KUANTUM TEORİSİ VE TEMEL İLKELERİ

ROJ ÇALIŞMA GRUBU

KUANTUM TEORİSİ VE TEMEL İLKELERİ

HAZIRLAYAN ROJ ÇALIŞMA GRUBU

1

ROJ ÇALIŞMA GRUBU

AZADİ MATBAASI: 2005-01-14

2

ROJ ÇALIŞMA GRUBU

İÇİNDEKİLER Bilim ve Özgürlük..........................................................................................5 Kozmostan Kuantuma....................................................................................9 Kozmoloji Evren Büyük Patlama Modern Fizik................................................................................................13 Relativite Atom Teorisi Kuantum Teorisi Zaman Uzay ve Hareket...............................................................................22 Kuantum Fiziğinin Garip Söylemleri...........................................................30 Schrölinger Denklemi De Broglie Dalgamı Belirsizlik İlkesi Spin Kuantum Kuramı..........................................................................................34 Belirsizlik İlkesi...........................................................................................54 Olasılık ve Belirsizlik Kuantum Mekaniği Açısından Doğa............................................................59 Kuantum Fiziğinin Gizemleri.......................................................................69 Paul Dirac Schrödinger’in Kedisi................................................................ 86 İlk Kuantum Fizikçileri................................................................................93 Kuantum Buzu............................................................................................108 Kuantum Teorisi Ve Temel İlkeler............................................................110 Kuantum Teorisinin Felsefesi....................................................................112 Kuantum Ve Bilim.....................................................................................115 Kuantum Fiziğinin Temel İlkeleri..............................................................117 Atomları Uyarmanın Birinci Yolu.............................................................121 Atomları Uyarmanın İkinci Yolu...............................................................123 Girişim Ve Kırınım....................................................................................126 Fotoelektrik Olayı.......................................................................................130 Dalga Gibi Davranan Elektronlar...............................................................132 Kuantum Fiziğine Giriş Ve Uzay...............................................................135 Kuyruklu Yıldızlar.....................................................................................138 Nötron Yıldızları........................................................................................140 Astronomi Tarihi........................................................................................142 Sosyal Yaşamda Kuantum; Kuantum Düşünce Tekniği Nedir..................150 Kuantum Fiziğinin Öyküsü........................................................................152 3

ROJ ÇALIŞMA GRUBU

SUNU

Yeni bir düşünüş tarzının kapılarını açan ve insanlığın yaşamına her geçen gün daha derinlemesine nüfuz eden Kuantum Teorisi, bunu felsefe, toplum bilim ve siyasete aktaran Başkan Apo şahsında Kürtlerin gündemine de girmiştir ve Kürtlerin Kuantumla tanışmaları tüm halklardan daha ilginçtir. Karşılaştırıldığında bilimsel gelişmeleri izleme boyutuyla tüm halklardan daha geri bir seyir izlediğini söyleyebileceğimiz halkımızın, bilimsel ilerlemenin zirvesini temsil eden Kuantumla ilişkisi ilginç bir hal almaktadır. Hemen hemen hiçbir önhazırlığa ve tanışıklığa sahip olmadığımız bir konu olarak Kuantum, buna rağmen gündelik yaşamımıza, eğitimlerimize, tartışma ve yazılarımıza yerleşmiştir. Bunun bilimsel temellerini oturtmak, doğru izahlara, doğru tanımlara ulaştırmak için bir çok yol ve yöntem elbetteki denenecektir. Kürt halkı gelecek perspektifine yön veren, mücadele stratejisini belirleyen Kuantumla ilişkisini her ne kadar önderliği üzerinden kurmuşsa da onun perspektifleriyle daha direkt daha içselleşmiş bir kavrayış düzeyini yakalayacaktır. Biz de bu sürece böylesi bir çabayla katılmak istedik. Çeşitli bilim çevreleri ve kişilerinin Kuantuma ilişkin değerlendirme ve yorumlarından yine bilimsel deney ve gözlemler sonucu ulaştıkları bulgu ve tanımlamalardan oluşan bu çalışmanın belli bir ihtiyaca yanıt olacağını düşünüyoruz. Saygılarımızla ROJ ÇALIŞMA GRUBU 2005 Ocak 05

4

ROJ ÇALIŞMA GRUBU

BİLİM VE ÖZGÜRLÜK R.MİTCHEL Bir önceki yazımda bilimin günümüzde dinin yerini aldığını ve egemen güçlerin kararlarını topluma "ahlaki kararlar" olarak dayatmalarının aracı olduğunu yazmıştım. Oysa bilim, bize doğruyu göstermeli, bizim için iyi olanı bulmamıza yardımcı olmalı değil mi? Bu yazıda neden böyle olamıyor ve nasıl böyle olabilir onu tartışmaya çalışacağım. Bilimin tarih boyunca nasıl geliştiğini anlamak için önce paradigma kavramını açmak gerekiyor. Paradigma deyince bir değerler bütününü anlıyoruz. Bu değerler bütünü dar bir alanı kapsayabileceği gibi, toplumsal olarak geçerli tüm değerleri de kapsayabilir. Sözgelimi sanayi toplumu böyle bir paradigmayı ifade ediyor: Bir yanda ekonominin tüm toplumsal sorunlara bakışta belirleyici olması, pazara dayalı üretim ilişkileri, öte yanda merkezi örgütlenme, tüm kararlarda bürokrasinin belirleyici olması v.b. (devlet ya da şirket bürokrasisi). Dar bir alanı kapsayan bir paradigma olarak da fizikte bir dönem hakim olan mekanik anlayışı örnek verebiliriz: Her hareketin bir diğer cismin etkisiyle oluştuğunu varsayan bu paradigma, her şeyin sürekli hareket halinde olduğunu ve aslında hareketin nesnelerin birbirine göre zaman boyutunda göreli olarak yer değiştirmesi olduğu anlayışı ile aşılmıştı. Bilim, sürekli olarak mevcut paradigmaların yeni bir paradigmayla aşılması süreci içinde gelişir. Yeni paradigma, daha önceki paradigmanın çözemediği sorunları çözdüğü sürece işlevini görür. Ancak ortaya çıkan yeni sorunlar yeni bir paradigmaya ihtiyaç yaratır ve bu durumda eski paradigma ayak bağı olmaya başlar. Toplumsal gelişmeyi de bu şekilde ele almak mümkün. Günümüzde hakim olan sanayi toplumu, her şeyden önce maddi ihtiyaçların yığınsal üretimle daha kolay karşılanmasını sağladı. Bu daha önceki toplumların çözemediği bir sorundu. Hatta sanayi toplumunun bu konuda yarattığı olanaklar o denli genişti ki, 20. yüzyılda sosyalist sol dahi, bir sanayi toplumu sosyalizmini hedefleyip, Batı'da üretilen her teknolojiyi sorgulamadan olduğu gibi benimseyen bir "sosyalizm" yarattı. Doğal olarak böyle bir sosyalizm, yoksulluğa ve eşitsizliğe çözüm olmakla birlikte, insanları ücretli köleler olmaktan kurtaramadı. Sosyalizmin asıl amacı olan insanın özgürleşmesi unutuldu. Eşitsizlik sorununun çözülmesi ile kendiliğinden özgürlük sağlanamayacağını ortaya koyan bu deneyimler sonuçta başarısızlığa uğradı. Günümüzün kapitalist sanayi toplumuna dönecek olursak, geniş halk yığınlarının sermayenin çıkarları doğrultusunda ikna edilmesi ve uysal tüketiciler ordusu olarak davranmaları için feodal toplumda dinin gördüğü işlevi gören bir otoriteye ihtiyaç var. Oysa günümüzün toplumu laik ve akılcı bir toplum olma iddiasında. Bu koşullarda sanayi toplumu 5

ROJ ÇALIŞMA GRUBU

paradigmasına hapsolmuş bilimler geçmişte dinin gördüğü işlevi görüyor. Friedman’ın liberal ekonomik kalkınma teorileri toplumsal sorunlara tek bilimsel çözüm olarak sunuluyor. Genetiği değiştirilmiş yiyecekler artan dünya nüfusunun doyurulması için tek çözüm olarak dayatılıyor. Bunların karşısında geleceğin paradigması ve bu paradigmaya dayalı seçenekler de ortaya çıkıyor: Yatay örgütlenmeler, hiyerarşik değil tüm bileşenlerin eşit olarak katıldığı ağ tipi yapılanmalar, bu yapılara uygun güneş enerjisi ya da organik tarım teknolojileri gibi. Ancak gelecek özgür toplumun kimi temel niteliklerini nüve olarak oluşturan bu değerler, mevcut paradigma içinde eritilmeye ya da uygulama alanları kısıtlanmaya çalışılıyor. Binbir türlü mekanizma ile sermayeye bağımlı olan üniversiteler ve diğer bilimsel kuruluşlar da ister istemez bu amaçlara hizmet ediyor. Sonuç olarak, halkın çıkarlarına hizmet edebilmesi için bilimin özgürleşmesi gerekiyor. Bu da bilimin ekonomik çıkarlardan etkilenmeyerek kendi paradigmalarını yenilemesi ile mümkün. Egemen güçler, izledikleri politikaların seçeneksiz olduğunu kanıtlamak için bilimi kullandıkları sürece de bu özgürleşme olanaklı değil. Ancak, sanayi toplumunu her yönden aşmak durumunda olan özgür toplum, yalnız insanı değil bilimi de özgürleştirecektir. ÖZGÜRLÜK MÜ? OTORİTE Mİ? Günlük yaşamımızda bir çok sorunla karşı karşıya kalıyoruz. Bu sorunların önemli bir bölümü içinde yaşadığımız toplumun genel sorunlarının bir parçası ya da bize yansıması. Sözgelimi işsizlik sorunuyla karşılaşıyorsak, bu bizim kişisel olarak yaptığımız hatalardan çok hükümetin izlediği politikaların ya da küresel olarak gelişen ekonomik süreçlerin bir sonuçu. Çalıştığımız işyerinde bir sorun yaşıyorsak bu sorun genellikle işyerlerinde yerleşmiş kültürün bizim insani ihtiyaçlarımıza karşılık vermemesinden kaynaklanmaktadır. İnsanlar daha ilk uygarlıklar oluştuğu günden bu yana toplumsal sorunların daha kolay çözüleceği bir toplumun nasıl olması, nasıl örgütlenmesi gerektiği üzerine kafa yordular. Antik Yunanistan'da düşünürlerin kafa yordüğü en karmaşık sorunu belki de bu oluşturuyordu. Başlangıçtan bu yana "nasıl bir toplum" sorununa kafa yoran düşünürlerin kafasında iki düşünüş tarzı her zaman çatışma içinde oldu. Bunlardan biri insanın giderek özgürleşmesi düşüncesi diğeri ise tersine insanın sürekli denetim altına alınması düşüncesiydi. Kimi düşünürler bunlardan birini kendilerine temel alırken kimileri de bu iki düşünce arasında bir uzlaşma noktası bulmaya çalıştılar. Özgürleşmeyi esas alanlardan kimileri insanın doğuştan iyi olduğunu varsayarken, kimileri ise insanın doğuştan olumlu potansiyeller taşıdığını ve bunların açığa 6

ROJ ÇALIŞMA GRUBU

çıkmasının koşulları üzerine kafa yordular. Bunun karşısında yer alanlar ise insanın doğuştan ya da yaratılıştan kötü olduğunu, ancak bu kötü eğilimler kontrol altına alınırsa iyi yönlerin ortaya çıkabileceğini savundular. Bunlar baskıcı politik sistemlerden ve güçlü devletten yana oldular. Çünkü insanları denetleyen güçlü mekanizmalar, yasalar, onları uygulayan kolluk güçleri olmazsa "içindeki şeytana" kapılacak insanların toplumu kaosa sürükleyeceğini düşündüler. Genel olarak otoriter bakış açısı olarak niteleyebileceğimiz, insanın baştan kötü eğilimlerle doğduğunu varsayan yaklaşımın tarih boyunca toplumlara hakim olduğunu ve günümüzde de egemen kültürleri belirlediğini saptamak durumundayız. Sözgelimi çocuğun "terbiye edilmesi" hep vurgulanır, olumlu potansiyellerinin açığa çıkarılması ise ikinci planda kalan bir iş gibidir. Hatta çoğu zaman ihmal edilir, çünkü bu potansiyeller para kazanmaya her zaman uygun değildir. Yalnızca para kazanmaya yönelik beceriler geliştirilmeye çalışılır. Bu konuda sağlıklı bir bakış açısı geliştirmek için doğaya bakabiliriz. Bir çam ağacının kozalağı ya da genel olarak bir bitkini tohumu her zaman kendisini yeniden en iyi özellikleri ile üretecek potansiyele sahiptir. Ancak bu potansiyelin gerçekleşmesi için gerekli koşullar vardır. En başta uygun bir toprak, ardından su ve tohum yeşerdikten sonra yeterli güneş v.s. Bu koşulların sağlanamadığı koşullarda tohum ya çürüyecek ya da sağlıksız veya cılız bir sekilde gelişecektir. Burada tohumun taşıdığı kötü “potansiyel”den söz edebiliriz. Tohum yok olma, sağlıksız büyüme ve hatta bulaşıcı bir hastalığa yakalanma “potansiyel”ine de sahiptir. Ancak esas olan ve normal koşullarda gerçekleşen o bitkinin tüm olumlu özellikleri ile kendini yenilemesidir. Tersini düşünmek doğadaki evrimsel gelişmeyi inkar etmek anlamına gelir. Olumsuzlukların bir başka güç tarafından bastırılması gerekmiş olsaydı, giderek daha karmaşık canlıların oluşumuna olanak sağlayan doğal evrim insanı ortaya çıkaramazdı. İnsan için ise bitkinin yetiştiği toprak toplumdur. Daha küçük yaştan itibaren temel gereksinimleri karşılanmayan bir insan sağlıklı bir şekilde gelişemeyecek ve gerçek potansiyelleri ortaya çıkmayacaktır. Sağlıklı beslenmeyen veya çevresinden sevgi ve saygı görmeyen ya da yeteneklerini geliştirmek yönünde teşvik edildiği değil, sürekli davranışlarının kontrol altına alındığı bir ortamda büyüyen çocuk baştan sağlıksız yetişiyor demektir. Çocukluğunda sağlıklı yetişse dahi kendi potansiyellerini gerçekleştirme olanağı bulamayan bir insan çürümeye başlayacaktır ve kötü “potansiyel” açığa çıkacaktır. Sonuç olarak; insanlığı daha ileriye götürecek bir toplumu amaçlıyorsak, insanı baştan kötü varsayarak kontrol altına almak yerine onun olumlu potansiyellerini açığa çıkaracak özgürlüğe vurgu yapmak ve 7

ROJ ÇALIŞMA GRUBU

özgürlükçü bir toplumu hedeflemek durumundayız. Böyle bir toplumda insanlar yaratıcılıklarını çok farklı alanlarda ortaya koyabilecek ve yaratılan zenginlikler birbirini kontrol altına alma kaygısı olmadan paylaşılabilecektir. Not: Her ne kadar bu yazıda çok geçen iyi ve kötüyü nasıl ayırt edeceğimiz açık değilse de bu ileride başka bir yazının konusu olacak. Nihayet köşeme bir ad buldum: "Küçük Adımlar". Çünkü bir değişim kültürü yaratmanın bugünden atılacak küçük adımlara bağlı olduğunu düşünüyorum.

8

ROJ ÇALIŞMA GRUBU

KOZMOSTAN KUANTUMA Kozmoloji Kozmoloji evreni, başlangıcını, yapısını ve evrimini matematiksel ve fiziksel olarak inceler. Evrenin içinde yer alan gökcisimleri, galaksiler, yıldızlar, karadelikler, gezegenler, uydular, bunların hareketlerinin, oluşumlarının, evrimlerinin, ölümlerinin, birbirleriyle olan ilişkilerinin deneysel ve kuramsal olarak incelenmesi bu bilim dalı içine girer. Astronomi ve astrofizik kozmolojinin yanında yer alır.

