Kuantum mekaniği
Kuantum mekaniği fizyolojik sistemlerin özelliklerinin ve davranışlarının hesaplanmasına izin verir. Tipik olarak mikroskobik sistemlere uygulanır; moleküller, atomlar ve atom altı parçacıklar. Binlerce atomlu karmaşık moleküller için geçerli olduğu gösterilmiştir, sadece insanlara uygulanması, Wigner’in arkadaşı benzer biçimde felsefi sorunları gündeme getirir ve bir tüm olarak evrene uygulanması spekülatif kalır. Kuantum mekaniğinin tahminleri deneysel olarak son aşama yüksek bir doğruluk derecesinde doğrulanmıştır.
Kuantum mekaniği, fiziğin ufak bir alanında varlık gösterir. Bu alanda elde edilmiş sonuçlar klasik fiziğin tanımladığı dünyanın aksine bazı fazlaca acayip sonuçlar ortaya sunabilir. Klasik mekaniğin atomlar ve elektronlar ölçeğinde nesnelerin günlük boyutlarda ve hızlarda iyi mi hareket ettiğini tanımlayan denklemlerinin bir çok bu alanda işe yaramaz hale gelir.
Mesela; klasik mekanikte nesneler belirli bir zamanda belirli bir yerde bulunur. Bununla beraber kuantum mekaniğinde nesneler bir olasılık belirsizliğinde bulunur; A noktasında olmak için belirli bir şansları, B noktasında olmak için başka bir şansları vardır ve bu ihtimaller bu şekilde sonsuza dek devam eder.
Üç Devrimci İlke
Kuantum mekaniği (QM) emekleri, klasik mekaniğin matematiğinin açıklayamadığı deneylerin tartışmalı matematiksel açıklamaları olarak başlayarak on seneler süresince gelişti. 20. yüzyılın başlangıcında Albert Einstein’ın fizikte şeylerin yüksek hızlarda hareketini tanımlayan ayrı bir matematiksel devrim olan “görelelik teorisini” yayınlamasıyla aynı dönemde başladı.
Göreliliğin aksine QM’nin kökenleri herhangi bir bilim insanına atfedilemez. Bunun yerine, birçok bilim insanı 1900 ile 1930 içinde kademeli olarak kabul ve deneysel doğrulama kazanan üç devrimci ilkenin temeline katkıda bulunmuş oldu.
Nicelleştirilmiş Özellikler
Konum, hız ve renk benzer biçimde belirli özellikler kimi zaman numaradan numaraya “tıklayan” bir kadran benzer biçimde yalnızca belirli, ayarlanmış miktarlarda ortaya çıkabilir. Bu durum klasik mekaniğin temel bir varsayımına meydan okudu ve bu tür özelliklerin pürüzsüz, devamlı bir spektrumda var olması icap ettiğini söylemiş oldu. Bilim adamları bazı özelliklerin belirli ayarlara haiz bir kadran benzer biçimde “tıklandığı” fikrini açıklamak için “nicelleştirilmiş” kelimesini buluş etti.
Işık Parçacıkları : Işık kimi zaman bir parçacık benzer biçimde davranabilir. Işığın sakin bir gölün yüzeyindeki dalgalanmalara fazlaca benzer bir halde davrandığını gösteren 200 senelik deneylerin aksine bu buluş, başlangıçta sert eleştirilerle karşılandı.
Işığın duvarlardan sekmesi, köşelerin çevresinde kıvrılması, dalganın tepelerinde ve çukurlarının üstünde toplanması sonucu eklenen dalga tepeleri daha parlak ışıkla sonuçlanırken çukurda kalan kısımlarda karanlık oluşur. Bir ışık deposu, bir gölün ortasına ritmik olarak batırılan bir çubuk üstündeki bir top olarak düşünülebilir. Yayılan renk, topun ritminin hızı ile belirlenen tepeler arasındaki mesafeye karşılık gelir.
Madde Dalgaları : Maddenin (elektronlar benzer biçimde) parçacıklar olarak var bulunduğunu gösteren ortalama 30 senelik deneylerin aksine madde de bununla beraber bir dalga benzer biçimde davranabilir.
