kuantum fiziği

klagib mekanik çok başarılı olmasına karşın, 1800'lü yılların sonlarına doğru, kara cisim ışıması (blackbody radiation), tayf çizgileri, fotoelelektrik etki gibi bir takım olayları açıklamada yetersiz kalmıştır. açıklamaların yanlışlığı bilim adamlarının yetersizliğinden değil aksine klagib mekaniğin yetersizliğinden kaynaklanıyordu. en yalın halde klagib mekanik evreni bir "süreklilik" olarak modelliyordu. 1900 yılında max planck enerji'nin, 1905 yılında ise albert einstein ışığın paketçiklerden oluştuğunu, yani süreksizlik gösterdiğini, bazı deneyleri açıklamak için bir varsayım olarak kullanmak zorunda kaldılar. elbette bu iki darbe klagib mekaniği yıkmadı. uzunca bir süre bilim adamları bu süreksizliği klagib mekanik kuramlarından türetmek için uğraştı. yine aynı yıllarda atomun iç yapısı üzerine yapılan deneyler korkunç bir gerçeği gözler önüne serdi. ernest rutherford yaptığı deneyle atomun küçük bir çekirdeğe sahip olduğunu gösterdi. bu dönemde elektronun varlığı biliniyordu. bu durumda eğer negatif yüklü elektronlar pozitif çekirdeğin etrafında dairesel hareket yapıyorlarsa, çok kısa bir zaman diliminde elektronlar çekirdeğe düşeceklerdi. bu elektromanyetik teoriye göre açıklanacak olursa, ivmelenen yükler ışıma yapar, dairesel haraket de ivmeli bir hareket olduğu için, elektron bu ışımayla enerji yayacak ve çekirdeğe düşüp sistem çökecekti. geçiçi çözüm niels bohr tarafından geldi. elektronlar belli kuantizasyon kurallarınca, belli yörüngelerde hareket ediyorlar, enerjileri belli bir değere ulaşmadıkça ışıma yapamıyorlar bu sayede sistem dengede durabiliyordu. bu geçici çözüm küçük atomlarda işe yaradıysada daha büyük kütlelerde işe yaramıyordu. bohr atom modeline, modeli deneylere uydurulmak için birçok yama yapıldı. ne var ki bohr'un "yamalı bohça"sı 1920'lere gelindiğinde artık iş görmüyordu, tayf çizgilerinin gözlenen yoğunluğunu yanlış veriyor, çok elektronlu atomlarda salınım ve emilim dalgaboylarını tahmin etmede başarısız oluyor, atomik sistemlerin zamana bağlı hareket denklemini vermedeki başarısızlığı gibi birkaç konuda daha gerçekleri gösteremiyordu. kuantum mekaniğini planck doğurduysa, bebekliğinin sonu da de broglie ile gelmiştir. louis de broglie; birçok elçi, bakan ve dük yetiştirmiş, aristokrat bir fransız ailesinin çocuğuydu. tarih eğitimi gördükten sonra fiziğe geçmiş ve 1923'te verdiği doktora tezinde, ışığın hem dalga hem de parçacık karakteri olmasından esinlenerek, aslında bütün madde çeşitlerinin aynı özelliği gösterebileceğini önerdi. ortaya koyduğu fikir, bohr'un "gizemli" yörüngelerini açıklamada başarılı oluyordu.
işığın girişim, kırınım yaptığı, yani dalga özelliği gösterdiği, thomas young'in yaptığı çift yarık deneyi ile gösterilmişti. ama tüm madde parçacıklarının, su dalgaları ile aynı matematiksel özellikleri göstereceği beklenmiyordu.
max planck 1900 yılında karacisim ışınımı problemini (morötesi facia diye de anılır), çözmek için

