KUANTUM DEVRİMİ • Düşünsel Yansımalar

20. yy siyasi ve toplumsal alanlarda sayısız devrimin gerçekleştiği hayli hareketli bir yüzyıl oldu. Rusya’da Bolşevik devrimi, Türkiye’de imparatorluk sonrası Cumhuriyet devrimi, Avrupa devletlerinin ekonomik ve siyasi birlik olmaları, İran İslam devrimi, internet devrimi, Berlin duvarının yıkılması ile başlayan küreselleşme süreci ilk akla gelenler…

Yüzyılın başında atom altı seviyedeki yeni bulgular ve bu bulgulara uygun yaklaşımlar doğrultusunda şekillenen “kuantum fiziği” de, dünyaya bakışımızı ve kâinat tasavvurumuzu kökten değiştirmesi yönüyle devrimsel nitelikte bir gelişmedir. Bu yazı dizisinde, Kuantum Devrimi’nin muhteşem serüvenine bir giriş yapacak; Planck, Einstein, Bohr, De Broglie, Heisenberg, Schrödinger gibi ‘devrimin çocukları’nı tanıyacak ve kuantum fiziğinin düşünce dünyamıza kazandırdığı bir takım ‘garip’ kavramları inceleyeceğiz.

Kuantum’un ne tür yenilikler getirdiğini anlayabilmek için, kuantum öncesinde fizikte hâkim durum ve bu hâkim fizik anlayışının şekillendirdiği kâinat tasavvuru nasıldı, bunu anlamamız gerekmektedir.

Kuantum Öncesi (1800’ler)

1800’lerin sonunda fizikteki hâkim görüş, Newton Mekaniği ve Maxwell’in Elektromanyetik teorisi sayesinde kâinatta çözülmemiş hiçbir olgu kalmadığı, var olan bir takım problemlerin çözümünün ise sadece bir zaman meselesi olduğuydu. Newton mekaniği yöntemleri ile bütün cisimlerin, gezegenlerin, yıldızların hareketlerinin mekanizması çözülmüştü. Maxwell’in düzenlediği ve son halini verdiği denklemler ise, evrendeki bütün optik, elektrik ve manyetik etkileri açıklayabiliyordu. Kısacası artık ‘fiziğin sonuna’ gelinmiş, araştırılmaya değer pek bir şey kalmamıştı… Batı düşünce geleneğinde Promete’nin ateşi çalmasıyla başlayan Tanrı-insan rekabeti, insanın mutlak zaferiyle noktalanmıştı. Nietzsche, Tanrı’nın artık öldüğünü haber veriyordu Batı’nın vicdanına.

Newton Mekaniğinin üç temel ilkesi: Eylemsizlik, F=ma denklemi ve Etki-Tepki prensibidir. Bunları tek tek, kısaca açıklayalım:

Eylemsizlik; Bir cismin üzerine etki eden net kuvvetin ‘sıfır’ olduğu durumda, o cismin mevcut hâlini devam ettirme isteğidir. Cisim duruyorsa durmaya, hareket ediyorsa hareket ettiği hızda ilerlemeye devam edecektir. Örneğin; hızla hareket eden bir arabanın içerisinde giderken şoförün ani frene basması durumunda öne doğru itilme hissi duymamız, bizim eylemsizliğimizden ötürüdür.

F=ma; Bir cisme etki eden kuvvetin, o cismin kütlesi ile ivmesinin çarpımına eşit olmasıdır. (Kütle, cismin madde miktarının bir ölçüsüdür. İvme ise cismin ‘hızının değişim hızı’ olarak tanımlanabilir.)

Etki-Tepki Prensibi; Bir cisim başka bir cisme bir kuvvet uyguladığında, diğer cisim de o cisme eşit şiddette ama zıt yönlü bir kuvvet uygular. Örneğin bir duvarı F kuvvetiyle ittiğimizde, duvar da bizi aynı F kuvvetiyle itmektedir.

Peki, Newton Mekaniğinin bu üç ilkesinin anlamı neydi?

Newton’un en büyük başarısı herhalde, tabiatı matematik yoluyla anlamayı mümkün kılacak düzenlemeleri icadı olmuştur. İcat, burada yerinde bir kelimedir; çünkü Newton, tabiatın işleyişini açıklayabilmek için ihtiyaç duyduğu matematiği ‘üretmiştir’. Tabiatın matematik yoluyla anlaşılabilir, mekanizmasının ‘modellenebilir’ olması, insana henüz gerçekleşmemiş olan olayların zaman ve yeri hakkında öngörülerde bulunabilme imkânını getirmiştir ki, bugün dahi uzaya yolladığımız uyduları yörüngeye oturturken olsun, güneş-ay tutulması gibi gök olaylarının yeri, tarihini, süresini belirlerken, örneğin Halley kuyruklu yıldızının dünyaya kaç yılda bir uğrayacağını hesaplarken dahi Newton’un denklemlerini kullanırız.

Newton Mekaniği böylece, kökleri antik Yunan’a uzanan determinizm / belirlenimcilik felsefesine bilimsel gerekçesini sunmuştur. Herhangi bir cismin konumunu, ilk hızını ve üzerine etki eden kuvvetleri bilirsek o cismin ‘kaderini’, yani nerede ne zaman ne şekilde olacağını bilebiliriz demektir. Bir anlamda, süper güçlü hayali bir bilgisayara kâinattaki bütün parçacıkların konum, ilk hız ve üzerlerine etki eden kuvvetlerin bilgisi girildiğinde bilgisayar size ‘kâinatın’ istenilen herhangi bir zamandaki durumunu söyleyebilecektir.

Kısacası “Kâinat, tıkır tıkır işleyen bir saat gibidir ve böyle bir kâinatta Tanrı olsa olsa sadece bir ‘ilk hareket’ vermiş olabilir. Tanrı’nın bu yaratılış sürecinin sonrasında herhangi bir amaç ve vizyonu yoktur.” Bu anlayışın modernite düşüncesi kapsamında din-insan-siyaset ilişkileri bağlamında çeşitli yansımaları olmuştur.

Newton gibi kendisini 30 yıl boyunca Tevrat’ın sırlarını çözmeye adamış birisi bu sonuçtan pek hoşnut olmasa gerek. Aslında Newton için her şey oldukça masum bir soruyla başlamıştı:

Ay’ı Yörüngesinde Tutan Şey Nedir?
Newton döneminde, cisimlerin hareketlerinin sebebini açıklamak için Aristo’nun ‘dört element’ kuramı kullanılıyordu. Bu kurama göre kâinat dört elementten, ateş (yıldızlar), toprak (katılar), su (sıvılar), ve hava (gazlar)dan oluşmuştu ve şeylerin oluşması, dağılması, hareketi de bu dört elementin birbiriyle olan ilişkilerine bağlıydı. Örneğin bir cismin bırakıldığında yere düşmesi, onun özündeki toprak elementinin yerdeki toprağa kavuşma isteğinden dolayıdır diye inanılırdı. Ya da suyun buharlaştığında yükselmesi de aynı şekilde artık ‘hava’ olan suyun özündeki hava elementinin gökteki havaya kavuşma isteği olarak açıklanırdı. Gök cisimlerini hareket ettiren ve yörüngelerinde tutan etken ise, meleklerin onları Tanrı’nın emriyle sürekli itmeleriydi.

Meşhur hikâyeyi bilirsiniz. Newton, yerçekimi kuvvetini altında uyuduğu ağaçtan elma düşmesi sonrası keşfetmiştir! Bu olayın gerçek olup olmamasından öte, Newton’un örneğin elmaları ağaçtan yere çeken ‘şey’ ile Ay’ı dünya etrafındaki yörüngesinde tutan ‘şey’in aynı olduğunu gören ilk kişi olduğu söylenebilir. Bu ‘şey’in adı yerçekimiydi ve hem bu dünyada hem de bu dünyanın dışında etkiliydi.

Peki, bu keşfin anlamı neydi? Newton’a dek yeryüzündeki yasalarla gökyüzündeki yasaların farklı işlediği düşünülürdü. Bütün Hıristiyan İlahiyatı da bu düşüncenin üzerine inşa edilmişti. Fakat şimdi Newton, aslında göksel olanın yersel olana karşı bir üstünlüğü olmadığını, her ikisindeki yasaların da aynı olduğunu söylüyordu. Newton, bu keşfini dile getirdiği kendi zamanında Tanrı’yı kâinatın dışına sürmekle itham edildi. Oysa Newton, tam tersine bulgusunun Tanrı’nın hem bu dünyadaki hem de bütün kâinattaki her oluşla bağlantılı olduğunu matematiksel olarak ispatladığını savunuyordu.