Nicel Özellikler
1900 senesinde Alman fizikçi Max Planck, spektrum üstünden yayılan renklerin ampul filamentleri benzer biçimde kırmızı-sıcak ve beyaz-sıcak nesnelerin ışıltısında dağılımını açıklamaya çalıştı. Planck bu dağılımı tanımlamak için türettiği denklemi fizyolojik olarak anlamlandırırken bunun yalnızca (fazlaca sayıda olsa da) belirli renklerin kombinasyonlarının, bilhassa bazı temel değerlerinin, tam sayı katları olanlarda yayıldığını fark etti. Böylelikle bir halde renkler nicelleştirildi! Bu beklenmedik bir durumdu şu sebeple ışığın bir dalga benzer biçimde davranılmış olduğu anlaşılıyordu, bu da renk değerlerinin devamlı bir spektrumu olması gerektiği anlamına geliyordu.
Bu tam sayı katları arasındaki renkleri üretmekten atomları yasaklayan ne olabilirdi? Bu o denli garip görünüyordu ki Planck nicelemeyi matematiksel bir numaradan başka bir şey olarak görmemeye karar verdi. Helge Kragh, Physics World dergisindeki “Max Planck, İsteksiz Devrimci ” adlı 2000 tarihindeki makalesinde, “Aralık 1900’de fizikte bir devrim meydana geldiyse de kimse bunu fark etmiyor gibiydi ve Planck de bir kural dışı değildi…” Ek olarak Planck denklemi bugün “Planck Sabiti” olarak malum, QM’nin gelecekteki gelişimi için fazlaca mühim olacak bir sayı içeriyordu.
Niceleme fiziğin öteki gizemlerini açıklamaya destek oldu. 1907’de Einstein, aynı oranda ısıyı malzemeye koyup başlangıç sıcaklığını değiştirdiğinizde bir katının sıcaklığının niçin değişik miktarlarda değiştiğini açıklamak için Planck’ın kuantizasyon hipotezini kullandı.
1800’lerin başından beri, spektroskopi bilimi, değişik elementlerin “spektral çizgiler” adında olan belirli ışık renklerini yaydığını ve bu tarz şeyleri absorbe ettiğini göstermiştir. Spektroskopi, uzak yıldızlar benzer biçimde nesnelerde bulunan elementleri belirlemek için güvenilir bir yöntem olsa da bilim adamları ilk etapta her bir elementin niçin bu belirli çizgileri verdiğini anlamaya çalıştı. 1888’de Johannes Rydberg, hidrojen tarafınca yayılan spektral çizgileri tanımlayan bir denklem çıkardı sadece kimse denklemin iyi mi çalıştığını açıklayamadı.
Bu, 1913’de Niels Bohr’un Planck’ın kuantizasyon hipotezini Ernest Rutherford’un atomun 1911’deki “gezegensel” modeline uyguladığında değişti; bu hipotez, elektronların gezegenlerin güneşin yörüngesinde olduğu benzer biçimde çekirdeğin çevresinde döndüğünü varsaydı. Bohr; elektronların bir atomun çekirdeği etrafındaki “hususi” yörüngelerle sınırı olan bulunduğunu öne sürdü. Hususi yörüngeler içinde meydana gelen “zıplamalar” ve sıçramanın ürettiği enerjinin, spektral çizgiler olarak gözlenen belirli ışık renklerine niçin bulunduğunu ileri sürdü. Nicelleştirilmiş özellikler bir tek matematiksel bir numara olarak buluş edilmiş olsa da o denli fazlaca şey deklare etti ki QM’nin temel ilkesi haline geldi.
Işık Parçacıkları mı?
1905’de Einstein, ışığın bir dalga olarak değil bir çeşit “enerji kuantumu” olarak hareket ettiğini tasarım etmiş olduğu “Işığın Emisyonu ve Dönüşümüne Yönelik Sezgisel Bakış Açısı” başlıklı bir yazı yayınladı. Einstein’ın önerilmiş olduğu bu enerji paketinde bilhassa nicelenmiş titreşim hızları içinde bir atom “sıçradığında yalnızca bir tüm olarak emilebilir yada üretilebilir”. Bu, birkaç yıl sonrasında gösterime başlayacağı benzer biçimde nicelenmiş yörüngeler içinde bir elektron “sıçradığında” da geçerli olacaktır. Bu modele nazaran Einstein’ın “enerji miktarı” sıçramanın enerji farkını içeriyordu ve bu enerji farkı Planck sabiti ile bölündüğünde, kuantumların taşımış olduğu ışığın rengini belirlemekteydi.
Einstein, ışığı tasarım etmenin bu yeni yolu ile Planck’ın bir ampul telinden yayıldığını tarif etmiş olduğu belirli renkler de dahil olmak suretiyle dokuz değişik olgunun davranışına ilişkin içgörüler sundu. Ek olarak ışığın belirli renklerinin, elektronları metal yüzeylerden iyi mi çıkarabildiğini de deklare etti, bu fenomen “fotoelektrik tesir” olarak bilinir.
