Kuantum Fiziğinin Tarihsel Gelişimi

Kuantum teorisinin filizlenmeye başladığı zamanlarda daha atom bile tanımlanmamıştı ve maddeyi meydana getiren birimlerin neye benzediği konusunda kimse net bir fikir sahibi değildi. Kuantum fiziğinin olgunlaşmasına giden yolda, ilk olarak termodinamik üzerine yapılan bazı deneylerin sonuçları, klasik fiziğin sorgulanmaya başlamasına neden olmuştu. Bu deneylerde klasik fiziğin kurallarını aşan bulgular elde edildi.

Isıtılan maddelerin yaydığı ışınların, sistemin sıcaklığına göre farklı frekansta yayıldığı biliniyordu. Buna “kara cisim ışınımı” deniyordu. 19. yüzyılın sonlarından itibaren ortaya çıkan; Balmer’ın ısıtılmış hidrojen gazının kendine has bir ışık tayfı meydana getirdiğini keşfetmesi, metal üzerine foton gönderildiğinde fotonun, enerjisine göre metalden bir miktar eksi yüklü tanecik – ki günümüzde bu eksi yüklü taneciğin elektron olduğunu biliyoruz - kopardığını gösteren “fotoelektrik olay” deneyinin sonuçları, Wien yasası olarak bilinen sonucu veren, termal radyasyonun frekansa göre değişim grafiğini doğuran deneyin sonuçları, klasik fiziğin kabullerine göre oluşturulan Rayleigh–Jeans “yasası”na göre, yani klasik fizik yasalarını referans aldığımızda, yüksek frekanslı ışımalarda “morötesi felaket” denilen korkunç durumun ortaya çıkması gerektiği, yani yayımlanan enerjinin sonsuz olarak artması gerekeceği ve bu durumda mesela bir şöminenin karşısında oturmanın imkansız olacağı çünkü yayımlanan radyasyonun sürekli artıp etrafını cehenneme çevirmesi gerektiğinin anlaşılması, elektronun keşfi gibi gelişmeler kuantum fiziğinin doğup gelişmesine temel oluşturmuştu.

1900’de Max Plank, maddenin enerjiyi “quanta” adını verdiği enerji paketçikleri şeklinde depoladığı ve yayımladığı tezini ortaya attı. Maddenin enerjisi ne kadar artarsa quantalar da o kadar büyüyordu ve bu quantaların serbestleşmesi için ihtiyaç duyulan ısı enerjisi de artıyordu. Bu da morötesi felaketinin neden gerçekleşmediğini açıklıyordu. Bu keşif fizik dünyasının temellerini kökünden sarstı ve fizikçiler, klasik fiziğin temel varsayımlarına kuşkulu yaklaşmaya başladılar.

1905’te Einstein, fotoelektrik olayda ışığın enerjisini quanta şeklindeki enerji paketçikleri ile aktardığını iddia ederek kuantum teorisinin biraz daha kuvvetlenmesini sağladı. Bu arada atom modelleri ortaya konmaya başlanmıştı. 1904’te J.J. Thompson, atomun, elektronların içinde yüzdüğü pozitif yüklü bir havuz gibi olduğu fikrini ortaya attı. Bu model üzümlü keke benzetilir. 1909’da Rutherford, atomun çekirdeği olması gerektiğini iddia ederek elektronların merkezdeki çekirdeğe uzak konumda olduğu bir model ortaya koydu. 1913’te de Niels Bohr, elektronların belli yörüngelerde çekirdeğin etrafında döndüğü görüşünü ortaya attı ve bu model uzun süre fizik camiasında kabul gördü. Bohr ayrıca orbital kavramını da ortaya attı, yani elektronların belli enerji seviyelerine göre farklı elektron kotalarına sahip yörüngelerde hareket ediyor olmalıydı. Bu mantığa göre de isabetli bir periyodik cetvel çıkardı.

1923’teki Compton saçılması deneyinin sonuçları, kuantum mekaniğini destekleyen bir diğer gelişmeydi. Bu deney, ışığın parçacık gibi davranabildiğini ortaya koymuştu. 1924’te De Broglie’nin ortaya attığı “hareket eden her maddeye bir dalga eşlik eder” savı, maddenin yapısına dair bambaşka bir bakış açısı kazandırarak kuantum fiziğine dair kafalardaki soru işaretlerinin büyük bir kısmını temizledi.

1925’te Heisenberg’in enerjiye dair çıkardığı formül, büyük bir kapsayıcılığa sahipti ve bu çalışmayla kuantum dünyasında matematiksel hesapların doğru sonuç verebilmesi için matris denklemlerinin kullanılması gerektiği anlaşılmış oldu. Fakat bu formül, atomun yapısına dair zihinde canlandırılabilir bir model sunmuyordu. Bunun üzerine, bu talebe cevap verebilmek adına Schrödinger maddenin tamamen dalgalardan oluştuğunu savunduğu bir model çıkardı. Fakat maddenin tanecik özelliği gösterdiği deney bulgularını açıklayamadığı için bu savı yetersiz kaldı.

