(1901
-1976) Bilim tarihinde yüzyılımızın ilk çeyreği devrimsel atılımların
biribirini izlediği fırtınalı bir dönemdir. Planck'ın kuvantum, Einstein'ın
relativite kuramları, Rutherford'un atom modeli bu atılımların başlıcalarıdır.
Bohr'un 1913'de ortaya koyduğu kuvantum atom modeli 1920'lerde özellikle genç
fizikçilerin ilgi odağı olmuştu. Ne var ki, bu model sorunsaldı; önemli kimi
noktalara ışık tutmakla birlikte yeterince belirgin ve tutarlı olmaktan uzaktı.
Üstelik, Bohr'un "kuvantum yörüngeleri" dediği şey için ortada
deneysel kanıt da yoktu. Elektronların çekirdek çevresinde döndüğü, güneş
sistemine bir benzetme olmakla kalan bir varsayımdı.
Modeli kimi yönleriyle yetersiz bulan genç fizikçilerin başında De Broglie,
Pauli, Heisenberg, Schrödinger ve Dirac gibi çalışmalarıyla daha sonra ünlenen
seçkin adlar vardı. Bunlar arasında en büyük atılımın Heisenberg'den geldiği
söylenebilir.
Heisenberg yirmi dört yaşında iken oluşturduğu matris mekanik ve kendi adıyla
bilinen belirsizlik ilkesiyle atom fiziğine yeni bir kimlik kazandırır, 1932'de
Nobel Ödülünü alır.
Fizikçi arkadaşları arasında sezgi gücüyle tanınan Heisenberg, daha okul
yıllarında, ders kitaplarında yer alan görsel modellere kuşkuyla bakmıştı. Bohr
modelini bile pek inandırıcı bulmamıştı. Özellikle modele dayanan
varsayımlardan, görsel imgelerden kaçınıyordu. Atom, modellerde işlendiği gibi
karmaşık değil, basit bir yapıda olmalıydı. Bohr ile karşılaşmak, tartışmak
aradığı bir fırsattı.
Bu fırsat çıktığında delikanlı Münich Üniversitesi'ndeki öğrenimini keserek
Göttingen'e koşar. Bohr bir sömestr için Göttingen Üniversitesi'ne konuk
öğretim üyesi olarak çağrılmıştı. Atom fiziğinin önde gelen bir kurucusuyla
tanışmak kaçırılacak bir fırsat değildi. Heisenberg dikkatli bir dinleyiciydi;
ama sırası geldiğinde, doyurucu bulmadığı noktaları belirtmekten, dahası Bohr'u
düpedüz eleştirmekten geri kalmıyordu. Bohr bu iddialı gencin olağanüstü
yetenek ve coşkusunu farketmekte gecikmez; sömestr sonunda onu Kopenhag Teorik
Fizik Enstitüsü'ne katılmaya davet eder.
Üniversiteyi bitirir bitirmez, seçkin genç fizikçilerin toplandığı Enstitü'ye
katılan Heisenberg'in sorguladığı temel nokta şuydu: Bohr modelinde öngörüldüğü
gibi elektron devindiği yörüngeyi nasıl "seçmekte", dahası bir başka
yörüngeye sıçramadan önce titreşim frekansını nasıl
"belirlemekteydi"? Bohr varsaydığı bu davranışı açıklamasız
bırakmıştı. Onun yaptığı sadece Planck'ın kuvantum sabitini uygulamaktı.
Bohr'a göre, atomun dengesini koruması, Planck sabitinin enerjiyi sınırlama ve
düzenleme etkisiyle gerçekleşmekteydi. Ama bu argüman doyurucu bir açıklama
getirmiyordu.
Elektronun çekirdek çevresinde devinen, sıradan bir parçacık olduğu savı da
dayanaksızdı. Gerçi Bohr'un atomik olgulara Planck sabitini uygulaması yerinde
bir yaklaşımdı; çünkü kuvantum teorisi klasik mekanikten daha yeterli sonuç
vermekteydi. Ancak bu teorinin birtakım sorunlar içermediği demek değildi.
