Schrödinger’in kedisini ve Heisenberg’in belirsizlik ilkesini, hatta belki de kuantum dolaşıklığını duymuş olabilirsiniz. Bu kuantum olguları sonsuz derecede küçük ölçekteki dünyayı açıklama girişimleridir ve keşfedildiklerinden beri yüzyıl içerisinde görece iyi tanınmışlardır.

Fakat bunlar atomların ve atom altı parçacıkların tuhaf ve sezgilere aykırı davranışlarının zar zor başlangıcı olabilir. Daha pek çok kuantum etkisi hâlâ karanlıktadır. Şimdi bunlardan beşine göz atalım.

1. Kuantum Zeno Etkisi

Klasik Schrödinger’in kedisi durumundan bir sapmayla başlayalım. Bu meşhur düşünce deneyinde; bir kedi, bir kutu içerisinde radyoaktif madde ile hapis bırakılmıştır. Eğer radyoaktif madde bozunursa, zehirli bir gaz salacak bir dedektörü tetikleyecek ve kedi ölecektir.

Fakat sonucu ölçmek için kutunun içerisini kontrol edene kadar, kutunun içerisindekiler aynı anda iki durumda birden bulunacaktır; birisinde bozunma olmamış ve kedi hayattadır, diğerinde ise bozunma olmuş ve kedi ölmüştür. Kutunun içine göz attığımız anda karar verilir ve kedi ya ölmüş olur ya da bir gün daha yaşar.

Fakat eğer kutunun içerisine radyoaktif materyali göz altında tutmak için saniyede binlerce kez bakarsanız, davranışını değiştirebilirsiniz. Gözlem yapma şeklinize bağlı olarak, ya bozunmada gecikme meydana gelebilir (ki buna kuantum Zeno etkisi adı verilir) ya da bozunmayı hızlandırabilirsiniz (kuantum anti-Zeno etkisi) . Bu etki, adını kendi adıyla anılan bir dizi paradoks olan antik Yunan filozofu Zeno’dan alır. Bu paradokslardan birinde Achilles bir kaplumbağa ile yarıştadır. Bu paradoksa göre hareketin başlaması imkânsızdır, çünkü, her bir mesafe sonsuz sayıda daha küçük mesafeye ayrılabilir.

Hikayedeki sapma, Zeno etkisinin ölçüm nedeniyle ortaya çıkan rahatsızlıktan dolayı meydana gelir; içeriğine bakmadan kutuyu sallamak bile bu numaranın etkili olmasında yeterli olabilir.

2. Nötrinoların Bireysel Özelliklerinin Olmaması

Schrödinger’in kedisi kuantum fiziğindeki tuhaf fikirlerden birine verilen bir örnektir: Süperpozisyon. Bu olgu kısaca, nesnelerin iki veya daha fazla durumda birden bulunabildiğini söyler. Bir kedinin aynı anda hem ölü hem de diri olması, günlük hayatta görmenizin olası olmadığı bir durum olsa da laboratuvarda çalışan fizikçiler zaman zaman aynı anda hem saat yönünde hem de saatin tersi yönünde dönen elektronları kullanırlar.

Bu fikri temel alarak, bilim insanları, nötrino denilen hayaletimsi parçacıkların, binlerce kilometreden fazla yol katettiklerinde iki veya daha fazla duruma aynı anda hapsedilebildiklerini gösterdiler. Nötrinolar, maddeyle neredeyse hiç etkileşmeyen (saniyede elinizden 100 trilyon tanesi geçer) parçacıklardır ve uzayda hızlandıkça farklı “aromalar” veya türler arasında hızlıca salınım yapabilirler. Yolculuklarına bir aromayla başlarlar ve hedefe bir başkasıyla varırlar.

Fakat bu değişim basit değildir. Araştırma yolculuk boyunca, nötrinoların belirli bir “aromalarının” olmadığını gösteriyor. Bir tür kimlik bunalımı durumunda bulunuyorlar, aynı anda pek çok aromada aynı anda birden bulunuyorlar.

