Ödevsel

Yüzyılımızın Başında Ortaya Atılan İki Teori, Fizik Ve Felsefe Dünyamızı Ço

12 Temmuz 2007

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 kiÅŸinin katkılarıyla oluÅŸmuÅŸtu: Planck, Einstein, Bohr, De Broglie, Schroedinger, Heisenberg, Dirac ve Pauli gibi… Ve her birine bu katkılarından dolayı Nobel ödülü verilmiÅŸti.

Otuz yıl kadar süren bir arayışın sonunda da kuantum mekaniÄŸi denilen yeni bir bilim felsefesi doÄŸdu. Kısaca tanımlamak gerekirse, atom altı parçacıklarının fizksel yapılarını ( Konum, momentum,…gibi), matematiksel bazı denklemlerle açıklama sistematiÄŸidir.

” Olabilir desinler, ama olur demesinler.”

                                                            Cicero

“Olmaz olmaz deme, olmaz olmaz..”

                                                            Atasözü

   Niels Bohr şöyle dedi: ” Bir süre önce yine burada Kopenhag’ da özellikle olguculuk yanlılarının katılmış olduÄŸu 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 karşılaÅŸmadım. Ama bunun benim için çok korkunç olduÄŸunu itiraf etmeliyim. Çünkü bir insan kuantum teorisinden ürkmezse, onu anlaması da olanaksızdır. Belki de o kadar kötü bir konferans verdim ki, kimse neden söz ettiÄŸimi anlamadı

Klasik Fiziğin Çözemedikleri

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

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

2. Fotoelektrik olay

3. Atomların kararlılığı

Gazların kinetik kuramı, klasik fiziÄŸin çok önemli baÅŸarılarından biriydi. Bu kurama göre, hiç bir molekülü dışarı kaçırmayacak ideal bir gaz kabındaki N molekülün toplam enerjisi E olsun. Bu toplam enerji (E) , enerjinin eÅŸit dağılımı yasası diye bilinen temel bir istatistiksel teoreme göre ortalama olarak moleküllere eÅŸit olarak dağılmıştır. Ortalama diyoruz, çünkü istatistiksel açıdan kesin veriler deÄŸil, ancak ortalama deÄŸerler elde edilebilir. Lord Rayleigh ve Sir James Jeans, gazların kinetik kuramına baÅŸarıyla uygulanan istatistiksel modeli, iç duvarları kusursuz ayna olan kutuda hapsedilmiÅŸ “ışık” dalgalarına uygulamaya çalıştılar. Ama burada temel bir zorlukla karşılaÅŸtılar. Bir gaz kabındaki molekül sayısı çoktu; ama “sonlu” ydu,oysa ışığın hapsolduÄŸu ideal bir ayna cidarlı kutuda farklı titreÅŸim tiplerinin sayısı “sonsuz”du. Ä°ÅŸi basitleÅŸtirmek için “Jean Küpü”nün yalnızca saÄŸ ve sol iç duvarları arasında gidip gelen dalgaları düşünelim. Bu dalgalar, duvarlarda zamanla genliÄŸin kaybolacağını söyleyen sınır koÅŸullarına uymalıdır… Bunu üç boyutta düşündüğümüzde “sonsuzluk” sayısının daha da artacağı açıktır.   TitreÅŸim modu (düğüm noktası) sayısı sonsuz, ama enerji sonlu. Yani titreÅŸim modu başına düşen enerji = E/ sonsuz = tanımsız. Bu, kuÅŸkusuz saçma bir sonuçtur. Yani açıkça, klasik kuram, artık cisimlerin doÄŸasına iliÅŸkin bilgilerimizle çeliÅŸmekteydi.  Atomik ölçekte,maddenin davranışını açıklamak için klasik fiziÄŸin uygulama denemeleri tamamen baÅŸarısız oldu.

Siyah cisim ışıması,fotoelektrik olay ve bir gaz deÅŸarjında atomların yaydığı keskin çizgiler klasik fizik çerçevesinde anlaşılamadı. George Gamow ‘un dediÄŸi gibi:” Bir kuram, cisimlerin doÄŸası ile ilgili bilgilerimizle çeliÅŸtiÄŸi zaman, cisimlerin yapısı deÄŸil kuram yanlış olmalıdır”. DoÄŸaya yeni bir bakış açısıyla bakmak gerekiyordu. Bu devrim, 1900 ile 1930 arasında gerçekleÅŸti. Kuantum MekaniÄŸi denen   bu yeni yaklaşım atom,molekül ve çekirdeklerin davranışını baÅŸarıyla açıkladı.