Heisenberg varsayımlar ve görsel modeller yerine, doğrudan deneysel verilere
dayanan matematiksel bir dizge arayışı içindeydi. Öncelikle kimi saptamaların
göz önünde tutulması gerektiğine inanıyordu.
Örneğin, atom içinde kaldığı sürece elektrona ilişkin tahmin ötesinde fazla bir
şey bilmediğimiz, ama atom dışındaki davranışına ilişkin elimizde epey deneysel
veri olduğu; yine, ivmeli devinen bir elektrik yükü olarak elektronun,
elektro-manyetik radyasyon saldığı, salınan radyasyonun frekansının deviniminin
yinelenme frekansıyla daima aynı olduğu. (Elektronun radyo antenindeki
iniş-çıkış deviniminin frekansının salınan radyasyon frekansıyla aynı olması
buna gösterilebilecek bir örnektir.); öyleyse, elektronun atom içinde de ivmeli
devinen bir elektrik yükü olduğu koşuluyla, radyasyon saldığı, salınan radyasyon
frekansının, devinimin yinelenme frekansıyla aynı olduğu söylenebilirdi. Ne var
ki, elektronun bir yörüngede devindiği varsayımına göre hesaplandığında bu
beklenti doğrulanmamıştır.
Bu türden kimi olumsuz sonuçlar Bohr'u yörüngeler arasında "sıçrama"
hipotezine götürmüştü. Buna göre, sıçramada yiten enerji, salınan radyasyonun
frekansını belirlemekteydi. Tek elektronlu olan hidrojen atomunda bu beklenti
doğrulanmaktaydı. Ama "sıçrama" düşüncesi yörünge varsayımını
içeriyordu; oysa ortada yörüngelerin varlığını gösteren hiç bir kanıt yoktu.
Öte yandan, yukarda örnek olarak aldığımız radyo anten olayı da yadsınamazdı.
Gerçi Bohr'un teorisine dayanan kimi öndeyilerin bu olaya uyduğu bir durumdan
söz edilebilir. Şöyle ki, elektron çekirdekten uzakta, geniş bir yörüngede
devindiğinde varsanan sıçrama enerjisi sıfıra yakındır. Atomun dış sınırında
elektronun yörüngeyi tamamlama frekansı beklenen sonuca uymakta, yani,
yörüngesel frekans radyasyon frekansına eşit çıkmaktadır.
Bohr "karşılık" (correspondence) dediği yöntemiyle atom dışından atom
içi spektruma gidilebileceğini göstermişti. Heisenberg yeterince ussal
bulmadığı bu yöntem yerine bu gidişi daha mantıksal bir yöntemle
gerçekleştirmeyi önermekteydi. Ona göre spektral kod ancak böyle çözülebilirdi.
Heisenberg çözüm için aradığı ipucunu klasik devinim yasalarında bulabileceğini
düşünür. Bilindiği gibi, bir gezegenin aldığı yolu belirlemek için, gezegenin
belli bir andaki konumunu belirleyen nicelikle momenti (kütle x hız) çarpılır.
Öyleyse olasıdır ki, atom düzeyinde de bir frekans çöküntüsüyle bir başka
frekans çöküntüsünün çarpımı bize aradığımızı versin!
Ancak Heisenberg'in frekanslara ilişkin ortaya koyduğu simgelerin kullanımı
değişik bir çarpım tablosu gerektirmekteydi. Heisenberg farkında olmaksızın
"matris cebir" denen bir sistemin kimi kurallarını yeniden
keşfetmişti. Hocası Max Born'un yardımıyla aradığı teorinin (kuvantum
mekaniğin) matematiksel temelini oluşturmakta artık gecikmeyecekti.