Evren Evreni düşünen ilk insanlar Sümerlerdi. Onları Mısırlılar, Çinliler ve eski Yunanlılar takip etti. Yunanlılar yaratılışın temelinde toprak, hava, ateş ve suyun bulunduğuna inanıyorlardı. Dünya'nın, evrenin merkezinde yer aldığı sanılıyordu. Evrenin ilk bilimsel incelenmesi Ptolemaios tarafından yapıldı. Ptolemaios ilk yıldızlar haritasını yaptı. Güneş ve yıldızların Dünya'nın etrafında döndüğünü söyledi. Bu inanış 16. yüzyıla kadar devam etti. Polonyalı bilgin Nikolaos Kopernikus 1543 yılında yayımladığı kitabında, Dünya ve diğer gezegenlerin Güneş'in etrafında döndüklerini belirterek modern astronomiyi kurdu ve kendinden önce 1300 yıl boyunca inanılan Dünya merkezli inanışı yıktı. Kopernikus gezegenlerin Güneş etrafındaki hareketlerinde tam bir daire çizdiklerini de belirtti. 1582'de Danimarkalı Tycho Brahe ilk gözlemleri yaparak gezegenlerin pozisyonlarının hassas ölçümlerini buldu ve bir yılın uzunluğunu bir saniyelik hassasiyetle hesapladı. Asistanı Alman Johannes Kepler, Brahe'nin hesaplarını kullanarak gezegenlerin çizdikleri yörüngelerin birer elips şeklinde olduğunu keşfetti. 1608 yılında teleskop bulundu. Teleskopla ilk bilimsel gözlemleri İtalyan Galileo yaptı. Galileo, Jüpiter'in etrafında dönen uyduları ve Samanyolu içindeki sayısız yıldızların varlığını gördü. Daha sonra Newton bugünün modern teleskoplarının dayandığı eğri yüzü olan aynalı teleskopu imal etti. 1781'de William Herschel 124 cm'lik aynalı teleskopla Uranüs ve kuyrukluyıldızları keşfetti. Kopernikus'u takip eden 400 yıl içinde astronomide büyük gelişmeler oldu. Fakat esas gelişme, Einstein'ın genel relativite teorisi, kuantum mekaniği, Doppler etkisinin bulunmasından sonra meydana geldi. 20. yüzyılın başlarında modern kozmolojinin temelleri atılmış oldu. 9

ROJ ÇALIŞMA GRUBU

Modern kozmoloji astronomiyi, matematik, relativite, parçacık fiziğini de geliştirdi. Doppler etkisi ile galaksilerin bir- birlerinden büyük hızlarla uzaklaştıkları bulundu. Parçacık fiziği evrenin milyarlarca yıl önce tek bir noktadan başlamış olabileceği fikrini doğurdu. Radyo astronomi bulundu, uzay teleskopları imal edildi ve evrene ait birçok sır çok kısa bir süre içinde çözülmüş oldu. İnsanoğlu artık içinde yaşadığı evreni anlamıştı. Evrenin bugün bilinen genişliği 1024 kilometre, yani trilyon kere trilyon km kadardır. Bir küre şeklinde olan ve her an müthiş bir hızla genişlemeye devam eden evrenin içinde yaklaşık 100 milyar galaksi bulunmaktadır. Galaksiler içlerinde gaz ve toz bulutlarından oluşan nebulaları, yıldızları, gezegenleri ihtiva eder. Bazı galaksilerde onlarca milyon yıldızın bulunmasına karşın bazılarında yüzlerce milyar yıldız vardır. Birbirine yakın olan galaksiler grupları, onlar da dev galaksi gruplarını oluşturur. Şu ana kadar 3000 adet galaksi grubunun kataloğu yapılmıştır. Galaksilerin içlerinde birçok olay geçmektedir. Her an yeni yıldızlar şekillenmekte ve birçok yıldız da ölmektedir. Galaksiler spiral, eliptik, dağınık gibi birçok çeşitli şekillerde olurlar. Radyo astronomi ile bugün 1021 km uzaklıktaki galaksiler tanımlanabilmektedir. Galaksilerin bize olan uzaklıkları Cepheid denilen değişken yıldızlar kanalı ile hesaplanır. Cepheid'lerin parlaklıklarındaki değişiklikler 1-50 gün arasında hassas olarak meydana gelir. 1784'ten beri bilinen bu değişken yıldızların hassas periyotları ve gerçek parlaklıkları arasındaki oran evrensel uzaklıkları hesaplamakta referans olarak kullanılmaktadır. İçinde yer aldığımız galaksiye Samanyolu ismi verilir. Galaksimiz 200 milyar adet yıldızı ihtiva etmektedir. Bunların çoğunun gezegenlere sahip olduğu tahmin edilmektedir. 100.000 ışık yılı genişliğindeki Samanyolu etrafında spiral kolları olan bir disk şeklindedir. Yıldızların çoğu 30.000 ışık yılı genişliğindeki orta merkez bölgesindedir. Eteklerde ise yıldızlar seyrek olarak dağılmış olup, genellikle gaz ve toz bulutları vardır. Bu toz ve gaz bulutlarından meydana gelen genç yıldızlar da genellikle eteklerde yer alır. Merkezde ise yaşlı ve kızıl yıldızlar mevcuttur. Etrafında dönmekte olduğumuz Güneş galaksinin merkezinden 28.000 ışık yılı uzaklıkta spiral kollardan birinin ortalarında yer almaktadır. Birçok kozmik olayın olduğu yoğun merkezden uzak ve sakin bir yerde bulunduğumuz için şanslı sayılırız. Evrendeki her cisim hareket halindedir. Galaksiler birbirlerinden uzaklaştıkları gibi kendi eksenleri etrafında da dönerler. Samanyolu'nun Güneş'in yer aldığı bölge merkezin etrafında saniyede 230 km hızla dönmekte olup bir tam dönüşünü 220 milyon yılda tamamlar. Merkezden 60.000 ışık yılı uzaklıktaki bölgenin dönüş hızı ise yaklaşık saniyede 300 10

ROJ ÇALIŞMA GRUBU

kilometredir. Galaksimizin merkezinden şiddetli şekilde X-ışınları gelmektedir. Bu ışınlardan orada yıldız çarpışmalarının, süpernova patlamalarının olduğu ve ayrıca merkezde büyük bir kara deliğin yer aldığı anlaşılmaktadır. Samanyolu, içinde yirmiden fazla galaksinin yer aldığı bir galaksi grubundadır. Buna yerli grup denir. Grubun boyu 3 milyon ışık yılı kadardır. En yakın komşularımız, 31.000 ışık yılı genişliğinde ve bizden 150.000 ışık yılı uzaklıktaki Büyük Magellan ve 24.000 ışık yılı çapında ve bize 173.000 ışık yılı mesafedeki Küçük Magellan Bulutları'dır. Bunlar güney yarımküreden çıplak gözle görülebilirler. Her iki bulut, Samanyolu'nun gravitasyon kuvveti ile birbirinden ayrılmış fakat birbirine oldukça yakın konumda bulunmaktadır. Büyük bulutun içinde 200 ışık yılı genişliğinde Tarantula Nebulası adı verilen ve 100 adet çok parlak yıldız tarafından aydınlatılan geniş ve parlak bir bölge vardır. Daha uzaklardaki, yerli grubun en büyük üyesi ve bir spiral galaksi olan Andromeda bizden 2.3 milyon ışık yılı uzaklıkta olup içinde bir trilyon yıldızı barındırır. Çapı 130.000 ışık yılı kadardır. Yerli grubun içinde ayrıca ikili ve üçlü sistemler halinde diğer galaksiler bulunmaktadır. Grubumuzun dışında çok büyük diğer gruplar da mevcuttur. 50 milyon ışık yılı uzaklıktaki Virgo galaksiler grubu en büyüklerindendir

Büyük Patlama İnanılması zor da olsa, 15 milyar yıl önce içinde sonsuz yoğunlukta ve sonsuz sıcaklıkta maddenin sıkışmış olduğu ‘iğne ucu' büyüklüğündeki bir nokta birden patladı ve bu müthiş patlamanın şiddetiyle etrafa yayılan madde bugün içinde yaşadığımız evreni meydana getirdi. Bütün veriler bunu göstermektedir. Evrenin oluşumuna ait bugünün tek ve en ciddi teorisi Big Bang adı verilen Büyük Patlama'dır. 1842'de Avusturyalı Christian Doppler yaklaşan ve uzaklaşan ses dalgalarının duran bir gözlemciye göre konumlarını keşfetti. Buna göre, gözlemciye yaklaşan ses dalgaları daha sık aralıklarda ve kısa dalga boylarında geliyor, ses kaynağı uzaklaştıkça dalgaların boyları uzuyordu. Daha sonra bu durum ışık dalgalarına tatbik edildi ve aynı şey bulundu. Uzaklaşan ışık kaynağından çıkan ışınların çıkardığı çizgilerin spektrumun kırmızı tarafına kaydığı görüldü. 1868'de William Huggins bu tekniği kullanarak Sirrus yıldızının Dünya'dan uzaklaştığını ve uzaklaşma hızını hesap etti. 1929'da Edwin Hubble aynı metodu kullanarak bütün galaksilerin birbirlerinden büyük hızlarla uzaklaştıklarını gösterdi. Uzaklardaki galaksilerin uzaklaşma hızları 11

ROJ ÇALIŞMA GRUBU

ise daha büyüktü. Yani evren durmadan genişliyordu. Bir zamanlar ise bir nokta halindeydi. Bu keşif, Büyük Patlama teorisinin başlangıcı oldu. Teoriye göre, sonsuz yoğunluk ve sıcaklıktaki bir nokta halindeki madde birdenbire patladı ve düşünülemeyecek miktarda bir enerji serbest kaldı. Patlama ile birlikte ‘zaman' akmaya başladı. Galaksiler, yıldızlar oluştu. Büyük Patlamadan önce bir uzay yoktu. Uzay, Büyük Patlama ile meydana geldi. Hesaplamalar patlamanın 15 milyar yıl önce olmuş olduğunu göstermektedir. Şişmekte olan bir balonun üzerinde bulunan noktaların, balon şişerek genişledikçe, birbirlerinden uzaklaşmaları gibi, evren de hâlâ şişmeye devam etmekte ve içindeki bütün madde, galaksiler, yıldızlar, birbirlerinden durmadan uzaklaşmaktadır. Evrenin merkezinde hiçbir şey yoktur ve hiçbir şey de evrenin merkezi değildir. Merkezde sadece bir zamanlar bir nokta halinde olan sonsuz yoğun madde bulunmaktaydı. 1956'da George Gamow, eğer böyle bir patlama olduysa ondan arta kalan bir ısının evrende bugün bile bulunması gerektiğini matematiksel olarak ifade etti. Isı 1964 yılında bulundu. Bulunan 2.74 K sıcaklığındaki ısı, 15 milyar yıl önce olmuş patlamadan bugüne kadar gelebilmiş bir kırıntıydı. 2.74 K'lık, arka alan radyasyonu denilen bu ısı kırıntısının bulunması, galaksilerin birbirlerinden uzaklaşmakta olmalarının keşfi, hidrojen atomunun bugünkü değerinin geriye gidilerek patlama anındaki değeri ile karşılaştırıldığında bulunan uyumluluk, fotonun proton ve nötronlara oranı, patlamadan hemen sonra şekillenen proton ve nötronun oranları arasındaki uyum, Büyük Patlama'yı destekleyen en önemli delillerdir. Büyük Patlama modeli birtakım soruları da birlikte getirdi. 2.74 K'lık arka alan radyasyonu neden her taraftan aynı şiddette ve üniform şekilde alınmakta, galaksiler nasıl şekillendi, evrendeki madde miktarı nedir, evren genişlemeye ne süre devam edecek ve bir gün genişleme son bulup evren kendi içine çökmeye başlayacak mı, vs? Bütün bunlara çeşitli cevaplar verildi. Büyük Patlama üzerinde yapılan muhtelif düzeltmelerin en önemlisi 1980'de Alan Guth'dan geldi. Guth, enflasyon modelini ileri sürdü. Bu modele göre Büyük Patlama'dan hemen sonraki genişleme üniform bir şekilde olmadı. Patlamanın hemen sonrasındaki çok kısa bir süre içinde doğal kuvvetlerin operasyonu değişti ve gravitasyonun etkisi tersine döndü. Gravitasyon kuvveti çekici yerine itici hale geldi. Gravitasyon kuvveti, cisimler arasındaki, cisimlerin kütlelerinin büyüklüğü ile doğru orantılı, aralarındaki uzaklığın karesi ile ters orantılı olan bir kuvvettir. Temel maddenin sonsuz yoğunlukta olması itici gravitasyonun düşünülemeyecek büyüklükte bir ikinci patlamayı meydana getirmesine neden oldu. Bu esnada oluşan evren 12

ROJ ÇALIŞMA GRUBU

çok küçük ve sıcaklığı ise çok büyük olduğundan derhal ısısal eşdeğerine ulaştı. Bu da arka alan radyasyonunun üniformluğunu sağladı. İlk saniyenin çok ufak bir kesrinde evren 1030 kat büyümüştü. Doğa yasaları ortaya çıkmıştı. Sonra çabuk soğuma oldu ve parçacıklar şekillenmeye başladı. İlk saniyenin bir milyonuncu anında kuarklar, proton ve nötronları oluşturmaya başladılar. Bu sırada, proton ve nötronların sıcaklığı onları bir arada tutacak bağlanma enerjisinin çok üzerinde olduğundan atom şekillenemiyordu. Birinci saniyenin sonunda sıcaklık 10 milyar K'ye inince hidrojen ve helyum gibi en hafif çekirdekler gözüktü. Bu çekirdekler ancak 100.000 yıl sonra etraftaki elektronları tutarak bir atomu meydana getirebildiler. Sıcaklık 10.000 K'ye düşmüştü. Atomun yapısı kurulunca normal gravitasyon tekrar işlemeye başladı. Gravitasyonun işlemesiyle galaksileri oluşturacak madde şekillenmeye başladı. Enflasyon modeline göre patlamadan çıkan arka alan radyasyonunun günümüze kadar ulaşmış olması ve uzayın her yönünden aynı sıcaklık ve şiddette alınması uyumlu bulunmaktadır. 1990 yılında COBE yapay uydusundan alınan veriler enflasyon modelini teyit etmektedir. COBE'nin verdiği bilgilere göre, Büyük Patlama'dan 10-43 saniye sonra enerjide bir değişiklik oldu ve ani bir genişleme meydana geldi. Bu ikinci genişlemeden 300.000 yıl sonra galaksilerin malzemesini oluşturacak bir üçüncü genişleme daha meydana geldi. Ve evrenimiz bugün 15 milyar yıl sonraki genişliğine ulaştı

MODERN FİZİK Relativite Relativiteye dilimizde izafiyet veya görecelilik de denmektedir. Relativite kuramları, öğrencilik yılları oldukça zor geçen, İsviçre'deki patent bürosundaki memurluğu sırasında teorik fizik konusunda okuduğu makalelerle kendisini yetiştiren Albert Einstein tarafından ortaya atıldı. Ondan beş yıl önce Max Planck tarafından başlatılan kuantum teorisinin de gelişmesine neden olan Einstein'ın teorilerine bilim adamları uzun süre şüphe ile baktılar. Çünkü teorileri Newton tarafından 1666'da kurulmuş olan klasik fiziği yıkıyor ve evren boyutunda geçerli olan yepyeni, modern fizik bilimini getiriyordu. Einstein'ın relativite teorileri iki bölümde incelenir. 1905 yılında yayımladığı özel relativite ve 1916 yılında yayımladığı genel relativite teorisidir. İlk teorisi yayımlanmasından sekiz yıl sonra kabul gören Einstein bu buluşu ile bilimde yeni bir çığır açtı ve modern fiziğin başlamasına 13

ROJ ÇALIŞMA GRUBU

neden oldu. Einstein, teorilerine o zamana kadar hiç kimsenin aklına gelmeyen, ışığı ve zamanı soktu ve kendisinden önceki bilimsel inanışları tamamen değiştirdi. 1800'lerin ortalarında ışığın bir elektromanyetik dalga hareketi olduğu anlaşılınca, onun ancak bir ortam içinde yol alabileceğine inanıldı. Bu ortama eter adı verildi. Bütün evrenin eter denilen madde ile kaplı olduğu sanılıyordu. Zira ses hava, katı veya sıvı gibi bir ortam içinde gittiğine göre ışığın da yol alabilmesi için bir ortamın bulunması gerekliydi. 1880'lerde herkesi sürpriz içinde bırakan bir deney yapıldı. Dünya, Güneş'in etrafındaki yörüngesinde uzayda bir eter içinde yol aldığına göre, yeryüzündeki bir kaynaktan Dünya'nın gidiş yönünde çıkan bir ışık demetinin ilerideki bir noktaya gidip yansıdıktan sonra kaynağa geri dönmesi için geçen sürenin, Dünya'nın gidiş yönünün yan tarafındaki aynı eşit uzaklığa gidip geri dönmesi için geçecek süreden daha az olması gerekirdi. Deney sonucu, ışığın her iki yönde gidiş ve geri dönüş süreleri eşit çıktı. Albert Michelson ve Edward Morley tarafından yapılan bu deneye ilk tepki George F. Fitzgerald‘dan geldi. Fitzgerald, maddenin hareket yönünde büzüleceğini ileri sürdü. Daha sonra Hendrick A. Lorentz hareket yönünde kütlenin artacağını belirtti. Michelson-Morley deneyi ve Fitzgerald ve Lorenz'in çalışmalarında uzayda bir eterin izine rastlanmadı. Işığın içinde yol alabileceğine inanılan eterin bulunamaması bilim adamlarının kafasını karıştırdı. Ta ki Einstein'ın 1905'te yayımladığı özel relativite teorisine kadar.

