Kuantumu anlamak-9: Cebinizdeki kuantum

Sekiz gün boyunca tuhaf şeyler konuştuk. Hem dalga hem parçacık olan ışık, basamaklarla dolanan elektronlar, ölçülmeden önce kararını vermemiş parçacıklar, mesafeyi hiçe sayan bağlar.

Bütün bunları okuyup şunu düşünmüş olabilirsiniz: ilginç ama benim hayatımla ne alakası var?

Bugünün konusu tam olarak o. Ve rakamla başlayayım: dünya ekonomisinin kayda değer bir kısmı, doğrudan kuantum fiziğine dayanan ürünler üzerine kuruludur. Yarı iletken sanayii tek başına yılda yüzlerce milyar dolarlık bir hacimdir ve üzerine kurulu bilgisayar, telefon, internet, otomotiv elektroniği sektörleri onun kat kat üstündedir.

Ortada esrarengiz bir enerji yok. Ortada, yüz yıllık bir kuramın üstüne kurulmuş bir sanayi medeniyeti var.

Her şeyin başladığı yer: transistör

16 Aralık 1947. New Jersey'de Bell Laboratuvarları. John Bardeen ve Walter Brattain, germanyum adlı bir yarı iletken parçasıyla uğraşıyorlardı. Amaçları, telefon hatlarındaki sinyali güçlendirmenin daha iyi bir yolunu bulmaktı.

O gün çalışan düzenek, gelen zayıf sinyali güçlü bir sinyale çevirdi. Transistör doğmuştu.

Peki bu neden kuantumla ilgili?

Çünkü yarı iletken diye bir şeyin varlığı kuantumsuz açıklanamaz.

Dördüncü yazıdaki basamak fikrini hatırlayın. Elektronlar bir atomda gelişigüzel duramaz; izinli basamaklarda – yörüngelerde- dururlar. Katı bir maddede milyarlarca atom bir araya geldiğinde, bu basamaklar birleşip geniş şeritler hâline gelir. Ve şeritlerin arasında, hiçbir elektronun bulunamayacağı yasak aralıklar kalır.

Bir maddenin iletken mi yalıtkan mı olduğunu belirleyen şey budur. Bakırda elektronlar kolayca üst şeride geçebilir; akım akar. Camda aradaki yasak aralık devasadır; hiçbir elektron atlayamaz, akım geçmez.

Silisyum gibi bazı maddelerde ise aralık ortadadır. Ne kadar geçiş olacağı, dışarıdan verdiğiniz küçük bir etkiyle ayarlanabilir.

İşte transistör budur: küçük bir sinyalle açılıp kapanan bir kapı. Elektrik akımının açılıp kapanabilen musluğu.

Bu musluğu bulmadan önce aynı işi vakumlu tüpler yapıyordu; ampul boyunda, sıcak, kırılgan, çok elektrik yiyen şeyler. 1946'da yapılan ilk büyük bilgisayar ENIAC, on yedi bin tüp kullanıyordu; otuz ton ağırlığındaydı ve bir odayı dolduruyordu.

Bugün bir akıllı telefon işlemcisinde on milyarın üzerinde transistör var. Her biri birkaç nanometre boyutunda; yani bir saç telinin on binde biri kadar.

Cebinizdeki telefon, elinizde tuttuğunuz en yoğun kuantum cihazıdır.

Lazer: aynı adımla yürüyen ışık

Kuantumun ikinci büyük ürünü lazerdir ve fikrin sahibi yine Einstein'dır.

1917'de yazdığı bir makalede şunu gösterdi: uyarılmış bir atom kendiliğinden ışık yayabildiği gibi, üzerine doğru frekansta bir foton gelirse, tetiklenip tıpatıp aynı fotonu da yayabilir. Aynı frekans, aynı yön, aynı faz.

Bunu bir zincirleme tepkimeye çevirirseniz, hepsi birbirinin kopyası olan devasa bir foton ordusu elde edersiniz. Sıradan ışık, herkesin kendi kafasına göre yürüdüğü bir kalabalıktır; lazer, aynı adımla yürüyen bir birliktir. İlk çalışan lazer 1960'ta yapıldı. 

Bugün: bakkaldaki barkod okuyucu, DVD ve Blu-ray, göz ameliyatları, kanser tedavisinde kullanılan cihazlar, metal kesme tezgâhları, mesafe ölçerler, matbaa ve kaynak makineleri.

Ve hepsinden önemlisi: fiber optik kablolar. Okyanusların altından geçen ve bu yazıyı size ulaştıran internet altyapısı, cam liflerin içinde ilerleyen lazer darbeleridir. Dünya iletişiminin belkemiği, 1917'de yazılmış bir kuantum makalesine dayanıyor.

Hastanedeki kuantum

Tıbbın en güçlü görüntüleme cihazı MRI'dır — manyetik rezonans.