Newton’un yerçekimine ilişkin bulguları ve geliştirdiği mekanik ile tabiatın gözlemler ve matematik yoluyla kesin olarak çözümlenebileceğine dair inanç yerleşmiş oldu.

Maxwell Elektro-Manyetik (EM) Teorisi

Doğada, cisimlerin hareketine ek olarak bir takım elektriksel ve manyetik etkiler ile ışıkla ilgili optik olaylar da gözlenmektedir. İnsanlar, doğanın bu yönlerini de modelleyebilmek, matematiksel olarak anlamak istiyorlardı. Maxwell kendisinden önce, bu konularla ilgili çıkarılmış denklemleri birleştirmesiyle bilinir ve bu anlamda elektro-manyetiğin Newton’u olarak adlandırılır.

Maxwell denklemlerine göre, elektrik ve manyetik aslında birbiri cinsinden ifade edilebilen, birbirine dönüşebilen etkilerdir. Örneğin yağmurlu bir havada yüksek bir tepede bulunuyorsanız ve yanınızda bir pusula varsa, her şimşek çakışında (yük boşalması=elektriksel olay) pusulanın ibresinin saptığını (manyetik olay) gözlemleyebilirsiniz. Bu basit deney bize, aslında elektrik ve manyetiğin aynı şeyin iki farklı yönü olduğunu ispatlar. Maxwell aynı şekilde, ışığın da aslında bir elektro-manyetik dalga olduğunu denklemleriyle göstermişti. Böylece Maxwell sayesinde o dönemin üç fenomeni daha, elektrik, manyetik ve optik, açıklanabilir ve anlaşılabilir olmuştu. Tabiatın bütün sırlarına vakıftı artık insanlar ve işte bu özgüvenle artık fiziğin, yolun sonuna geldiğini düşünüyorlardı. Oysa ki, ‘son’ dediklerinin aslında ‘başlangıç’ olduğunu, yeni kuantum bulgularıyla anlayacaklardı.

EM Dalgalar

Dalga, enerjiyi mekânda ve zamanda bir noktadan başka bir noktaya taşıyan titreşim olarak tanımlanabilir. Örneğin ‘duyma’ dediğimiz hadiseyi ele alalım. Ses aslında, katı, sıvı veya gaz bir ortamın ani deformasyonu (bozulması) sonucu oluşan dalgalarla taşınan enerjidir. Hava içerisinde titreşen bir cisim (arının kanat çırpması mesela), etrafındaki havayı periyodik olarak sıkıştırıp genleştirecektir ve bu yolla oluşan dalga, cismin titreşim enerjisini hava içinde iletecektir. Ses dalgaları dediğimiz, işte bu iletimin mekanizmasıdır. Arının kanat çırpmasından ötürü açığa çıkan titreşim enerjisi hava yoluyla, ses dalgaları aracılığıyla kulağımıza kadar gelir, aynı şekilde kulak zarımızı titreştirmeye başlar, kulak zarımızın titreşimi sonucu sinirler elektriksel olarak uyarılır, bu uyartı beynimize iletilir ve biz de ses dediğimiz şeyi algılarız. Başka bir örnek; durgun bir su yüzeyine bir taş parçası atıldığında oluşan dalgalardır. İşte bu dalgalar da, üsttekine benzer şekilde su yüzeyinin deformasyonu sonucu oluşmuştur. Taş, su yüzeyine çarptığında açığa çıkan enerjiyi su içinde taşırlar.

Radyo, TV, cep telefonları, uydular aracılığıyla haberleşme elektro-manyetik (EM) dalgalar yoluyla olur. Bu dalgaların ses ve su dalgalarından farkı, iletimleri için bildiğimiz anlamda fiziksel bir ortama ihtiyaç duymamalarıdır. EM dalgalar, boş uzayda dahi ilerleyebilir. Tabi bu nokta spekülasyona açıktır, boş-vakum olarak bildiğimiz uzay gerçekten de boş mudur yoksa aslında şu an anlayamadığımız bir doluluk biçimine mi sahiptir?

Maxwell denklemleri boş uzay /vakum için çözüldüğünde ( yük ve akım yerine sıfır koyarak), karşımıza bir dalga denklemi çıkar. Bu denklemdeki dalganın hızının, önceden ışık için deneyler yoluyla bulunan bilindik hızla (saniyede 300.000 km.) aynı olduğunun görülmesi, ışığın da aslında bir EM dalga olduğunu ispatlamıştır. Renkler olarak algıladığımız görünür ışık bölgesi, dalga boyu 400-700 nm (1 nm= metrenin milyarda biri) arasında olan EM dalgalardır. (Her bir renk de farklı bir dalga boyuna denk gelmektedir.) Böylece optik etkiler, ışığın dalga kuramıyla tutarlı şekilde açıklanmaya başlanmıştı. Işık, bir elektro-manyetik dalgaydı ve dalgalara has özellikler gösteriyordu. Bu dalga etkilerinden biri olan ‘girişim’e, sonraki kuantum bulgularını anlamamıza yardımcı olacağı için değinmemiz gerekmekte:

Çift Yarık Deneyi

Çift Yarık Deneyi, dalgalarda girişim etkilerini göstermek için tasarlanmış bir deneydir.

Bir dalga kaynağından gelen düz dalgaların önü kesilip sadece çok ufak bir aralıktan ilerlemelerine izin verildiğinde, dalga noktasal bir kaynaktan geliyormuş gibi davranır. Bu dalganın da önü bu kez çift aralıktan geçecek şekilde kesildiğinde, dalga iki eşzamanlı kaynaktan yayılıyormuşçasına ilerlemeye devam eder. Karşıya koyulmuş bir ekrana bakıldığında sırasıyla aydınlık ve karanlık desenler gözükür. Bunun sebebi, iki kaynaktan ilerleyen dalgaların ekran üzerinde kimi noktalarda iki tepe noktasının üst üste gelmesi (yapıcı girişim=aydınlık desen), kimi noktalarda ise tepe ve çukur noktalarının üst üste gelmesi (yıkıcı girişim=karanlık desen)dir. Bir kaynaktan çıkan şeyin dalga mı yoksa parçacık yapısında mı olduğunu anlamak için bu çift yarık deneyi tatbik edilebilir. Aydınlık-karanlık desenler gözüküyorsa kaynaktan çıkan şey dalga özelliği göstermektedir. İki kaynaktan atılan mermiler (yani parçacıklar) durumunu düşünelim. Böyle bir durumda ekranda sıralı aydınlık-karanlık desenler yerine sadece düz aydınlık bir desen görmemiz gerekirdi…

Kuantum Devriminin Ayak Sesleri

Buraya kadar, kuantum bulguları öncesi fiziğin genel karakteristiğine ve bu fizik anlayışının getirdiği felsefî dünya görüşüne genel bir atıfta bulunduk. Özetlemek gerekirse:

Herhangi bir sistemin çözümlenmesi, onun başlangıç şartlarının belirlenip daha sonra da bu başlangıç şartlarının sistemin matematiksel modelinde girdi olarak alınıp modelin matematiğini çözmekle mümkündü. Gerisi sadece bir hesap meselesiydi. (Peki, gerçekten öyle miydi? Bazı şeyleri temelden yanlış alıyor olabilir miydik?)

Kuantum Devrimi, insanlık atom altı dünyanın kapısına dayandığında ilk emarelerini vermeye başlamıştı. Bu noktada, ‘atom’ kavramı üzerinde bir müddet durmalıyız.

Atoma dair ilk fikirlerin kökeninin Eski Yunan olduğu söylenegelir. M.Ö. 500’li yıllarda filozof Demokritos, tüm maddelerin ‘atom’ adı verilen, daha küçük parçalara bölünemeyecek özdeş yapılardan oluştuğunu öne sürdü. (Bu noktada elbette, diğer Medeniyetlerin de maddenin temel yapısı hakkındaki düşüncelerinin araştırılmasında fayda görmekteyim.) Demokritos sonrası yıllarda, bu devrine göre hayli ileri olan düşünce, Aristo’nun 4 ana element fikriyle gölgede kaldı. Çok daha sonra, Galileo ve Newton, önsezileriyle atomların varlığına inandılar fakat atomların varlığına dair ortada bir ‘matematiksel’ ya da gözleme dayalı kanıt yoktu. Ancak 19. yy’da, İngiliz kimyacı Dalton’un gazlar üzerinde yaptığı deneyler sayesinde atomların var olduğu kanıtlandı. Şöyle ki, Dalton’un yaptığı deneylerin sonuçları, ancak her gazın atomlardan oluşması ve değişik gaz atomlarının da farklı kütlelere sahip olabilmesiyle açıklanabiliyordu. Kısa süre sonra, sadece gazların değil, tüm elementlerin atomlardan oluştuğu anlaşıldı.