Bununla beraber Winnipeg Üniversitesi’nde fizik profesörü olan Stephen Klassen, Einstein’ın gerçekleştirdiği bu bilimsel sıçramada tamamen haklı olmadığını söylemiş oldu. Klassen, 2008 tarihindeki bir yazı olan “Fotoelektrik Tesir: Fizik Sınıfı İçin Hikayeyi Rehabilite Etmek” adlı makalede Einstein’ın dile getirmiş olduğu enerji miktarının, bu dokuz fenomenin tümünü açıklamak için lüzumlu olmadığını belirtiyor.
Işığın bir dalga olarak belirli matematiksel işlemleri hem Planck’ın bir ampul filamentinden yayıldığını tanımladığı belirli renkleri hem de fotoelektrik etkiyi tanımlayabilir. Hakikaten de Nobel komitesi Einstein’ın 1921’deki tartışmalı zaferinde Nobel Ödülünü, yalnızca bilhassa enerji miktarı terimine dayanmayan “fotoelektrik tesir yasasını keşfettiği” için vermiştir.
Einstein’ın makalesinden ortalama yirmi yıl sonrasında, 1923’de, Arthur Compton’ın emek vermesi yardımıyla bir elektron ışını tarafınca saçılan ışığın renk değiştirdiğini gösteren “foton” terimi, enerji kuantumunu tanımlamak için popüler hale geldi.
Bu buluş ışık parçacıklarının (fotonlar) hakkaten de madde parçacıklarıyla (elektronlar) çarpıştığını gösterdi ve böylece Einstein’ın hipotezini doğruladı. Şimdiye kadar, ışığın “dalga-parçacık ikiliğini” QM’nin temeline yerleştirerek ışığın hem dalga hem de parçacık olarak davranabileceği gerçeği artık net olarak bilinmekte.
Madde dalgaları?
Elektronun 1896’da keşfedilmesinden bu yana tüm maddenin parçacıklar şeklinde var olduğuna dair fikirler yavaş yavaş gelişiyordu. Gene de ışığın dalga-parçacık ikiliğinin gösterilmesi, bilim adamlarının maddenin yalnızca parçacık olarak hareket etmekle sınırı olan olup olmadığını sorgulamasına niçin oldu. Bir ihtimal dalga-parçacık ikiliği madde de ilgilendiriyor olabilirdi?
Bu mantıkla mühim ilerleme kaydeden ilk bilim insanı, Louis de Broglie adlı Fransız bir fizikçiydi. 1924’te de Broglie, parçacıkların dalga benzeri özellikler gösterebileceğini açıklayabilmek için Einstein’ın hususi görelilik teorisinin denklemlerini kullandı.
Hemen sonra 1925’de, bağımsız çalışan ve değişik matematiksel düşünme hatları kullanan iki bilim insanı, elektronların atomlarda iyi mi döndüğünü açıklamak (klasik mekaniğin denklemleri kullanılarak açıklanamayan bir fenomen) için Broglie’nin mantığını uyguladı.
Almanya’da fizikçi Werner Heisenberg (Max Born ve Pascual Jordan ile beraber çalışıyordu) bunu “matris mekaniği”ni geliştirerek başardı. Avusturyalı fizikçi Erwin Schrödinger “dalga mekaniği” adlı benzer bir kuram geliştirdi. Schrödinger 1926’da bu iki yaklaşımın eşdeğer bulunduğunu gösterdi.
Rutherford-Bohr modelinin yerini, her elektronun bir atomun çekirdeği çevresinde bir dalga (kimi zaman “bulut” olarak adlandırılır) olarak hareket etmiş olduğu atomun, Heisenberg-Schrödinger modeli aldı. Yeni modelin bir şartı, elektronu oluşturan dalganın uçlarının buluşması gerektiğiydi. Melvin Hanna şu şekilde der: “Sınır koşullarının empoze edilmesi enerjiyi değişik değerlerle sınırlamıştır.”
Bu şartın bir sonucu, yalnızca tam sayıdaki tepe ve çukurlara izin verilmesidir, bu da bazı özelliklerin nedenini Atomun Heisenberg-Schrödinger modelinde, elektronlar bir “dalga fonksiyonuna” itaat eder ve yörüngelerden ziyade “yörüngeleri” işgal eder. Rutherford-Bohr modelinin dairesel yörüngelerinin aksine dambıldan papatyalara kadar, atomik orbitaller ve kürelere kadar değişen çeşitli şekillere haizdir.
