HACI’NIN YERİ

QUANTUM PHYSICS FOR DUMMIES-10

QUANTUM ALAN KURAMI

1930’lu ve 40’lı yıllarda aralarında Shrödinger, Dirak, Pauli, Dyson ve Feynman’in de olduğu kuramsal fizikçiler, quantum mekaniğini anlamaya yönelik matematiksel formüller oluşturmaya çalışmışlardır. Shrödinger’in quantum dalga çözümü buna en yakın olanıdır. Yine de sonuç kesin olmayıp, yaklaşıktır. Bu çözüm quantum mekaniğinin çılgın mikroskopik dünyasını anlamaya ve ifade etmeye yetmemiştir. Çünkü Schrödinger Einstein’ın özel görelik kuramını kendi matematik formüllerine eklememiştir. Yani madde ve enerji arasındaki ilişkiyi formüllerinde belirtmeyi ihmal etmiştir. Bir süre sonra fizikçiler özel görelik kuramı olmadan quantum mekaniği ile ilgili matematiksel hesapların güvenilir olmayacağını anlamışlardır.

Enerji kendini çok çesitli şekillerde belirtmektedir. E=MC2 formülünü ihmal etmeye olanak yoktur. Schrödinger’in yaklaşımı madde, enerji ve hareket arasındaki ilişkiyi dikkate almadan gerçekleştirilmiştir. Bu eksik ve yanlış bir yaklaşımdır.

Bunun üzerine fizikçiler, önce elektromanyetik kuvvetin madde ile ilişkisinin quantum davranışına “Einstein’ın özel görelik kuramını” da eklemişlerdir. Başka bir deyişle, madde ve elektromanyetik kuvvetin quantum fiziği muvacehesindeki ilişkisine özel görelik kuramı ile ilgili hesaplar da dahil edilmişlerdir. Böylece “quantum elektrodinamik” ortaya çıkmıştır. Bu quantum alan kuramının bir örnegidir.

Quantum olmasının nedeni, her türlü olasalık ve belirsizliğin daha başından formüle eklenmiş olmasıdır. Aynı zamanda bu bir alan kuramıdır, çünkü quantum ilkesi ile daha önceden tanımlanan kuvvet alanı nosyonlarını birlikte içermektedir. Yani eski ve kabul edilen özel görelik kuramı ve quantum ilkelerini bünyesinde birlikte barındırmaktadır. Bu nedende dolayı da aynı zamanda görelidir.

Quantum elektrodinamiği doğal bir fenomenin, o zaman kadar başarılmış en kesin kuramı olarak kabul edilir. Quantum elektrodinamiği sayesinde fizikçiler fotonların en küçük ışık birimi olduğunu kesin olarak kanıtlamışlar ve onların, elektrikle yüklü parçacıklar, örnegin elektronlarla, nasıl bir ilişki kurduklarını matematiksel oarak mükemmel bir şekilde açıklamışlardır.

Fizikçiler daha sonra quantum elektrodinamiğini, kuvvetli ve zayıf nükleer kuvvetlere de uygulamışar ve quantum chromodinamic (kromodinamik) ve quantum zayıfelektro (electroweak) kuramlarını geliştirmişlerdir.

Bütün bu çalismalarin sonucunda neler kazanılmıştır?

Shledon Glashow, Abdus Salam ve Steven Weinberg, çok farklı nitelikler içermelerine rağmen, zayıf nükleer kuvvetle, elektromanyetik kuvvetin, yüksek ısı altında birleşebileceklerini kuramsal olarak kanıtlamışlardır. Bu çalışmalarindan dolayı Nobel fizik ödülüne layık görülen bu araştırıcılar Big Bang’in ilk anlarında bu kuvvetlerin birleşmiş durumda olduklarını kanıtlamışlar ve o kuvvete zayıfelektro (electroweak) kuvvet adını vermişlerdir. Isıyı biraz daha artırınca onlara güçlü nükleer kuvvet de katılmaktadır. Ancak ısı ne kadar artırılırsa artırılsın, çekim kuvveti bu kuvvetlere eşlik etmemektedir.

Birleşen kuvvetler etkilerini spesifik parçacıklar aracılığı ile göstermektedirler. Elektromanyetik kuvvet fotonlar, güçlü nükleer kuvvet gluon’lar ve zayıf nükleer kuvvet ise W ve Z bozonları aracılığı ile etkilerini göstermektedirler. Çekim kuvvetinin etkisini göstermede aracılık eden parçacık henüz bulunamamıştır ama, daha şimdiden ismi verilmiştir. Bu parçacıklar graviton olarak adlandırılmıştır.

Bu konunun ayrıntılarına kısaca değinmek istiyorum:

Elektrikle yüklü parçacıkların, örnegin elektronların, birbirlerini ittiğini biliyoruz. Elektronların çevresinde bir elektrik alanı vardır. Bir bulut gibi elektronu çepeçevre kuşatan bu alan aslında bir kuvvet alanı olup, diğer elektronların bu alana girmesine izin vermez. Benzer yüklü elektronlar birbirlerini iterler. Bu itme nasıl başarılır?

Elektrik yüklü parçacıkların çevresine bulut şeklinde bir alan olduğuna değinmiştik. Bu alanda fotonlar vardır. Bu fotonlar ışık fotonlarından farklıdırlar. İki elektron birbirlerine yaklaşırsa, bu fotonlar aracılığı ile birbirlerinin varlığından haberdar olurlar. Yani foton alış verişi yapılır. Birbirlerini tanıdıktan sonra davranışları değişir. Karşı yüklere sahip iseler birbirlerini çekerler, aynı yüke sahip iseler, birbirlerini iterler. Fotonlar bu etkiden sorumlu güçler değillerdir. Sadece bir atomaltı parçacıktan diğerine mesaj iletirler. 

Güçlü nükleer kuvvet quarkları, proton ve nötronların içinde bir arada tutar ve bunu gluonlar aracılığı ile başarır. Gluonlar burada mesaj ileten parçacıklardır.

Zayıf nükleer kuvvet etkisini W ve Z bozonları ile iletir.

Atomaltı evrende madde parçacıkları birbirleri ile bu bozonlar aracılığı ile ilişki kurarlar. Onlar mesaj ileten güçler olarak kullanılırlar. Bu durumda fotonların ısı, ışık, itici ve çekici kuvvetleri ileten birer araç oldukları söylenebilir. Gluonların kaynağı quark’lardır. Bozonlar ise zayıf nükleer kuvvetin manifestasyonunda kullanılırlar. Zayıf nükleler kuvvetin manifestasyonunda rolleri olan W ve Z bozonları da quark kaynaklı olmalıdırlar.

Yukarda değindiğim gibi çekimi diğer kuvvetlele birleştirmek mümkün olamamıştır. Bu nedenden dolayı quantum çekim alanı kuramı yoktur. Quantum mekaniğinin en zayıf tarafı çekim alanı kuramı içermemesidir. Einstein'ın genel görelik kuramı aslında çekim alanı kuramdır. Ama bu alan kuramının quantum mekanik karşılığı yoktur. Çekim kuvvetini quantum mekaniği ile açıklamak mümkün değildir.

QUANTUM PHYSICS FOR DUMMIES-9

YALANCI PARÇACIKLAR VE VAKÜM DALGALANMASI

Yalancı parçacıklara bir önceki iletide kısaca değindik. Konuyu biraz daha açalım. Vaküm dalgalanması kuantum dalgalanmasıdır. Bu dalgalanma sırasında yalancı parçacıklar ortaya çıkmaktadır. Bu bir modellemedir. Aslında ortaya çıkan yalancı parçacık çiftleridir. Bunlar birbirlerinin zıttı olduklarından evrenin elektrik yükünün dengesi bozulmaz. Hep nötraldir. Bunların ortaya çıkması konservasyon (conservation) yasalarını tatmin etmek zorundadır. Doğa için bu önemli bir yasadır. Ama konservasyon yasalarını izlemeyen parçacıklar da vardır. Örneğin fotonlar.. Fotonlar karşıtları olmadan ortaya çıkabilirler.

Yalancı parçacıklar, gerçek parçacıklarla ilgili davranışları açıklamadaki büyük önemlerine rağmen, direkt olarak asla gösterilememişlerdir. Casimir etki onların varlığının, doğrudan değil, dolaylı kanıtıdır. Her yalancı parçacık konservasyon yasalarına uymaz. Yani zıt etkili çiftler halinde ortaya çıkmaz. Yalancı parçacıkların da çeşitleri vardır. Biraz onlardan bahsedelim.

Elektronların etrafında bir bulut oluşturan yalancı parçacıklar vardır. Onlar için bazan yalancı fotonlar da deniyor. Elektronla nötrino arasındaki tepkileşmeye kısa bir göz atalım. Elektronun çevresindeki yalancı parçacıklardan W- denen bir parçacık nötrinoya doğru gönderilir ve nötrino tarafından bu parçacık tutulur. Peki bunun sonucunda ne olur? Çok ilginç ve insan sağduyusu ile bağdaşmayan bir şey olur. W- yalancı parçacığı gönderen elektron nötrino olurken, nötrino elektron olur. Her ikisinin de yükü ve diğer nitelikleri konservasyon yasaları tarafından korunmuştur. Burada aradaki ilişkileri başaran W- yalancı parçacığı karşıtı ile bunu başarmamıştır. Karşıtı ile ortaya çıksaydı böyle bir tepkileşme vuku bulmayacaktı.

