Bir Nesnenin Aynı Anda İki Farklı Sıcaklık Değeri Olabilir Mi? Kuantum Belirsizliğine Göre Bu Mümkün…

Kuantum mekaniği kavramı 100 yıldan fazladır hayatlarımızda bulunmakta ve günümüzde de başlangıçtakinin aksine sezgisellikten adım adım uzaklaşıp kemikleşmektedir. Onun hayatımıza getirdiği zorluklar ve gizemler bir bir çözüme kavuşturulmaktadır ve hatta günümüzde bilim insanları bir kuantum sisteminin sıcaklığını ölçmeyi başarmışlardır.

Sıcaklık… Bizlere oldukça tanıdık gelmesine rağmen basit tanımından öteye gidildikçe bir o kadar karmaşıklaşan kavram… Bir ideal gaz için düşünüldüğünde o gaz partiküllerinin kinetik enerjileriyle orantılıdır. En genel olarak ise, bir sistemin iç enerjisine doğrudan doğruya bağlı bir niceliktir. Makroskopik boyutlarda sıcaklık ölçümü iki objenin ısı alışverişi yardımıyla, termometreler ile gerçekleştirilmektedir.

Bu tarz ölçümler kuantum dünyasında uygulanabilirlikten çıkmaktadır. En temel nedeni ise Heisenberg Belirsizlik İlkesi’nin öngördüğü üzere bir sistemin enerjisi asla rastgele bir kesinlikle bilinemez. Bu bağlamda yapılabilecek iki seçenek vardır; ya hedeflenen obje, enerjisinin doğrudan ayarlanabilmesi için tamamen izole edilmelidir ya da sistemi “durum”unu etkileyerek termometre kullanılmalıdır. Dolayısıyla rahatlıkla belirtilebilir ki bir kuantum sisteminin ölçümü işleri olduğundan daha komplike bir hale getirebilir.

Yakın zamanda Nature Communications dergisinde yayınlanan bir çalışma enerji-sıcaklık belirsizlik ilişkisini genelleştirmesi bakımından dikkatleri üzerine çekti (çalışmanın genel argümanlarının hem kuantum hem de klasik sistemlere uygulanabilir olduğu söylenmekte). Bir kuantum sisteminde sıcaklık, kesin bir belirsizliğe sahiptir ve bu belirsizlik değeri daha fazla küçültülemezdir. Bir diğer sorun ise enerji eigen state lerinin süperpozisyonu (doğrusallığı) ile alakalıdır. Bu süperpozisyon prensibi özellikle Nobel ödüllü fizikçi Erwin Schrödinger etkisiyle popülerite kazanmıştır. Kendi ortaya attığı düşünce deneyinde, kutu içerisindeki kedi bir tutam zehirle birlikte kutuya hapsolmuştur ve bu zehir bir kuantum işlemi sonucunda aktive olmaktadır. Fakat deneyimleyen bilim adamı kutunun içini göremeyeceğinden kedi ne ölüdür ne de yaşıyordur ama ikisi birdendir. Termometre durumu için de bu geçerlidir ve sistem farklı temperature eigen state lerinde, aynı anda bulunmaktadır ve bu state lerin süperpozisyonu onun klasik sıcaklığını vermektedir.

“Kuantum durumunda, bir kuantum termometresi… farklı enerji eigen state lerinin süperpozisyonu durumu içinde bulunur.” şeklinde ifade etmiştir Exeter Üniversitesi’nde bulunan yazar (ilgili makalenin) Harry Miller. Aynı zamanda, Live Science’a da “Aslında bu çalışmada bizler, termometrenin artık iyi tanımlanmış enerji durumunda kalamaması (belirsizlik ilkesi uyarınca) temelinden yola çıktık ve bulunduğu eigen state in farklı state lerin bir lineer kombinasyonundan oluşmakta olduğunu da baz aldık. Bu süperpozisyon durumu enerjideki belirsizlik aynı zamanda sıcaklıktaki belirsizliğe de neden olmaktaydı. Bu bizim istediğimiz bir olguydu çünkü sıcaklığı ölçebiliyorduk.” şeklinde bir demeç vermiştir.

Çalışma sonucunda ortaya konan bulgular oldukça önem arz etmekte çünkü belki de ileride nano boyutta tasarlanmış optimal termometreleri hayatımıza sokacaklar. Bu bulgular belki yakın tarihte bizlerin günlük hayatına yansımayacaklar, fakat, ileride yaşayış biçimimizi değiştirecek teknolojilere olanak sağlayacaklarını öngörmek hiç de zor değil.