hava, fagottakine göre daha fazla sınırlandırılmıştır; fagottaki hava da büyük bir borulu orgdakine göre daha fazla sınırlandırılmıştır. Veya bir arkadaşınızla beraber gerilmiş bir ipin iki ucundan tuttuğunuzu düşünün. Elinizdeki ucu hızla oynatırsanız, sınırlandırılmış bir dalga titreşiminin ip boyunca hareket ettiğini görürsünüz. İp, bir topu karşınızdakine atmanıza benzer şekilde, belli bir uyarımı arkadaşınızın eline iletir
Kırınım nedir? Girişim nedir?
Dalgalarda esasen hatları belirsiz olan, “bulanık” bir şey var. Beyzbol toplarının veya uzay aracının güzergahı gibi net tanımlanmış yolları izlemiyorlar. Uzayda bir bölgeyi işgal ediyorlar, iyi tanımlanmış sınırları yok, ilerlerken yayılıyorlar ve üst üste gelebiliyorlar. Bir dalga, bir aralıktan veya bir köşeden geçtiğinde bükülür (Şekil 46). Buna kınnım denir. Kırınımı, denizde demir atmış bir gemiyi aşan dalgalarda görebilir veya kablosuz telefonunuzun genellikle baz istasyonu ile sizin aranızda bir bina varken de çalışıyor olması gerçeğinden hareketle dolaylı biçimde tecrübe edebilirsiniz. Kırınım etkisi büyük dalga boylarında daha bariz görülür ve bu, kısa dalga boyundaki FM’c oranla, uzun dalga boyundaki AM radyo sinyallerinin engelleri aşmakta nasıl daha başarılı olduklarını açıklar. Büyük bir şehrin alçak noktalarında araba sürerken AM istasyonlarını FM’e oranla biraz daha rahat bulursunuz. Dalgalar üst üste düştüklerinde (Şekil 47) bir olasılık tepe ve çukurları denk gelecek şekilde hizalanmalarıdır. O zaman dalgalar birbirini büyütür ve toplam sonuç daha büyük genlikte bir dalga olur. Veya tepe çukura, çukur tepeye denk gelecek şekilde hizalanabilirler, bu durumda birbirlerini silebilirler (eğer eşit yoğunluktaysalar) ya da her ikisinin eski halinden de düşük genlikte yeni bir dalga üretebilirler. Veya bunların arasında bir şey olabilir. Fizikçiler bu olasılıkların tümüne girişim adını verirler. Girişim, “yıkıcı” olanla “yapıcı” olan arasında uzanır.
Tünelleme nedir?
Daha önceki soruları cevaplarken tünelleme dediğimiz, bir parçacığın klasik fiziğe göre aşılamaz olan bir engeli aşabildiği olguya dikkat çekmiştim. Engel aşma; alfa bozunumunda, nükleer bölünmede, nükleer birleşmede ve modern bir süper mikroskop olan tarama tünelleme mikroskobunda önem taşımaktadır. Maddenin dalga doğası bize tünellemeyi anlamak için bir yol sunmaktadır. Sol tarafındaki parçacığın duvarın üstünden aşmaya yetecek hareket enerjisi yoktur. Duvarın yüksekliğine ve parçacığın kütlesine bağlı olarak, içeride pek az yol alarak dalga, hızlı bir biçimde henüz duvarın içerisindeyken yok olabilir (gerçek bir mahkumun gerçek bir cezaevinde havalandırmada duvara gelişigüzel yaslanarak kaçabilmesi mümkün değildir). Ama duvar çok yüksek değilse (enerji açısından) ve çok kalın değilse, parçacığın dalgası duvardaki yolu içeriden aşabilir ve duvar dışında kuyruğunun bir görünür kılar. Duvarın diğer tarafındaki bu dalga parçası parçacığın diğer tarafta kendisini göstermesi için gerçek bir olasılığa işaret etmektedir, duvardan kelimenin tam manasıyla geçebileceğini göstermektedir.

Belirsizlik İlkesi nedir?
