KUANTUM KURAMI

[denizindibi]

KUANTUM KURAMI

Konu Fıkrası(1)

Bir gün Bohr ile Einstein kırda kuantum kuramını tartışarak geziyorlarmış. Tartışmanın hararetli bir anında karşılarına iri yarı bir ayı çıkmış. Bohr,hemen ayakkabı bağcıklarını sıkıcı bağlamak üzere eğilmiş. Onu izleyen Einstein "Yahu Niels ne yapıyorsun,ayıdan daha hızlı koşacağını mı sanıyorsun?" diye sormuş. Bohr da "Hayır Albert, ayıdan daha hızlı koşacağımı düşünmüyorum. Sadece senden daha hızlı koşmayı düşünüyorum" demiş!

Konu Fıkrası(2)

Nasrettin Hoca bir gün eşeğine iki küfe üzüm yüklemiş evine gidiyormuş. Mahallenin çocukları Hoca'nın önünü kesmiş ve üzüm istemiş. Hoca şöyle bir bakmış. Üç beş değil birçok çocuk var. Çocukların uzanan ellerine ikişer üçer tane üzüm koymuş. Çocuklar Hoca bu ne kadarcık şey bizimle dalga mı geçiyorsun demişler."Evlatlarım" demiş Hoca "Hepsinin tadı birdir. Şu küfelerdeki üzümlerin tadı bir tanesinin tadıyla aynıdır. Ha az yemişsin ha çok yemişsin,hiç fark etmez"

Efendim, fıkraların konuyla ilgisi yok. Sadece konuya sıkıntılı girmeyesiniz diye konmuştur.

Konu şiiri:

Senin içine girdiğim zaman

Dışımda kalıyorsun.

Senin dışından sana bakınca

Içime sığmıyorsun.

Özdemir Asaf(1923-1981)

Kuantum Kuramı, 20. yy'ın büyük kuramlarından biridir. Kuantum ne demektir? Kuantum kuramı, nedensellik kavramını,yani determinizmi nasıl etkilemiştir? Elektron nedir,bir parçacık mı,bir dalga mıdır? Yoksa her ikisi midir? Işık nedir? Bir parçacık (foton) sağanağı mıdır, elektromanyetik bir dalga yayılması mıdır? Einstein, kuantum kuramının kurucuları arasında bulunduğu halde, sonradan neden ve nasıl bu kurama karşı çıkmıştır? Einstein, 1930 Solvay konferansına nasıl bir düşünce deneyi ile geldi? Ona "Einstein,senin adına utanıyorum. Çünkü yeni kuantum kuramına senin karşıtlarının görelilik kuramına karşı ortaya koydukları kanıtlarla karşı çıkıyorsun" diyen dostu kimdir? EPR Deneyi, kuantum kuramının eksik olduğunu göstermiş midir?Bell Teoremi/Esitsizligi neyi kanıtlamıştır? Yine kuantum kuramının kurucularından Erwin Schrödinger, "Schrödinger'in Kedisi" diye ünlenen düşünce deneyi ile bu kurama neden ve nasıl karşı çıkmıştır? Kuantum kuramı, deneylerle test edilmiş midir? Karadeliklerin gönülsüz babası kimdir? Werner Heisenberg belirsizlik ilkesi nedir? Bu ilke araçlarımızın yetersizliğinin bir sonucu mudur? Her şeyi bilebilir miyiz? Bir gizemli sayı daha:1/137'nin anlamı nedir?

Sizleri, bir kısmını buraya sıraladığım soruların yanıtı için atom ve moleküller dünyasında bir gezintiye çağırıyorum. Bu atomaltı dünya (mikrodünya), makrokosmos kadar çeşitli, ilginç, renkli, neşeli, kafa karıştırıcı ve heyecan verici... Aşağıdaki açıklamaları yazarken kaynaklar bölümünde belirttiğim eserlerden neredeyse tümüyle alıntılar yaptım. Benim yaptığım, zaman zaman araya girerek yazarlığı hepten kaynakların yazarlarına kaptırma endişemi gidermek oldu!. Örneğin Belirsizlik ilkesini Hawking'e, olasılık ve belirsizlik açısından doğayı Feynman'a anlattıracağım. Bohr ile Einstein'nin Solvay Konferanslarındaki tartışmalarını ve o yılların iklimini W. Heisenberg bize sunacak. Yani kuramı, ustalarından dinleyeceğiz.

