Kuantum Fiziği Öncesi

Kuantum Fiziği Öncesi
Galileo ve Newton'un temellerini attığı ve onları izleyen 2 yüzyıl boyunca bir çok kanıtlarla güçlenen mekanik teori prestijinin zirvesine ulaştı. Bilim; hiç değilse fiziki ilimler, son aşamaya ulaşmış sayılıyor, geriye daha hassas ölçümler ayrıntılar kaldığına inanılıyordu. Galileo'dan beri bilim animistlerin (canlı) dışındaki şeylerin hepsini yüce Allah'a bağlayan telakkileri ortadan kaldırmaya çalışıyordu.
Determinizm adeta ilahlaştırılıyordu. Fizik dogmatik bir hale doğru giderken yavaş yavaş mekanik teoride çatlaklar oluşmaya ve büyüme başlıyordu.
l9.yy son yarısında İngiliz Maxwell dahice bir buluşla ışık olaylarının aslında elektromanyetik olaylardan başka bir şey olmadığını gösterdi. Optik ve elektrik birlikteliği sağlanmıştı. Ama elektromanyetikkimyayı mekanikle bağlaştırmak imkanı bulunamıyordu. Klasik mekanik olayların meydana geldiği yer olarak mutlak salt bir uzay ve zaman var sayıyordu, elektro manyetizma teorisi ise buna uymuyordu.
Mekanik teori ile alan teorisini ancak “Esir” denilen hayali bir madde bir arada tutabiliyordu. Esir denen bu madde ağırlıksız tüm boşlukları dolduran maddeydi.
20.yy başlarında öyle fiziksel hadiselerle karşılaşıldı ki bunları klasik fizikle açıklamak imkansızdı. (Siyah cisim ışıması, compton olayı, foto elektrik olayı. .)
Özetle, ışık, bazen dalga, bazen tanecik, foton görüntüsü veriyordu. Bu ikisini içine alan karmaşık teorilere ihtiyaç vardı. Böylelikle doğanın dalgacık, tanecik özelliklerini birleştiren Kuantum teorisi gelişmeye başladı.
Esirin varlığını ispatlamak için yapılan Michelson-Morley deneyi mekanik teoriyi gerçek bir bunalıma soktu. Einstein’e kadar 30 yıl açıklanamadı. Newton'un teorisi çok ciddi tenkitlere uğruyordu.

Brown Hareketiİskoç Botanikçisi Robert Brown 1827 yılında suya bırakılan çiçek tozlarının titrediklerini, bunun adi bir mikroskopla gözlenebileceklerini söylüyordu. Brown, belirli bitkilerin çiçek tozlarını suya koyup davranışlarını incelerken bir çoğunun açıkça hareket ettiğini gördü. Sık sık yenilediği gözlemlerden sonra, bu hareketlerin sıvıdaki akımdan ve bu sıvının yavaş yavaş buharlaşmasından ileri gelmediğini bilakis taneciklerin kendi hareketleri olduğuna inandı. Brown'ın gözlemlediği şey suya konulan taneciklerin hiç durmayan kıpırtısıydı. Değişik çiçeklerin tozlarını denemek sonucu değiştirmiyordu. Hatta inorganik cisimlerin çok küçük boyuttaki parçacıkları dahi suyun içine atılınca hareket ediyorlardı. Bütün eski deneylerle çelişir gibi görünen bu hareket nasıl açıklanmalıydı? “Brown Hareketi” adı verilen nedeni üzerinde birçok kuşak hiçbir sonuç elde edemeden düşünmüşlerdi. Suya bırakılan her bir taneciğin konumu, garip bir yörüngedeydi. Şaşırtıcı olan hareketin durmadan devam etmesidir. Sallanan bir sarkaç, suya konulunca çabucak durur. Brown Hareketinde gözlemlediğimiz “asla azalmayan bir hareketin varlığı “bütün deneylere aykırı görünüyordu.