KUANTUM FİZİĞİNİN ÖYKÜSÜ

Belki de hiçbir kuram ,kuantum fiziği kadar bir yüzyıla böylesine belirgin bir damga vurmamıştır .1900 yılında Max Planck’ın kara cisim ışımasını kuantumlanmış enerji yayımıyla açıklamasının fizikte yarattığı devrim ,temposundan hiç yitirmeden 20. yüzyıl boyunca yeni kuşak bilim adamlarının olağanüstü düşünce ürünleriyle zenginleşerek sürdü . Bugün eriştiğimiz bilgi düzeyi farkında olalım ya da olmayalım yaşamımızı etkileyen , kolaylaştıran pek çok uygulamayı ,işte bu bilimin öncülerine borçluyuz. Geçtiğimiz yüzyılın en önemli düşünsel başarılarından biri de , atomaltı ölçekteki evreni inceleyen kuantum mekaniğinin tersine .kozmos ölçeğinde etkili kütle çekimi betimleyen genel görelilik .birbiriyle uyuşmamalarına karşın bu iki kuram birbirlerine tamamlayarak geliştiler . Belki de önümüzdeki yıllarda bu kuramları özdeşleştirmek için sürdürülen çabalar meyvelerini verecek ve insanlık doğanın evrenin işleyişi konusunda yepyeni bir anlayışa kavuşacak..

1897:PİETER ZEEMAN & JOSEPH THOMSON ; Zeeman ışığın bir atom içindeki yüklü parçacıkların hareketi sonucu yayımlandığını buldu .Thomson’da elektronu keşfetti .

1900:MAX PLANCK;Kara cisim ışımasını kuantumlanmış enerji yayımıyla açıkladı; kuantum kuramı böylece doğmuş oldu.

1905:ALBERT EİNSTEİN ;Dalga özellikleri olan ışığın aynı zamanda daha sonra foton diye adlandırılacak olan belirli büyüklükte enerji paketlerinden oluştuğu düşüncesini ortaya attı.

1911-1913:ERNEST RUTHERFORD& NIELS BOHR ;Rutherford atomun çekirdek modelini oluşturdu . Bohr ise ,atomu bir gezegen sistemi gibi belirledi .Ayrıca durağan enerji durumlar kavramını ortaya attı. Hidrojenin tayfını açıkladı.

1914:JAMES FRANK & GUSTAV HERTZ ;Bir elektron saçılım deneyiyle durağan durumların varlığını doğruladılar

1923:ARTHUR COMPTON; X-ışınlarının elektronlarla etkileşimlerinde minyatür bilardo topları gibi davrandıklarını gözlemledi .Böylece ışığın parçacık davranışı hakkında yeni kanıtlar ortaya koydu.

1923:LOUIS DE BROGLIE ; Madde parçacıklarının da dalga davranışı yaptığını öne sürerek dalga-parçacık ikiliğini genelleştirdi.

1924:SATYENDRA NATH BOSE &ALBERT EINSTEIN ; Kuantum parçacıklarını saymak için ,daha sonra BOHR- EINSTEIN diye adlandırılacak olan ,yeni bir yöntem buldular.Ayrıca uç derecelerde soğutulmuş atomların tek bir kuantum durumuna yoğuşacaklarını önerdiler . “BOSE- EINSTEIN YOĞUŞMASI” 1990’lı yıllarda deneysel olarak gerçekleştirildi.

1925:WOLFGANG PAULİ ;Aynı özelliklere sahip fermiyon türü iki parçacığın aynı enerji düzeyinde bulunamayacağını söyleyen “dışlama ilkesi” ni açıkladı .

1925:WERNER HEISENBERG & MAX BORN & PASCUAL JORDAN ;Kuantum mekaniğinin ilk biçimi olan matris mekaniğinin geliştirdiler ve kuantum alan kuramı yolunda ilk adımı attılar .

1926:ERWİN SCHRÖDİNGER; Kuantum fiziğinin “dalga mekaniği” diye adlandırılan yeni bir betimlemisini geliştirdi.yeni kavram daha sonra “Schrödinger denklemi ” diye adlandırılan ,bilimin en önemli formüllerinden birini de kapsıyordu.

1926: ENRICO FERMİ &PAUL A.M.DIRAC; İki bilim adamı ,kuantum mekaniğinin parçacıkları saymak için yeni bir yola gereksinme duyduğunu belirlediler “Fermi Dirac istatistiği”,katı hal fiziğine kapıyı araladı.

1926:DIRAC;Işığın kuantum kuramı üzerine çok önemli bir makale yayımladı

1927:WERNER HEISENBERG; Bir parçacığın aynı zamanda hem konumunu hem de hızını ölçmenin olanaksız olduğunu gösteren ünlü “belirsizlik ilkesi”ni açıkladı.