Kimya derslerinden bilir misiniz? Tüm maddeler atomlardan ve her bir atom da pozitif elektrikle yüklü bir çekirdek ve negatif yüklü elektronlardan oluşur. O halde, çok küçük atomik ölçekte kütle, atomik kütlelere karşılık gelen kesikli niceliklerden oluşur. Yani modern fizik dilinde kütlenin kuantumlanmış olduğu söylenir. Enerji içeren pek çok nicelik de kuantumlanmıştır. Enerjinin kuantumlu tabiatı özellikle atom ve atomaltı dünyada ortaya çıkar.

ILK KUANTUM FIZIKÇILERI

Önce Özetler!

1900 yılında Max Planck,siyah cisim ışımasını açıklamak için ışığın kuantumlu olabileceğini ileri sürdü. O zamana dek,ışığın şiddetiyle enerjisinin doğru orantılı olduğu sanılıyordu. Oysa ışığın frekansıyla enerjisi doğru orantılıydı... 1905'te Einstein bu kurama dayanarak fotoelektrik olayı açıkladı. Işık,dalga özelliği yanında foton denen kuantum (enerji paketleri) özelliği de gösteriyordu. 1924'te Fransız fizikçi Louis de Broglie, çok çarpıcı bir düşünce üretti. Basit bir matematikle, hareketli her parçacığın aynı zamanda dalga özelliği göstermesi gerektiğini ileri sürdü. 1927'de Amerikalı bilimciler C.Davisson ve L.Germer, elektronların tıpkı bir ışık gibi,kristallerde kırınım gösterdiğini buldular. Yine aynı yıl Werner Heisenberg, ünlü belirsizlik ilkesini ortaya koydu . Fizikçiler arasındaki görüş ayrılıkları 1927 Solvay konferansında dışa vurdu. Tartışmaların başını N.Bohr ile A.Enstein çekiyordu. 1930'da yine büyük bir tartışma yaşandı. Einstein,yavaş yavaş arka sıralarda oturmaya başladı. Gelin öyküyü baştan alalım.

" Olabilir desinler, ama olur demesinler."

Cicero

"Olmaz olmaz deme, olmaz olmaz.."

Atasözü

Niels Bohr şöyle dedi: " Bir süre önce yine burada Kopenhag' da özellikle olguculuk yanlılarının katılmış olduğu bir felsefe konferansı vardı. Bunda Viyana Okulu' nun üyeleri büyük rol oynadılar. Bu filozofların önünde kuantum teorisinin yorumunu yapmaya çalıştım. Konferansımı verdikten sonra karşıt hiçbir düşünceyle ve zor herhangi bir soruyla karşılaşmadım. Ama bunun benim için çok korkunç olduğunu itiraf etmeliyim. Çünkü bir insan kuantum teorisinden ürkmezse, onu anlaması da olanaksızdır. Belki de o kadar kötü bir konferans verdim ki, kimse neden söz ettiğimi anlamadı."

Klasik Fiziğin Çözemedikleri
Kuantum kuramının doğuşunu kavrayabilmek için biraz gerilere gitmemiz gerekiyor. 19. yy sonlarına. Üç önemli problem,klasik görüşlerle açıklanamıyordu:

1. Siyah cisim ışımasının enerji dağılımı (morötesi felaket!)

2. Fotoelektrik olay

3. Atomların kararlılığı
Gazların kinetik kuramı, klasik fiziğin çok önemli başarılarından biriydi. Bu kurama göre, hiç bir molekülü dışarı kaçırmayacak ideal bir gaz kabındaki N molekülün toplam enerjisi E olsun. Bu toplam enerji (E) , enerjinin eşit dağılımı yasası diye bilinen temel bir istatistiksel teoreme göre ortalama olarak moleküllere eşit olarak dağılmıştır. Ortalama diyoruz, çünkü istatistiksel açıdan kesin veriler değil, ancak ortalama değerler elde edilebilir. Lord Rayleigh (1842-1919)ve Sir James Jeans(1877-1946)gazların kinetik kuramına başarıyla uygulanan istatistiksel modeli, iç duvarları kusursuz ayna olan kutuda hapsedilmiş "ışık" dalgalarına uygulamaya çalıştılar. Ama burada temel bir zorlukla karşılaştılar. Bir gaz kabındaki molekül sayısı çoktu; ama "sonlu" ydu,oysa ışığın hapsolduğu ideal bir ayna cidarlı kutuda farklı titreşim tiplerinin sayısı "sonsuz"du. Işi basitleştirmek için “Jean Küpü”nün yalnızca sağ ve sol iç duvarları arasında gidip gelen dalgaları düşünelim. Bu dalgalar, duvarlarda zamanla genliğin kaybolacağını söyleyen sınır koşullarına uymalıdır... Bunu üç boyutta düşündüğümüzde "sonsuzluk" sayısının daha da artacağı açıktır. Titreşim modu (düğüm noktası) sayısı sonsuz, ama enerji sonlu. Yani titreşim modu başına düşen enerji = E/ sonsuz = tanımsız. Bu, kuşkusuz saçma bir sonuçtur. Yani açıkça, klasik kuram, artık cisimlerin doğasına ilişkin bilgilerimizle çelişmekteydi. Atomik ölçekte,maddenin davranışını açıklamak için klasik fiziğin uygulama denemeleri tamamen başarısız oldu. Siyah cisim ışıması,fotoelektrik olay ve bir gaz deşarjında atomların yaydığı keskin çizgiler klasik fizik çerçevesinde anlaşılamadı. George Gamow 'un dediği gibi:" Bir kuram, cisimlerin doğası ile ilgili bilgilerimizle çeliştiği zaman, cisimlerin yapısı değil kuram yanlış olmalıdır". Doğaya yeni bir bakış açısıyla bakmak gerekiyordu. Bu devrim, 1900 ile 1930 arasında gerçekleşti. Kuantum Mekaniği denen bu yeni yaklaşım atom,molekül ve çekirdeklerin davranışını başarıyla açıkladı.

Kuantum Kuramının Keşfinin Öyküsü

Fotoelekrik Olay ve Einstein

Bell Eşitsizliği

Elementlerin Parmak Izi : Atomların Tayf Çizgileri

Kuantum kuramının ilginç,gizemli,şaşırtıcı sağ duyuya aykırı dünyasında yeterince donanımlı dolaşabilmek için atomlardan yayılan ışık hakkındaki bilgilerimizin gelişimine kısaca göz atmalıyız. Bir ışımanın, içerdiği farklı frekanslı(farklı dalga boylu) bileşenlerine ayrılmasına tayf (spektrum) denir. Belirli bir sıcaklıktaki tüm cisimler, dalga boylarının sürekli bir dağılımı ile karakterize edilen termik ışınım yayınlar. Dağılımın şekli cismin özelliklerine ve sıcaklığa bağlıdır. Kızgın katıların yaydığı ışınlar bir prizmadan geçirilirse,bütün frekansların yan yana bulunduğu kesiksiz (sürekli) tayf elde edilir. Yani arada karanlık çizgiler olmaksızın tüm renkler birbirini izler. Elektrik ampulü ve mum ışığı kesiksiz tayf oluşturur. Bir gaz ya da buharın yaydığı ışık ise iki tür olabilir: Gaz molekülleri (iki ya da daha çok atomlu moleküller) şeritli (bantlı) tayf verir; gaz atomları ve bir atomlu iyonlar ise çizgili (hatlı) tayf verir. . Verilen bir çizgi spekturumunda dalga boyları,ışığı yayan elementin karakteristiğidir. Yani her element,tıpkı bir insandaki parmak izi gibi,kendine özgü bir tayf oluşturur. En basit çizgi spektrumu, atom halindeki hidrojende gözlenmiştir. Iki element aynı çizgi tayfında yayınlamadıkları için bu olay bize bir örnekteki elementleri tanımak için pratik ve duyarlı bir teknik sunar(spektral analiz). Helyum, talyum ve indiyum elementleri, bu yöntemle bulunmuştur.

