Ramazan Karakale Kimdir ?

Ege Üniversitesi Fen Fakültesi – İzmir Yüksek Öğretmen Okulu – KimyaFizik Bölümü mezunuyum.

Şu anda da kimya öğretmenliği ve yazarlıyapıyorum.  Bu mesleği isteyerek ve severek yapıyorum.

Hani denir ya bir kez daha dünyaya gelirsem -eğer seçme olanağım varsayine kimya öğretimini seçeceğim.

Daha Fazlası

 

 

facebook

Adınız
E-mail adresiniz
Konu
Mesaj
Güvenlik Kodu
Buradasınız: Anasayfa Makaleler Kauntum Teorisi

Kauntum Teorisi

 

alt

 

1.      Tarihsel Adımlar

2.      Hazineye Giden Yollar: Klasik Fiziğin Çözemedikleri

3.      Kuantum Devrimi

3.1  Gönülsüz Devrimcinin Dahi Vuruşu

3.2  Fotoelektrik Olay ve Einstein

3.3  Kuantumlu Atom Modeli: Bohr Atom Kuramı

3.4  İki Denklem Buluşunca

4.      Sahibinin Yanlış Yorumladığı Denklem

5.      Devrimin Tepesine Dikilen Tüy: Belirsizlik İlkesi

6.      Kuantum Üzerine Tartışmalar

Fıkra (1)

Bir gün Albert Einstein ile Niels Bohr, kırda kuantum kuramını tartışarak geziyorlarmış. Zaten neredeyse otuz yıl tartıştılar. Tartışmanın hararetli bir anında karşılarına iri kıyım bir ayı çıkmış. Bohr, hemen sırt çantasından pahalı spor ayakkabılarını çıkarıp bağcıklarını hızla açmaya başlamış. Onu izleyen Einstein, "Yahu Niels ne yapıyorsun, ayıdan daha hızlı koşacağınısanıyorsun?" diye sormuşBunun üzerine elindeki işi daha hızlı yapmaya başlayan Bohr , "Hayır Albert hayır, ayıdan daha hızlı koşacağımı düşünmüyorum. Sadece senden daha hızlı koşmayı düşünüyorum" demiş! Bohr, daha hızlı koştuğu için, Einstein da Amerika’ya gitmek zorunda kaldığı için ayıya yem olmaktan kurtulmuşlar...

Fıkra (2)

Nasrettin Hoca  zekat verme zamanı gelince gitmiş Konya- Akşehir’in en zengin adamına zekatını vermiş. Bunu yaparken hiç de iki yüzlü davranmaya gerek görmemiş; ama  haber şehirde  hızla  yayılmış. Zekat dinsel bir yardım olduğu için konuyu hemen dinsel bir sapma olarak görenler de Hoca aleyhinde konuşmaya başlamış. “Böyle de yapılır mı? Hiç zekat, şehrin en zenginine verilir mi? Tövbe, tövbe!”  diyenler çıkmış. Ama o zaman insanlar, bugünkü kadar şiddet düşkünü olmadıkları için Hoca, gitmiş bunların karşısına çıkmış. “Tamam” demiş “siz benim zekatı gidip Akşehir’in en zenginine verdim diye eleştiriyorsunuz değil mi?” diye sormuş. Kalabalıktan gür bir “evet” sesi yükselmiş. “Şimdi size bir soru soracağım” demiş Nasrettin Hoca, “ benim zekat verdiğim adam, her yıl zenginliğine daha çok zenginlik katıyor mu?” Kalabalıktan “Katıyor!” sesleri arasına “bunun konuyla ilgisi ne? “ diyenlerin sesleri karışıyormuş. “Bre ahali” demiş Hoca, “koca Tanrı gidip zekatını hep ona veriyor kızmıyorsunuz da, bu garip adam zekat verince dedikodu yapıyorsunuz. Gidin işinize!” demiş.

Efendim, fıkraların konuyla ilgisi yok! Sadece konuya sıkıntılı girmeyesiniz diye konmuştur.

* * *

Kuantum  teorisi (kuramı), 20. yüzyılın büyük kuramlarından biridir. Kuantum ne demektirKuantum kuramı, nedensellik kavramını, yani determinizmi nasıl etkilemiştir? Elektron nedir, bir parçacık mı, bir dalga mıdır? Yoksa her ikisi midirIşık nedirBir parçacık (foton) sağanağı mıdır, elektromanyetik bir dalga yayılması mıdır? Kuantum kuramının bugün de kullandığımız dalga denklemini bulan Erwing Schrödinger, nasıl olup da kendi denkleminin yorumunu kabullenemedi? Schrödinger’in Kedisi adıyla bilinen ünlü düşünce deneyini hangi amaçlarla ortaya attı? Heisenberg Belirsizlik İlkesi nedir? Bu ilke, araçlarımızın yetersizliğinden kaynaklanan geçici bir belirsizlik midir? Kuantum dünyasında ölçüm, ölçüleni nasıl etkiler? Einstein, kuantum kuramının kurucuları arasında bulunduğu halde, sonradan neden ve nasıl bu kurama karşı çıkmaya başladı? Einstein, 1930 Solvay konferansına nasıl bir düşünce deneyi ile geldi? Ona "Einstein, senin adına utanıyorum. Çünkü yeni kuantum kuramına senin karşıtlarının görelilik kuramına karşı ortaya koydukları kanıtlarla karşı çıkıyorsundiyen dostu kimdi? Einstein – Podolsky–Rosen (EPRMakalesi, kuantum kuramının eksik olduğunu göstermiş midirEPR "Paradoksu .  David Bohm, EPR Makalesine nasıl bir deney önerisi eklemiştir? Bell Teoremi / Eşitsizliği, neyi kanıtlamıştır? Kuantum teorisi, ne gibi bir teknoloji yaratmıştır?

Sizleri, bir kısmını buraya sıraladığım soruların yanıtı için kuantum dünyasında bir gezintiye çağırıyorum.  Bu atomaltı dünya (mikrodünya), makrokosmos kadar çeşitli, ilginç, renkli, neşeli, kafa karıştırıcı ve heyecan verici. Kuantum kuramının gelişiminin arkaplanı atomun yapısının aydınlatılmasıyla örülüdür. Ancak atom konusunu Atom Kuramları başlıklı bölümümüzden izleyebilirsiziniz.

Elementlerin kuantumu, atomlar; elektriğin kuantumu, elektronlar; ışığın kuantumu fotonlardır. Küçük moleküller, atomlar ve atomaltı parçacıkların tümüne kuantum parçacıkları diyoruz. Çünkü bunların hepsi, kuantum mekaniksel davranış denen acayip davranışları gösteriyor. Hem parçacık, hem dalga gibi davranmak, içsel bir açısal momentum (spin) özelliği taşımak, çift yarıktan aynı anda geçmek gibi.

Işık, Newton’dan sonra uzun zaman bir dalga olarak yorumlandı, sonra kuantum kuramı onun parçacık özelliğinde olmasıyla doğdu. Elektron, bir parçacık olarak keşfedildi; ama sonra onun da tıpkı bir dalga gibi kırınım ve girişim gösterdiği ortaya çıktı. Bir şey, hem parçacık, hem dalga nasıl olur? Olur. Kuantum kuramı aynı anda olmamak üzere parçacıkların bazen dalga, dalgaların da bazen parçacık gibi davrandığını göstermiştir. Buradaki öykümüz de bunun üzerinedir.

1. Tarihsel Adımlar

Yirminci yüzyıl, kuantum kuramıyla açıldı. İlk fikirleri, 1900 yılında Max Planck (1858-1947, Fizik Nobel 1918) ortaya attı. Planck, kara cisim ışımasını açıklamak için ışığın kuantumlu olabileceğini ileri sürdü. O zamana dek, ışığın şiddetiyle enerjisinin doğru orantılı olduğu sanılıyordu. Koyu kırmızı ışığın, açık kırmızı ışıktan daha yüksek enerjili olduğu düşünülüyordu. Planck, ışığın enerjinin frekansına bağlı olduğunu, her rengin bir frekansı bulunduğunu fark etti. Bu enerjilerin her renk için “hn” nin tam sayılı katları 2hn, 3hngibi alınıp verildiğini keşfetti. Kısa süre sonra 1905'te Albert Einstein (1879-1955, Fizik Nobel 1921) “enerji paketçikleri” kavramına dayanarak fotoelektrik olayı açıkladı. Işık, dalga özelliği yanında foton denen kuantum (enerji paketleri) özelliği de gösteriyordu. 1913’te Niels Bohr (1885-1962, Fizik Nobel 1922) kuantum kuramını hidrojen atomuna ve bir elektronlu iyonlara uyguladı. Fakat bu üç büyük öncünün, yani Planck, Einstein ve Bohr’un çabaları, bir bakıma klasik fizikten kuantum fiziğine geçişte bir ilk aşamayı temsil etti. Kuantum teorisinin büyük atılımını yapmak Louis de Broglie, Werner Heisenberg, Erwin Schrödinger, Wolfgang Pauli, Max Born, Paul Dirac gibi bilimcilerin yer aldığı yeni kuşağa düştü.

İşte Kuantum Teorisinin  öncü yildızlarından bir demet!

alt

Elbette devrim, yolunda yürürken Planck, Einstein ve Bohr da yürüyordu; ama aşağıda göreceğimiz gibi Einstein ve Bohr, farklı iki kola öncülük ediyorlardı.

1895 Becquerelradyoaktifliğin keşfi

1897 Thomson,  elektronun keşfi

1900 Max Planck, kara cisim ışıması sorununa çözüm, E = hf

1905 Einstein’ın beş makalesi özel görelilik (E= mc2) ve fotoelektrik olayın ışığın parçacık kavramıyla açıklanması

1909 Rutherford’un atom çekirdeğini keşfetmesi

1910 Millikan’ın elektron yükünü ölçmesi

1913 Bohr’un kuantum kuramını hidrojen atomuna uyarlaması

1924 Louis de Broglie ‘nin parçacıkların dalga özelliği göstereceği yolundaki önerisi

1926 Erwin Schrödinger, kuantum mekaniğinin temel dalga denklemini bulması

1927 Werner Heisenberg’in belirsizlik ilkesini keşfetmesi

1927 Amerikalı bilimciler C. Davisson ve L. Germer ve onlardan bağımsız olarak İngiltere’den George Thomson, elektronların tıpkı bir ışık gibi kristallerde kırınım gösterdiğini buldular.

1928 Paul Dirac, özel görelilikle kuantum teorilerini birleştirdi; denklem, antimaddenin öngörüsünü de içeriyordu.

1932’de ilk antimadde olan pozitron (elektronun antimaddesi) gözlendi.

İşte asıl tartışmalar bundan sonra başladı. Tartışmanın ekseninde iki olgu vardı. Birincisi, Schrödinger denklemiyle bulunan şey neydi? İkincisi Heisenberg belirsizlik ilkesinin getirdiği sınırlar, doğanın sınırları mıydı, yoksa onları bir gün altedebilir miydik?

