Kuantum Mekaniği Bölüm 1; Kuantum’un Doğuşu

6948_quantum2Bilimsel bir bakış açısıyla her şey çok çok hızlı gelişiyor. Sadece birkaç kuşak öncesine kadar nesneleri sadece gördüğümüz gibi algılıyorduk. Gördüğümüz şey doğruydu. Yani Newton’’ın dünyası……

Newton’a göre yaşamımızın temeli, kütle çekimidir ve bu fikir bilim tarihinde bir çığır açmıştır.

Teknoloji o kadar gelişmiştir ki artık teleskopların yerini radyo teleskoplar, mikroskopların yerini ise elektro mikroskoplar aldı. Elektro mikroskoplar sayesinde görebildiğimiz nesneler o kadar küçüldü ki onlara mercek aracılığıyla bakıldığında foton onlara çarpıp gelecek ve bu sayede hareketinin yönü değişecekti. Bir anlamda atomun iç dünyasına doğru yapılan yolculuk her şeyi değiştirdi. Çünkü bilim insanları bu parçacıkların aslında parçacık olmadığını keşfetti. Ölçüleri parçacıkları andırıyordu fakat dalgalar gibi yayılıyor ve hareket ediyorlardı. Bunun üzerine bilim insanları bir dizi kuram ortaya attılar. İşte bütün olarak bunlara Kuantum Kuramı ya da Kuantum Mekaniği denilmektedir.

6948_quantumBerlin 1890…

Almanya kendi içindeki birliği yeni sağlamış ve sanayiye aç bir ülkeydi. Bu tarihlerde Almanya’da Edison’un yeni buluşu olan lambanın patentini alabilmek için milyonlar harcayan birkaç mühendislik firması kuruldu. Firmalar Alman İmparatorluğu’na sokak lambası yapmanın getirilerinin çabucak farkına vardılar. Farkında olmadıkları şeyse, bunun bilim açısından bir devrim olmasıydı.

Edison’un lambası ilginç bir soruna işaret ediyordu, mühendisler lamba telini elektrikle ısıttıklarında parlıyordu. Bunun bilimsel açıklaması ise o tarihlerde henüz bilinmiyordu. Mühendisler bu gizemi çözmek için baya istekliydiler ve yeni Alman İmparatorluğu’nun vermiş olduğu desteklerle Berlin Enstitüsü kuruldu ve oraya ünlü de bir bilim adamı getirildi.

Bilim adamının adıysa Max Planck’ti.

6948_max_planckPlanck gelir gelmez basit gibi görünen bir problem üzerinde çalışmalarına başladı. Işığın rengi neden lamba telinin sıcaklığının artmasıyla değişiyordu?

Bunu bulabilmek için Planck ve arkadaşları siyah cisim ısıtıcısı adıyla bir sistem kurdular. Kısaca açıklamak gerekirse siyah cisim ısıtıcısı sıcaklığı ve frekansı ölçebilen bir alettir. Bu çalışmaların sonucunda Planck ışığın rengi, frekansı ve enerjisi arasında matematiksel bir ilişki buldu. Fakat bu ilişkiyi tam olarak anlamadı.

Öte yandan bilim dünyasının o sıralar en çok ilgisini çeken bir başka konuysa radyo dalgaları ve bu dalgaların nasıl iletildiğiydi. Bazı bilim insanları da bu konu üzerinde çalışmalarını sürdürüyorlardı.

Yapılan çalışmalar neticesinde elektroskop bulundu ve üzerinde ışığın herhangi bir etkisi olup olmadığına yönelik deneyler yapıldı. İlginç bir şekilde, kırmızı ışığın gözle görülür bir etkisi olmazken mor ötesi bakımından zengin olan, özel bir mavi ışık elektroskobun yapraklarını tamamen kapattı. Peki mor ötesi ışık bunu neden kırmızı ışıktan çok daha iyi yapabilmekteydi?

Bu yeni bilmece bilim dünyasında, foto-elektrik olay olarak bilinmeye başlandı.
İki bilinmezlik bilim dünyasını tamamen etkisi altına almıştı. Mor ötesi ışınlar ve foto-elektrik olayı…

Bilim su götürmez bir şekilde ışığın bir dalga olduğunu söylüyordu. Işık dalgalar halinde yayılıyor ve büyük dalga boylarının etkisi daha güçlü oluyordu. Her şey buraya kadar güzeldi ancak dalga boyu büyük olan kırmızı ışık elektroskoba etki edemezken, dalga boyu küçük olan mavi ışık nasıl oluyor da elektroskobun yapraklarını hareket ettirebiliyordu.

6948_albert_einsteinBunun çözümü için birinin düşünülmeyeni düşünmesi lazımdı. O kişi Albert Einstein oldu.

Einstein foto-elektrik olayını açıklayacak yeni bir teori ortaya attı ve ışığın bir mermi gibi parçacık hareketi yaptığını söyledi. Parçacıkları açıklamakta kullanmış olduğu terimse Kuantum’du.

Einstein’a göre kırmızı ışığın her partikülü çok küçük enerjiler taşımaktaydı çünkü kırmızı ışık düşük frekansa sahipti. Mavide ise durum tam tersiydi yani yüksek frekansa sahip ve her bir ışık parçacığı daha fazla enerji taşıyordu. Bu teori foto-elektrik olayını iyi bir şekilde açıkladı. Ayrıca Einstein’ın bu fikri Planck’in gizemli lamba sorununu çözmeye yardımcı oldu. Işığın rengi değişiyordu çünkü artan enerjiyle birlikte ışığın dalga boyu değişiyor ve bu da renkler arası geçişi sağlıyordu.

