KUANTUM MEKANİĞİ NASIL ORTAYA ÇIKTI?

KUANTUM MEKANİĞİ

QUANTUM TEORİSİ 1


Yüzyılımızın başında ortaya atılan iki teori, fizik ve felsefe dünyamızı çok derinden etkiledi. Bunlar kuantum ve rölativite teorileriydi. Rölativite, tek başına kendi yolunda yürüyen bir adamın ürünüyken, kuantum teorisi birçok kişinin katkılarıyla oluşmuştu: Planck, Einstein, Bohr, De Broglie, Schroedinger, Heisenberg, Dirac ve Paui gibi... Ve her birine bu katkılarından dolayı Nobel ödülü verilmişti.
Otuz yıl kadar süren bir arayışın sonunda da kuantum mekaniği denilen yeni bir bilim felsefesi doğdu. Kısaca tanımlamak gerekirse, atom altı parçacıklarının fizksel yapılarını ( Konum, momentum,...gibi), matematiksel bazı denklemlerle açıklama sistematiğidir. 

Burada araya girerek yazıda geçecek ve okuyucuların yabancı olduğu bazı fiziksel tabirlere kısa bir açıklama getirelim:
Dalga boyu; belli bir anda, bir dalga tepesinden en yakın dalga tepesine olan mesafedir. Elektromanyetik Spektrumu oluşturan gama, X, mor ötesi, görünen ışık ve kızıl ötesi ışınlarıyla, mikro dalgalar, radyo, radar ve televizyon dalgalarının farklı özellikler göstermesi, sadece aralarındaki dalga boyu farkı nedeniyledir. Bu ise, elektromanyetik dalgaları taşıyan foton adını verdiğimiz parçacıkların ihtiva ettiği enerji miktarına bağlıdır. Fotonun enerjisi ne kadar fazla ise, dalga boyu (iki dalga tepeciği arasındaki mesafe ) o kadar kısa, frekansı ise ( Bir saniyede belli bir yerden geçen dalga sayısı ) o kadar fazladır.

Her şey Max Planck (1858-1947)’in 1900’de Kara Cisim radyasyonu üzerine çalışırken ışığın “kuantum” dediği enerji paketçiklerinden oluştuğunu bulmasıyla başladı. Bulduğu formül, ışık enerjisinin dalga paketleri halinde aktarıldığını ifade ediyordu.

Planck’ın yetkin örnek olarak aldığı Kara Cisim üzerindeki kuramsal çalışması 1900’de yayımlandı. Çalışmanın dayandığı temel düşünce şuydu : Madde, çeşitli frekansları paketler halinde bulunduran ve bu frekansları yayan bir kaynaktı. Gerçi bu düşüncenin yürürlükteki kurama ters düşen yanı yoktu : Ne var ki, Planck aynı zamanda madde dediğimiz kaynaktan çıkan frekansların sürekli değil de paketçikler şeklinde salındığı görüşünü ileri sürdü. Klasik fizik ise, enerjinin paketler şeklinde değil de sürekli bir akıntı (su dalgası gibi) olduğunu düşünüyordu.
____________ klasik fizik
_ _ _ _ _ _ _ _ Kuantum fiziği
Radyasyonun tanecik görünümünün daha basit bir örneği foto elektrik olayıdır. Einstein 1905 yılında yayımladığı makalelerinden birinde bu konuyu açıklıyordu. Fotoelektrik olayını basit olarak şöyle izah edebiliriz: Metal bir yüzeye düşürülen ışık, yüzeyden elektron koparır. Koparılan elektron, devrede bir akım meydana getirir. Fizikçiler, bu elektronun hızının şiddetinden bağımsız olmasını anlayamıyorlardı. Kopan elektronun hızı, ışığın rengine yani dalga boyuna bağlı olmalıydı.

