Yalnızca ölçülebilen niceliklerin bir teoride olması gerektiği yönündeki Pozitivist inancından yola çıkan Werner Heisenberg, kuantum fiziğinin belli fiziksel değişken çiftlerinin, aynı anda ne kadar doğru ölçülebileceğine dair bir kısıtlama getirdiğini fark etti. Bunun üzerine çalışmalarına başlayan Heisenberg 1927’de Belirsizlik İlkesi’ni ortaya çıkardı. Heisenberg’e 1932’de Nobel ödülü kazandıran Belirsizlik İlkesi, kuantum mekaniğinin de en temel ilkelerinden birisi olarak kabul edilmiştir.

Belirsizlik ilkesinin geçerli olduğu pek çok çift vardır, bunlardan en bilineni ise momentum-konum çiftidir. Aralarında belirsizlik ilişkisi olan başka çiftlerden bazıları şöyle sıralanabilir: manyetik indüksiyon-mıknatıslanma, manyetik potansiyel-elektrik akımı yoğunluğu, elektrik alanı-elektrik polarizasyon yoğunluğu.

İlke, momentum-konum çifti için temel olarak şunu söyler: “Bir parçacığın kesin doğrusal hızını ve kesin konumunu aynı anda bilmek olanaksızdır.”

fizik

Bu denklem, parçacığın konumundaki belirsizlik ile momentumundaki belirsizliğin çarpımının Planck sabitinin yarısından daha büyük olması gerektiğini belirtir. Ayrıca denklem belirsizlik ilkesinin makro evrende neden gözlemlenmediğinin bir ifadesi de sayılabilir. Planck sayısı (1.05×10(-34) J∙s) oldukça küçük bir değer olduğundan dolayı belirsizliğin etkileri sadece atom altı boyutlarda önem kazanır.

Heisenberg, momentum-konum çifti için şunu söyler: “Bir atom altı parçacığın kesin konumunu tespit etmenin hiçbir yolu olmadığını gösterdim, tabi parçacığın momentumu hakkında oldukça şüpheli kalmayı arzu etmiyorsanız. Ayrıca parçacığın kesin momentumunu doğru tespit etmenin de hiçbir yolu yoktur, tabi parçacığın konumu hakkında oldukça şüpheli kalmayı arzu etmiyorsanız. ”

Bahsetmek istediğim bir diğer belirsizlik çifti ise enerji-zaman ikilisi. Belirsizliğin enerji-zaman formunun ciddi sonuçları vardır. Bu sonuçlardan bir tanesi, bize boş uzayın gerçekte hiç de boş olmadığını gösterir. Kuantum dalgalanması olarak da bilinen bu durum uzayda yoktan parçacıklar oluşmasına izin verir, fakat bu parçacıklar çok kısa bir süre içinde yok olmak zorundadırlar. Hawking radyasyonu olarak bilinen kara deliklerin kütle kaybetmesi olayı da enerji-zaman belirsizliğinin bir sonucudur. (Kuantum dalgalanması başka bir yazının konusu olacağından detaya girmeyeceğim.)

Heisenberg’in Mikroskobu

heisenberg

Belirsizlik ilkesiyle ilgili belirtilmesi gereken bir diğer husus, ilkenin tanımladığı belirsizliğin ölçüm kaynaklı bir belirsizlik olmamasıdır. Ölçüm kaynaklı belirsizlik ve belirsizlik ilkesi tamamen farklı modellerdir. Heisenberg yanlış anlaşılmaları önlemek amacıyla “Heisenberg’in Mikroskobu” olarak bilinen bir model tanımlamıştır. Bu modelde bir parçacığın konumunu bulmak amacıyla parçacık foton yağmuruna tutulur. Fakat parçacığa çarptırdığımız fotonlar parçacığın momentumunda değişikliğe sebep olur. Başka bir deyişle, parçacığın konumunu ölçerek bir başka özelliğinin değişmesine neden oluruz ve bu iki özelliğin kesin değerlerinin eş zamanlı olarak bilinmesi olanaksızdır.

Ölçüm kaynaklı belirsizliğin yanı sıra Heisenberg’in ilkesi daha derindir ve doğayı kavrayışımızı ciddi olarak zenginleştirmiştir. İlkenin çıkış noktasında, evrendeki her şeyin parçacık/dalga ikiliğinde davranıyor olması vardır. Parçacık/dalga ikiliğini anlattığım yazımı buradan okuyabilirsiniz.

Determinizmin Çöküşü

Pierre-Simon Laplace 1814’de yayınlanan bir makalesinde, bugün “Laplace’in Şeytanı” olarak bilinen,  bir fikir ortaya atmıştır. Laplace’ın Şeytanı nedensel  determinizmin kavramsallaştırılmış bir ifadesidir: ”Belli bir zamanda evrendeki bütün parçacıkların konumunu ve hareketini bilebilseydik, o zaman herhangi bir şeyin geçmişte yada gelecekteki davranışlarını hesaplayabilirdik. Özetle hiçbir şey belirsiz değildir ve gelecek de aynı geçmiş gibi gözlerimizin önündedir.”

Belirsizlik ilkesi bu ifadeyi yok ediyordu, bu yüzden klasik fizik kuramcıları ve felsefeciler tarafından oldukça eleştirilmiştir. Bu eleştirilere cevabı ise Victor Weisskopf vermiştir: “Belirsizlik İlkesi doğayı kavrayışımızı yoksullaştırmamış aksine zenginleştirmiştir. Klasik fiziğin atom olaylarına uygulanabilirliğini sınırlayarak dalga/parçacık ikiliği gibi yeni fenomenlere yer açmıştır. Hamlet’ten bir alıntıyla, yeryüzünde ve gökyüzünde senin felsefende hayal dahi etmediğin kadar çok şey var.”

Kaynaklar:

  1. Kuantum Teorisi-J. P. McEvoy-Oscar Zarate
  2. Evrenin Zarefeti-Brian Greene
  3. Heisenberg Uncertainty Principle: Equation & Explanation