Bilimkurgu Kulübü Bu Sitede Gelecek Var!
Buraya kadar, kuantum bulguları öncesi fiziğin genel karakteristiğine ve bu fizik anlayışının getirdiği felsefî dünya görüşüne genel bir atıfta bulunduk. Özetlemek gerekirse:
Herhangi bir sistemin çözümlenmesi, onun başlangıç şartlarının belirlenip daha sonra da bu başlangıç şartlarının sistemin matematiksel modelinde girdi olarak alınıp modelin matematiğini çözmekle mümkündü. Gerisi sadece bir hesap meselesiydi. (Peki, gerçekten öyle miydi? Bazı şeyleri temelden yanlış alıyor olabilir miydik?) Kuantum Devrimi, insanlık atom altı dünyanın kapısına dayandığında ilk emarelerini vermeye başlamıştı. Bu noktada, ‘atom’ kavramı üzerinde bir müddet durmalıyız.
Atoma dair ilk fikirlerin kökeninin Eski Yunan olduğu söylenegelir. M.Ö. 500’li yıllarda filozof Demokritos, tüm maddelerin ‘atom’ adı verilen, daha küçük parçalara bölünemeyecek özdeş yapılardan oluştuğunu öne sürdü. (Bu noktada elbette, diğer Medeniyetlerin de maddenin temel yapısı hakkındaki düşüncelerinin araştırılmasında fayda görmekteyim.) Demokritos sonrası yıllarda, bu devrine göre hayli ileri olan düşünce, Aristo’nun 4 ana element fikriyle gölgede kaldı. Çok daha sonra, Galileo ve Newton, önsezileriyle atomların varlığına inandılar fakat atomların varlığına dair ortada bir ‘matematiksel’ ya da gözleme dayalı kanıt yoktu. Ancak 19. yy’da, İngiliz kimyacı Dalton’un gazlar üzerinde yaptığı deneyler sayesinde atomların var olduğu kanıtlandı. Şöyle ki, Dalton’un yaptığı deneylerin sonuçları, ancak her gazın atomlardan oluşması ve değişik gaz atomlarının da farklı kütlelere sahip olabilmesiyle açıklanabiliyordu. Kısa süre sonra, sadece gazların değil, tüm elementlerin atomlardan oluştuğu anlaşıldı.
Bu keşif, beraberinde yeni soru ve sorunları getirdi. Atom, tanımı itibariyle maddenin yapı taşıydı. Peki, atomun kendisinin yapısı nasıl bir şeydi? Atomun kendine ait bir yapısı olması gerekmez miydi? Atom da muhtemelen daha başka parçacıklardan oluşuyordu. Daha önce Faraday, yaptığı deneylerde pozitif yüklü parçacıklar olduğunu göstermişti. Bu parçacıklar neredeydi? 1895 yılında Röntgen’in X Işınlarını keşfi, Modern Fiziğin de başlangıcı kabul ediliyor. X Işınlarının, yüksek enerjili EM dalga olduğu anlaşılıyor. Radyoaktivitenin keşfi de devrimin önemli ayak seslerindendir. Thomson’un, negatif yüklü ‘elektron’u keşfi ile bu parçacığın da atomun yapısı içinde yer alması gerektiği düşünüldü.
Tüm bu keşiflerden gelen bulgular doğrultusunda, atomun nasıl bir şey olabileceğine dair çeşitli ‘atom modelleri’ geliştirildi. Bunlar arasında en çok rağbet görenleri, Thomson’un ‘üzümlü kek modeli’ ile o dönem Güneş Sistemi’nin yapısından etkilenerek oluşturulan ‘gezegensel atom modeli’ idi. Daha sonra Rutherford da deneyleriyle gezegensel atom modeline yakın sonuçlar elde etmiştir. Rutherford’un deney sonuçlarına göre, merkezde kütlenin çok büyük bir kısmı toplanmalıydı ve yörüngedeki elektronların bu merkeze mesafesi atom boyutları ölçeğinde çok büyüktü. Benzetme için, atomu bir futbol sahası büyüklüğünde düşündüğümüzde neredeyse çekirdek dediğimiz yapı sahanın ortasındaki fasülyeler gibiyken elektronlar da tribünler mertebesinde sahanın etrafında dönmekteydi! Bu gezegensel modelin en zayıf noktası, hareket eden bir elektronun radyasyon (yani enerji) yayacağından, hesaplandığında saniyenin milyonda biri bir sürede çekirdeğe düşmesi gerekmekteydi. Fakat böyle bir şey olmuyordu. Neden? Bu sorunun cevabını Bohr verecekti. Ama önce, devrimi başlatan iki önemli olayı anlatmalıyız: Kara cisim ışıması ve foto-elektrik etki.