Einstein, ışığın aslında dalga olmayıp fotonlardan, yani kuantum paketçiklerinden oluştuğunu öne sürerek sonuca açıklama getirdi. Buna göre metal yüzeyden kopan elektronun hızı, kuantum paketçiğinin enerjisine veya frekansına bağlıdır. Işığın şiddetini artırmak, sadece kuantum paketçiklerini artırmak anlamına geliyordu. Dolayısıyla, ışığın şiddetini artırmak, yüzeyden koparılan elektron miktarını çoğaltır fakat, elektronun yüzeyden ayrılma hızına etki edemezdi.

Böylece Einstein, ışığın bir dalga olmayıp, parçacıklar (fotonlar) topluluğu olması gerektiğini öne sürdü.
Işığın parçacık gibi davranabileceğinin kesin delili, 1922’de Compton tarafından bulundu. Compton, yaptığı deneyde, fotonun momentumu varmış gibi parçacık hareketi yaptığını gözlemledi.

Newton zamanından beri girişim ve kırınım deneyleri, ışığın dalga karakterinde olması gerektiğini söylüyordu.Işığın, parçacık yapısında yani enerji paketçikleri (kuantumlar) cinsinden olaylar henüz açıklanamamıştı.

Görünürdeki bu çelişki, dalga-parçacık ikilemi olarak bilinir. Modern yoruma göre her iki karakter de doğrudur: Işık bazı olaylarda dalga, bazı olaylarda da parçacık gibi davranır. Ama iki karakteri de aynı anda gösteremez.
Bu gelişmelerden sonra sıra, klasik fiziğin açıklamada yetersiz kaldığı atom yapısına gelmişti. Danimarkalı bilim adamı Niels Bohr (1885-1963) 1913’ te atom yapısına ilişkin günümüzde de kabul edilen bir teori oluşturdu. Bu teori, Planck’ın orjinal kuantum teorisi, Einstein’in ışığın foton kuramı ve Rutherford’un atom modellerinin fikirlerinin bir birleşimidir.

Bohr teorisinin varsayımları şunlardır:
1) Elektron, protonun etrafında Coulomb (+ yükün – yükü çekmesi) çekim kuvvetinin etkisi altında, dairesel bir yörüngede hareket eder.
2) Elektron atom etrafında belirli yörüngelerde bulunur. Bu yörüngeler çeşitli enerji seviyelerdir. Bir üst yörüngeye geçmek için enerjiye ihtiyaç duyulur, alt seviyeye geçmek için de dışarıya enerji verilir.
3) Elektron ancak, enerjisi E1 olan kararlı bir durumdan, daha düşük enerjili bir E2 durumuna geçiş yaptığında enerji farkıyla orantılı bir enerji yayınlar.

Bohr’un teorisi, hidrojen atomunda ve hidrojene benzeyen bir kez iyonlaşmış iyon ile iki kez iyonlaşmış lityum gibi iyonlarda başarıyla uygulandı. Bununla birlikte, teori daha karmaşık atomların ve iyonların spektrumlarını doğru olarak tanımlayamazdı.

Atomik sistemlerin yeni mekaniğine doğru ilk cesur adım, 1923 yılında Louis Victor De Broglie tarafından atıldı. De Broglie, doktora tezinde, fotonların dalga ve tanecik özelliklerine sahip olmalarından dolayı, belki bütün madde biçimlerinin tanecik özellikleri olduğu kadar, dalga özelliklerine de sahip olacakları tezini ileri sürdü. O zaman için hiçbir deneysel doğrulanması olmayan bu öneri, oldukça büyük, devrimci bir düşünce idi. De Broglie’ye göre elektronlar, hem tanecik hem dalga olarak ikili bir doğaya sahiptirler. Her elektrona, ona uzayda yol gösteren veya “yörünge çizen” bir dalga eşlik ediyordu. De Broglie bu savı ile 1929 yılında Nobel ödülü aldı.