1928:DIRAC;Elektronun karşı maddenin varlığını da öngören relativistik bir kuramını ortaya koydu .

1932:CARL DAVID ANDERSON; Karşı maddeyi keşfetti . Bu parçacık ,pozitron adı verilen bir antielektrondu.

1934:HIDEKI YUKAWA; Çekirdek kuvvetlerinin ,mezon denen ağır parçacıklarca iletildiği düşüncesini ortaya attı.Bunların elektromanyetik kuvvete aracılık eden fotonlarla benzer işlev yaptığını öne sürdü.

1946-48:ISIDOR RABI & WILLIS LAMB&POLYKARP KUSCH; Dirac kuramında tutarsızlıklar keşfettiler.

1948:RICHARD FEYNMAN & JULLIAN SCHWINGER & SIN ILTRO TOMONAGA ; Kuantum elektro dinamik denen ve fotonlarla elektronların etkileşimini anlatan ilk eksiksiz kuramı geliştirdiler .Kuram ,Dirac kuramındaki tutarsızlıkları açıkladı.

1957:JOHN BARDEEN & LEON COOPER & ROBERT SCHRIEFFER ; Elektronların,kuantum özellikleri dirençsiz hareket olanağı veren çiftler oluşturabildiklerini gösterdiler.Bu süperiletkenlerin sıfır elektrik direncini açıkladı.

1959:YAKIR AHARONOV & DAVID BOHM ;Bir manyetik alanın ,elektronun kuantum özelliklerini klasik fiziğin yasakladığı bir biçimde etkilediğini öne sürdüler “Aharov –Bohm etkisi”,1960 yılında gözlendi ve akla gelmedik pek çok makroskopik etkinin gizli işaretlerini verdi.

1960:THEODORE MAİMAN ;Charles Townes ,Arthur Schawlow ve diğerlerinin daha önce yapmış oldukları çalışmaları ileri götürerek pratik kullanımlı ilk lazeri geliştirdi.

1964:JOHN S. BELL; “Bell eşitsizlikleri ” denen deneysel bir testle , kuantum mekaniğinin bir sistem için en eksiksiz tanımı verip vermediğinin sınanabileceğini söyledi.

1964: MURRAY GELL & MANN; Madde parçacıklarını oluşturan ve kuark adı verilen temel parçacıklarla ilgili bir model geliştirdi.Kuarkların varlığı 1969 yılında deneysel olarak kanıtlandı.

1970’LER: Parçacık fiziğinin maddenin dört temel kuvvet aracılığıyla etkileşen kuark ve leptonlardan oluştuğunu söyleyen Standart Model’in temelleri atıldı.Kuark modeli temelinde şiddetli çekirdek etkileşimlerini betimlemeyen “Kuantum renk dinamiği” kuramı geliştirildi.

1982: ALLAIN ASPECT; Bell eşitsizliklerinin deneysel bir sınavıyla kuantum mekaniğinin eksiksiz bir anlatım olduğunu gösterdi.

1995: ERIC CORNELL & CARL WİEMAN & WOLFGANG KETTERLE ; Mutlak sıfırın (-273 C) yalnızca milyonda bir derece üzerine kadar soğutulmuş metalik atom bulutlarını tek bir kuantum durumuna hapsederek ,70 yıl önce kuramsal varlığı öne sürülen BOSE & EİNSTEIN yoğuşmasını oluşturdular . Bu başarı atom lazeri ve süper akışkan gazlar gibi pratik uygulamalar için yolu açtı.

Kuantum Fiziğinin Garip Söylemleri

Üstüste Gelme

Kuantum fiziğinin belki de en garip (ve en çok itiraz alan) yönü bir sistemin aynı anda birkaç farklı durumda bulunabilmesi. Parçacıklar doğal olarak böyle durumlara giriyorlar. Örneğin bir elektron tek bir noktada değil de değişik noktalarda bulunabilir. Max Born 1926 yılında de Broglie dalgalarının fiziksel bir dalga olmadığını, bir olasılık dalgası olarak yorumlanması gerektiği düşüncesini ortaya attı. Buna göre parçacıklar de Broglie dalgasının bulunduğu her yerde bulunur, bunlar dalganın güçlü olduğu yerlerde yüksek olasılıkla, zayıf olduğu yerlerde de düşük olasılıkla bulunuyor. Böylece parçacığın konumu doğal bir belirsizlik taşır. Max Born bu çalışmasından dolayı 1954 yılında Nobel ödülünü kazandı. Erwin Schrödinger, üstüste gelme ilkesinin yarattığı gariplikleri en açık biçimde ortaya koyan bir düşünce deneyi tasarladı. Schrödinger’in kedisi olarak bilinen bu deneyde bir kedi aynı anda hem diri hem de ölü olduğu bir duruma sokulabiliyordu. Hem mikroskobik ölçekte hem de bazı makroskobik cisimlerde var olduğu bilinen üstüste gelme olgusunun yorumu sürekli tartışma konusu olagelmiştir.