Einstein bilmeceyi çözdü. Maddenin kinetik teorisini göz önünde bulundurarak sıvının atom ve taneciklerinin kendilerine oranla çok büyük olan katı parçacıkları harekete geçirdiklerinin farkına vardı. Yani suyu oluşturan atomlar kendilerinden kat kat büyük olan çiçek tozlarını bombalamaktaydılar. Bombalanan tanecikler yeteri kadar büyükse Brown Hareketi oluşmaktaydı. Bombalanan moleküllerin belli bir enerjisi olmasaydı, başka bir deyişle onların kütleleri ve hızları olmasaydı Brown hareketi oluşmazdı. Dolayısıyla bu hareketin incelenmesinin, bir molekülün kütlesini ölçmeye yaraması hiçte şaşırtıcı değildir ... diyor Einstein. Einstein derhal bu fıkri formulize etti. Bununla da atoma şiddetle karşı çıkanları bile inandırdı.

Fotoelektrik Olay
Yüzyılımızın başında ortaya atılan iki teori fizik ve felsefe dünyamızı çok derinden etkiledi. Bunlar Kuantum ve Rölativite teorisidir. Rölativite teorisi tek başına kendi yolunda yürüyen bir adamın ürünüyken Kuantum teorisi birçok kişinin katkılarıyla oluşmuştur. Bu kişiler Planck, Einstein, Bohr, De Brogfie, Schroedinger, Heisenberg, Dirac ve Pauli... dir. Bunlann herbirine Nobel Ödülü Kuantum Teorisine katkılarından dolayı verilmiştir. Kuantum Teorisi yüzyılımızın en büyük bilimsel devrimi sayılırken Einstein’in bu alandaki katkıları da gözden uzak tutulamaz.
Isıtılarak kızıl kor haline gelmiş bir metalin çıkardığı ısı ve ışık radyasyonunun niteliği pek çok fizikçinin ilgisini çeken bir problemdi. Evrende her cisim radyasyon neşreder. (ve\veya emer). Bununla birlikte cismin emdiği radyasyon ile neşrettiği radyasyonun eşit olabilmesi için çevresiyle termal dengede olması gerekir. Böyle bir dengedeki mevcut radyasyona “siyah cisim ışıması” denir.
Ateşte kızdırılan maşa önce kızılaltı kesimine düşen uzun dalgalı radyasyon yayar. Sıcaklığın artmasıyla giderek daha kısa sarı, nihayet beyaz görünür. Daha da artmasıyla yelpazenin mor ötesi kesiminde gözle görülemeyecek kısa dalgalara dönüşür. Max Planck çalışmaya başladığında bu enerji dağılımını ölçebilmekte idi. Problem ölçme sonuçlarının beklenene uymamasından kaynaklanıyordu.
Radyasyon enerjisi sürekli akış biçiminde kabul edildiğinden sınırsız uzaması gerekirdi. Ne var ki deney hiçbir maddenin nedenli ısıtılırsa ısıtılsın sonsuz enerji vermediğini gösteriyordu. Çözüm çok basitti: Radyasyonun sürekliliği fikrinden vazgeçmek. Ama doğanın sürekliliği o zamanlar su götürmez gerçek sayılıyordu. Planck çözümünün inandığı klasik fiziği sarsacağını bilmiyordu.
Planck giderek temel formülüne ulaşıyordu E=h.f (h=6,625. 10(üzeri -34) joule/saniye ). Formül Planck'ın Kuantum ediği enerji parçacığı ile dalga frekansı arasındaki ilişkiyi sergilemekteydi.
Işıkta hem dalga hem de foton-tanecik özelliği göstermekte idi. Kuantum mekaniği ile bu iki durumun bir birine zıt olmadığı anlaşıldı.
(bu ikilem dualite ilkesi denir.)
Kuantum Fiziği, Atom -Altı Parçacıklar
Kuantum Fiziği 20.yy bilminde en önemli kilometre taşlarından biridir. Hatta pek çok felsefi ve epistemik dönüşümler başlatan yolun gerçek başlangıcıdır. Kuantum teorisi, mikrokozmozun, atom ve onun daha alt elementer parçacıklarının doğasını tasvir etme girişimiyle ortaya çıkmıştır. Kuantum fiziği birçok bilim adamının ekip çalışması ve birbirlerine önemli katkıları sayesinde bugünkü seviyeye gelebilmiştir. Planck, Rutherford, Thomson, Beguerel, Marie Curie, Einstein, Bohr, de Broglie, Schrödinger, Dirac, Heisenberg, Paul gibi birçok değerli bilim adamının ortak ürünüdür. Kurucuları arasında Einstein'nında bulunmasına rağmen kuantum fiziğinin klasik fiziğe ve yerleşik sağ duyuya aykırı sonuçları, onu evladı sayılan bu teoriye sırt çevirdiğini görmekteyiz özellikle, bu teorinin nesnel gerçeklik kavramlarıyla çelişmesi ve diğer büyük teori rölativitenin ruhuna aykırı “ani, hayaletvari, yerel olmayan” etkileşmeler içermesi onu şaşırtmış olmalıydı ki, sağ duyuya aykırı bu teorinin geçici olduğuna inanıyordu.
Rutherford alfa ve beta ışımasını bulmuş, bir elementi diğer elemente dönüştürmeyi başarmış, atomların merkezinde (+) yüklü bir çekirdek ile bunların etrafında dolaşan (-) yüklü elektronları bulmuştu. Atom olaylarının devinimlerini açıklayan tutarlı bir teori Paul tarafından ortaya atıldı.
Heisenberg'in belirsizlik ilkesi bir parçacığın gelecekteki konumunu ve hızını hesaplayabilmek için şu andaki durumu kesin olarak ölçülebilmelidir.