Kuantum kuramıyla ilgili olarak fizikçiler arasındaki görüş ayrılıkları, 1927 Solvay Konferansı’nda dışa vurdu. Tartışmalarda farklı görüşlerin başını iki dev çekiyordu: N. Bohr ile A. Enstein1930'da yine büyük bir tartışma yaşandı.  Einstein, kutudaki saat deneyi adıyla bilinen bir deneyle Bohr’un karşısına çıka geldi. Bohr, uykusuz bir geceden sonra problemi çözdü. Einstein, hem de kendi yarattığı genel görellik kuramıyla vurulmuştu! Devam etti, 1935’te yanına iki arkadaşını da alarak ünlü EPR "Paradoksu" adıyla bilinen büyük bir salvo daha yaptı. Sonra yavaş yavaş arka sıralarda oturmaya başlamıştı

 

2. Hazineye Giden Yollar: Klasik Fiziğin Çözemedikleri

Kuantum kuramının doğuşunu kavrayabilmek için biraz gerilere gitmemiz gerekiyor. 19. yy sonlarına. Üç önemli problem, klasik görüşlerle açıklanamıyordu:

1. Kara cisim ışımasının enerji dağılımı (morötesi felaket!)

2. Fotoelektrik olay (mor ve ötesi ışığın metallerden elektron koparması)

3. Atomların kararlılığı (elektronlar neden çekirdek üzerine düşmüyor?)

Aslında klasik fiziğin çözemediği daha başka sorunlar da vardır: elementlerin karakteristik spektrum çizgileri, kimyasal bağlar, bir çekirdekten alfa ışınının yayılması, çift yarık deneyinin açıklanması gibi. Fakat yukarıdaki üç olgu hakkındaki çalışmalar, sorunun özünün anlaşılmasını sağlamıştır.

 

(a) Kara Cisim Işıması

Cisimler, termik ışıma  denen bir ışıma yayar. Cisim ne kadar sıcaksa o kadar fazla enerji yayar. Bu ışımanın özellikleri, cismin sıcaklığına bağlıdır. Aslında soğuk ortamdan yayılan radyasyon daha az bilinir; ama Kuzey Kutbundaki buzul tepeleri bile radyasyon yayar. Tüm nesneler aynı zamanda çevrelerinden enerji soğurur.

Düşük sıcaklıklarda termik ışımanın dalga boyları, esas olarak kızılötesi bölgededir ve bu nedenle gözle görülmez.  Cismin sıcaklığı yükseltilince cisim, kızarmaya başlar. Yüksek sıcaklıktaki bir ortamda ısıtma aracı daha yoğun radyasyon yayar. Sıcaklık daha da yükseltilirse, bir ampulün içindeki tungsten telin parlaması gibi, cisim beyazlaşır, akkor haline gelir. Termik ışımanın ayrıntılı bir incelemesi, tayfın (spektrumun), kızıl ötesi, görünür bölge ve morötesi dalga boylarının sürekli bir dağılımından oluştuğunu gösterir. Kırmızı ışığın fotonlarının frekansı, mor ışığınkilerin yaklaşık yarısı kadardır. Bilindiği gibi ışığın frekansı arttıkça fotonun enerjisi de artar; ama  bugün bildiğimiz bu bilgi, o zaman açık değildi ve  ışık şiddeti arttıkça ışığın enerjisinin arttığı sanılıyordu. 19. yy sonlarına doğru, termik ışımayı açıklamakta sorunlar görüldü. Temel sorun da bir kara cisimden yayınlanan ısı (termik) ışımanın dalga boylarının gözlenen dağılımının açıklanmasıydı.

altTanım olarak kara cisim, üzerine düşen tüm ışımayı (radyasyonu) soğuran ideal bir sistemdir. Isıtıldığı zaman kendi radyasyonunu salan; ama kapalı radyasyonu yansıtmayan bir nesnedir. Bu da örneğin oyuk bir cismin içi ya da kovuğudur. Işıma, bu delikten dışarı çıkabilir. Böyle bir nesne soğukken kara (siyah) görünür, çünkü hiçbir ışığı yansıtmaz. Kara cisim ışımasının ilginç ve evrensel bir karakteri vardır. Bir kara cismin renk tayfı, fırının yapısına ya da içinde ne olduğuna bağlı olmaksızın yalnıca cismin sıcaklığına bağlıdır. Yani fırının içinde ne bulunursa bulunsun, ancak fırının sıcaklığıyla birlikte değişen tek düze bir renk salınır. 550ºC’de koyu kırmızı, 750ºC’de parlak kırmızı, 900ºC’de turuncu, 1000ºC’de sarı 1200ºC ve daha yüksek sıcaklıklarda beyaz görünür. Renk tayfının böyle bir kaymaya uğraması, ışığın zirve şiddetinin kızıl ötesinden kırmızıya, sarıya, maviye doğru hareket ettiği anlamına gelir. Zirve hareket ettikçe dalga boyları arasında ışığın dağılımı genişler. Zirve mavi olduğunda o kadar çok başka renkler de yayılır ki sıcak cisim gözlerimize beyaz görünür. Beyaz ışık, şu Newton’un prizmadan geçirince gök kuşağı kurdelası oluşturan beyaz ışık! Maxwell kuramı bütün bu olup bitenlere ne diyordu? Bir şey diyordu; ama ışık şiddetinin çeşitli renkler için yanlış bir eğri tahmin ediyordu. Klasik fiziğe göre, kovuğun duvarlarındaki atomlar, tüm dalga boylarında elektromanyetik dalgalar yayan bir titreşimler topluluğu olarak düşünülür. Eğer bu doğruysa, görünebilen ışığın tayfındaki her renkte, mikrodalgaların, radyodalgalarının, X-ışınlarının vs her frekansında eşit miktarda enerji yayılmalıdır. Frekans, dalganın bir saniye içinde, aşağı ve yukarı salınımının sayısı ya da kısaca saniyedeki dalga sayısıdır. Matematiksel olarak, sıcak bir cismin her frekansta eşit dalgalar yayması demek, sıcak cismin saniyede sıfır ve bir milyon dalgalık frekanslarda, saniyede bir milyon ile iki milyon arasındaki frekanslarda, iki milyon ile üç milyon arasındaki frekanslarda (bu böyle sonsuza kadar gider!) hep aynı miktarda ısı yayması demektir. altDiyelim ki, sıfır ve bir milyon arasındaki frekansta, bir milyon ile iki milyon arasındaki frekansta dalgalar saniyede bir birimlik enerji yayıyorlar. Bu durumda bütün frekanslarda yayılan enerjinin toplamı 1+1+1 ... olarak sonsuza kadar gidecektir. Bir saniyedeki dalgaların sayısı sınırsız olduğundan, enerjinin toplamı da sınırsız olacaktır!

Zaten o dönemde hemen herkes, her türlü enerjinin bir süreklilik içinde olduğu düşüncesini taşıyordu. Yani bir sisteme istenilen bir hız ve enerji verilebilirdi. Belli bir sıcaklıkta dalga boyu ile ışık şiddeti ilişkisi büyük dalga boylarında kuramsal ve deneysel öngörülere uyduğu halde, dalga boyu  kısaldıkça, ışık şiddetinin  sonsuza doğru gitmesi gibi bir sonuçla karşılaşılıyordu. Hesaplar, çok uzak morötesinde aşırı derecede ışınım salınımı olması gerektiğini gösteriyordu. Bu çelişkiye mor ötesi felaketadı verilmişti. Kuşkusuz olup biten bu değildi, şu oluyordu: Işınım şiddeti belirli tipik bir dalga boyunda daha büyük ve daha küçük değerlerde sıfıra doğru yaklaşıyordu.

Şekilde ısıtılmış bir cisimin yaydığı ışımanın spektrumu (tayfı) görülmektedir. Şekilden de görüldüğü gibi sıcaklık azaldıkça karacisim ışımasının tepesi daha düşük şiddete ve daha uzun dalga boyuna kayıyor. Grafikte kara cisim ışıması ile Rayleigh ve Jeans’ın klasik modeli (yeşil eğri) karşılaştırılıyor.(Grafik wikipedia/wiki’den alınmıştır.) Maxwell teorisi parçacıkların ışık hızına yakın hızlarda değerlendirmeye izin verir; ama yüklü parçacıkları noktalar, ışığı da klasik bir dalga olarak tasarlar; bu sebeple kuantum teorisini içinde barındırmaz.

Bir de klasik kurama göre tüm dalga boyları olanaklı olduğu için sonsuz bir toplam enerji yoğunluğu öngörülüyordu. Elbette, elektromanyetik alanda sonsuz bir enerji, fiziksel olarak olanaklı değildir.  İşte kara cisim ışıması ya da mor ötesi felaket denen bu ışık ve ısı enerjisi problemini Max Planck çözdü. Onun çözümünü aşağıda açıklayacağız; ama ondan önce yine ışığın başka bir sorununu spektrum sorunu da anmalıyız.

1 nanometre (nm) = metrenin milyarda biri= 10-9 m.

 

(b) Fotoelektrik Olay

Bu olayın kuantum kuramına nasıl kanıt sağladığını anlamak için 19. Yüzyıl sonundaki anlayışa bakmamız gerekiyor. Fotoelektrik olay, bir boşlukta hazırlanan saf bir metal yüzeyinin üzerine morötesi ışık düşürülmesiyle bir elektrik akımı yaratılması olayıdır. Philipp Lenard (1862-1947, Fizik Nobel 1905), 1890’ların sonlarında bu olayı incelemişti. (Lenard, daha sonraları keskin bir milliyetçi oldu ve Einstein’a karşı kudurmuşçasına yapılan anti-Semitik saldırının ve kampanyanın öncülüğünü yaptı). İncelemelerin ortaya koyduğu sonuç, metal yüzeyinden “elektronların” koptuğu ve bu elektronların enerjilerini metal yüzeyine düşen ışıktan aldığıydı. O sıralarda ağır basan optik teorisi, ışığın dalga teorisi idi. Yani ışık, bir suya atılan taşın yarattığı dairesel dalgalar gibi birbirini izleyen dalga katarı olarak kavranıyordu. Bu mantığa göre, ışık dalgalarının metal yüzeye çarpmasını okyanus dalgalarının kıyıdaki bir kaya yüzeyini dövmesine benzetebilirdik. Bu benzetmeyi sürdürürsek, aydınlatma daha şiddetli olduğunda, yani dagalar daha büyük toplam enerjiyle çaptığında her elektronun daha fazla enerjili olacağını düşünebilirz. Oysa Lenard, 1902 yılında farklı bir şey gözledi: Metal yüzeyden birim zamanda ayrılan toplam elektron sayısı ışığın şiddetiyle arttığı halde, elektronların bireysel enerjisi bundan bağımsız kalmaktaydı. Bu beklenmeyen bir durumdu. Çünkü örneğin soluk mavi bir ışık bile fotoelektrik olaya yol açarken koyu kırmızı bir ışık (ışık şiddeti yüksek ışık), hiçbir elektron sökemiyordu (bir akım oluşuramıyordu). İşte Einstein, 1905 yılındaki makalelerinden birinde, bu çelişkiyi ışığın kuantum teorisiyle (1900 yılında Max Planck’ın açıkladığı temel formülasıyna dayanarak) çözdü. Işığın “enerji kuantumları” yani “ışığın bölünmez parçacıkları”, elektronlara çarpıp onları yerinden söküyor ve ayrıca onlara kinetik enerji sağlıyordu. Gerisini aşağıda konuşacağız.

