Kuantumun tuhaflığını görebilmek için kuantum fiziği konusunda derin bir bilgiye sahip olmak gerekmiyor. Kuantumun en eski ve en büyük bilinmezliği antik Yunan filozofu Euklit’in şu sorusuna dayanır: Işık neden oluşur?

Bilim insanları tarih boyunca bu konuda birçok teori ortaya çıkarmışlardır. Yerçekimi Yasasının babası Isaac Newton, ışığın parçacıklardan oluştuğuna inanıyordu. Newton’un ışık konusundaki teorisi çağdaşı bilim insanları tarafından pek etkileyici bulunmamıştı ki nitekim 1800’lü yılların başında matematikçi Thomas Young, ışığın dalga özelliği gösterdiğini meşhur çift yarık deneyi ile ispatladı. 

Peki hangisiydi? Işık parçacıklardan mı oluşuyordu yoksa dalga özelliği mi gösteriyordu? Ve bilim insanları 20’nci yüzyılın başlarında buna bir cevap verdi: Işık hem dalga hem de parçacıklardan oluşuyordu. Ve sadece ışık değil, evrendeki her şey…

Kuantum teorisine göre madde hem parçacık hem dalga özelliği gösteriyor. İnanın ya da inanmayın yolda hızla giden aracınızın da bir dalga karakteri var. 

Kuantum fiziği ile uğraşan bilim insanlarının yaptıkları deneylerde ortaya çıkan tuhaflıklar serisi ilk olarak derli toplu bir şekilde 1924 yılında fizikçi Louis de Broglie’nin doktora tezinde açıklamasını buldu. De Broglie, hareket eden parçacıklar dalga olarak tanımlandığı zaman neden saklı enerji seviyesine sahip oldukları açıklanabiliyordu. De Broglie bu önermesinin önce sadece matematiksel bir çıkarım olduğunu düşündü ancak maddenin parçacık ve dalga ikilemi konulu deneyler oldukça gerçekti. 

Meşhur çift yarık deneyi atom altı parçacıklar ile yapıldığında bildiğimiz tuhaf sonuçları veriyordu. Bu daha büyük objeler ile de yapıldı. Mikroskop altında görülebilen ve 60 karbon atomu ihtiva eden küçük toplar ile yapılan deney de bilindik sonuçları verdi. 

Peki madde nasıl hem dalga hem de parçacık olabiliyordu. Avusturya’daki Viyana Üniversitesi’nden fizikçi Markus Arndt’a göre bu sorunun cevabı çok basit: Çünkü madde ne parçacıklardan oluşuyor ne de dalgalardan. Arndt’ın aralarında yer aldığı bir grup bilim insanı gerçekliğin çok farklı olduğunu, dalga ve parçacık sorunsalının beynimizin çevresini algılamak için oluşturduğu kurgudan ibaret olduğunu düşünüyor. 


Çift yarık deneği

Eğer ışık tamamen sıradan parçacıklardan oluşsaydı ve bu parçacıklar bir yarıktan geçirilip ekrana çarptırılsaydı, yarığın büyüklüğüne ve şekline bağlı bir desen görürdük. Hâlbuki, tek yarık deneyi gerçekleştirildiğinde, ekrandaki desen bir dağılma desenidir, ortada dar bir merkezi bant ve ona paralel olarak dizilmiş daha karanlık bantlar olarak görünür.

Çift-yarık deneyi ışıktan başka bir şey ile denenmemişti, ta ki 1961 yılında Tübingen Üniversitesi’nden Clauss Jönsson bunu elektronlarla deneyene kadar.

1999’da mikroskopta görülebilecek kadar büyük parçacıkların- buckyball molekülleri (0.7 nm çağında, protondan yarım milyon kat daha büyük)- dalga-tipi girişim sergiledikleri bulundu.


Kutudaki kedi ve süperpozisyon

Avusturyalı fizikçi Erwin Schrödinger 1926 yılında kuantum nesnelerinin olasılıklara bağlı olarak nasıl evrildiğini ortaya koyan bir denklem önerdi. 

Schrödinger’in önermesi şu şekildeydi: Bir kutu içinde henüz bozunmamış bir radyoaktif atom düşünün. Bu kutu içindeki atom o anda hem bozunmuş hem de bozunmamış durumu içeriğinde barındırır. Ve zaman geçtikçe kutu içindeki atomun bozunmuş durumda olma ihtimali bir eğri şeklinde yükselir. Kutuyu açtığınızda ise atomun dalgalı durumu, yani süperpozisyonlu hali çöker ve tek kararlı bir durumda gözükür. 