Çalışma ilkesi, atom çekirdeklerinin "spin" denen kuantum özelliğine dayanır. Güçlü bir manyetik alan içinde bu çekirdekler belli yönelimler alır; uyarıldıklarında yönelim değiştirir ve geri dönerken sinyal yayarlar. O sinyalleri toplayıp görüntüye çevirirsiniz.

Röntgenden farkı önemlidir: MRI iyonlaştırıcı ışıma kullanmaz, yumuşak dokuyu ayrıntısıyla gösterir. Beyin, omurilik, eklemler, tümörler ilk defa bu kadar net görülebildi.

Aynı mantık PET taramasında da işler. Hastaya verilen madde bozunurken çıkan parçacıklar, dokudaki elektronlarla karşılaşıp yok olur ve enerjileri foton olarak yayılır. Cihaz bu fotonları sayarak vücudun içini haritalar. Kanser teşhisinde en güçlü yöntemlerden biridir. 

Yani hastanedeki cihazların önemli bir kısmı, bu dizide anlattığımız kavramların doğrudan uygulamasıdır.

Güneş paneli, LED, atom saati

Güneş panelleri üçüncü yazıda anlattığımız fotoelektrik olayla çalışır. Foton gelir, elektronu yarı iletken şeridin üstüne atlatır, akım doğar. Einstein'a Nobel kazandıran olgu, bugün dünyanın enerji dönüşümünün merkezinde.

LED ise tersidir: elektron üst şeritten alt şeride düştüğünde aradaki enerji farkını foton olarak salar. Rengi, aradaki farkın büyüklüğü belirler. Mavi LED'in geç bulunması bu yüzdendir; yüksek enerjili foton için uygun malzeme gerekiyordu. 2014 Nobel Fizik Ödülü, mavi LED'i başaran üç kişiye verildi — ve beyaz LED aydınlatma ancak ondan sonra mümkün oldu. Dünyanın elektrik tüketiminde ciddi bir tasarruf, o keşifle geldi.

Atom saatleri ise elektronun basamaklar arasındaki geçiş frekansını sayaç olarak kullanır. Bu frekans evrensel olarak sabittir; hiçbir mekanik saat bu kadar şaşmaz değildir. Bugün saniyenin resmî tanımı, sezyum atomunun belli bir geçişine göre yapılır.

Ve burada iki dizi birleşiyor: GPS uyduları atom saatleriyle çalışır, saatleri kuantumla kurulur, düzeltmeleri görelilikle yapılır. Telefonunuzun size yolu göstermesi için yirminci yüzyılın iki büyük kuramının da doğru olması gerekir.

Ve bilmediğimiz yerde çalışan kuantum

Bazıları daha da temeldir.

Güneş'in yanması, çekirdeklerin birbirine yaklaşıp kaynaşmasıyla olur. Ama klasik fizikle hesaplarsanız, Güneş'in merkezindeki sıcaklık bunun için yetersizdir. Çekirdekler birbirini iter ve o bariyeri aşamazlar.

Aşıyorlar. Çünkü kuantumda, bir parçacığın aşamayacağı bir bariyerin öte yanında belirme ihtimali sıfır değildir. Buna tünelleme denir.

Yani Güneş, tünelleme sayesinde yanıyor. Dünyadaki hayatın enerji kaynağı, bir kuantum olayıdır.

Aynı olay, elektron mikroskobunun bir türünde de kullanılır; tek tek atomların görüntüsü böyle alınır. Flash belleklerdeki veri yazma işleminin bir kısmı da tünellemeye dayanır.

Şimdi yarışılan yer

Bugün asıl mücadele kuantum bilgisayarlarda.

Klasik bir bilgisayar sıfır ve birlerle çalışır. Kuantum bilgisayar ise süperpozisyondan faydalanır: bir kübit, sekizinci yazıda konuştuğumuz anlamda, sıfır ve birin toplamı olan bir durumda bulunabilir. Dolanıklıkla birbirine bağlanan kübitler, belli hesap türlerinde klasik makinelerin asla ulaşamayacağı kısayollar açar.

Ama işin zorluğunu da hatırlayın: bütün mesele yalıtımdır. Bu makineler mutlak sıfıra yakın sıcaklıklara indiriliyor, en ufak titreşimden korunuyor. Çünkü çevreyle tek bir etkileşim hesabı çökertir.

Bugün bu makineler henüz dar bir alanda, sınırlı işler yapıyor. Her şeyi yapan sihirli cihazlar değiller ve olmayacaklar da; belli problem türlerinde üstünler. İlaç molekülü tasarımı, malzeme keşfi, şifreleme bunların başında geliyor.

Bir kuram ne kadar doğru olabilir?