Özel Relativite Teorisi 1905'te yayımlanan özel relativite teorisi, birbirlerine göre hızlanma ve yavaşlama olmaksızın yani ivmesiz, sabit hızlarda hareket eden cisimleri inceler. Özel relativitenin birinci sonucu uzayda eterin mevcut olmadığını açıklar. Evrendeki bütün cisimler hareket halindedir ve hiçbiri sabit ve durağan değildir. Eğer bir eter bulunmuş olsaydı bunlar sabit hızlara sahip olacaklardı. Evrendeki cisimlerin hareketlerinde referans olarak alınabilecek bir sabit cisim bulunmamaktadır. Uzayda bütün yıldızlardan uzak, boşlukta bir gemi içinde yol alan bir insan hareket edip etmediğini asla anlayamaz. Çünkü civarında referans alabileceği bir gökcismi yoktur. Hareket ettiğini ancak görebileceği başka bir cisme göre söyleyebilir. Bir cismin hareketi sadece başka bir cisme göre tarif edilebilir ve ancak bu durumda hareket mutlaktır. Gerçekte evrendeki bütün hareketler relatif yani izafidir. Yeryüzü üzerinde yol alan bir cisim, hareketini ve hızını ancak üzerinde bulunduğu Dünya'ya göre tarif edebilir. 14

ROJ ÇALIŞMA GRUBU

Aynı cisim uzay boşluğunda ise hareket ettiğini bilemez. Dolayısıyla, evrende eter denilen bir madde yoktur ve olsaydı bile Dünya'dan tespit edilemezdi. Özel relativitenin ikinci konusu ışık hızıdır. Buna göre ışık hızı sabittir, asla değişmez. Işık, ışığın çıktığı yönde veya tersi yönde çok büyük hızla giden hangi cisimden çıkarsa çıksın daima aynı hızda yol alır. Işık hızına ne bir hız ilave edilir ne de ondan başka bir hız çıkartılır. Boşlukta ışık hızı son hızdır ve bu evrendeki en büyük hızdır. Hiçbir şey ışık hızından daha hızlı gidemez. Bu durum doğada sadece ışığa ait olan bir özelliktir. Bir cismin hızı arttıkça boyu kısalır. Işık hızına ulaşınca cismin boyu sıfır olur ve cisim ortadan kaybolur. Cismin hızı arttıkça o cismin kütlesi artar ve ışık hızına ulaşınca cismin kütlesi sonsuz olur. Yani ışık hızında cisimlerin boyu sıfır, kütleleri sonsuz olur. Dolayısıyla bunlar olamayacağından ışık hızına asla ulaşılamaz. Bir cismi ışık hızına ulaştırmak için ona sonsuz miktarda enerji vermek gerekir ki bu da imkânsızdır. Bir cismin hızı yükseldikçe kütlesi artar. Kütle artınca onun enerjisi de artar. Çünkü eşit hızlarda, ağır bir cismin enerjisi hafif cisimden daha fazladır. Hız yükseldikçe kütle artacağından, kütleye gelen ilave kütleye ait enerji, kütle ile birlikte fazlalaşır ve ışık hızına ulaşıldığında cisimdeki kütle ve enerji eşit olur. Bu durum E=mc2 (Enerji = kütle x ışık hızının karesi) formülü ile ifade edilir. Hız arttıkça geçen zaman yavaşlar. Işık hızına ulaşıldığında zaman tamamen durur. Hareket eden iki uzay gemisinin içindeki insanların saatleri birbirine göre yavaşlamış görünür. Bunun nedeni, gemiler arasında yol alan ışık dalgalarının bir gemiden diğerine ulaşması için geçen zamanın aralığıdır. Işık hızına yakın hızlarda uzaktaki bir yıldıza yolculuk eden bir insan için gidiş ve dönüş süresi çok kısa olmasına karşılık, onu Dünya'dan uğurlayan insanlara bu süre çok uzun görülecektir. Buna zamanın genleşmesi adı verilir. Işık hızının %80'i bir hızda 4 ışık yılı uzaklıktaki bir yıldıza yolculuk yapan bir insan için gidiş ve dönüş süresi 6 yıl olur. Onun Dünya'da bıraktığı ikiz kardeşi için ise bu süre 10 yıl olarak hesap edilir. Seyahat eden kardeş dönüşünde ikizinden 4 yıl daha genç olur. Dolayısıyla, hızlı hareket eden insanlar daha uzun süre yaşarlar. Ve ışık hızına ulaşabilenler ise hiç ölmezler. Fakat bu durum daha önce belirtilen nedenlerden dolayı mümkün olamaz. Günlük yaşamda zaman bir cisme veya bir olaya dayanılarak ölçülür. Zaman için ideal olan standart ışık hızı olup, relatif olan zaman hareket eden ve duran gözlemciler için farklı bir şeydir.

15

ROJ ÇALIŞMA GRUBU

Genel Relativite Teorisi 1916 yılında yayımlanan genel relativite teorisi, birbirine göre hızlanan veya yavaşlayan yani sabit olmayan ivmeli hızlarda hareket eden cisimleri inceler. Bu teori, özel relativitenin daha genişletilmiş hali olup, Einstein'ın en büyük eseri ve tarihin en önemli kuramlarından biridir. Kütlelerin birbirine yaptıkları çekim kuvveti üzerine kurulmuş olan teori uzay ve zamanın mutlak olmadığını açıklar. 1687'de Isaac Newton, evrende kütlesi bulunan bütün cisimlerin birbirlerini çektiklerini bularak, evrensel gravitasyon kuvvetini yaratmıştı. Newton teorisinde gezegenlerin Güneş etrafındaki hareketlerinde daireye çok yakın bir eliptik yörünge çizdiklerini de öngörmüştü. Genel relativiteye göre, gezegenlerin yörünge düzlemleri aynı konumda kalmayıp dönmektedir. Çok küçük miktarlarda olan bu düzlemsel dönüşler ancak milyonlarca yıl sonra tam bir dönüş haline gelmektedir. Genel relativite gravitasyonun kütleler arasındaki bir kuvvet olmadığını belirtir. Teoriye göre evrendeki ağır cisimler uzayı ağırlıklarından dolayı çukurlaştırmaktadır. Cismin ortasında yer aldığı bu çukura civarındaki daha az ağır cisimler çekilmektedir. Güneş'in etrafında milyarlarca yıldan beri dönüp duran gezegen ve Ay'lar, onun uyguladığı çekim kuvvetinden değil, Güneş'in çukurlaştırdığı ve eğdiği uzay-zaman içinde kalıp çukurun dışına çıkamadıkları için dolanmaktadır. Nitekim, Güneş'in arkasındaki uzak bir yıldızdan Dünya'ya gelen ışık ışını Güneş'in yanından geçerken onun etrafındaki uzay-zamanın eğriliğine girer, yolunu değiştirerek Dünya'ya ulaşır. Böylece kütlesel çekim yerini uzay-zaman devamlılığında ağır cisimlerin oluşturdukları bükülmüş uzay-zamana bırakmış oldu. Teori, büyük kütleli cisimler üzerindeki zamanın, küçük kütleli cisimlerdeki zamandan daha yavaş akacağını da öngörmektedir. Dünya'daki saatler Güneş'te yavaşlar. Ay'daki bir saat Dünya'dakine göre daha hızlı çalışır. Aynı şekilde Dünya üzerindeki bir yüksek binanın üst katında bulunan bir saat alt katta bulunan saatten daha hızlı ilerler. Bunun sebebi, Dünya'nın çekim merkezine daha yakın olan alt kattaki saatin çekim merkezinin etkisinde kalmasıdır. Genel relativite, üç boyutlu evrene bir dördüncü boyut olan zamanı ilave etti. Uzay ve zaman birbirinden bağımsız olmayan değerlerdir. Evrendeki bütün cisimler biri zaman, diğer üçü de uzay olan dört boyutlu uzay-zamanda hareket etmektedir. Uzay-zaman ağır cisimlerin etrafında eğrilmiş olduğundan ağır cisimlerin etrafından geçen daha hafif cisimler eğrilmiş yüzeyin eğriliğini takip eder. Gravitasyon kuvveti, uzay-zamanın bu eğriliğinin yerini almaktadır. Ağır ve hafif cisimlerin birlikte bir gravitasyon alanı içinde hareket etmeleri ve cisimlerin kütleleri ne olursa 16

ROJ ÇALIŞMA GRUBU

olsun, hareketleri uzay-zamanın eğriliğine bağlıdır. Bu yüzden ağır ve hafif iki cisim aynı hızla düşer. Genel relativitenin sonuçlarından evrenin, genişlemekte olan açık bir evren olduğu hesap edildi. Evrenin ortalama yoğunluğunun kritik bir değere olan oranı, evrenin durumunu belirtecektir. Bugünkü bilgiler ortalama yoğunluğun kritik değerin altında olduğunu göstermektedir. Dolayısıyla evren devamlı genişlemektedir

17

ROJ ÇALIŞMA GRUBU

Atom Teorisi Cisimlerin gözle görülemeyecek kadar küçük nesnelerden meydana gelmiş olduğu fikri ilk defa Demokritos tarafından ileri sürüldü. Eski Yunanlı filozof Demokritos bu nesnelere atom adını verdi. Atom teorisinin babası olan Demokritos'tan 2200 yıl sonra John Dalton atomu tarif etti ve atomların görülemeyen ve değişmez parçacıklar olduğunu söyledi. Daha sonra J. J. Thomson katot tüpünde yaptığı bir deneyde, katot ışınlarının floresan ekran üzerinde belirgin noktaların bir manyetik alan içinde saptıklarını gördü ve bunların pozitif kutupta çekildiklerini, negatif kutupta ise itildiklerini gözledi. Thomson bu noktada parçacıkların negatif yüklü olduklarını, sonradan bunlara elektron adı verilecek yeni parçacıklar olduğunu anladı. Sapmaların miktarından bu yeni parçacıkların kütlelerini hesaplayarak bir hidrojen atomunun kütlesinden 2000 defa daha küçük olduklarını keşfetti. Böylece bir atomdan daha küçük olan ilk parçacık bulunmuş oldu. Atomun kendisinden daha küçük olan bir parçacığının bulunduğunun anlaşılması üzerine onun yapısı üzerindeki çalışmalar yoğunlaştırıldı. Bu sıralarda Ernest Rutherford radyoaktivite üzerinde çalışıyordu ve radyoaktif cisimlerden çıkan ışınların pozitif yüklü alpha ve negatif yüklü beta ışınları olduğunu ve alpha ışınlarının helyum atomunun çekirdeklerinden meydana geldiğini biliyordu. Rutherford alpha parçacıklarını çok ince bir altın levhaya ateşledi. Parçacıklardan çoğu levhadan geçip gitti. Her 20.000 parçacıktan biri ise levhaya çarpıp geri döndü. Geri dönen bu parçacıklar Rutherford'u çok şaşırttı ve Rutherford bu olaydan atomun içinin boş olduğunu ve ayrıca alpha parçacıkları gibi pozitif yüklü bir merkezi olabileceğini tahmin etti. Zira, aynı yüklerin birbirini ittiği halen biliniyordu ve pozitif yüklü alpha parçacıkları aynı yüke sahip merkeze çarpıp geri dönüyor olmalıydı. Rutherford 1911 yılında atom modelini kurdu. Buna göre, atomun merkezinde yer alan pozitif yüklü bir çekirdek bütün atom hacminin sadece çok küçük bir kısmını işgal ediyordu. Çekirdeğin etrafındaki geniş boşlukta da negatif yüklü elektronlar yer alıyordu. Rutherford, çekirdekte bulunan pozitif yüklü parçacığın elektrondan 1800 kat daha ağır olduğunu hesaplayarak bu parçacığa proton adını verdi. Çekirdekle ters yüklü olan elektronlar onun etrafında hızlı bir şekilde dönebilmek için kendilerine ait birer enerjiye sahip olmalıydılar. Rutherford, çekirdek etrafındaki yörüngelerinde dolanan elektronların çekirdeğin çekim kuvvetini dengeleyecek miktarda bir açısal hıza sahip olduklarını ileri sürdü. Ayrıca bir atomun elektriksel bakımdan nötr olabilmesi için her protona karşılık bir adet elektronun bulunması gerektiğini de belirtti. 18

ROJ ÇALIŞMA GRUBU

Hidrojen atomu, çekirdeğinde bir adet proton ve bir adet elektrona sahiptir. Helyum atomu iki proton ve iki elektron, lityum üç proton ve üç elektrona haizdir. Rutherford, iki tane protona sahip olan helyum çekirdeğinin kütlesinin iki kat olması gerektiğini hesap etti. Önceleri helyum çekirdeğinde ikisinin iki adet elektronla nötrleştirildiği dört proton bulunduğunu düşündü, sonra çekirdekte proton ile aynı kütleye sahip yüksüz başka bir parçacığın da bulunması gerektiğini anladı. Bu yüksüz yeni parçacık onun asistanı James Chadwick tarafından 1934'te keşfedildi ve adına nötron dendi. Rutherford tarafından bulunan bu klasik atom modeli tarih boyunca yapılmış en büyük keşiflerden biri olmuştur. Hidrojen, çekirdeğinde nötron bulunmayan tek atomdur. Tek protonu ve tek elektronu vardır. Helyum atomunda iki proton iki nötron ve iki adet de elektron bulunur. Bu sayılar diğer atomlarda böylece devam eder. Çekirdeklerdeki proton adetleri atomik sayıları ifade eder. Proton sayıları birer adet ilave edilerek, hidrojenden 92 protonlu uranyum atomuna kadar devam eder ve farklı ağırlıklardaki elementleri meydana getirir. Doğadaki elementlerin en ağırı 92 adet protonu bulunan uranyumdur. Çekirdekteki nötronların sayısı protonlar gibi birer sayı ilavesiyle çoğalmaz. Birçok ağır atom çekirdeğinde proton sayısından daha fazla nötron bulunur. Keza, birçok aynı sayıda protona sahip aynı elementin atom çekirdeğinde farklı sayıda nötron yer almaktadır. Uranyum atomlarının birçoğu 238 proton kütlesine sahip olup, bunun 92'si proton, 146'sı ise nötrondur. 235 sayılı uranyumun 92 protona karşılık 143 adet nötronu vardır. Atomlar özel biçimlerde birleşerek kimyasal bileşimleri oluştururlar. Atomların bu birleşmelerini çekirdek etrafında dönen elektronlar sağlar. Böyle birleşmelerin özellikleri de atomdaki elektronların, dolayısıyla protonların sayısı ile ifade edilir. Aynı sayıda protonu fakat farklı sayıda nötronu olan atomlara izotop adı verilir. İzotopların fiziksel özellikleri nötronların sayısı ile belirlenir. Nötron sayısı daha fazla olan ağır atomlar pek dayanıklı olmayıp kırılarak iki proton ve iki nötrondan oluşan alpha parçacıkları çıkarır. Çekirdekten iki proton eksilince atom farklı bir atom haline gelir ve farklı kimyasal özelliklere sahip bir element ortaya çıkar. Bu tür elementlere de radyoaktif element denir. Danimarkalı Niels Bohr, Rutherford'un atom modelini yeterli bulmadı. Bohr, bir dairesel yörüngede durmadan dönen elektronun gittikçe hızlanacağını, devamlı radyasyon çıkaracağını ve enerji kaybederek sonunda spiral bir hareketle çekirdeğe çarpacağını iddia etti. Bu problemin çözümü olarak Bohr, elektronların sadece ve sadece belli ve izin verilmiş yörüngelerde dönmeleri gerektiğini söyledi. Elektronlar bu belli yörüngelerde dolanırken radyasyon çıkarmamalıydılar. Her elektron kendi 19

ROJ ÇALIŞMA GRUBU

yörüngesinde belli bir enerjiye sahipti ve sahip olduğu potansiyel enerjisi çekirdekten olan uzaklığına, kinetik enerjisi de onun hareketine bağlıydı. Her bir yörünge özel bir enerji seviyesini belirtiyor ve her bir elektron aniden yüksek bir enerji seviyesinden düşük bir enerji seviyesine hareket edebiliyordu. Böyle farklı enerji seviyeleri arasında sıçrama olunca aradaki enerji farkı bir kuanta veya özel bir frekansa sahip bir elektromanyetik radyasyon paketi olarak dışarı çıkacaktı. Bohr'un bu modeli Erwin Schrödinger tarafından tamamlandı. Schrödinger dalga mekaniğini ileri sürdü ve bunu 1926'da matematiksel olarak izah etti. Daha sonra De Broglie elektronların bir dalga karakterine sahip olduklarını ispat etti. Böylece Bohr'un modeli de tamamlanmış oldu. Rutherford-Bohr modeline göre yörüngelerde dönen elektronların sayısı çekirdekteki protonların sayısına eşittir. Her bir yörüngede yer alan elektron sayısı limitli olup, birinci yörüngede ikiden fazla, ikinci yörüngede sekizden fazla, üçüncü yörüngede on sekizden fazla elektron yer alamaz. Ve bu böyle devam eder. Eğer bir elektron enerji kazanırsa bir üst yörüngeye sıçrar. Her yörüngenin kendine ait bir enerji seviyesi vardır ve elektronlar yörüngeler arasında gidip geldikçe ya enerji kaybederler ya da enerji kazanırlar. Elektron bir üst yörüngeden bir alt yörüngeye indiğinde kaybettiği enerji, elektromanyetik radyasyonun parçacığı olan foton şeklinde atomun dışına çıkar. Dışarı çıkan fotonlar da ışığı meydana getirir

Kuantum Teorisi Kuantum teorisi bir atomun içinde bulunan, atomdan daha küçük boyutlardaki parçacıkları inceler. Teorinin fikir babası olan Max Planck bir atomun içindeki parçacıklardan her birinin kendine ait özelliklere ve kuanta denilen enerjilere sahip olduğunu ortaya attı. Planck ile başlayan ve sonraki yıllarda geliştirilen kuantum teorisi, bilim tarihinin en başarılı buluşlarından biri olarak, doğadaki olayların çoğunun anlaşılmasına yardımcı olmuştur. 1600'lerin ortalarında Isaac Newton ışığın çok küçük parçacıklardan oluşmuş bir yağmur şeklinde ilerlediğini belirtmişti. 1807 yılında Thomas Young bunun doğru olmadığını ve ışığın dalgalar halinde yayıldığını ileri sürdü ve bu durumu meşhur çift yarık deneyi ile ispat etti. Birbirine yakın iki dar yarığın içinden geçen bir ışık demetinin arkadaki bir ekran üzerinde çıkardığı girişim şeklinden, ışığın dalgalar halinde ilerlediği anlaşılıyordu. Bu durum, Einstein'ın ışığın parçacıklar halinde yol aldığını ispatlamasına kadar devam etti. 1905 yılında Einstein'ın fotoelektrik etkiyi bulması ile ışığın hem dalgalar halinde hem parçacıklar halinde yayıldığı anlaşılmış oldu. 20