 

(c) Işığın Spektrumu

Gazların kinetik kuramı, klasik fiziğin çok önemli başarılarından biriydi. Bu kurama göre, hiç bir molekülü dışarı kaçırmayacak ideal bir gaz kabındaki N molekülün toplam enerjisi E olsun. Bu toplam enerji (E),enerjinin eşit dağılımı yasası diye bilinen temel bir istatistiksel teoreme göre ortalama olarak moleküllere eşit olarak dağılmıştır. Ortalama diyoruz, çünkü istatistiksel açıdan kesin veriler değil, ancak ortalama değerler elde edilebilir. Tek tek moleküllerin hızını ya da enerjisini ölçmek olanaksızdır; ama onların bu nicelikleri hakkında ortalama değerler bulabiliriz. Lord Rayleigh (1842-1919) ve Sir James Jeans(1877-1946) gazların kinetik kuramına başarıyla uygulanan istatistiksel modeli, iç duvarları kusursuz ayna olan kutuda hapsedilmiş "ışık" dalgalarına uygulamaya çalıştılar. Ama burada temel bir zorlukla karşılaştılar. Bir gaz kabındaki molekül sayısı çoktu; ama "sonlu" ydu, oysa ışığın hapsolduğu ideal bir ayna cidarlı kutuda farklı titreşim tiplerinin sayısı "sonsuz"du. İşi basitleştirmek için “Jean Küpü”nün yalnızca sağ ve sol iç duvarları arasında gidip gelen dalgaları düşünelim. Bunu üç boyutta düşündüğümüzde "sonsuzluk" sayısının daha da artacağı açıktır.   Titreşim modu (düğüm noktası) sayısı sonsuz, ama enerji sonlu. Yani titreşim modu başına düşen enerji = E/(enerjii bölü sonsuz) = tanımsız. Bu, kuşkusuz saçma bir sonuçtur. Yani açıkça, klasik kuram, artık cisimlerin doğasına ilişkin bilgilerimizle çelişmekteydi.  Atomik ölçekte, maddenin davranışını açıklamak için klasik fiziğin uygulama denemeleri tamamen başarısız oldu. Siyah cisim ışıması, fotoelektrik olay ve bir gaz deşarjında atomların yaydığı keskin çizgiler klasik fizik çerçevesinde anlaşılamadı.

alt

George Gamow'un (1904-1968) dediği gibi:" Bir kuram, cisimlerin doğası ile ilgili bilgilerimizle çeliştiği zaman, cisimlerin yapısı değil kuram yanlış olmalıdır". Doğaya yeni bir bakış açısıyla bakmak gerekiyordu. Bu devrim, 1900 ile 1930 arasında gerçekleşti. Kuantum Mekaniği denen  bu yeni yaklaşım atom, molekül ve çekirdeklerin davranışını başarıyla açıkladı.

 Elementlerin Parmak İzi : Atomların Tayf Çizgileri

Kuantum kuramının ilginç, gizemli, şaşırtıcı, sağ duyuya aykırı dünyasında yeterince donanımlı dolaşabilmek için atomlardan yayılan ışık hakkındaki bilgilerimizin gelişimine kısaca göz atmalıyız.

alt

Beyaz ışık, bir cam prizmadan geçirildiğinde, kırmızı ışık en az, mor ışık en çok kırılır. Görünür bölge spektrumunun diğer renkleri kırmızı ile mor arasında bulunur. Bir ışımanın, içerdiği farklı frekanslı (farklı dalga boylu) bileşenlerine ayrılmasınatayf (spektrum) denir. Belirli bir sıcaklıktaki tüm cisimler, dalga boylarının sürekli bir dağılımı ile karakterize edilen termik ışınım yayınlar. Dağılımın şekli cismin özelliklerine ve sıcaklığa bağlıdır. Kızgın katıların yaydığı ışınlar bir prizmadan geçirilirse, bütün frekansların yan yana bulunduğukesiksiz (sürekli) tayf elde edilir. Yani arada karanlık çizgiler olmaksızın tüm renkler birbirini izler. Elektrik ampulü ve mum ışığı kesiksiz tayf oluşturur. Bir gaz ya da buharın yaydığı ışık ise iki tür olabilir: Gaz molekülleri (iki ya da daha çok atomlu moleküller) şeritli (bantlı) tayf verir; gaz atomları ve bir atomlu iyonlar iseçizgili (hatlı) tayf verir. 19. Yüzyılda Fraunhofer ve Kirchhoff’un çalışmaları sayesinde spektral çizgileri biliyorduk. Daha 1859’da Alman fizikçi Gustav Kichhoff bir ilişki bulmuştu. Kirchhoff, bakır, karbon, sodyum gibi çeşitli elementleri aleve koyup ışıldayıncaya kadar ısıttı. Tüpler içindeki çeşitli gazlara enerji verdi ve bu ışıldayan gazlardan yayılan ışığın tayfını incelemek için daha gelişmiş görüntüleme aygıtları kullandı. Her elementin daha karanlık sürekli renkler ışıltısı üzerine binmiş bir dizi tipik keskin, parlak renkli çizgiler yaydığını keşfetti. Teleskopun içine gömülü dalga boylarına göre kalibre edilmiş bir skala vardı öyle ki her parlak çizginin yeri tam olarak saptanabiliyordu. Her element için çizgi aralıkları farklı olduğundan Kirchhoff ve çalışma arkadaşı Robert Bunsen elementlerin spektral çizgilerine göre parmak izlerini almayı başardılar. Bunsen, kendi adıyla anılan ocağı (beg) keşfetmişti.  Kirchhoff ve Bunsen bir kimyasal element içine karışmış başka bir elementin saflığı bozmasını ayırt edebildiler. Şimdi bilimin elinde ışıldayan her şeyi, Güneş’in ve öteki yıldızların bileşimini inceleyen bir alet vardı: spektrometre. Bilimciler daha önce saptanmamış spektral çizgiler bularak, yeni elementler keşfettiler. Bunlardan ilki 1870’te Güneş’te helyumun keşfidir. Helyumun yeryüzendeki keşfi bundan on yedi yıl sonra olacaktır. İlk parlak yıldızın ışığının çözümlendiği ve yıldızın, dünyadaki maddelerin aynısından yapılı olduğunun keşfindeki heyecanı düşünün. Güneş ve öteki yıldızlar, dünyadaki elementlerin aynısından yapılıdır. Ya da biz yıldızların maddesiyle aynı yapıdayız. Tüm bunları başlatan adam Fraunhofer’di. O Güneş’in spektrumunda bazı karanlık çizgiler bulmuştu. Neydi bu karanlık çizgilerin anlamı? Açıklama kısa sürede geldi. Güneş’in sıcak özü (beyaz, akkor) tüm dalga boylarında ışık yayıyordu. Ama bu ışık Güneş’in yüzeyindeki görece soğuk gazlar tarafından filtrelendiği için bu gazlar tam da yaymak istedikleri dalga boyundaki ışığı soğuruyorlardı. Böylece Fraunhofer’in karanlık çizgileri soğurulmayı temsil ediyordu. Kirchhoff’un parlak çizgileri ise ışık yayılmasının izleriydi.

Verilen bir çizgi spekturumunda dalga boyları, ışığı yayan elementin karakteristiğidir. Yani her element, tıpkı bir insandaki parmak izi gibi, kendine özgü bir tayf oluşturur. En basit çizgi spektrumu, atom halindeki hidrojende gözlenmiştir.  Aşağıdaki şekilde hidrojen atomunun çizgi spektrumu verilmektedir. Soldan sağa dalga boyu artıyor (nanometre, nm, bir metrenin milyarda biri,1 nm =10-9 m).

alt

İki element aynı çizgi tayfını vermedikleri için bu olay bize bir örnekteki elementleri tanımak için pratik ve duyarlı bir teknik sunar (spektral analiz). Helyum, talyum ve indiyum elementleri, bu yöntemle bulunmuştur. Şekilde hidrojen atomunun spektral serileri görülüyor.(This is a picture from the Wikimedia Commons)

Elektriksel alan, yüklü bir taneciğin çevresindeki alandır. Elektriksel alanın varlığı, yüklü bir nesne bu alana sokulurken oluşan karşı koyma kuvvetinin algılanması ile anlaşılır. Manyetik alan da bir mıknatısı çevreleyen bölgede bulunur. Faraday’ın bu iki alanla ilişkili bulgularından sonra, 1865 yılında James Clerk Maxwell (1831-1879), elektrik ve manyetik alanların, bir gerçeğin iki yüzü olduğunu gösterdi. Elektromanyetik ışımanın, elektrik ve manyetik alanların bir yayımı olduğu anlaşıldı.

  Bilim adamları, 1860'tan 1885'e kadar spektroskopik ölçümleri kullanarak önemli veriler topladılar.  İsviçreli bir öğretmen olanJohann Jacob Balmer(1825-1898), 1885'te hidrojenin dört görünür yayınlama çizgisinin (kırmızı, yeşil, mavi ve mor) dalga boylarını doğru olarak öngören bir formül türetti. Balmer' in keşfinden sonra hidrojenin diğer tayf çizgileri de bulundu. Bu tayflara bulucularının onuruna Amerikalı fizikçiTheodore Lyman(1874-1954), Alman fizikçi Friedrich  Paschen(1865-1947) ve Amerikan fizikçi Friederick Sumner Brackett(1896- 1972) serileri denir.

alt

Bu serilerden Balmer serisi, görünür bölgede; Lyman serisi, morötesi bölgede; Paschen, Pfund ve Brackett serileri, kızıl ötesi bölgededir.

Atomların yaydığı ve soğurduğu karakteristik tayf çizgilerinin anlamı klasik fiziğin açıklayamadığı bir olaydı. Her elementin belirli dalga boyunda tayf çizgileri yayınlamasını nasıl açıklamalıyız? Ayrıca  her elementin yalnızca yayınladığı dalga boylarını soğurmasını nasıl açıklayacaktık?

Bu soruların açıklamasını Danimarkalı Niels Bohr (1885-1962, Fizik Nobel 1922 ) yaptı. Bohr, Planck'ın kuantum kuramını, Einstein'in ışığın foton kuramını ve Rutherford'un atom modelini birleştirdi. Bohr, 1913'te, hidrojen atomunun tayf çizgilerini kuantum kuramına dayanarak açıkladı. Buna göre çekirdek çevresindeki elektron, her enerjiyi değil, ancak belirli enerjileri alabiliyordu. En düşük enerjili durumdaki atomatemel durumdaki atom, enerji verilmiş atomlara da uyarılmış atomdenir. Elektron yüksek enerjili durumdan daha düşük enerjili duruma sıçrayarak düşer, bu sırada ışık yayınlanır. Elektron yüksek n değerli bir düzeyden (başkuant sayısı yüksek bir enerji düzeyinden) n=1 düzeyine inerse mor ötesi ışık şeklinde enerji yayınlar; bu da Lymann serisi olarak adlandırılan bir spektral seri oluşturur.