Schrödinger, 1926 yılında “Schrödinger Dalga Denklemi” olarak izah ettiği elektron dalgalarını eski fizikçilerin aşina olduğu su ve ses dalgalarının denklemleri gibi matematiksel bir denklemle ifade etti. Bu nedenle Schrödinger’in dalga mekaniği, Max Planck ve de Broglie gibi fizikçiler tarafından hüsn-ü kabul gördü. Schrödinger, Kuantumun dışladığı neden-sonuç bağını dalga denklemi yardımıyla ortadan güya kaldırıyordu. Ona göre elektronların bir durumdan bir başka duruma ani değişimlerinin sebebini. Elektron geçişlerini bir keman telinin titreşimleri gibi, bir notadan diğerine geçiş olarak yorumladı.

Paul Adrian Maurica Dirac (1902-1984),1926’ da özel rölativite kavramlarından yararlanarak. Schröndinger dalga denklemini değişik biçimde ortaya koydu. Dirac’ın fiziğe ikinci önemli katkısı, 1928’de özel rölativite teorisini kuantum mekaniği ile uyuşturması olmuştur.

1927’de , Werner Heisenberg (1901-1976) ilk kez bir parçacığın konumunu ve momentumunu aynı anda son derece doğrulukla belirlemenin olanaksız olacağını öne sürdü. Bu demektir ki, bir parçacığın tam konumunu ve tam momentumunu aynı anda ölçmek fiziksel olarak olanaksızdır.
Örneğin elektronu ele alalım. Çekirdek etrafında hızı en az, 10^10 cm/sn içinde tanımlanmalıdır. Aksi halde, atomun çekiminden kurtulup dışarıya fırlayacaktır. Bu, elektronun konumunda yaklaşık 10^-8cm.lik bir belirsizliğe denk gelir. Bu ise atomun toplam boyutudur. Elektron, atom etrafında o derece yayılmıştır ki, yörüngenin kalınlığı atomun yarı çapına eşit olur. Yani, elektron aynı anda çekirdeğin her tarafında bulunabilir. (Dünyanın, Güneşin hemen dibinden şimdiki yörüngesine kadar bütün alanlarda bulunma ihtimali gibi) Bu durum, “fiziksel olarak şu cisim çoğunlukla burada,ama kısmen orada, ara sıra da uzakta...” gibi ifadelerin kullanılmasını gerektirir. Neticede, Kuantum fiziği tek ve kesin bir sonu değil, birtakım olası sonuçlar öngörür ve her birinin ne kadar mümkün olduğunu söyler.

Fizikçi Nick Herbert, dünyayı “sadece baktığımız zaman madde görüntüsü veren, aslında durmaksızın akan bir dalga çorbası” olarak ifade etmektedir. Midas’ın dokunduğu her şeyi altın yapan elleri gibi...

John Wheler “ Bizler sadece gözlemci değiliz, olanları anlatma hakkımız olduğu gibi, oluşturan da yine bizleriz.” der. Ve “ Olanlarla olacakları bizler gözlem aletlerimizle belirlemekteyiz” diyen Bohr’a hak verir.

Kuantum fiziğinin felsefe ve teknoloji hayatımıza katmış olduğu farklılıkları da gelecek yazımızda irdeleyeceğiz... 

Bu yazı aylık Popüler Bilim dergisinin Temmuz 2000 sayısında yayınlanmıştır.

Kaynakça:
1) Tanrıya koşan fizik; (Saadettin Merdin)
2) Kuantum mekaniğine giriş; (Bekir Karaoğlu)
3) Fen ve mühendislik için Fizik modern fizik ( ilaveli); ( Raymond A. Serway)
4) Bilimin öncüleri; (Cemal Yıldırım)

Fiziğin tarihsel gelişimi

  Doğa olayların sorgulanmaya başlaması, yani fiziğin doğuşu, ilk uygarlıklann ortaya çıkmasıyla birlikte oldu...
                           

F iziğin tarisel gelişimine bakıldığında çok eskiden, Mezopotamya'da IÖ 3000'lerde, Sümer ve Akad
uygarlıklannda

su değirmenleri kullanılıyor, ağır heykeller dikiliyor,

piramitler yapılıyor, zaman, uzaklık ve hız ölçümleri gerçekleştirilebiliyordu. İÖ 2500'den sonra

Eski Mısır'daki uygarlıklar da, pratik kaygılan ağır basan mühendislik sorunlarının çözümünde fizik kurallanndan yararlanmışlardı.

