[Dr. Erol KURT]
Lord Kelvin, XIX. yy.’in sonuna doğru fiziğin hemen hemen tamamlandığı görüşündedir. Ona göre yalnızca ısı ve ışık kuramı üzerine bazı bilinmeyenler vardı. Fakat H. Hertz'in 1887'de keşfettiği "fotoelektrik etki ve ısı kuramı" ile gerçekleştirilen deneyler arasında garip uyumsuzluklar baş gösteriyordu. İşin ilginç yanı, bilim adamlarının; pek önemsemediği bir konunun, tüm detaylarının önceden açıklandığı bir kuramın başlarına çorap örmeye başlamasıydı.
Alman Ağırlıklar ve Ölçüler Enstitüsü, yeni elektrik lambaları için bir ölçek ararken, fizikçi W. Wien'den bir "kara cisim'in sıcaklığıyla, onun yaydığı ışınlar arasındaki bağıntıyı belirlemesini istedi. Bilindiği üzere ısıtılan cisimler ısırdı. Sözgelimi bir bakır parçası morötesi ışınları yaymadan önce ilkin kızaracak, sonra akkor hale gelecektir. Bu aşamada cismin yaydığı maksimum enerjili ışınlar mora kayacaktır.
1900'da Berlin Üniversitesi profesörlerinden M. Planck bu problemi kuram yoluyla çözmeye çalışırken olanlar oldu. Planck'a göre kara cisim füzerine gelen bütün ışık, elektromagnetik dalgaları yutarak büyük enerjilere sahip olabilen cisim) ışıması-soğurması denen bu problem, gözlem ve deneylerle ancak şu şartta uyuşuyordu: Kara cisme ulaşan ya da ondan yayılan ışınların sürekli değil; aralıklı, kesik kesik enerji paketleri şeklinde olması gerekir.
Bu ifade açıkçası, klasik fizikte hep sürekli bir büyüklük olarak algılanan ve böylece işlemlere sokulan enerjinin aslında parçalı da olabileceğini söylüyordu. Bundan dolayı yeni bulguya "miktar parça" anlamında "kuantum" denildi.
Doğrusunu söylemek gerekirse, bunu kabul etmek için klasik bilim anlayışını bir tarafa bırakmak gerekliydi. Bu nedenle, Planck bu varsayımı gönülsüz olarak ortaya koydu ve hesap hatasının söz konusu olabileceğini vurguladı.
Teorinin Tarihsel Gelişimi
Planck'ın bulgusundan 5 yıl sonra A.Einstein fotoelektrik etki olarak bilinen fizik olayını açıkladı ve Nobel ödülünü almaya da hak kazandı. Einstein'e göre ışıklı parçacıklar, frekanslarıyla orantılı olarak enerji taşır ve bu enerji metallerin elektronlarına aktarılabilirdi. Böylece vakum ortamda, ışık yoluyla metalden kolayca elektron sökülebilir, elektrik akımı iletilebilirdi. Işığın C.Huygens'den beri bilinen dalga yapısı bu olayı açıklayamazdı. Çünkü çok kısa bir sürede, ışığın frekansının büyüklüğüne bağlı olarak metalden elektron sökülmesi ancak ışığın tanecik şeklinde düşünülmesiyle mümkündü. Planck haklı çıkmıştı, kesikli büyüklükler (kuantlar) görüşü anlam kazanıyor, bilim adamları mikroskobik olayları düşünürken bu çözüm ihtimalini de göz önünde tutuyorlardı.