Bütün quantum parçacıklarının etrafında yalancı parçacıklarından oluşan bir bulutun varlığına inanılmaktadır. Onlar yayılır ve emilirler. Bu yalancı parçacıkların yaşamı ve ne kadar uzağa gidebilecekleri belirsizlik yasası ile saptanmıştır. Enerjileri ne kadar yüksekse yaşamları ve kat ettikleri mesafe o kadar kısadır. İki madde parçacığı birbirlerine yakınlaşırlarsa, aralarında yalancı parçacıklar aracılığı ile tepkileşmeye girerler.

QUANTUM PHYSICS FOR DUMMIES-8

CASİMİR ETKİ ve YALANCI PARÇACIKLAR.

Kuantum fiziği ve evrenin ortaya çıkış nedenlerini, bazı ayrıntıları ile birlikte tartışmadan önce temeli Casimir etkiyi yeterince ögrenmekle atmak gerekiyor. Hendrik Casimir  Holandalı bir teorik fizikçidir. Kendi ismini taşıyan bir etkiyi 1948 yılında ortaya atmış ve bu kuram daha sonra kesinlik kazanmıştır. 

Vaküm nedir? Elinize bir şişe alın. İçinde ne varsa boşaltın. İçinde tek bir atom bile kalmasın. Sonra onun ısısını absolü sıfır dereceye indirin. Klasik fizikte vakümun tanımı bu kadar basittir. İçinde hiç bir şeyin olmadığı daha soğuğunun olamayacağı kadar soğuk bir yerdir.

Vakümu kuantum fiziği bakış açısından değerlendirirsek çok daha farklı bir şey olduğunu görürüz. Bütün alanlar belli değerler arasında dalgalanırlar. En iyi bilineni elektromanyetik alanlardır. Vaküm boşluğu da bir alandır ve bu bağlamda bir istisna değildir. Dalgalanır. İlginç olarak bu dalgalanma yalnız soyut bir kavram değildir. Onun somut gösterileri de vardır. Casimir etki vaküm dalgalanmasına bağlı olarak ortaya çıkan mekanik bir süreçtir.

Elektromanyetik alan çesitli frekansların bir arada bulunduğu bir spektrum oluşturur. Serbest ve geniş bir boşlukta her frekansın önemi aynıdır. Alan çok geniş ise, frekanslardan biri diğerinden önemli değildir. Ama dar bir alanda, alanın genişliğine bağlı olmak üzere, durum değişiktir. Bunu şöyle bir örnekle açıklayabiliriz:

Vaküm içinde iki aynayı, yüzleri birbirlerine karşı olmak üzere bir araya getirin. İkisi arasında elektromanyetik bir dalganın varlığını düşününün. Bu alan kendisine tam uyan dalga boyundaki yarım dalgaların iki ayna arasında gidip geldikleri için çoğaltıldığı bir boşluk olacaktır. Belli dalga boyunda olan elektromanyetik spektrum abartılacaktır. İki ayna arasına mükemmel şekilde sığanların dışındakilere yer yoktur. Bu dar boşluğun içindeki frekansı ifade etmek için kavite rezonansı (kavite titreşimi) terimi kullanılmaktadır. Yalnız belli dalga boyuna sahip olan dalgalar burada yer alabilecekler ve abartılacaklardır. Aynı şekilde vaküm dalgalanmalarının frekansları da kavite titreşimine bağlı olarak ya abartılacaklardır, ya da süprese edileceklerdir. Bastırılacaklardır yani.

Yeri gelmişken yeni bir kavrama kısaca değinmek istiyorum. Ona radyasyon alanı basıncı deniyor. Kuantum mekaniğine göre istisnasız her alan enerji içermektedir. Yukarda tanımını yaptığımız vaküm alanı bir istisna değildir. Elektromanyetik alanlar uzayda yayılırlar. Ve bu arada etrafa bir basınç uygularlar. Buna radyasyon basıncı denir. Nasıl bir nehir akarken yamaçlarına basınç uyguluyorsa, elektromanyetik alan da etrafa basınç uygulamaktadır. Bu radyasyon basıncı enerjiye parelel olarak artacaktır. Radyasyonun enerjisini ise dalgalarının frekansı saptayacaktır.

Aynalar arasındaki kavite titreşimi basıncı söz konusu olunca, kavite titreşim frekanslarında kavite içindeki radyasyon basıncı daha büyük olacak ve aynaları dışa doğru itecektir. Kavite titreşim frekansı dışındaki radyasyon basıncı ise dışarda daha çok olacak ve aynaları birbirlerine doğru itecektir.

Casimir etki vakümda vuku bulan dalgalanmaları ölçen bir yöntemdir. İki metal yüzeyi birbirlerine son derece yakın olmak üzere karşı karşıya getirin. Aralarındaki mesafeyi birkaç nanometreye indirin. Vakümda dalgalanma oluyorsa ve bu dalgalanmalar belli frekanslar arasında gerçekleşiyorsa, ancak belli dalga boyunda olan frekanslar iki metal plaka arasına sığacaktır. Yani kavite titreşimine uyanlar kavite içinde abartılacaklardır. Diğer frekanslar metal plakaların dışında kalacaklardır. Enerji içeren bu dalgalanmaların bir radyasyon basınıcı olacaktır. Ancak belli frekansların sığdığı plakalar arasındaki boşlukta basınç daha az, dışında ise daha çok olacaktır. Bu da metal plakaların dışardan itilerek birbirlerine doğru yaklaşmasına neden olacaktır.

Casimir etki vakümda belli frekanslar arasında dalgalanan bir enerjinin varlığına işaret etmektedir. Bu enerjinin kaynağı ise yalancı parçacıklardır.

Özetle diyebiliriz ki:

Her türlü alanda enerji vardır ve bu enerji bazı değerler arasında dalgalanır. Vaküm boşluğu da bir alandır. Bu alanlardaki enerjiyi dalgaların frekansları saptar. Her türlü radyasyon etrafına basınç uygular.
Alanın genişliği sınırlı ise, örnegin alan yüzyüze bakan iki paralel aynanın arasında ise, ancak belli dalga boylarının uyacağı bir aralık olacak ve radyasyon basıncı dışa göre hafifce az olacaktır. Nedeni dar aralığa uyan frekansların sınırlı olmasıdır. Vakümdaki enerjiden ve bu enerjinin dalgalanmasından yalancı parçacıklar sorumludur.

Yalancı parçacık (virtual particle) kavramı çok önemlidir. Çünkü evrenin ve muhtemelen evrenlerin ortaya çıkışını onlarla açıklamak mümkündür. O konulara değinmeden önce kısaca yalancı zerrelerden bahsedelim.

Yalancı parçacıklar vaküm boşluğunda ve hiçbirşeylik dediğimiz kuramsal ortamlarda aniden, karşıtları ile birlikte, ortaya çıkan ve 10^-21 saniye kadar var olduktan sonra yok olan parçacıklardır. Karşıtları ile demek, biri negatif ise, diğeri pozitif demektir. İkisi bir araya gelince birbirlerini yok etmektedirler. Bunu madde ve antimadde olarak düşünmemeliyiz. Çünkü yalancı zerreler maddenin ortaya çıkmasından çok daha önceki bir dönemi simgelemektedirler. O dönemde daha ne madde vardır ne de büyük bir enerji. Bu kısa zaman dilimi tükenince doğadan borç aldıkları enerjiyi ona iade ederek yok olur giderler. Borç aldıkları bu enerji vaküm enerjisidir. Bizim hiçbirşeylik veya yokluk dediğimiz kavram işte budur. Hiçbir şey yok gibi durmaktadır ve pratik olarak yoktur da ama, bu yokluk zıt nitelikli yalancı zerrelerin birbirlerini nötralize etmesinden başka bir şey değildir.

QUANTUM PHYSICS FOR DUMMIES-7

HEİSENBERG'İN BELİRSİZLİK İLKESİ

200 yıl kadar önce Laplace, Newton kanunlarının ne kadar başarılı olduklarını dikkate alarak, “evrende mevcut maddelerin konumları, momentumları ve onların etkileyen güçler bilinirse, geçmiş hakkında bilgi sahibi olmak ve geleceği kesinlikle bilmek mümkündür”, demiştir. Bu sözler açıkca Laplace’in Newton’a duyduğu güvenin sonsuz olduğunu göstermektedir.

Son yüzyıl içindeki gelişmelerden haberi olsaydı, mezarında kemikleri sızlardı Laplace'in. Aslında Newton’a bu kadar güvenmesi kendi hatası idi. Laplace’in bu sözleri onun kadere olan inancını da dile getiriyordu.