Aslında oluşturulmakta olan yeni sistem, bir bakıma, klasik mekaniği
andırmaktaydı; şu farkla ki, klasik mekaniğin simgesel sözlüğü
"konum", "moment" ve devinime ilişkin diğer nicelikleri
dile getirirken, yeni mekaniğin simgeleri atomik verileri temsil ediyordu.
Matris cebir, klasik mekaniğin yetersiz kaldığı atomik problemlerin çözümüne
elveren bir yöntemdi.
Ne var ki, başlangıçta Heisenberg hayal kırıklığına uğramaktan kurtulamaz; yeni
yöntemle hidrojen spektrumunu hesaplama başarısız kalmaktaydı. Ama çok geçmeden
onu umutsuzluktan kurtaran bir gelişmeyi fark eder. Fizikçi arkadaşı Pauli'nin
bulduğu "dışlama" (exclusion) ilkesi geliştirmekte olduğu teoriye
önemli destek sağlamaktaydı. (Pauli'nin çalışması atomik spektraya ilişkin
gözlemlere dayanıyordu. Bu gözlemler çoğunluk biribirinden farklıydı.
Pauli bu gözlemlerin hepsi için geçerli bir açıklama arayışındaydı. Bulduğu
açıklayıcı ilke şuydu: Herhangi bir elementer parçacıklar sisteminde, örneğin,
atom kapsamındaki elektron topluluğunda, hiçbir iki parçacık aynı biçimde
devinmez, ya da, aynı enerji durumunda olmaz.)
Bu basit ilke yalnız elektronlar için değil, ilerde keşfedilenlerle birlikte
atom-altı tüm parçacıklar için geçerliydi. Üstelik bu ilke, Bohr'un atom
modelinde bir bakıma elyordamıyla yaptığı bir sınırlamayı (elektron
davranışları üzerindeki sınırlamayı) da anlamlı kılıyordu.
"Pauli dışlama ilkesi" diye bilinen buluş Heisenberg'e teorisini
tamamlama yolunu açmıştı. Artık, Bohr'un "karşılık" yöntemini yetkin
mantıksal bir dizgeye dönüştürebilirdi. Spektral kod çözüm aşamasına ulaşmış,
kuvantum mekanik doğmuş demekti. Tam bu sırada beklenmeyen, dahası, şaşkınlık
yaratan yeni bir gelişme ortaya çıkar: Avusturyalı fizikçi Erwin Schrödinger
matris cebirine başvurmaksızın atomik spektrayı, dalga olayına uygulamaya
elveren bir diferansiyel denklemle çözümler. Böylece, klasik fizik yasalarıyla
çelişkiye yol açan kuvantum kurallarına gerek kalmadan atomun kesintili
enerjisi açıklanabilmekteydi.
Schrödinger'in dalga denklemi, "enerji bölümleri" düşüncesinin
fizikte yarattığı uyumsuzluğu gidermeye yeterli görünmekteydi. Kuvantum
düşüncesi fiziğin temel ilkelerinden biri olan neden-sonuç bağıntısını
dışlamaktaydı; öyle ki, kesin öndeyilere olanak yoktu. Öndeyiler olasılık
çerçevesinde yapılabilirdi, ancak. Oysa Schrödinger dalga mekaniğiyle, bu tür
sakıncalara yol açmaksızın, atom-altı düzeydeki tüm olguları açıklayabileceği
inancındaydı.
Örneğin, dalga mekanik formülü kara-cisim radyasyonuna ilişkin gözlem
verilerine Planck formülü ölçüsünde uygun düşmekteydi. Ona göre, madde dalgasal
bir olaydı; "elementer parçacık" diye nitelenen şey, aslında,
dalgaların biribirini pekiştirdiği küçücük uzay bölgelerinden başka bir şey
değildi. Sıçrama fikrine gerek yoktu.