1906'da, E.Rutherford atomun yapısının araştırılması amacıyla yaptığı deneylerde, atomun Güneş Sistemi benzeri bir yapıda olduğunu ve merkezde (+) artı yüklü bir çekirdekle bu çekirdeği çevreleyen (-) eksi yüklü elektronlardan oluştuğunu ortaya koydu. Fakat bu şekilde açıklanmış bir atomda elektronların hareketi, klasik hareket denklemleriyle incelendiğinde ortaya çelişki çıkıyordu. Çünkü bu durumda çekirdeğin çevresinde dolanan bir elektron, eninde sonunda çekirdeğe düşmeliydi. Bu doğruysa ne dünyanın ne de evrenin var olmaması gerekiyordu. Ortada, atom kalmıyordu. Bu sorunun üstesinden Danimarkalı genç bilim adamı N.Bohr geldi. Bohr elektronlar için atom çekirdeği etrafında belirli çembersel yörüngeler öngörüyordu. Bundan hareketle, açısal momentumun kuantalı, büyüklük olduğunu belirtiyor; Planck sabitinin (h), 2 pi'ye bölümünün tam katları şeklinde yörüngeler düşünüyordu. Kararlı yörüngedeki elektron bu yörüngeyi ancak enerji vererek ya da enerji alarak terk edebilirdi. Bu geçişlerde enerjisi "hf" ile verilen fotonlar ışınıyor ya da soğuruluyordu. Bu ifade de fotoelektrik olaydaki gibi kuantalı enerjiyi öngörüyordu, (h: planck sabiti; f: ışığın frekansı) Okullarımızda, geçerli atom teorisi olarak işlenen, Bohr'un bu bulgusu da kuantumluluk tezini destekliyordu.
Bohr'un atom teorisinin sonraları hidrojen ve hidrojen benzeri (son yörüngesinde bir elektron taşıyan) sistemler için geçerli olduğu gözlendi. Fizikçiler artık atomik düzeydeki yapıları açıklayabilmek için tek çıkar yol olarak kuantum teorisini kullanmaya devam ettiler. Dolayısıyla teorinin ana çatısı atomik yapıların gün ışığına çıkmasıyla oluşuyordu.
Atom teorisiyle alakalı bu gelişmeler sürerken 1922'de Amerikalı fizikçi H.Comptom, X ışınları üzerine yaptığı incelemelerde; "hf" enerjili olarak düşünülen fotonların serbest elektronlara çarptırılmasıyla bu ışınların "hf/c momentumlu olarak elektronlarla etkileştiğini gözlemledi. Bununla da kalmayarak, çarpışmadan sonra açığa çıkan ışının frekansının daha küçük olduğunu tespit etti. Bu deney şunu kesin bir şekilde belirtiyordu ki mikroskobik sistemlerde kesikli paketçik yapıda çizgisel momentum öngörülebiliyordu. Bu da kuantumluluk hipotezine bir doğrulama getirmiş, teorinin tanımı genişlemiştir.
Almanya'da Göttingen Üniversitesi'nde araştırmacı olan W. Heissenberg, hocası M.Born ve arkadaşı P. Jordan ile birlikte çok elektronlu atomların açıklanması bağlamında "matris mekaniği" teorisini ortaya attı. Yine, 1923'de Paris Üniversitesi'ne verdiği doktora teziyle L. de Broglie, Heissenberg'in fikirlerini de destekleyerek yeni bir atom anlayışı gündeme getirdi: Elektronlar bir tanecik olarak değil fakat dalga olarak yorumlanmalıydı. Böylece, çekirdeğin çevresinde dolanan her tam dalga ancak belli bir yörüngeye rastgeliyor ve neden elektronların belirli yörüngelerde dolandığı bütünüyle açığa çıkıyordu. Bohr'un farkında olmadan, sezgisiyle teorisinde söz ettiği belirli yörüngeler çıkarımı böylece doğrulanmış oluyordu. Bu durumda enerjinin kuantumlu olmasına ek olarak çizgisel momentum gibi açısal momentumun da kuantumlu bir büyüklük olabileceği resmen ispatlanıyordu.
1926'da E.Schrödinger, de Broglie tarafından yorumlanan dalga teorisini tanımlayan dalga denklemini makaleler halinde açıkladı. Fizikte, bir kuramın anlaşılabilirliği, gözlenebilirliği ve uygulanabilirliği çok önemlidir. Bu nitelikleri taşıyan dalga denklemi ve dalga görüşü fizikçiler arasında çok çabuk kabul gördü. Fakat bir yandan da nasıl olup bu dalgaların tanecik gibi, Geiger sayacında tıklamalar oluşturduğu bir sorundu. Bohr, bu problemi elektronların dalga şeklinde nitelendirilmesinin ancak soyut olarak geçerli olabileceği fikrini ortaya atarak, çalışmalarda gerektiğinde dalga özelliğinin gerektiğinde de tanecik özelliğinin kullanılması gerektiğinin altını çizerek çözümledi.
