What is MY IP Address SSD VPS

Konuyu Değerlendir
  • 3 Oy - 2.33 Ortalama
  • 1
  • 2
  • 3
  • 4
  • 5

KUANTUM DEVRİMİ - II
#1

Devrimin Başlangıcı: Kara Cisim Işıması

1800’lerin sonunda, fizikteki en temel sorunlardan birisi, ısıtılan bir metalin nasıl ve neden ışıma yaptığı idi. Bunu siz de gözlemlemişsinizdir, bir metali sürekli ısıtırsanız önce kızarır, sonra sırasıyla sarı, mavi ve en son mavimsi beyaz bir ışık yaymaya başlar. Esasında sıcaklığı olan her şey ışıma yapar ama biz sadece görünür bölgede olanları görebiliriz. Termal kameraları duymuşsunuzdur, mesela onlar kızıl ötesi bölgedeki ışımaları algılayabilirler. Fark ettiğiniz üzere sıcaklık arttıkça daha yüksek enerjide (yani daha yüksek frekansta = daha düşük dalga boyu) ışıma gerçekleşir.

[Resim: 2najhw6.jpg]

Soruyu daha kolay çözebilmek için ideal bir soğurucu durumunda ne olacağı düşünüldü, buradaki ‘Kara Cisim’ de ideal, yani sıfır kayıplı soğurucuya ve yayıcıya karşılık gelmektedir.

Temel sorun şuydu; bu ışımaya klasik fiziğin yaklaşımını kullanarak, yani yayılan ışığı bir elektromanyetik dalga olarak düşünüp çözüm getirilmeye çalışıldığında, denklemler çuvallıyordu. Yüksek frekanslara doğru gidildikçe ışımanın enerjisi sonsuz oluyordu ki, bu imkânsızdı; çünkü ısınan bir metalden yayılan enerjinin sonsuz olmadığı açıktı! (Bu duruma, ‘mor ötesi felâket’ adı verilir.) Planck, sorunun cevabını matematikle oynarken buldu. Getirdiği açıklamanın bir devrimi başlattığını henüz bilmiyordu…

Kuanta!

Cevap, devrime de adını veren ‘Kuanta’ idi, yani ‘kesikli dilimler’. Planck, kara cisim ışıması deneylerinden ortaya çıkan grafikleri inceledi, olayda etkili nicelikleri düşündü ve nasıl bir denklemin böyle bir grafik verebileceği üzerinde çalıştı. Ve denklemi de buldu, ama çalışmasının bilimsellik niteliği kazanabilmesi için o denklemi veren mekanizmayı da bulmalıydı. Ondan öncekiler şimdiye dek, ışığın klasik dalga kuramını kullanarak mekanizmayı açıklamaya çalışmışlardı ama sonuç hep mor ötesi felaketle sonuçlanıyordu.

[Resim: 16j22k6.jpg]

Planck soruna devrimsel bir öneriyle yanıt aradı. Işığı, dalga olarak değil de kuantalardan oluşmuş bir parçacık gibi düşünecekti. Her bir ışık parçacığı (foton), bir enerji paketi halinde uzayda ilerliyordu. Her bir paketin enerjisi, bir sabit (h Planck sabiti) çarpı frekanstı. Garip bir yaklaşım olduğu açıktı, zira frekans aslen dalgalara has bir özellikti. Planck’ın çözümü, hem ışığı parçacık olarak modelliyordu, hem de bu parçacık modellemesinde ışığı dalgaymış gibi düşünüp frekansını kullanıyordu.

[Resim: 33nupsi.jpg]

Ama tuttu! Her şey matematiksel bazda eksiksizdi. Fakat teori deneysel bazda güvenilir değildi. Planck’ın yaklaşımının kabul görebilmesi için deneysel gözlemlerle de desteklenmesi gerekiyordu.
Bunu da Einstein yapacaktı:

Foto-Elektrik Etki


[Resim: hwyeqs.jpg]