Şimdi yanıtlanması gereken soru şuydu: dalga mekaniği gerçekten fiziği eski
bütünlüğüne kavuşturuyor muydu? "Kuvantum" kavramına artık gerek
kalmamış mıydı? Bohr ve Heisenberg'e göre buna olanak yoktu. Çünkü elektron
ister yörüngede devinen bir parçacık olarak düşünülsün, ister bir dalga
titreşimi olarak algılansın, kesintilik gözardı edilemez, sıçrama varsayımından
vazgeçilemezdi. Kaldı ki, dalga dilinde bile sıçrama düşüncesinin, üstü örtük
de olsa, var olduğu söylenebilirdi.
Öte yandan başta Max Planck, de Broglie olmak üzere kimi fizikçiler
Schrödinger'i desteklemekteydi. Bu, de Broglie için doğaldı, çünkü atom
fiziğinde dalga düşüncesi ondan kaynaklanmıştı. Oysa, Max Planck öncüsü olduğu
kuvantum teorisine ters düşen bir yaklaşıma arka çıkmaktaydı. Ne var ki, Planck
yaratılıştan tutucu bir kişiydi; kurduğu teorinin sonraki gelişmelerinde ortaya
çıkan "aykırılık"ları, özellikle nedensellik ilkesinden uzaklaşmayı
içine sindirememişti. Öyle ki, Schrödinger'e fiziği içine düştüğü bunalımdan
kurtaran bir kahraman gözüyle bakıyordu.
Fizik dünyası bir ikilemle karşı karşıyaydı. Bir yanda parçacık kavramına
dayanan kuvantum mekaniği, öte yanda parçacık kavramını hiç değilse, dışlayan
dalga mekaniği: aynı olgu kümesini açıklamaya yönelik biribirine ters düşen iki
teori!
Bu arada, Bohr'un esnek bir tutum içine girerek iki teoriyi bağdaştırma
girişimi de ilginçtir. Belki de atomu ve bileşenlerini ne salt parçacıklar ne
de salt dalgasal birimler olarak düşünmek doğruydu. Belki de doğru olan, iki
teorinin de sınırlı bir geçerliliğe sahip olduğunu söylemekti. Dahası,
alternatif açıklamalar getirmeleri, iki teorinin bağdaşmazlığı anlamına
alınmamalıydı.
Bohr bu tür olasılıklar üzerinde dururken, Heisenberg iki teori arasında bir
uzlaşmaya olanak tanımıyordu. Ona göre atomun dalga yapısını gösteren herhangi
deneysel bir kanıt yoktu. Gerçi sıradan deneylerimize aykırı düşen elementer
parçacıkları somut maddesel değil, soyut nesneler olarak algılamak yerinde bir
yaklaşımdır. Ancak, bu soyut nesnelerin davranışlarını betimlemede birtakım
varsayımlara değil, ölçülebilir deneysel sonuçlara bağlı kalmak gerekir.
Heisenberg, önerdiği matris mekaniğin bu nitelikte bir dizge olduğu savındaydı.
Belli fiziksel bir olgu ya parçacık, ya da, dalga kavramıyla açıklanabilirdi,
ikisiyle birlikte değil! Doğa biribirine ters düşen iki kavrama aynı bağlamda
elveren bir çelişki ya da karışıklık içinde olabilir miydi?
Sıkıntı bir ölçüde gene Heisenberg'in ortaya koyduğu bir ilkeyle,
"belirsizlik ilkesi"yle giderilir. Bu ilke, belli tanımlar arasındaki
bir ilişkinin matematiksel türden dile getirilmesidir. Kasaca şöyle demektedir:
belli bir anda, konum ve momentin birlikte ölçümünün en az Planck sabiti kadar
bir belirsizlik taşıması kaçınılmazdır. Başka bir deyişle, konum ve moment birbirinden
bağımsız değişkenler değildir; birini tam belirleme diğerini belirsiz bırakır.