Kuantum elektrodinamiği denen kuram, elektronun manyetik davranışını hesaplar. Bu modelden hesap yoluyla elde ettiğimiz ile laboratuvarda deneyle ölçülen sayı, virgülden sonra on iki basamak boyunca birbirini tutuyor. Bu hassasiyeti bir benzetmeyle görün: İstanbul ile New York arasındaki mesafeyi, bir saç telinin kalınlığından daha küçük bir hatayla bilmek gibi.

Fizik tarihinde hiçbir kuram bu kadar keskin sınanmamıştır. Ve kuantum, her seferinde tutmuştur.

Yani "anlamıyoruz" ile "işe yaramıyor" aynı şey değildir. Bilim, neyin nasıl davrandığını öğrenip onu kullanabilir; niçin öyle davrandığını bilmeden de. Nitekim Newton da yerçekiminin ne olduğunu bilmeden gezegenlerin yörüngelerini hesaplamıştı.

Yazıyı ve kuantumu anlamak serimizi bitirirken bir şeye daha dikkat çekmek istiyorum.

İnternette kuantum diye bir arama yapın, karşınıza çıkacaklar arasında bolca aşağıdakilerden görürsünüz.

Kuantum şifa ve kuantum tedavi: hastalıkların "titreşim frekansı"nı düzelterek iyileştirme iddiası. Kuantum düşünce tekniği: zihninizi doğru ayarlayarak gerçekliği değiştirme vaadi. Kuantum bolluk ve bereket seminerleri: para ve başarıyı "evrene sipariş ederek" çekme sistemi. Kuantum koçluk sertifikaları, kuantum beslenme, kuantum su, kuantum uyum bileklikleri.

Bunların ortak özelliği şu: hiçbirini kuantum fiziğinin tek bir denklemini, tek bir kavramını doğru kullanılmıyor. Sadece isim ödünç alınmış. Çok detaya girmeden birkaç paragraf ile konuyu da bağlamak istiyorum.

Bu işin nasıl kurulduğunu anlarsanız, sadece kuantumda değil, başka alanlarda da benzerini tanırsınız. Dört tekniği var.

Birinci teknik: teknik kelimeyi gündelik anlamıyla kullanmak: En büyük vurgun "gözlemci" kelimesi üzerinden yapılıyor. Altıncı yazıda uzun uzun üzerinde durmuştum: fizikte gözlemci demek, bakan insan demek değildir. Ölçüm demek, bir bilincin farkına varması demek değildir. Ölçüm, bir etkileşim demektir. Belirleyici olan insan bilinci değil, etkileşimin olup olmadığıdır. "Gözlemci gerçekliği yaratır" cümlesi, tam olarak bu kelimenin kaydırılmasıyla üretilmiştir.  Aynı şey "belirsizlik" ile de yapılıyor. Yedinci yazıda gördük: ilke, birbirine bağlı belli nicelik çiftlerinde ikisinin birden kesin ölçülmüş bir değeri bulunamayacağını söyler. Hayatınızdaki kararsızlıkla hiçbir akrabalığı yoktur. 

İkinci teknik: ölçeği gizlemek: Bu dizinin en sık tekrarladığı rakam Planck sabitiydi — virgülden sonra otuz üç sıfır. Kuantum etkileri o ölçekte belirleyicidir. İnsan ölçeğinde ise, dekoherans bahsinde gördüğümüz gibi, saniyenin akıl almaz küçüklükteki bir kesrinde yok olur.

Üçüncü teknik: boşluğa yerleşmek: Bu en incelikli olanı. Dizi boyunca dürüst davrandım: kuantumun cevaplayamadığı sorular var. Ölçüm anında tam olarak ne olduğunu bilmiyoruz. Dolanıklığın mekanizmasını bilmiyoruz. Doksan yıldır tartışılıyor ve fizikçiler arasında ortak bir görüş yok. İşte istismar tam buraya kuruluyor. Mantık şu: "Fizikçiler bile bilmiyor. O hâlde benim söylediğim de olabilir."

Dördüncü teknik: otorite ödünç almak: Kuantum, insanlığın kurduğu en başarılı kuram. Bu itibarı kelimeye yapışmış durumda. Bir ürünün başına "kuantum" koyduğunuzda, o ürün laboratuvarın, Nobel'in, Einstein'ın itibarından pay almış oluyor. Bunu test etmenin kolay bir yolu var: kelimeyi çıkarın, geriye ne kalıyor? "Kuantum düşünce tekniği" deyince ciddi duruyor. "Düşünce tekniği" deyince sıradanlaşıyor.  

Peki gerçek nasıl ayırt edilir? Gazete yazılarım içindeki," Bir cümle gerçekten bir şey söylüyor mu?"  başlıklı yazıma bakabilirsiniz.

Neyse, toparlarsam, dokuz yazı boyunca kendimce kuantumun ne olduğunu anlatmaya çalıştım. Size bazı şeyler katabildiysem ne mutlu bana…