İlkeyi 1927 yılında öne sürdüğünde henüz yirmi altı yaşında olan Werner Heisenberg’in önerdiği tanım şu: “Belli bir anda konum ne kadar kesin biçimde belirlenmişse, momentum o kadar az kesinlikte bilinebilir; tersi de geçerlidir.” İlke sadece konum ve momentuma değil, zaman ve enerji gibi başka nicelik çiftlerine de uygulanabilir. Esas itibariyle, bir şeyi ne kadar kesin bilirseniz, bir başka şeyi o kadar az kesinlikte bilebileceğinizi söylemektedir. Hatta fikri sınırlarına doğru taşırsak; eğer bir niceliği tam olarak, eksiksiz tamlıkta biliyorsanız, hakkında hiçbir şey bilmeyeceğiniz başka bir nicelik vardır, anlamına gelmektedir. Klasik fizikte bir karşılığı yok gibi göründüğü için, belirsizlik ilkesinin kuantum fiziğinin temelinde yer aldığı sıkça söylenir. Klasik bakışla, bir parçacığın aynı anda hem konumunu hem de momentumunu bilememeniz için bir neden yoktur, her iki ölçümün tam olarak elde edilmesi sadece teknik yeterliliklerle sınırlanmıştır. Belirsizlik ilkesi bize, kaçınılmaz belirsizliğin saptanması için bir ölçü sağlar ve bu ölçü kuantum fiziğinin temel sabiti olan Planck sabitinden başkası değildir.

Üst üste binme nedir?
Daha öncesinde üst üste binme ve kanşma kavramlarını, iki veya daha çok genliğin birbirine eklenmesi anlamında, birbirinin yerine geçecek şekilde kullandım. Kendinizi bir limanda her biri kendi dalgasını yaratan sürat motorları yanınızdan geçerken, suyun üstünde bir şambrelin içinde sallanır vaziyette hayal edin. Hissettiğiniz, tüm dalgaların üst üste binmesidir. Kuantum fiziğinde üst üste binme daha geniş bir anlama sahiptir. Sadece dalga genlikleri değil, tüm hareket durumları da üst üste binebilir.74 Bir parçacık (veya bir sistem), aynı anda iki veya daha fazla hareket durumunda olabilir. üstüne üstlük, tam kesinlikte bir hareket durumu, başka hareket durumlarının üst üste binmesi olabilir.
Dalgalar gerekli mi?
Parçacıkların dalga boyları olur. Parçacıklar kırınıma ve girişime uğrarlar. Parçacıkların dalga fonksiyonları vardır. 1 924 yılında de Broglie’nin ünlü denklemini ortaya atmasından bu yana, kuantum fiziğinin tüm tarihi maddenin dalga doğası üzerine bina edilmiştir. Haklı olarak dalgaların kuantum alanının temel bir konusu olduğunu söyleyebiliriz. Haklı olarak dalgaların fiziksel dünyanın temel bir olgusu olduğunu teslim ederiz. Yine de, garip ama gerçek, “dalgalar gerekli mi?” sorusuna yanıtımız, “aslında değil” olmalıdır. Dalga-parçacık ikiliğine sıklıkla bir masal kahramanı muamelesi yapılır; bir parçacık mucizevi biçimde şeklini değiştirip dalga oluyor, ardından tekrar şekil değiştiriyor veya aynı anda her iki şey birden olabiliyor. Peki, gerçekten ne oluyor? Bir parçacık mı? Dalga mı? Yoksa ikisi birden mi? Kuantum fiziğinin bize söylediği, aslında bir parçacığın sadece ortaya çıktığı ve ortadan kalktığı (doğduğu ve öldüğü, yayınlandığı ve soğurulduğu) anlarda bir parçacık olarak davrandığı, bu ikisi arasındaki dönem boyunca ise dalga olarak davrandığıdır. Ölçümler parçacıkları su yüzüne çıkarıyor. Bir ölçümün sonuçlarının ne olabileceği üzerine tahminlerdeyse dalgalar kullanılıyor. Bu yüzden dalga bir çeşit olasılığı veya ihtimali temsil ediyor. Parçacıksa gerçeği temsil ediyor.