Bu keşif, beraberinde yeni soru ve sorunları getirdi. Atom, tanımı itibariyle maddenin yapı taşıydı. Peki, atomun kendisinin yapısı nasıl bir şeydi? Atomun kendine ait bir yapısı olması gerekmez miydi? Atom da muhtemelen daha başka parçacıklardan oluşuyordu. Daha önce Faraday, yaptığı deneylerde pozitif yüklü parçacıklar olduğunu göstermişti. Bu parçacıklar neredeydi?

1895 yılında Röntgen’in X Işınlarını keşfi, Modern Fiziğin de başlangıcı kabul ediliyor. X Işınlarının, yüksek enerjili EM dalga olduğu anlaşılıyor. Radyoaktivitenin keşfi de devrimin önemli ayak seslerindendir.

Thomson’un, negatif yüklü ‘elektron’u keşfi ile bu parçacığın da atomun yapısı içinde yer alması gerektiği düşünüldü.

Tüm bu keşiflerden gelen bulgular doğrultusunda, atomun nasıl bir şey olabileceğine dair çeşitli ‘atom modelleri’ geliştirildi. Bunlar arasında en çok rağbet görenleri, Thomson’un ‘üzümlü kek modeli’ ile o dönem Güneş Sistemi’nin yapısından etkilenerek oluşturulan ‘gezegensel atom modeli’ idi:

Daha sonra Rutherford da deneyleriyle gezegensel atom modeline yakın sonuçlar elde etmiştir. Rutherford’un deney sonuçlarına göre, merkezde kütlenin çok büyük bir kısmı toplanmalıydı ve yörüngedeki elektronların bu merkeze mesafesi atom boyutları ölçeğinde çok büyüktü. Benzetme için, atomu bir futbol sahası büyüklüğünde düşündüğümüzde neredeyse çekirdek dediğimiz yapı sahanın ortasındaki fasülyeler gibiyken elektronlar da tribünler mertebesinde sahanın etrafında dönmekteydi!

Bu gezegensel modelin en zayıf noktası, hareket eden bir elektronun radyasyon (yani enerji) yayacağından, hesaplandığında saniyenin milyonda biri bir sürede çekirdeğe düşmesi gerekmekteydi. Fakat böyle bir şey olmuyordu. Neden? Bu sorunun cevabını Bohr verecekti.