Bohr modeli hidrojen atomunun yanı sıra bir elektronlu helyum (+1 yüklü helyum iyonu) ve lityum iyonu (+2 yüklü lityum iyonu) tayf çizgilerini başarıyla açıkladı. Bununla birlikte,kuram çok elektronlu atom ve iyonların karmaşık tayf çizgilerini açıklamakta yetersiz kaldı. Bohr'un düşüncelerinin ayrıntılarını atom modelleri bölümümüzde bulabilirsiniz.

 

3. Kuantum Devrimi

3.1 Görülsüz Devrimcinin Dahi Vuruşu

Max Planck, Berlin üniversitesinde çalışıyordu. O zamanlar Berlin Üniversitesi, Almanya'da fiziğin merkezi sayılırdı. Einstein, Planck, von Laue ve Nernst gibi ünlü isimler burada çalışmışlardır. Max Planck, fizikte uzun bir kariyeri olan ve ısı kuramı üzerinde uzman bir fizikçiydi. Kırklı yaşlarında profesörce bir adamdı. Bir keresinde hangi salonda konferans vereceğini unutunca bölüm ofisine uğrayıp “Lütfen bana profesör Planck’ın bugün hangi salonda ders vereceğini söyler misiniz?” diye sordu. Sert bir biçimde şu yanıtı aldı: “ Oraya gitme genç adam. Bizim derin bilgili Profesör Planck’ımızı anlamayacak kadar gençsin.”

Max Planck, bir devrim yapayım diye yola çıkmadı. Elektromanyetizma ve termodinamik teorileri birbiriyle karşılaştığında ortaya çıkan bir problemi çözmeye uğraşıyordu. Elektromanyetizma, elektrik ve manyetizma ile olduğu kadar onları birleştiren ışıkla da ilgilidir. Termodinamik ise sistemler arasındaki ısı enerjisinin alış veriş ve dönüşümüyle ilgilenir. 19. yüzyıl fiziğinin temel direklerinden olan bu iki teori, belirli bir sıcaklıktaki kara cisim ışımasını ya da boşluk ışımasını açıklayamıyordu. 1900 yılının Ekim ayında Planck bu konuya açıklamaya yarayacak şaşırtıcı bir formül buldu. Ancak formül, hiçbir kuramsal temele dayanmıyordu. Teorisini 1900 yılının Aralık ayında Berlindeki Prusya Akademisi’nde ışıma teorisini açıkladığında ve şimdi ünlü olan h sabitini tanıttığında fizikteki küçük bir boşluğu doldurduğunu düşünmüştü. Bunu izleyen yıllarda onun başlattığı devrim hızlandığında, o klasik fizikten ayaklarını kaldırmamayı yeğliyordu.

Planck, kuantum kuramıyla ilgili formülasyonunu açakladığında, kırk iki yaşındaydı. Çeyrek yüzyıl sonra, 1924-1928 döneminde, kuantum mekaniğinin tam teorisini geliştiren fizikçiler arasında Planck’ın devrimi başlattığı zamanda henüz doğmamış olanlar bile vardı. 1900’de Albert Einstein, 21 yaşındaydı; Max Born, Niels Bohr ve Erwin Schrödinger onlu yaşlardaydı, Satyendra Nath Bose altı yaşındaydı, Wolfgang Pauli ise bebekti. Werner Heisenberg ve Enrico Fermi 1901’de Paul Dirac ise 1902’de doğdu. Dirac ve Heisenberg Nobel Ödüllerini almak için Stockholme gittiklerinde yanlarında anneleri vardı! (Fotoğrafları var!)

Max Planck, o zaman"morötesi felaket" denen  bir zorluğa çözüm yolu olarak bir öneri getirdi. Planck, enerjinin eş dağılım yasasında öngörülen tek bir titreşim modunun alabileceği enerji miktarının belli bir değerden az olamayacağını kabul ederek çelişkinin önlenebileceğini fark etti. Işınımın belli büyüklükteki paketler halinde yayıldığını ileri sürdü. Planck, siyah cisim ışınımı için, tüm dalga boylarında deneyle tam bir uyuşma halinde olan bir formül buldu. Fizikçiler, önceleri Planck’ın  kuantum fikrini- doğanın  kesintili bir özelliği olduğu fikrini- klasik Newton fiziği içine yerleştirme çabası güttüler. Max Planck, kara cisim ışıması üzerine çalışmasında  fiziğe atomik süreçlerde kesintililik miktarının bir ölçüsü olan ‘h’ olarak simgelenen yeni bir sabit getirdi. Planck ona “eylem kuantumu” demişti; ama tarih, ona Planck sabiti adını verdi..

Planck, enerji dağılım eğrilerinin, sıcak cisimlerin deney emisyon eğrisine uydurulabilmesi için bu en küçük ışınım enerjisinin kabul edilmesi gerektiğini kanıtladı.

            E= hf (Planck sabiti çarpı ışığın frekansı)

Burada E, bir paketin (fotonun) enerjisinin,nışığın frekansını; h ise Doğa'nın yeni ve temel bir sabitini (Planck sabitini) gösteriyor. Kuantum sabiti de denen Planck sabiti’nin (h)  sayısal değeri pek küçüktür (santimetre-gram- saniye birimlerinde 10-27 cm.g.s veya Joule. saniye birimiyle 6.626x10-34). Bu sabitin her kuantum hesabında kullanıldığı ve çok ama çok küçük olduğu aklınızda kalsın. Buna göre titreşen ve ışık yayan moleküller belirli değerlerde enerjiler alabilir. Planck'ın kuramındaki ana unsur, kuantlaşmış enerji düzeyleri gibi köklü bir varsayımdır. Moleküller, foton denen ışık enerjisinin kesikli birimleri cinsinden enerji yayar ya da soğurur. 60 Watt' lık bir elektrik ampulü, saniyede on üzeri yirmi iki (1022) adet ışık fotonu yayar. Onlar bunu, bir kuantum düzeyinden diğerine sıçrayarak yapar. Ardışık iki kuantum düzeyi arasında enerji farkı bir fotonun enerjisine karşılıktır.

Enerjinin kuantlı  kavranışı, klasik fizikte hiçbir temele sahip değildi; ama yeni kuramın klasik kavramlardan köklü bir kopmayı gerektirdiği de  açık değildi. Belirttiğim gibi kuramsal fizikçiler, bu kavramı klasik fizikle uzlaştırmaya çalışıyorlardı. Bizzat Planck bile böyle bir kopmaya hazır değildi. Sonra şöyle demişti:

“ Hayatımın en yoğun çalışma döneminden bir kaç hafta  sonra karanlık bitti ve yeni ve hayal edilemeyecek yeni bir görüntü aydınlanmaya başladı.”

Planck'ın çalışmasının, matematiksel işlemlerden daha fazlasını içerdiğini vurgulamalıyız.  Gerçekten Planck, karacisim ışımasının dağılım eğrisini çıkarmak için altı yıldan fazla uğraştı.  Yayınlama problemi  ile ilgili çalışmaları için "mutlak bir şeyler gösterir ve tüm bilimsel çalışmalarımın en yüce amacı olarak daima mutlağı aramaya çalıştığım için büyük bir şevkle çalışmaya koyuldum" demiştir. Bu çalışma, formülün fiziksel bir açıklamasını araştırmak ve kuantum kavramını klasik kuram ile uzlaştırmak için yaşamının büyük bir kısmını aldı.  Bilim adamlarının önemli bir kesimi, tutucu devrimcilerdir. Deneysel kanıt ya da mantıksal ve kavramsal sorunlar onları yeni, bazen devrimci bir görüş açısına zorlayana kadar, denenip test edilmiş ilkelerden vazgeçmezler. Bu türlü tutuculuk, sorgulamanın kritik yapısının çekirdeğinde bulunur. Kuantum kuramının  öncülerinden Werner Heisenberg(1901-1976) “Modern kuram, doğrusunu söylemek gerekirse, gerçek bilimlere dışarıdan getirilen devrimci fikirlerden çıkmamıştır. Tersine, devrimci fikirler, klasik fiziğin programını tutarlı şekilde yürütmeye çalışan araştırmaya zorla girmişlerdir- onun doğasından çıkmışlardır.” demiştir.  Yani eski kuantum kuramı, kuantumu klasik fizikle uzlaştıracak bir programı temsil etmiştir. Planck’ın enerji paketçiklerinin ya da kuantumun önemini ilk olarak Einstein fark etti.

 

3.2 Fotoelekrik Olay ve Einstein

Kuantum kuramıyla ilgiliikinci adımı 1905'te Einstein attı. Einstein, fotoelektrik olayı, kuantum düşüncesini kullanarak açıkladı. Fotoelektrik olay, kısaca, ışığın metal yüzeyinden elektron koparmasıdır. Bu olayı, daha önce, 1888’de Heinrich Hertz (1857- 1894) keşfetmişti. Fotoelektrik olayın pek çok özelliği, klasik fizik ya da ışığın dalga modeli ile açıklanamaz. Örneğin klasik fiziğe göre ışık şiddetine bağlı olarak metalyüzeyinden her frekansta elektron sökülmesi gerekirken ancak belli bir eşik değerinin üzerinde elektron koparılabilir. Işığın frekansı, bir eşik frekansını   aşarsa fotoelektrik olay gözlenir. Deneysel sonuçlar şöyleydi:

·         Kırımızı ışık, ne kadar şiddetli olursa olsun metal yüzeyinden elektron sökemez.

·         Mor ışık, ne kadar zayıf şiddette olursa olsun metal yüzeyinden elektron söker.

·         Mor ışığın dalga boyu ne kadar kısa ise kopan elektronların enerjisi de o denli yüksek olur.

