Kuantum Devrimi #1: Kuantum Öncesi

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

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

Kuantum Öncesi (1800’ler)

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

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

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

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

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

Peki, Newton Mekaniğinin Bu Üç İlkesinin Anlamı Neydi?

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

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

Kısacası “Kâinat, tıkır tıkır işleyen bir saat gibidir ve böyle bir kâinatta Tanrı olsa olsa sadece bir ‘ilk hareket’ vermiş olabilir. Tanrı’nın bu yaratılış sürecinin sonrasında herhangi bir amaç ve vizyonu yoktur.” Bu anlayışın modernite düşüncesi kapsamında din-insan-siyaset ilişkileri bağlamında çeşitli yansımaları olmuştur. Newton gibi kendisini 30 yıl boyunca Tevrat’ın sırlarını çözmeye adamış birisi bu sonuçtan pek hoşnut olmasa gerek. Aslında Newton için her şey oldukça masum bir soruyla başlamıştı:

Ay’ı Yörüngesinde Tutan Şey Nedir?

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

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

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

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

Maxwell Elektro-Manyetik (EM) Teorisi

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

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

EM Dalgalar

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

Radyo, TV, cep telefonları, uydular aracılığıyla haberleşme elektro-manyetik (EM) dalgalar yoluyla olur. Bu dalgaların ses ve su dalgalarından farkı, iletimleri için bildiğimiz anlamda fiziksel bir ortama ihtiyaç duymamalarıdır. EM dalgalar, “boş uzayda” dahi ilerleyebilir.

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

Çift Yarık Deneyi

Çift Yarık Deneyi, dalgalarda girişim etkilerini göstermek için tasarlanmış bir deneydir. Bir dalga kaynağından gelen düz dalgaların önü kesilip sadece çok ufak bir aralıktan ilerlemelerine izin verildiğinde, dalga noktasal bir kaynaktan geliyormuş gibi davranır. Bu dalganın da önü bu kez çift aralıktan geçecek şekilde kesildiğinde, dalga iki eşzamanlı kaynaktan yayılıyormuşçasına ilerlemeye devam eder. Karşıya koyulmuş bir ekrana bakıldığında sırasıyla aydınlık ve karanlık desenler gözükür. Bunun sebebi, iki kaynaktan ilerleyen dalgaların ekran üzerinde kimi noktalarda iki tepe noktasının üst üste gelmesi (yapıcı girişim=aydınlık desen), kimi noktalarda ise tepe ve çukur noktalarının üst üste gelmesi(yıkıcı girişim=karanlık desen)dir.

Bir kaynaktan çıkan şeyin dalga mı yoksa parçacık yapısında mı olduğunu anlamak için bu çift yarık deneyi tatbik edilebilir. Aydınlık-karanlık desenler gözüküyorsa kaynaktan çıkan şey dalga özelliği göstermektedir. İki kaynaktan atılan mermiler (yani parçacıklar) durumunu düşünelim. Böyle bir durumda ekranda sıralı aydınlık-karanlık desenler yerine sadece düz aydınlık bir desen görmemiz gerekirdi…

Sonraki