Ancak Einstein’ın teorisi bir şeyi açıklarken arkasında koca bir bilinmezlik getiriyordu. Işık gölge deneylerinde bir dalga olduğu kesin bir şekilde defalarca kez ispatlanmıştı. Şimdiyse tam tersi söyleniyordu. Öte yandan ise Einstein’ın teorisi mor ötesi ve foto elektrik bilmecelerini mükemmel bir şekilde açıklıyordu.

Peki ışık dalga halinde mi yayılıyordu yoksa parçacık hareketi mi yapıyordu? Bilim dünyası her yerde bunu tartışıyor, bunu merak ediyordu ve sonunda dünyanın çeşitli yerlerinde Einstein’ın ışığın parçacık hareketi yaptığı teorisi üzerine çalışmalar başladı.

Işığın nasıl hareket ettiğinin ilk verileri de gelmeye başladı haliyle. Ve sonunda Albert Einstein’ın teorisi ispatlandı yani ışık parçacık hareketi yapıyordu fakat aynı zamanda dalga hareketi de yapıyordu.

Peki bu nasıl mümkün oluyordu?

6948_tek_yarik2O zaman sizi çift ve tek yarık deneylerine alalım. Öncelikle parçacıkların ve dalgaların nasıl hareket ettiğine bakalım. Bunun için basit bir deney düzeneğini ele alalım. Elimizde demir bilye atan bir silah, bir adet ortasında yarık olan engel ve en arkada da büyük bir karton olsun. Eğer silahla yarığa defalarca kez ateş edersek kartonda oluşan şekil düz çizgi gibi bir bant olacaktır.

Şimdi de dalganın nasıl davrandığına bakalım. Bunu da havuzda yaptığımızı düşünelim, yine tek yarıklı bir engel ve en arkada şeklin oluşacağı bir alan. Eğer tek yarıklı bir engele dalga gönderirsek, dalgalar yarıktan geçerler ve arkada ki alanda şekilde ki gibi ortası daha güçlü, kenarlara doğru daha zayıf bir şekil oluşur.

Bunu bir de çift yarıklı düzenekler de yapalım.

6948_dalgaEğer demir bilye atan silahtan çift yarıklı engele defalarca kez ateş edersek kartonda bu kez iki çizgi şeklinde bantlar oluşacaktır. Aynı şeyi bu kez havuzda yapalım ve çift yarıklı bir engele dalga yollayalım. Dalgalar çift yarıktan geçerken her yarık kendine yeni bir dalga oluşturur. Birinin tepesi diğerinin tepesi, birinin dibi diğerinin dibiyle çakışır ve arkada ki alanda bu kez bir girişim şekli oluşur.

Parçacıkların ve dalgaların nasıl hareket ettiğini öğrendik. Şimdi bunu ışığa uyarlayalım. Ne dersiniz?

Öncelikle elimizde elektron yollayabilen bir alet olduğunu düşünelim ve bu aletle tek yarıklı engele elektronları yollayalım. Sonuç olarak perde de aynı demir bilyelerde olduğu gibi tek çizgiden oluşan bir şekil oluşur. Bunu bir de çift yarıklı engelde deneyelim. Normal şartlarda çift yarıklı demir bilye deneyinde ki gibi 2 çizgiden oluşan bir şekil oluşmasını bekleriz. Ancak öyle olmuyor ve çift yarığa yollanan elektronlar aynı dalgalar gibi bir girişim deseni oluşturuyor. Bilim adamları da sizler gibi şaşırıyor tabi ki de.

Nasıl olur da elektron gibi bir madde parçası dalga gibi hareket eder?

Bunun yanıtını bulabilmek için deneyi daha detaylı bir şekilde yapıyorlar ve elektronları tek tek atmaya karar veriyorlar. Tüm hazırlıkları yapıyorlar ve makineyi ayarlayıp elektronları yollamaya başlıyorlar. Fakat bir saat sonra yine girişim modeli oluşmuştu perde de.

6948_ift_yarikBilim adamları bir türlü inanamadılar bu duruma ve daha da yakından bakmaya karar verdiler. Bu kez engelin hemen yanına bir ölçüm cihazı konuldu. Böylelikle elektronun hangi yarıktan geçtiği bilinecek ve bu gizem sonunda çözülecekti.

Düzenek hazırlandı ve elektronlar tek tek yollanmaya başlandı. Fakat Kuantum hayallerin de ötesindeydi. Onlar gözlemleyince elektronlar demir bilyeler gibi davrandı ve iki çizgiden oluşan bantlar ortaya çıktı.

Elektron farklı davranmaya karar verdi, sanki izlendiğinin farkındaymış gibi ve işte tam da burada Kuantum’un garip serüveni başladı.

Madde nedir? Parçacık mı dalga mı?

Peki ya gözlemcinin tüm bunlarla alakası neydi?

“Kuantum Mekaniği Bölüm 2” için tıklayın.

“Kuantum Mekaniği Bölüm 3” için tıklayın.

“Kuantum Mekaniği Bölüm 4” için tıklayın.

“Kuantum Mekaniği Bölüm 5” için tıklayın.

Kaynakça:
Quantum Mechanics Concept and Applications – Nouredine Zettili<br />
The Quantum Universe – Brian Cox&Jeff Forshaw<br />
Relativistic Quantum Physics – Tommy Ohlsson<br />
The Quantum World – Kenneth W. Ford<br />
The Strange World of Quantum Mechanics – Daniel F. Styer

Yazar: Oktay Yıldırım