Tünelleme

Klasik fiziğe göre herhangi bir cismin kinetik enerjisi negatif olamaz. Dolayısıyla duvara attığım bir top duvarı delmeden öteki tarafa geçemez; çünkü duvarın getirmiş olduğu enerji engelini aşabilmek için klasik fiziğe göre duvarın içinden duvarı delmeden geçmek için negatif kinetik enerjiye sahip olmalıdır. Bu da klasik fiziğe aykırıdır. Kuantum kuramına göreyse, bir enerji engelini aşmak için yeterli enerjisi olmayan bir kuantum parçacığı , yine de bu engeli aşabilir. Yani engelin öteki tarafında bulunma olasılığı sıfır değildir. Kuramın tahmin ettiği ve doğruluğu deneylerle kanıtlanmış olan ve radyoaktivite gibi olguları açıklayan bu etkiye tünelleme adı verilir.

Schrödinger Denklemi

Bir kuantum sistemi hakkında bize her bilgiyi veren araç dalga fonksiyonu adı verilen bir fonksiyondur. Dalga fonksiyonunun uzaya ve zamana bağlı değişimini veren denklemi ilk bulan Avusturyalı fizikçi Erwin Schrödinger’dir. Bu yüzden denklem Schrödinger denklemi adıyla anılır. Schrödinger denklemine göre dalga fonksiyonunun zamana göre değişimini Hamiltonian adı verilen bir operatör kontrol eder. Hamiltonian operatörü (bazen enerji operatörü adıyla da anılır) sistemin enerjisi ile yakından ilgilidir. Kuantum sisteminin sahip olabileceği enerji değerlerini Hamiltonian operatörü belirler. Bunu veren denkleme de zamandan bağımsız Schrödinger denklemi adı verilir. Schrödinger denkleminin çözümü olan dalga fonksiyonunun karesi kuantum sistemi ile ilgili olasılıkları verir.

De Broglie Dalgası

1923 yılında aristokrat bir aileden gelen Fransız fizikçi Louis de Broglie ışığın bazen dalga bazen de parçacık gibi davranmasından esinlenerek, diğer parçacıkların da dalga yönleri olabileceği savını ortaya attı. Buna göre momentumu p olan bir parçacığa dalgaboyu l=h/p olan bir dalga eşlik ediyor ve parçacığın özelliklerini tamamlıyordu. Nasıl bir gitar teli uzunluğuna bağlı olarak sadece belli frekanslarda titreşiyorsa, atomun çevresinde dolanan bir elektronun de Broglie dalgası da sadece belli dalgaboylarına sahip olmalıydı. Bu çeşit bir dalga 1913 yılında Bohr’un hidrojen atomundaki elektronların enerji seviyelerini bulduğunda yaptığı varsayımları açıklıyordu. Makroskobik cisimlerin momentumları çok daha büyük olduğundan, de Broglie dalgasının dalgaboyu ölçülemeyecek kadar küçüktür. Bu nedenle makroskobik cisimlerin dalga özellikleri gözlemlenemez. De Broglie’nin bu çalışması, kendisinin 1929 yılında aldığı dışında iki Nobel ödülü daha üretti. 1926’da Avusturyalı fizikçi Erwin Schrödinger, de Broglie’nin çalışmasını genişleterek kuantum kuramının temel denklemini elde etti ve 1933’te Nobel ödülünü aldı. 1927 yılında birbirlerinden bağımsız olarak ABD’de Davisson ve Germer, İngiltere’de de Thomson, bir kristale gönderilen elektronların tıpkı dalgalar gibi kırınıma uğradıklarını gösterdiler. Davisson ve Thomson’da 1937 yılında Nobel aldılar.