1926’da Max Born ise elektronların tam olarak yerini değil, bulunmaları olası yerlerin tespit edilebileceğini savunarak elektronların bulunma ihtimalleri kuvvetli olan konumları gösteren bir olasılık haritası çıkardı. 1927’de Werner Heisenberg tekrar sahneye çıkarak elektronun aynı anda momentum ve yerinin tespitinin mümkün olmadığı kanıtladı. Niels Bohr da bu çekişmeye son vererek ufuk açıcı bir açı sundu: Madde, tanecik olduğu düşünülerek kurulan sistemlerde tanecik gibi, dalga gibi düşünüldüğü sistemlerde dalga gibi davranır. Yani fiziksel gerçeklik gözlemcinin bilincinden etkilenerek ona göre şekillenir.

1925 ile 1927 arasında özelikle Niels Bohr ve Werner Heisenberg’in fikirleri ilkeleştirilir ve bu fikirler bütünü “Kopenhag yorumu” adıyla anılmaya başlar. 1927 yılına gelindiğinde, bu tarihte yapılan Beşinci Solvey Konferansı sonunda kuantum teorisi, artık fizik camiasında geniş bir kesimin desteğini kazanmıştı.

1928’de bir dönüm noktası daha gerçekleşti. Paul Dirac, kuantum fiziği yasalarını doğrulayan kapsayıcı bir formül oluşturdu ve antimadde kavramını ortaya attı. Nitekim 1932’de elektronun antimaddesi olan pozitronun keşfedilmesiyle bu öngörüsünün isabetli olduğu ortaya çıkmış oldu. John von Neumann, aynı yıl dalga fonksiyonunun çökmesi tezini destekleyen yeni bir formül oluşturarak gözlemcinin varlığının maddenin kaderini belirlediği savını kuvvetlendirdi.

1935’te, olasılık hesaplarını sevmeyen ve kesin matematiksel sonuçlar alınabileceğinde ısrarcı olan Erwin Schrödinger; Max Born ve Heisenberg’in olasılıklar üzerine kurulu savlarını çürütmek için geliştirmiş olsa da ilginç bir şekilde bu fikirleri bilmeden desteklemiş olduğu “Schrödinger’in kedisi” adlı kuramsal yani hayali deneyi ortaya attı. Gözleme imkan vermeyecek, içinde yeterince oksijen de olan kapalı bir kutu içinde bir kedi ve bir düzenek olacaktı. Düzenek, kuantum fiziği kurallarının geçerli olacağı şekilde küçük bir radyoaktif maddeye bağlı olacaktı. Düzenek radyoaktif aktiviteyi ölçen bir cihaz, bir çekiç ve içinde zehirli gaz bulunan bir cam şişeden oluşacaktı. Eğer radyoaktif madde bozunmaya uğrarsa, radyoaktif aktiviteyi algılayan cihaz, çekici harekete geçirecek ve çekiç cam şişeyi parçalayacaktı. Açığa çıkan gaz da kediyi öldürecekti. Normal şartlarda, deney başladıktan bir saat sonra iki farklı durum söz konusuydu: Bozunma gerçekleşirse kedi ölecek bozunma gerçekleşmezse canlı kalacaktı. Ama kuantum fiziğinin olasılıklar üzerine kurulu savlarına göre, deney başladıktan bir saat sonra kedinin hem ölü hem diri olma halini aynı anda taşıması gerekiyordu. Ona göre böyle bir şey mantıksız olurdu ama gözlemci yokken gerçekten de ölü ve diri olma halinin bir arada olup olmadığını kimse söyleyemez. 1960’larda Eugene Wigner, Schrödinger’in kedisi deneyine gönderme yaparak gözlemcinin dahil olmasıyla dalga fonksiyonu çökeceği için kedinin ölü veya diri olma ihtimalinden birinin gerçekleşeceğini iddia ederek Schrödinger’i kendi silahıyla vurmuş oldu. İlerleyen yıllarda da Murray Gell-Mann, Richard Feynman gibi birçok isim sahneye çıkarak kuantum teorisini daha ileriye taşıdılar.

Kuantum fiziği, bize evrene dair daha derinlikli bir bakış açısı kazandırdı ve sicim teorisinin temelini oluşturdu. Fizik dünyasındaki bu gelişmeler, teknolojik gelişmelere de büyük bir hız kazandırdı ve zincirleme olarak ekonomik, sosyal, kültürel özelliklerimizi etkiledi. Zamanında uçuk fikirler olarak görülen tezlerin hakikate daha yakın olduğu anlaşıldı ve hayal ürünü olarak kalacağı sanılan bilimkurgu senaryolar teknoloji dünyasında gerçeğe dönüştü. Kuantum fiziği sayesinde lazer, diyot, LED, transistör, kuantum bilgisayarı, MR, elektron mikroskobu gibi teknolojiler geliştirildi. Sonuç olarak kuantum fiziği bir zihin devrimiydi ve oyunun kurallarını tümüyle değiştirdi.

Mazhar F. GÜR 27.09.2019 (Proje 99)