Örneğin elektronu ele alalım çekirdek etrafındaki hızı en az 10(üzeri 10) cm/s içinde tanımlanmalıdır aksi halde elektron atomun çekiminden kurtulup dışarıya fırlayacaktır. Bu elektronun konumunda 10 (üzeri (-8)) cm lik oynama demektir. l0 (üzeri (-8)) zaten atomun çapıdır. Bu da şu demektir; elektron aynı anda atomun her yerinde bulunabilir.

Netice olarak kuantum fiziği tek ve kesin bir sonucu öngörmez.
Yeni fizikte bir çığır da DIRAC'le açıldı. Dirac bir tek matris denklemine eşdeğer rölativistik dalga denklemleriyle ortaya atıldı. O elektronların “spin” denen açısal momentuma sahip olduklarını ve anti-parçacıkları öngörüyordu.

Yine Bohr'un da yeni fıziğe katkıları çok olmuştur.
Max Planck, Einstein, Schrödinger gibiler kuantum teorisinden ürkmüşler, bazıları kulak tıkamışlardır. Hatta “Schrödinger'in Kedisi” bu yüzden tasarlanmıştır.*
Kuantum dünyası her ne kadar bize ters gibi gelse de şimdilik deneyler onu haklı çıkarmaktadır.
(Spinlerin bizim seçimimize kadar gecikmesi, varlıkların lokal olmayan bağıntılarla irtibatlı olması, ihtimallerle yol seçilmesi vb de kuantum Haklılığı gösterir mahiyettedir)
(*) Sağlıklı bir kediyi hava alabilen bir kutunun içine koyalım. Kutuda zehirli bir gaz şişesi bulunsun. Ve bu şişe yarı ömrü 1 saat olan radyoaktif mikroskobik bir parçacıkla işleyen mekanizmaya bağlı açılıp kapansın.
Bir saat sonra kedinin ölü-canlı ihtimalleri eşittir. Kedinin durumu=canlı +ölü' dür yani kedi bir süperpoze durumunda hem ölü hem canlı gibidir. (kitap dışı olarak bkz. Bilim ve teknik Ocak '97, Bir Berilyum atomunun aynı anda iki yerde birden bulunması sağlandı.)
En Küçükler
Son birkaç on yılda proton, nötron ve elektron gibi parçacıkların LEPTON VE KUARK denen iki temel sınıftan oluştukları anlaşılmış ve bunların şaşırtıcı antileri kesinleşmiştir.
MÖ 4.yy da Demokritus maddenin mahiyeti ile ilgili düşünürken onun en küçük bölünemez bir taneciğinin bulunacağına hükmetti ve bölünemez manasına gelen `atom' adını verdi. Bu takip eden 2000 yıl boyunca değişmedi.
Atomun çapı l0-8cm olup çekirdek etrafında elektronlar dolanmaktadır.