Klasik fizikte ölçülen değişkenler Planck sabitine (h) görecel olarak çok büyük
olduğundan öyle bir belirsizlik söz konusu değildir. Oysa atom-altı düzeyde
önemli bir sayı olan Planck sabiti (h), bildiğimiz anlamda belirleme
kesinliğine olanak vermemektedir. Tüm belirlemeler istatistiksel türden
ortalamalar olarak yapılabilir.
Heisenberg'in belirsizlik ilkesi kuvantum mekaniğinin genel bir dizge niteliği
kazanmasında anahtar işlevi görür.
Şimdi sorulabilir: Konum ve moment değişkenlerinin eş-zaman ölçümünü olanaksız
kılan şey nedir? Bu olayda Planck sabitinin rolü nedir? Daha da önemlisi,
belirsizlik ilkesi bilgi arayışının sınırlaması anlamına mı gelmektedir?
Klasik fizikte konum, hız, frekans vb. değişkenler üzerindeki deney ve
ölçmelerin bu değişkenleri etkilemediği varsayımına dayanılır. Oysa bu varsayım
atom-altı düzey için geçerli değildir. Planck sabitinin çok önemli olduğu bu
düzeyde, deneysel araç ve düzenlemelerin ölçmeye konu bu değişkenleri bir
şekilde etkilemesi kaçınılmazdır. Orta-boy düzeyde bu etki önemsizdir.
Atom-altı düzeyde ise en küçük etki bile çok önemlidir.
Örneğin, bu düzeyde fotoğraf çekiminde salınan ışık, sonucu büyük ölçüde
değiştirilebilir. Bu demektir ki, belirleme yöntemimizin etkisi belirlediğimiz
nesne veya sürecin ayrılmaz bir parçası olmaktadır. Öyleyse, algıladığımız şey
algımız dışında salt nesnel bir gerçekliği yansıtmamaktadır. Peki bunun
araştırmaya bir sınır koyduğu söylenebilir mi?
Bu soruyu yanıtlamak için Heisenberg'in belirsizlik ilkesinin anlamını iyi
kavramak gerekir. Atom-altı düzeyde ilişkilerini nedensel olarak belirlemeye
çalıştığımız değişkenler (konum, momentum, vb.) biribiriyle karşılıklı dışlaşma
içindedirler. Biri belirlendiğinde diğeri belirsizlik içine düşer. Bu yüzden,
yetersiz belirlemeyle yetinmek koşuluyla, bir tür nedensel bir bağıntı
kurulabilir. Bir deneyde konum tam saptanırken bir başka deneyde momentin tam
saptanması yoluna gidilebilir. Kuvantum mekanikte olasılıklara yönelik
istatistiksel belirleme yöntemi matematiksel sembolizmin özünü oluşturmaktadır.
Atom fiziğinde, Heisenberg gibi, görsel model yaklaşımının karşısına çıkan bir
başka genç fizikçi de Paul A.M. Dirac'tı. Heisenberg ile Schrödinger'in
biribirinden bağımsız atılımlarına bir üçüncüsünü Dirac ekler. Kuvantum
mekanikte, klasik mekaniğinin ve p ile
simgelediği konum ve momentum nicelikleri yerine frekans çöküşleri konmuştu.
Bu teoride, bildiğimiz aritmetik kurallarının tersine pxq ile qxp aynı şeyler
değildi. Çarpımda çarpan ile çarpılanın sırası sonucu değiştirmekteydi. Dirac
başlangıçta hemen herkesi şaşırtan bu terslikte, klasik fizik yasalarıyla henüz
belirsiz kalan atomik yasalar arasındaki temel farkın ipucunu bulur. Şöyle ki,
pxq ile qxp çarpımları arasındaki farkı biliyorsak, ayrıca bu farkın tüm
gözlemlerde değişmediği doğruysa, o zaman, klasik mekanikteki herhangi bir
denklemi atomik bir denkleme kolayca dönüştürebiliriz.