Eğer cisimler değişmeyen bazı yasalara uyarak hareket ediyorlar ve o yasalar her zaman geçerliklerini koruyorlarsa, geleceği tahmin etmek mümkün olduğu gibi, geleceğin değişmeyeceğini de kabul etmek zorunluğu vardır diyordu, Laplace.

Başka bir deyişle Laplace’e göre geleceğin akibeti geçmişte saptanmıştır. Bu durumda diyebiliriz ki Big Bang sırasında geleceğin akibeti, tabiri caiz ise, kaderi, saptanmış olmalıdır.

Bu büyük sözlerin söylenişinin üzerinden yaklaşık 100 yıl geçtikten sonra, Alman asıllı ünlü fizikçi Werner Heisenberg (1901-1976), herşeyin bilinemeyeceğinin bir fizik yasası olduğunu bulmuş ve onu açıkca formüle etmiştir. Bu yasa Heisenberg’in belirsizlik yasası olarak bilinir. Bu ilginç ve temel yasa için kuantum şüphe terimini de kullanmak mümkündür. 

Heisenberg kuantum belirsizliğini atom düzeyinde tanımlamıştır. Ama bu kuramı evrensel boyutlarda da tanımlamak mümkündür.
Hatta diyebiliriz ki evrensel boyutlarda bu kuramın anlamı çok daha derin olup, yaratılışın gizemine ışık tutmaktadır. 

Heisenberg belirsizlik kavramını 1920’li yılların sonlarına doğru somutlaştırmıştır. Kuantum belirsizlik olarak da isimlendirebileceğimiz bu ilke aslında son derece belirli bir kuramdır. Kuantum parçacıklar, örneğin elektronlar için geçerili olan ama onlarla sınırlı olmayan, önemli bir fizik yasasıdır. Bu yasaya göre iki kuantum değeri, örneğin elektronların yerini ve momentumlarını aynı anda ölçmek mümkün değildir. Burada geçen momentum deyimi bir yöne doğru hareket etmekte olan objenin hızı ve kütlesinin çarpımının ürünüdür.

Günlük yaşamda hareket halinde olan parçacıkların yerini ve momentumlarını saptamak bir sorun oluşturmaz. Örnegin bilardo topunun bilardo masasının neresinde olduğunu, hızını ve yönünü aynı anda kolaylıkla biliriz.

Kuantum varlıkları, örnegin elektron ve fotonları, yakından inceleyen Heisenberg, onların davranışlarının bilardo topunun davranışlarından çok farklı olduğunu gözlemlemiştir. Bu gözlem ilk bakışta insan aklı ve rasyonalitesi ile çelişiyor gibi görünmektedir ama, elektron ve fotonlarla ilgili dalga ve parça düalitesi dikkate alınırsa, hiç de olağanüstü değildir.

Elektron ve fotonların kuantum davranışlarını dalga ve parçacık olarak tanımlamak mümkündür. Dalgaların uzayda yeri kesin değildir. O halde onları (yani dalga olarak da davranan parçacıkları) uzayda kesin olarak lokalize etmek de mümkün değildir. Ne demek istediğimizin daha iyi anlaşılması için somut bir örnek verelim ve deniz dalgalarının davranışlarına bir göz atalım.

Hareket halinde olan dalgayı bir nokta olarak belirtemezsiniz. Bazı yerlerde daha çok, diğer yerlerde daha az belirlidir. Heisenberg bu parçacıkların yerlerinin kesinlik kazanması durumunda, momentumlarının giderek daha belirsiz olduğunu bulmuştur. Momentumlarının belirli olduğu durumlarda ise yerleri belirsizlik kazanmaktadır.

Heisenberg bu iki belirsizliği matematiksel bir formülle bir araya getirmiştir.
Ortaya çikan formül Heisenberg’in belirsizlik ilişkisi olarak bilinir. Bu belirsizlik doğanın en önemli temel yasalarından, hatta yapı taşlarından biridir.

Örnek olarak en basit atom olan Hidrojeni ele alalım. Hidrojende yalnız tek bir protondan oluşan çekirdeğin etrafındaki bir orbitalde tek bir elektron yer almaktadır. Bu elektronun yeri az çok bilinmektedir. Ama buna rağmen aynı anda hızını ve momentumunu bilmeye olanak yoktur. Çünkü tek olmasına rağmen elektron, aynı zamanda dalga da olduğu için, Hidrojen çekirdeğinin etrafında bir bulut oluşturmaktadır. Elektronun, dalgalardan oluşan bu bulutun bazı yerlerinde daha çok, diğer yerlerinde daha az zaman geçirdiğini söyleyebilirsiniz.

Kuantum belirsizlik için ilginç bulacağınız bir örnek daha verelim:
Aslında bu örnek evrenin varoluş nedenine de ışık tutmaktadır.
Bunda elektronun yeri ve momentumunda olduğu gibi, farklı bir çift kuantum niteliği ele alabiliriz. Onlar enerji ve zaman olsunlar.

Heisenberg’in belirsizlik kuramı ile Einstein’ın özel görelik kuramını birleştirip, herhangi bir hacimdeki boş uzayı dikkatle izlerseniz, o boşlukta ne kadar enerji olduğunu bilemezsiniz. Bunu bilmeyen yalnız siz değilsiniz. Doğa da bilemez. Bu doğanın bilinmezlik yasasıdır.

O boşluğu ne kadar kısa bir zaman için izlerseniz, enerji muhtevasından o kadar az emin olursunuz. O boşlukta enerji yok demeyin. Çünkü var!

Çok kısa bir zaman için boşluğu enerji doldurur ama, belirsizlik ilişkisi tarafından saptanan belli bir zaman dilimi içinde yok olur gider.

Enerjinin ömrü 10^-21 saniyedir.

Yeri gelmişken bu enerjiden de kısaca bahsedelim. Bu enerji kendini foton şeklinde belli edebilir. Hiç yoktan aniden ortaya çıkar ve çıktığı gibi hızla yok olur gider. Bazı durumlarda bu enerji elektron kılığına da bürünebilir. Tabii yine belirsizlik ilişkisinin izin verdiği bir zaman dilimi içinde var olabilir. O sürenin sonunda kaybolur gider.

Bu kısa ömürlü varlıklar için yalancı parçacıklar (virtual particles) denir ve bu süreç kısaca vaküm dalgalanması olarak bilinir.

Bütün bu gözlemleri evrenin başlangıcını simgeleyen bir model olarak kabul etmek mümkündür. Gözlemler diyorum, çünkü Casimir deneyi ile adı geçen yalancı parçacıkların varlığını göstermek mümkündür. Bu modelde vaküm da denen boş uzay, kuantum düzeyde müthiş bir etkinlik göstermektedir. Elektronlar, yalancı parçacıklar ve fotonlardan oluşan bir okyanus içine serpiştirilmiş elementer parçacıklardır. Bu okyanusda fotonlar ve yalancı parçacıklar birbirleri ile sürekli bir etkileşme halindedirler.

Belirsizlik ilkesi ile ilgili önemli bir diğer sonuç da kuantum sistemlerinde hareketesizliğin olmamasıdır. Bu sistemde her şey sürekli bir hareket halindedir. Kuantum mekaniğinin hükmettiği bir alemde-ki sınırları bir atomla belirlenmiştir- parçacıkların davranışı geniş bir yelpaze oluşturur. 
Parçacıklar  sert duvarlara penetre olabilirler ve geçmemeleri gereken engelleri aşarlar. Elektronlarına bağlı olarak atomlar farklı enerji düzeylerine sahip olabilirler. Aynı koşullar altında yapılan aynı deneyler her zaman aynı sonucu vermezler. Kuantum süreçlerin sonuçlarını daha önceden saptamak mümkün değildir. Deneylerin sonucu da bir yelpaze oluşturur. Sonuçlar olasalık dağılımı olarak ifade edilirler.

Kuantum mekaniği her ne kadar kendini, yalnız mümkün olabilecek en küçük ölçüde belirtirse de, aynı zamanda irili ufaklı bütün kozmik yapıların ve evrenin gözlemlediğimiz şekilde ortaya çıkışından da sorumludur. Bazı kuantum mekanik ilkelerden dolayı hızla genişleyen bir yalancı parçacı evreni oluşturmuştur. Kuantum mekanik dalgalanmalar yaratılışın ilk mikro saniyesi içinde maddenin ortaya çıkmasını sağlamış, daha sonra aynı ilkeler galaksilerin tohumunu atmıştır.

Yıldızların merkezinde enerji kuantum ilkelere uyarak açığa çıkmaktadır.

Mevcut bütün elementlerin varlık nedeni kuantum ilkeleridir.

Kayalardan oluşan gezegenlerin varlık nedeni de kuantum yasalarıdır.

Kayalar ve evrende mevcut her türlü katı ve solid yapı, kuantum mekanik süreçlere bağlı olarak ortaya çıkmışlardır.

Dünyanın derinliklerinde açığa çıkan nükleer enerji de varlığını önemli bir ilke olan kuantum mekanik tünelleşmeye borçludur.

Kimyasal bağlar ve elektron paylaşmak ana teması üzerine kurulan yaşam bile, kuantum mekanik bir süreçtir.