Atomun çekirdeği toplam hacminin milyarda biri olmasına rağmen kütlesi korkunç bir şekilde fazladır (toplamın %99 97 !!!). Ve bir elektron, protonla aynı miktar elektrik yüküne sahipken kütlesi 1836'da biri kadardır.
Nötrinolar
Nötrinoların kütlelerinin yok denecek kadar az olması, manyetik alandan etkilenmemeleri, ışık hızıyla hareket etmeleri yakalanmalarını güçleştirmektedir. İlk olarak -teorik öngörüsünden 24 yıl sonra- 1956 ABD Güney Carolina’da bulunabildi.
Bunlar dünyamıza bir ucundan girip 1/25 saniyede öbür ucundan çıkabilirler. Üç çeşidi vardır; Muon, tau ve elektron nötrinosu. Bunlar hesaplanan tahmini kıyametin zamanını daha da yaklaştırır.
Pozitronlar
Bunlar elektronun kütlesine sahip, pozitif yüklü parçacıklardır. Yaşam süreleri çok kısadır.
Fotonlar; Aksiyonlar, bozon, gluon, grevitation
Bu günkü evrende her çekirdek için 20-100 milyon arası foton vardır. Fotonların antisi yoktur, (1) tam spinlidirler.
Elektrik yükü ve kütleleri de yoktur.

Mezonlar
İkili kuarkın birleşmesinden oluşur (biri kuark, diğeri anti kuark). Eşit sayıda yaratılmışlardır. Pion, Kaon, Eta... gibi çeşitleri vardır.

Özel İzafiyet
...Şimdi en can alıcı noktaya geldik: ışık hızına yakın bir hızla giden tren ve üzerindeki yolcu örneğini iyi anlayalım.
Tren A noktasından B noktasına hızla hareket ediyor. Tren farz edelim ki saat tam 12'de M noktasına gelmiş olsun.
Yere göre saat tam 12'de A ve B noktalarına aynı anda yıldırım düşsün. Yerdeki gözlemci (C) şöyle diyecektir: Saat 12.00'da A ve B ye aynı anda yıldırım düştü.
Gelelim tren üstündeki yolcuya. Çok hızlı A dan B ye gittiği için A nın ışığı yerdeki gözlemciye ulaştığından daha geç ulaşacaktır. Mesela 12.10'da. Tren üzerindeki yolcu şöyle diyecektir: (B'nin ışığı, çok hızlı tren üzerindekine yerdeki C'ye göre daha çabuk ulaşacağından) 12'ye 10 kala, A ya 12.10 da yıldırım düştü.
Şimdi trenin ışık hızı ile gittiğini düşünelim. Bu takdirde A'nın ışığı hiç bir zaman yolcuya ulaşamayacaktır. Yolcu şöyle diyecektir: B noktasına yıldırım düştü. Yolcuya sorulduğunda yıldırım sadece B ye düştü A ya düşmedi.
TANRI’YA KOŞAN FİZİK
Yazar: Sadettin MERDİN