1927’de Walter Heitler ve Fritz London, atomik orbitallerin moleküler orbitaller oluşturmak için iyi mi birleşebileceğini göstermek adına dalga mekaniğini daha da geliştirdi ve atomların moleküller oluşturmak için niçin birbirine bağlandığını etkili bir halde gösterdi. Bu, klasik mekaniğin matematiği kullanılarak çözemediği bir başka problemdi. Bu içgörüler yeni bir alan olan “kuantum mekaniği kimyası” alanına yol açtı.
Belirsizlik ilkesi
Ek olarak Heisenberg 1927 senesinde, kuantum fiziğine başka bir büyük katkı yapmış oldu. Maddenin dalgalar benzer biçimde davrandığından, bir elektronun konumu ve hızı benzer biçimde bazı özelliklerin “tamamlayıcı” bulunduğunu doğrusu her bir özelliğin kesinliğinin ne kadar iyi bilinebileceğine dair bir sınır (Planck sabiti ile ilgili) bulunduğunu düşündü.
“Heisenberg’in belirsizlik ilkesi” olarak adlandırılacak şeyin altında, bir elektronun konumu ne kadar kati olarak biliniyorsa hızının o denli azca kati olarak bilinebileceği ve bunun tersinin de geçerli olması durumu yatıyor. Bu belirsizlik ilkesi günlük boyuttaki nesneler için de geçerlidir sadece fark edilmez şu sebeple duyarlılık eksikliği muhteşem derecede küçüktür.
Morningside Koleji’nden Dave Slaven’e nazaran, bir beyzbol topunun gidiş hızının 0,1 mil / saat hassasiyette olduğu bilinmekteyse topun konumunu bilmenin mümkün olduğu maksimum duyarlılık 0.000000000000000000000000000008 milimetredir.
Gelecek
Niceleme ilkeleri, dalga-parçacık ikiliği ve belirsizlik ilkesi, QM için yeni bir çağ başlattı. 1927’de Paul Dirac, parçacıkları (fotonlar ve elektronlar benzer biçimde) altta yatan bir fizyolojik alanın uyarılmış halleri olarak işleyen “kuantum alan teorisi” (QFT) çalışmasına yol açmak için elektrik ve manyetik alanların kuantum mekaniği anlayışını uyguladı. QFT’ alanındaki emek harcama bilim adamları bir engele ulaşana kadar on yıl süresince devam etti.
Bu süre sonunda QFT’deki birçok denklem fizyolojik bir anlam ifade etmemeye başladı şu sebeple netice sonsuzluktu. On senelik durgunluktan sonrasında Hans Bethe 1947’de “tekrardan normalleştirme” adlı bir teknik kullanarak bir atılım yapmış oldu. Burada Bethe, tüm sonsuz sonuçların iki fenomenle (bilhassa “elektron öz enerjisi” ve “vakum polarizasyonu”) ilgili bulunduğunu fark etti.
Öyleki ki, elektron hacmi ve elektron yükünün gözlemlenen değerleri tüm sonsuzlukları yok etmek için kullanılabilirdi. Renormalizasyonun atılımından bu yana QFT tabiatın dört temel kuvveti hakkında kuantum teorileri geliştirmek için bir temel oluşturdu;
- elektromanyetizma
- zayıf nükleer kuvvet
- kuvvetli nükleer kuvvet
- yer çekimi
QFT tarafınca sağlanan ilk içgörü, 1940’ların sonlarında ve 1950’lerin başlarında büyük adımlar atan “kuantum elektrodinamiği” (QED) vasıtasıyla elektromanyetizmanın kuantum tanımını oluşturdu. Peşinden 1960’lar süresince “elektrozayıf kuram” (EWT) oluşturmak için elektromanyetizma ile birleştirilen zayıf nükleer kuvvetin kuantum tanımı ortaya çıktı.
Nihayet 1960’larda ve 1970’lerde “kuantum kromodinamiği” (QCD) kullanılarak kuvvetli nükleer kuvvetin kuantum mekaniği muamelesi geliştirildi ve parçacık fiziği QED, EWT ve QCD teorileri beraber Standart Modelin temelini oluşturdu. Ne yazık ki QFT hemen hemen bir kuantum yer çekimi teorisi üretemedi. Bu arayış bugün “sicim teorisi” ve “döngü kuantum yer çekimi” çalışmalarında devam ediyor.
Orhan TAŞDELEN