Aralarında belirsizlik ilkesinin de olduğu kuantum mekanik yasaların bu kadar olumlu ve somut sonuçlar vereceğini hiç tahmin etmiş miydiniz?..

QUANTUM PHYSICS FOR DUMMIES!- 6

Big Bang sırasında mevcut tek kuvvetin dört ayrı kuvvete ayrıldığına inanılmaktadır. Bunlar:

1. Elektromanyetik kuvvet.

2. Güçlü Nükleer kuvvet.

3. Zayıf Nükleer kuvvet.

4. Çekim kuvveti.

Bu kuvvetlerden ilk üçünün atom içinde yer aldıklarını ve onları ileten parçacıkların ne olduğunu kesin olarak biliyoruz. Hakkında çok az bilgi sahibi olduğumuz tek kuvvet çekimdir. Bu kuvveti ilettiği kurgulanan parçacıklar graviton olarak isimlendirilmişlerdir ama, henüz varlıkları gösterilememiştir.

Big Bang öncesinde bir zamanda bütün kuvvetlerin birleşip, tek bir kuvvet oluşturduğu sanılmaktadır. Bu dönem için singularite terimi kullanılıyor.

Atom hızlandırıcılarında yapılan deneylerden anlaşıldığı kadarıyla, Big Bang’de geriye doğru gidildikce sıcaklığın arttığı gözlemleniyor. Tabii sıcaklıkla birlikte enerji de artıyor. Daha doğrusu atomları veya atomaltı parçacıkları, örnegin protonları, ne kadar büyük enerjilerle birbirleriyle çarpıştırırsak, o kadar büyük bir ısı ortaya çıkmaktadır. Yapılan gözlemler Big Bang’in son derece sıcak bir patlama olduğuna işaret ediyor.

1. Elektromanyetik Kuvvet:
Atomun öğelerini ve atomları bir arada tutan kuvvettir. Negatif yüklü elektronlar, pozitif yüklü atom çekirdeği tarafından atom çekirdegi etrafında mevcut bazı orbitallerde dönmeye zorlanırlar. Her orbitalde yalnız belli sayıda elektronların yer almasına izin verilir. Örnegin ilk orbitalde yalnız iki elektron yer alabilir. İkinci orbital yalnız sekiz elektrona yer verir.

Atom çekirdeğinin pozitif yükünden protonlar sorumludur. Atom çekirdekleri, hidrojen dışında, proton ve nötronlardan oluşmuşlardır. Hidrojen çekirdeginde yalnız tek bir proton vardır. Protonlar pozitif yüklü olduklarından birbirlerini iterler. Onları ve nötronları çekirdekte  kuvvetlerden biri olan güçlü nükleer kuvvet bir arada tutar. Nötronlar yüksüzdürler.

Elektromanyetik kuvvet yalnız pozitif ve negatif yüklü parçacıklar arasında var olan bir kuvvettir. Bu kuvvet etkisini atomun dışında da gösterir ve atomların bir arada tutulmasını sağlar. Örnegin su atomları olan hidrojen ve oksijeni bu güç bir arada tutar. Bu sırada hidrojen ve oksijen bir elektronu paylaşırlar. Elektromanyetik kuvvet aracılığı ile  çok sayıda atom ve moleküller birbirleri ile bağlar kurarlar. Elektromanyetik kuvvet olmasaydı, canlılık için gerekli DNA molekülü ve diğer moleküller oluşamaz, madde katılık kazanamazdı.

İlginç olarak çekim kuvvetinde olduğu gibi elektromanyetik kuvvet de, iki elektrik yükü arasındaki mesafenin kare kökü ile ters orantılı olacak şekilde azalır.

Her ne kadar elektromanyetik kuvvet çekim kuvvetinden çok daha güçlü ise de, atom dışına ve evrende bu kuvvetin fazla bir etkisi yoktur. Ayrıca pozitif ve negatif yükler birbirlerini nötralize ederler. Objelerin çoğu elektriksel olarak nötraldirler. Ancak geniş bir yelpaze oluşturan elektromanyetik radyasyon insanlar tarafından geniş ölçüde kullanılmaktadır. Onlarsız çapdaş bir uygarlık düşünülemez. Elektromanyetik kuvvetin kaynağı atomdur. Birinci yörüngedeki elektronların yörünge değiştirip tekrar eski yörüngelerine dönmeleri, X (Röntgen) ışınlarının ortaya çıkmasına neden olur. Diğer ışınlar diğer elektronların yörünge değiştirmesi sırasında açığa çıkarlar. En güçlü gama ışınlarının kökeni çekirdektir. Atom çekirdeğinin titremesi veya atom çekirdeğinin parçalanması, gama ışınlarının ortaya çıkma nedenidir. 

Elektromanyetik radyasyon yelpazesinin bir ucunda gama ışınları, diğer ucunda ise uzun dalga radyo dalgaları yer almışlardır. Bu spektrumun hemen her kesimi ya hastalıkların tanısında, ya tedavisinde, ya haberleşmelerde, ya hareket eden cisimleri tanımada ve izlemede ve diğer alanlarda insanlığın yararına kullanılmaktadır.

İsmindan anlaşilacağı üzere, elektro-manyetik kuvvet, elektrik ve manyetik olmak üzere iki ayrı kuvvetin bir araya gelmesinden oluşmuştur. Bu kuvvetler birbirleri ile iç içedirler. Onları birbirlerinden ayırmak olanaksızdır.

Hareket halinde olan elektrik yükü, manyetik bir kuvvet, daha doğrusu alan oluşturur. Sürekli değişen manyetik alan da elektrik akımının ortaya çıkma nedendir. Bu yöntemle barajlardan ve diğer santrallardan alternatif elektrik akımı elde edilir. 

Pusulanın kuzey kutbunu göstermesinin nedeni, dünyanın merkezinde yer alan yüklü parçacıkların, yani proton ve elektronların, hareketidir. Dünyanın merkezi o kadar sıcaktır ve öylesine yüksek bir basınç altındadır ki, katı ve solid bir madde gibi değil de, maddenin proton ve elektronlarına ayrıldığı bir sıvı gibi davranmaktadır. Güneş ve diğer yıldızların manyetik alanlarının nedeni de maddenin elektrik yüklerine parçalanmasıdır. Proton ve elektronların yerin merkezindeki sürekli hareketi dünyanın etrafındaki manyetik alanın ortaya çıkmasından sorumludur.

2. Çürüme kuvveti (Zayıf nükleer kuvvet, Weak nuclear force)

Çürümenin de gücü olur mu? Doğada oluyor. Radyoaktivitenin nedeni atomun bozunmasıdır. Bundan zayıf nükleer kuvvet sorumludur.  Yalnız elementer olmayan parçacıklar çürüyebilirler. Nötronlar örnegin. Ama protonlar bozunmazlar. 

Çürüme kuvveti  elektromanyetik kuvvetten bin kere daha zayıftır ama yine de çekim kuvvetinden çok daha güçlüdür. Etki alanı son derece dar ve yalnız atomun çekirdeği ile sınırlı bir kuvvettir. Bu kuvvet atomun uzun zamanda bozunması için gereklidir. Bozunacak olan atomun çürüme zamanını uzatmaktadır. Bu kuvvet olmasaydı örneğin güneşin ömrü 10 milyar yıl değil de, birkaç milyon yıl olurdu.

3. Güçlü nukleer kuvvet (Strong nuclear force)

Bu kuvvet atom cekirdeğinin öğelerini bir arada tutmaktadır. Gücü en büyük olan bir kuvvettir. Elektromanyetik kuvvetten 100 kere daha kuvvetli olup, protonları ve nötronları birbirlerine tutturur. Normalde aynı yüklü olduklarindan protonlarin birbirlerini itmeleri gerekir. Güçlü nükleer kuvvet sayesinde bu itme önlenmektedir. Etki alani cok dar olan bu kuvvet, yalnız kütlesi büyük atomaltı parçacıkları birbirlerine bağlamaktadır. Proton ve notronlar bu kuvvetle bir arada tutulurlar. 

4. Çekim, (Gravity, Yer Çekimi)

Yukarda değindiğimiz kuvvetler atomu bir arada tutarlarken, çekim kuvveti bütün evreni bir arada tutmaktadır. Çok sayıf bir kuvvettir ama, evrenin her yerinde var olduğundan etki alanı sonsuzdur. Doğası hakkında hemen hiçbirşey bilinmemektedir. Bu güçten sorumlu graviton adı verilen parçacıklar henüz gösterilememişlerdir.

QUANTUM PHYSICS FOR DUMMIES!- 5

QUANTUM PHYSICS FOR DUMMIES!..-4'ün devamıdır...

 

Bohr’un başlattığı yeni atom modeli devrimi, 1920’li yıllarda quantum fiziğinin gelişmesi ile yeni boyutlar kazanmış ve periyodik tablo ile ilgili bazı ilginç gözlemler ve elementlerin birbirleri ile neden ve nasıl ilişkiler kurduğu açıklığa kavuşmuştur.