3. Hong-Ou-Mandel Etkisi

Kuantum optik ışık ve onun maddeyle çok küçük ölçeklerde etkileşimini içeren bir araştırma alanıdır.

Hong-Ou-Mandel etkisi; iki fotonun bir ışın ayırıcısında (bir prizma gibi bir ışını ikiye ayıran optik bir cihaz) etkileşime girdiği tuhaf yolları tanımlar. Bir foton, 50:50’lik bir ışın ayırıcısına girdiğinde ya yansır ya da içinden geçebilir, her birinin olasılığı yüzde 50’dir.

Görselde gösterildiği gibi eğer iki özdeş foton bir ışın ayırıcısına girerse, dört farklı olasılık ortaya çıkar:

1. Üstteki foton yansır ve alttaki foton geçer.
2. Her ikisi de geçer.
3. Her ikisi de yansır.
4. Üstteki foton geçer ve alttaki foton yansır.

İşler tam da burada tuhaflaşıyor... Fotonlar özdeş olduğu için, 2. olasılığı 3. olasılıktan ayırt edemeyiz ve bu özdeş fotonlar birbirlerini sönümlerler. Sonuç olarak, sadece 1. ve 4. olasılıkları görürsünüz. Her iki foton da ışın ayırıcının aynı tarafında ortaya çıkar.

4. Vakum Çift Kırılması

Bazen kendimizi çok küçük hissetmek için evrene büyük bir ölçekte bakmak zorunda kalırız.

İnanılmaz derecede yoğun ve güçlü bir biçimde manyetize olmuş bir nötron yıldızını inceleyen astronomlar, vakum çift kırılması denen bir kuantum etkisine dair ilk kanıtı buldular. Bu etki ilk olarak, kuantum teorisinin boş uzayın (vakumun) aslında boş olmadığını öngördüğü 1930’lu yıllarda hipotez haline getirildi. Uzay boş olmak yerine bir anda var olup, bir anda yok olan sanal parçacıklarla boğazına kadar doludur.

Normalde ışığın vakumdan değişmeden geçip gitmesini bekleriz. Fakat görünüşe bakılırsa güçlü manyetik alanlar, tıpkı bu nötron yıldızında olduğu gibi, vakum içerisindeki bu sanal parçacıkların özelliklerini değiştirebiliyor ve geçen ışığın polarizasyonunu etkileyebiliyor. Işık, Dünya’daki teleskopa ulaştığında, biz bu kuantum etkisinin sonucunu makroskopik seviyede gözlemleriz.

5. Sıcaklığın Kuantum Olması

Fırınınızı ısıttığınızı ve pişmesi için içine pasta koyduğunuzu düşünün. Ardından kekin bazı kısımlarının pişmediğini fark ederiz; çünkü fırının bazı kısımları hâlâ oda sıcaklığındadır.

Isının sıcak yerlerden bitişiğindeki soğuk yerlere düzgünce aktığı fikrine aşinayızdır; böylece bir oda veya nesne eşit derecede ısıtılabilir. Fakat kuantum fiziğinde durum her zaman böyle değildir. Araştırmalar, sıcaklığın grafen (karbon atomlarının tek katmanlı yapraklarından yapılan sıradışı bir malzeme) içerisinde tuhaf şekillerde davrandığını ortaya koydu. Isıyı taşıyan elektronlar dalgalar şeklinde ilerler ve bu dalgacıklar, grafen içindeki bazı kısımların sıcak bazı kısımların soğuk kaldığı anlamına gelir.

Heyecan verici bir şekilde, bu dalgacıkların boyutu kontrol edilebilir. Böylece bilim insanlarının sıcaklığa kuantum seviyesinde bakış atmalarına olanak sağlayan termal mikroskoplarla gözlemlenebilirler. Eğer bu etkiden faydalanmak istersek; bilgi işlem, tıp ve çevresel görüntülemede uygulama şansı bulabiliriz.