Kuantum dünyasının ayakkabılarla çok ortak noktası vardır. Bir mağazaya gidip ayağınıza tam uyan spor ayakkabılarını seçemezsiniz. Bunun yerine, önceden belirlenmiş boyutlarda gelen çiftler arasında seçim yapmak zorunda kalırsınız.

Atom altı dünya da buna benzerdir. Einstein, enerjinin kuantize olduğunu kanıtladığı için Nobel Ödülünü kazanır. Ayakkabıları yalnızca yarım numaranın katları halinde satın alabileceğiniz gibi, enerji de yalnızca aynı “kuanta”nın katları halinde gelir. Bu nedenle fiziğin bu dalına kuantum fiziği adı verilir.

Buradaki kuanta, kuantum fiziğinin babası sayılan Max Planck’ın adını taşıyan Planck sabitidir. Planck, Güneş gibi sıcak cisimleri anlamamızla ilgili bir sorunu çözmeye çalışır. Ancak en iyi teoriler bile yayınlanan enerji gözlemleriyle uyuşamaz. Ama Planck, enerjinin kuantize olduğunu öne sürerek, teoriyi deneyle düzgün bir şekilde uyumlu hale getirmeyi başarır.

2. Bir şey hem dalga hem de parçacık olabilir

JJ Thomson elektronların parçacıklar olduğunu keşfettiği için 1906’da Nobel Ödülü’nü kazanır. Oğlu George ise, 1937’de elektronların dalga olduğunu gösterdiği için Nobel Ödülü’nü kazanır. Peki kim haklıdır? Cevap her ikisi de. Bu sözde dalga-parçacık ikiliği, kuantum fiziğinin temel taşıdır.

Elektronlar kadar ışık için de geçerlidir. Bazen ışığı bir elektromanyetik dalga olarak düşünmek işe yarar, ancak diğer zamanlarda onu foton adı verilen parçacıklar biçiminde hayal etmek daha yararlıdır.

Bir teleskop, uzak yıldızlardan gelen ışık dalgalarını odaklar ve ayrıca fotonları toplamak için dev bir ışık kovası görevi görür. Ayrıca, fotonlar bir nesneye çarptığında ışığın basınç uygulayabileceği anlamına gelir.

Bu zaten bir uzay aracını güneş yelkenleriyle hareket ettirmek için kullandığımız bir yöntemdir. Hatta tehlikeli bir asteroidi Dünya ile çarpışma rotasından çıkarmak için de mümkün olabilir.

3. Nesneler aynı anda iki yerde olabilir

Dalga-parçacık ikiliği bir süper pozisyon örneğidir. Yani, aynı anda birden fazla durumda bulunan bir kuantum nesnesidir. Örneğin bir elektron aynı anda hem “burada” hem de “orada” bulunur.

Sadece bir kez nerede olduğunu bulmak için bir deney yaptığımızda, birine veya diğerine yerleşir. Bu durum, kuantum fiziğinin tamamen olasılıklarla ilgili olduğunu gösterir.

Bir nesnenin hangi durumda olma olasılığının en yüksek olduğunu ancak bir kez baktığımızda söyleyebiliriz. Bu olasılıklar, dalga fonksiyonu adı verilen matematiksel bir varlık içinde özetlenebilir. Gözlem yapıldığında dalga fonksiyonunun ‘çöktüğü’, süper pozisyonu yok ettiği ve nesneyi birçok olası durumundan sadece birine zorladığı söylenir.

Bu durum, ünlü Schrödinger’in kedisi düşünce deneyinin arkasında yatan fikirdir. Mühürlü bir kutudaki bir kedinin kaderi bir kuantum cihazına bağlıdır. Cihaz bir ölçüm yapılana kadar her iki durumda da var olduğu için biz bakana kadar kedi aynı anda hem canlıdır hem de ölüdür.

4. Bizi çoklu evrene götürebilir

Gözlemin dalga fonksiyonunu çökerttiği ve bir kuantum “seçimini” zorladığı fikri, kuantum fiziğinin Kopenhag yorumu olarak bilinir. Ancak, masadaki tek seçenek bu değildir. ‘Çoklu evren’ yorumunun savunucuları, hiçbir seçeneğin olmadığını öne sürerler.

Bunun yerine, ölçüm yapıldığı anda gerçeklik kendisinin iki kopyasına bölünür: birinde A sonucunu deneyimleriz, diğerinde ise B sonucunun ortaya çıktığını görürüz. Böylece bir şeyleri gerçekleştirmek için gözlemciye ihtiyaç duyma gibi çetrefilli sorun çözülmüş olur.

5. Yıldızları karakterize etmemize yardımcı olur

Danimarkalı fizikçi Niels Bohr bize atomların içindeki elektron yörüngelerinin de kuantize olduğunu gösterir. Elektronlar, önceden belirlenmiş enerji seviyelerinde bulunurlar. Bir elektron daha yüksek bir enerji seviyesinden daha alçak bir enerji seviyesine düştüğünde, boşluğun boyutuna eşit enerjide bir foton yayınlar.

Aynı şekilde, bir elektron bir ışık parçacığını soğurabilir ve enerjisini daha yüksek bir enerji düzeyine sıçramak için kullanır. Gökbilimciler bu etkiyi her zaman kullanırlar. Yıldızların neden yapıldığını biliyoruz.

Çünkü ışıklarını gökkuşağı benzeri bir spektruma böldüğümüzde eksik renkleri görüyoruz. Farklı kimyasal elementlerin farklı enerji seviyesi, aralıkları vardır. Bu nedenle güneşin ve diğer yıldızların bileşenlerini eksik olan renklerden kesin olarak bulabiliriz.