Atomdaki enerji elektronlar arasına dağılmıştır. Normalde bu dağılım dışardan bir müdahale ile enerji katkısında bulunulmadıysa, atomdaki enerjinin minumum bir düzeyde tutulması ile niteliklidir. Yani elektrolarda ancak belli miktarda bir enerji yer alabilir. Fazlası etrafa yayılır.

Bohr önceleri elektronları küçük ve sert parçacıklar olarak modellemiştir. Quantum fiziğinde daha sonra gerçekleşen ilerlemeler, elektronların aynı zamanda dalga olduklarını ve tek bir elektronun bile atom çekirdegini kuşatacak ve bir bulut oluşturacak şekilde yayıldığını ortaya koymuştur.

Elektronların işgal ettikleri yörüngeler için kimyagerler kabuk (shell) terimini kullanırlar. Her ne kadar her yörünge birden fazla elektron içerebilirse de, her elektron dalga olarak da var olduğundan, kendi yörüngesinin her tarafına yayılmıştır.

Enerji dağılımı söz konusu olunca atomlar, her yörüngenin maksimum sayıda elektronla satüre olmuş olmasını, kısmen satüre olmasına yeğlerler. Başka bir deyişle, atom etrafındaki elektron yörüngeleri elektronlarla ne kadar dolu iseler, atomlar o kadar kararlıdırlar.

Daha önce de değindiğimiz gibi, atom çekirdegine en yakın yörünge yalnız iki elektrona izin verir. İkinci ve üçüncü yörüngelerin her birinde sekizer elektron yer alabilir. Buralarda daha fazla elektronun bulunmasına izin verilmez. Hidrojen atomu çekirdeginde yalnız bir proton vardır. Buna en yakın yörüngede ise tek bir elektron yer almıştır.

Enerji kararlılığı açısından bu yeğlenir bir durum değildir. İlk yörüngede yalnız bir elekton vardır. Bu yörüngede iki elektron olması tek elektron olmasına yeğleneceğinden, iki hidrojen atomu bir araya gelerek bu gereksinimi karşılarlar. Elektronlar her iki hidrojen atomu tarafından paylaşılacağından, daha kararlı bir durum olan H2, yani hidrojen molekülü ortaya çıkar. Başka bir deyişle hidrojen atomları bir araya gelerek hidrojen molekülü oluşturma eğilimindedirler.

Helyum çekirdeginde iki proton ve iki nötron vardır. İlk yörüngede ise iki elektron yer almıştır. Nötronlar kimyasal tepkileşmelere katılmazlar. Pozitif yüklü iki protona, negatif yüklü iki elektron karşı geleceğinden, helyum atomu son derece kararlı bir yapıya sahiptir. Ve bu yüzden ne kendi atomu ile, ne de diğer elementlerle tepkileşmeye girer. Helyuma inert gaz denir.

Periyodik tabloda yer alan üçüncü element lityumdur. Lityum da, hidrojen ve helyum gibi, Big Bang sırasında sentez edilmiştir. Lityum çekirdeğinde üç proton ve dört nötron yer almıştır. İlk yörünge iki elektronla doymuştur. Yani daha fazla elektron yer alamaz. İkinci yörüngede ise tek bir elektron vardır. Bu yörüngede sekiz elektron yer alabilir. Elektron sayısı tek olunca lityum için bu elektrondan kurtulmak kararlı bir durum oluşturacaktır. İkinci yörüngedeki tek elektron lityum atomunun hidrojen atomuna benzemesine ve onun gibi davranmasına neden olmaktadır. Lityum da hidrojen gibi reaktif bir elementtir. Bazı kimyasal davranışları hidrojene benzer.

Neonda 10 proton ve 10 elektron vardır. Birinci ve ikinci yörüngeler elektronlarla doyduğundan neon, helyum gibi inert bir gazdır.

Sodyumu ele alalım… Atom sayısı 11’dir. Yani çekirdekte 11 proton vardır. İlk orbitalde 2, ikincisinde 8 ve üçüncüsünde yalnız tek bir elektron yer almıştır. Sodyum bu yüzden lityum gibi reaktif davranan bir elementtir.

Mevcut bütün elementleri bu şekilde değerlendirmek ve kimysal tepkileşmelerin doğasını anlamak mümkündür.

Niels Bohr’un atom modeli yalnız fizik alanında değil, kimya ve biyoloji alanlarında da devrim yaratmış, canlıların biyokimyasına ışık tutmuştur.

Newton kanunları cisimlerin hareketleri ve çekim kuvveti ile ilgilidirler. Büyüklükleri toz zerresinden tutun, galaksilere kadar olan cisimler bu yasalara uyarlar. Büyüklükleri ne olursa olsun her cisimlerden aynı fizik kanunlarına uymaları beklenir. Cisim cisimdir, değil mi? Galaksi ve yıldız da olsa, toz zerresi de, atom da........ Değil mi?

Aralarında atomların da olduğu bütün cisimlerin aynı yasalara uymadığı 20’nci yüzyılın başinda anlaşildı. Newton yasaları atomaltı evrene hükmedemiyorlardı. Daha da ötesi Newton yasalarının absolü soğukta ve aşırı sıcakta da geçerliliklerini yitirdikleri ortaya çıkmıştır. En kötüsü Newton’un ışığın bir hızı ve evrende hızın bir limiti olduğunu bilmemesiydi.

Newton zamanının dahisidir. Ama her dehayı olduğu gibi, Newton’u da içinde yaşadığı zamanın bilimsellik anlayışı muvavehesinde değerlendirmek gerekmektedir.  Atom düzeyinde gözlemlenen hareketleri açıklamada Newton mekaniği yetersizdir.  Bu düzeyde onun yerini quantum mekaniği almıştır ve bu iki mekanik arasında en ufak bir benzerlik bile mevcut değildir.

Atom modelleri geliştirilirken önce elektronların atom çekirdegi etrafında, güneşin etrafında dönen gezegenler gibi bazı yörüngelerde döndüğü, elektronların gezegenlerden çok daha hızlı dönmeleri dışında arada fark olmadığı sanılmıştır. Daha sonraları ise bu görüşün doğru olmadığı ve Newton yasalarının atomaltı evrene ışık tutmadığı anlaşılmıştır.

Elektromanyetik teoriye göre ışık bir dalgadır. Uzayda saniyede yaklaşık 300 bin km hızla hareket eder ve etrafa dalga şeklinde yayılır. Daha sonra yapılan araştırmalar ışığın bir parçacık (partikül) gibi davranması gerektiğini ortaya koymuştur. Foton olarak bilinen bu parçacıklar bir engele çarptıkları zaman orada bir parçacık gibi absorbe edilmektedirler.

Işigin doğasının elektromanyatik olduğu 19’uncu yüzyılın en müthiş buluşlarından biridir. Yirminci yüzyıla ayak basınca bu kuram aniden bütün ihtişamını yitirmiş, küçülmüş, bazı gözlemleri açıklayamamaya başlamış ve rafa kaldırılma tehlikesi ile karşı karşıya kalmıştır. Evet.. En azından bazı deneylere ve gözlemlere göre ışık dalga gibi yayılmaktadır ama, parçacık gibi davrandığı da kaçınılmaz bir gerçektir.

Bu iki zıt davranışı birleştirmek mümkün müdür? Bir şey hem dalga hem de parçacık gibi davranabilir mi? Işık uzayda hareket ederken eninde sonunda bir maddeye çarpacaktir. Peki o zaman ne olacaktır? Işık-madde ilişkisi ile ilgili sorunları nasıl çözebiliriz?

Işık nedir?.. Dalga mıdır, yoksa parçacık mı?

Peki madde nedir? Atom düzeyinde madde nasıl davranmaktadır? Madde de ışık gibi midir? Yani hem dalga hem de parçacık mıdır?

20'nci yüzyılın başlarında çok iyi bilindiği sanılan bazı kavramlar hakkında şüpheler uyanmaya başlamış ve bilim aniden, bilinen her gerçeğin yanlış olabileceği insansal bir etkinliğe dönüşmüştür... Fizik herşeyi tam açıklamaya başladığı bir zamanda bu durum ortaya çıkmış ve temelden gelen büyük bir sartıntı ile yıkılmak tehkikesine maruz kalmıştır. Artık hiç bir şeye inanmaya olanak yoktur. Çevremizde gözlemlediğimiz her şey bir hayal ve aldatmaca ve belki de bir yanılsamadır. Doğa biz insanlarla alay etmekte ve kedinin fare ile oynadığı gibi, bizle oynamaktadır. İnsanoğlu gerçeği görmede zorluk çekmektedir. Newton yasalarının geçerliklerini yitirmeleri demek fiziğin batması demektir. Bilimin başı gerçekten derttedir. Işığınn hem dalga hem de parçacı olduğu anlaşilmış, maddenin ve atomun ne olup olmadığı giderek daha çok anlaşılacağına, daha da karışık bir kılığa bürünmüştür.