Photo: KUANTUM DEVRİMİ</p><br />
<p>20. yy siyasi ve toplumsal alanlarda sayısız devrimin gerçekleştiği hayli hareketli bir yüzyıl oldu. Rusya’da Bolşevik devrimi, Türkiye’de imparatorluk sonrası Cumhuriyet devrimi, Avrupa devletlerinin ekonomik ve siyasi birlik olmaları, İran İslam devrimi, internet devrimi, Berlin duvarının yıkılması ile başlayan küreselleşme süreci ilk akla gelenler...</p><br />
<p>Yüzyılın başında atom altı seviyedeki yeni bulgular ve bu bulgulara uygun yaklaşımlar doğrultusunda şekillenen “kuantum fiziği” de, dünyaya bakışımızı ve kâinat tasavvurumuzu kökten değiştirmesi yönüyle devrimsel nitelikte bir gelişmedir. Bu yazı dizisinde, Kuantum Devrimi’nin muhteşem serüvenine bir giriş yapacak; Planck, Einstein, Bohr, De Broglie, Heisenberg, Schrödinger gibi ‘devrimin çocukları’nı tanıyacak ve kuantum fiziğinin düşünce dünyamıza kazandırdığı bir takım ‘garip’ kavramları inceleyeceğiz.</p><br />
<p>Kuantum’un ne tür yenilikler getirdiğini anlayabilmek için, kuantum öncesinde fizikte hâkim durum ve bu hâkim fizik anlayışının şekillendirdiği kâinat tasavvuru nasıldı, bunu anlamamız gerekmektedir.</p><br />
<p>Kuantum Öncesi (1800’ler)</p><br />
<p>1800’lerin sonunda fizikteki hâkim görüş, Newton Mekaniği ve Maxwell’in Elektromanyetik teorisi sayesinde kâinatta çözülmemiş hiçbir olgu kalmadığı, var olan bir takım problemlerin çözümünün ise sadece bir zaman meselesi olduğuydu. Newton mekaniği yöntemleri ile bütün cisimlerin, gezegenlerin, yıldızların hareketlerinin mekanizması çözülmüştü. Maxwell’in düzenlediği ve son halini verdiği denklemler ise, evrendeki bütün optik, elektrik ve manyetik etkileri açıklayabiliyordu. Kısacası artık ‘fiziğin sonuna’ gelinmiş, araştırılmaya değer pek bir şey kalmamıştı… Batı düşünce geleneğinde Promete’nin ateşi çalmasıyla başlayan Tanrı-insan rekabeti, insanın mutlak zaferiyle noktalanmıştı. Nietzsche, Tanrı’nın artık öldüğünü haber veriyordu Batı’nın vicdanına.</p><br />
<p>Newton Mekaniğinin üç temel ilkesi: Eylemsizlik, F=ma denklemi ve Etki-Tepki prensibidir. Bunları tek tek, kısaca açıklayalım:</p><br />
<p>Eylemsizlik; Bir cismin üzerine etki eden net kuvvetin ‘sıfır’ olduğu durumda, o cismin mevcut hâlini devam ettirme isteğidir. Cisim duruyorsa durmaya, hareket ediyorsa hareket ettiği hızda ilerlemeye devam edecektir. Örneğin; hızla hareket eden bir arabanın içerisinde giderken şoförün ani frene basması durumunda öne doğru itilme hissi duymamız, bizim eylemsizliğimizden ötürüdür.</p><br />
<p>F=ma; Bir cisme etki eden kuvvetin, o cismin kütlesi ile ivmesinin çarpımına eşit olmasıdır. (Kütle, cismin madde miktarının bir ölçüsüdür. İvme ise cismin ‘hızının değişim hızı’ olarak tanımlanabilir.)</p><br />
<p>Etki-Tepki Prensibi; Bir cisim başka bir cisme bir kuvvet uyguladığında, diğer cisim de o cisme eşit şiddette ama zıt yönlü bir kuvvet uygular. Örneğin bir duvarı F kuvvetiyle ittiğimizde, duvar da bizi aynı F kuvvetiyle itmektedir.</p><br />
<p>Peki, Newton Mekaniğinin bu üç ilkesinin anlamı neydi?</p><br />
<p>Newton’un en büyük başarısı herhalde, tabiatı matematik yoluyla anlamayı mümkün kılacak düzenlemeleri icadı olmuştur. İcat, burada yerinde bir kelimedir; çünkü Newton, tabiatın işleyişini açıklayabilmek için ihtiyaç duyduğu matematiği ‘üretmiştir’. Tabiatın matematik yoluyla anlaşılabilir, mekanizmasının ‘modellenebilir’ olması, insana henüz gerçekleşmemiş olan olayların zaman ve yeri hakkında öngörülerde bulunabilme imkânını getirmiştir ki, bugün dahi uzaya yolladığımız uyduları yörüngeye oturturken olsun, güneş-ay tutulması gibi gök olaylarının yeri, tarihini, süresini belirlerken, örneğin Halley kuyruklu yıldızının dünyaya kaç yılda bir uğrayacağını hesaplarken dahi Newton’un denklemlerini kullanırız.</p><br />
<p>Newton Mekaniği böylece, kökleri antik Yunan’a uzanan determinizm / belirlenimcilik felsefesine bilimsel gerekçesini sunmuştur. Herhangi bir cismin konumunu, ilk hızını ve üzerine etki eden kuvvetleri bilirsek o cismin ‘kaderini’, yani nerede ne zaman ne şekilde olacağını bilebiliriz demektir. Bir anlamda, süper güçlü hayali bir bilgisayara kâinattaki bütün parçacıkların konum, ilk hız ve üzerlerine etki eden kuvvetlerin bilgisi girildiğinde bilgisayar size ‘kâinatın’ istenilen herhangi bir zamandaki durumunu söyleyebilecektir.</p><br />
<p>Kısacası "Kâinat, tıkır tıkır işleyen bir saat gibidir ve böyle bir kâinatta Tanrı olsa olsa sadece bir ‘ilk hareket’ vermiş olabilir. Tanrı’nın bu yaratılış sürecinin sonrasında herhangi bir amaç ve vizyonu yoktur." Bu anlayışın modernite düşüncesi kapsamında din-insan-siyaset ilişkileri bağlamında çeşitli yansımaları olmuştur.</p><br />
<p>Newton gibi kendisini 30 yıl boyunca Tevrat’ın sırlarını çözmeye adamış birisi bu sonuçtan pek hoşnut olmasa gerek. Aslında Newton için her şey oldukça masum bir soruyla başlamıştı:</p><br />
<p>Ay’ı Yörüngesinde Tutan Şey Nedir?</p><br />
<p> Newton döneminde, cisimlerin hareketlerinin sebebini açıklamak için Aristo’nun ‘dört element’ kuramı kullanılıyordu. Bu kurama göre kâinat dört elementten, ateş (yıldızlar), toprak (katılar), su (sıvılar), ve hava (gazlar)dan oluşmuştu ve şeylerin oluşması, dağılması, hareketi de bu dört elementin birbiriyle olan ilişkilerine bağlıydı. Örneğin bir cismin bırakıldığında yere düşmesi, onun özündeki toprak elementinin yerdeki toprağa kavuşma isteğinden dolayıdır diye inanılırdı. Ya da suyun buharlaştığında yükselmesi de aynı şekilde artık ‘hava’ olan suyun özündeki hava elementinin gökteki havaya kavuşma isteği olarak açıklanırdı. Gök cisimlerini hareket ettiren ve yörüngelerinde tutan etken ise, meleklerin onları Tanrı’nın emriyle sürekli itmeleriydi.</p><br />
<p>Meşhur hikâyeyi bilirsiniz. Newton, yerçekimi kuvvetini altında uyuduğu ağaçtan elma düşmesi sonrası keşfetmiştir! Bu olayın gerçek olup olmamasından öte, Newton’un örneğin elmaları ağaçtan yere çeken ‘şey’ ile Ay’ı dünya etrafındaki yörüngesinde tutan ‘şey’in aynı olduğunu gören ilk kişi olduğu söylenebilir. Bu ‘şey’in adı yerçekimiydi ve hem bu dünyada hem de bu dünyanın dışında etkiliydi.</p><br />
<p>Peki, bu keşfin anlamı neydi? Newton’a dek yeryüzündeki yasalarla gökyüzündeki yasaların farklı işlediği düşünülürdü. Bütün Hıristiyan İlahiyatı da bu düşüncenin üzerine inşa edilmişti. Fakat şimdi Newton, aslında göksel olanın yersel olana karşı bir üstünlüğü olmadığını, her ikisindeki yasaların da aynı olduğunu söylüyordu. Newton, bu keşfini dile getirdiği kendi zamanında Tanrı’yı kâinatın dışına sürmekle itham edildi. Oysa Newton, tam tersine bulgusunun Tanrı’nın hem bu dünyadaki hem de bütün kâinattaki her oluşla bağlantılı olduğunu matematiksel olarak ispatladığını savunuyordu.</p><br />
<p>Newton’un yerçekimine ilişkin bulguları ve geliştirdiği mekanik ile tabiatın gözlemler ve matematik yoluyla kesin olarak çözümlenebileceğine dair inanç yerleşmiş oldu.</p><br />
<p>Maxwell Elektro-Manyetik (EM) Teorisi</p><br />
<p>Doğada, cisimlerin hareketine ek olarak bir takım elektriksel ve manyetik etkiler ile ışıkla ilgili optik olaylar da gözlenmektedir. İnsanlar, doğanın bu yönlerini de modelleyebilmek, matematiksel olarak anlamak istiyorlardı. Maxwell kendisinden önce, bu konularla ilgili çıkarılmış denklemleri birleştirmesiyle bilinir ve bu anlamda elektro-manyetiğin Newton’u olarak adlandırılır.</p><br />