ROJ ÇALIŞMA GRUBU

Evrendeki bütün cisimler, dalga boyları sıcaklıklarına bağlı olmak üzere, elektromanyetik radyasyon çıkarırlar. Çok sıcak cisimlerin çıkardığı radyasyonun dalga boyları spektrumun görünen ışık bölgesinde olup çok kısa dalga uzunluklarındadır. Soğuk cisimlerin çıkardıkları dalgaların boyları ise daha uzundur. En uzun dalga boyuna sahip dalgalar ise en soğuk bölgelerden geçen mikrodalga ve radyo dalgalarıdır. Klasik fiziğe göre, dalga boyu kısaldıkça daha büyük enerji ortaya çıkar. Bunun sebebi, sabit olan ışık hızında dalga boyu ve frekansın birbiri ile ters orantılı olmasıdır. Yani dalga boyu büyüdükçe frekans azalır veya tersi olur. Dolayısıyla, enerji ile frekans orantılıdır. Bu teoriye göre, morötesi ışınımın enerjisinin çok yoğun ve büyük, dalga boyunun da çok kısa olması gerekirdi. Halbuki durum böyle değildir. Nitekim, çok kısa dalga boylu x-ışınları insanları yakıp kavurmaktadır. Teoride bir yanlışlık olmalıydı. Problemin çözümünü 1900 yılında Max Planck yaptı. Planck, ışık dahil bütün elektromanyetik radyasyonun sadece durmadan yayılan dalgalar olmadığını, aynı zamanda, kuanta adını verdiği çok küçük enerji paketleri seli olduğunu ve çıkan bu enerji paketçiklerinin belli bir minimum ölçünün üzerinde bir boyutta bulunduklarını ileri sürdü ve bu paketlerin enerjisi ile frekansları arasındaki ilişkinin E=hf (E=enerji, f=frekans, h=6.6262x10-34 Joule x saniye) formülü ile ifade edilebileceğini gösterdi. Bilim tarihinin en önemli formüllerinden biri olan bu eşitlik birçok olayı açıklığa kavuşturmuştur. Elektronların atom çekirdeğinin etrafında sadece belli enerji seviyelerine sahip yörüngelerde yer alabilecekleri, bir yüksek enerji seviyesinden düşük enerji seviyesine sıçradıklarında bir radyasyon neşredecekleri, yüksek sıcaklık ve frekanslarda bir radyasyon çıkarabilmek için büyük enerjinin gerektiği vs. bu formülle izah edilmiştir. Planck'ın çalışmasından etkilenen Einstein 1905 yılında fotoelektrik etkiyi buldu. Buna göre, ışık veya bir elektromanyetik radyasyon bazı metal cisimlerin üzerine düştüğünde metalden elektron çıkarıp fırlatır. Einstein bu olayın sadece Planck'ın teorisinin doğru olması halinde, yani ışığın kuanta denilen küçük enerji paketleri ve belli enerji seviyelerinde ve dalga boylarında olması durumunda, geçerli olabileceğini ileri sürdü. Böylece ışığın, dalga karakterinin yanında belli enerji seviyesinde ve belli dalga boyunda paketçikler halinde yayıldığı ispat edilmiş oldu. Einstein, bu ışık paketçiklerine foton ismini verdi. Louis de Broglie, Einstein'ın buluşunu elektronlara uyguladı ve elektronların da ışık gibi, hem dalgalar hem de parçacıklar halinde hareket ettiklerini ispat etti. De Broglie, bir parçacığın dalga uzunluğunun, Planck sabitinin parçacığın momentumuna bölümüne eşit olduğunu gösterdi. Planck sabiti 6,6262x10-34 gibi son derece küçük bir değer olduğundan, 21

ROJ ÇALIŞMA GRUBU

büyük momentumlara sahip günlük yaşamdaki cisimler çok küçük dalga boyuna sahip olup, onların dalgasal hareketleri fark edilememektedir. Momentumu küçük olan atomdan daha ufak parçacıklar ise, bu formüle göre, uzun dalga boylarındadır. Maddenin günlük yaşamdaki halinde gözlenemeyen dalga-parçacık ikiliği, atomik boyutlardaki her davranışta görülür. Sonuçta, doğadaki maddeyi oluşturan bütün nesnelerin hem dalgalar hem de parçacıklar halinde davrandıkları açıklığa kavuşmuş oldu. 1927 yılında Werner Heisenberg, atomik boyutlarda maddenin ölçüm ve gözlem hassasiyetlerinin farklı olduğunu, bir parçacığın pozisyonunu hassas olarak ölçmek için yapılacak bir uğraşın onun hızını etkileyip değiştireceğini ve keza hızının ölçülmesinin pozisyonunu etkileyeceğini ileri sürdü. 1600'lerden beri kullanılan klasik fizik cisimlerin belli bir andaki pozisyon ve hızlarının hesaplanabileceğini öngörüyordu. Ve bu durum Dünya üzerindeki elle tutulur büyüklükteki cisimler için geçerliydi. Atom boyutlarındaki küçük nesneler için ise durum tamamen farklıydı. Heisenberg ise, çok küçük parçacıkların hız ve yerlerinin, aynı bir an içinde, hassas olarak ölçülemeyeceğini, birinin ölçülmesinin diğerini bozacağını belirterek, teorisine belirsizlik ilkesi adını verdi. Pozisyondaki belirsizlik miktarı ile momentumdaki belirsizlik miktarının çarpımının, 6.6262x10-34 olan Planck sabitine eşit veya ondan büyük olduğunu hesapladı. Böylece Newton'un kurduğu klasik fizik son buldu ve yepyeni bir fizik olan kuantum mekaniği ortaya çıktı. Atomu yani maddeyi meydana getiren, atomdan daha küçük boyutlardaki parçacıkların hiçbir kaideye uymayan tuhaf davranışlarını açıklayan kuantum mekaniği bilimde bir çığır açtı. Bir atomun içindeki dünyalar anlaşıldı, parçacık fiziği, nükleer fizik ortaya çıktı, elektronik gelişti, maser ve laser, bilgisayar, hesap makineleri gibi binlerce cihaz onun sonucu olarak, daha küçük boyutlarda daha hızlı ve verimli olarak üretildi. (BİLİM TEKNİK DERGİSİ-2003 YILLIĞI)

22

ROJ ÇALIŞMA GRUBU

ZAMAN, UZAY VE HAREKET 5. Fizikte Devrim İki bin yıl önce, Öklid geometrisinin evrenin yasalarını bütünüyle kapsadığı düşünülürdü. Söylenecek daha fazla bir şey yoktu. Her dönemin yanılsamasıdır bu. Newton’un ölümünden epey sonra, bilimciler onun doğa yasaları hakkında son sözü söylemiş olduğunu düşünüyorlardı. Laplace, yalnızca bir evrenin bulunduğundan ve onun da tüm yasalarını keşfetme bahtiyarlığına Newton’un eriştiğinden yakınıyordu. Newton’a ait ışığın parçacık teorisi, iki yüz yıl boyunca, Hollandalı fizikçi Huygens’in ışığın bir dalga olduğunu savunan teorisi karşısında genel kabul gördü. Daha sonra parçacık teorisi, J. B. L. Foucault’nun sonradan deneysel olarak doğrulayacağı bir dalga teorisi ortaya atan Fransız A. J. Fresnel tarafından yadsındı. Newton, boş uzayda saniyede 186.000 mil hızla ilerleyen ışığın, suda daha hızlı hareket edeceğini öngörmüştü. Dalga teorisinin savunucularıysa daha düşük bir hız bekliyorlardı ve haklı oldukları görüldü. Bununla birlikte dalga teorisinin büyük atılımı 19. yüzyılın ikinci yarısında seçkin İskoç bilimci James Clerk Maxwell tarafından gerçekleştirildi. Maxwell ilkin kendisini Michael Faraday’ın deneysel çalışmalarına dayandırdı. Faraday, elektromanyetik indüksiyonu keşfetmiş ve dünyanın uçlarına kadar uzanan görülmez kuvvetler barındıran iki kutbuyla, yani kuzey ve güney kutuplarıyla mıknatısın özeliklerini incelemişti. Maxwell bu deneysel keşifleri matematiğe aktararak onlara evrensel bir biçim verdi. Çalışmaları, daha sonraları Einstein’ın kendi genel görelilik kuramını dayandıracağı alan kavramının keşfedilmesine yol açtı. Kuşaklar, kendilerinden öncekilerin omuzları üstünde yükselir, önceki keşifleri hem korur hem de geçersiz kılar, bu keşifleri sürekli bir biçimde derinleştirir ve onlara daha genel bir biçim ve içerik kazandırırlar. Maxwell’in ölümünden yedi yıl sonra Hertz, Maxwell’in öngördüğü elektromanyetik dalgaları ilk kez saptadı. Newton’dan bu yana hüküm süren parçacık teorisi, Maxwell’in elektromanyetiği tarafından yok edilmiş gibi görünüyordu. Bir kez daha bilimciler her şeyi açıklayabilecek bir teoriye sahip olduklarına kendilerini inandırdılar. Açıklığa kavuşturulması gereken sadece birkaç sorun vardı, ondan sonra artık evrenin işleyişi hakkında bilinmesi gereken her şeyi gerçekten de biliyorduk. Şüphesiz, sorun çıkaran birkaç uyumsuzluk vardı, ama bunlar gönül rahatlığıyla ihmâl edilebilecek küçük ayrıntılar olarak görülüyordu. Ne var ki, birkaç onyıl içerisinde, bu “küçük” uyumsuzlukların tüm yapıyı yerle bir etmeye ve gerçek bir bilimsel devrime yol açmaya yettiği açığa çıktı. 23

ROJ ÇALIŞMA GRUBU

Dalga mı Parçacık mı? Herkes bir dalganın ne olduğunu bilir. Bu, suyla ilişkili çok genel bir özelliktir. Tıpkı havuzda yüzen bir ördeğin dalgalara yol açabilmesi gibi, yüklü bir parçacık da, meselâ elektron, uzayda hareket ettiğinde bir elektromanyetik dalgaya neden olabilir. Elektronun titreşim hareketleri elektrik ve manyetik alanları uyararak tıpkı havuzdaki dalgalar gibi sürekli olarak yayılan dalgalara sebep olur. Su dalgası ile elektromanyetik dalga arasında temel bir farklılık vardır. Elektromanyetik dalgalar, su dalgaları gibi, yayılabilmek için sürekli bir ortama ihtiyaç duymazlar. Elektromanyetik bir titreşim, maddenin elektriksel yapısı içinde yayılan periyodik bir uyarımdır. Yine de karşılaştırma, konunun netleşmesine yardımcı olabilir. Bu dalgaları göremiyor oluşumuz, varlıklarının günlük hayatımızda bile saptanamayacağı anlamına gelmez. Işık dalgalarıyla ve radyo dalgalarıyla ve hatta X-ışınlarıyla doğrudan deneyimlerimiz olmuştur. Bunlar arasındaki tek fark frekanslarıdır. Sudaki bir dalganın, dalganın şiddetine bağlı olarak –bir ördeğin neden olduğu dalgacıkları bir sürat teknesinin çıkardığı dalgalarla karşılaştırın– suda yüzen bir cismin az ya da çok hızlı bir biçimde aşağı yukarı inip çıkmasına sebep olacağını biliriz. Benzer biçimde, elektronların titreşimi ışık dalgasının şiddeti ile orantılı olacaktır. Hertz ve diğerlerinin deneyleri tarafından desteklenen Maxwell denklemleri, ışığın, elektromanyetik karakterli dalgalardan oluştuğu teorisini kanıtlamak için güçlü bir delil sağladı. Ne var ki, yüzyılın dönümüyle birlikte, bu teorinin yanlış olduğunu akla getiren kanıtlar da birikiyordu. 1900 yılında Max Planck, klasik dalga teorisinin pratikte doğrulanmayan öngörülerde bulunduğunu gösterdi. Işığın ayrı ayrı parçacıklar ya da “paketler” (quanta) olarak geldiğini ileri sürdü. Farklı deneylerin farklı şeyleri kanıtlaması, durumu iyice karmaşıklaştırdı. Elektronu bir flüoresan yüzeye çarptırarak ve bunun sonucu ortaya çıkan parıltıları gözleyerek; ya da bir sis odasında* elektronun izlerine bakarak; veya oldukça duyarlı bir fotoğraf filmi üzerinde görülen küçücük noktalardan, elektronun bir parçacık olduğu anlaşılabiliyordu. Ama diğer taraftan, bir levha üzerine iki küçük delik açılıp, bu deliklerin üzerine tek bir kaynaktan çıkan elektronlar gönderilirse, elektronlar bir girişim deseni oluşmasına yol açıyordu ki, bu da bir dalganın varlığını gösteriyordu. Ne var ki en tuhaf sonuç, tek bir elektronun, arkasında fotoğraf filminin bulunduğu iki yarık içeren bir levha üzerine gönderildiği ünlü çift yarık deneyinden elde edilmişti. Elektron hangi yarıktan geçmişti? Film tabakası üzerindeki girişim deseni apaçık bir çift yarık desenidir. Bu durum ise, elektronun her iki yarıktan da geçip bir girişim deseni oluşturmuş 24

ROJ ÇALIŞMA GRUBU

olması gerektiğini kanıtlamaktadır. Tüm sağduyu kurallarına aykırıdır bu, ama çürütülmez bir olgu gibi gözükmektedir. Elektron hem bir parçacık hem de bir dalga olarak davranmaktadır. Aynı anda iki (ya da ikiden de fazla) yerde bulunmaktadır ve aynı anda birkaç hareket durumuna sahiptir! Banesh Hoffman şu yorumda bulunuyor: Sanmayın ki, bilimciler bu yeni fikirleri sevinç çığlıklarıyla kabul ettiler. Bu sonuçlardan kaçmaya dönük beyhude çabalar içerisinde her çeşidinden tuzaklar hazırlayarak ve alternatif hipotezler uydurarak ellerinden geldiğince mücadele edip direndiler. Ama 1905 gibi erken bir tarihte ve hatta daha öncesinde bile ışık hususunda göze batan paradokslar olduğu yerde duruyordu ve yeni kuantum mekaniğinin gelişine kadar bu paradoksları çözmek için kimsenin ne cesareti ne de herhangi bir fikri vardı. Yeni fikirler, kabul edilmesi çok güç şeylerdir, çünkü Heisenberg kesinsizlik ilkesine rağmen, bu fikirleri içgüdüsel olarak hâlâ eski moda parçacıkla betimlemeye çabalıyoruz. Elektronu, hareketli ama bir konumu olmayabilen ve bir konumu olan ama hareket ya da eylemsizlik olmayabilen bir şey olarak gözümüzün önüne getirmekten hâlâ çekiniyoruz. [1] Burada yadsımanın yadsınmasının işlediğini görüyoruz. İlk bakışta, bir kısır döngüdeymişiz gibi görünüyor. Newton’un ışığın parçacık teorisi, Maxwell’in dalga teorisi tarafından yadsındı. Bu da, sırası gelince, Planck ve Einstein tarafından geliştirilen yeni parçacık teorisi tarafından yadsındı. Ama yine de bu, eski Newtoncu teoriye geri dönüş anlamına değil, bilimde gerçek bir devrimi içeren ileriye doğru nitel bir sıçrama anlamına geliyordu. Bilimin tümü dikkatlice elden geçirilmeliydi, Newton’un kütleçekim yasası da dahil. Bu devrim Maxwell denklemlerini geçersiz kılmaz, bu denklemler muazzam genişlikte bir faaliyet alanında geçerli olmaya hâlâ devam ederler. Bu devrim yalnızca, belli sınırların ötesinde klasik fiziğin düşüncelerinin artık uygulanabilir olmadığını göstermiştir. Atomaltı parçacıklar dünyasının olguları klasik mekaniğin yöntemleriyle anlaşılamaz. Bu noktada kuantum mekaniği ve görelilik devreye girer. Yaşadığımız çağın büyük bölümünde, fiziğe, görelilik teorisi ve kuantum mekaniği hakimdi, ama bunlar, başlangıçta eski fikirlere kopmazcasına sarılan bilimsel kurumlar tarafından derhal reddedilmişlerdi. Burada çok önemli bir ders söz konusudur. Evrene bakışımıza “nihai bir çözüm” dayatmaya dönük her girişim başarısızlığa mahkûmdur.