Yirminci yüzyılın başlarında aralarında Einstein’ın da olduğu bazı parlak bilim adamları konuyla ilgilenmeye ve fizik yasalarını yeniden ve bu keresinde farklı bir açıdan bakarak yorumlamaya ve değerlendirmeye başlamışlardır. İşte quantum mekaniğinin başlangıcı bu karışık döneme rastlar. Bir soba yakılarak başlanan mütevazi araştırmalar, kısa bir süre içinde inanılmaz boyutlara ulaşacak ve quantum mekaniği doğacaktır. Quantum mekaniği Planck’ın beyin çocuğudur. İlginç olarak Einstein da bu mekaniğin gelişmesine biraz daha anlaşılır olmasına katkıda bulunmuş ama, her fırsatta Plankck'la birlikte, bu fizik türüne inanmadığını belirtmekten çekinmemistir. Feleğin ilginç bir cilvesi olarak kuantum mekaniğini başlatan bu iki dahi, ölünceye kadar bu buluşlarını reddetmiş ve onu yanlışlamaya çalışmışlardır. Bunda ikisi de başarılı olamamıştır.

QUANTUM PHYSICS FOR DUMMIES!- 4

Bohr hiç kuşkusuz üstün bir fizikçi, zeki ve pragmatik bir bilim adamıdır. Sağdan soldan ögrendiklerini bir araya getirip, onları uyumlu bir şekilde ifade edebilen, sentez yapma yeteneği son derece yüksek biridir. Fizikte karşilaştığı sorunların matematiğinden çok, pratik uygulamalarına önem veren ve kuramlarını onlara adapte etmeye çalışan pragmatik bir bilim adamıdır.

Bohr atom modeli üzerinde çalışırken, atomun iç yapısının doğru olarak tanımlandırılmasından çok, pratik uygulamada yararlı olup olmadığna önem vermiştir. Rutheford-Bohr atom modeli, biraz klasik fizik ve biraz quantum fiziği içeren bir yapıya sahiptir. Önemli olan bu modelin pratik uygulamada işe yarar oması ve birçok fenomeni açıklayabilmesidir.

İlginç olarak atom modeli ile ilgili modellere ve ortaya atılan kuramlara Bohr, mantıklı bir açıklama getirememiştir. Hatta onların üzerinde araştırma bile yapmamıştır. Onların varlığı ile yetinmiştir. Bohr zamanında quantum fiziği henüz emekleme dönemindeydi. Heisenberg’in belirsizlik kuramı ve Pauli’nin dışlama ilkesi henüz ortaya atılmamışlardı.

Bohr elektronların belli yörüngeleri olduğunu ve normal koşullarda onları terketmeyeceklerini ileri süren ilk bilim adamıdır. Elektronların bir üst yörüngeye tırmanabilmeleri için enerjiye gereksinimleri vardır. Bu enerjiyi dışardan elde etmek zorundadırlar. Eski orbitallerine (yörüngelerine) dönebilmeleri için bir üst yörüngeye çıkmak için sahip oldukları bu enerjiyi vermeleri gerekmektedir. Elektronların enerji alıp vermeden atom çekirdegi etrafında kalabilmeleri için kendilerine tahsis edilmiş bazı yörüngelerin varlığı gerekmektedir. Elektronlar dışardan enerji alıp vermeden o yörüngeyi değiştiremezler. Bir üst yörüngeye tırmanacak elektronun enerji alması, bir alt yörüngeye inecek olan elektronun ise enerji vermesi gerekmektedir.

Enerji quanta olarak alınır ve verilir. Quanta, quantumun çoğuludur. Quantum ise en küçük enerji birimidir. Bu enerjinin küsürü, yani dörtte biri, üçte biri vs, yoktur. Ya bir quantum olarak, ya da birden fazla quanta şeklinde alınıp verilir...

Elektronun kararlı bir yörüngede kalması belli bir enerjiyi gerektirir ve bu enerji değişmez. Sabittir. Elektron yörünge değiştirirken enerji alır veya verir. Her yörüngede ancak belli sayıda elektronlar bulunabilir. Çekirdeğe en yakın yörüngede ancak iki elektron yer alabilir. Onun hemen dışındaki ikinci yörüngede sekiz, üçüncü yörüngede de sekiz elektron yer almaktadır. Daha dışarda kalan yörüngeler için elektron hesapı iyice karışmaktadır. Bohr’a göre elektronlar, normal koşullarda, kendilerine ayrılan yörüngelerde kalma eğilimi gösterirler.

Fizikte yörünge teriminin yerini son yıllarda orbital terimi almıştır.

Bohr atom çekirdegine en yakın yörüngedeki elektronların çekirdeğe atlamadığını ve onunla birleşmediğini ileri süren ilk bilim adamıdır. Ama bunun nedenini açıklayamamıştır. Çünkü Bohr’un zamanında quantum fiziği yeterince ileri değildir. Bohr bu durumu açıklarken, elektronların çekirdege düşmesi yasaklanmıştır demekle yetinmiştir.

Elektronlar bir alt yörüngeye inerken bir quantum enerji verirler. Bu kesin bir miktardır ve ışığın bir dalga boyunu karşılar. Elektronun yörüngesi atomun çekirdeğine ne kadar yakınsa, açığa çıkan quantal enerji o kadar yüksektir. Ama yine de küsürü olmayan bir quantumdur.

İkinci yörüngedeki elektronun birinci yörüngeye inmesi X ışınlarının (Röntgen ışınlarının) açığa çıkmasına neden olacaktır. X ışınlarının quantal enerjisi çok yüksektir. Bu yüzden vücuda kolaylıkla penetre olarak karşı tarafa geçerler.  Diğer yörüngelerdeki elektronların yörünge değiştirmeleri mor ötesi, kızıl ötesi ve görünür ışığın ortaya çıkmasına neden olacaktır. Bütün bu ışıkların spektrumu bellidir. Her elementin kendisi için spesifik bir spektrumu vardır. Bu spektrumu inceleyerek, evrende mevcut yıldızların hangi elementlerden oluşmuş olduğunu saptamak mümkündür.

QUANTUM PHYSICS FOR DUMMIES!..-3

QUANTUM PHYSICS FOR DUMMIES!..-2'nin devamıdır...

Rutheford’un atom modeli oldukça gerçekçi olmasına rağmen eksiktir. Yapılan gözlemlerin tümünü açıklamaz. Atomu araştıran yöntemler daha yeni bulunmuş, atom düzeyine daha yeni inilmeye başlanmıştır. Quantum güçler ve yasalar henüz yeterince ortaya konmamıştır. Bir sistem olarak kabul edilen atomun stabilitesini nasıl sağladığı hakkında bilinen hemen hiç bir şey yoktur.

Atom sistemi ile güneş sistemi arasında benzerlik kurmak çekici gelmektedir ama, gözlemler bu analojiyi tümüyle reddedmektedir. Elektronlar atom çekirdeğinin etrafında bir bulut oluşturacak şekilde dolaşmakta, arada bir enerji kazanıp yörünge değiştirerek, bu enerjiyi geri verip eski yörüngelerine dönmektedirler ama, nedense çekirdeğe düşmemektedirler. Bu durum, örneğin Mars’ın kendi yörüngesinden ayrılıp, dünya ile aynı yörüngeyi paylaşması ve sonra eski yörüngesine dönmesi gibi bir şeydir.

Elektronların çekirdeğe neden düşmediğini açıklayacak bir kuram yoktur. Atom sisteminden merkezkaç gücü sorumlu olamazdı. Çünkü böyle bir güç yoktur. Merkezkaç gücü yapay bir güçtür. Öyle ise elektronun çekirdeğe düşmemesinin nedeni klasik fiziksel yasa ve ilkelerden biri veya birkaçı olamaz. Bu süreç daha başka ve gizemli güçler tarafından denetleniyor olmalıdır. Bu güçler ne olabilir?

Bu güçleri ilk farkeden, Danimarkalı bir Viking olan ve keskin baltası ile sivri mızrağını, ok ve yayını, boynuzlu mihferini çoktan terkederek, kendini fiziğe adayan Niels Bohr olmuştur.. Atomun daha ileri modelini Niels Bohr’a borçluyuz.

Niels Bohr, 7 Ekim 1885’de Kopenhag’da doğmuştur. Rastgele bir Viking değildir. Akademik bir aileden gelmektedir. Babası Kopenhag üniversitesinde fizyoloji profesörü idi. Kardeşi Harald daha sonra aynı üniversitede matematik profesörü olmuştur. Bohr iyi bir eğitimden geçmiş ve 1911 yılında fizikte doktorasını tamamlayarak, üniversiteden mezun olmuştur. Okulu bitirmesine birkaç ay kala babası kalp krizi geçirerek ölmüştür. Aynı yılın eylül ayında Bohr İngiltereye gitmiş ve Cavandish laboratuvarında J.J.Thomson’un yanında çalışmaya başlamıştır.