Bilim adamları, 1860'tan 1885'e kadar spektroskopik ölçümleri kullanarak önemli veriler topladılar. Isviçreli bir öğretmen olan Johann Jacob Balmer (1825-1898) 1885'te hidrojenin dört görünür yayınlama çizgisinin (kırmızı, yeşil,mavi ve mor) dalga boylarını doğru olarak öngören bir formül türetti. Balmer' in keşfinden sonra hidrojenin diğer tayf çizgileri de bulundu. Bu tayflara bulucularının onuruna Lyman(1874-1954), Paschen (1865-1947)ve Brackett (1896-..)serileri denir. Atomların yaydığı ve soğurduğu karakteristik tayf çizgilerinin anlamı klasik fiziğin açıklayamadığı bir olaydı. Her elementin belirli dalga boyunda tayf çizgileri yayınlamasını nasıl açıklamalıyız? Ayrıca her elementin yalnızca yayınladığı dalga boylarını soğurmasını nasıl açıklayacaktık?Bu soruların açıklamasını Bohr yaptı. Bohr, Planck'ın kuantum kuramını, Einstein'in ışığın foton kuramını ve Rutherford'un atom modelini birleştirdi.

1913'te Danimarkalı fizikçi Niels Bohr (1885-1962), hidrojen atomunun tayf çizgilerini kuantum kuramına dayanarak açıkladı. Buna göre çekirdek çevresindeki elektron, her enerjiyi değil, ancak belirli enerjileri alabiliyordu. En düşük enerjili durumdaki atoma temel durumdaki atom,enerji verilmiş atomlara da uyarılmış atom denir. Elektron yüksek enerjili durumdan daha düşük enerjili duruma sıçrayarak düşer,bu sırada ışık yayınlanır. Bohr modeli hidrojen atomunun yanı sıra bir elektronlu helyum(+1 yüklü helyum iyonu) ve lityum iyonu (+2 yüklü lityum iyonu) tayf çizgilerini başarıyla açıkladı. Bununla birlikte,kuram çok elektronlu atom ve iyonların karmaşık tayf çizgilerini açıklamakta yetersiz kaldı.Bohr'un düşüncelerinin ayrıntılarını atom modelleri bölümümüzde bulabilirsiniz.

Compton Olayı
1952 yazında, Kopenhag' da atom fiziğinin eski dostları bir kongrede bir araya geldi.

Werner Heisenberg, Niels Bohr ve Wolfgang Pauli ile aralarında geçen bir konuşmayı anlatır : "Üçümüz, bir kış bahçesinde oturduk ve kuantum teorisinin tamamıyla anlaşılıp anlaşılmadığı ve bizim ona burada 25 yıl önce vermiş olduğumuz yorumun fizikte genel geçer bir düşünce olarak kabul görmediği konularında konuştuk". Bohr şöyle dedi: "Bir süre önce yine burada,Kopenhag'da özellikle olguculuk yanlılarının katılmış olduğu bir felsefe konferansı vardı. Burada Viyana okulunun üyeleri büyük rol oynadılar. Bu filozofların önünde kuantum kuramının yorumunu yapmaya çalıştım. Konferansı verdikten sonra karşıt hiçbir düşünceyle ve zor herhangi bir soruyla karşılaşmadım. Ama bunun benim için korkunç olduğunu itiraf etmeliyim. Çünkü bir insan kuantum kuramından ürkmezse,onu anlaması da olanaksızdır. Belki de o kadar kötü bir konferans verdim ki kimse neden söz ettiğimi anlamadı."

Heisenberg ve Matrisler



BIR SÜPERMEN, IŞI ÇÖZEMEZ MI?

Dalga-parçacık ve konum-momentum ikiliğinden kurtulamaz mıyız? Bu ikiliği tekilliğe indiremez miyiz? Yani elektronun hem konumunu hem de momentumunu ölçecek araçlar yapamaz mıyız? Bir süpermen çağırmadan önce soruyu bir kez daha soralım: Konum ve momentumu aynı anda ölçmeyi engelleyen nedir?