Planck’in bu yaklaşımına deneysel destek, üzerine ışık düşürülen bir metalden fırlayan elektronların enerjilerinin ölçülmesi yoluyla, Einstein’dan geldi. Klasik fiziğin ışık dalga kuramına göre, ışığın şiddeti arttıkça, fırlayan elektronların da enerjisi artmalıydı. Fakat metal plakanın üzerine düşen ışığın şiddeti arttırıldığında sadece metalden fırlayan elektronların sayısı artıyordu, ama her bir elektronun enerjisi aynı kalıyordu. Çok garip bir şekilde, şiddeti değil de ancak frekansı arttırdıkça fırlayan elektronların enerjisi artmış oluyordu. Düşük frekanslı ışıkta, şiddet ne kadar artırılırsa artırılsın hiç elektron yayımı olmuyordu, ancak her bir metal için farklı bir değerde olmak üzere, belli bir frekansın üzerinde elektron yayımı başlıyordu.

[Resim: fd66mt.jpg]

Bu etki ancak Planck’ın, ışığı her biri hxf (h Planck sabiti çarpı frekans) enerjili paketçikler olarak gören yaklaşımıyla açıklanabiliyordu. Einstein, Nobel ödülünü de bu buluşuyla almıştır.

Işık: Tanecik? Dalga?

Fakat bu yeni devrimsel bulgu, ışığın ‘ne’ olduğuna dair büyük bir açmaz getiriyordu. Çünkü mesela girişim gibi, ancak ışığın dalga kuramıyla açıklanabilen özellikler de bir vakaydı. Bilim adamları artık şaka yollu Pazartesi, Çarşamba ve Cumaları ışığın dalga kuramını; Salı, Perşembe ve Cumartesileri ise parçacık kuramını kullandıklarını söylüyorlardı!

Devrim Devam Ediyor…

O zamanki mevcut atom modelindeki sorunsalı hatırlayalım. Atomun pozitif ve negatif parçacıklardan oluştuğu kesindi (dikkat, henüz nötron ortada yok!) fakat bilinemeyen, bu parçacıkların atom içinde nasıl bir konumda olduklarıydı. Rutherford deneyleri, merkezde kütlece yoğun pozitif yüklü bir kitlenin olduğunu göstermişti, o halde elektronlar çeperlerdeydi. Ama bu durumda eğer hareketsiz duruyorlarsa elektriksel çekim nedeniyle merkeze düşmeleri gerekirdi. Yok, eğer bir yörüngede dönüyorlarsa, yaydıkları radyasyon nedeniyle solukları tükenip yine merkeze düşmeleri gerekirdi –üstelik hesaplamalara göre saniyenin milyonda biri bir sürede!- Ama böyle olmadığı da açıktı; atomlar, maddeler kâinatın başlangıcından beri vardı ve elektronlar çekirdeğe düşmüyorlardı.

Bu fenomeni açıklayan öneri Bohr’dan geldi:

Bohr Atom Modeli

Bohr’un getirmiş olduğu öneri şöyle: Atom içinde izin verilmiş bölgeler vardır ve elektronlar bu bölgelerdeki yörüngelerde dolaşabilirler, ama yasaklı bölgelerde bulunamazlar. Elektronların merkeze doğru yörüngeler arası atlayışları esnasında –çünkü artık yörüngeler arasında süreklilik olmadığından elektron, aradaki yasaklı yörüngeleri es geçerek doğrudan öbür ‘yasal’ alana sıçrıyor!- iki yörünge arasındaki enerji farkına bağlı olarak bir foton yayımlanır. (fotonun enerjisi=hxf) Elektronun uygun frekansta bir foton emmesi durumunda ise, emdiği fotonun enerjisine bağlı olarak üstteki bir yörüngeye sıçramaktadır.

[Resim: nxl15k.jpg]

[Resim: 141url1.gif]

Bohr’un modelini klasik yaklaşımdan farklı kılan en önemli özellik, elektronların yörüngelerinde süreklilik yerine ‘kesikliliği’ önermesi. Klasik yaklaşıma göre, her bir yörüngenin yasal olabilmesi gerekmekte ama deney sonuçları bunun böyle olmadığını, hakikaten de elektronun sadece bazı yasal alanlarda dolanabildiğini, bunun dışındaki alanlarda bulunamadığını gösteriyor. Neden böyle bir sınırlama vardı peki? Bu sorunun cevabını De Broglie verecekti.