<p>Maxwell denklemlerine göre, elektrik ve manyetik aslında birbiri cinsinden ifade edilebilen, birbirine dönüşebilen etkilerdir. Örneğin yağmurlu bir havada yüksek bir tepede bulunuyorsanız ve yanınızda bir pusula varsa, her şimşek çakışında (yük boşalması=elektriksel olay) pusulanın ibresinin saptığını (manyetik olay) gözlemleyebilirsiniz. Bu basit deney bize, aslında elektrik ve manyetiğin aynı şeyin iki farklı yönü olduğunu ispatlar. Maxwell aynı şekilde, ışığın da aslında bir elektro-manyetik dalga olduğunu denklemleriyle göstermişti. Böylece Maxwell sayesinde o dönemin üç fenomeni daha, elektrik, manyetik ve optik, açıklanabilir ve anlaşılabilir olmuştu. Tabiatın bütün sırlarına vakıftı artık insanlar ve işte bu özgüvenle artık fiziğin, yolun sonuna geldiğini düşünüyorlardı. Oysa ki, ‘son’ dediklerinin aslında ‘başlangıç’ olduğunu, yeni kuantum bulgularıyla anlayacaklardı.</p><br />
<p>EM Dalgalar</p><br />
<p>Dalga, enerjiyi mekânda ve zamanda bir noktadan başka bir noktaya taşıyan titreşim olarak tanımlanabilir. Örneğin ‘duyma’ dediğimiz hadiseyi ele alalım. Ses aslında, katı, sıvı veya gaz bir ortamın ani deformasyonu (bozulması) sonucu oluşan dalgalarla taşınan enerjidir. Hava içerisinde titreşen bir cisim (arının kanat çırpması mesela), etrafındaki havayı periyodik olarak sıkıştırıp genleştirecektir ve bu yolla oluşan dalga, cismin titreşim enerjisini hava içinde iletecektir. Ses dalgaları dediğimiz, işte bu iletimin mekanizmasıdır. Arının kanat çırpmasından ötürü açığa çıkan titreşim enerjisi hava yoluyla, ses dalgaları aracılığıyla kulağımıza kadar gelir, aynı şekilde kulak zarımızı titreştirmeye başlar, kulak zarımızın titreşimi sonucu sinirler elektriksel olarak uyarılır, bu uyartı beynimize iletilir ve biz de ses dediğimiz şeyi algılarız. Başka bir örnek; durgun bir su yüzeyine bir taş parçası atıldığında oluşan dalgalardır. İşte bu dalgalar da, üsttekine benzer şekilde su yüzeyinin deformasyonu sonucu oluşmuştur. Taş, su yüzeyine çarptığında açığa çıkan enerjiyi su içinde taşırlar.</p><br />
<p>Radyo, TV, cep telefonları, uydular aracılığıyla haberleşme elektro-manyetik (EM) dalgalar yoluyla olur. Bu dalgaların ses ve su dalgalarından farkı, iletimleri için bildiğimiz anlamda fiziksel bir ortama ihtiyaç duymamalarıdır. EM dalgalar, boş uzayda dahi ilerleyebilir. Tabi bu nokta spekülasyona açıktır, boş-vakum olarak bildiğimiz uzay gerçekten de boş mudur yoksa aslında şu an anlayamadığımız bir doluluk biçimine mi sahiptir?</p><br />
<p>Maxwell denklemleri boş uzay /vakum için çözüldüğünde ( yük ve akım yerine sıfır koyarak), karşımıza bir dalga denklemi çıkar. Bu denklemdeki dalganın hızının, önceden ışık için deneyler yoluyla bulunan bilindik hızla (saniyede 300.000 km.) aynı olduğunun görülmesi, ışığın da aslında bir EM dalga olduğunu ispatlamıştır. Renkler olarak algıladığımız görünür ışık bölgesi, dalga boyu 400-700 nm (1 nm= metrenin milyarda biri) arasında olan EM dalgalardır. (Her bir renk de farklı bir dalga boyuna denk gelmektedir.) Böylece optik etkiler, ışığın dalga kuramıyla tutarlı şekilde açıklanmaya başlanmıştı. Işık, bir elektro-manyetik dalgaydı ve dalgalara has özellikler gösteriyordu. Bu dalga etkilerinden biri olan ‘girişim’e, sonraki kuantum bulgularını anlamamıza yardımcı olacağı için değinmemiz gerekmekte:</p><br />
<p>Çift Yarık Deneyi</p><br />
<p>Çift Yarık Deneyi, dalgalarda girişim etkilerini göstermek için tasarlanmış bir deneydir.</p><br />
<p>Bir dalga kaynağından gelen düz dalgaların önü kesilip sadece çok ufak bir aralıktan ilerlemelerine izin verildiğinde, dalga noktasal bir kaynaktan geliyormuş gibi davranır. Bu dalganın da önü bu kez çift aralıktan geçecek şekilde kesildiğinde, dalga iki eşzamanlı kaynaktan yayılıyormuşçasına ilerlemeye devam eder. Karşıya koyulmuş bir ekrana bakıldığında sırasıyla aydınlık ve karanlık desenler gözükür. Bunun sebebi, iki kaynaktan ilerleyen dalgaların ekran üzerinde kimi noktalarda iki tepe noktasının üst üste gelmesi (yapıcı girişim=aydınlık desen), kimi noktalarda ise tepe ve çukur noktalarının üst üste gelmesi (yıkıcı girişim=karanlık desen)dir. Bir kaynaktan çıkan şeyin dalga mı yoksa parçacık yapısında mı olduğunu anlamak için bu çift yarık deneyi tatbik edilebilir. Aydınlık-karanlık desenler gözüküyorsa kaynaktan çıkan şey dalga özelliği göstermektedir. İki kaynaktan atılan mermiler (yani parçacıklar) durumunu düşünelim. Böyle bir durumda ekranda sıralı aydınlık-karanlık desenler yerine sadece düz aydınlık bir desen görmemiz gerekirdi...</p><br />
<p>Kuantum Devriminin Ayak Sesleri</p><br />
<p>Buraya kadar, kuantum bulguları öncesi fiziğin genel karakteristiğine ve bu fizik anlayışının getirdiği felsefî dünya görüşüne genel bir atıfta bulunduk. Özetlemek gerekirse:</p><br />
<p>Herhangi bir sistemin çözümlenmesi, onun başlangıç şartlarının belirlenip daha sonra da bu başlangıç şartlarının sistemin matematiksel modelinde girdi olarak alınıp modelin matematiğini çözmekle mümkündü. Gerisi sadece bir hesap meselesiydi. (Peki, gerçekten öyle miydi? Bazı şeyleri temelden yanlış alıyor olabilir miydik?)</p><br />
<p>Kuantum Devrimi, insanlık atom altı dünyanın kapısına dayandığında ilk emarelerini vermeye başlamıştı. Bu noktada, ‘atom’ kavramı üzerinde bir müddet durmalıyız.</p><br />
<p>Atoma dair ilk fikirlerin kökeninin Eski Yunan olduğu söylenegelir. M.Ö. 500’li yıllarda filozof Demokritos, tüm maddelerin ‘atom’ adı verilen, daha küçük parçalara bölünemeyecek özdeş yapılardan oluştuğunu öne sürdü. (Bu noktada elbette, diğer Medeniyetlerin de maddenin temel yapısı hakkındaki düşüncelerinin araştırılmasında fayda görmekteyim.) Demokritos sonrası yıllarda, bu devrine göre hayli ileri olan düşünce, Aristo’nun 4 ana element fikriyle gölgede kaldı. Çok daha sonra, Galileo ve Newton, önsezileriyle atomların varlığına inandılar fakat atomların varlığına dair ortada bir ‘matematiksel’ ya da gözleme dayalı kanıt yoktu. Ancak 19. yy’da, İngiliz kimyacı Dalton’un gazlar üzerinde yaptığı deneyler sayesinde atomların var olduğu kanıtlandı. Şöyle ki, Dalton’un yaptığı deneylerin sonuçları, ancak her gazın atomlardan oluşması ve değişik gaz atomlarının da farklı kütlelere sahip olabilmesiyle açıklanabiliyordu. Kısa süre sonra, sadece gazların değil, tüm elementlerin atomlardan oluştuğu anlaşıldı.</p><br />
<p>Bu keşif, beraberinde yeni soru ve sorunları getirdi. Atom, tanımı itibariyle maddenin yapı taşıydı. Peki, atomun kendisinin yapısı nasıl bir şeydi? Atomun kendine ait bir yapısı olması gerekmez miydi? Atom da muhtemelen daha başka parçacıklardan oluşuyordu. Daha önce Faraday, yaptığı deneylerde pozitif yüklü parçacıklar olduğunu göstermişti. Bu parçacıklar neredeydi?</p><br />
<p>1895 yılında Röntgen’in X Işınlarını keşfi, Modern Fiziğin de başlangıcı kabul ediliyor. X Işınlarının, yüksek enerjili EM dalga olduğu anlaşılıyor. Radyoaktivitenin keşfi de devrimin önemli ayak seslerindendir.</p><br />
<p>Thomson’un, negatif yüklü ‘elektron’u keşfi ile bu parçacığın da atomun yapısı içinde yer alması gerektiği düşünüldü.</p><br />
<p>Tüm bu keşiflerden gelen bulgular doğrultusunda, atomun nasıl bir şey olabileceğine dair çeşitli ‘atom modelleri’ geliştirildi. Bunlar arasında en çok rağbet görenleri, Thomson’un 'üzümlü kek modeli' ile o dönem Güneş Sistemi’nin yapısından etkilenerek oluşturulan ‘gezegensel atom modeli’ idi:</p><br />
<p>Daha sonra Rutherford da deneyleriyle gezegensel atom modeline yakın sonuçlar elde etmiştir. Rutherford’un deney sonuçlarına göre, merkezde kütlenin çok büyük bir kısmı toplanmalıydı ve yörüngedeki elektronların bu merkeze mesafesi atom boyutları ölçeğinde çok büyüktü. Benzetme için, atomu bir futbol sahası büyüklüğünde düşündüğümüzde neredeyse çekirdek dediğimiz yapı sahanın ortasındaki fasülyeler gibiyken elektronlar da tribünler mertebesinde sahanın etrafında dönmekteydi!</p><br />
<p>Bu gezegensel modelin en zayıf noktası, hareket eden bir elektronun radyasyon (yani enerji) yayacağından, hesaplandığında saniyenin milyonda biri bir sürede çekirdeğe düşmesi gerekmekteydi. Fakat böyle bir şey olmuyordu. Neden? Bu sorunun cevabını Bohr verecekti.</p><br />
<p>İsmail Yiğit