Max Born bunu şöyle açıklıyor:
" Uzay koordinatlarını ve zamanın anlarını ölçmek için, sağlam ölçü çubukları ve sağlam saatler gerekir. Momentum ve enerji ölçümleri için nesnenin etkisini almak ve göstermek üzere hareketli parçalarla düzenlemeler yapılması gerekir. Eğer kuantum mekaniği nesne ve ölçü cihazının etkileşimini tanımlarsa, her iki düzenleme mümkün değildir" (Kozmik Kod, s:89) Born, aynı anda konum ve momentumu ölçen bir aygıt yapamayacağımızı yineledi. Bu iki ölçüm için yapılacak denel düzenlemeler birbirini dışlar. Kuantum mekaniği, aynı anda hem ölü hem diri olunabileceğini (Schrodinger' in Kedisi) kabul eder ama, konum ve momentumun aynı anda tam bir kesinlikle belirlenemeyeceğini söyler. Neyse bu noktayı daha tartışırız. Bir ayna olmadan başınızın arkasındaki uzayı göremezsiniz. Bakmak üzere geri döndüğünüzde de kafanızın arkasındaki uzay döner. Aynı anda hem önünüzdeki hem de arkanızdaki uzayı göremezsiniz.

Max Born :

" Einstein, Bohr ve benim (Born) dahil olduğum nesile bizden bağımsız, değiştirilemez yasalara göre gelişen nesnel bir fiziksel dünya olduğu öğretilmişti; biz, bir tiyatroda seyircilerin bir oyunu seyretmesi gibi bu süreci seyretmekteyiz. Einstein hâlâ bunun bilimsel bir gözlemci ile onun konusu arasındaki ilişki olmaması gerektiğine inanıyor " (Heinz Pagels,Kozmik Kod, s: 91)

Fakat kuantum kuramına göre insanın niyeti fiziksel dünyanın yapısını etkiliyor.

Özetle Kuantum Kuramı
Kuantum kuramının özetlenmesine geldik.

Özeti iki noktada toplayabiliriz: Birinci nokta, kuntum gerçekliği belirli (kesin) değil, istatistikseldir. Olgular ve olaylar (fenomenler) arasında nedensellik bağı değil, olasılık bağı vardır. Iki olay arasındaki etkileşimde ya da bir olayın gelecekteki evriminde hangi sonuçların doğacağını değil, hangi sonuçların daha olası olduğunu kestirebiliriz. Ama kestirimlerimiz doğru olmayabilir. Her bir olaya bir neden arayan insanlar, yalnız düşünce dünyasında değil, gündelik yaşamda da sıkıcıdır. Onlar gerçekten çok sıkı ve sıkıcı deterministlerdir. Ikinci sorun, kuantum nesnelerini gözleme için kullanacağımız ölçme düzenimiz. Kuantum gerçekliği, kısmen " gözlemcinin yarattığı bir gerçekliktir" . Evet, bu kitabın ciddi okurları gerçeklik olayını i yi düşünmeli. Kara deliklere adını koyan John Wheeler şöyle demişti: " Gözlemlenmiş bir fenomen olana kadar hiçbir fenomen, bir fenomen değildir".

Hiçbir süpermen, belirsizlik ilkesini aşamaz. Üzücü bir sonuç, ama böyle!