Devrimin Başlangıcı: Kara Cisim Işıması
1800’lerin sonunda, fizikteki en temel sorunlardan birisi, ısıtılan bir metalin nasıl ve neden ışıma yaptığı idi. Bunu siz de gözlemlemişsinizdir, bir metali sürekli ısıtırsanız önce kızarır, sonra sırasıyla sarı, mavi ve en son mavimsi beyaz bir ışık yaymaya başlar. Esasında sıcaklığı olan her şey ışıma yapar ama biz sadece görünür bölgede olanları görebiliriz. Termal kameraları duymuşsunuzdur, mesela onlar kızıl ötesi bölgedeki ışımaları algılayabilirler. Fark ettiğiniz üzere sıcaklık arttıkça daha yüksek enerjide (yani daha yüksek frekansta, daha düşük dalga boyunda) ışıma gerçekleşir. Soruyu daha kolay çözebilmek için ideal bir soğurucu durumunda ne olacağı düşünüldü, buradaki ‘Kara Cisim’ de ideal, yani sıfır kayıplı soğurucuya ve yayıcıya karşılık gelmektedir.
Temel sorun şuydu; bu ışımaya klasik fiziğin yaklaşımını kullanarak, yani yayılan ışığı bir elektromanyetik dalga olarak düşünüp çözüm getirilmeye çalışıldığında, denklemler çuvallıyordu. Yüksek frekanslara doğru gidildikçe ışımanın enerjisi sonsuz oluyordu ki, bu imkânsızdı; çünkü ısınan bir metalden yayılan enerjinin sonsuz olmadığı açıktı! (Bu duruma, ‘mor ötesi felâket’ adı verilir.) Planck, sorunun cevabını matematikle oynarken buldu. Getirdiği açıklamanın bir devrimi başlattığını henüz bilmiyordu…
Kuanta!
Cevap, devrime de adını veren ‘Kuanta’ idi, yani ‘kesikli dilimler’. Planck, kara cisim ışıması deneylerinden ortaya çıkan grafikleri inceledi, olayda etkili nicelikleri düşündü ve nasıl bir denklemin böyle bir grafik verebileceği üzerinde çalıştı. Ve denklemi de buldu, ama çalışmasının bilimsellik niteliği kazanabilmesi için o denklemi veren mekanizmayı da bulmalıydı. Ondan öncekiler şimdiye dek, ışığın klasik dalga kuramını kullanarak mekanizmayı açıklamaya çalışmışlardı ama sonuç hep mor ötesi felaketle sonuçlanıyordu. Planck soruna devrimsel bir öneriyle yanıt aradı. Işığı, dalga olarak değil de kuantalardan oluşmuş bir parçacık gibi düşünecekti. Her bir ışık parçacığı (foton), bir enerji paketi halinde uzayda ilerliyordu. Her bir paketin enerjisi, bir sabit (h Planck sabiti) çarpı frekanstı. Garip bir yaklaşım olduğu açıktı, zira frekans aslen dalgalara has bir özellikti. Planck’ın çözümü, hem ışığı parçacık olarak modelliyordu, hem de bu parçacık modellemesinde ışığı dalgaymış gibi düşünüp frekansını kullanıyordu.
Ama tuttu! Her şey matematiksel bazda eksiksizdi. Fakat teori deneysel bazda güvenilir değildi. Planck’ın yaklaşımının kabul görebilmesi için deneysel gözlemlerle de desteklenmesi gerekiyordu. Bunu da Einstein yapacaktı…
Foto-Elektrik Etki
Planck’in bu yaklaşımına deneysel destek, üzerine ışık düşürülen bir metalden fırlayan elektronların enerjilerinin ölçülmesi yoluyla, Einstein’dan geldi. Klasik fiziğin ışık dalga kuramına göre, ışığın şiddeti arttıkça, fırlayan elektronların da enerjisi artmalıydı. Fakat metal plakanın üzerine düşen ışığın şiddeti arttırıldığında sadece metalden fırlayan elektronların sayısı artıyordu, ama her bir elektronun enerjisi aynı kalıyordu. Çok garip bir şekilde, şiddeti değil de ancak frekansı arttırdıkça fırlayan elektronların enerjisi artmış oluyordu. Düşük frekanslı ışıkta, şiddet ne kadar artırılırsa artırılsın hiç elektron yayımı olmuyordu, ancak her bir metal için farklı bir değerde olmak üzere, belli bir frekansın üzerinde elektron yayımı başlıyordu.
Bu etki ancak Planck’ın, ışığı her biri hxf (h Planck sabiti çarpı frekans) enerjili paketçikler olarak gören yaklaşımıyla açıklanabiliyordu. Einstein, Nobel ödülünü de bu buluşuyla almıştır.
Işık: Tanecik mi Dalga mı?
Fakat bu yeni devrimsel bulgu, ışığın ‘ne’ olduğuna dair büyük bir açmaz getiriyordu. Çünkü mesela girişim gibi, ancak ışığın dalga kuramıyla açıklanabilen özellikler de bir vakaydı. Bilim insanları artık şaka yollu Pazartesi, Çarşamba ve Cumaları ışığın dalga kuramını; Salı, Perşembe ve Cumartesileri ise parçacık kuramını kullandıklarını söylüyorlardı!