6. Onsuz güneş parlamaz

Güneş, enerjisini nükleer füzyon adı verilen bir süreçte üretir. Bir atomdaki pozitif yüklü parçacıklar olan iki protonun birbirine kaynaşarak yapışmasını içerir. Ancak aynı yükler, tıpkı bir mıknatısın iki kuzey kutbu gibi, birbirlerini iterler. Fizikçiler bu duruma Coulomb bariyeri derler. Bu olay iki proton arasındaki bir duvar gibi düşünülebilir.

Proton parçacıkları sadece duvarla çarpışır ve birbirlerinden uzaklaşır: Füzyon yoksa güneş ışığı yoktur. Parçacıkları dalgalar olarak düşündüğümüzde bu kez farklı bir hikaye ortaya çıkar. Dalganın tepesi duvara ulaştığında, ön kenar çoktan öte tarafa geçmiştir.

Dalganın yüksekliği, protonun olma olasılığının en yüksek olduğu yeri temsil eder. Dolayısıyla, öncünün olduğu yerde olması pek olası olmasa da, bazen oradadır. Sanki proton bariyeri delip geçmiş ve füzyon meydana gelmiş gibidir. Fizikçiler bu etkiye “kuantum tünelleme” ismini verirler.

7. Ölü yıldızların çökmesini durdurur

Sonunda güneşteki füzyon duracak ve yıldızımız ölecektir. Çekim gücü kazanacak ve güneş çökecektir, ama süresiz değildir. Ne kadar küçülürse, o kadar fazla malzeme bir araya toplanır. Sonunda, Pauli dışlama ilkesi adı verilen bir kuantum fiziği kuralı devreye girer.

Bu ilke, elektronlar gibi belirli türdeki parçacıkların aynı kuantum durumunda bulunmasının yasak olduğunu bize söyler. Yıldızın çekim gücü tam da bunu yapmaya çalışırken, gökbilimcilerin yozlaşma basıncı dediği bir dirençle karşılaşır. Çöküş durur ve beyaz cüce adı verilen Dünya boyutunda yeni bir nesne oluşur.

Bununla birlikte, yozlaşma baskısı ancak bu kadar direnç gösterebilir. Beyaz cüce büyür ve 1,4 güneşe eşit bir kütleye yaklaşırsa, onu parçalara ayıran bir füzyon dalgasını tetikler. Gökbilimciler bu patlamaya Tip Ia süpernova derler ve patlama, tüm galaksiyi gölgede bırakacak kadar parlaklığa ulaşır.

8. Kara deliklerin buharlaşmasına neden olur

Heisenberg belirsizlik ilkesi adı verilen bir kuantum kuralı, bir sistemin iki özelliğini aynı anda tam olarak bilmenin imkansız olduğunu söyler. Birini ne kadar doğru bilirseniz, diğerini o kadar az kesin olarak bilirsiniz. Bu, momentum ve konum için ve ayrıca enerji ve zaman için de geçerlidir.

Biraz kredi çekmeye benzer. Kısa bir süre için çok para ödünç alabilir veya daha uzun süre için daha az nakit ödünç alabilirsiniz. Bu bizi sanal parçacıklara götürür. Eğer doğadan yeterli enerji “ödünç alınırsa”, o zaman bir çift parçacık, kredi borcunu ödememek için hızla ortadan kaybolmadan önce, kısa bir süre için ortaya çıkabilir.

9. Evrenin büyük ölçekli yapısını açıklar

Evrenin kökenine ilişkin en iyi teorimiz Büyük Patlama‘dır. Ancak 1980’lerde enflasyon adı verilen başka bir teoriyi içerecek şekilde değiştirilir. Saniyenin trilyonda birinin trilyonda birinin trilyonda birinin trilyonda birinde, kozmos bir atomdan daha küçükten yaklaşık bir greyfurt boyutunda balonlaşır.

Yani 10^78 (1’in yanında 78 adet 0) kat daha büyümüş demektir. Bir kırmızı kan hücresini aynı miktarda şişirmek, onu günümüzün tüm gözlemlenebilir evreninden daha büyük yapar. Başlangıçta bir atomdan daha küçük olduğu için, bebek evrene Heisenberg belirsizlik ilkesine bağlı kuantum dalgalanmaları hakim olacaktır.

Enflasyon, bu dalgalanmaların kaybolma şansı bulamadan evrenin hızla büyümesine neden olur. Bu enerji, diğerlerinden ziyade bazı alanlarda yoğunlaşır. Bu durum, gökbilimcilerin, şu anda gözlemlediğimiz gökada kümelerini oluşturmak için etrafında malzemelerin toplanabileceği tohumlar olarak hareket ettiğine inandıkları bir şeydir.

10. Biraz ‘ürkütücü’ olmaktan daha fazlası

Einstein, ışığın kuantum olduğunu kanıtlamaya yardımcı olmasının yanı sıra, “uzaktan ürkütücü eylem” olarak adlandırdığı başka bir etkiyi de savunur. Bugün bu ‘kuantum dolaşıklığının‘ gerçek olduğunu biliyoruz, ancak hala neler olduğunu tam olarak anlayamıyoruz.

Diyelim ki iki parçacığı, kuantum durumları amansız bir şekilde bağlı veya dolaşmış olacak şekilde bir araya getiriyoruz. Biri A durumunda, diğeri B durumunda. Pauli dışlama ilkesi, ikisinin aynı durumda olamayacağını söyler.

Birini değiştirirsek, diğeri anında olayı telafi etmek için değişir. Bu, evrenin zıt taraflarındaki iki parçacığı birbirinden ayırsak bile olur. Sanki yaptığımız değişiklikle ilgili bilgiler aralarında ışık hızından daha hızlı seyahat etmiş gibidir. Bu durum, Einstein’ın imkansız olduğunu söylediği bir şeydir.