Bu temel noktaya parmak basan Dirac, aradığı matematiksel aracı "Poisson
parantezleri" denen teknikte bulur. Dirac bu tekniği Heisenberg dizgesine
uyguladığında, beklentisi doğrultusunda, pxq ile qxp'nin farkını belirler ve bu
farkın değişmezliğini saptar. Böylece Poisson parantezleri tekniği kullanılarak
herhangi bir klasik denklemin kuvantum mekaniğine ait eşdeğer bir denkleme
dönüştürülebileceği gösterilir. Sonuç, klasik mekaniğin yapısal bütünlüğünü
kazanan yeni bir mekanik demekti.
Dirac'ın ulaştığı bu sonuca, çok geçmeden, değişik bir yoldan Max Born da
ulaşır: Heisenberg ve Schrödinger mekanikleri üzerindeki tartışmalarla
çalkalanan fizik dünyası bir üçüncü mekanikle yüzyüze gelir.
Ne var ki, görünümdeki tüm farklara karşın, temelde, üç mekanik eşdeğer
nitelikteydi. Örneğin Dirac mekaniğinin de paylaştığı Heisenberg çarpım
kuralının Schrödinger mekaniğince de içerildiği söylenebilir.
Bu yakınlığın Dirac'ın attığı yeni bir adımla daha da pekiştiğini görmekteyiz:
Dirac özel relativite kavramlarından yararlanarak Schrödinger dalga denklemini
değişik bir biçimde ortaya koymayı başarır. Yeni denklem elektronun
"spin" denen bir özellik taşıdığını içeriyordu. Eldeki deneysel
veriler de öyle bir özelliğin varlığını kanıtlayıcı nitelikteydi. Ancak,
Dirac'ın oluşturduğu relativistik dalga mekaniği önemli bir başka savı daha
içeriyordu: elektron ve diğer elementer parçacıkların karşıt bir parçacıkla
ikiz bir çift olduğu. Ne var ki, "pozitron" denen pozitif elektron
ile diğer bazı karşıt parçacıkların kimliği belirleninceye dek, Dirac'ın bu
hipotezi ciddiye alınmamıştı.
Şimdi "kuvantum mekaniği" diye bildiğimiz teori, başlangıçta farklı
yaklaşımlardan doğan sıraladığımız üç gelişmeyi eşdeğer "versiyon"
olarak kapsamında tutmaktadır. Ama hemen belirtmeli ki, kuvantum mekaniği
ulaştığı ileri gelişmişlik düzeyine karşın bugün de birtakım
"kalıtsal" diyebileceğimiz güçlüklerden yeterince arınmış değildir.
Giderek yoğunlaşan deneysel çalışmalarla toplanan verilerin daha tutarlı ve
kapsamlı bir teori gerektirdiği açıktır. Dirac'ın son konuşmalarından birinde
belirttiği üzere o çapta kuramsal bir atılım için yeni bir Heisenberg'in
gelmesini bekleyeceğiz.
Kaydol:
Kayıt Yorumları (Atom)
YATMA ZAMANI
GEREKLİ OLANLAR: Oyuncak hayvan Oyuncağı içine alacak büyüklükte karton kutu Eski havlu, eski kumaş parçaları, pamuk Çocuğunuz uy...
-
Türk milletinin bugün ve gelecekte tam bağımsızlığa, huzur ve refaha sahip olması, devlet yönetiminin millet egemenliği esasına dayandırılma...
-
KARADENİZ BÖLGESİ A. BÖLGENİN GENEL COĞRAFİ ÖZELLİKLERİ Türkiye’nin kuzeyinde yer alan bölge, ismini Karadeniz’den alır. Doğuda Gürc...
-
14. Yüzyıl Başlarında Anadolu ve Avrupa’nın Genel Durumu 1243 yılında Kösedağ Savaşı’nı kaybeden Türkiye Selçuklularının merkezi otorites...
Hiç yorum yok:
Yorum Gönder