Kuantum Fiziğinin Öyküsü
(hazırlayan: M.ABDULLAHOĞLU)
Kuantum teorisi, bilim tarihinin en çok
kafa yorulan ve birçok hararetli tartışmaya konu olan teorilerinin
başında gelir. Doğurduğu sonuçlar ise yalnız fizik bilimine değil birçok
sanat akımına, sosyolojik teoriye ve değişik alanlara ilham kaynağı
olmuştur. Kuantum teorisi kabaca bir atomun yörüngelerinde bulunan
elektronların enerji seviyeleri arasındaki sıçrayışlardır. İlk bakışta
herhangi bir fizik teorisinden farksız gibi gözükse de biraz derinlere
indiğimizde aslında bu teorinin akıl almaz süreçlerden geçtiğini
görürüz.
20.
yüzyılın başında J.J.Thomson elektron kavramını bularak, sonraki
yıllarda Bohr tarafından son şekline kavuşturulacak olan atom
teorilerinin en dikkate değer olanını tasarladı. Thomson’a göre
elektronlar pozitif yüklü ortamlarda gömülü olarak bulunmaktaydlar (plum
puding). Daha sonra Ernest Rutherford’un neredeyse atomun tüm kütlesini
içeren atom çekirdeğini bulmasıyla atomun yapısı biraz olsun
şekillenmeye başladı. Atom teorisine en son şekli Niels Bohr verdi.
Bohr’a göre elektronlar, çekirdeğin çevresindeki enerji seviyelerinde
bulunurlardı. Bu teoriye göre elektronlar cismin sıcaklığına bağlı
olarak enerji seviyeleri arasında sıçramalar gerçekleştirerek radyasyon
yayıyorlardı veya radyasyonu emiyorlardı. Bu dönemde, konuyla ilgili
bilim adamları bir yandan atom teorisine son şeklini vermeye çalışırken
bir yandan da Max Planc’ın “şanslı tahmin”ini tartışıyorlardı.
1800’lerin sonlarında fizikteki en temel sorunlardan biri ısıtılan bir
metalden nasıl ve neden radyant enerjinin yayıldığıydı(1). Gustav
Kirchhoff’un “kara cisim radyasyonu” olarak bilinen deneyinin (bir
cismin ısındıkça değişen radyasyon tayfını konu eden bir deney)
grafiğini formule etmek bir çok fizikçiyi ciddi anlamda uğraştırdı. İlk
yorum Lord Rayleigh’tan geldi ama onun sunduğu formüller sadece düşük
frekanslar için geçerliydi. Sonrasında, Wilhelm Wien’in sundukları ise
sadece yüksek frekanslarda işe yarıyordu.(2) . Bu sorunun üstesinden Max
Planc, “şanslı tahmin” olarak da bilinen teorisiyle geldi. Daha önce
radyasyonun kesintisiz bir dalga gibi olduğunu söyleyen bilimadamlarının
aksine o, radyasyonun -bugün kuant dediğimiz- parçalardan oluştuğunu
söyledi. Ulaştığı verilere aslında kendi bile inanmadı; sadece çözümsüz
radyasyon frekanslarıyla ilgili grafikler hakkında doğru sonuçlar
verdiği için bunun geçici bir cevap olarak tasarlandığını söyledi. Bu
“çılgınca fikir” bilim camiasında hiç bir yankı bulmadı ve Einstein, Max
Planc’ın tamamen doğru düşündüğünü söyleyene kadar da bu “çılgınca
fikir” tarihin çöplüğünde unutulmaya yüz tutmuş bir vaziyette kaldı.
Ve bilim tarihinin kaderini değiştiren dahi adam -Albert Einstein-
sahneye çıktı. O zamana kadar ışığın dalga mı yoksa parçacık mı olduğunu
tartışan bilim adamlarına “neden her ikisi de olmasın” diyen Einstein
yepyeni bir alanı, kuantum mekaniğini, dünya bilimine kazandırmış oldu.
Kuantumun gelişimi sancılı bir sürece sebep olmuştur. Öncelikle genç
bir Fransız prensi olan Louie de Broglie, madde parçalarının da, örneğin
elektronların, dalgalı ve parçalı olduğunu ileri sürdü. Daha açık bir
deyişle, parçacıklar elektronlarla birlikte bir dalga hareketine
sahipti.(3) Daha sonraları Alman fizikçi Werner Heisenberg, matris
denilen diziler geliştirdi. Bu diziler kuantum hakkında birçok problemi
çözmesine karşın pek çok bilim adamı tarafından tercih edilmediği için
kullanılamadı ve haliyle teorisi de popülarite kazanamadı. Aynı yıllarda
Erwin Schrödinger dalga denklemleri üzerine bir makale yayımladı.