Parçacıklar ışık hızına yakın hızlara nasıl çıkartılıyorlar?
Bu soruya kısa yanıt “Elektriksel yolla”. Yüklü parçacıkların elektrik kuvvetler tarafından daha hızlı gitmesi sağlanabilir.78 Manyetik kuvvetler, parçacıkların hızını değiştirmeksizin yönünü değiştirebilir. Katot ışını tüpleri, bu unsurlardan faydalanır. Bu tip bir tüpün içerisinde elektronlar elektrik kuvvetler aracılığıyla yüksek hızlara çıkarılırlar, sonra da manyetik kuvvetler aracılığıyla ekrandaki noktalara yönlendirilirler. Parçacık hızlandırıcıları da bu iki çeşit kuvvetten faydalanmaktadırlar. Dairesel makine denen (tam olarak dairesel değildirler) bir makine içerisinde, parçacıklar (genellikle protonlar) manyetik kuvvetlerce bir halka çevresine yönlendirilirler ve elektrik kuvvet darbeleriyle daha yüksek enerjilere çıkartılırlar. Doğrusal bir hızlandırıcıda elektrik kuvvet, parçacıkları (genellikle elekttonları) düz bir kanala doğru sürer ve parçacıkların gerili bir ışın şeklinde toplaşmasını sağlamak için de manyetik kuvvetler kullanılır.
Kara delikler neden buharlaşır?
Kara delikler ilk kez 1 968 yılında John Wheeler tarafından adlandırıldı, ciddiye alındı, teorik olarak keşfedildi, en sonunda da doğadaki varlıkları tespit edildi; tüm bunlar kuantum fiziğine başvurmaksızın başarıldı. Tamamen klasik birer nesne gibi görünmekteydiler. Aslında Wheeler, bir yerde kuantum fiziğinin dünyayı kara deliklerden kurtaracağını umuyordu. Madde ve enerjinin bir noktaya sıkıştığı (“tekillik”) bu acayip varlıklara inanmak istemediğini söylemişti. Atom-altı ölçekte kuantum fiziğinden gelecek bir katkının çöküşe bir son vererek, bütünsel bir çöküş olmasını engelleyebileceği umudunu taşıyordu. Belki yaşamının sonuna ulaşmış bir ağır yıldız, bir kara delik oluşturmaya doğru gitmeden, çok küçük bir nesne olacak şekilde çökebilir, düşüncesindeydi. Ne var ki, onun bir kaçış yolu olarak kuantum fiziğini kullanma çabası başarısızlıkla sonuçlandı. En sonunda kara deliğin, yeterli büyüklükte kütleye sahip “soğuk, karanlık maddenin” (göreli soğuk, yani nükleer süreçler seyrini izledikten sonra) kaçınılmaz kaderi olduğu soncuna vardı. Kuantum fiziği, kara delik hikayesine daha dolaylı bir yol izleyerek tekrar girdi. Kara delikler ilk ciddi araştırmaların konusu oldukları zaman, teorik hesaplamalar onların oldukça basit varlıklar olduklarını gösteriyordu; sadece kütle, elektrik yük ve açısal momentum tanımlanmaları için yeterliydi. Bir kara delik oluşturmak üzere çöken (veya sonradan kara deliğin içine çektiği) maddenin özellikleri, lepton numarası, baryon numarası, kuark çeşnisi vs gibi, her ne olursa olsun tümü kayboluyordu. Bu genellikle bilgi kaybı olarak adlandırılır ve bugün bile fizikçiler bilginin kara delikte kayıp mı olduğu, yoksa sadece ileride olası bir geri kazanım için depolandığı mı konusunda farklı fikirlere sahiptirler. Wheeler kara deliklerin bu görünür yalınlığını “kara deliklerin saçı yok”87 diyerek vurgulamıştır. Bir oda dolusu insan, kel olmayıp saçları olsa birbirlerinden daha kolay ayırt edilebilirler. Yine de Wheeler bu “saçsız” kara deliklerin varlığından hoşnutsuzdu. Yalınlıkları pek az bir entropiye veya hiç entropiye (entropi düzensizliğin ölçüsüdür) sahip olmadıklarına işaretti. Maddenin karmaşık ve düzensiz birikiminden oluşan bir kara deliğin, kendisine çektiği maddenin büyük entropisini devralmaması kafa karıştırıcı bir durumdu.
