Kuantum teorisi, bilim tarihinin en
çok kafa yorulan ve birçok hararetli tartışmaya konu olan
teorilerinin başında gelir. Doğurduğu sonuçlar ise yalnız fizik
bilimine değil birçok sanat akımına, sosyolojik teoriye ve değişik
alanlara ilham kaynağı olmuştur. Kuantum teorisi kabaca bir atomun
yörüngelerinde bulunan elektronların enerji seviyeleri arasındaki
sıçrayışlardır. İlk bakışta herhangi bir fizik teorisinden farksız
gibi gözükse de biraz derinlere indiğimizde aslında bu teorinin
akıl almaz süreçlerden geçtiğini görürüz.
20. yüzyılın başında J.J. Thomson elektron kavramını bularak,
sonraki yıllarda Bohr tarafından son şekline kavuşturulacak olan
atom teorilerinin en dikkate değer olanını tasarladı. Thomson’a
göre elektronlar pozitif yüklü ortamlarda gömülü olarak
bulunmaktaydılar (plum puding). Daha sonra Ernest Rutherford’un
neredeyse atomun tüm kütlesini içeren atom çekirdeğini bulmasıyla
atomun yapısı biraz olsun şekillenmeye başladı. Atom teorisine en
son şekli Niels Bohr verdi. Bohr’a göre elektronlar, çekirdeğin
çevresindeki enerji seviyelerinde bulunurlardı. Bu teoriye göre
elektronlar cismin sıcaklığına bağlı olarak enerji seviyeleri
arasında sıçramalar gerçekleştirerek radyasyon yayıyorlardı veya
radyasyonu emiyorlardı. Bu dönemde, konuyla ilgili bilim adamları
bir yandan atom teorisine son şeklini vermeye çalışırken bir
yandan da Max Planc’ın “şanslı tahmin”ini tartışıyorlardı.
1800’lerin sonlarında fizikteki en temel sorunlardan biri ısıtılan
bir metalden nasıl ve neden radyant enerjinin yayıldığıydı(1).
Gustav Kirchhoff’un “kara cisim radyasyonu” olarak bilinen
deneyinin (bir cismin ısındıkça değişen radyasyon tayfını konu
eden bir deney) grafiğini formule etmek bir çok fizikçiyi ciddi
anlamda uğraştırdı. İlk yorum Lord Rayleigh’tan geldi ama onun
sunduğu formüller sadece düşük frekanslar için geçerliydi.
Sonrasında, Wilhelm Wien’in sundukları ise sadece yüksek
frekanslarda işe yarıyordu.(2) . Bu sorunun üstesinden Max Planc,
“şanslı tahmin” olarak da bilinen teorisiyle geldi. Daha önce
radyasyonun kesintisiz bir dalga gibi olduğunu söyleyen
bilimadamlarının aksine o, radyasyonun -bugün kuant dediğimiz-
parçalardan oluştuğunu söyledi. Ulaştığı verilere aslında kendi
bile inanmadı; sadece çözümsüz radyasyon frekanslarıyla ilgili
grafikler hakkında doğru sonuçlar verdiği için bunun geçici bir
cevap olarak tasarlandığını söyledi. Bu “çılgınca fikir” bilim
camiasında hiç bir yankı bulmadı ve Einstein, Max Planc’ın tamamen
doğru düşündüğünü söyleyene kadar da bu “çılgınca fikir” tarihin
çöplüğünde unutulmaya yüz tutmuş bir vaziyette kaldı.
Ve bilim tarihinin kaderini değiştiren dahi adam -Albert Einstein-
sahneye çıktı. O zamana kadar ışığın dalga mı yoksa parçacık mı
olduğunu tartışan bilim adamlarına “neden her ikisi de olmasın”
diyen Einstein yepyeni bir alanı, kuantum mekaniğini, dünya
bilimine kazandırmış oldu.
Kuantumun gelişimi sancılı bir sürece sebep olmuştur. Öncelikle
genç bir Fransız prensi olan Louie de Broglie, madde parçalarının
da, örneğin elektronların, dalgalı ve parçalı olduğunu ileri
sürdü. Daha açık bir deyişle, parçacıklar elektronlarla birlikte
bir dalga hareketine sahipti.(3) Daha sonraları Alman fizikçi
Werner Heisenberg, matris denilen diziler geliştirdi. Bu diziler
kuantum hakkında birçok problemi çözmesine karşın pek çok bilim
adamı tarafından tercih edilmediği için kullanılamadı ve haliyle
teorisi de popülarite kazanamadı. Aynı yıllarda Erwin Schrödinger
dalga denklemleri üzerine bir makale yayımladı. Differansiyel
denklemlerle oluşturulmuş bu işlemler ilgi gördü; çünkü kolay
anlaşılabilir olmasından dolayı bu denklemler bilim adamları
tarafından tercih ediliyordu. Ancak sorun şuydu: ortada 2 tane
birbirinden farklı teori vardı ve ikisi de problemler karşısında
aynı sonuçları veriyordu. Kısa bir süre içinde, Schrödinger
Heisenberg’in matrisleriyle kendi denklemlerini birleştirmeyi
başardı ve her iki teorinin aslında aynı şeyleri öngördüğünü
açıkladı.