 

Öte yandan yayınlanan  elektronların (fotoelektronlar) sayısı, ışık şiddetiyle orantılıydı; ama elektronların maksimum kinetik enerjisi, ışığın şiddetinden bağımsızdı. Klasik bakış açısına göre elektriksel alan, ışık şiddetinin kare köküyle doğru orantılıdır ve elektronların koparılmasından ve ivmelendirilmesinden sorumlu olmalıdır. Elektronların maksimum kinetik enerjisi, ışığın frekansı arttıkça artıyordu. Elektronlar, yüzeyden, düşük ışık şiddetlerinde bile, hemen hemenanında (yüzeye ışık düştükten milyarda bir saniye sonra) yayınlanır.

altOysa klasik kurama göre elektronların metalden  çıkmak için gerekli kinetik enerjiyi kazanmadan önce, gelen ışınımı soğurmak için bir zamana gereksinim olduğu  düşünülüyordu.  Işığın foton kuramına göre ise gelen enerji, küçük paketler halinde görünür ve fotonlarla elektronlar arasında birebir etkileşme vardır. Bir foton, bir elektron koparır. Bu, ışığın geniş bir alana düzgün olarak dağılmış bir enerjiye sahip olduğu düşüncesiyle çelişir. Einstein, fotoelektrik konulu 1905 yılı yazısında Planck’ın önerisini ele almıştır. Planck, ışık kaynaklarının kuantlaşmış enerji değişimi yaptıklarını varsaymıştı. Planck, kuantum kavramını kullanmakta temkinliydi; ama Einstein kuantumların gerçekliği konusunda hiç tereddüte düşmedi. Einstein bir adım ileri giderek, ışığın kendisinin kuantlaşmış olduğunu- ışığın foton denen parçacıklardan oluştuğunu- varsaydı. Einstein, bir ışığın ya da herhangi bir elektromanyetik dalganın foton denen paketlerden oluştuğunu düşündü. Işığın enerji paketçiklerinden gelen enerjiyi metal elektronlarına aktarmasını şöyle anlatıyordu:

“ Bağlı ışığın hnbüyüklüğündeki [fotonlardan]oluştuğu anlayışı uyarınca ... ışığın elektronları fırlatmasını şöyle kavrayabiliriz. [Fotonlardan]cismin [metalin]yüzey katmanına sızar ve enerjileri en azından kısmen elektronların kinetik enerjisine dönüşür. Bunu gözümüzde canlandırmanın en basit yolu, bir [fotonun]bütün enerjisini tek elektrona verdiğini düşünmektir; olup bitenin bu olduğunu varsaymak durumundayız.”

alt

Bir anımsatma yapmak yerinde olacak. Foton fikri 1923’e kadar inandırıcı biçimde kanıtlanamamış bir kavramdır; o tarihte Amerikalı fizikçi Arthur Compton, bir fotonun bir elektronla iki blardo topunun çarpışması gibi çarpıştığını, yönünü, enerjisini ve momentumunu değiştirdiğini ve her bakımdan bir parçacık gibi davrandığını gösterdi. Günümüzün standart terimi olan “foton”, ancak 1926’da Gilbert Lewis tarafından ortaya kondu.

 Einstein'ın fotoelektrik olaya bakışı basitçe, bir fotonun tüm hf enerjisini metalin tek bir elektronuna verdiği şeklindedir. Einstein, o berrak anlatımıyla şöyle yazdı 1905’te:

Burada göz önünde tutulması gereken varsayım uyarınca, bir ışık ışınının enerjisi ... gittikçe artan bir uzay boyunca kesintisiz dağılmız, uzayda lokalleşmiş halde yer alan, bölünmeksizin hareket eden ve ancak tam birimler halinde üretilip emilebilen sonlu sayıda enerji kuantumundan oluşur.”

Buna göre kullanılan ışığa göre elektronun enerjisi  hf, 2hf, 3hf...şeklinde, yani Planck  enerji paketinin tam sayı katları şeklinde artıyordu. Einstein' ın 1905'teki yazısı, Planck'ın kuantumlanma kavramını elektromanyetik dalgalara genişletti; ışık kuantumlarını tek tek gözlemleyebileceğimizi gösterdi. Çünkü yayılan her parçacık (her elektron) metal atomuna çarpan bir ışık kuantumuna karşılık geliyordu. Bu devrimci fikir, o zaman yerleşik olan ışığın dalga kuramına karşı bir çıkıştı bu da, birçok fizikçinin onu reddetmesi için yeterli nedendi. Diğer fizikçiler, Einstein’in önerisini, yalnızca foton için pek doğrudan bir kanıt sayılamayacak olan fotoelektrik etkiyi açıkladığı için reddettiler. Fakat Einstein ışık konusunda dalga-parçacık ikiliği yapı kavramına sıkı sarıldı ve ışığın bu görünüşte çelişkili özelliklerini uzlaştırmaya çalıştı; ama başaramadı. Einstein, kuantum kuramının gerçekliğine inanmayı reddetti, belirsizlik ilkesini kabul etmedi, kuantum kuramının tamamlanmamış eksik bir kuram olduğunu savundu.

Planck ve Einstein’ın düşünceleri, doğal olguların yepyeni bir alanına ışık düşürdü. 19. yy’ ın sonuna kadar, maddenin çok sayıda şaşırtıcı yeni özelliği keşfedilmişti; bilim adamları, ilk kez 20. yüzyılda olarak atomik süreçlerle doğrudan ilişki kuruyorlardı.

 

3.3 Kuantumlu Atom: Bohr Atom Modeli

1909’da Rutherford, ünlü alfa parçacıklarının saçılması deneyiyle her atomda pozitif yüklü, çok yoğun, çok küçük bir çekirdek bulunduğunu kanıtlamıştı. Şimdi sorun, çekirdek çevresindeki elektronların çok güçlü bir elektriksel çekim altında olduğu halde nasıl olup da çekirdek üzerine düşmediğiydi. Rutherford Atom Modeli ve gerekse Bohr Atom Modeli sitemizde ayrıntılı olarak ele alındığı için burada ele alınmayacaktır. Aşağıdaki şekil Bohr’un hidrojen atomunun spektrumunu nasıl başırıyla açıkladığını özetliyor.

alt

Bohr’un tablosunda elektron kendini her biri belli yarıçapta olan yörüngelere hapsetmek zorundadır. En küçük yarıçap, temel durum ya da taban durumu denen en düşük enerjiye karşı gelir. Bu atom üzerine ışık düştüğünde uygun bir foton n=1 durumundaki bu elektronu, daha üst enerjiye düzeylerine n=2 ya da n=3 düzeyine çıkaracaktır. Örneğin bir deşarj tüpünde olup biten budur. Eğer bu yüksek enerjili (uyarılmış) haldeki atom kendi haline bırakılırsa, elektronlar bir merdiven basamağından iner gibi kendiliğinden teme duruma (n=1) düzeyine iner. Örneğin n=4 düzeyindeki elektron n=1 düzeyine kadar çeşitli ara aşamalara inebilir.Yani n=4’ten n=3 ya da n=2’ye, n=1’e inebilir. Her enerji değişimi kendine uyan dalga boyunda bir ışık yayımlar ve bunlar da spektral bir çizgi olarak gözlenir.

Bohr kuramı 1913 ile 1925 arasında bir destan oldu; ama çok elektronlu atomlarda görülen karmaşık tayf çizgileri Bohr modeliyle açıklanamaz oldu. Manyetik alan çizgileri ayrıştırıyordu vb. Bu konudaki çıkmazlara ilk hayati çözüm yolu önerisi Parisli genç bir aristokrattan geldi.

3.4 İki Denklem Buluşunca

Fransız Prens Louis-Victor de Broglie (1892-1987, Fizik Nobel 1929), Einstein’ın 1909’da ışık kuantumları üzerine yazdığı bir makaleden esinlenerek, bir simetri düşünmüştü. Eğer ışık dalgaları parçacık olabiliyorsa, parçacıklar (örneğin elektronlar) da dalga olmalıdır. Bunun için 1900’de Planck’ın ortaya koyduğu E=hf enerji denklemiyle 1905’te Einstein’ın ortaya koyduğu E=mc2 denklemlerini buluşturmayı akıl etti. Kuramın ana fikri, elektrona bir dalga boyu atama fikriydi. Anahtar düşünce Bohr’un fikirlerinde de vardı; parçacığın momentumu, Planck sabitinin (h) dalga boyuna bölünmesi ile elde ediliyordu. Böylece bir parçacığın momentumunu biliyorsuk dalga boyunu hesaplayabilirdik. Kısaca de Broglie’nin eşitliği bir dalga özelliği olan dalga boyu ile bir parçacık özelliği olan momentumu birbirine bağlamıştır. Bunlar klasik anlamda pek ilgisi olmayan iki kavramdır. Bunları yapıştıran tutkal ise Planck sabitidir. Yani bu bağlantı bir kuantum bağlantısıdır.

Evet “m” kütleli, “mv” momentumlu bir parçacığın, momentumuyla ters orantılı bir dalga boyu vardı.

alt

De Broglie’un çalışmasından önce dalga boyu ve momentum birbiriyle ilgisi olmayan iki kavram olarak görülüyordu( kuramsal fotonun verdiği ip uçlarına rağmen).

Çünkü dalga boyu, dalgalara özgü; momentum ise parçacıklara özgü kavramlardı ve bu ikisi de birbiriyle ilgisiz iki doğal olay gibi duruyordu. Sorbonne Üniversitesi’nin seçkin kadrosu, tezi pek kavrayamadı ve  reddedilmek üzereydi. Bereket doktora tezinin bir kopyası da Einstein’a gönderilmişti. Einstein, Louis de Brogile için “Büyük peçenin bir ucunu kaldırmış” diye iltifat etti. Bunun üzerine jüri teze onay verdi. De Broglie, daha sonra kendisini bu düşünceye yönelmesinde Arthur Compton’un çalışmasının da etkili olduğunu dile getirmiştir.

 

Compton Saçılması

Einstein, 1919'da, E enerjili bir fotonun tek bir yönde gittiği (bir küresel dalga gibi değil!) ve E/c ya dahf/c'ye eşit bir momentum taşıdığı sonucuna vardı. Onun sözleriyle "bir ışınım demeti, bir molekülün hfenerji paketi yayınlamasına ya da soğurmasına neden olursa, moleküle, soğurma için demetle aynı yönde, yayınlama için zıt yönde hf/ckadar bir momentum aktarılır." Işığın ya da fotonun momentumu? 

 

altArthur Holly Compton(1892-1962 Nobel Fizik1927) ve Peter Debye(1884-1966, Nobel Kimya 1936) 1923'te, birbirinden bağımsız olarak, Einstein'in foton momentumu düşüncesini daha ileri götürdüler. Onlar, x-ışını fotonlarının elektronlardan saçılmasının, fotonları hf enerjili ve hf/c momentumlu noktasal parçacıklar olarak varsaydılar ve foton -elektron çiftinin çarpışmasında enerjinin ve momentumun korunduğuna  dikkat ederek açıklanabileceğini gösterdiler. Compton ve çalışma arkadaşları,1922'den önce, x-ışınlarının elektronlardan saçılmasını açıklamak için klasik dalga kuramının yetersiz kaldığını gösteren kantlar topladılar. Klasik dalga kuramına göre, gelen elektromanyetik dalgalar elektronları ivmelendirmeli, onları titreşmeye zorlayarak daha düşük frekansta yeniden ışıma yaptırmalıdır. Dahası saçılan ışınım frekansı ya da dalga boyu, klasik kurama göre gelen ışınımların örneğe çarptıkları zamana olduğu kadar gelen ışınımın şiddetine de bağlıdır. Bu öngörülerin aksine, Compton'un denel sonuçları,verilen bir açıda saçılan x-ışınlarının dalga boyu kaymasının yalnızca saçılma açısınabağlı olduğunu gösterdi. "Bunların, pek çok fizikçiyi kuantum kuramının temelli geçerliliğine inandırmak için ilk denel sonuçlar olduklarını söylemek ne güzel!"

 

Elektronların Kırınımı

 

Bu modelde foton, sıfır durgun kütleli "hf" enerjili bir parçacık olarak ele alınır (h, Planck sabiti; f, frekans).