Ama kısa bir süre sonra o ortama uymadığını farketmiştir. İngilizlerin kendilerine göre bir yaşam tarzları vardır. Kendi aralarında bir tür kast sistemi olan bir sınıf sistemi geçerlidir. Yabancılar sevilmez ve küçük görülür. Bohr’un ingilizcesi yeterince iyi değildir ve kendini İngiltere’de yabancı hissetmektedir. Gururlu bir Viking olan Bohr, bu durumdan ve J.J. Thomson’un yeni düşüncelere karşı olan olumsuz tutumundan rahatsız olmaya başlamıştır. Ülkesine geri dönmek istemektedir.

Danimarka’ya dönmeye hazırlanan Bohr bir ara Rutheford’un yaptığı bir konuşmaya katılmış ve ondan çok etkilenmiştir. Bir ay kadar sonra kendisi ve Rutheford ortak bir arkadaşlarının evinde yemeğe davet edilmişler ve orada birbirlerini yakından tanıma, karşılıklı düşünce alış verişi yapma olanağına sahip olmuşlardır. Birbirleri ile çok iyi anlaşan bu iki fizikçi, Manchester’de birlikte çalışmaya başlamışlar ve Bohr Danimarka’ya dönmekten bir süre için vaz geçmiştir.

Bohr, Rutheford’un atom modeli üzerinde çalışmalar yapmış ve 1912 yılında Danimarka’ya dönmüştür. Döner dönmez nişanlısı ile evlenmiş ve Kopenhag üniversitesine öğretim görevlisi olarak atanmıştır. Kendini mesleğine adayan Bohr, 1913 yılından önce, kendisine 1922 Nobel fizik ödülünü kazandıracak olan, atomun yapısı ile ilgili üç makale yayınlamıştır.

 QUANTUM PHYSICS FOR DUMMIES!..-4 ile devam edecek...

QUANTUM PHYSICS FOR DUMMIES!... 2

 QUANTUM PHYSICS FOR DUMMIES!..-1'in devamıdır.

Atom modelinin oldukça ilginç bir tarihçesi vardır. Atom eski Yunanlılara göre, daha küçüğü olmayan, bölünemeyen maddedir. Böyle bir maddenin varlığı eski Yunan’da tartışılmış, bazıları böyle bir maddenin olması gerektiğinde israr ederlerken, diğerleri atom kavramını reddetmişlerdir.

Çağdaş atom modeli fiziksel ve kimyasal bir olgudur. Atomun simgelediği madde en küçük madde değildir. Atom, elementer zerrelerin çeşitli şekillerde bir araya gelmesinden oluşmuş, fiziko-kimyasal nitelikleri ve büyüklükleri farklı elementler şeklindedir. 100’ün üstünde türü vardır.

Rutheford atom modelini çağdaş görüşle az çok bağdaştıran ilk fizikçi olmuştur. Rutheford’dan önce J.J. Thomson’un atom modeli vardı. Bu modele göre atomu karpuza benzetmek mümkündür. Bu modelde elektronlar yuvarlak ve pozitif yüklü bir çekirdeğe karpuz çekirdekleri gibi gömülerek dağılmışlardır. Rutheford bu ilginç yapıyı daha yakından tanımak için bir dizi deney yapmıştır…
Onlara kısaca değineyim..

Rutheford deneylerine altından oluşan ince zarlara pozitif yüklü alfa zerrelerini fırlatmakla başlamıştır. Bilindiği üzere alfa zerreleri helyum çekirdeğinden oluşmuşlardır. Elektronlarından arındırılan helyum çekirdeğinde iki proton ve iki nötron vardır. Bu alfa taneciği olarak bilinir.

Bu deney sırasında Rutheford ince altın membrana fırlatılan alfa taneciklerinden çoğunun karşı tarafa geçtiğini gözlemlemiştir. Çok azı, duvara çarparak geri dönen tenis topu gibi, yansımışlardır. Bir kısmı hafifçe sağa veya sola doğru yansımışlardır ama, çoğu geri dönmemiştir.

Bu deneylerin sonunda Rutheford atomun son derece yoğun bir çekirdeği olması gerektiğine karar vermiştir. Deneyin sonucundan anlaşıldığına göre, atom kütlesinin hemen tümü bu çekirdekte yoğunlaşmıştır. Ve elektronlar bu yoğun çekirdeğin etrafında bir bulut oluşturmuşlardır. Alfa zerrelerinin çoğu çekirdekle temasa gelmeden, uzağından geçip gitmişlerdir. Alfa zerrelerinin çekirdekle çarpışmaları olasalığı çok azdır.

Rutheford bu çekirdek için santral çekirdek terimini kullanmıştır. Elektronların bu çekirdeğin etrafında bulut oluşturmasına rağmen alfa zerreleri, onların arasından herhangi bir güçlükle karşılaşmadan kolaylıkla geçebilmektedirler. O zaman bazı gerçekler bilinmediği için bu gözlem Rutheford’u ve diğer fizikçilari şaşırtmıştır. Oysa bugün biliyoruz ki elektronlar alfa zerrelerini durduramayacak kadar küçük taneciklerdir. Alfa zerreleri elektronlardan sekiz bin kere daha büyük bir kütleye sahiptirler. Elektronların alfa zerrelerini yansıtması olanaksızdır. Elektron bulutunu geçerek çekirdeğe yaklaşan alfa zerrelerinin çoğu, pozitif yüklü olduklarından, kendilerinden 49 kere daha büyük olan altın atomunun pozitif yükü ile bir kenara itilmektedirler. Altın atomunun çekirdeği ile çarpışmak ender bir olaydır.

Daha sonraki araştırmalar çekirdeğin bir atomun büyüklüğünün yüzbinde biri kadar olduğunu göstermiştir. Bu ilginç durumu daha iyi belirtmek için şöyle bir örnek verebiliriz:

Atom çekirdeğinin bir tenis topu büyüklüğünde olduğunu varsayalım. Buna en yakın piriç büyüklüğünde bir elektron 6,3 km uzaktaki bir yörüngede yer alacaktır. Bu yapıya nohut büyüklüğünde bir taş atın. Nohutun tenis topuna isabet etme olasalığı çok az olacaktır. Yakınına gelse bile her ikisi de pozitif yüke sahip olduğundan, alfa zerreleri daha çok pozitif yüklü olan çekirdek tarafından kolaylıkla uzaklaştırılabileceklerdir.

Rutheford 1908 Nobel ödülünü kazanmıştır. İlginç olarak bu ödülü kimya dalında almıştır Rutheford!. Kendisi kimyanın, fiziğin yanında ilkel bir bilim ve kimyagerlerin fizikçilere göre inferior bilim adamı olduğuna inanan bir fizikçidir. Nobel komitesi Rutheford’u atom modelini geliştirdiği için mükafatlandırmamıştır. Elementlerin parçalanması ve radyoaktif maddelerin kimyası konularında araştırmalar yaptığı için, Nobel kimya ödülüne layık görülmüş ve bir tür cezalandırılmıştır. Bu durum arkadaşları arasında espri konusu olmuştur.

Rutheford bir ara Kanada’da çalıştıktan sonra İngiltere’ye, Manchester üniversitesine dönmüş, orada alfa zerreleri üzerinde çalışmalarına devam etmiştir. İlginç olarak Rutheford bu zerrelerin aslında helyum çekirdeği ve radyoaktif çürümenin doğal bir ürünü olduğunu,kendi altında çalışan Hans Geiger’in çabaları sonunda öğrenmiştir. Geiger, kendi ismi ile anılan, alfa zerrelerinin varlığını gösteren ve onları sayan bir cihaz tasarımlamıştır.

Rutheford 1914 yılında İngiltere kralı tarafından şövalyeliğe layık görülmüş ve sir ilan edilmiştir. 1919 yılında Cavendish profesör ünvanının alarak, ilk atom modelini yapan J.J. Thomson’un yerini almış ve Cavendish laboratuvarının başına geçmiştir. Bu arada Marsden’le birlikta yaptığı çalışmalarda nitrojeni yine alfa zerreleri ile bombardıman ederek oksijenin bir izotopuna çevirmiştir. Bilim tarihinde ilk defa bir element laboratuvarda başka bir elemente dönüştürülmüştür. Bu tepkileşme sırasında bir hidrojen çekirdeği nitrojenden ayrılmıştır.

Rutheford 1920 yılında ayrılan bu hidrojen çekirdeği için proton terimini kullanmış, terim tutmuş ve yerleşmiştir. Bu dönüşüm için bir elementin transmütasyonu terimi kullanılır ve bu başarı nükleer fiziğin başlangıcını simgeler. Rutheford daha sonra alfa zerreleri ile bombardıman edilen hafif elementlerin bir proton attıklarını göstermiştir.

Rutheford 19 Ekim, 1937 yılında, yıllardır ihmal ettiği fıtığın neden olduğu bir komplikasyon sonucu yaşamını yitirmiştir. Muhtemelen fıtık kesesinde boğulan bağırsak gangren olarak yaygın peritonite ve sonunda bu başarılı fizikçinin ölümüne neden olmuştur.

 QUANTUM PHYSICS FOR DUMMIES!..-3 ile devam edecek....