Differansiyel denklemlerle oluşturulmuş bu işlemler ilgi gördü; çünkü
kolay anlaşılabilir olmasından dolayı bu denklemler bilim adamları
tarafından tercih ediliyordu. Ancak sorun şuydu: ortada 2 tane
birbirinden farklı teori vardı ve ikisi de problemler karşısında aynı
sonuçları veriyordu. Kısa bir süre içinde, Schrödinger Heisenberg’in
matrisleriyle kendi denklemlerini birleştirmeyi başardı ve her iki
teorinin aslında aynı şeyleri öngördüğünü açıkladı.
Daha
sonra Heisenberg, kuantum teorisinin kaderini tamamen değiştirecek ve
teoriyi fikir babasından (Einstein) tamamen soğutacak bir prensip ortaya
attı. Bu prensip “belirsizlik ilkesi”ydi. Buna göre bir cismin konumu
ve momenti, dolayısıyla enerjisi ve zamanı aynı anda ölçülemez. Bu
prensibe göre atomal dünyadaki birçok şeyi aslında belirsizlikler
belirler. Einstein bu yargıyı “Tanrı zar atmaz” diyerek şiddetle
reddetmiş ve böylece kuantum teorisindeki önemli bir kutuplaşmanın ilk
adımlarını atmıştır. Bu kutuplaşma daha sonraları iki büyük bilim adamı
(Niels Bohr-Albert Einstein) arasında adeta bir söz düellosuna
dönüşmüştür. Einstein kendi doğurduğu kuantum teorisini çürütmek için
ortaya birçok paradoks atmasına karşılık Niels Bohr’un bunlara ustalıkla
cevaplar bulması bu tartışmanın galibiyet ibresini “kuantumcu”lar
lehine çevirmiştir.
Schrödinger 1935 yılında “ Schrödinger’in kedisi” olarak bilinen ünlü
paradoksunu ortaya atmıştır. Buna göre kedi, içinde radyoaktif
parçacıkları bulabilen bir dedektör ve radyoaktif bir kaynak bulunan
çelik bir kafese kilitlenir. Eğer dedektör radyoaktif bir parça bulursa,
açığa çıkan zehirli gaz kediyi öldürür. Radyoaktif parçacığın bir
dakika içideki emisyon olasılığı %50’dir. Kafesin biraz uzakta olduğunu
düşünürsek radyoaktif kaynağını uzaktan açıp bir dakika bekleriz. Peki
kedi bu bir dakikanın sonunda ölmüş mü olur yoksa hala hayatta mıdır?
Aslında bunu gözlemleyene kadar ya da ölçene kadar kedi ne ölüdür ne de
canlı. Bu sistem dalga fonksiyonu olarak tanımlanır ve dalga
fonksiyonunu söndürene kadar kedi belirli bir durum kazanmaz (4).
Einstein ve “kuantumcular” arasındaki bu tartışmaya 1965 yılında CERN
fizikçilerinden John Bell yaptığı araştırmalar ve deneylerle
“kuantumcular” lehine son noktayı koydu.
Şu anda Kuantum mekaniği; lazer teorisinin, katı hal fiziğinin,
nükleer fiziğin, parçacık fiziğinin, moleküler biyofiziğin ve bu
bilimlerin etrafımızda görebileceğimiz tüm pratik kullanımlarının
temelini oluşturmaktadır.(5) Ve hatta bu yazdıklarımı sizlerle
paylaşabilmem bile kuantum fiziğinin bizlere sağladığı pratik
kullanımların bir sonucudur. Bunun dışında lazer–maser teknolojisi,
hayatımızın bir parçası haline gelen televizyonlar, mikrodalga fırınlar,
dijital saatler vs. kuantumun hayatımızdaki en büyük etkileridir.
Bundan sonra da kuantum mekaniği, farklı pratik kullanımlarla evrenimizi
etkileyeceğe benziyor.
KAYNAKLAR:
1
Parker, Barry, ‘Kuvantumu Anlamak’, Güncel Yayıncılık, sayfa: 39, 2005.
2 ibid, sayfa: 41.
3 Wynn, M Charles – Wiggins, W Arthur, ‘Yanlış Yönde Kuantum Sıçramalar’, TÜBİTAK Popüler Bilim Kitapları, sayfa: 18, 2005.
4 Cropper, William H., ‘Büyük Fizikçiler’, Oğlak Yayınları, sayfa: 330, 2004.
5 Parker, Barry, ‘Kuvantumu Anlamak’, Güncel Yayıncılık, sayfa: 15, 2005.