KUANTUM TEORİSİ
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 Pauli 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.
Sir Issac Newton, Bileşik Krallığın, güneşin batmadığı imparatorluğun yetiştirdiği en büyük dahi, gök bilimci ve üst düzey matematikçi olan Newton kuşkusuz Fizik Bilmine kazandırdıkları ile günlük hayatımızda adeta hareket eden herşeyi matematiksel olarak açıklamanın bir yolunu bulmuştu.
Dahi Newton Neyi Yanlış Yaptı?
Bununla da kalmamış gezegenlerin neden eliptik yörüngede döndüğünü, buna hangi devasa gücün sebep olduğunu Newton Kütle Çekim Kanunları ile açıklayıp, hareket eden cisimlerin üzerine Newton Hareket Kanunlarını çıkartmıştır.
Newton ile beraber bilim çağ atlamış ve gelişmekte ivme kazanmıştır. Bu yükselen ivmeyle öyle şeyler bulunmuştur ki bir çoğu halen Newton yasalarının geçerliliğini koruduğunu kanıtlamıştır. Ancak fizikde bir kaç olay bilim adamları tarafından açıklanamaz bir kör düğüm konumuna gelmiştir.
Bu açıklanamayan olaylar;
-
Siyah cisim ışıması
-
Fotoelektrik olay
-
Atomların kararlılığı
olarak kısaca sıralayabiliriz.
Ortalama diyoruz, çünkü istatistiksel açıdan kesin veriler değil, ancak ortalama değerler elde edilebilir. Lord Rayleigh ve Sir James Jeans, gazların kinetik kuramına başarıyla uygulanan istatistiksel modeli, iç duvarları kusursuz ayna olan kutuda hapsedilmiş "ışık" dalgalarına uygulamaya çalıştılar. Ama burada temel bir zorlukla karşılaştılar. Bir gaz kabındaki molekül sayısı çoktu; ama "sonlu" ydu,oysa ışığın hapsolduğu ideal bir ayna cidarlı kutuda farklı titreşim tiplerinin sayısı "sonsuz"du. İşi basitleştirmek için “Jean Küpü”nün yalnızca sağ ve sol iç duvarları arasında gidip gelen dalgaları düşünelim. Bu dalgalar, duvarlarda zamanla genliğin kaybolacağını söyleyen sınır koşullarına uymalıdır... Bunu üç boyutta düşündüğümüzde "sonsuzluk" sayısının daha da artacağı açıktır.
Gazların kinetik kuramı, klasik fiziğin çok önemli başarılarından biriydi. Bu kurama göre, hiç bir molekülü dışarı kaçırmayacak ideal bir gaz kabındaki N molekülün toplam enerjisi E olsun. Bu toplam enerji (E) , enerjinin eşit dağılımı yasası diye bilinen temel bir istatistiksel teoreme göre ortalama olarak moleküllere eşit olarak dağılmıştır.
Titreşim modu (düğüm noktası) sayısı sonsuz, ama enerji sonlu. Yani titreşim modu başına düşen enerji = E/ sonsuz = tanımsız. Bu, kuşkusuz saçma bir sonuçtur. Yani açıkça, klasik kuram, artık cisimlerin doğasına ilişkin bilgilerimizle çelişmekteydi. Atomik ölçekte,maddenin davranışını açıklamak için klasik fiziğin uygulama denemeleri tamamen başarısız oldu. Siyah cisim ışıması, fotoelektrik olay ve bir gaz deşarjında atomların yaydığı keskin çizgiler klasik fizik çerçevesinde anlaşılamadı. George Gamow `un dediği gibi:" Bir kuram, cisimlerin doğası ile ilgili bilgilerimizle çeliştiği zaman, cisimlerin yapısı değil kuram yanlış olmalıdır". Doğaya yeni bir bakış açısıyla bakmak gerekiyordu. Bu devrim, 1900 ile 1930 arasında gerçekleşti. Kuantum Mekaniği denen bu yeni yaklaşım atom,molekül ve çekirdeklerin davranışını başarıyla açıkladı.
Serüven Başlıyor
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 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 Einstein
Dalga özellikleri olan ışığın aynı zamanda daha sonra foton diye adlandırılacak olan belirli büyüklükte enerji paketlerinden oluştuğu düşüncesini ortaya attı.
1911-1913:Ernest Rutherford & Nıels Bohr
Rutherford atomun çekirdek modelini oluşturdu . Bohr ise ,atomu bir gezegen sistemi gibi belirledi .Ayrıca durağan enerji durumlar kavramını ortaya attı. Hidrojenin tayfını açıkladı.
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.
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
1924 Albert Einstein
1925 Wolfgang Pauli
Aynı özelliklere sahip fermiyon türü iki parçacığın aynı enerji düzeyinde bulunamayacağını söyleyen “dışlama ilkesi” ni açıkladı .
1925:Werner Heisenberg
Kuantum mekaniğinin ilk biçimi olan matris mekaniğinin geliştirdiler ve kuantum alan kuramı yolunda ilk adımı attılar .
1926:Erwin Schrödinger
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
1925 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 - 1948 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 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.
Üst Üste Gelme İlkesi
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.
Tünelleme
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.
Schrödinger Dalga Denklemi
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.
De Broglie Dalgası
Kuantum kuramının belirsizlik ilkesi, bir parçacığın bazı farklı özelliklerinin ikisinin de kesin olarak belirlenemeyeceğini söyler. Örneğin bir parçacığın konumuyla momentumu (momentum bir cismin kütlesiyle hızının çarpımıdır) aynı anda tam olarak ölçülemez. Kuantum kuramına göre parçacığın bu iki özelliğindeki belirsizliklerin çarpımı en az Planck sabiti h=6,626x10^-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 şekilde momentumu kesin olarak bilinen bir parçacığın konumu sonsuz belirsizliktedir, yani böyle bir parçacık uzayın her köşesinde bulunabilir. Bu nedenle doğada rastlanan parçacıkların bulunduğu kuantum durumlarında parçacıkların hem konum hem de momentumu bir miktar belirsiz olmak zorunda. Alman fizikçi Werner Heisenberg, ünlü mikroskop örneğini bu ilkeyi açıklamak için geliştirdi. Bir parçacığın yerini "görerek" ölçmeye çalıştığınızı düşünün. Böyle bir ölçümde parçacığın üzerine ışık göndermek, dolayısıyla parçacıkla etkileşmek 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 etkileştiği için ölçüm, parçacığın hızında bir değişmeye 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 değiştirir. Bu nedenle, parçacığın yerini daha iyi belirlemek için daha kısa dalga boylu ışık kullansak bile, ölçümümüz momentumdaki belirsizliği arttıracak, ama her durumda ikisinin belirsizlikleri çarpımı en az h kadar olacaktır.
De Broglie Dalgası
1914 James Frank & Gustav Hertz
Bir elektron saçılım deneyiyle durağan durumların varlığını doğruladılar