Fotoelektrik olay ve Compton olayı gibi olgular, ışığın foton (ya da tanecik) kavramını destekleyen çok uygun ve açık denel gerçeklerdir.  Peki ışık,elektromanyetik dalga değil de foton sağanağı mıdır? Hayır, foton özelliği, ışığın bir özelliğidir; ama ışığın elektromanyetik dalga özelliği de vardır. Şimdi çok ilginç bir düşünceyi inceleyeceğiz: Işık, tanecikli yapıdaysa acaba taneciklerin de bir dalga boyu var mıdır? Bir başka deyişle, elektronlar, dalga özelliği gösterir mi?

Aradan üç yıl geçince Louis de Broglie’nin tezi deneysel olarak doğrulandı. Serbest hareket eden elektronların dalga özellikleri 1927’de Bell Laboratuvarlarında çalışan Joseph Davisson ve Lester Germer  ile onlardan bağımsız olarak İskoçya’da George Thomson (elektronun kaşifi J. J. Thomson’ın oğlu) tarafından gerçekleştirilen ünlü bir deneyle gözlendi. Elektronlar kristal bir metal yüzeyi üzerinden saçılırken tıpkı ışık dalgaları gibi kırınım gösteriyorlardı. Elektronlar, parçacıktı ama aynı zamanda dalga gibi de davranıyordu. Elektronun dalga boyunu Bragg Denklemi yoluyla hesaplanabiliyordu.

alt

1929’da de Broglie fizik alanında Nobel ödülüne layık görüldü. Davisson-Germer –Thomson deneyi, yalnız elektronlarla değil, aynı zamanda protonlar, nötronlar, basit atomlar ve moleküllerle de yapılmış ve De Broglie formülü doğrulanmıştır.

alt

Elektron kırınım tüpü. Termoiyonik olay sonucu katottan çıkan elektronlar kontrol ızgarasında ince bir demet haline getirilerek garfit yaprak üzerine gönderilir. Anot ve katot arasına konan elektriksel alan elektronları hızlandırır. Sonra frafit yaprağa çarpan elektronlar değişik yönlerde saçılmaya uğrar. Elektron (lar), floresan ekrana çarpınca ışık yayılır ve böylece kırınım (difraction) resmi görünür hale gelir.

4. Sahibinin Yanlış Yorumladığı Denklem

1926 yılının Mart ayında genç Werner Heisenberg kuantum mekaniğinin matris mekaniğine dayanan versiyonunu açıklamıştı. Bundan birkaç ay sonra altErwin Schrödinger (1887-1961, Fizik Nobel 1933) dalga mekaniğiyle ilgili çalışmasını yayımladı. Schrödinger,  Louis de Broglie’nin  çalışmasındaki potansiyeli hemen fark etmişti. Schrödinger, kendi adıyla anılan bir diferansiyel denklem olan dalga denklemini keşfetti. Bu denklem parçacığın kütlesini (m), belirli bir doğrultudaki pozisyonun koordinatını, h/2π değerini, potansiyel enerjiyi (V), toplam enerjiyi (E) ve bir de dalga fonksiyonunu (Psi, alt) içerir. Burada temel terim, dalga fonksiyonudur. Bir deniz dalgasını düşünelim. Dalga fonksiyonu, dalganın genliğini gösterir. Matematiksel olarak dalga fonksiyonu, bir ‘fonksiyon’dur, belli bir x konumunda t zamanında, deniz seviyesine dalganın yüksekliğini (genliğini) bildirir. Dalga fonksiyonu yani psi (alt), elektron hakkında bildiğimiz ya da bilebileceğimiz her şeyi içerir. Bu denklem, dalga fonksiyonunun uzay ve zamanda nasıl değiştiğini verir. Fizikçiler dalga denklemini sevdiler çünkü denklem çözülüyor ve işe yarıyordu. Fakat kuantum teorisindeki dalga fonksiyonunun neyi temsil ettiğini kimse bilmiyordu. Çünkü o zamana kadar, fizikçilerin denklemlerinde kullandıkları bütün kavramlar, gözlenebilir miktarları kapsıyordu. Yeni durum su dalgası örneğinden farklıdır; kuantum mekaniğinde bir parçacığın t zamanında x konumunda bulunduğunu söyleyemeyiz. Bunun yerine parçacğın hareketinin kuantum durumunun alt(x,t)olduğunu ve bunun da belli bir t zamanı ve x konumundaki kuantum genliğini gösterdiğini söyleyebiliriz. Kuantum mekaniğin bir başka sersemletici özelliğini daha bizzat Schrödinger gördü. Schrödinger, belli bir parçacığı tasvir eden dalga fonksiyonunun, reel sayılardan olmayan değerler alması gerektiğini fark etti. Aslında bu, uzay ve zamanın her noktasında bir reel sayı değeri alan su dalgası ya da elektromanyetik dalgaya hiç benzemiyordu. Kısacası kuantum dalga fonksiyonunda genlik değerleri kompleks sayılar denen sayılar olmaktadır. Başka sözlerle Schrödinger dalga denklemi, temel düzeyde,alt ile yani sanal sayılarla ilişkilidir. Bu durum, dalga fonksiyonunun kompleks sayı olmasını sağlayan şeydir. Bir kuantum dalgası için, uzayda belli bir noktada dalga genliğinin 3 + 5i olduğunu söyleyebiliriz. Reel artı “reel çarpıi”den oluşan sayılara kompleks sayılar denir. Bu durum, bir kuantum parçacığının dalga fonksiyonunu asla doğrudan ölçemeyeceğimizi gösterir; çünkü biz deneylerle değeri gerçek sayı olan şeyleri ölçebiliriz. Görünüşe göre doğanın kitabında kompleks sayılar gerçekten var.

 

Şu dalga neyin dalgasıydı? Madde dalgası mıydı? Schrödinger, öyle sandı. Ses dalgaları, su dalgaları ya da Maxwell’in elektromanyetik ışık ve radyo dalgaları gibi elektronlar da dalgaydı; parçacık görüntüsü yanıltıcıydı. Fakat şunlar da açıktı: Elektronlar, parçacık olarak (katot ışınları) gözlendi, Geiger sayaçlarını bir parçacık olarak tıkırdatır. Onları bu tıkırtılarıyla sayabiliriz. Tık. Tık ve Tık, üç elektron! Beş elektron vb...Wilson sis odasında parçacık olarak keskin izler bırakır. Başka parçacıklarla çarpışıp zıplar, yön değiştirir. Schrödinger denklemi doğru yanıtları veriyor; ama elektronları dalga olarak tanımlıyor. Schrödinger denkleminin tek sorunu vardı, “dalga” yorumu yanlıştı. Bunu ilk fark eden kişi  o  olaylı 1926 yılında Alman fizikçi Max Born (1882-1970, Fizik Nobel 1954)oldu. Born, Schrödinger denklemindeki dalga fonksiyonunun gözlenemeyen bir miktar olduğunu dile getirdi. Bu fizikte şaşırtıcı bir durumdu. Leon Lederman’ın dediği gibi “Schrödinger eşitliğinin Born yorumu, Newton’dan bu yana dünya görüşümüzdeki tek en dramatik ve büyük değişiklikti.”

Born, Einstein’ın 1911’deki bir makalesinden esinlenmiş ve asıl dikkati “dalga fonksiyonunun mutlak değerinin karesi” üzerine çekmiştir; çünkü dalga fonksiyonu kompleks bir nicelikler iken, dalfa fonksiyonunun (mutlak değerinin) karesi, her zaman reel ve pozitif bir niceliktir. Bizim ölçüm araçlarında ölediğimiz şey, dalga fonksiyonu değil, onun karesidir. Dalga fonksiyonunun karesi alt2, elektronun (ya da başka bir parçacığın) uzay zamanda bulunma olasılığını gösterir. Işığın tipik davranışlarından biri camdan yansımadır. Bir vitrine bakarken bazen zayıf da olsa kendi imgemizi görürüz. Bu olay ışık dalgalarının hem camdan geçtiğini hem de yansıdığını gösterir. Schrödinger denklemi de bunu tahmin eder; ama hiçbir zaman elektronun bir parçasını göremeyiz! Şöyle örnekleyelim. Geiger sayacına diyelim 1000 elektron gönderdik, 600 tanesi tıkırtı verdi, 400 tanesi engelden yansıdı. Her durumda saptanan bir elektrondur, bir tıkırtıdır. Schrödinger denklemi çözülüp dalga fonksiyonunun karesi alındığında 600-400 oranını istatistiksel tahmin olarak verir. Çok sayıda deney yapıldığında ulaşılacak sonuç bu ortalamaya yakındır. Şok edici olan, görünürde tıpa tıp aynı iki denyede farklı sonuçlar elde ediliyor olmasıdır. Bu da Born’un ne denli uzak görüşlü olduğunu açıkça gösterir. Elektron bölünemeyeceği için Schrödinger’in dalgası elektron olamaz; o yalnızca bir olasılık olabilir. Leon Lederman’ın Tanrı Parçacığı’nda yazdığı gibi “ İroni tarihin sürekli bir yoldaşı olmuştur”; her şeyi değiştiren fikir (yine) Einstein tarafından 1911’de fotonlarla Maxwell’in klasik alan eşitliklerinin ilişkisi üzerine yazdığı bir makaleden gelmişti. Einstein bu makalesinde alan niceliklerinin fotonları daha yüksek olasılıkları olan yerlere yönelttiğini ileri sürüyordu.  Max Born, bu makaleden esinlenerek olasılık düşüncesini geliştirmişti. İroni şu ki, Einstein, kuantum mekaniğinin bu olasılık yorumunu asla kabul etmemiştir.

 

5. Devrimin Tepesine Dikilen Tüy

Heisenberg, matrisler denen matematiksel şekillere dayanan matris mekaniği diye bir kuram yazdı. Yöntemleri matematiksel olarak zordu; ama Schrödinger eşitliği ile aynı sonuçları veriyordu. Kısa sürede matris mekaniği ile dalga mekaniğinin  fiziksel fikirlerinin ve sayısal sonuçlarının aynı olduğu gösterildi. Yalnızca farklı matematiksel dillerde yazılmışlardı. Bugün her iki kuramın en güvenilir yanlarının bir karışımı kullanılır. Heisenberg ikinci bir buluşunu 1927’de yaptı. Bir parçacığın  yeri ve hızı hakkındaki eşzamanlı bilgimizin sınırlı olduğunu ve bu iki özellik için bilişek belirsizliğimizin Planck sabitini aşması gerektiğini bildirdi. Parçacığın yeri ile hızı (ya da momentumu) ölçülerimiz, birbiriyle ters orantılıdır. Biri hakkındaki ölçümümüz ne denli kesinse, öteki hakkındaki bilgimiz o denli azdır.

altdenkleminde h evrensel bir sabit olan Planck sabitidir; bu sabit, atomun içindeki dünyanın “ölçü sistemini” kurar, yani atomların boylarını ve parçacıkların dalga boylarını belirler. h/2π ise açısal momentumun ölçüldüğü birimdir.

alt

Daha kesin konuşmak gerekirse, konumdaki belirsizlik ile momentumdaki belirsizlik çarpımı, Planck sabitinin 2π ye bölünmesiyle elde edilen değerden her zaman büyük olacaktır. Heisenberg belirsizlik ilkesi, işte budur. Schrödinger denklemi bize bu iki etmen hakkında olasılıklar verir.