Broglie ‘Madde Dalgaları’

Planck’ın, onun zamanına kadar bir dalga olarak görülen ışığın ikili doğasını keşfettiğini, yani onun parçacık özelliğini öngördüğünü, Einstein’in de yaptığı foto-elektrik deneyleriyle bunu gözlemsel olarak ispatladığından bahsetmiştik. De Broglie, ışığın bu ikili doğasından yola çıkarak, acaba bunun tersi de olabilir mi diye sordu. Yani, nasıl ki ışık bir dalga olarak biliniyordu ama kuantum bulguları onun parçacık gibi de davrandığını ortaya koymuştu; acaba parçacık olarak bilinen şeyler de dalga özelliği gösterebilir miydi? Tahmin edeceğiniz üzere kuantum dünyasında bu tür ‘absürd’ soruların cevabı genelde ‘Evet’ oluyor!

De Broglie, henüz Thomson tarafından yeni keşfedilen ve bir parçacık olduğu elektriksel etkilerden anlaşılan elektronun dalga özelliğinin de olduğunu önerdi. Önerisine göre, elektronun dalga boyu h / mv; yani h Planck sabitinin elektronun kütle ile hızının çarpımına bölümüydü. Tabi bu da ilginç, neden, çünkü bu eşitliğe göre dalga boyu, aslen parçacıklara has bir özellik olan kütleye bağlı. Ama dedik ya, burası kuantum dünyası…

Fakat Broglie’nin önerisi, salt bu haliyle teorik bir çalışmaydı ve doğrulanması için deneysel kanıt gerekiyordu. Bu da, elektronların, ancak bir dalganın gösterebileceği bir özellik olan’ kırınım’ (*) etkileri göstermesiyle ispatlandı.

(*)Kırınım için bir çeşit girişim etkisi denebilir. Elektronların bu etkisi için Çift Yarık Deneyi’nin anlatıldığı ‘Kuantum Devrimi-I’ yazısında ilgili yere tekrar müracaat edilebilinir.


Elektronun kırınım desenleri

Elektron mikroskobunu duymuşsunuzdur; normalde mikroskopla görülemeyecek küçüklükteki mesafeleri bile ayırt edebilen çok güçlü bir mikroskoptur. İşte bir elektron mikroskobunun çalışma prensibi ilhamını De Broglie’nin bu önerisinden almaktadır. Elektron mikroskoplarında, diğer mikroskoplar gibi görünür ışıkla gözlem yapılmaz, onun yerine dalga boyu çok daha ufak olduğundan çözünürlüğü çok daha kuvvetli olacak olan elektronlar kullanılır, yani elektronların dalga özelliğinden faydalanılmaktadır.

Broglie’nin bu buluşuyla, Bohr modelinde cevaplanmayan, neden bazı yasaklı alanlar olduğu sorusu da cevap bulmuş oldu. Hata, elektronu parçacık gibi düşünmekten kaynaklanıyordu. Oysa dalga yapısındaki bir elektron için, elbette her yörünge yasal olmayacaktı. Bir dalga olan elektronun kararlı olabilmesi, sönmemesi, ancak frekansıyla uyumlu belli yarıçaplardaki yörüngelerde yer almasıyla mümkündü.

Böylece, dalgaların parçacık özelliği gösterebilmesinin şoku henüz atlatılmamışken parçacıkların da dalga özelliği gösterdikleri görülmüştü. Bahsi geçen dalga özelliği gösteren bu parçacıklar (elektron, daha sonraları proton ve nötronlar ve atomik boyuttaki tüm parçacıklar) kâinatın yapı taşlarıydı ve eğer bu yapı taşı hükmündeki parçacıklar dalga iseler, karşımızda duran kâinattaki tüm maddelerin ‘maddî’ hali nasıl mümkün olabiliyordu? Öyle görünüyordu ki, her şey iç içe geçmiş şekilde hem birer dalga idi hem de parçacık…

Schrödinger Dalga Denklemi

[Resim: sxor2g.jpg]