Kuantum Teorisinin Felsefesi
Ünlü kuramcı Bohr, "Kuantum teorisiyle şok olmayan kimse, onu anlamamıştır" der. Gerçekten de matematiksel olarak açık bir şekilde ifade edilmesine karşın bu teorinin felsefi alanda yorumlanması ve oluşturduğu problemlerin çözümlenmesi bir hayli zor görülüyor.
Kuantum teorisi bilime ve doğaya farklı bir bakış açısı getirmiştir. Şimdi, bu yenilikleri görebilmek için klasik ve kuantumlu anlayışın belli başlı özelliklerini ortaya koyalım. Öncelikle klasik fiziğin felsefi dayanaklarına bakarsak:
1) Klasik fizikte, bir cismin hızı, ivmesi, enerji ifadeleri gibi tüm nicelikler cismin konumunun zamana göre diferansiyelleri ile ifade edilir.
2) Yukarıda sözü edilen momentum, enerji gibi fiziksel büyüklüklerin bütün olarak ele alındığı görülür.
3) İrdelenen olaylar belli bir kesinlik, belirlilik taşır ve istenilen doğrulukta ve aynı anda bütün fiziksel büyüklükler ölçülebilir.
4) Evrenin geçmişinde oluşan olaylar incelenerek, geleceğe ilişkin bir yordama yapılabilir. Sözgelimi, Jüpiter Gezegeni şu zamanda, yörüngesinin şurasında ve bize bu kadar uzaklıkta olacaktır, denilebilir. Gözlem ve deneylerde küçük hatalar çıkabilme olasılığına karşın tahminlerimiz büyük ölçüde doğrulanır.
5) Klasik fizik ile incelenen her sistem ya da olay birbirinden bağımsız olarak düşünülür; bu sistemi oluşturan ve birbiri ile iletişim olanağı bulunmayan varlıklar bütünüyle ayrı olarak ele alınır.
6) Klasik olarak incelenen olay, gözlemci ve kullanılan deney aleti ile değişiklik göstermez.
Kuantum görüşünün kabul edilen temel olguları ise:
a) Olayların incelenmesinde kompleks yapıda ve bir olasılık denklemi olan Schrödinger dalga denklemi kullanılır. Bu denklemdeki dalga fonksiyonu bulunup işlemlerde yerine konarak, konum, momentum ve diğer nicelikler elde edilir.
b) Fiziksel nicelikler kesikli parçalı yapıda ele alınır.
c) Kuantum teorisi fiziğe kuşku götürmez bir biçimde belirsizlik (indeterminizm) olgusunu sokmuştur.
d) Parçacıklar söz konusu olduğunda her büyüklük olasılıklarla belirlenir ve gelecekle ilgili tahminler olasılıklara dayanarak yapılabilir. Örneğin ışığın yapı taşı olan fotonların, uzayda bir yerde bulunması ancak olasılıklarla belirlenir.
e) Birbiriyle hiç iletişim olanağı bulunmayan iki varlık arasında "bağlılaşım-correlation" görülebilir. Örneğin aynı kaynaktan çıkan fotonların karşıt doğrultularda göstermiş olduğu davranışları, birbiri ile uyuşum halindedir.
f) Kuantumda; gözlemci, gözlenen ve gözlem aleti birbiriyle bir bütünlük oluşturur. Bunlar birbirlerinden ayrı düşünülemez.