Kuantum Mekaniği Kuantum fiziğinin gelişimi, bilimde dev bir ileri adımı, “klasik” fiziğin aptallaştırıcı mekanik determinizmden (Engels’in adlandırdığı şekliyle “metafizik” yöntemden) kesin bir kopuşu temsil etti. Bunun yerine çok daha 25

ROJ ÇALIŞMA GRUBU

esnek ve dinamik –yani tek kelimeyle diyalektik– bir doğa görüşüne sahibiz. İlkin küçücük bir ayrıntı, neredeyse bir anekdotmuş gibi görünen kuantumun varlığını Planck’ın keşfetmesiyle birlikte, fiziğin tüm çehresi dönüşüme uğradı. Radyoaktif dönüşüm olgusunu açıklayabilen ve spektroskopinin karmaşık verilerini ayrıntılarıyla analiz edebilen yeni bir bilim söz konusuydu. Bu da doğrudan doğruya yepyeni bir bilimin kurulmasına yol açtı; eskiden çözümsüz kalan sorunları çözme yeteneğindeki teorik kimya. Yeni kalkış noktası benimsenir benimsenmez, genelde bütün bir teorik zorluklar yığını bertaraf ediliyordu. Yeni fizik, atom çekirdeğine hapsolmuş şaşırtıcı kuvvetleri ortaya çıkardı. Bu ise doğrudan doğruya nükleer enerjinin –dünyadaki yaşamın potansiyel imhasına giden yolun– istismarını ya da nükleer füzyonun barışçıl kullanımı sayesinde akla hayale sığmaz, sınırsız bir bolluk ve toplumsal ilerleme manzarasını beraberinde getirdi. Einstein’ın görelilik teorisi, kütle ve enerjinin eşdeğer olduğunu açıklar. Eğer bir cismin kütlesi biliniyorsa, bunu ışık hızının karesiyle çarptığımızda enerji haline gelir. Einstein, şimdiye dek bir dalga olarak tasavvur edilen ışığın bir parçacık gibi davrandığını gösterdi. Diğer bir deyişle ışık yalnızca maddenin bir başka biçimidir. 1919 yılında, ışığın kütleçekim kuvvetinin etkisiyle büküldüğünün gösterilmesiyle bu kanıtlandı. Daha sonraları Louis de Broglie, parçacıklardan oluştuğu düşünülen maddenin, dalgaların tabiatını andırdığına dikkat çekti. Madde ve enerji arasındaki ayrılık böylece ilk kez ve ebediyen yerle bir edildi. Madde ve enerji ... aynı şeydir. Bilim açısından muazzam bir ilerlemeydi bu. Ve diyalektik materyalizm açısından da madde ve enerji aynı şeydir. Engels, enerjiyi (“hareket”), “maddenin varoluş tarzı, kendi doğasına içkin niteliği” olarak tanımlamıştı.[2] Parçacık fiziğinde yıllarca hüküm süren tartışma, foton ve elektron gibi atomaltı parçacıkların parçacık mı yoksa dalga mı olduğu sorunu nihayet, atomaltı parçacıkların hem bir parçacık hem de bir dalga gibi davranabileceğini ve davrandığını ortaya koyan kuantum fiziği tarafından çözüme kavuşturuldu. Işık, tıpkı bir dalga gibi, girişim yapar, ama bir ışık fotonu aynı zamanda tıpkı bir parçacık gibi atomdan elektron da söker. Biçimsel mantığın yasalarına aykırıdır bu. “Sağduyu” bir elektronun aynı anda iki yerde birden olabileceğini nasıl kabul edebilir? Ve üstelik de aynı anda inanılmaz hızlarla ve farklı doğrultularda hareket ettiğini? Işığın hem bir dalga hem de bir parçacık olarak davranması katlanılmaz bir çelişki olarak görüldü. Atomaltı dünyanın çelişik olgularını biçimsel mantıkla açıklama teşebbüsleri akılcı düşünüşün hepten terk edilmesine yol açar. Kuantum devrimiyle ilgili bir çalışmasının sonuçlar bölümünde, Banesh Hoffman şunları yazabiliyordu: 26

ROJ ÇALIŞMA GRUBU

O halde, Tanrının olağanüstü güçlerine daha ne kadar şaşıracağız? Yeri ve göğü bir ilk özden öylesine ince bir güzellikle yaratmıştır ki, bununla, beyinleri ve akılları, kendisinin gizemlerine nüfuz etmeleri için ilâhi bir vahiy yeteneğinin ateşiyle donabilmiştir. Salt Bohr ya da Einstein’ın aklı, bizi onun gücü hakkında şoke ediyorsa, onları yaratan Tanrının ihtişamını övmeye nereden başlayabiliriz.[3] Ne yazık ki istisnai bir örnek değil bu. Bilim hakkında bizzat bilimciler tarafından yazılmış olanları da dahil, modern literatürün büyük bir kısmı böylesi mistik, dini ya da yarı-dini inançlarla tıka basa doludur. Birçok bilimcinin bilinçli ya da bilinçsiz olarak benimsediği idealist felsefenin doğrudan bir sonucudur bu. Kuantum mekaniğinin yasaları “sağduyu”ya (yani biçimsel mantığa) meydan okur ama diyalektik materyalizmle tam bir uyum içerisindedir. Meselâ nokta kavramını ele alalım. Tüm geleneksel geometri, daha sonra bir doğru, bir düzlem, bir küp vb. haline gelen bir noktadan türer. Ama daha yakından bir gözlem, noktanın varolmadığını ortaya koyar. Nokta, uzayın en küçük ifadesi, boyutu olmayan bir şey olarak düşünülür. Gerçekte, böyle bir nokta atomlardan –elektronlar, çekirdek, fotonlar ve daha da küçük parçacıklardan– oluşur. Eninde sonunda, kuantum dalgalarının durmak bilmez girdabında yok olup gider. Ve bu sürecin bir sonu yoktur. Hiçbir sabit “nokta” yoktur. Sözümona gözlenebilir nesnel gerçekliğin “ötesinde” yatan kusursuz “biçimler” bulma uğraşısındaki idealistlere verilecek son yanıt budur. Bilim-kurgunun en inanılmaz serüvenlerinden biçim ve süreçlerin biteviye çeşitliliği itibariyle çok daha harikulade olan yegâne “nihai gerçeklik”, sonsuz, ebedi ve her an değişen nesnel evrendir. Sabit ve değişmez bir konumdan –bir “nokta”– ziyade, bir sürece, asla sonlanmayan bir akışa sahibiz. Buna, bir başlangıç ya da bir son biçiminde bir sınır dayatma girişimlerinin tümü kaçınılmaz olarak başarısızlığa uğrayacaktır.

Maddenin Yok Oluşu mu? Göreliliğin keşfedilmesinden uzun zaman önce, bilim iki temel ilke keşfetmişti; enerjinin korunumu ve kütle korunumu. Bunların ilki 17. yüzyılda Leibniz tarafından ayrıntılı olarak incelenmiş ve ardından 19. yüzyılda bir mekanik ilkesinin doğal sonucu olarak geliştirilmişti. Çok daha önceleri, ilk insanlar, sürtme yardımıyla ateş yaktıklarında ve böylelikle de verili bir enerji miktarını (iş) ısıya dönüştürdüklerinde, işin ve ısının eşdeğerliliği ilkesini pratik olarak keşfetmişlerdi. Bu yüzyılın başlarında, kütlenin enerji biçimlerinden sadece biri olduğu keşfedilmişti. Bir madde parçacığı oldukça yüksek düzeyde yoğunlaşmış ve lokalize olmuş enerjiden 27

ROJ ÇALIŞMA GRUBU

başka bir şey değildir. Bir parçacıkta yoğunlaşan enerji miktarı onun kütlesiyle orantılıdır ve toplam enerji miktarı her zaman sabit kalır. Bir çeşit enerjinin kaybı, bir başka çeşit enerjinin kazanılmasıyla telâfi edilir. Enerji sürekli olarak biçimini değiştirirken yine de her zaman aynı kalır. Einstein, bizzat kütlenin şaşılacak miktarda bir enerji barındırdığını kanıtlamakla bir devrim gerçekleştirmişti. Kütle ve enerjinin eşdeğerliği E = mc2 formülüyle ifade edilir, burada m kütle, c ışık hızı (yaklaşık olarak saniyede 300.000 km) ve E de durgun cismin barındırdığı enerjidir. m kütlesinde içerilen enerji, ışığın muazzam hızının karesiyle bu kütlenin çarpımına eşittir. Kütle bu nedenle enerjinin oldukça yoğunlaşmış bir biçimidir, bu enerjinin gücü hakkında şu gerçek bizlere bir fikir verebilir; bir atom bombasının patlamasıyla açığa çıkan enerji, enerjiye dönüşen kütlenin binde birinden daha azdır. Normalde, madde içinde hapsolmuş bu muazzam enerji kendini dışa vurmaz ve bu nedenle de göze çarpmaz. Ama atom çekirdeğinin içindeki süreçler belli bir kritik noktaya ulaşırsa, bu enerjinin bir kısmı, kinetik enerji olarak dışarı salınır. Kütle, yalnızca bir enerji biçimi olduğundan, madde ve enerji ne yaratılabilir ne de yok edilebilir. Diğer taraftan enerji biçimleri son derece çeşitlidir. Örneğin, güneşteki protonlar bir helyum çekirdeği oluşturmak üzere birleştiklerinde nükleer enerji ortaya çıkar. Bu enerji, ilkin, çekirdek hareketinin kinetik enerjisi olarak görünür, ki bu da güneşten gelen ısı enerjisine katkıda bulunur. Bu enerjinin bir kısmı elektromanyetik enerji parçacıkları içeren fotonlar biçiminde güneşten yayılır. Bu enerji sırası geldiğinde, fotosentez süreci tarafından, bitkilerde depolanan kimyasal enerjiye dönüştürülür. Bu kimyasal enerjiyse, kaslar, kan dolaşımı, beyin vb. için gereken enerji ve sıcaklığı sağlamak üzere, insanlar tarafından bitkilerin ya da bitkileri yiyen hayvanların yenmesiyle edinilir. Klasik fiziğin yasaları genellikle atomaltı düzeydeki süreçlere uygulanamaz. Ne var ki, doğada istisna kabul etmeyen bir yasa da mevcuttur; enerjinin korunumu yasası. Fizikçiler, ne bir pozitif yükün ne de bir negatif yükün hiçlikten oluşturulamayacağını bilirler. Bu olgu elektriksel yükün korunumu yasasıyla ifade edilir. Böylece, bir beta parçacığı üretme sürecinde, (yüksüz olan) nötronun ortadan kaybolması zıt yüklü bir parçacık çiftinin ortaya çıkmasına yol açar; pozitif yüklü bir proton ve negatif yüklü bir elektron. Birlikte ele alındıklarında bu yeni iki parçacık sıfıra eşit olan bir toplam yüke sahiptirler. Eğer bunun tam tersi olan süreci ele alırsak, bir proton, bir pozitron salarak bir nötrona dönüştüğünde, ilk parçacığın (protonun) yükü pozitiftir ve sonuçta ortaya çıkan parçacık çiftinin (nötron ve pozitronun) toplam yükü yine pozitiftir. Tüm bu sayısız dönüşümlerde, elektriksel yükün korunumu yasası sıkı bir şekilde yürürlüktedir, tıpkı tüm diğer korunum 28

ROJ ÇALIŞMA GRUBU

yasaları gibi. Enerjinin küçücük bir miktarı bile ne yaratılmış ne de yok edilmiştir. Böyle bir olgu asla gerçekleşmeyecektir de. Bir elektron ve onun anti-parçacığı olan pozitron birbirlerini yok ettiklerinde, kütleleri “yok olur”, yani kütleleri, zıt yönlerde hareket eden iki ışık-parçacığına (fotona) dönüşür. Ne var ki, bu fotonlar da kendisinden çıktıkları parçacıklar kadar bir enerji toplamına sahiptirler. Kütle-enerjisi, lineer momentum ve elektriksel yük, hepsi korunurlar. Bu olgunun imha olma anlamındaki yok oluşla hiçbir ortak tarafı yoktur. Diyalektik olarak, elektron ve pozitron yadsınmış ve aynı zamanda korunmuştur. Madde ve enerji (ki aynı şeyi söylemenin yalnızca iki biçimidirler) ne yaratılabilir ne de yok edilebilir, yalnızca dönüştürülebilirler. Diyalektik materyalizm açısından madde, bize duyu-algı içinde sunulan nesnel gerçekliktir. Yalnızca “katı” nesneleri değil, ışığı da içerir. Fotonlar da elektronlar ya da pozitronlar kadar maddedirler. Kütle sürekli olarak enerjiye (ışık fotonları da dahil) dönüşmektedir ve enerji de kütleye. Bir pozitron ve elektronun “imha oluşları” bir foton çifti üretir, ama aynı zamanda zıt süreci de görürüz: İki foton karşılaştığında, fotonların yeterli enerjiye sahip olması koşuluyla, bir elektron ve pozitron oluşturulabilir. Bu olgu bazen “hiçlikten” madde yaratımı olarak sunulur. Durum hiç de bu değildir. Burada gördüğümüz, bir şeyin yok oluşu ya da yaratılışı değil, maddenin enerjiye –ve tersi– sürekli dönüşümüdür. Bir foton atoma çarptığında, bir foton olarak varlığı sona erer. Ortadan kaybolur, ama atomda bir değişikliğe neden olur; atomun elektronlarından biri, bir orbitalden daha yüksek enerjili bir orbitale sıçrayıverir. Yine burada zıt süreç de gerçekleşir. Bir elektron yüksek enerjili bir orbitalden daha düşük enerjili bir orbitale düştüğünde bir foton çıkar. Atomaltı düzeydeki dünyayı betimleyen sürekli değişim süreci, diyalektiğin yalnızca aklın öznel bir yaratısı olmayıp, gerçekte doğada gerçekleşen nesnel süreçlere dayandığının çarpıcı bir doğrulanışıdır. Bu süreç kesintisiz bir biçimde tüm ebediliğiyle süregelmiştir. Maddenin yok edilemez oluşunun –yani kimilerinin kanıtlanmak istedikleri şeyin tam tersinin– somut bir ispatıdır.

29

ROJ ÇALIŞMA GRUBU

"Maddenin Tuğlaları"? Asırlardır bilimciler boş yere “maddenin tuğlaları”nı –nihai, en küçük parçacığı– bulmaya çabaladılar. Yüz yıl önce, aradıkları şeyi atomda (Yunanca’da “bölünemez” anlamına gelir) bulduklarını düşündüler. Atomaltı parçacıkların keşfi, fizikçileri maddenin yapısının daha da derinlerine inmek zorunda bıraktı. 1928’le birlikte bilimciler en küçük parçacıkları –protonlar, elektronlar ve fotonlar– keşfettiklerini sandılar. Tüm maddi dünyanın bu üç parçacıktan inşa edildiği farz edildi. Hemen ardından bu görüş, nötronun, pozitronun, döteronun ve giderek küçülen kısa ömürlü varoluşlarıyla daha da ufalan bir parçacıklar yığınının –nötrinolar, pi-mesonlar, mü-mesonlar, k-mesonlar ve diğerleri– keşfedilmesiyle tuzla buz edildi. Bu parçacıklardan bazılarının yaşam süresi o kadar küçüktü ki – bir saniyenin milyarda biri kadar– “zımni parçacıklar” olarak tanımlanmışlardı; bunlar kuantum çağından önce kesinlikle tasavvur edilemez şeylerdi. Tauon, yalnızca bir saniyenin trilyonda biri kadar bir süre boyunca varolur ve ardından önce bir müona ve sonra da bir elektrona bozunur. Yüksüz pion daha da geçicidir, saniyenin katrilyonda birinden daha kısa bir süre boyunca varolur ve ardından bir çift gama ışını oluşturmak üzere yok olur. Ne var ki bu gama ışınları, bir mikrosaniyenin yüzde biri kadarlık bir ömrü olan diğerleriyle karşılaştırıldığında olgunlaşıp ihtiyarlayacak kadar yaşarlar. Bazıları, yüksüz sigma parçacığı gibi, bir saniyenin yüz trilyonda biri kadarlık bir süreden sonra bozunurlar. 1960’larda, bu bile, varoldukları ancak bozunma ürünlerini açıklama zorunluluğundan yola çıkarak tanımlanabilecek kadar geçici parçacıkların keşfiyle geride bırakıldı. Rezonans parçacıkları olarak bilen bu parçacıkların yarı-ömürleri bir saniyenin birkaç trilyonda biri kadar bir zaman aralığındadır. Ama bu bile hikâyenin sonu değildi. Daha sonraları yüz elliden fazla yeni parçacık keşfedildi ve bunlar hadronlar olarak adlandırıldı. Durum son derece karışık bir hale geliyordu. Amerikalı fizikçi Dr. Murray Gell-Mann, atomaltı parçacıkların yapısını açıklama çabası içerisinde, bambaşka, çok daha elementer parçacıkları, kuarkları postüla etti ve bu parçacıklar bir kez daha “maddenin nihai yapı taşları” olarak müjdelendiler. Gell-Mann, altı farklı tip kuark olduğunu ve bu kuark ailesinin, leptonlar olarak bilinen daha hafif parçacıklardan oluşan altı üyeli bir aileyle paralellikler taşıdığını teorileştirdi. Artık her maddenin bu on iki parçacıktan oluştuğu farz ediliyordu. Bugüne dek bilimin bildiği bu en temel madde biçimleri bile karşıtların birliği diyalektik yasası gereğince tüm doğada gözlemlediğimiz aynı çelişik niteliklere sahiptirler. Kuarklar da çiftler halinde bulunurlar ve pozitif ve negatif yüke sahiptirler, her ne kadar bu yükler alışılmamış bir şekilde kesirlerle ifade edilseler de. 30

ROJ ÇALIŞMA GRUBU

Deneylerin maddenin bir sınırı olmadığını göstermesine rağmen, bilimciler halen “maddenin tuğlaları”nı boş yere araştırmakta ısrar ediyorlar. Bu tip ifadelerin, gazetecilerin ve kendi reklâmlarını yapmak için yanıp tutuşan bazı bilimcilerin sansasyonel uydurmaları olduğu doğrudur, ama daha da küçük ve elementer parçacıklar için yapılan araştırmalar kuşku yok ki doğanın işleyişine dair bilgi dağarcığımızı derinleştirmeye hizmet eden iyi niyetli bilimsel faaliyetlerdir. Bununla birlikte, insan kesinlikle şu izlenimi ediniyor; en azından bu adamların bazıları, bir çeşit nihai gerçeklik düzeyine ulaşmanın mümkün olduğuna, bu düzeyin ötesinde, hiç değilse atomaltı düzeyde, artık keşfedilecek hiçbir şeyin kalmadığına gerçekten de inanmaktalar. Kuarkın, her maddeyi oluşturduğu söylenen on iki atomaltı “yapı taşı”nın sonuncusu olduğu varsayılıyor. “Heyecan verici olan şey şu ki, bu, bildiğimiz şekliyle ve kozmoloji ve parçacık fiziğinin Standart Modelinde öngörüldüğü gibi, maddenin son parçasıdır, Dr. David Schramm «yap bozun son parçasıdır bu» açıklamasını yapıyor.”[4] Yani kuark “nihai parçacık”tır. Temel ve yapısız olduğu iddia edilir. Ama benzer iddialar geçmişte de önce atom için, sonra proton için, vs. dile getirilmişti. Ve aynı şekilde, gelecekte çok daha “temel” madde biçimlerinin keşfedileceğini büyük bir özgüvenle öngörebiliriz. Bugünkü bilgimizin ve bugünkü teknolojinin kuarkların sahip oldukları şeyleri belirlememize izin vermemesi olgusu, bize onların belli bir yapıya sahip olmadıklarını iddia edebilme hakkı vermez. Kuarkların özellikleri hâlâ incelenmeyi bekliyor, ve maddenin sonsuz özelliklerinin daha da derin bir sondajına giden yolu işaret eden, bu analizin başarılamayacağını varsaymak için hiçbir neden yoktur. Bilimin her daim ilerleme yolu bu olmuştur. Bilgiye bir kuşak tarafından dikilen sözümona aşılması imkânsız engeller, bir sonraki kuşak tarafından yerle bir edilir ve asırlar boyu bu böyle devam eder. Geçmiş deneyimlerin tümü bizlere, insanın bilgisinin bu diyalektik ilerleyiş sürecinin evrenin kendisi kadar sonsuz olduğuna inanmamız için her türlü nedeni sunmaktadır.