Çok küçük bir şeyi incelemek istediğimizde bu nesneden çok daha küçük bir sonda kullanmamız gerekir. Bu durum mikroskoplarda da geçerlidir; sondanın dalga boyu incelemek istediğimiz nesneden daha küçük olmalıdır. Görünür ışığın dalga boyu yaklaşık 5x10-5 cm olduğundan optik mikroskop bu uzunluk ölçeğinden daha küçük nesneleri ayırt edemez. Daha küçük nesneleri ayırt etmek için daha küçük dalga boyu kullanmak gerekir. Elektron mikroskopları işte bu esasa dayanır. Televizyon tüplerindeki gibi elektronlar yüksek momentum değerlerine çıkacak şekilde hızlandırılır. Böylece optik mikroskoplardan çok daha berrak görüntelir elde edilebilir.  Daha küçük bölgelerdeki daha küçük nesneleri incelemek daha yüksek momentumlu, yani daha yüksek enerjiler gerekir. Parçacık hızlandırıcıları ve dedektörleri slında çok büyük madde mikroskoplarıdır. Elektronun yerini ya da momentumunu saptamak için onun üzerine ışık tutmalıyız, yani foton göndermeliyiz. Elektrona çarpan ya da onu sıyırıp geçen foton, elektronun hareket durumunu değiştirir. Kuantum kuramında bir ölçüm diğerini bozar; çünkü atomsal sistemlerle uğraşıyoruz ve ölçü aygıtlarımızı daha küçük, daha narin ya da daha kibar olamaz. Atomların yarıçapı bir santimetrenin on milyarda biridir ve ağırlığı bir gramın milyar kere milyarda birinin milyonda biri kadardır; bu nedenle onları derinlemesine etkilemek zor değildir. Klasik bir sistemde ise ölçme işleminin ölçülen sistemi pek de etkilemediğinden emin olunabilir. Varsayalım ki suyun sıcaklığını ölçmek istiyoruz. Diyelim içine küçük bir termometre sokarak bir gölün sıcaklığını değiştirmeyiz. Ama bir fincan suya büyük bir termometre daldırırsak suyun sıcaklığını etkileriz. Kuantum kuramında ölçüm, sistemin bir parçasıdır. Gözlemci, artık klasik “kuş gözlemcisi” değildir. İkinci Dünya Savaşı’ndan (1939-1945) sonra kuantum kuramına önemli katkılar yapılmıştır. Bunlar, kuantum elektrodinamiği (QED) ve kuantum renk dinamiği (QCD) kuramlarıdır. Fakat Einstein’ın başlattğı ve Schrödinger’in de desteklediği savaş, kuramın olasılıksal doğasına ve belirsizlik ilkelerine dayanmaktadır. Bir parçacığın dalga fonksiyonu ile yapılan betimlemesinde parçacığın iyi tanımlanmış bir konumu veya hızı yoktur. Tanrı’nın bildiği ancak bizim bilmediğimiz bir konum ve momentum durumu söz konusu değildir. Hem konumu hem de hızı öngöremeyiz, yalnızca dalga fonksiyonunu öngörebiliriz.

Heisenberg belirsizlik ilişkileri, Scrödinger denklemenin matematiksel bir sonucudur. Buna karşın hem Einstein, hem de Schrödinger, bu ilişkileri kabul edememişlerdir.

Antimadde

1928 yılında Paul Dirac (1902-1984, Fizik Nobel 1933) özel görelilikle kuantum kuramını birleştirmeye çalışırken, elektron için zarif ir denklem buldu. Bu denklem spin özelliğinin yanısıra elektronla aynı özelliklere sahip ama zıt yüklü bir parçacık olması gerektiğini keşfetti. Dördün kare kökünün artı iki ve eksi iki olabilmesi gibi bir şeydi bu. Böylece antimadde ya da antiparçacık terimi doğdu. Daha o sıralarda kimse bir antimadde saptayamamıştı. Çok geçmeden 1932’de Carl Anderson sis odasında bu garip parçığı yakaladı ve adına da pozitron dedi. Kuantum kuramının bir başka başarısı. Daha sonra R. Feynman antimaddeyi yeniden yorumladı. Buna göre antimadde, zamanda geriye giden negatif enerjili maddedir! Örneğin zamanda ileri giden bir pozitron, zamanda geriye doğru giden bir elektrona eşittir. Wheeler ve Feynman’a göre , zamanda ileri giden pozitron ile zamanda geriye doğru giden elektronun matematiksel olarak eşittir ve bunların ayırt edilmesi olanaksızdır. 1955’te antiproton, 1995’te antihidrojen keşfedildi. Şimdilik madde baskın bir evrende yaşadığımız açık. Antimaddenin ne gibi potansiyeller taşıdığı daha bilinmiyor; ama araştırmalar sürüyor.

Tünelleme Olayı

İlk olarak alfa radyoaktivitesini açıklamada kullanıldı. Bu olay ayrıca tünel diyot denilen önemli bir katı hal elektronik aygıtın temelidir. Hayaletsi ama bu tünel etkisi çağdaş bilgisayarlar ve diğer elektronik aygıtlar için temeldir.

Nötronun Keşfi ve Atom Bombasına Uzanan Yol

Yine 1932’de James Chadwick (1891-1974, Nobel Fizik 1935) nötronu keşfetti. Sonra bu nötr parçacıklar, atom çekirdekleri üzerine yollanarak yeni çekirdek sentezlerinin ve atomun bölünmesinin yolları açılmıştır.

Protonlar ve Nötronlar Dünyası

1936’da Japon kuramsal fizikçi Hideki Yukawa proton ve nötron içindeki güçlü kuvvetin aracısı olarak pionları önermişti. 1950’nin gözde parçacığı pion ya da diğer adıyla pi-mezondu. Kuantum kuramı, bir dizi öngörü yapma olanağı sağladı.

Parçacık Hızlandırıcıları ve Çarpıştırmalar

Sonra parçacık hızlandırıcılarından, CERN, FermiLab, SLAC gibi büyük laboratuvarlardan bir sürü parçacık fışkırdı. Nötrinolar, mezonlar, muonlar, kuarklar ...

6. Kuantum Üzerine Tartışmalar

Kuantum kuramının olasılıklı doğasına karşı çıkan zengin bir literatür vardır. Bu konudaki savaşı başlatan da Einstein olmuştu. Kuantum kuramının büyük başarısına karşın Einstein, bir parçacığın yerinin ve hızının, aynı anda duyarlı bir ölçümünün mümkün olmadığını söyleyen Heisenberg’in Belirsizlik İlkesini kabul etmedi. 1925’ten ölümüne (1955) dek, kuantum kuramının eksik/tamamlanmamış olduğu konusunda ısrar etti. Belirsizlik İlkesine göre- Einstein tarafından kabul edilen deterministik görüşün aksine- bir sistemin geleceğinin yalnızca olasılığını öngörmek mümkündür.  Einstein ise kuantum kuramının bu olasılıkçı yapısına karşı görüşünü, “Tanrı, zar atmaz “(Tanrı, evren ile kumar oynamaz) şeklinde dile getirmiştir. Oysa diyelim ki çekirdek dışındaki nötronun yarı ömrü 10.3 dakikadır. Diyelim yüz bin nötronla başlarsanız 10.3 dakika sonra bunun yarısı bozunur. Peki ya bir nötron? 3 saniyede 1 dakikada ya da 29 dakikada bozunabilir. İşte bu olasılıklı durum, Einstein ve arkadaşlarını rahatsız etmiş ve onlar maddenin içinde bir “gizli değişken” aramışlardır. Ancak gizli değişkenler iki nedenle artık hayal ürünüdür. Birincisi bugüne dek yapılan bütün deneylerde gizli değişkenlere rastlanmamıştır. İkincisi, sonradan kuantum kuramını geliştiren büyük katkıların hiçbiri böyle değişkene gerek duymamıştır.

Niels Bohr bir ara şöyle demişti:

"Bir süre önce yine burada Kopenhag' da özellikle olguculuk yanlılarının katılmış olduğu bir felsefe konferansı vardı. Bunda Viyana Okulu' nun üyeleri büyük rol oynadılar. Bu filozofların önünde kuantum teorisinin yorumunu yapmaya çalıştım. Konferansımı verdikten sonra karşıt hiçbir düşünceyle ve zor herhangi bir soruyla karşılaşmadım. Ama bunun benim için çok korkunç olduğunu itiraf etmeliyim. Çünkü bir insan kuantum teorisinden ürkmezse, onu anlaması da olanaksızdır. Belki de o kadar kötü bir konferans verdim ki, kimse neden söz ettiğimi anlamadı."

Dalga-parçacık ve konum-momentum ikiliğinden kurtulamaz mıyız? Bu ikiliği tekilliğe indiremez miyiz? Yani elektronun hem konumunu hem de momentumunu ölçecek araçlar yapamaz mıyız? Bir süpermen çağırmadan önce soruyu bir kez daha soralım: Konum ve momentumu aynı anda ölçmeyi engelleyen nedir?

Max Born bunu şöyle açıklıyor:

"Uzay koordinatlarını ve zamanın anlarını ölçmek için, sağlam ölçü çubukları ve sağlam saatler gerekir. Momentum ve enerji ölçümleri için nesnenin etkisini almak ve göstermek üzere hareketli parçalarla düzenlemeler yapılması gerekir. Eğer kuantum mekaniği nesne ve ölçü cihazının etkileşimini tanımlarsa, her iki düzenleme mümkün değildir"

Born, aynı anda konum ve momentumu ölçen bir aygıt yapamayacağımızı yineledi. Bu iki ölçüm için yapılacak denel düzenlemeler birbirini dışlar. Kuantum mekaniği, aynı anda hem ölü hem diri olunabileceğini (Schrodinger' in Kedisi) kabul eder ama, konum ve momentumun aynı anda tam bir kesinlikle belirlenemeyeceğini söyler. Neyse bu noktayı daha tartışırız. Bir ayna olmadan başınızın arkasındaki uzayı göremezsiniz. Bakmak üzere geri döndüğünüzde de kafanızın arkasındaki uzay döner. Aynı anda hem önünüzdeki hem de arkanızdaki uzayı göremezsiniz.

