Kuantum dünyasının gizli dansı

Hamburg’daki European XFEL laboratuvarında yapılan deneylerde, 11 atomdan oluşan 2-iyodopiridin adlı molekül incelendi. Normalde evrendeki en düşük sıcaklık olan mutlak sıfırda (–273 °C) atomların tamamen durması beklenirken, elde edilen sonuçlar bu molekülün aşırı koşullarda bile titreşmeye devam ettiğini ortaya koydu.

Bilim insanları bu hareketlerin, kuantum fiziğinin temel kurallarından Heisenberg belirsizlik ilkesinden kaynaklandığını belirtiyor. Bu ilkeye göre, bir atomun aynı anda hem konumunu hem de hızını kesin olarak bilmek mümkün değil. Belirsizlik, atomların asla tam hareketsiz kalamamasına yol açıyor. Bu zorunlu titreşimler, bilim dünyasında “sıfır noktası dalgalanmaları” olarak adlandırılıyor.

Şimdiye kadar yalnızca küçük ve basit moleküllerde gözlemlenebilen bu titreşimler, ilk kez daha karmaşık bir molekülde kaydedildi. Araştırmacılar, 2-iyodopiridin molekülündeki bütün atomların aynı anda ve uyum içinde titreştiğini doğrudan görmeyi başardı.

Kuantum kurallarına göre neden durmazlar?

Heisenberg belirsizlik ilkesi, 1927’de Alman fizikçi Werner Heisenberg tarafından ortaya kondu ve kuantum fiziğinin en temel kurallarından biri olarak kabul ediliyor. Bu ilkeye göre bir atom ya da elektron gibi çok küçük parçacıkların hem konumunu (nerede olduğunu) hem de momentumunu (hızını ve yönünü) aynı anda sınırsız doğrulukla bilmek mümkün değil.

Bunun nedeni ölçümün kendisinde yatıyor. Bir parçacığın yerini anlamak için ona ışık göndermek gerekiyor ancak bu ışık parçacığa çarpınca onun hızını veya yönünü değiştiriyor. Yani konumunu öğrenmek isterken hızı, hızını öğrenmek isterken de konumu bozuluyor. Bu durum, doğanın en küçük ölçeklerde koyduğu bir sınır olarak ifade ediliyor.

Bu sınırın sonucu olarak atomlar, mutlak sıfır dediğimiz evrendeki en soğuk sıcaklıkta bile tamamen hareketsiz kalamıyor. Çok küçük de olsa sürekli bir belirsizlik ve titreme var. Bilim insanları bu kaçınılmaz titreşimlere “sıfır noktası dalgalanmaları” adını veriyor. Yapılan son çalışma ise bu titreşimlerin ilk kez doğrudan gözlemlendiğini ortaya koydu.

Şimdiye kadar bu titreşimler sadece çok küçük ve basit moleküllerde görülebilmişti. Mesela üç atomdan oluşan küçük bir molekülde, bir bağın uzunluğu ya da açısındaki bu hareketler fark edilebilmişti ama daha büyük ve karmaşık moleküllerde, bütün atomların aynı anda nasıl birlikte titrediği hiç kaydedilememişti. Yapılan yeni deney ise bu engeli aştı ve daha karmaşık bir molekülün bütün atomlarının topluca nasıl titreştiğini doğrudan ortaya çıkardı.

Hareketi ortaya çıkaran teknik

Araştırmacılar, moleküllerin görünmez titreşimlerini açığa çıkarmak için Coulomb patlama görüntüleme adı verilen güçlü bir yöntem kullandı. İsmini Fransız fizikçi Charles-Augustin de Coulomb’dan alan bu yöntem, onun 18. yüzyılda tanımladığı elektriksel itme yasasına dayanıyor. Coulomb yasasına göre, aynı elektrik yüküne sahip parçacıklar birbirini iter, zıt yükler ise çeker.

Deneylerde, 2-iyodopiridin molekülü çok güçlü bir X-ışını lazeri ile vuruldu. Bu lazer, moleküldeki elektronları koparıyor ve geride kalan atom çekirdeklerini artı yüklü hale getiriyor. Elektronlarını kaybeden bu çekirdekler, Coulomb yasasının öngördüğü şekilde birbirini güçlü biçimde iterek dışarı fırlıyor. Mikroskobik ölçekte adeta bir “mini patlama”yaşanıyor ve molekül anında parçalara ayrılıyor.

Bilim insanları, bu patlama sırasında saçılan atomların hızını ve yönünü tek tek ölçüyor. Ardından bu verileri kullanarak, molekülün patlamadan hemen önce nasıl bir yapıya sahip olduğunu geriye doğru hesaplıyorlar. Böylece molekülün içindeki kuantum titreşimleri doğrudan gözlemlemek mümkün hale geliyor.

Bilim insanlarının incelediği 2-iyodopiridin molekülü, klasik bakış açısıyla düzlemsel bir yapıya sahip görülüyor. Yani atomların tamamı, sanki aynı kağıt üzerine çizilmiş gibi tek bir düzlemde konumlanmış kabul ediliyor. Klasik fiziğin kuralları geçerli olsaydı, molekül parçalandığında da atomların bu düzlemden ayrılmadan kalması gerekirdi.

Ancak Hamburg’daki deneyler bambaşka bir tabloyu ortaya çıkardı. Molekül parçalandığında bazı atomlar düzlemin dışına çıktı ve bu kaymalar rastgele gerçekleşmedi. Atomlar, birbirinden kopuk hareket etmek yerine, adeta özenle hazırlanmış bir dans koreografisi gibi uyumlu titreşimler sergiledi. Bu gözlem, kuantum fiziğinin en temel öngörülerinden birini bir kez daha doğruluyor.

Ölçüm nasıl yapıldı?

Deneylerde veriler, COLTRIMS adlı özel bir dedektörle toplandı. Bir “kuantum kamerası” gibi çalışan bu cihaz, molekül parçalandığında ortaya çıkan atom parçacıklarının üç boyutlu hızlarını ve yönlerini eş zamanlı olarak kaydedebiliyor.

Her lazer darbesinde tüm parçacıklar yakalanamasa da, araştırmacılar geliştirdikleri yeni istatistiksel yöntemle eksik verileri tamamladı. Böylece molekülün kuantum titreşimleri adeta bir parmak izi kadar net biçimde ortaya çıkarıldı.

Bu buluş sadece temel kuantum kurallarını kanıtlamakla kalmıyor, aynı zamanda bilim için yeni imkanlar açıyor. Kullanılan teknik, daha önceki yöntemler gibi milyonlarca molekülün ortalamasını almak yerine tek tek moleküllerin incelenmesine olanak tanıyor. Bu durum, gelecekte çok daha büyük moleküllerin ve biyolojik yapıların incelenebilmesi anlamına geliyor.

Ayrıca yöntem, saniyenin katrilyonda biri kadar kısa zaman aralıklarında moleküler filmler çekilmesini mümkün kılıyor. Bu filmler sayesinde kimyasal reaksiyonların nasıl başladığı, ilaçların hücrelerle nasıl etkileştiği ya da biyolojik süreçlerin ilk adımları doğrudan gözlemlenebileceği ifade ediliyor.

Kaynak: Science