Daha sonra Heisenberg, kuantum teorisinin kaderini tamamen
değiştirecek ve teoriyi fikir babasından (Einstein) tamamen
soğutacak bir prensip ortaya attı. Bu prensip “belirsizlik
ilkesi”ydi. Buna göre bir cismin konumu ve momenti, dolayısıyla
enerjisi ve zamanı aynı anda ölçülemez. Bu prensibe göre atomal
dünyadaki birçok şeyi aslında belirsizlikler belirler. Einstein bu
yargıyı “Tanrı zar atmaz” diyerek şiddetle reddetmiş ve böylece
kuantum teorisindeki önemli bir kutuplaşmanın ilk adımlarını
atmıştır. Bu kutuplaşma daha sonraları iki büyük bilim adamı (Niels
Bohr-Albert Einstein) arasında adeta bir söz düellosuna
dönüşmüştür. Einstein kendi doğurduğu kuantum teorisini çürütmek
için ortaya birçok paradoks atmasına karşılık Niels Bohr’un
bunlara ustalıkla cevaplar bulması bu tartışmanın galibiyet
ibresini “kuantumcu”lar lehine çevirmiştir.
Schrödinger 1935 yılında “ Schrödinger’in kedisi” olarak bilinen
ünlü paradoksunu ortaya atmıştır. Buna göre kedi, içinde
radyoaktif parçacıkları bulabilen bir dedektör ve radyoaktif bir
kaynak bulunan çelik bir kafese kilitlenir. Eğer dedektör
radyoaktif bir parça bulursa, açığa çıkan zehirli gaz kediyi
öldürür. Radyoaktif parçacığın bir dakika içideki emisyon
olasılığı %50’dir. Kafesin biraz uzakta olduğunu düşünürsek
radyoaktif kaynağını uzaktan açıp bir dakika bekleriz. Peki kedi
bu bir dakikanın sonunda ölmüş mü olur yoksa hala hayatta mıdır?
Aslında bunu gözlemleyene kadar ya da ölçene kadar kedi ne ölüdür
ne de canlı. Bu sistem dalga fonksiyonu olarak tanımlanır ve dalga
fonksiyonunu söndürene kadar kedi belirli bir durum kazanmaz (4).
Einstein ve “kuantumcular” arasındaki bu tartışmaya 1965 yılında
CERN fizikçilerinden John Bell yaptığı araştırmalar ve deneylerle
“kuantumcular” lehine son noktayı koydu.
Şu anda Kuantum mekaniği; lazer teorisinin, katı hal fiziğinin,
nükleer fiziğin, parçacık fiziğinin, moleküler biyofiziğin ve bu
bilimlerin etrafımızda görebileceğimiz tüm pratik kullanımlarının
temelini oluşturmaktadır.(5) Ve hatta bu yazdıklarımı sizlerle
paylaşabilmem bile kuantum fiziğinin bizlere sağladığı pratik
kullanımların bir sonucudur. Bunun dışında lazer–maser
teknolojisi, hayatımızın bir parçası haline gelen televizyonlar,
mikrodalga fırınlar, dijital saatler vs. kuantumun hayatımızdaki
en büyük etkileridir. Bundan sonra da kuantum mekaniği, farklı
pratik kullanımlarla evrenimizi etkileyeceğe benziyor.
KAYNAKLAR:
1) Parker, Barry, ‘Kuvantumu Anlamak’, Güncel Yayıncılık,
sayfa: 39, 2005.
2) ibid, sayfa: 41.
3) Wynn, M Charles – Wiggins, W Arthur, ‘Yanlış Yönde
Kuantum Sıçramalar’, TÜBİTAK Popüler Bilim Kitapları, sayfa: 18,
2005.
4) Cropper, William H., ‘Büyük Fizikçiler’, Oğlak
Yayınları, sayfa: 330, 2004.
5) Parker, Barry, ‘Kuvantumu Anlamak’, Güncel Yayıncılık,
sayfa: 15, 2005 |