Max Born, Einstein’ın kuantum dünyasındaki olasılık ve ölçüm sorunlarına yaklaşımını şöyle özetler:

"Einstein, Bohr ve benim (Born) dahil olduğum nesile bizden bağımsız, değiştirilemez yasalara göre gelişen nesnel bir fiziksel dünya olduğu öğretilmişti; biz, bir tiyatroda seyircilerin bir oyunu seyretmesi gibi bu süreci seyretmekteyiz. Einstein hâlâ bunun bilimsel bir gözlemci ile onun konusu arasındaki ilişki olmaması gerektiğine inanıyor "

 

 Feynman  ve Feynman Diyagramları

Feynman’ın asıl attığı adım, kuantum mekaniğini Schrödinger denklemi gibi bir diferansiyel denkleme dayanmadan ifade etmesiydi. Feynman, bir olayın örneğin bir elektronun uzay ve zaman içinde bir noktadan ötekine gitmesinin olasılığını hesaplama yoluna gitti. Bunun için iki olayı birbirine bağlayan akla uygun her yola ait katkıları topladı. Bu toplamada her yolun aynı ağırlığı ya da genliği ama farklı bir “faz”ı vardı. Yollar faz içinde oldukları ölçüde toplamada birbirini pekiştirmekteydi. Feynman, Dirac’ın yazılarındaki ipuçlarından hareket etmişti.

John Wheeler, öğrencisinin başarılarından öylesine etkilendi ki, Einstein’a yazdığı bir mektupta bundan şöyle söz etti:

“Feynman dinamik bir sistemin bir andaki belirlenmiş bir konfigurasyondan daha sonra gelen bir andaki başka bir belirlenmiş konfigurasyona gitmesi için gerekli olasılık genliğini anlamaya yarayan güzel bir tablo yakalamış durumda. Aradaki hareket ne kadar çılgınca olursa olsun, başlangıçtaki durumdan son duruma ulaşmayı sağlayan akla gelebilecek her gelişim çizgisini mutlak eşitlik temelinde ele alıyor. Bu gelişim çizgilerinin katkıları arasında genlik bakımından hiç fark yok, yalnızca faz açısından bir fark var. Faz da, klasik etkime entegralinden başka bir şey değil. Bu formül tastamam standart kuantum teorisini doğuruyor. Kuantum teorisinin neyi anlattığını kavramanın daha basit bir yolu ne olabilir ki artık!”

Wheeler, bir kimsenin kuantum teorisine inanması için, hatta belki de teorinin en ünlü karşıtı Einstein’ın bu safa katılması için bunun yeterli olduğunu sanmıştı. “Tanrının zar attığına hala inanmıyorum” diye yanıtladı Einstein. “Ama belki öyledir. Hatalar yapma hakkını elde etmiş bulunuyorum.” diye de ekledi.

   Özetle Kuantum Kuramı

Kuantum kuramının özetlenmesine geldik.

Özeti iki noktada toplayabiliriz: Birinci nokta, kuntum gerçekliği, belirli (kesin) değil, istatistikseldir. Olgular ve olaylar (fenomenler) arasında nedensellik bağı değil, olasılık bağı vardır. İki olay arasındaki etkileşimde ya da bir olayın gelecekteki evriminde hangi sonuçların doğacağını değil, hangi sonuçların daha olası olduğunu kestirebiliriz. Ama kestirimlerimiz doğru olmayabilir. Her bir olaya bir neden arayan insanlar, yalnız düşünce dünyasında değil, gündelik yaşamda da sıkıcıdır. Onlar gerçekten çok sıkı ve sıkıcı deterministlerdir. İkinci sorun, kuantum nesnelerini gözleme için kullanacağımız ölçme düzenimiz. Kuantum gerçekliği, kısmen " gözlemcinin yarattığı bir gerçekliktir". Evet, bu kitabın ciddi okurları gerçeklik olayını iyi düşünmeli.   Kara deliklere adını koyan John Wheeler şöyle demişti:

" Hiçbir fenomen, gözlemlenmiş bir fenomen olana kadar, bir fenomen değildir".

Bunu belki de en iyi anlatan ifade David Mermin’in yazdığı “Biz Ayı Görmesek de Ay Var mıdır?” başlıklı harika yazısıdır.

Hiçbir süpermen, belirsizlik ilkesini aşamaz.   Üzücü bir sonuç, ama böyle!

Niels Bohr, yalnızca bir fizikçi değildi, bir filozoftu, bir kompozitördü, yorumcuydu. Felsenin fiziğini değil, fiziğin felsefesini o yarattı. Fiziğin, daha doğrusu doğal bilimlerin sorunlarıyla insansal sorunlar arasında bağ kurmaktan kaçınmadı. Parçacık ve dalga özelliklerinin birlikteliğini " bütünlerlik" olarak yorumladı ve bunu yaşama uyguladı. Örneğin Sofokles' in Antigone adlı eserinde "topluma karşı görev" ile " ailesel görev" kavramları tamamlayıcı ( birbirini bütünleyen, tamamlayan) kavramlardı. Ama bunlar, aynı zamanda, birbirini dışlayan kavramlardı. Antigon, "iyi" bir yurttaştı. Kardeşi, kralı öldürmeye çalışırken öldürülmüştü. Kral ve topluma karşı görevi, kardeşini reddetmesini gerektiriyordu, kardeşi bir haindi! Yine de ailesel ve belki de dinsel duyguları onun vücudunu gömmesini ve anısına saygı gösterilmesini istiyordu. Bu örnek ne anlama geliyor? Biz, bir organizmanın moleküler yapısını öğrenmek için onu "öldürmeliyiz". Bu durumda biz ölü şeyin yapısını biliyor oluruz. Yaşayan bir organizmada yapıyı bilemeyiz. Çünkü " yapıyı belirleme hareketi, aynı zamanda organizmayı öldürür. Şüphesiz, molekül biyologlarının yaşamın moleküler temelini kurarken gösterdikleri gibi, bu son görüş tümüyle yanlıştır. Bu örneği verişimin nedeni, Bohr, kadar akıllı olsanız bile, bilimin ilkelerinin her zamanki uygulama alanları dışına uzatılmasının yüzeysel sonuçlar verebileceğini göstermektir"

Feynman, Altı Kolay Parça’da (1963), kuantum mekaniğinin dünya görüşümüze getirdiği derin değişmeyi şöyle anlatır:

 “Kuantum mekaniğiyle bilim felsefesine ve fikirlerine getirilen diğer ilginç bir fark da şudur: Hiçbir durumda ne olacağını kesin olarak öngörmek olası değildir. Örneğin ışık yaymaya hazır bir atom düzeni bulmak mümkündür ve bir foton parçacığını yakalayarak kısaca açıklayacağımız gibi ışık yaydığı zamanı bulabiliriz. Buna rağmen, ne zaman ışık yayacağını veya birçok atom olduğunda hangisinin ışık yayacağını önceden bilemeyiz. Bunun bizim yeterince yakından bakamadığımız bazı iç “çarklardan” kaynaklandığını söyleyebilirsiniz. Hayır, iç çark yoktur. Bugünkü anlayışımıza göre doğa, verilen bir deneyde sonradan neyin olacağını kesin olarak veren, tam doğru bir öngörü yapmamızın olanaksız olması temeline sahiptir. Bu korkunç bir şey: Aslında filozoflar önceleri aynı şartları oluşturduğunuzda aynı şeyin olması bilimin gereğidir demişlerdi. Bu doğru değildir; bu, bilimin temel şartlarından biri değildir. Doğru olan, aynı olayın gerçekleşmediği, gerçekleşecek olana istatistiksel ve ortalama bir yaklaşımımız olmasıdır.”

 

Kuantum kuramı sezgi karşıtıdır; ama pek çok alanda çalışır. Atomlarda çalışır. Çekirdekte çalışır. Moleküllerde çalışır. Fizikte, kimyada, biyolojide ve astrofizikte çalışır. Karmaşık katılarda, metallerde, yalıtkanlarda, yarıiletkenlerde, süper iletkenlerde, süper akışkanlarda çalışır. Evrenin evriminde çalışır. Parçacık hızlandırıcılarında çalışır. Endüstri dünyasında ve dolaysıyla finans dünyasında önemli bir paya sahiptir. (atominsan.netRK)

Hazırlayan:Ramazan Karakale      

   Kaynakça

1. Cropper, William H.; Büyük Fizikçiler (2001), Çeviren: Nurettin Elhüseyni, Oğlak Yayıncılık ve Reklamcılık, 2004

2. Einstein, Albert & Infeld, Leopold; Fiziğin Evrimi (1938),Çeviren: Öner Ünalan, Onur Yayınları 1976

3. Feynman, Richard; Fizik Yasaları Üzerine (1965), Çeviren: Nermin Arık TÜBİTAK Yayınları 1995

4. Gamow, George; Güneş Diye Bir Yıldız (1963), Çeviren: Gülen Aktaş, Say yayınları 1991

5. Hawking, S.; Karadelikler ve Bebek Evrenler (1993), Çeviren: Nezihe Bahar, Sarmal Yayınevi 1994

6. Hawking, S; Ceviz Kabuğundaki Evren (2001), Çeviren: Kemal Çömlekçi, Alfa yayınları 2002

7. Heisenberg, Werner; Çağdaş Fizikte Doğa, Çeviri: Vedat Günyol-Orhan Duru, Çan Yayınları 1950

8. Heisenberg, Werner; Parça ve Bütün (1969), Çeviren: Ayşe Atalay, Düzlem Yayınları 1970

9. Herbert, Nick; Temel Bilinç (1993),  Çeviren : Meltem Andırıç, Ayna Yayınları 1999

10. İpekoğlu, Yusuf; Bilim ve Teknik Dergisi (Ekim 2000), TÜBİTAK Yayınları  2000

11. Landau, Lev &Y. Roumer, İzafiyet Teorisi Nedir? Çeviren :S.Gemici, Say Yayınları 1996

12. Lederman, Leon & Teresi, Dick; Tanrı Parçacığı (1993), Çeviren: Emre Kapkın, Evrim Yayınları 2001

13. Mlodinow, Leonard; Zamanın Daha Kısa Tarihi (2005), Çeviren: Selma Öğünç, Doğan Kitap 2007

14. Omnes, Roland; Evren ve Dönüşümleri (1973), Çeviri: Sacit Tameroğlu-H.Vehbi Eralp, Onur Yay 1978

15. Pagels, Heinz. R.; Kozmik Kod 1 ve2 (1981), Çeviren : Nezihe Bahar, Sarmal Yayınları 1993

16. Petrucci-Harwood, Genel Kimya (2002), Editör: Tahsin Uyar, Palme Yayıncılık, 2005

17.  Saçlıoğlu, Cihan; Bilim ve Teknik, TÜBİTAK, 325. sayı

18.  Penrose, Roger; Hawking, Stephen; Uzay ve Zamanın Doğası, Çeviren: Umur Daybelge, Sarmal Yayınları 1996

19.  Penrose, Roger; Büyük, Küçük ve İnsan Zihni, Çeviren: Cenk Türkman, Sarmal Yayınları 1998

20. Raymond, A, Serway; Fen ve Mühendislik İçin Fizik 1, Palme Yayıncılık 1995

21. Tez, Zeki, Kimya Tarihi, V yayınları 1986

22. Vasilyev, M.-Stanyukoviç, Madde ve İnsan, Çeviren: Ferit Pehlivan, Onur Yayınları   1989

23. http://timeline.aps.org/APS/Timeline/

Diğer Makaleler

Facebook

ZİYARETÇİ SAYACI

BugünBugün130
DünDün436
Bu HaftaBu Hafta1221
Bu AyBu Ay5931
ToplamToplam362013