Görüldüğü gibi klasik fizik ile kuantumcu düşünce birbirinden birçok noktada farklılık gösterir. Bu farklılıklar ayrıntılı olarak göz önüne alındığında şu yorumlar yapılabilir:
Kuantum teorisinin önemli buluşlarından birisi belirsizlik bağıntısıdır. 1927'de Heisenberg tarafından ortaya konulan bu bağıntıya göre mikro boyutta tanımlı bir parçacığın, eş zamanlı olarak konum ve momentumunun tespit edilmesi en az Planck sabit (h) kadar bir hata içerir. Aynı olgu eşzamanlı olarak, parçacığın enerjisi ile bu enerjiyi taşıdığı zaman için de söz konusudur. Örneğin bir elektronun bulunduğu uzayda konumunun tespiti için, elektronun üstüne büyük frekansta ışık göndermeliyiz. Aksi halde elektronu gözlemleyemeyiz. Bu durumda yüksek frekanslı ışık elektronun konumunu belirler. Ancak elektrona bir hız verir. Dolayısıyla konumun belirlenmesiyle beraber parçacığın hızını ve momentumunu yitirmiş oluruz. Tersi olarak; elektronun momentumunu belirlemek için küçük frekanslı ışık kullanırız, bu durumda da konum belirlenemez.
İkinci önemli bulgu da "dalga/parçacık dualitesi”dir. Huygens'ten beri ışığın kırınım ve girişim yaptığı biliniyordu. Örneğin ışık Young deneyi düzeneğinden geçirilirse karşıdaki ekranda aydınlık-karanlık noktalar oluşur. Yani girişim yapar. Yine yarım bardak suya sokulan bir kalemin kırık olarak algılandığı görülür. Bu gibi olayların hepsi ancak dalga modeliyle açıklanabilir. Einstein'ın fotoelektrik olayını açıklamasından sonra ışığın parçacıklı yapıda olması gerektiği bulundu. Yine ışığın cisimler üzerine uyguladığı anlık basınçlar ve Geiger sayacında göstermiş olduğu etkiler bunu destekler. Sonunda Bohr, "Işığın dalgacık mı tanecik mi olduğunu belirlenmesi ancak gözlemcinin sorduğu soruya göre cevaplanabilir" diyerek gözlemcinin de vazgeçilmez biçimde teoride yerini alması gerektiğini belirtir.
Amerikalı J.Davisson ve L.Germer adlı bilim adamları elektronların da hızlı olarak bir kristal katıya çarptırıldıklarında dalga özelliği gösterebileceğini buldular. Böylece düalite yalnızca ışık (elektromagnetik dalga) için geçerli değil aynı zamanda maddesel parçacıklar için de geçerliydi. Bu da Broglie'ın öne sürdüğü elektronlar için dalga yapısının deneysel bir ispatıydı, aynı zamanda Kuantum teorisindeki düaliteyi, 1915'te, X ışınlarıyla yaptığı çalışmalarından dolayı Nobel ödülü alan V.Bragg şöyle belirtiyordu. "Pazartesi, Çarşamba ve Cuma günleri parçacık kuramını; Salı, Perşembe ve Cumartesi günleri dalga kuramını öğretiyorum."
Diğer önemli yenilik ise olasılık kavramıdır. Bir parçacığın bir uzay bölgesinde bulunması ancak olasılıklarla bellidir. Parçacığın konumu için kesin koordinatlar verilemez. Born bu düşünceden hareketle Schrödinger'in ortaya attığı dalga fonksiyonunu yorumlamış ve bu kompleks fonksiyon için, uzayda bir noktada belli bir anda hesaplanan dalganın genliğinin karesinin, parçacığın o noktada o anda bulunması olasılığını verdiğini belirtmiştir.
Belirsizlik ilkesi, dualite, olasılık tanımı ve gözlemci-gözlenen bütünlüğü kuantum mekaniğine, Kopenhag yorumu olarak girmiştir ve tartışmalara rağmen hâlihazırda kuantum teorisinin en etkin yorumu olarak karşımıza çıkar. Kuantum felsefesinin sorunlarına bakıldığında önemli tartışmaların temelde, Young deneyinin yorumlanmasından kaynaklandığı görülür. Bilim adamları, fotonların iki ayrı delikten geçişinin mantıksal olarak nasıl algılanması gerektiği üzerinde durarak; fotonlarla gözlemci arasındaki ilişkiyi aramaktadırlar.