Devrimin Başlangıcı: Kara Cisim Işıması1800’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 boyunda) ışıma gerçekleşir. 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.

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.
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

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.

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 mi Dalga mı?

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!

(Fotonun Kimlik Problemleri)

“Ben bir X-Işını fotonu muyum…? Yoksa bir radyo dalgası fotonu mu? Ya da görünür bölgedeki bir ışık fotonu mu? Aman, neyse ne! Niye tüm bunlar için tekrar endişeleniyorum ki? Henüz bir dalga mıyım yoksa bir parçacık mı, bundan bile emin değilim ki!”

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.

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 edebilirsiniz.

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 dalga idi hem de parçacık…

Schrödinger Dalga Denklemi

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 hesaplanabilmektedir.

Schrödinger Dalga Denklemi

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

Ψ‘in ne olabileceğine dair iki temel açıklama hâkimdi:

Schrödinger’in Açıklaması: Ψ, 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: Ψ 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.

Einstein’in ‘Tanrı zar atmaz’ meşhur sözü, Born ve Heisenberg’in yukarıda özetlenen görüşlerine bir karşılıktır. 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…

Sırada, kimi zaman popüler medyada da rastladığımız, Kuantum Fiziğinin garip söylemleri var.

Photo: KUANTUM DEVRİMİ - II</p><br />
<p>Devrimin Başlangıcı: Kara Cisim Işıması</p><br />
<p>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 boyunda) ışıma gerçekleşir.</p><br />
<p>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.</p><br />
<p>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…</p><br />
<p>Kuanta!</p><br />
<p>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.</p><br />
<p>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. 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:</p><br />
<p>Foto-Elektrik Etki</p><br />
<p> 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.</p><br />
<p>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.</p><br />
<p>Işık: Tanecik mi Dalga mı?</p><br />
<p>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!</p><br />
<p> (Fotonun Kimlik Problemleri)</p><br />
<p>"Ben bir X-Işını fotonu muyum...? Yoksa bir radyo dalgası fotonu mu? Ya da görünür bölgedeki bir ışık fotonu mu? Aman, neyse ne! Niye tüm bunlar için tekrar endişeleniyorum ki? Henüz bir dalga mıyım yoksa bir parçacık mı, bundan bile emin değilim ki!"</p><br />
<p> Devrim Devam Ediyor…</p><br />
<p>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.</p><br />
<p>Bu fenomeni açıklayan öneri Bohr’dan geldi:</p><br />
<p>Bohr Atom Modeli</p><br />
<p> 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.</p><br />
<p> 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:</p><br />
<p>Broglie ‘Madde Dalgaları’</p><br />
<p>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!</p><br />
<p> 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…</p><br />
<p>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.</p><br />
<p>(*)Kırınım için bir çeşit girişim etkisi denebilir. Elektronların bu etkisi için Çift Yarık Deneyi’nin anlatıldığı ‘Kuantum Devrimi-I’ yazısında ilgili yere tekrar müracaat edebilirsiniz.</p><br />
<p>Elektronun Kırınım Desenleri</p><br />
<p>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.</p><br />
<p>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.</p><br />
<p>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 dalga idi hem de parçacık…</p><br />
<p>Schrödinger Dalga Denklemi</p><br />
<p> 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 hesaplanabilmektedir.</p><br />
<p> Schrödinger Dalga Denklemi</p><br />
<p>Yalnız bu, Bohr’un atom kuramıyla da uyumlu ve öngörüleri deneysel olarak da kanıtlanan denklemde çok ciddi bir sorun vardı. Denklemde yer alan Ψ’nin fiziksel anlamı neydi? Schrödinger’in denkleminden yola çıkarak hesaplanan enerji, momentum vb. fiziksel nicelikler anlamlıydı zira bunlar deneysel olarak da gözlenebilir niceliklerdi ama Ψ için böyle bir şey söz konusu değildi.</p><br />
<p>Ψ‘in ne olabileceğine dair iki temel açıklama hâkimdi:</p><br />
<p>Schrödinger’in Açıklaması: Ψ, 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.</p><br />
<p>Born ve Heisenberg’in Açıklaması: Ψ 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.</p><br />
<p>Einstein’in ‘Tanrı zar atmaz’ meşhur sözü, Born ve Heisenberg’in yukarıda özetlenen görüşlerine bir karşılıktır. 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.</p><br />
<p>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…</p><br />
<p>Sırada, kimi zaman popüler medyada da rastladığımız, Kuantum Fiziğinin garip söylemleri var.</p><br />
<p>İsmail Yiğit

Kuantum Fiziğinin Garip Söylemleri/Heisenberg Belirsizlik İlkesi

Heisenberg, kuantum sistemlerindeki niceliklerin (hız, konum, enerji vb.) değerlerine ilişkin belirsizliğin niçin olduğu üzerine çok düşündü. Olayı en temelden ele almak istedi ve herhangi bir kuantum deneyindeki gözlem sürecini düşündü. Ne olursa olsun, herhangi bir parçacığı, onu rahatsız etmeden gözlemlemenin imkânsız olduğu sonucuna vardı. Parçacık üzerindeki her gözlem aslında onu rahatsız etmekte, yani konum ve hızı gibi niceliklerinde değişikliğe sebep olmaktaydı. Bu, işin doğasında olan engellenemez bir şeydi. Gözlem sonrası parçacık artık eski konumunda ve hızında değildi, dolayısıyla bir parçacığın orijinal ilk konum ve hızının bilgisine asla erişemiyorduk. Kısacası, Orwell’ci bir söylemle kuantum dünyasında kesin olan bir tek şey vardır, o da belirsizlik! Belirsizlik, kesinliktir!

Örneğimizi daha da açalım. Bir parçacığı nasıl gözlemleriz? En yalın anlatımla, parçacığın varlığına dair bir bilgi edinebilmemiz için parçacığın ışık fotonlarıyla bir şekilde etkileşime girmesi gerekir. Eğer parçacığın konumunu daha yüksek bir hassasiyetle tespit etmek istiyorsak daha iyi görebilmek için daha fazla foton göndermememiz gerekir. Ama bu durumda ne olur? Parçacığa daha fazla foton çarptığından dolayı parçacığın hızındaki belirsizlik artar. Tersi durumu düşünelim, parçacığın hızını daha yüksek hassasiyetle belirlemek istiyorsak bu kez daha az foton yollamamız gerekir ama bu da konumdaki belirsizliği artırır, neden, çünkü daha az foton yolladığımızdan dolayı parçacığı görmemiz zorlaşır.
Δp. Δx ≥ h

Heisenberg Belirsizlik İlkesi: momentumdaki belirsizlik ile konumdaki belirsizliğin çarpımı her zaman h Planck sabitinden büyük olacaktır

Heisenberg’in ‘belirsizlik’ ilkesi, Newton’la beraber bilimsel temelini bulan ‘determinizm’ – ‘belirlenimcilik’ anlayışını geçersiz kılmaktadır. Çünkü eğer maddenin en temelinde belirsizlik hâkim ilkeyse, bu durum bütüne de etki edecektir. Kâinatta adeta her yerde karşımıza çıkan dinamik sistemlerin kendi başlangıç koşullarına son derece hassas bağımlı olduğunu söyleyen Kaos kuramını, başlangıç koşullarının asla %100 kesinlikle belirlenemeyeceğini söyleyen Heisenberg’in belirsizlik ilkesiyle birleştirdiğimizde karşımıza determinizmin çöküşü çıkmaktadır.

Schrödinger’in Kedisi: Aynı Anda Hem Ölü Hem de Diri

( Bu konuyla ilgili başka bir yazım olan “Hepimiz Schrödinger’in Kedisiyiz” için dokunun )

Dış ortamdan tamamen yalıtılmış -yani ne içerisinin dışarısı hakkında, ne de dışarısının içerisi hakkında görme, işitme, vs. nevinden bir bilgi edinebileceği- kapalı bir kutu düşünelim. Bu kapalı kutunun içine de öyle bir düzenek kurmuş olalım ki, % 50 ihtimalle çalışsın ve eğer çalışırsa harekete geçen bir çekiç, içi zehirli gaz dolu şişeyi kırsın. İşte Schrödinger’in Kedisi, böyle bir kutunun içinde kendi gerçekliğini sürdürmektedir. Soru, kedinin kutunun içinde sürdürdüğü bu gerçekliğin doğası üzerinedir; kapalı kutunun içindeki Schrödinger’in Kedisi ölü müdür, diri midir?

Kuantum fiziği, bu düşünce deneyine şöyle bir açıklama getirmektedir: Kutuyu hiç açmadığımız durumda, Schrödinger’in Kedisi hem ölü, hem de diridir. Kedinin ölü olduğu kuantum durumu ile diri olduğu kuantum durumu, zehrin açığa çıkma olasılığı % 50 olarak düzenlendiği için eşit derecede geçerlidir. Kutuyu açmak, bir gözlem yapmak demektir ve kuantum dünyasında gözlem yapmanın karşılığı, gözlenen sistemde gözlem öncesi olası kuantum durumlarından birisinin gerçekleşmesi demektir. Dalga fonksiyonun çökmesi olarak adlandırıyoruz bunu.
Schrödinger’in kedisi deneyinde sorun, Schrödinger dalga denkleminde üst üste gelme (süper pozisyon) etkisinin yorumlanma farklılığıdır. Üst üste gelme için, bir sistemin aynı anda birkaç farklı durumda bulunabilmesi diyebiliriz. Schrödinger denkleminde, elektronun konumuna dair görüş ayrılıklarını hatırlayalım. Schrödinger’e göre elektron tek bir noktada değil, birden fazla noktada aynı anda bulunabilmekteydi. Buna göre zaten Kedi de aynı anda hem ölü idi, hem de diri. Max Born ve Heisenberg ise, Broglie madde dalgalarının fiziksel bir dalga olmadığını, bir olasılık dalgası olarak yorumlanması gerektiğini savundu. Parçacığın nerede olduğunu söylememiz imkânsızdır, sadece bir yerde bulunma olasılığından bahsedebiliriz. Kedi durumunda, sadece kedinin ölü veya diri olma olasılığından bahsedebiliriz, bunun üstüne fiziksel bir yorum yapmak imkânsızdır.