Niels Bohr, yalnızca bir fizikçi değildi, bir filozoftu, bir kompozitördü, yorumcuydu. Felsenin fiziğini değil, fiziğin felsefesini o yarattı. Fiziğin, daha doğrusu doğal bilimlerin sorunlarıyla insansal sorunlar arasında bağ kurmaktan kaçınmadı. Parçacık ve dalga özelliklerinin birlikteliğini " bütünlerlik" olarak yorumladı ve bunu yaşama uyguladı. Örneğin Sofokles' in Antigone adlı eserinde "topluma karşı görev" ile " ailesel görev" kavramları tamamlayıcı ( birbirini bütünleyen, tamamlayan) kavramlardı. Ama bunlar, aynı zamanda, birbirini dışlayan kavramlardı. Antigon, "iyi" bir yurttaştı. Kardeşi, kralı öldürmeye çalışırken öldürülmüştü. Kral ve topluma karşı görevi, kardeşini reddetmesini gerektiriyordu, kardeşi bir haindi! Yine de ailesel ve belki de dinsel duyguları onun vücudunu gömmesini ve anısına saygı gösterilmesini istiyordu. Bu örnek ne anlama geliyor? Biz, bir organizmanın moleküler yapısını öğrenmek için onu "öldürmeliyiz". Bu durumda biz ölü şeyin yapısını biliyor oluruz.Yaşayan bir organizmada yapıyı bilemeyiz. Çünkü " yapıyı belirleme hareketi, aynı zamanda organizmayı öldürür. Şüphesiz, molekül biyologlarının yaşamın moleküler temelini kurarken gösterdikleri gibi, bu son görüş tümüyle yanlıştır. Bu örneği verişimin nedeni, Bohr, kadar akıllı olsanız bile, bilimin ilkelerinin her zamanki uygulama alanları dışına uzatılmasının yüzeysel sonuçlar verebileceğini göstermektir"(Heinz Pagels,Kozmik Kod,Çev:Nezihe Bahar,Sarmal Yay)

Kuantum Bilgisayarlar (Bilim ve Teknik, Raşit Gürdilek'in yazısı)

EPR Deneyi

Kaynakça

1. Einstein, Albert & Infeld, L.eopold; Fiziğin Evrimi, Onur Yayınları,1976

2. Feynman, Richard; Fizik Yasaları Üzerine,TÜBITAK Yayınları,1995

3. Gamow, George; Güneş Diye Bir Yıldız(1963),Çeviren:Gülen Aktaş,Say Yayınları 1991

4.Gürdilek,Raşit;Bilim Ve Teknik (TÜBITAK,yazının tamamı yukarıda)

5.Hawking,S; Karadelikler ve Bebek Evrenler(1993),Çeviren: Nezihe Bahar,Sarmal Yayınevi 1994

6.Hawking,S;Çeviz Kabuğundaki Evren (2001),Çeviren: Kemal Çömlekçi, Alfa Yayınları 2002

7.Heisenberg,Werner;Çağdaş Fizikte Doğa, Çevirenler: Vedat Günyol-Orhan Duru, Çan Yayınları 1950

8. Heisenberg,Werner; Parça ve Bütün(1969),Çeviren: Ayşe Atalay, Düzlem Yayınları 1970

9.Herbert,Nick;Temel Bilinç(1993) Çeviren: Meltem Andırıç, Ayna Yayınları 1999

10. Ipekoğlu,Yusuf; Bilim ve Teknik, Ekim 2000

11. Landau,Lev &Y.Roumer,Izafiyet Teorisi Nedir? Çeviren:S.Gemici, Say Yayınları 1996

12. Omnes,Roland; Evren ve Dönüşümleri(1973), Çeviren: Sacit Tameroğlu-H.Vehbi Eralp,Onur Yayınları 1978

13. Pagels, Heinz. R.;Kozmik Kod 1 ve 2(1981),Çeviren: Nezihe Bahar, Sarmal Yayınları 1993

14. Petrucci-Harwood, Genel Kimya,Tahsin Uyar Editörlüğündeki çeviri, Palme Yayıncılık 1994

15. Saçlıoğlu,Cihan;Bilim ve Teknik, 325. sayı

16. Penrose, Roger; Uzay ve Zamanın Doğası

17. Penrose, Roger; Büyük,Küçük ve Insan Zihni,Çeviren: Cenk Türkman,Sarmal Yayınları 1998

18.Raymond, A, Serway;Fizik 1, Palme Yayıncılık 1995

19.Tez, Zeki,Kimya Tarihi,V yayınları, Ankara 1986

20.Vasilyev,M.-Stanyukoviç, Madde ve Insan,Çeviren: Ferit Pehlivan, Onur Yayınları 1989
alıntıdır