 

QUANTUM PHYSICS FOR DUMMIES!... 1

Bu konu ile yıllardır ilgilenirim. Quantum fiziği konusunda ilk iletimi yazalı aradan nerdeyse 10 yıl geçti. Bu süre içinde oldukça ilginç şeyler öğrendim ve onları bazı bilim forumlarında tartıştım. Konunun hevesli bir amatörü oluğumu iddia edebilirim. Kuantum fiziğinin popüler tarafı müthiş ilgimi çekiyor. Matematiği ne kadar zorsa, matematiksiz ifade edilen quantum fenomenler o kadar neşeli ve anlaşılır... Onları okurken duyduğum hazzı dile getirebilmek için sizlerin de benimle aynı hisleri paylaşmanızı istiyorum. Quantum süreçleri sizlere yalnız anlayacağınız şekilde değil, aynı zamanda zevk alarak anlayacağınız bir şekilde açıklamak istiyorum.

SİYAH KAVİTE RADYASYONU….
 
Son derece ileri ve çağdaş bir bilim dalı olan quantum fiziğinin aslında çok basit ve mütevazi bir başlangıcı vardır. Quantum fiziğinin başlangıcı, 100 yıl öteye, kavite veya siyah-cisim radyasyonu denen deneylere kadar gider.

Bilindiği üzere ısıtılan metallerin rengi değişir. Örneğin demir bir çubuğu ısıtırsanız, çubuk önce koyu kırmızı, daha sonra sırasıyla parlak kırmızı, portakal sarısı ve sarı renk alır. Daha da ısıtılırsa demir çubuk sıvılaşır. Yani erir. Tungsten aşırı ısıya çok dayanıklıdır. Isıtılırsa sonunda parlak beyaz bir ışık saçmaya başlar. Bu beyaz renk aslında mor, mavi, yeşil, sarı, portakal ve kırmızının karışımından oluşmuştur.

Termodinamik kanunlarını ve maddenin kinetik-moleküler, ışığın ise elektromanyetik kuramlarını bu ısıtılan metallere uygularsak, metalden çıkan ısının miktarı ve etrafa saçılan elektromanyetik spektrumun derecesi kolaylıkla hesabedilebilmeli ve sonuçlar birbirleri ile uyumlu olmalıdır.

Metal ısıtıldığı zaman o metali oluşturan atom ve moleküller kinetik enerji kazanarak bulundukları yerde ileri geri hareket etmeye başlarlar. Titrerler ve vibrasyona uğrarlar. Buna osilasyon da denmektedir.

Bu osilasyonların frekansı ısıtılan metalden çıkan elektromanyetik spektrumu saptamaktadır. Isı arttıkça osilasyonun frekansı da artmakta ve etrafa yayılan renk bu frekansa uygun olarak değişmektedir. Konu ile yakından ilgilenen Planck bir dizi deney yaparak ulaştığı sonuçların yaptığı hesaplarla uyumlu olup olmadığını araştırmıştır.

Önce yaptığı deneylere termodinamik yasalarını uygulayarak sonuçları hesaplamıştır.

Daha sonra sonuçları teker teker bizzat ölçmüştür. Yani ısıtılan siyah kaviteli bir sobadaki elektromanyetik radyasyonu ölçmüştür.

Bulguları hesapladığı değerlerle karşılaştırmıştır. Her ikisinin bağdaşmadığın görmüştür.

O ana kadar bilinen fizik kanunlarını ısıtılan metallerin yaydığı ışığın frekansı ile ilgili gözlemleri açıklamada kullanmak mümkün değildir. Bu işte bir bit yeniği vardır.

Planck ne yapacağını bilemez. Şaşırmış ve herşeyi bırakmayı göze alacak kadar düş kırılığına uğramıştır. Ya termodinamik kanunlarında, ya da kinetik-moleküler ve elektromanyetik kuramlarla ilgili hesaplamalarda bir sapma olmalıdır.

Bizzat ölçtüğü değerlerin doğruluğuna emindir. O ana kadar bilinen fizik kanunları doğru ise, ölçtüğü değerlerin, hesaplanan değerlerle aynı sonucu vermesi gerekmektedir. Ama aralarında kesin olarak bir uyuşmazlık vardı.

Yanlışlığın fizik kanunlarında olması gerektiğine inanmıştır, Planck. Kendi bulgularından o kadar emindir.

Planck konu üzerinde uzun uzun düşündükten sonra, soruna ilginç bir çözüm yolu bulmuş ve bunun için de Nobel ödülünü kazanmıştır. Aslında bu çözüm yoluna Planck, başka çıkar yol kalmayınca en son çare olarak baş vurmuştur..

Osilatörün ısı kazanıp-kaybetmesi, termodinamik kanunlarında ve Newton mekaniğinde olduğu gibi, linear bir orantı izlememektedir. Yani 1’e 1, 1.1’e 1.1, 1.2’ye 1.2 vs gibi değildir. Enerji yalnız belli bir ünite olarak kazanılıp, kaybedilmektedir. O ünitenin küsürleri yoktur. Enerji alıp verme ya bir ünite, ya da onun katları şeklindedir.

Planck bir ünite için quantum, birden fazla üniteler için ise quanta terimlerini kullanmıştır. Planck tarafından Newton kanunlarına ve zamanın fizik kurallarına göre küsürler dikkate alınınca sonuç yanlış çıkmaktadır. Quantum ünitesinin küsürü yoktur.

Bu tümüyle mantıksız ve garip bir durumdur. Hemen herşeyin daha küçük parçaları olduğu halde quantumun yoktur. Isı etrafa quanta olarak yayılmaktadır. Her osilasyonun kendine göre bir quantumu vardır. Osilasyon frekansına göre o quantum değişmektedir. Osilasyon frekansı yükseldikçe bu quantum büyümekte, azaldıkça küçülmektedir. Yüksek frekanslar (daha büyük enerjiler), daha büyük quantumlar şeklinde iletilmektedir..

İşte quantum mekaniğinin (fiziğinin) temeli bu ilginç, mütevazi gözlemlere dayanır. İnanması güç değil mi? Isı etrafa rastgele ve her spektrum üzerinden yayılmamaktadır. Belli büyüklükte zerreler tarafından iletilmektedir.

Linearite yoktur.

Quanta vardır.

Quantumdan daha küçük değerler yoktur.

Her frekans için belli bir quantum vardır.

Doğa enerjinin ve ışığın etrafa yayılmasına bir sınır koymuştur. Işık da quanta dan oluşmuştur. Onlara foton denir. Bu Einstein’ın buluşudur. Orası daha ayrı bir hikaye.. Sonra tartışırız..

MODELLEME ÜZERİNE
İnsan bir konu üzerinde çalışırken zihninde bir takım modeller oluşturur. İnsan somut olguları modelsiz öğrenemez. Kuantum fiziğinin ilgi alanı olan atomaltı evrenini ve orada vuku bulan olağan üstü tepkileşmeleri insan aklının imgelemesi mümkün değildir. Çünkü onlar insan sağ duyusu ile bağdaşmazlar. Fizikçiler yapılan gözlemleri açıklamak için bazı modeller oluşturmaya çalışırlar ama, kuantum fiziği konusunda şimdiye dek pek başarılı oldukları söylenemez. Bu modeller çoğu kere matematiksel denklemler ve kuantum evreninde nelerin vuku bulduğunu simgeleyen imajlar şeklinde belirtilirler. O modellerden bazıları spesifik bir quantum fenomeni açıklamada gerçeğe çok sadık olabilirler. Ve onu doğru ve anlaşılır bir şekilde yansıtabilirler. Ama aynı fenomenin başka bir yönü için tümüyle yetersizdirler. Ayrıca diğer fenomenlerin çoğu imgelenemeyecek kadar müphem soyut kavramlar şeklinde tecelli ederler.

Modellerle ilgili bilinmesi gerekli tek gerçek onların gerçek olmadıklarıdır. Bir quantum fenomeni açıklamada son derece başarılı birden fazla model olabilir. İlginç olarak bu modeller birbirlerinin tam zıttı da olabilirler.

Örneğin ışık modelini ele alalım. Işık hem dalga hem de zerre olarak imgelenebilir. Bazı koşullarda dalga özelliği diğer durumlarda ise zerre özelliği manifest hala gelmektedir.

Atom modeli de böyle bir şeydir. Yapılan modellerin hiç birisi gerçeği yansıtmaz. Bazı atom modelleri atomun gözlemlenen niteliklerinden birini çok güzel açıklayabilir. Ama diğerlerini açıklamada yetersizdir. Her model yalnız kendi spesifik konusunda yeterlidir.

Muhtemelen insan aklının quantum aleminde vuku bulan süreçleri anlasa bile, imgelemesine olanak yoktur. Modellemelerle atomaltı evrende vuku bulan ekzotik süreçlerden yalnız birinin bir yönü açıklanabilir.

Atomun ve atomaltı zerrelerin imgelenmelerinin olanaksızlığına değindikten sonra, kuantum fiziğinin ilgi alanı olan bu alemin ilk ve en önemli modeli olan atom modeline kısa bir göz atalım.

QUANTUM PHYSICS FOR DUMMIES!... 2ile devam edecek