Ama bu pratik gereksinmelerden doğan tekniklerin ortak temellerini oluşturan ilkelerin aranışı, İÖ 6. ve 5. yüzyıllarda Ege kıyılannda yaşayan filozofların soyutlamalarla doğayı sorgulama yöntemlerinde ortaya çıktı: Bu dünya, kaostan nasıl doğdu? Çokluğun ve çeşitliliğin kökenleri nedir? Hareket ve değişim nasıl hesaplanabilir? Bazı temel kabullerden mantıksal olarak sistematik fizik kuramlan çıkarsamanın ilk örneği, Thales'in (İÖ 6. yy) suyu tüm varhklann temel maddesi saymasıdır. Tha-les, iki temel kuvvet olarak, büzülmeye yol açan merkezcil kuvvet ile genişlemeye yol açan merkezkaç kuvveti tanımladı.

Antik Çağ filozoflanndan

Herakleitos (İÖ y. 540 - y. 480), bütün nesnelerin sürekli hareket halinde olduğunu ve toplam madde miktarının sabit olduğunu öne sürerken,

Empedokles (İÖ y. 490 - 430), evrenin toprak, hava, ateş ve su dörtlüsünden oluştuğu görüşünü ortaya attı. Atom kavramının babası ise Anaksagoras (İÖ y. 500 - y. 428) oldu.

Anaksagoras, tüm maddenin, "yaşamın tohumlan" olarak adlandırdığı atomlardan oluştuğunu, bunlann sürekli hareket ettiğini, havanın bir ağırlığı olduğunu belirtti.

Demokritos (İÖ y. 460 - y. 370),

atom kuramına "zorunluluk" ilkesini katarken, Leukippos (İÖ 5. yy) ve Epikuros (İÖ 341-270) atomcu okulun izleyicileri oldular.

Platon'un öğrencisi

Aristoteles, atom görüşünü yadsıyarak nicel madde kuramı yerine oldukça yalınkat ve nitel bir yaklaşımı yeğledi. Aristoteles, ilkel maddeyi sıcak ve soğuk, ıslak ve kuru gibi niteliklere indirgedi. Dirençli bir ortamda bir cismin hareketinin, harekete yol açan kuvvetle orantılı, ortamın direnciyle ters orantılı olduğunu belirleyerek bu bağıntıyı boşluğun varoluşuna karşı bir kanıt olarak kullandı. Aristoteles'in fiziği tüm ortaçağı etkiledi ve hatta

Aquino'lu Tommaso tarafından Hıristiyan skolastiğinde kullanıldı.Syrakusa'lı

Arkhimedes (İÖ y. 290/280 -y. 212/211), İskenderiyeli Heron (ü. İS 62), Ktesibios (ü. İÖ y. 270) gibi araştmcılar ise deneysel araştırmalarıyla hidrostatik, mekanik gibi fizik dallarına önemli katkılarda bulundular.

İlkçağ filozoflarından Aristoteles'in düşünceleri, ortaçağdaki dünya görüşlerinin tümü üzerinde etkinliğini sürdürdü. Bilimin, felsefe ve dinin etkilerinden sıyrılıp kendine özgü bir araştırma disiplinine dönüşmesi eski çağdan hemen hemen 2 bin yıl sonra başladı. Rönesans'ın ve Reform hareketinin etkileriyle "niçin" sorusunun yerine "nasıl" sorusunun geçmesi, 16. yüzyıl içinde gündeme geldi.