Newton’un, cisimlerin hareketlerine dair ikinci kanununu incelemiştik. (Kuvvet=kütle x ivme) Bu denklem sayesinde herhangi bir klasik sistemin çözümlemesi, sisteme ait verilerin bilinmesiyle mümkün olmaktaydı. Schrödinger, kuantum sistemleri için benzer anlamda bir denklemi türetmesiyle bilinir. ‘Schrödinger Dalga Denklemi’, bu bağlamda atom altı dünyanın ‘F=ma’sıdır, bu da Schrödinger’i kuantumun Newton’u yapmaktadır. Bu denklemin herhangi bir kuantum sistemine uygulanması durumunda sisteme ait enerji, momentum, açısal momentum vb. fiziksel olarak gözlenebilen nicelikleri hesaplanabilir.

[Resim: zmgyna.jpg]

Yalnız bu, Bohr’un atom kuramıyla da uyumlu ve öngörüleri deneysel olarak da kanıtlanan denklemde çok ciddi bir sorun vardı. Denklemde yer alan y’nin fiziksel anlamı neydi? Schrödinger’in denkleminden yola çıkarak hesaplanan enerji, momentum vb. fiziksel nicelikler anlamlıydı zira bunlar deneysel olarak da gözlenebilir niceliklerdi ama y için böyle bir şey söz konusu değildi. y ‘in ne olabileceğine dair iki temel açıklama hâkimdi:

Schrödinger’in Açıklaması: y, maddenin uzay içindeki fiziksel dağılımını veren bir ifadedir. Bu açıklama, örneğin elektronun belli bir anda bir konumda değil, birden fazla konumda aynı anda bulunduğunu kabul etmeye götürür.

Born ve Heisenberg’in Açıklaması: y dalga fonksiyonunun karesi bize, maddenin uzayın belli bir konumunda bulunma olasılığını verir. Gözlemciler olarak bizler kuantum sistemlerinin durumlarına dair ancak olasılıklar üzerinden konuşabiliriz, kesinlik yoktur.


[Resim: f9kvb7.jpg]

Einstein’in ‘Tanrı zar atmaz’ meşhur sözünü söylemesi, Born ve Heisenberg’in yukarıda özetlenen görüşleri ötürüyledir. Bu noktada, dönemin tüm ünlü kuantum fizikçilerinin katıldığı (Einstein, Dirac, Bohr, Heisenberg, Born ve Schrödinger vb.) Beşinci Solvay Konferansı, kuantum tarihi bakımından son derece önemlidir. Bu konferansta, Schrödinger’in dalga denklemi üzerine yukarıda belirtilen yaklaşımlar ekseninde çok çetin tartışmalar yaşanmıştır. Meşhur Bohr-Einstein atışmaları da bu konferansta gerçekleşmiştir.

Einstein için, başlarda devrim saflarındayken, hatta devrimi başlatan en önemli isimlerden biriyken daha sonra karşı-devrim saflarına geçmiştir denebilir. Einstein’in bu taraf değiştirmesinin sebebi olarak bilim tarihçileri, onun Yahudi arka planını görmektedirler. Einstein, kuantum fiziğinin gitmekte olduğu yolun Yahudi İlahiyatının temel prensipleriyle çatışmakta olduğunu düşünüyordu ve onun dindar yanı, kuantum fiziğinin determinizmi geçersiz kılan bulgu ve önermelerine karşı çıkmasını dürtüklüyordu. Bu yüzden, ölünceye dek kuantum fiziğindeki ‘garipliklerin’ hep gizli bir takım değişkenlerden ötürü olduğunu ve bu değişkenlerin bulunmasıyla klasik fiziğin ilkelerinin kullanılmaya devam edilebileceğini savundu. Göreceliği bularak zaman ve mekânın mutlak olmadığını gösteren, Newtonian kâinat anlayışını yerle bir eden Einstein için bile kuantum fiziği, kabul edilemeyecek ölçüde sıra dışıydı.

Bu harika makale için İsmail Yiğit e şükranlarımı sunuyorum.
Alıntı


Benzer Konular
Konu: / Yazar Cevaplar: Gösterim: Son Mesaj



Bu konuyu görüntüleyen kullanıcı(lar): 2 Ziyaretçi