denklemini kullanmıştı. bu denklem, foton kavrdıbının başlangıcı oldu; çünkü ν frekansındaki elektron salınımından oluşan ışığın, klagib mekanikle uyuşmayan bir şekilde sadece, h*ν nun tamsayı katlarında enerji taşıyabileceğini göstermişti. h, günümüzde planck sabiti adıyla anılır.
fotonlar dalga özelliği gösterirse madde de gösterebilir analojisinin yanında önemli bir ipucu da einstein'in birkaç yıl önce özel görelilik ispatında kullandığı lorentz dönüşümleri idi.
buna göre, serbest bir parçacık, fazı x, zamanı t olan bir dalga ile ifade edilirse, 2*π*(k*x - ν*t) , ve bu faz lorentz dönüşümlerinde sabit kalacaksa, k vektörü ve nu frekansı, x ve t gibi dönüşmelilerdi. ya da diğer bir deyişle, p ve e gibi. bunun mümkün olabilmesi için, k ve ν, p ve e ile aynı hız bağımlılığına sahip olmalılardı, bu yüzden de onlarla doğru orantılı olmalılardı.
fotonlar icin e=h*ν olduğundan, madde için de
ve
varsayımlarını yapmak 'doğal' gözükmüştür.
herhangi bir kapalı yörüngenin 1/|k| nın tam katı olması varsayımı ile, de broglie, deneysel olarak gözlenen ve sommerfeld ve bohr tarafindan "kuantize olma şartları" olarak anılan şartları matematiksel olarak kolayca türetti. bu türetme gayet gizemli bir şekilde doğru sonuçlar verince (davisson ve germer, 1927 yılında bell laboratuvarlarında gerçekleştirdikleri deneyle, elektronların da aynı ışık gibi girişim yaptığını ortaya koydular. deney 1924'te de brogli tarafından önerilmişti) insanlar deneysel olarak başka şeyleri tahmin etmesini de beklediler.
elbette yanıldılar çünkü bu şartlar serbest ışık parçaları için yola çıkan varsayımların, çekirdeğe bağlı elektronlar için uyarlanmasıydı ve çok ileri zütürülmemesi gerekiyordu.
ama doğru çıkış noktası idi.
enteresan bir şekilde, 1925-1926 yılları arasında werner heisenberg, max born, wolfgang pauli ve pascual jordan, matriks mekanigi ile kuantum mekaniğinin formal tanımını yaptılar. ama formalizmlerinde dalga mekaniğine yer vermediler. benimsedikleri felsefe ise, tamamen pozitivist idi. yani sedece deneysel olarak gözlenebilen değerleri gözönüne alan bir yaklaşım kullandılar.
1926 yılında erwin schrödinger bir dizi denklemle dalga mekaniğini yeniden canlandırdı.
sonunda kendi dalga mekaniğinden heisenberg'in matriks mekaniğini de türetip iki formalizmin matematiksel olarak denk olduğunu da gösterdi. son makalelerinden birinde schrodinger, relativistik bir dalga denklemi de sunar.
dirac'a göre tarih biraz daha farklı işlemiştir. ona göre, schrodiger önce relativistik dalga denklemini geliştirdi, sonra bunu kullanarak hidrojenin spektrumunu hesapladı ve deneylere uymadığını gördü. ancak bu denklemin, düşük hızlarda geçerli olan versiyonu aslında çalışıyordu!
daha sonra relativistik dalga denklemini yayınladığında ise, bu oskar klein ve walter gordon tarafından yayınlanmıştı ve hâlâ klein-gordon denklemi olarak anılır.
bu noktadan sonra dirac; teoriye çeki düzen vermiş, özel görelilikle uyumlu hale getirmiş ve bazı deneylerin sonuçlarını teorik olarak üretmiştir. örneğin pozitron'un varlığının tahmini... 1930'lara gelindiğinde ergenlikten çıkmış bir teori halini almıştır kuantum teorisi. daha sonra 1940'larda sin-itiro tomonaga, julian schwinger ve richard p. feynman, kuantum elektrodinamiği konusunda önemli çalışmalara imza atmış, 1950'li ve 60'lı yıllar kuantum renk dinamiğinin gelişimine tanık olmuşlardır.

Konunun teknik yönü kadar, felsefi yönünün de çok zor ve pek çok tartışmayı tetikleyecek nitelikte olduğu herkezce kabul görmektedir. Bu nedenle konuya ünlü bir kaç fizikçinin kuantum hakkındaki düşünceleriyle, bu işin ne denli çetin bir ceviz olduğunu vurgulamaya çalışarak başlamak istiyorum.

Bristol üniversitesi fizik bölümünden Robert Gilmore'un, Alis Kuantum Diyarında adlı yapıtının önsözüne şu sözlere yer verilmektedir.

"Yirminci yüzyılın ilk yarısında evren anlayışımız tümüyle alt üst oldu. Eski klagib fizik kuramlarının yerini, dünyaya bakış açımızı değiştiren, kuantum mekaniği aldı. Kuantum mekaniği, yalnız eski Newton'cu mekaniğin ortaya attığı düşünceleri değil, sağduyumuzla da pek çok açıdan uyuşmazlık içindedir. Yine de bu kuramların en şaşırtıcı yanı, fiziksel sistemlerin gözlenen davranışını, önceden haber vermedeki olağanüstü başarısıdır. Kuantum mekaniğinin bize saçma geldiği anlar olabilir. Fakat doğanın izlediği yol budur. Biz de buna uymak zorundayız."

Kaliforniya Teknoloji Enstitüsünden Prf. Rıchard Feynman; kuantum mekaniği ile ilgili öğrencilere verdiği bir konferansta, konuya şu espiri ile başlıyor.

"Kuantumu anlamak gerçekten zor. Ancak gerçekte bu zorluk pgibolojik. Kendinize sürekli " ama bu nasıl olabilir " diye sormanızın yarattığı sıkıntıdan kaynaklanır. Sorduğunuz her soru, onu anlaşılmış bir şeyler cinsinden görmek arzusunun dışa vurumudur. Onu alışılmış bir şeye benzeterek açıklayacak değilim. Yalnızca açıklayacağım.

Bir zamanlar gazetelerde " Görecelik " teorisinin sadece oniki kişi tarafından anlaşıldığı yazılmıştı. Hiçbir zaman öyle bir dönem olduğunu sanmıyorum. Onu yalnız tek bir kişinin anladığı bir dönem olabilir, çünkü, daha kaleme almadan önce bu teoriyi fark eden kişiydi o. Ancak onun çalışmalarını okuyan birçok kişi Görecelik teorisini şu veya bu şekilde anladı. Buna karşın, kuantun mekaniğini kimsenin anlamadığını rahatlıkla söyleyebilirim. Bu nedenle, anlatacaklarımı gerçekten anlamanız gerektiğini düşünerek dersi ciddiye almayın; Gevşeyin ve bu işin keyfini çıkarın."

Yine ünlü bir bilim adamı, "Kuantum fiziğini anlayamazsınız, ona sadece alışabilirsiniz" diye bir yorum getirmiştir.

Erdal inönü ise, "Kuantum fiziğini anlamak için güçlü bir empatiye, yani olayları ve düşündüğünüz hipotezin deneyini kafanızda yapabilmelisiniz" demiştir.

Ve son olarak Danimarkalı ünlü fizikçi Niels Bohr; "Kuantum fiziği kafanızı karıştırmadıysa onu tam olarak anlamamışsınız demektir."diyerek, beklide bu konuya son noktayı koymuştur.