Kuantum Fiziğinin Garip Söylemleri (Bilim ve Teknik Derigisi'nden alınmıştır.) Üstüste Gelme Kuantum fiziğinin belki de en garip (ve en çok itiraz alan) yönü bir sistemin aynı anda birkaç farklı durumda bulunabilmesi. Parçacıklar doğal olarak böyle durumlara giriyorlar. Örneğin bir elektron tek bir noktada değil de değişik noktalarda bulunabilir. Max Born 1926 yılında de Broglie dalgalarının fiziksel bir dalga olmadığını, bir olasılık dalgası olarak 31

ROJ ÇALIŞMA GRUBU

yorumlanması gerektiği düşüncesini ortaya attı. Buna göre parçacıklar de Broglie dalgasının bulunduğu her yerde bulunur, bunlar dalganın güçlü olduğu yerlerde yüksek olasılıkla, zayıf olduğu yerlerde de düşük olasılıkla bulunuyor. Böylece parçacığın konumu doğal bir belirsizlik taşır. Max Born bu çalışmasından dolayı 1954 yılında Nobel ödülünü kazandı. Erwin Schrödinger, üstüste gelme ilkesinin yarattığı gariplikleri en açık biçimde ortaya koyan bir düşünce deneyi tasarladı. Schrödinger’in kedisi olarak bilinen bu deneyde bir kedi aynı anda hem diri hem de ölü olduğu bir duruma sokulabiliyordu. Hem mikroskobik ölçekte hem de bazı makroskobik cisimlerde var olduğu bilinen üstüste gelme olgusunun yorumu sürekli tartışma konusu olagelmiştir. Tünelleme Klasik fiziğe göre herhangi bir cismin kinetik enerjisi negatif olamaz. Dolayısıyla duvara attığım bir top duvarı delmeden öteki tarafa geçemez; çünkü duvarım getirmiş olduğu enerji engelini aşabilmek için klasik fiziğe göre duvarın içinden duvarı delmeden geçmek için negatif kinetik enerjiye sahip olmalıdır. Bu da klasik fiziğe aykırıdır. Kuantum kuramına göreyse, bir enerji engelini aşmak için yeterli enerjisi olmayan bir kuantum parçacığı , yine de bu engeli aşabilir. Yani engelin öteki tarafında bulunma olasılığı sıfır değildir. Kuramın tahmin ettiği ve doğruluğu deneylerle kanıtlanmış olan ve radyoaktivite gibi olguları açıklayan bu etkiye tünelleme adı verilir. Schrödinger Denklemi Bir kuantum sistemi hakkında bize her bilgiyi veren araç dalga fonksiyonu adı verilen bir fonksiyondur. Dalga fonksiyonunun uzaya ve zamana bağlı değişimini veren denklemi ilk bulan Avusturyalı fizikçi Erwin Schrödinger’dir. Bu yüzden denklem Schrödinger denklemi adıyla anılır. Schrödinger denklemine göre dalga fonksiyonunun zamana göre değişimini Hamiltonian adı verilen bir operatör kontrol eder. Hamiltonian operatörü (bazen enerji operatörü adıyla da anılır) sistemin enerjisi ile yakından ilgilidir. Kuantum sisteminin sahip olabileceği enerji değerlerini Hamiltonian operatörü belirler. Bunu veren denkleme de zamandan bağımsız Schrödinger denklemi adı verilir. Schrödinger denkleminin çözümü olan dalga fonksiyonunun karesi kuantum sistemi ile ilgili olasılıkları verir. De Broglie Dalgası 1923 yılında aristokrat bir aileden gelen Fransız fizikçi Louis de Broglie ışığın bazen dalga bazen de parçacık gibi davranmasından esinlenerek, diğer parçacıkların da dalga yönleri olabileceği savını ortaya 32

ROJ ÇALIŞMA GRUBU

attı. Buna göre momentumu p olan bir parçacığa dalgaboyu l=h/p olan bir dalga eşlik ediyor ve parçacığın özelliklerini tamamlıyordu. Nasıl bir gitar teli uzunluğuna bağlı olarak sadece belli frekanslarda titreşiyorsa, atomun çevresinde dolanan bir elektronun de Broglie dalgası da sadece belli dalgaboylarına sahip olmalıydı. Bu çeşit bir dalga 1913 yılında Bohr’un hidrojen atomundaki elektronların enerji seviyelerini bulduğunda yaptığı varsayımları açıklıyordu. Makroskobik cisimlerin momentumları çok daha büyük olduğundan, de Broglie dalgasının dalgaboyu ölçülemeyecek kadar küçüktür. Bu nedenle makroskobik cisimlerin dalga özellikleri gözlemlenemez. De Broglie’nin bu çalışması, kendisinin 1929 yılında aldığı dışında iki Nobel ödülü daha üretti. 1926’da Avusturyalı fizikçi Erwin Schrödinger, de Broglie’nin çalışmasını genişleterek kuantum kuramının temel denklemini elde etti ve 1933’te Nobel ödülünü aldı. 1927 yılında birbirlerinden bağımsız olarak ABD’de Davisson ve Germer, İngiltere’de de Thomson, bir kristale gönderilen elektronların tıpkı dalgalar gibi kırınıma uğradıklarını gösterdiler. Davisson ve Thomson’da 1937 yılında Nobel aldılar. Belirsizlik İlkesi Kuantum kuramının belirsizlik ilkesi, bir parçacığın bazı farklı özelliklerinin ikisinin de kesin olarak belirlenemeyeceğini söyler. Örneğin bir parçacığın konumuyla momentumu (momentum bir cismin kütlesiyle hızının çarpımıdır) aynı anda tam olarak ölçülemez. Kuantum kuramına göre parçacığın bu iki özelliğindeki belirsizliklerin çarpımı en az Planck sabiti h=6,626x10^-34 J.s kadardır. Konumu belli bir anda kesin olarak bilinen bir parçacığın momentumu sonsuz belirsizliktedir ve bu yüzden parçacık kısa sürede o noktadan ayrılır ve uzaya dağılır. Benzer şekilde momentumu kesin olarak bilinen bir parçacığın konumu sonsuz belirsizliktedir, yani böyle bir parçacık uzayın her köşesinde bulunabilir. Bu nedenle doğada rastlanan parçacıkların bulunduğu kuantum durumlarında parçacıkların hem konum hem de momentumu bir miktar belirsiz olmak zorunda. Alman fizikçi Werner Heisenberg, ünlü mikroskop örneğini bu ilkeyi açıklamak için geliştirdi. Bir parçacığın yerini "görerek" ölçmeye çalıştığınızı düşünün. Böyle bir ölçümde parçacığın üzerine ışık göndermek, dolayısıyla parçacıkla etkileşmek gerekir. Bu bile parçacığın konumunu tam olarak belirlemeye yetmez. Bu ölçümde en azından kullanılan ışığın dalgaboyu (l) kadar bir hata yapılır. Bunun yanı sıra ışık parçacıkla etkileştiği için ölçüm, parçacığın hızında bir değişmeye de neden olur. ışık parçacığa çarpıp yansıdığı için en az bir fotonun momentumu parçacığa aktarılır. Parçacığın momentumu ölçümden önce tam olarak bilinse bile, konumun ölçülmesi parçacığın momentumunu h/l kadar değiştirir. Bu 33

ROJ ÇALIŞMA GRUBU

nedenle, parçacığın yerini daha iyi belirlemek için daha kısa dalga boylu ışık kullansak bile, ölçümümüz momentumdaki belirsizliği arttıracak, ama her durumda ikisinin belirsizlikleri çarpımı en az h kadar olacaktır. Spin Parçacıkların uzaydaki doğrusal hareketleri dışında kendi iç dinamikleriyle ilgili hareketleri de vardır. Bu parçacıkları doğrusal değil de küçük kürecikler şeklinde düşünürsek, bu kürelerin kendi çevrelerinde dönmeleri de etkileri gözlemlenebilen bir hareket şeklidir. Bu hareket için İngilizce’de kendi etrafında dönmek demek olan "spin" kullanılır. Spin de bir açısal momentum türüdür. Fakat kuantum kuramı bazı parçacıkların (elektronlar gibi) spinlerinin gerçekten böyle bir dönme sonucu oluşmayacağını söylüyor. Bu rağmen dönme benzetmesi bir çok açıdan iyi bir açıklama biçimi gibi görünüyor. Kuantum kuramına göre spini "s" olan bir parçacığın spin durumu sadece (2s+1) değişik değer alabilir yada bu (2s+1) durumun üst üste gelmesiyle oluşabilir. Elektron, proton ve nötronların spinleri s=1/2 dir. Yani bu parçacıkları uzaydaki hareketlerinin dışında 2 değişik durumda da bulunabilirler. Zayıf etkileşimi ileten W ve Z parçacıklarının spini 1’dir. Bunlar da 3 değişik durumda bulunabilirler. Fotonlarsa ışık hızında hareket ettikleri için spinleri 1 olmasına karşın sadece iki farklı spin durumunda bulunabilirler. Bunların dışında bir kaç parçacıktan oluşmuş birleşik sistemlerin spinide hesaplanabilir. Örneğin helyum-4 atomunun spini 0 olarak hesaplanabiliyor. Spini olan bir çok parçacık spinlerinin yönüne bağlı olarak uzayda manyetik alan oluştururlar. Bu anlamda bu tip parçacıkları küçük birer mıknatıs olarak da düşünmek mümkün. Eğer elektronlar bir manyetik alandan geçirilirse, kendi mıktanatıslıklarının yönüne bağlı olarak değişik yönlere sapmaları gerekir. 1921 yılında Stern ve Gerlach bu deneyi yaparak elektronların sadece iki değişik yöne saptıklarını, böylece bu parçacıkların sadece iki farklı spin durumunda bulunabildiklerini göstererek kuantum fiziğinin en güçlü kanıtlarından birini elde ettiler

***

34

ROJ ÇALIŞMA GRUBU

KUANTUM KURAMI Ramazan Karakale 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 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? Yine kuantum kuramının kurucularından 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? Belirsizlik ilkesi nedir? Bu ilke araçlarımızın yetersizliğinin bir sonucu mudur?Her şeyi bilebilir miyiz? 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 biliyor misiniz? Tüm maddeler atomlardan ve her bir atom da pozitif elektirkle 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.s 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 35

ROJ ÇALIŞMA GRUBU

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 W.Heisenberg,ünlü belirsizlik ilkesini ortaya koydu . Fizikçiler arasındak 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.Gazların kinetik kuramı, klasik fiziğin çok önemli zaferlerinden biriydi. Bu kurama göre, hiç bir molekülü dışarı kaçırmayacak ideal bir gaz kabındaki N molekülün toplam enerjisi E olsun. Bu toplam ernerji(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 ve Sir James Jeans, 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. İşi 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 36

ROJ ÇALIŞMA GRUBU

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 fizğin 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 Kuantum kuramının temel fikirlerini önce1900 yılında Max Planck ortaya attı;ama sonraki açıklama ve matematik formülasyonlarda Einstein,Bohr, Schrödinger,Louis de Broglie, Heisenberg,Born ve Dirac'ın da aralarında bulunduğu çok sayıda bilim adamı rol oynadı. Kuantum kuramının keşfinin öyküsü, 1900 yılında ilk adım olarak Max Planck (1858-1947)'ın siyah cisim ışıma yasasını bulmasıyla başladı. Cisimler,bazen termik ışıma denen bir ışıma yayar. Bu ışımanın özellikleri, cismin sıcaklığına ve özelliklerine bağlıdır. Düşük sıcaklıklarda termik ışımanın dalga boyları,esas olarak kızılötesi bölgededir ve bu nedenle gözle görülmez. Cismin sıcaklığı yükseltilince,kızarmaya başlar. Sıcaklık daha da yükseltilirse,bir ampulün içindeki tungsten telin parlaması gibi, cisim beyazlaşır. Termik ışımanın ayrıntılı bir incelemesi, tayfın(spektrumun),kızıl ötesi, görünür bölge ve morötesi dalga boylarının sürekli bir dağılımından oluştuğunu gösterir.19. yy sonlarına doğru,termik ışımayı açaklamakta sorunlar görüldü. Temel sorun da bir siyah cisimden yayınlanan termik ışımanın dalga boylarının gözlenen dağılımının açıklanmasıydı.Tanım olarak siyah cisim,üzerine düşen tüm ışımayı(radyasyonu) soğuran ideal bir sestemdir. Bu da örneğin oyuk bir cismin içi ya da kovuğudur. Işıma,bu kovuğun duvarlarından yayılır. Klasik fiziğe göre,kovuğun duvarlarındaki atomlar,tüm dalga boylarında elektromanyetik dalgalar yayan bir titreşimler topluluğu olarak düşünülür.Belli bir sıcaklıkta dalga boyu ile ışık şiddeti ilişkisi büyük dalga boylarında kuramsal ve deneysel öngörülere uyduğu halde, dalga boyu kısaldıkça,ışık şiddetinin sonsuza doğru gitmesi gibi bir sonuçla karşılaşılıyordu.Hesaplar, çok uzak morötesinde aşırı derecede ışınım salınımı olması gerektiğini gösteriyordu. Bu çelişkiye mor ötesi felaket adı 37

ROJ ÇALIŞMA GRUBU

verilmişti. Kuşkusuz olup biten bu değildi,şu oluyordu: Işınım şiddeti belirli tipik bir dalga boyunda daha büyük ve daha küçük değerlerde sıfıra doğru yaklaşıyordu. Bir de klasik kurama göre tüm dalga boyları olanaklı olduğu için sonsuz bir toplam enerji yoğunluğu öngörülüyordu. Elbette, elektromanyetik alanda sonsuz bir enerji,fiziksel olarak olanaklı değildir. Fizikçiler,önceleri Planck’ın kuantum fikrini- doğanın kesintili bir özelliği olduğu fikrini- klasik Newton fiziği içine yerleştirme çabası güttüler. Max Planck,kara cisim ışıması üzerine çalışmasında fiziğe atomik süreçlerde kesintililik miktarının bir ölçüsü olan ‘h’ olarak simgelenen yeni bir değişmez(sabit) getirdi. 1900'de, Planck çalışmasını yaptığında fizikçiler atomların toplam enerji olarak bir değere sahip olabileceğini düşünüyorlardı-enerji sürekli olarak değişkendi. Fakat Planck’ın kuantum önermesi enerji değişiminin kuantlaşmış olduğu (niceliği olduğu ) anlamına geliyordu. Bir kuantum enerjisinin getirilişi klasik fizikte hiçbir temele sahip değildiyse de, henüz, yeni kuramın klasik kavramlardan köklü bir kopmayı gerektirdiği açık değildi. Belirttiğim gibi kuramsal fizikçiler,bu kavramı klasik fizikle uzlaştırmaya çalışıyorlardı Max Planck, o zaman "morötesi felaket" denen bir zorluğa çözüm yolu olarak bir öneri getirdi. Planck, enerjinin eş dağılım yasasısında öngörülen tek bir titreşim modunun alabileceği enerji miktarının belli bir değerden az olamayacağını kabul ederek çelişkinin önlenebileceğini önerdi. Işınımın belli büyüklükteki paketler halinde yayıldığını ileri sürdü.Planck, siyah cisim ışınımı için,tüm dalga boylarında deneyle tam bir uyuşma halinde olan bir formül buldu.Enerji dağılım eğrilerinin, sıcak cisimlerin denel emisyon eğrisine uydurulabilmesi için bu en küçük ışınım enejisinin E= hn (Planck sabiti çarpı ışığın frekansı) Kabul edilmesi gerektiğini kanıtladı. Burada E, bir paketin (fotonun) enerjisini;n, ışığın frekansını;h ise Doğa'nın yeni ve temel bir sabitini (Planc sabitini) gösteriyor. Kuantum sabiti de denen Planck sabiti(h) nin sayısal değeri pek küçüktür(santimetre-gram- saniye birimlerinde on üzeri eksi yirmi yedi veya Joule.saniye birimiyle 6626x10 üzeri -34). 60 Watt' lık bir elektrik ampülü, saniyede on üzeri yirmi iki(10e 22) adet ışık fotonu yayar. Buna göre ışınım yayan,titreşen moleküller kesikli birimlere sahip olabilir.Planck'ın kuramındaki ana unsur,kuantlaşmış enerji düzeyleri gibi köklü bir varsyımdır. Moleküller,foton denen ışık enerjisinin kesikli birimleri cinsinden enerji yayar ya da soğurur.Onlar bunu,bir kuantum dzeyinden diğerine sıçrayarak yapar. Ardışık iki kuantum düzeyi arasında enerji farkı bir fotonun enerjisine karşılıktır. 38