Kuantum Tünelleme

Klasik fiziğe göre, bir parçacığın herhangi bir enerji engelini aşabilmesi için o engelin potansiyelinden daha fazla enerjiye sahip olması gerekmektedir. Daha az enerjiye sahip olduğu bir durumda engeli aşması, engelin öteki tarafında bulunması imkânsız olmaktadır.

Oysa kuantum kuramına göre, dalga denklemi sonuçlarına baktığınızda böyle bir durumda dahi parçacığın engelin öteki tarafında bulunma olasılığı vardır ve yapılan sayısız deney de böyle bir durumda parçacığın engelin öteki tarafında bulunabildiğini göstermiştir. Örneğin radyoaktiviteyi fiziksel olarak tünelleme etkisi ile açıklayabiliyoruz. Alfa bozunmasına uğrayan bir çekirdekte alfa tanecikleri çekirdeğin yoğun potansiyel duvar engeline rağmen o engeli aşabilmekte ve böylece radyoaktif bozunum ve ışıma dediğimiz hadise gerçekleşmektedir. Atom boyutunda yüzeylerin bir anlamda topografyalarını çıkarabilen tarama tünelleme mikroskoplarının çalışma prensibi de tünelleme etkisidir.

Newton etki-tepki prensibinde siz bir duvara ne kadar kuvvet uygularsanız o da size aynı şiddette ama zıt yönlü bir kuvvet uygular demiştik. Kuantum etki-tepki prensibi biraz farklı işlemekte. Bir duvarı ittiğinizde kendinizi bir anda duvarın öteki tarafında bulabiliyorsunuz!

Kuantum Telepati

( Bu konuyla ilgili başka bir yazım olan “Kuantum Telepati veya Enel Hak” için dokunun )

Kuantum dünyasında parçacıkların ‘telepati’ yapabildiklerini biliyor muydunuz? Aralarındaki mesafe ne olursa olsun, özel koşullar altında iki parçacık birbiriyle sonsuz hızda haberleşebilmektedir!

Einstein, Podolsky ve Rosen’in (EPR) 1935 yılında ortaya attıkları bu düşünce deneyi, kuantum teorisini çürütmeyi amaçlıyordu; ama daha sonra deneyin kendisi kuantum teorisini destekleyen en önemli argümanlardan biri oldu.

Birbirine bağımlı oluşan iki parçacık düşünelim. Fiziksel korunum yasalarından ötürü (enerji, momentum, açısal momentum vb.) eğer bu parçacıklardan birinin herhangi bir özelliğini gözlemlersek, diğerinin de aynı özelliğini gözlem yapmadan bilebiliriz. Birine ait bir niceliği ölçtüğümüzde, teorik olarak diğerinin de aynı niceliğini diğer ölçümün sonucuna göre aynı anda ayarlaması gerekmektedir. Einstein, böylesi bir sonsuz hızda bilgi aktarımının, evrende hız için üst limit ışık hızıdır diyen özel rölativiteye aykırı olmasından dolayı imkânsızlığını savunurken, dolayısıyla kuantumun yanlışlığını ispatladığını iddia ederken; yapılan deneyler Einstein’in yanıldığını ve kuantum telepati olgusunun gerçek olduğunu göstermiştir. Kuantum telepati etkisi, bilginin anlık “ışınlanmasının” teorik açıdan mümkün olduğunu göstermektedir.

Günümüzde, IBM firmasının bu kuantum etkisini bilişim teknolojilerine uygulama çalışmaları devam etmektedir.

(Bkz.http://www.research.ibm.com/physicsofinfo/members/teleportation.htm)

Ayrıca, ABD Ordusu tarafından da, kuantum ışınlanması üzerinde araştırma çalışmaları yürütülmektedir.

(Bkz. http://www.fas.org/sgp/eprint/teleport.pdf )

Kuantum Mekaniğinin Değişik Yorumları

[Kopenhag Yorumu]

1. Olasılıklar ve Belirsizlikler

Schrödinger denkleminin belli bir kuantum sistemi için çözümüne o sistemin ‘dalga fonksiyonu’ denir. Kuantum mekaniğinde, dalga fonksiyonu y’nin karesi ile betimlenen olasılıklar, gözlemcinin ya da kuramcının eksik bilgisinden veya gözlem aletlerinin yetersizliğinden kaynaklanmaz. Olasılıklar ve bu olasılıklara bağlı belirsizlikler, doğanın özünde bulunur.

2. Gözlenen Sistem – Gözlemci

Bohr’a göre, gözlenen sistemi gözlemciden ayrı şekilde düşünerek inceleyemeyiz. Gözlenen sistem ve gözlemci bir bütündür. Gözlenen sistemin, gözleyen sistemden bağımsız olarak özelliklerinden bahsetmek anlamsızdır.

“Çok ufak şeyleri gözlemlediğimizde, sanki bir şekilde onları gözlemlediğimizi biliyor gibi davranıyorlar. Belki de… her zaman gözleri arkalarında onlar da bizi gözlemliyor! Ne kadar da sinir bozucu!”

3. Ölçümün Geri Çevrilemezliği

Bir ölçüm yaptığımız zaman sistemi geri dönülemez şekilde değiştirmiş oluruz.

4. Dalga Fonksiyonunun Çöküşü

Bir ölçüm, ölçümün yapıldığı nesne ya da sistemin üzerinde bir eylemi içerir. Bu da dalga fonksiyonunun çökmesine sebep olur, yani sistem olabileceği pek çok olası durumdan birine indirgenir. Kuantum kuramı bu indirgemenin olasılıklarını verebilir ama mekanizmasını açıklayamaz.

5. Tamamlayıcılık

Birbirinden bağımsız (biri diğerini içermeyen), bütün deney ve gözlemleri tam olarak anlamak için birlikte gerekli olan kavramları bir arada düşünme.

Örnek: ışığın dalga-parçacık ikiliği. Bu tamamlayıcı özellikler aynı anda gözlemlenemezler, deneyin koşullarına göre ya parçacık ya da dalga davranışı gösterir.

6. Gerçeklik

Sadece bir ölçüm sonucu bulunan nicelik ve nitelikler gerçek olarak alınabilir. Bunun dışında gerçek hakkında başka hiçbir şey söylenemez. Örneğin; bir kitabı masanın üzerine bırakıp çıktığımızda, kitabı görmüyor olduğumuz halde onun masanın üzerinde durmasından bir gerçek olarak bahsetmemize klasik fizik izin verir. Ama aynı şeyi, mesela bir atom için söyleyemeyiz. Heisenberg’e göre böyle bir soru anlamsızdır da…

[Paralel Evrenler Yorumu]

Kopenhag yorumu, Schrödinger’in Kedisi örneğini ve EPR deneyini (kuantum telepati) açıklamakta yetersiz kaldığından, birçok fizikçi tarafından yeterince tatmin edici bulunmamaktadır.

Everett’in ‘evrensel dalga fonksiyonu’ temelli ‘paralel evrenler’ kuramına göre, dalga fonksiyonunun çökmesi diye bir şey söz konusu değildir. Temel fikir şudur: Evren kuantum düzeyinde ne zaman bir seçim yapmak durumunda kalsa, kaç tane alternatif kuantum durumu varsa her bir durum için yeni bir evren doğmaktadır.

Schrödinger’in Kedisi olgusunu, Kopenhag ve Paralel Evrenler yorumlarına göre açıklayalım:

Kopenhag yorumuna göre, kutu açılıp içine bakılıncaya kadar olasılıkların ikisi de gerçek değildir. Kutunun içindeki kedinin dalga fonksiyonu iki alternatif durumun üst üste binmiş hâlidir. Ne ölü ne canlı, hem ölü hem canlı…

Paralel evrenler kuramına göre, evrenlerden birinde kutu açılır ve kedi ölü bulunur, diğerinde ise kutu açıldığında kedi canlı bulunur. Kutu açılmadan evvel kedi zaten evrenlerden birinde ölü, diğerinde canlı olduğundan dalga fonksiyonunun çökmesi diye bir şey söz konusu değildir.