Belirsizlik Ä°lkesi

Kuantum kuramının belirsizlik ilkesi, bir parçacığın bazı farklı özelliklerinin ikisinin de kesin olarak belirlenemeyeceÄŸini söyler. ÖrneÄŸin bir parçacığın konumuyla momentumu (momentum bir cismin kütlesiyle hızının çarpımıdır) aynı anda tam olarak ölçülemez. Kuantum kuramına göre parçacığın bu iki özelliÄŸindeki belirsizliklerin çarpımı en az Planck sabiti h=6,626×10^-34 J.s kadardır. Konumu belli bir anda kesin olarak bilinen bir parçacığın momentumu sonsuz belirsizliktedir ve bu yüzden parçacık kısa sürede o noktadan ayrılır ve uzaya dağılır. Benzer ÅŸekilde momentumu kesin olarak bilinen bir parçacığın konumu sonsuz belirsizliktedir, yani böyle bir parçacık uzayın her köşesinde bulunabilir. Bu nedenle doÄŸada rastlanan parçacıkların bulunduÄŸu kuantum durumlarında parçacıkların hem konum hem de momentumu bir miktar belirsiz olmak zorunda. Alman fizikçi Werner Heisenberg, ünlü mikroskop örneÄŸini bu ilkeyi açıklamak için geliÅŸtirdi. Bir parçacığın yerini “görerek” ölçmeye çalıştığınızı düşünün. Böyle bir ölçümde parçacığın üzerine ışık göndermek, dolayısıyla parçacıkla etkileÅŸmek gerekir. Bu bile parçacığın konumunu tam olarak belirlemeye yetmez. Bu ölçümde en azından kullanılan ışığın dalgaboyu kadar bir hata yapılır. Bunun yanı sıra ışık parçacıkla etkileÅŸtiÄŸi için ölçüm, parçacığın hızında bir deÄŸiÅŸmeye de neden olur. ışık parçacığa çarpıp yansıdığı için en az bir fotonun momentumu parçacığa aktarılır. Parçacığın momentumu ölçümden önce tam olarak bilinse bile, konumun ölçülmesi parçacığın momentumunu h/l kadar deÄŸiÅŸtirir. Bu nedenle, parçacığın yerini daha iyi belirlemek için daha kısa dalga boylu ışık kullansak bile, ölçümümüz momentumdaki belirsizliÄŸi arttıracak, ama her durumda ikisinin belirsizlikleri çarpımı en az h kadar olacaktır.

Spin

Parçacıkların uzaydaki doÄŸrusal hareketleri dışında kendi iç dinamikleriyle ilgili hareketleri de vardır. Bu parçacıkları doÄŸrusal deÄŸil de küçük kürecikler ÅŸeklinde düşünürsek, bu kürelerin kendi çevrelerinde dönmeleri de etkileri gözlemlenebilen bir hareket ÅŸeklidir. Bu hareket için Ä°ngilizceÂ’de kendi etrafında dönmek demek olan “spin” kullanılır. Spin de bir açısal momentum türüdür. Fakat kuantum kuramı bazı parçacıkların (elektronlar gibi) spinlerinin gerçekten böyle bir dönme sonucu oluÅŸmayacağını söylüyor. Bu raÄŸmen dönme benzetmesi bir çok açıdan iyi bir açıklama biçimi gibi görünüyor. Kuantum kuramına göre spini “s” olan bir parçacığın spin durumu sadece (2s+1) deÄŸiÅŸik deÄŸer alabilir yada bu (2s+1) durumun üst üste gelmesiyle oluÅŸabilir. Elektron, proton ve nötronların spinleri s=1/2 dir. Yani bu parçacıkları uzaydaki hareketlerinin dışında 2 deÄŸiÅŸik durumda da bulunabilirler. Zayıf etkileÅŸimi ileten W ve Z parçacıklarının spini 1Â’dir. Bunlar da 3 deÄŸiÅŸik durumda bulunabilirler. Fotonlarsa ışık hızında hareket ettikleri için spinleri 1 olmasına karşın sadece iki farklı spin durumunda bulunabilirler. Bunların dışında bir kaç parçacıktan oluÅŸmuÅŸ birleÅŸik sistemlerin spinide hesaplanabilir. ÖrneÄŸin helyum-4 atomunun spini 0 olarak hesaplanabiliyor. Spini olan bir çok parçacık spinlerinin yönüne baÄŸlı olarak uzayda manyetik alan oluÅŸtururlar. Bu anlamda bu tip parçacıkları küçük birer mıknatıs olarak da düşünmek mümkün. EÄŸer elektronlar bir manyetik alandan geçirilirse, kendi mıktanatıslıklarının yönüne baÄŸlı olarak deÄŸiÅŸik yönlere sapmaları gerekir. 1921 yılında Stern ve Gerlach bu deneyi yaparak elektronların sadece iki deÄŸiÅŸik yöne saptıklarını, böylece bu parçacıkların sadece iki farklı spin durumunda bulunabildiklerini göstererek kuantum fiziÄŸinin en güçlü kanıtlarından birini elde ettiler

Kategori: Bilim