ROJ ÇALIŞMA GRUBU

Planck'ın çalışmasının,matematiksel işlemlerden daha fazlasını içerdiğini vurgulamalıyız. Gerçekten Planck,siyah cisim dağılım eğrisini çıkarmak için altı yıldan fazla uğraş verdi. Yayınlama problemi ile ilgili çalışmaları için"mutlak bir şeyler gösterir ve tüm bilimsel çalışmalarımın en yüce amacı olarak daima mutlağı aramaya çalıştığım için büyük bir şevkle çalışmaya koyuldum" demiştir. Bu çalışma,formülün fiziksel bir açıklamasını araştırmak ve kuantum kavramını klasik kuram ile uzlaştırmak için yaşamının büyük bir kısmını aldı. Bilim adamlarının önemli bir kesimi, tutucu devrimcilerdir. Deneysel kanıt ya da mantıksal ve kavramsal sorunlar onları yeni, bazen devrimci bir görüş açısına zorlayana kadar, denenip test edilmiş ilkelerden vazgeçmezler. Bu türlü tutuculuk, sorgulamanın kritik yapısının çekirdeğinde bulunur. Kuantum kuramının öncülerinden Werner Heisenberg “Modern kuram, doğrusunu söylemek gerekirse, gerçek bilimlere dışarıdan getirilen devrimci fikirlerden çıkmamıştır. Tersine, devrimci fikirler, klasik fiziğin programını tutarlı şekilde yürütmeye çalışan araştırmaya zorla girmişlerdir- onun doğasından çıkmışlardır.” demiştir. Yani eski kuantum kuramı, kuantumu klasik fizikle uzlaştıracak bir programı temsil etmiştir. Fotoelekrik Olay ve Einstein Kuantum kuramıyla ilgili ikinci adımı 1905'te Einstein attı. Einstein, fotoelektruk olayı, kuantum düşünücesini kullanarak açıkladı. Fotoelektrik olay,kısaca, ışığın metal yüzeyinden elekron koparmasıdır. Bu olayı,Maxwell in öngördüğü elektromanyetik dalgaları da ilk kez üreten Hertz keşfetmişti. Fotoelektrik olayın pek çok özelliği klasik fizik ya da ışığın dalga modeli ile açıklanamaz. Örneğin klasik fiziğe göre ışık şiddetine bağlı olarak her frekansta metal yüzeyinden elektron sökülmesi gerekirken ancak belli bir eşik değerinin üzerinde elektron koparılabiliyordu. Işığın frekansı, bir eşik frekansını aşarsa fotoelektrik olay gözleniyordu. Öte yandan yayınlanan fotoelektronların sayısı ışık şiddetiyle orantılıydı ;ama fotoelektronların maksimum kinetik enerjisi,ışığın şiddetinden bağımsızdı. Fotoelekronların maksimum kinetik enerjsi,ışığın frekansı arttıkça artıyordu. Elektronlar yüzeyden,düşük ışık şiddetlerinde bile,hemen hemen anında (yüzeye ışık düştükten milyarda bir saniye ) yayınlanır. Oysa klasik kurama göre elektronların metalden çıkmak için gerekli kinetik enerjiyi kazanmadan önce,gelen ışınımı soğurmak için bir zamana gereksinim olduğu düşünülüyordu. Işığın foton kuramına göre ise gelen enerji,küçük paketler halinde görünür ve fotonlarla elektronlar arasında birebir etkileşme vardır. Bir foton,bir elektron koparır. Bu, ışığın geniş bir alana düzgün olarak dağılmış bir enerjiye sahip olması düşüncesiyle çelişir. Einstein, fotoelektrik konulu 1905 yılı yazısında 39

ROJ ÇALIŞMA GRUBU

Planck’ın fikrini ele almıştır. Planck, ışık kaynaklarının kuantlaşmış enerji değişimi yaptıklarını varsaymıştı. Einstein bir adım ileri giderek, ışığın kendisinin kuantlaşmış olduğunu- ışık foton denen parçacıklardan oluşmuştu- varsaymıştır. Bu devrimci fikir, o zaman yerleşik olan ışığın dalga kuramına karşı bir çıkıştı-bu durum, fizikçilerin onu reddetmeleri için yeterli nedendi. Diğer fizikçiler, Einstein’in önerisini, yalnızca foton için pek doğrudan bir kanıt sayılamayacak olan fotoelektirik etkiyi açıkladığı için reddettiler. Fakat Einstein ışık konusunda dalga-parçacık ikili yapı kavramına sıkı sarıldı ve ışığın bu görünüşte çelişkili özelliklerini uzlaştırmaya çalıştı; ama başaramadı. Planck ve Einstein’in kuantum kuramını ilerleten teorik fikirleri, doğal fenomenlerin yepyeni bir alanını açan deneylere bir yanıttı. 19. yy’ın sonuna kadar, maddenin çok sayıda şaşırtıcı yeni özelliği keşfedilmişti; ilk kez olarak bilim adamları atomik süreçlerle doğrudan ilişki kuruyorlardı. Albert Einstein, 1905'te, foton kabulünü kullanarak fotoelektrik olayı açıkladı. Einstein bir ışığın ya da herhangibir elektromanyetik dalganın foonların bir paketi olarak düşünülebileciğini vasyadı. Einsteinin fotoelektirk olaya bakışı basitçe,bir fotonun tüm hf enerjisini metalin tek bir elektronuna verdiği şeklindedir.Buna göre kullanılan ışığa göre elektronun enerjisi hn,2 hn,3 hn... şeklinde,yani Planck enerji paketinin tam sayı katları şeklinde artıyordu. Einstein' in 1905 teki yazısı, Planck'ın kuantumlanma kavramını elektromanyetik dalgalara genişletti;ışık kuantumlarını tek tek gözlemleyebileceğimizi gösterdi. Çünkü yayılan her parçacık ( her elektron) metal atomuna çarpan bir ışık kuantumuna karşılık geliyordu. Elementlerin Parmak İzi: Atomların Tayf Çizgileri 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 pirizmadan geçirilirse,bütün frekansların yanyana 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 monoatomik iyonlar ise çizgili (hatlı) tayf verir. Elektrik deşarjına uğrayan düşük basınçlı gazlar ise sürekli spektrum değil, çizgi spektrumu yayınlar. Verilen bir çizgi spekturumunda dalga boyları,ışığı yayan elementin karakteristiğidir. Yani her element,tıpkı bir 40

ROJ ÇALIŞMA GRUBU

insandaki parmak izi gibi,kendine özgü bir spektrum oluşturur.En basit çizgi spektrumu,atom halindeki hidrojende gözlenmiştir. İki element aynı çizgi spektrumunu 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. İsviçreli 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 spektrumlara bulucularının onuruna Lyman, Paschen ve Brackett serileri denir. Atomların yaydığı ve soğurduğu karakteristik tayf çizgilerinin anlamı klasik fiziğin açıklayamadığı bir olaydı. Her element niçin belirli dalga boyunda tayf çizgileri yayınlıyordu? Ayrıca niçin her element yalnızcı yayınladığı dalga boylarını soğuruyordu?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 yanısıra bir elektronlu helyum(+1 yüklü helyum iyonu) ve lityum iyonu (+2 yüklü lityum iyonu) tayf çizgilerine başarıyla uygulandı. Bununla birlikte,kuram çok elektronlu atom ve iyonların karmaşık tayf çizgilerini açıklamakta yetersiz kaldı. Compton Olayı Einstein, 1919'da, E enerjili bir fotonun tek bir yönde gittiği (bir küresel dalga gibi değil!) ve E/c ya da hf/c'ye eşit bir momentum taşıdığı sonucuna vardı. Onun sözleriyle " bir ışınım demeti, bir molekülün hf enerji paketi yayınlamasına ya da soğurmasına neden olursa,moleküle, soğurma için demetle aynı yönde,yayınlama için zıt yönde hf/c kadar bir momentum aktarılır." Işığın ya da fotonun momentumu?! Arthur Holly Compton (1892-1962)(1927 Nobel fizik ödülü) ve Peter Debye(1884-1966, 1923'te, birbirinden bağımsız olarak,Einstein'in foton momentumu düşüncesini daha ileri götürdüler.Onlar, x-ışını fotonlarının elektronlardan saçılmasının,fotonları hf enerjili ve hf/c mmentumlu noktasal parçacıklar olarak varsaydılar ve foton -elektron çiftinin çarpışmasında 41

ROJ ÇALIŞMA GRUBU

enerjinin ve momentumun korunduğuna dikkat ederek açıklanabileceğini gösterdiler. Compton ve çalışma A.H. Compton arkadaşları,1922'den önce,x-ışınlarının elektronlardan saçılmasını açıklamak için klasik dalga kuramının yetersiz kaldığını gösteren kantlar topladılar. Klasik dalga kuramına göre,gelen Peter Debye Elektromanyetik dalgalar elektronları ivmelendirmeli,onları titreşmeye zorlayarak daha düşük frekansta yeniden ışıma yaptırmalıdır. Dahası saçılan ışınım frekansı ya da dalga boyu,klasik kurama göre gelen ışınımların örneğe çarptıkları zamana olduğu kadar gelen ışınımın şiddetine de bağlıdır. Bu öngörülerin aksine,Compton'un denel sonuçları,verilen bir açıda saçılan x-ışınlarının dalgaboyu kaymasının yalnızca saçılma açısına bağlı olduğunu gösterdi."bunların,pek çok fizikçiyi kuantum kuramının temelli geçerliliğine inandırmak için ilk denel sonuçlar olduklarını söylemek ne güzel!" Bu modelde foton,sıfır durgun kütleli "hf"enerjili bir parçacık olarak ele alınır(h,Planck sabiti; f, frekans). Fotoelektrik olay ve Compton olayı gibi olgular, ışığın foton (ya da tanecik) kavramını destekleyen çok uygun ve açık denel gerçeklerdir. Peki ışık,elektromanyetik dalga değil de foton sağanağı mıdır? Hayır,foton özelliği,ışığın bir özelliğidir;ama ışığın elektromanyetik dalga özelliği de vardır.Şimdi çok ilginç birdüşünceyi inceleyeceğiz:Işık,tanecikli yapıdaysa acaba taneciklerin de bir dalga boyu var mıdır? Broglie Dalgaları Anımsayacağınız gibi, Einstein,1905 yılında ışığın bir parçacık olduğu kuramını geliştirmişti. Bu fikir, ışığın bir elektromanyetik dalga olduğu gerçeğinin karşısında yer almıştı. 1909 yılı gibi erken bir zamanda o, gelecekteki ışık kuramının,ışığın parçacık ve dalga kuramlarını kaynaştıracağını söylemişti;ama bu yönde çok az gelişme olmuştu. Göründüğü kadarıyla ışığın ya parçacık ya da dalga olması gerekiyordu. Bir sonraki adımı,entellektüelce ilgilerin kendisini fiziğin ön saflarına sürüklemiş olduğu bir Fransız prensi olan Louis de Broglieyaparak, o kadar acıkça bir dalga olduğu görülen ışık bazen bir parçacık gibi- fotondavranabiliyor ise, o zaman, açıkça bir parçacık olan elektron da bazen bir dalga gibi davranabilir diye düşündü. Bu önemli fikirler,Broglie’nin elektronun dalga boyunu çıkardığı 1923 yılında yayımlanan iki yazısında anlatılıyordu. Broglie,elektronlar da gerçek dalgalar gibi kırınım gösterebiliyorsa,kendi düşüncesinin denel olarak doğrulanabileciğini 42

ROJ ÇALIŞMA GRUBU

belirtti. Bir okyanus dalgasının kıyıya çarpması gibi,bir engel etrafında dalgaların kırınımı,keskin gölgeler veren bir parçacık ışınının tersine,bir engel arkasında bükülüşünü gösterir. Ses, bir dalgadır,bu nedenle köşelerden geçen sesleri işitiriz,ses köşeler etrafında ‘bükülür.’ Bu yazılar, Broglie’nin doktora tezleri oldu. Onları inceleyen Fransız bilimci gönderdi. Einstein, bu fikirlere çok önem verdi ve diğer fizikçilerin dikkatini Broglie’nin yeni fikirlerine çekmek için çok çalıştı. Parçacıkların Dalga Özelliği Einstein, ışığın dalga özelliğinin yanısıra,ışığın frekansına bağlı olarak parçacık(enerji paketçiği) özelliği gösterdiğini açıklamıştı. Buna göre fotonun bir momentumu da tanımlanabilirdi. Momentum, parçacğın kütlesi ile hızının çarpımına eşittir. Bu kavram,tanecik ya da parçacıklara ilişkindir.Fotonun momentumu, mc, ışığın dalga boyuyla ters orantılıdır: mc =h/dalga boyu. 1923'te Fransız bilim adamı Louis Victor de Broglie(18921987) devrimci bir düşünce ortaya attı: hareket eden her taneciğin aynı zamanda bir dalga boyuna sahip olacağını kuramsal olarak gösterdi. Onun kullandığı mtematik,son derece basitti. Planck eşitliği ile Einstein eşitliğini birleştirdi.dalga boyu=h/mv idi. Elektronların dalga doğasını keşfettiği için 1929'da Nobel ödülünü aldı."Kuantum kuramının temel düşüncesinin,ayrık bir enerji miktarını,ona belirli bir frekans bağlamadan düşünmenin olanaksız görülmesidir" demiştir. De Brogile'ye göre elektronlar hem tanecik hem de dalga olarak ikili bir doğaya sahiptiler. Her elektrona,ona uzayda yol gösteren veya "yörünge çizen",bir dalga (bir elektromanyetik dalga değil!) eşlik ediyordu. Bu savının kayanağını 1929 Nobel ödül alış konuşmasında şöyle açıkladı: Louis de Broglie "Bir yanda,bir ışık taneciğinin enerjisi f frekansını içeren E=hf eşitliğiyle belirlendiği için,ışığın kuantum kuramı tamin edici bir şekilde gözönüne alınamaz. Şimdi salt bir tanecik kuramı bir frekansı belirlemek için bize hiçbir olanak vermez. yalnız bir sebepten dolayı,ışık halinde,bir tanecik ve aynı anda periyodiklik düşüncesini işe sokmaya mecburuz. Diğer yanda,atomda elektronların kararlı hareketinin belirlenmesi tam sayıları işe sokar ve bu noktaya kadar fizikte tam sayıları işe sokan yalnız girişim ve titreşimin normal kipleri olaylarıdır. bu gerçek bana elektronların sadece tanecik olarak gözönüne alınamayacağını,fakat onlara periyodikliğin de eklenmesi gerektiği fikrini öne sürdürdü." Elektronun Dalga Özelliği :Davisson-Germer Deneyi 43

ROJ ÇALIŞMA GRUBU

1927'de ABD'den C.Davisson ve L.H. Germer ile İngiltere'den George Paget Thomson ( J.J. Thomson'un oğlu) elektronun,tıpkı x ışınları gibi,kristalde kırınıma uğradığını gösterdiler ve elektronların dalga boylarını ölçmeyi başardılar. Onların önemli buluşu, Louis de Broglie'nin önerdiği madde dalgalarının ilk denel doğrulanması oldu. Davisson-Germer deneyinin amacı, De Broglie'inin önerisini doğrulamak değildi. Bilimde çok sık görüldüğü gibi onların buluşu, tesadüfen(rastlantı sonucu) yapıldı. Deney, düşük enerjili (yaklaşık 54 eV)elektronların boşlukta, nikel(Ni) bir hedeften saçılmasıyla ilgiliydi. Bir deney süresince nikel yüzey, vakum sisteminde kaza ile meydana gelen bir kırık yüzünden oksitlendi. Oksit tabakasını yok etmek için nikel hedef bir hidrojen buharı içinde ısıtıldıktan sonra yapılan deneyler,saçılan elektronların belli özel açılarda yoğun olarak en büyük ve en küçük şiddet sergilediklerini gösterdi. Sonuçta deneyciler,ısıtma sonucu nikelin büyük kristal bölgeleri oluşturduğunu,bu kristalik bölgelerde düzgün aralıklı atom düzlemlerinin elektron madde dalgaları için,birer kırınım ağı gibi işlev yaptıklarını anladılar. Bundan kısa süre sonra Davisson ve Germer tek-kristal hedeflerden saçılan elektronlar üzerinde daha yoğun kırınım ölçümleri yaptılar Sonç olarak onların bulguları elektronların dalga doğasını ve De Broglie bağıntısını doğrulamış oldular.Aynı yıl içinde İskoçya'lı G.P.Thomson da çok ince altın plakadan elektronlar geçirerek elektron girişim desenleri gözledi. Girişim desenleri helyum atomları,hidrojen atomları ve nötronlar için de gözlendi. Böylece madde dalgalarının evrensel doğası değişik yollarla ortaya konmuş oldu. Bir kere daha soralım: Işık bir parçacık akını mıdır yoksa bir dalga mıdır? Yanıt,her ikisidir. Hem böyle,hem öyle... Maddenin dalga ve ışığın hem dalga hem parçacık özelliği göstermesi ,bu ikili doğayı anlama problemi kavram olarak çok zordur. Çünkü bu iki model birbirine tümüyle zıt görünür. Bu problem daha önce,ışığa uygulanırken tartışıldı. Niles Bohr, tamamlayıcılık ilkesiyle bu problemi çözmeye yardım etti. Bu ilkeye göre,madde ve ışınımın dalga yahut parçacık modelleri birbirini tamamlar hiçbir model ayrı ayrı madde ve ışınımı tam olarak tasvir etmek için kullanılamaz. Tam olarak anlama ancak,iki modelin birbirini tamamlayıcı bir biçimde birleştirilmesiyle sağlanır. Peki tanecikler dalga özelliği gösterdiğine göre bunu gündelik yaşamda niçin gözlemlemiyoruz? Belki "benim dalgam nerede,onu görebilir miyim" diye soruyorsunuz. Bunun yanıtı maddelerdeki dalga boyunun çok çok büyük olmasıdır. Örneğin saniyede 27 m hızla giden bir beyzbol topununu (0.145 g) dalga boyu 10 üzeri 34 metredir. Broglie’nin elektron dalgaları tezini duyan fizikçilerdenbiri Avustuyalı Ervin Schrödinger idi. Schrödinger, dalga fikirinin önemi üzerinde düşündü 44

