Kuantum nedir?

Sözlük anlamıyla kuantum bir öbektir, bir pakettir. Bizi çevrele- yen gündelik yaşamda karşımıza belli büyüklükte "öbekler" biçi- minde çıkan birçok şey vardır: Ekmek somunları, litrelik sütler, otomobiller gibi. Ancak bir ekmeğin, bir şişe sütün, bir otomo- bilin 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 yarım litre- lik veya bir litrelik şişelerde satıp 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.1

Bir örnek verelim: Bir hidrojen atomu, belli bir çapa sahip- tir (başka bir kuantum etkisi yüzünden hatlar keskin değildir).

1 Kuantum hem sıfat hem de isim olarak kullanılır. Kuantum fizik ve kuantum sıçramalardan bahsettiğimiz gibi, enerji kuantumu veya ışığın kuantumu da deriz. İsmin çoğulu ise kuanta'dır.

H atomları

Ekmek somunları

Şekil 1: Ekmek herhangi bir büyüklükte olabilir. Taban durumdaki hidrojen

atomlarının tümü aynıdır.

Hidrojen atomunun çapı yaklaşık olarak nanometrenin onda biridir (Bir nanometre -nm, metrenin milyarda biri- 109 m' dir). Bundan daha küçük hale getirilemez. Bu onun taban du- rumu dediğimiz büyüklüğüdür. Bu büyüklükle bağlantılı ola- rak da belli bir enerji, onun taban durumu enerjisidir. Bundan daha az bir enerjiye sahip olması sağlanamaz. Bu, temel hidro- jen atomu öbeğidir. Taban durumdaki her hidrojen atomu tam olarak aynı boyuta ve aynı enerjiye sahiptir; anlayacağınız bir evrensel hidrojen öbeğiyle karşı karşıya gelmekteyiz. Atom da- ha büyük ve daha enerjik hale getirilebilir, ancak bu da sadece belli kuantum artışları çerçevesinde mümkündür, herhangi bir seçili artış uygulanamaz. Böylesi daha büyük boyutlara, daha yüksek enerji durumlarına uyarılmış durumlar denir (Şekil 2). Uyarılmış bir atom, bir ışık fotonu saldığı ve enerjisini daha yüksek bir değerden daha düşük bir değere düşürdüğü zaman, bir kuantum sıçraması yapıyor demektir.

Ortaya çıkan fotonun kendisi de bir kuantumdur, bir ışık "öbeği"dir. Foton, bir enerji kuantumunu üzerine alır ve bu enerji kuantumunu soğurulduğunda -örneğin retinanız tara- fından yaşamını sona erdirdiği noktada teslim eder.

Fotonun bize gösterdiği gibi, sadece nesneler değil, nesne- lerin belli özellikleri de kuantum öbekleri biçiminde karşımıza çıkar. Örneğin enerji. Bir diğer örnek, elektrik yüküdür. Elektrik yükü, bir proton (veya onun negatif dengi olan bir elektron) ta-

Önce sonra

Şekil 2: Uyarılmış durumdaki bir hidrojen atomu, bir foton salar ve taban durumdaki hidrojen atomuna dönüşür.

rafından taşınan miktarın sağlayabileceğinden daha iyi bir yol- la ayarlanamaz. Elektrik yükünün 3,7 kuantum birimi gibi bir şey de mümkün değildir. Evrendeki her elektrik yükü, proton veya elektron yükünün tamsayı katıdır. (Bu kuralın bir istisnası vardır. Temel parçacıklar içerisinde kuarklar 1/3 ve 2/3 birim yükler taşırlar, ancak onlar da her zaman öyle bir biçimde bir- leşirler ki, tüm gözlenen veya ölçümlenmiş yükler proton veya elektron yüklerin tamsayısıdır.)

"Öbekli" özelliğe son bir örnek daha verecek olursak (ileride başka örnekler olacak), her bir parçacığın ve parçacıkların her bir kombinasyonunun spini ya sıfırdır veya en küçük spinin -ki bu elektronun spinidir- tamsayı katıdır. Detaya girmeden söylersek spin, dönme hareketinin etkinlik ölçüsüdür. Teknik olarak, açısal momentum dediğimiz niceliğin ölçümüdür. Bir çocuğun topu döner. Atlıkarınca da aynı şekilde döner. Her gün kendi ekseni etrafında bir kez dönen Dünya'mızda da durum aynıdır. Sıfır hariç en küçük spin miktarı elektronun spinidir. Bu en küçük kuantum miktarına proton da sahiptir. Foton, il- ginç biçimde, elektron veya protonun iki katı spine sahiptir. Siz veya ben arkamıza dönersek, bunun ne kadar yavaş oldu- ğunun önemi yok, bizim spinimiz astronomik derecede büyük sayıda kuantum birimi eder. Bu öyle büyüktür ki, bir kişinin spininin kuantum doğasını saptama ümidimiz yoktur.

Spin ölçümünde benimsenmiş olan birim, tarihsel neden- lerle fotonunkiyle aynı olmuştur. Buna 1 birim spin denmiştir. Elektronun spini, bu birimle, 1/2'dir. Böylelikle her parçacığın ve dünyadaki tüm varlıkların 0 veya 1/2 veya 1 veya 3/2 veya 2 veya 5/2, vs spini olur, ancak asla bu sayıların arasında bir değer olmaz, spin temel birimin tamsayı katı bölü iki katı dışında bir değer alamaz. veya tek tamsayı bölü iki katı dışında bir değer almaz.