Gallei'nin mekaniğe kat kılan, Kopernikusçuluğun savunulmasıyla doğrudan ilişkiliydi. Düşen cisimlerin hızlanmalanyla ilgilenen Galilei, serbest düşme yasasını, yani düşmede alınan yolun cismin kütlesiyle değil, geçen sürenin karesiyle orantılı olduğunu ortaya çıkardı. Bunu, eylemsizlik ilkesiyle birleştirerek, bir merminin yörüngesinin paraboli biçiminde olacağım belirledi. 17. yüzyılda RenĞ Descartes, özellikle madde kavramı üzerinde durarak doğadaki tüm olayları maddeye ve harekete indirgeyen mekanikçi felsefeyi kurdu. Ayrıca çarpma ve dairesel hareket üzerine çalışmalar da yaptı.

17.yüzyılın sonunda Isaac Newton, Philosophiae naturalis principia mathematica (1687; Doğa Felsefesinin Matematik İlkeleri) adlı yapıtında, mekaniğin temel sorunlarını çözen üç yasasını yayımladı. Bu yüzyılda hızla gelişen bir fizik dalı da optikti. Roger Bacon gibi'13. yüzyıl bilginlerinin yapıtlarını tarayan

Kepler,

teleskopların matematiksel incelemesini yaptı, mercekler için bir geometri kuramı geliştirdi, ışığın kırılma özelliğini açıkladı. Newton'ın beyaz ışığın bileşik ışık olduğunu ortaya çıkardığı renk kuramı ve ışığın parçacık özellikli olduğunu belirten korpüskül kuramı ile

Huygens'in dalga özellikli ışık kuramı optiğe en önemli katkılar oldu. Böyle, Torricelli, Pascal, Von Guericke gibi bilginler, gazların basınç ve hacim ilişkilerine nicel yasalar getirdiler.

18. ve 19. yüzyıllar bilimsel çalışmaların altın çağı olarak nitelenir. Değişen sosyoekonomik yapı var olan kuramlar içinde doğa biliminin en büyük atılımı yaparak bağımsız bir kurum halinde gelişmesine olanak sağladı.

Elektriğe ilişkin çalışmalar, Leyden şişesinde yük birikimi sağlanmasından sonra deneysel araştırma alanına kaydı. 1733'te du Fay ve Nollet, "reçinemsi" ve "camsı" olarak adlandırdıkları iki tür elektriktik olduğunu buldular, 1787'de de Coulomb, elektrostatiğin temel yasalarını yayımladı. Galvanik ve voltaik elektriğin bulunuşuyla elektrik üreteçlerinin doğuşu, bu alandaki araştırmaların hızla gelişmesini sağladı. 1819'da 0rsted, elektrik akımına eşlik eden magnetik etkiyi buldu, 1827'de Ampere elektrodinamiğin yasalarını geliştirdi. 1831'de ise Faraday elektromagnetik indük-siyonu ortaya çıkardı. 1855'ten başlayarak J. C. Maxwell'in çalışmalarıyla klasik elek-tromagnetizma kuramı ortaya çıktı.

Sanayi devriminin bilim üzerindeki en açık etkisi, ısının mekanik işe dönüştürülmesine yönelik çabalardır. Carnot, Clausius, Kelvin, Helmholtz gibi bilginler, termodinamik bilim dalının gelişmesinde önemli katkılarda bulundular. Maxwell ve Boltzmann gazların kinetik kuramım geliştirerek, maddenin atom yapısının tanımlanmasına yönelik çok önemli bir adım attılar. Işığın özellikleri ve esirin varlığına ilişkin olarak 19. yüzyıl sonunda gerçekleştirilen araştırmalar ise 20. yüzyılın devrimci kuramlarına temel oluşturdu.

20. yüzyılda fiziğin yapısını temelinden sarsan iki kuram,

Max Planck'ın 1900'de öne sürdüğü

kuvantum kuramı ile

Albert Einstein'ın 1905'te yayımladığı

görelilik kuramıdır. Atomun, çekirdeğin ve temel parçacıkların bulunması, plazma fiziği ve elektroniğin hızla gelişmesi gibi deneysel ve uygulamalı atılımlar, kuramsal ve deneysel bilgilerin olağanüstü artmasının yanı sıra, fiziğin çeşitli alanlarında gerçekleştirilen eşgüdümlü araştırmalarla sağlanmaktadır.