İşte bu önerme Schrödinger’in meşhur kedili önermesine kaynaklık eder. Schrödinger, daha önceki önermesini biraz daha değiştirerek bir kutu içine konmuş kedi ve bir şişe içinde bozunması durumunda zehir yayacak radyoaktif bir maddeyi bir düzenek olarak kurmuştur. Radyoaktif maddenin bozunması durumunda kedi ölecektir. Ama madde bozunmamış durumda da olabilir, o durumda kedi yaşıyor olacaktır. Kutu açılıp bakılmadıkça kedi hem ölü hem canlı, atom da hem bozunmuş hem bozunmamış durumdadır. 


Zeno etkisi

Schrödinger’in önermesi konusunda mikroskop altında görülebilecek metal şeritler kadar büyük objelerle de deneyler yapıldı ve bu deneyler sonucunda maddenin süperpozisyonunun gerçekten var olduğuna dair güçlü kanıtlar görüldü. İşin daha tuhaf tarafı radyoaktif bir atomun bozunmamış durumda gözükmesinin ardından sanki hiç zaman geçmemiş gibi bozunma sürecinin sıfırlandığı da tespit edildi. 

Yeni eğer sürekli ölçerseniz kurulu düzenekteki radyoaktif atom hiçbir zaman bozunmayabilir. 

Bilim insanları buna `Zeno etkisi` diyor. Elealı Zeno’nun bir yerden bir yere hareketin imkansız olduğunu kanıtlayan, mesafenin yarısı – kalan mesafenin yarısı – kalan mesafenin yarısı, olarak devam eden önermesinin kuantum evrenindeki yansıtması da bu şekilde. 


Casimir etkisi

Sheakspeare’nin Kral Lear’ı “Hiçbir şey yoktan var olmaz” der. Ama kuantum dünyasında yoktan var olunuyor. 

Eğer bir vakumun içine iki yüksüz metal plakayı yanyana koyarsanız hiçbir neden olmadan tuhaf bir şekilde birbirlerine doğru hareket ettiklerini görürsünüz. Bir metrekare vakumlu alanda iki metal plakayı birinden bir milimetrenin binde biri uzaklıkta yan yana koyduğunuzda bunlar bir gramın onda biri kadar bir oranda birbirlerine doğru itilirler.

Hollandalı fizikçi Hendrik Casimir, bu tuhaf etkiyi ilk olarak 1946 yılındaki deneyinde fark etti.  Casimir etkisi adı verilen bu etkinin ardından yapılan deneyler boşluğun boş olmadığını ortaya koydu. Kuantum alan teorisine göre uzayın en boş alanlarında çok kısa sürelerde parçacıklar ortaya çıkıyor, etraflarına bakıp ortamı pek sevmeyip kaybolup gidiyorlar. Çok büyük oranda proton çiftlerinin oluşturduğu bu parçacıklar çok küçük elektrik alanları oluşturup yok oluyor. 

Bilim insanları boşluk içerisindeki Casimir etkisinden, bu sürekli varlık ve yokluk arasında gidip gelen parçacıkların sorumlu olduğunu düşünüyor. Bazı bilim insanları ise bunun atomlar arasındaki küçük etkileşimlerden kaynaklı olabileceğini dile getiriyor. 

Casimir etkisi bilim dünyası için oldukça önemli bir sorun. Çünkü elektronik devreler küçülüp, nano teknoloji daha fazla kullanılmaya başlandıkça Casimir etkisi ciddi bir engel oluşturuyor. 2009 yılında Harvard Üniversitesinden bilim insanları altın ve silikon levhalar arasındaki Casimir etkisini sıvı bromobenzene ile durdurdu. 


Dolaşık parçacıklar

Dolaşık parçacıklar Kuantum evreninin en gizemli olaylarından biri.  Erwin Schrödinger dolaşık parçacıkları Kuantumu tanımlayan temel özellik olarak nitelendirmişti. Einstein ise bu fikri o kadar inanılmaz buldu ki gerçekliği konusunda ciddi şüpheleri olduğunu söyledi. 