SONUÇ…

“Belirsizlik” sözcüğünün yarattığı garip izlenime, “Schrödinger’in Kedisi” örneğinin verdiği rahatsızlık düşüncesine rağmen, şunu çok iyi bilmeliyiz ki; bizim boyutlarımızda algıladığımız doğada gördüğümüz düzen ve kesinliklerin arkasında kuantum yasaları mevcut. Kuantum, salt atomik boyutlarla sınırlı ve dolayısıyla gündelik hayat için göz ardı edilebilir bir kuram olarak asla görülmemeli. İşler atomik dünyada ‘öyle’ yürüdüğü için bizim dünyamız ‘böyle’…

Kuantum fiziğinin hayata dair telmihleri arasında kişisel olarak benim çıkardığım en önemli sonuç, olaylara dair niyetlerimizin ve hükümlerimizin, kâinat gerçekliğini şekillendirmede tahminlerimizin ötesinde etkili olabileceği.

Bu etkiler de zaten, kuantum fiziğinin keşiflerinden yüzyıllar önce bu coğrafyada değişik şekillerde ifade edilegelmiş. “Güzel bakan güzel görür!” deyişi… “Bir insana kırk kere deli dersen deli olur!” deyişi… “Ağzından yel alsın!” deriz mesela, bize kötü gelen bir öngörü işittiğimizde. Neden acaba? Çünkü ağızdan çıkan her sözün bir şekilde hakikatin inşasında kullanılan bir tuğla olduğu kabul edilir bu topraklarda. Yine bu coğrafyada kullanılagelen “Söz gümüşse sükût altındır!” deyişini, bir de bu bağlamda düşününce bu deyişin daha derin bir anlamı içinde barındırdığı hükmüne varıyorum. Söz elbette değerlidir, gümüştür, ama sükût etmek sözü kâinata bırakmak demektir. Her bir sözümüzle, kâinatın işleyişine müdahalede bulunmuş oluruz. Mesele, hayra dönük mü yoksa şerre dönük mü müdahalede bulunduğumuz. O halde, güzel ve doğru konuşmalı, güzeli ve doğruyu konuşmalı…

Her birimiz, kendi hayat kutusunda gerçekliğini yaşayan birer Schrödinger’in Kedisi’yiz. Birbirimizi nasıl görüyorsak öyleyiz. Birbirimiz hakkında nasıl hüküm veriyorsak öyleyiz. Etrafımızdaki kâinatı, niyetlerimizle ve muratlarımızla inşa ediyoruz. Her bir sözümüz, birer tuğla. Sağlam ve güzel tuğlalar seçmeliyiz…

Kuantum fiziğinin tasvir ettiği dünya, yüzyıllardır sûfi gelenek içinde yoğrulmuş bu kültürün çocukları olarak bize yabancı gelmemektedir, gelmemelidir. Bu paralelliklerin, insan ve kâinat tasavvurumuzda merkeze sûfi geleneğin kadim gerçeklerini alma hususunda bize güven ve cesaret vereceği açıktır.

Hayatımızda, kuantum fiziğinin telmihlerine daha çok yer açmaya ihtiyacımız var…

İsmail Yiğit

Kuantum Fiziğinin Garip Söylemleri/Heisenberg Belirsizlik İlkesiHeisenberg, kuantum sistemlerindeki niceliklerin (hız, konum, enerji vb.) değerlerine ilişkin belirsizliğin niçin olduğu üzerine çok düşündü. Olayı en temelden ele almak istedi ve herhangi bir kuantum deneyindeki gözlem sürecini düşündü. Ne olursa olsun, herhangi bir parçacığı, onu rahatsız etmeden gözlemlemenin imkânsız olduğu sonucuna vardı. Parçacık üzerindeki her gözlem aslında onu rahatsız etmekte, yani konum ve hızı gibi niceliklerinde değişikliğe sebep olmaktaydı. Bu, işin doğasında olan engellenemez bir şeydi. Gözlem sonrası parçacık artık eski konumunda ve hızında değildi, dolayısıyla bir parçacığın orijinal ilk konum ve hızının bilgisine asla erişemiyorduk. Kısacası, Orwell’ci bir söylemle kuantum dünyasında kesin olan bir tek şey vardır, o da belirsizlik! Belirsizlik, kesinliktir!

Heisenberg Belirsizlik İlkesi: momentumdaki belirsizlik ile konumdaki belirsizliğin çarpımı her zaman h Planck sabitinden büyük olacaktır

Schrödinger’in Kedisi: Aynı Anda Hem Ölü Hem de Diri

( Bu konuyla ilgili başka bir yazım olan “Hepimiz Schrödinger’in Kedisiyiz” için dokunun )

Kuantum fiziği, bu düşünce deneyine şöyle bir açıklama getirmektedir: Kutuyu hiç açmadığımız durumda, Schrödinger’in Kedisi hem ölü, hem de diridir. Kedinin ölü olduğu kuantum durumu ile diri olduğu kuantum durumu, zehrin açığa çıkma olasılığı % 50 olarak düzenlendiği için eşit derecede geçerlidir. Kutuyu açmak, bir gözlem yapmak demektir ve kuantum dünyasında gözlem yapmanın karşılığı, gözlenen sistemde gözlem öncesi olası kuantum durumlarından birisinin gerçekleşmesi demektir. Dalga fonksiyonun çökmesi olarak adlandırıyoruz bunu. Schrödinger’in kedisi deneyinde sorun, Schrödinger dalga denkleminde üst üste gelme (süper pozisyon) etkisinin yorumlanma farklılığıdır. Üst üste gelme için, bir sistemin aynı anda birkaç farklı durumda bulunabilmesi diyebiliriz. Schrödinger denkleminde, elektronun konumuna dair görüş ayrılıklarını hatırlayalım. Schrödinger’e göre elektron tek bir noktada değil, birden fazla noktada aynı anda bulunabilmekteydi. Buna göre zaten Kedi de aynı anda hem ölü idi, hem de diri. Max Born ve Heisenberg ise, Broglie madde dalgalarının fiziksel bir dalga olmadığını, bir olasılık dalgası olarak yorumlanması gerektiğini savundu. Parçacığın nerede olduğunu söylememiz imkânsızdır, sadece bir yerde bulunma olasılığından bahsedebiliriz. Kedi durumunda, sadece kedinin ölü veya diri olma olasılığından bahsedebiliriz, bunun üstüne fiziksel bir yorum yapmak imkânsızdır.

Kuantum Tünelleme

Kuantum Telepati

( Bu konuyla ilgili başka bir yazım olan “Kuantum Telepati veya Enel Hak” için dokunun )

Günümüzde, IBM firmasının bu kuantum etkisini bilişim teknolojilerine uygulama çalışmaları devam etmektedir.

(Bkz.http://www.research.ibm.com/physicsofinfo/members/teleportation.htm)

Ayrıca, ABD Ordusu tarafından da, kuantum ışınlanması üzerinde araştırma çalışmaları yürütülmektedir.

(Bkz. http://www.fas.org/sgp/eprint/teleport.pdf )

Kuantum Mekaniğinin Değişik Yorumları

[Kopenhag Yorumu]

1. Olasılıklar ve Belirsizlikler

2. Gözlenen Sistem – Gözlemci

3. Ölçümün Geri Çevrilemezliği

Bir ölçüm yaptığımız zaman sistemi geri dönülemez şekilde değiştirmiş oluruz.

4. Dalga Fonksiyonunun Çöküşü

5. Tamamlayıcılık

Birbirinden bağımsız (biri diğerini içermeyen), bütün deney ve gözlemleri tam olarak anlamak için birlikte gerekli olan kavramları bir arada düşünme.

Örnek: ışığın dalga-parçacık ikiliği. Bu tamamlayıcı özellikler aynı anda gözlemlenemezler, deneyin koşullarına göre ya parçacık ya da dalga davranışı gösterir.

6. Gerçeklik

[Paralel Evrenler Yorumu]

Kopenhag yorumu, Schrödinger’in Kedisi örneğini ve EPR deneyini (kuantum telepati) açıklamakta yetersiz kaldığından, birçok fizikçi tarafından yeterince tatmin edici bulunmamaktadır.

Schrödinger’in Kedisi olgusunu, Kopenhag ve Paralel Evrenler yorumlarına göre açıklayalım:

SONUÇ…

Hayatımızda, kuantum fiziğinin telmihlerine daha çok yer açmaya ihtiyacımız var…

İsmail Yiğit” width=”403″ height=”312″ style=”border: 0px; height: 312px; min-height: 100%; position: relative; “>

İlgili