Bohr ve Kopenhag ekolü savunucuları fotonların, iki ayrı delikten geçmelerini iki ayrı dünyada hareketleri olarak düşünüyor. Onlara göre girişim bu birbirinden tamamen iki ayrı iki dünyadan her birinin birlikte hazırlanarak birbirinin üstüne çakışmasıyla ve birbirlerini bütünleştirmesiyle oluşur. Dolayısıyla sonuçta her iki dünyanın hakiki bir melezi oluşur. Başta Einstein olmak üzere pek çok fizikçiye bu melez-bütünleyici dünya yorumu pek sıcak gelmedi. 1935'te "Schrödinger Kedisi" yorumu ortaya atıldı. Bu görüşe göre her an zehirlenmesi tehlikesi olan bir kedi kapalı bir kutudadır. Gözlemciye göre bu kedi her an ölü ya da diri bir halde bulunmalı, iki ayrı olasılık eşit olarak göz önünde tutulmalıdır. Bu aynı zamanda Young deneyinin iki ayrı delikle oluşturulan farklı dünyalarına benzer. Farklı nokta ise; kedinin ölü ya da diri olduğunu kesin belirleyene kadar kedinin iki durumunun da yan yana bulunduğunun öne sürülmesidir. Yani kedi, yarı canlı-yarı ölüdür, aynı zamanda.
Başka bir yorum da Everett'ten 1957'de gelir. Ona göre, birçok gözlenemez paralel evren mevcuttu. Bunlara Everett, "alternatif kuantum dünyaları" diyordu. Bütün olaylar bu dünyaların birinde, olasılıkların hepsi gerçekleşecek biçimde olmaktadır. Sonuçta bütün olasılıklar evrende varoluyordu. Zaman ilerledikçe daha pek çok yorum ortaya atıldı. Bunların içinde Wigner Gellmann, Bohm, Penrose gibi fizikçilerin yorumlarını saymak mümkün.
Kuantum ve Bilim
Kuantum teorisinin ortaya koyduğu yeniliklere göre klasik fizikten farklı olarak doğanın bir bütünlük içinde ele alınması gerektiği belirtilir. Özellikle gözlemcinin ve gözlenenin birbirini bütünleyici unsurlar olarak nitelendirilmesi fotonların, elektronların ve diğer parçacıkların birbirine bağımlı hareket etmeleri bu bütünlüğü ortaya koymaktadır.
Kuantum teorisinin doğuşundan günümüze gelene kadarki sürecine bakıldığında bu teorinin, fiziğin uygulamalı bir dalı olduğunu gözden kaçırmamalıyız. Sayısız deneyler yardımıyla kuantum teorisinin genel esasları ortaya konabilmiştir. Diğer yandan Young deneyi problemi gibi gözlemci, gözlenen, zaman kavramları üzerinde net bir felsefi çözüme gidilememiştir. Felsefi çatıdaki eksikliklere rağmen, kuantum teorisinin varlığıyla lazer, elektron mikroskobu, transistor gibi çok kullanışlı ve insanlığın bilimsel teknolojik ilerlemesine ışık tutabilecek araçlar elde edilebilmiştir. Yine atom ve çekirdek yapısı, elektriğin nakli, katıların mekanik ve ısıma özellikleri gibi fenomenler bir çırpıda açıklanmıştır.
Öyle görülüyor ki bilim adamlarının tüm evreni tanımlayan bir teoriye varması başka bir deyişle fiziğin tamamlanması daha çok uzun zaman alacak gibi ama kuantum teorisinin bu yolda daha pek çok işi halledeceği açıkça ortada.
Kaynakça:
1) Kuantum Fiziği-Prof. Necati Yalçın
2) Tann ve Yeni Fizik-Paul Davies/Çev. Murat Temelli
3) X-ışınlarından Kuarklara-Emilio Segre/Çev. Doç. Dr. Çağlar Tuncay
Bu yazı Popüler Bilim Dergisi’nin Kasım 1997 sayısında yayınlanmıştır.
|