Dolaşık parçacıklar, Einstein’in sözleriyle bizim dünyanın, evrenin nasıl çalıştığına ilişkin tüm bilgilerimize vurulan büyük bir darbe. 

Bugüne kadar yapılan sayısız deneyde öncelikle aynı kaynaktan oluşturulan iki parçacık alındı. Bu parçacıklar dolaşık oldukları sistem içerisinde birbirlerinin hareketlerine göre hareket etti. Örneğin dolaşık parçacıklardan biri yukarı doğru hareket ettiği zaman diğeri aşağı doğru hareket etti. Bu parçacıklar birbirlerinden çok uzak noktalara yerleştirilip parçacıklardan birinin hareketi enerji verilip değiştirildiğinde diğerinin de ona uyumlu olarak değiştiği görüldü. 

Cenevre Üniversitesi’nden yapılan bir deneyde 2008 Nobel Fizik Ödülü sahibi bilim insanı Nicolas Gisin, iki dolaşık fotonu 18 kilometre birbirinden uzaklaştırdı. Parçacıklardan birinin hareketini değiştiren ekip diğer parçacığa bu bilginin ne kadar zamanda gittiğini tespit etti. Sonuç olağanüstüydü. 

Deneyin sonucuna göre iki parçacık arasındaki bilgi ışık hızından 10 milyon kat daha yüksek bir hızda transfer oluyordu. Bu evrenin yepyeni ve olağanüstü bir boyutuna işaret eden çarpıcı bir bulguydu. 


Aharonov-Bohm etkisi

Bir Kuantum tuhaflığı daha. Aharonov-Bohm etkisi. Ortası delik daire şeklinde bir mıknatısı düşünün. Bu mıknatısın ortasındaki deliğin iç tarafına bir metal tabaka yapıştırılıyor. Bu şekilde mıknatısın içindeki delikte bulunan manyetik alan tamamen ortadan kaldırılıyor. Dolayısıyla bir elektron bu delikten geçecek şekilde ateşlendiğinde bir manyetik alanla karşılaşmayacak. 

Ancak bu şekilde kurulan bir düzeneğin içinden geçecek şekilde bir elektron ateşlendiği zaman ölçülebilir hiçbir manyetik alan olmamasına rağmen elektron sanki bir manyetik alan varmış gibi davranıyor. 

Bu etki ilk kez 1949 yılında Werner Ehrenberg ile Raymond Siday tarafından keşfedildi. Bu ikili, elektronun bu tuhaf davranışı üzerinde durmadı. 10 yıl sonra Yakir Aharonov ve David Bohm aynı deneyi yapıp sonuçlarını yayınladı ve bu etki onların adıyla anılır oldu. 

Bilim insanları bu etki konusunda birçok tartışma yürüttü. En yaygın olarak kabul gören açıklama şu: elektrik ve manyetik alanların düşünüldüğünden çok daha farklı bir yapıda olması elektronu etkiliyor. Yine elektrik ve manyetik alanlar söz konusu olduğunda elektronun nerede olduğunun yanı sıra nerede olmadığı da sonucu etkiliyor. Tuhaf mı geliyor? Kuantum evrenine hoş geldiniz!


Mucizevi maddeler

Gerçek dünyamızda birçok maddenin kuantum özellikleri laboratuvarda bilim insanlarının kendilerini sihirbaz gibi hissetmelerine neden olabilir. 

Mesela helyum. Oda sıcaklığında gaz halindedir ve soluduğunuz zaman ince bir sesle konuşmanızı sağlar. Ama 2 kelvinde her ne kadar sıvı olsa da helyumun atomları kuantum özellikleriyle konuşmaya başlıyor. Süperiletken durumundaki helyumu yerçekimi etkilemiyor. Olağanüstü küçük deliklerden geçebiliyor, bir kadehe doldurup kadehi çevirmeye başladığınızda dönmüyor. 

Bilim insanları son derece düşük sıcaklıklarda süperiletkenlerin içindeki atomların hareketleri çok sınırlı olduğundan atomun tam yerinin belirsizlik oranı artıyor. Burada atomun belirli ve belirsiz halleri iç içe geçmeye başlıyor. Belirli ve belirsiz haller birlikte bir süperatom oluşturuyor ve bu madde çevresindeki dirençleri tanımadan, takılmadan hareket edebiliyor.