Süper iletkenlik nedir?
Daimi hareket küçük ölçekli dünyada sık görülür. Atomlardaki elektronlar hiçbir zaman yavaşlamazlar. Nükleonlar asla yorulmazlar. Evrende sürtünme o kadar azdır ki, hareket (gezegenlerin, yıldızların ve galaksilerin hareketi) neredeyse daimidir. Ancak bizi saran gündelik yaşamda daimi hareket, pratik açıdan karşımıza çıkmaz. Bir devridaim makinesinin patentini almaya çalışmayın. Başarılı olamazsınız. Aristo’nun bir şeyi hareket ettirmek için bir kuvvetin gerektiğini düşünmesine şaşmamalı. Gündelik deneyimimiz içerisinde ittirilmeyen veya çekilmeyen bir şey hareket etmez. Ve elektrik akım en iyi iletkenlerde bile dış bir voltaj olmazsa sönümlenir. Süper iletkenlik ve süper akışkanlık insan ölçekli dünyada daimi hareket yasasına karşı gelen kuraldışı örneklerdir. 1911 ‘de Leiden Üniversitesi’nden bir Hollandalı fizikçi, Heike Kamerlingh Onnes cıva elementinin, soğutularak mutlak sıfırın dört derece üzerinde olan sıvı helyumun sıcaklığına getirildiğinde (bu sıcaklıkta cıva, helyum dışındaki her şey gibi, katıdır), elektriği direnç olmaksızın ilettiğini keşfeder. Çok küçük bir dirençle değil, gerçek anlamıyla sıfır direnç. İşte böylesi bir malzemeye süper iletken adı verilmektedir. Sıfır direncin ne anlama geldiğini anlamak için, gözünüzün önüne, halka şeklini alan ve içerisinde bir akım dönen bir süper iletken getirin. Bu akım dışarıdan herhangi bir dürtü olmaksızın sonsuza dek dönmeye devam edecektir. Bu durum tekil bir atom içerisinde direnç olmaksızın dönen bir elektronun yörüngesinin milyar kat artmasına benzemektir.

Kuantum benek nedir?
İlkokulda atom fikrinin bana ilk anlatılışı şöyleydi: Bir mal- ‘ zemeyi ortadan kesersiniz, sonra bu yarımları bir kez daha ortadan kesersiniz, daha küçük parçalar oluşur, bunları daha da küçük parçalara bölersiniz, bölmeye devam edersiniz, en sonundaysa artık devam edemez hale gelirsiniz, çünkü artık kesilemeyecek olan bir tekil atoma ulaşmışsınızdır. O zaman kırk, yirmi veya on atom büyüklüğünde bir parçaya eriştiğimizde bir şey değişecekse ne değişeceğini sormayı akıl edememiştim. Bu küçüklükte bir malzeme parçasına kuantum benek adı verilir ve hem hacimli madde hem de tekil atomlardan farklı hayli ilginç özelliklere sahiptir. Benek, diyelim ki, bir katkılı yarı iletkenden. yapılmışsa, on atomluk küçüklükte de olsalar, yine valans kuşağı ve iletim kuşağı elektronlarına sahip olur. Ancak bu kuşaklar, iri madde parçalarının neredeyse süreklileşmiş enerji silsilesine sahip olmak yerine, tekil atomlardaki özel kuantize enerjilere benzer şekilde bariz biçimde farklı enerjilere sahiptirler. Dolayısıyla beneğin çapı bir atomdan beşe, ona, yüze, bir milyona doğru büyüdükçe, elektron enerjilerinin aralığı birkaç elektron volttan bir elektron voltun kesirlerine ve en sonunda da öyle küçük bir enerjiye düşer ki, enerji silsilesi sürekliymişçesine muamele görebilir hale gelir.
Dolanıklık nedir?
Dolanıklık üzerine kitaplar yazılabilir (ve yazılmıştır)96• Temel fikir basittir, ancak bizden talep edilen sorgulama eksikliği büyüktür. Dolanıklık, üst üste binmenin özel bir çeşididir; üst üste binmiş durumların kuantum etkilerinin normal mesafelerinin çok ötesindeki büyük uzaklıklara yayılabilmesini içerir. Herhangi bir kuantum durumu, iki veya daha fazla durumun üst üste binmesi olarak ifade edilebilir. Hidrojen atomunun taban durumundaki bir elektron aynı zamanda, her biri elektronu belli bir yerle sınırlı tutmuş sayısız durumun üst üste binmiş halidir. Bu tip üst üste binmeler havsalayı zorlasalar da, bizlere dolanıklık olarak bilinen üst üste binme çeşidi kadar akıl dışı gelemezler.

Kubit nedir? Kuantum hesaplama nedir?
Bir bit, klasik bilginin temel bir parçasıdır: Bir evet ya da hayır, bir sıfır veya bir, bir yukarı veya aşağı, bir kapalı veya açık. Bir kubit ise, kuantum bilginin temel parçasıdır. Ancak bu iki çeşit “bit” birbirinden oldukça farklıdır. Klasik bir bit, kuzey-güney yönünde bir araba sürme seçeneklerine benzetilebilir. Kuzey yönünde sürebilirsiniz veya güney yönünde sürebilirsiniz. Sadece iki olasılık vardır. İkisinin arasında bir şey yoktur. Kubit ise geniş bir asfalt alanda araba sürme seçeneklerine benzetilebilir. Tüm yönler sizin için kullanışlıdır. Hatta daha da kötüsü; aslında alanda aynı anda iki zıt yönde de gidebilme seçeneği de sözkonusudur. Elektron spini buna örnektir. Yukarıyı veya aşağıyı işaret edecek şekilde ölçülebilir. Sadece iki olasılık vardır. Sonrasında klasik bir bit gibi hareket eder. Ancak ölçülmeden önce, herhangi bir göreli karışımla, yukarı ve aşağı yönlerin üst üste binme durumunda var olabilir. Yüzde 50 yukarı ve yüzde 50 aşağı veya yüzde 31 yukarı ve yüzde 69 aşağı veya yüzde 91 yukarı ve yüzde 9 aşağı olabilir. Kubitin bu dikkat çekici özelliği (farklı durumların üst üste binmesi olarak var olma becerisi), halen pratik gerçekleştiriminden uzak olduğumuz heyecan verici bir olasılık olan kuantum hesaplamaya duyulan ilginin son on yıllar içerisinde giderek artmasına yol açtı. Sıradan bilgisayarların kalbinde “mantık kapıları”, bitleri işlemden geçiren devre elemanları yatar. Örneğin bir mantık kapısı, iki bitin içini neyle beslediğine bağlı olan bir çıktı biti sağlayabilir veya tek bir bitin içini neyle beslediğine bağlı olan bir açma-kapama düğmesi işlevi görebilir. Bir kuantum mantık kapısı, hem yukarı ve hem de aşağıyı veya hem sıfır hem de biri aynı anda işlemden geçirebilecek bitlere sahiptir. Bu kabiliyet, eğer birden çok kubit üst üste binmiş ise, işlem gücünde iki katlık bir artıştan çok daha fazlasına olanak sağlar. İki kubit dört biçimde karıştırılabilir, on tanesi bin biçimde, yirmi tanesiyse bir milyon biçimde. İlke olarak bir kuantum mantık kapısı tüm olasılıkları bir kerede hesaplayabilir -tek şart bunu sistemi etkilemeden yapmasıdır, çünkü bir etki çoklu olasılıklardan birini eksiltecek bir ölçüme denk düşer. Bir kuantum hesaplama kuramcısı, üst üste binmiş bir sistemin hayatını işlemciden nasıl kurtararak daha sonra analiz edilmek üzere diğer tarafta belirebileceği üzerine kafa yormak zorundadır.