ROJ ÇALIŞMA GRUBU

ve elektron bir hidrojen atomunun bir kısmı ise uyması gerekecek olan bir denklem geliştirdi. Bu denklemi kullanarak, hidrojenin ışık tayfını çıkardıbu yıllarca önce Bohr’un bulduğu ile aynı idi. Elektronun bir dalga olduğu şeklindeki ilginç düşünce niceliksel olarak gösterilmişti. Schrodinger’in yazısı Ocak1926'da yayımlanmıştı. Bu yazı, atomun yeni mekaniğini formüle etmenin bir başka yoluydu, tümüyle genel bir yol olan dalga mekaniğinin temelini atmış oldu. “Schrödinger denklemi”, her tür kuantum problemine uygulandı. Bir dizi deney, Schrödinger’in ve Broglie’nin elektronların kırımın gösterdikleri öngörüsünü destekledi-söz konusu olan dalgaların gercek dalgalar olduğu konusunda hiç şüphe yoktu. Fakat ne dalgaları? Broglie-Schrödinger dalgalarının yorumu sorunu yeni dalga mekaniğinin merkezi sorunu oldu. Elektron Mikroskobu Elektronların dalga özelliklerine bağlı pratik bir alet, elektron mikroskopudur. Bu mikroskop, pek çok yönden normal bileşik mikroskoba benzer. İkisi arasında önemli bir fark, elektron mikroskopunun daha büyük bir ayırma gücünün olmasıdır. Çünkü elektronlar,çok yüksek kinetik enerjilere kadar hızlandırılabilir. Bu da onlara çok kısa dalga boyları kazandırır. Herhangibir mikroskop,cismi görüntülemek için kullanılan ışığın dalga boyunun büyüklüğü ile karşılaştırılabilen ayrıntıları belirleme yeteneğindedir. Tipik olarak,elektronların dalga boyları,optik mikroskopta kullanılan görünür ışığın dalga boylarından yaklaşık 100 kez daha kısadır. Bunun sonucu olarak elektron mikroskopları yaklaşık yüz kez daha küçük ayrıntıları ayırtedebilir. Mikroskopun çalışmasında,bir elektron demeti incelenecek maddenin ince bir dilimi üzerine düşer. İncelenecek kesit,elektronların soğurulması veya saçılması gibi istenmeyen etkileri en aza indirmek için,çok ince, tipik olarak birkaç yüz angstrom( santimetrenin milyonda biri kadar) mertebesinde olmalıdır. Alman fizikçi Ernst Ruska (1906-1988)bu dalga özelliğini ilk elektron mikroskopu için kullandı ve 1986'da Nobel fizik ödülünü aldı. Burada akla şöyle bir soru gelebilir:"Işık,dalga benzeri özellikler gösterdiği zaman bir foton olarak nasıl gözönüne alınabilir? Işığı bir yandan

45

ROJ ÇALIŞMA GRUBU

Ernst Ruska Enerji ve momentuma sahip olan fotonlar yardımı ile tasvir ederiz,diğer yandan ışık,diğer elektromanyetik dalgalar gibi girişim ve kırınım olayları sergiler. Bu girişim ve kırınım olayları sadece dalga yorumunda mevcuttur. Hangi model doğrudur? Işık bir dalga mıdır,yoksa bir parçacık mıdır? Bu soruya yanıt,gözlenmekte olan özel olaya bağlıdır.Bazı deneyler foton kavramı temeline dayalı olarak daha iyi açıklanabilir,bazıları ise dalga modeliyle daha iyi tasvir edilir: Sonuç olarak,her iki modeli de gözönüne almak ve ışığın gerçek doğasının tekil klasik görüntü içinde tasvir edilemediğini kabul etmek zorundayız. Bununla birlikte,bir metalden fotoelektronlar çıkarabilen aynı ışık demetinin bir ağ tarafından kırınıma uğratılabileceğini de anlamak zorundasınız. Başka bir deyişle,ışığın foton ve dalga kuramı birbirinin tamamlayıcısıdır. Fotoelektrik ve Compton olaylarının açıklanmasında ışığın tanecik modelinin başarısı birçok başka soruyu da beraberinde getirdi. Eğer foton bir tanecik ise enerjisini ve momentumunu belirleyen taneciğin "frekansı" ve "dalga boyu" nun anlamı nedir? Işık aynı anda bir dalga ve bir tanecik midir? Fotonların durgun halde hiçbir kütlesi olmamasına karşın "hareketli" bir fotonun kütlesi için basit bir ifade var mıdır? Eğer bir "hareketli" fotonun kütlesi varsa,fotonlar kütle çekimi uygular mı? Bir fotonun uzayı nedir ve bir elektron bir fotonu nasıl soğurur veya saçar? Bu soruların bazılarına yanıt vermek mümkünse de bazıları gerçeğin ta kendisi olan atomik süreçlerin kavranmasına ihtiyaç gösterir. Dahası, bu soruların çoğuna çarpışan bilardo topları ve sahile vuran su dalgaları gibi klasik benzetmelerle yanıt verilebilir. Kuantum mekaniği,ışığın dalga ve tanecik modellerinin her ikisini de gerekli görür ve birbirinin tamamlayıcısı olarak alma suretiyle,ışığa çok daha akıcı ve esnek bir doğa verilmesini sağlar. Hiçbir model tek başına ışığın bütün özelliklerini belirlemede kullanılamaz. Ancak iki model birbirinin tamamlayıcısı olarak birleştirilirse gözlenen ışık davranışlarının tamamını anlamak mümkün olur. Fotonların elektromanyetik dalgalarla nasıl uygunluk gösterdikleri belki aşağıdaki şekilde anlaşılabilir.Uzun dalgaboyu radyo dalgalarının tanecik özelliği göstermediklerinden kuşkulanabiliriz. Örenğin 2.5 MHz frkanslı radyo dalgalarını gözönüne alalım Bu frekansa sahip bir fotonun enerjisi sadece 10 üzeri eksi 8 eV dolayındadır. Pratik olarak bu enerji tek bir fotono gözleyemeyecek kadar küçüktür.Çok duyarlı bir radyo alıcısı,gözlenebilir bir işaret oluşturmak için bu fotonlardan 10 milyar tane kadar foton ister. Bu kadar çok sayıda foton ortalama olarak,sürekli bir dalga gibi görülecektir. her saniye sayaca ulaşan bu kadar çok sayıda 46

ROJ ÇALIŞMA GRUBU

fotonla sayaç sinyalinde herhangibir tanecikli yapının ortaya çıkması beklenemez. Yani antelere çarpan fotonlar tek tek gözlenemez. Peki daha yüksek frekanslara yani kısa dalga boylarına gidildiğinde ne olup biter? Görünür bölgede ışığın hem foton,hem de dalga özelliklerini gözlemek olasıdır. Daha önce belirttiğimiz gibi ışık demeti girişim olayları gösterir ve aynı zamanda fotoelektronlar üretebilir. Fotoelektronlar,Einstein'in foton kavramını kullanarak en iyi şekilde anlaşılabilir. Daha yüksek frekanslarda ve onlara karşılık gelen daha kısa dalga boylarında fotonun enerjisi ve momentumu artar. Dolaysıyla ışığın foton(tanecik) doğası dalga doğasından daha açık olarak ortaya çıkar. Örneğin,bir x-ışını fotonunun soğurulması bir tek olay olarak kolayca gözlenebilir. Bununla birlikte,dalga boyu küçüldükçe girişim ve kırınım gibi dalga olaylarının gözlenmesi daha güç olur. Gama ışınlarında olduğu gibi çok yüksek frekanslı ışınımların dalga doğasını ortaya çıkarmak çok sayıda dolaylı yöntem gerektirir. Elektromanyetik ışınımın tüm biçimleri iki görüş noktasından anlatılabilir. Bir uçta, elektromanyetik dalgalar çok sayıda fotonun oluşturduğu ayırntılı girişim desenleri tasvir ederler. Diğer uçta,çok kısa dalga boylu oldukça yüksek enerjili fotonlarla uğraşıldığı zaman foton tasviri doğal olmaktadır. O haldeIşık ikili bir doğaya sahiptir: ışık,hem foton hem de dalga özellikleri gösterir. 1952 yazında, Kopenhag' da atom fiziğinin eski dostları bir kongrede bir araya geldi. Heisenberg, Niels Bohr ve Wolfgang Pauli ile aralarında geçen bir konuşmayı anlatır : "Üçümüz, bir kış bahçesinde oturduk ve kuantum teorisinin tamamıyla analaşılıp 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 felfe konferansı vardı.Burada Viyana okulunun üyeleri büyük rol oynadılar.Bu Genç Heisenberg filozofların önünde kuantum kuramının yorumunu yapmaya çalıştım. Konferansı verdikten sonra karşıt hiçbir düşünceyle ve zor herhangibir 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."

47

ROJ ÇALIŞMA GRUBU

Aşağıdaki bölümü Heinz R. Pagels'in Kozmik Kod'undan aktarıyorum: Heisenberg Helgoland’da Max Born şöyle demiştir:“Eğer Tanrı dünyayı mükemel bir mekanizma yapmışsa, en azından, mükemmel olmayan zihnimize, onun küçük kısımları hakkında kestirimde bulunuabilmek için, sayısız diferansiyel denklem çözmemiz gerekmeyecek, zarı oldukça başarılı şekilde kullanabilecek kadar ihsanda bulunmuştur. “ Helgoland, Kuzey denizinde Kuzey Almanya’nın sanayi kenti Hamburg’tan uzak olmayan, yüksek kırımzı kayalıkları ve serin deniz rüzgarları olan küçük bir adadır. Werner Heisenberg matris mekaniğini-yeni kuantum kuramının ilk adımını- burada gelştirmiştir. Heisenberg, Birinci Dünya Savaş'nda eski nesle güvensizlik dahil olmak üzere farklı bir yapıyla çıkan yeni kuşak(nesil) fizkçilerdendi. Heisenberg,değerli bir şey, yakın geçmişin yıkamadığı bir şey bulmaya koyulan pak çok Alman öğrenciden biri idi. Bir klasikçi olan babası ona Yunan felsefesi ve edebiyatına karşı sevgi aşılamıştı.Genç Heisenberg, zeki bakışlı gözleri,gelişigüzel kesilmiş saçı, şortları ve şiddetli bir yarışma duygusu ile savaş sonrası Alman gençliğinin imajına sahipti. Heisenberg, klasiklere güçlü ilgi duymasına rağmen, bilime yöneldi. 1921'de kendisini, “Bohr Festvali” olarak bilinen festivalde Göttingen’de Neils Bohr’un konuşmasını dinlemek üzere davet eden Arnold Sommerfield ile birlikte Münih’te çalışmaya gitti. Heisenberg, saf matematikçi olmaya eğilimliydi;ama Bohr ile yaptığı uzun tartışmalardan sonra, atom kuramı sorunundan etkilendi ve bir kuramsal fizikçi olmaya karar verdi. Heisenberg soyut matematik alanın fizikteki zor yeni problemlerin çoğuna uygulanabileciğini kavradı-saf fikirler ile onu heyecanlandıran gerçek dünya arası bir bağlantı. Bunun üzerinde düşünen Heisenberg daha sonraları “Belki daha da önemli bir şey de öğrendim; bilimde neyin doğru neyin yanlış olduğu konusunda bir karar her zaman verilebilir. Bu bir inanç sorunu, dünya bakışı veya önerme değildir; belli bir ifade basitce doğru ve başka bir ifade yanlış olabilir. Ne kökten ne de soy bu sorunu çözemez; buna doğa, ya da tercih ederseniz Tanrı karar verir diyelim;ama hiçbir durumda insan karar vermez.” dedi.. kendinden bir nesil nceki Einstein gibi, Heisenberg kozmik yasayla, evrenin iç mantığıyla karşılaşmıştı. Fizik kanalıyla, evrenin ta ruhunu tanıyabılırdi, bu son zamanlarda insanların o karar fazla acı çekmesine yol açan politiki olayların çok ötesinde bi bilgiydi. Hesisanbarg, 1924'te Sommerfield ile doktora çalışmasını tamamladıktan sonra Kopenhag’ta Bohr’a katılmaya ve yeni atomik teori üzerinde çalışamya gitti. Bohr her zaman ziyaret etmiş olduğu Manchester’deki Rutherfod’un laboratuvarı gibi fizikçilerin resmi öğrenci-profesör ilişkisinin karışmadığı 48

ROJ ÇALIŞMA GRUBU

bir ortamda problemlerni tartışışabileceği bir yer istemişti.1920'de Carlysberg bira işletmeleri dahil olmak üzere Danimarkalı işadamlarının yardımıyla Kopenhag’da ‘Niels Bohr Enstitüsü’ olarak tanınan bir enstitü kurmuştu.Bohr, atomların problemleri züzerinde çalışmak üzere Avrupa, Amerika ve Sovyetlerd Birliğinden genç ve parlak öğrencileri çevresine toplardı. Heisenberg burada yaratıcı gücünü harekete geçiren entellektüel bir ortam buldu-bu yakında yeni bilimsel kuruluş haline gelecek olan bir dahiler topluluğu idi.Bu öğrenciler parlak zekalı, küstah ve parasızdılar. Genel kamuoyu onların çalışmalarıyla pek ilgilenmiyordu ve pek anlamıyordu,fakat bu ilgi eksikliği onların cesaretini kırmadı. Onlar, gerçeklik anlayışını dönüştürecek bir bilimsel devrim yaratmakta olduklarına inanıyorlardı. Heisenberg, Bohr ile bir yıl çalıştı; sonra, Almanya’da Göttingen Ünvirsitesi'nde fizik enstitüsü müdürü Max Born’a asistanlık etmek üzere oradan ayrıldı. Pek çok fizikçi gibi Heisenberg de atomik tayf çizgileri bilmecesi ile boğuşuyordu. Heisenberg aynı zamanda,Göttingen’de bir saman nezlesi nöbeti ile boğuşuyordu ve dinlenmek için Helgoland’a gitmeye karar verdi. Burada şimşek çaktı ve Heisenberg birgün bir gece içinde yeni bir mekanik keşfetti. Yazısı Temmuz 1925'te tamamlanmıştı.1900'deki Planck’ın daha önceki fikrine benzer şekilde W.Heisenberg’in fikrinin tarihi olarak öncesi yoktu,şimşek çakmış ve tek bir kaya sallanmıştı. Bunu bir çığ izledi. Heisenberg, Yunan felsefesine, özellikle atomları parçaları olan şeyler olarak değil,kavramsal olarak düşünen Platon (Eflatun) ve atomistlere ilgi duyuyordu. Fizikçilerin çoğu atomların fiziksel resimlerini yapmayı denediler,fakat Heisenberg,Yunanıllar gibi, atomların Güneş sistemine benzeyen,elektronların belirli yanrıçaplarda çekirdeğin etrafında döndüğünü gösteren resimlerinden uzak durmak gerektiği görüşünde idi. O atomların ne olduklarını değil, ne yaptıklarını-enerji geçişlerini-düşünüyordu. Matematiksel olarak ilerleyerek, atomların geçişlerini sayıların bir dizisi olarak tanımladı. Dikkate değer matematiksel becerilerini kullanaratak, bu sayı dizilerinin uyduğu kuralları buldu ve bu kuralları atomik süreçleri hesaplamakta kullanndı. Yeniden kopenhag’a gitmek üzere ayrılmadan önce, çalışmasını Max Born’a gösterdi. Born, Heisenberg’in sayı dizisinde matrisler matematiğini kavradı. bir matris, basit bir sayı fikrini sayıların kare ya da dikdörtgen şeklindeki dizisine doğru genelleştermektir. Matematikçiler tarafından böyle matrislerin çarpımı ve bölümü için tutarlı cebirsel kuralllar geliştirilmeşti. Born, öğrencisi Pascual Jordan’ın yardımını istedi ve ayrıntılar üzerinde birlikte çalıştılar. Born ve Jordan, Heisenberg’in fikirlerini genişleten,atomik enerji geçişleri için matris 49

ROJ ÇALIŞMA GRUBU

cebirinin önemine işaret eden bir yazı yazdılar. Bir şekilde basit sayılar yerine matrisler atomun tanımlanması için doğru dili sağlıyordu. Matrisler Klasik fizikte, bir parçacığın hareketin tanımlayan fiziksel değişkenler basit sayılardır. Örneğin, bir parçacığın sabit bir noktadan uzaklığı olarak konumu (q) 5 ayak olabilir (q=5;momentumu (p=parçacığın kütlesiyel hızının çarpımı) 3 olarak gösterilebilir(p=3). 5 ve 3 gibi basit sayılar çarpmanın yer değiştirme yasasına ( çarpanların yeri değişse de çarpımın değişmeyeceği yasasına) uyarlar; yani, 3x5=5x3=15 çarpanların sırası önem taşımaz. Benzer şekilde klasik fizikte, bir parçacığın konumu ve momentumu için, bu değişkenler her zaman basit sayılar oldukları için yer değiştirme yasasına uyar: pxq=qxp Yeni matris mekaniğinin ana fikri bir parçacığın konumu ve momentumu gibi fiziksel değişkenlerin artık basit sayıler değil, matrisler olmasıdır. Matrisler, zorunlu şekilde çarpmanın yer değiştirmesi yasasına uymaz- yani pxq’nun qxp’ye eşit olması zorunlu değildir. Born ve Jordan’ın yazısında, bir parçacığın konumu p ve momentumu q’yu temsil eden matrisler için bir ilişki yer alıyor,pxq ile qxp’nin farkının Planck sabiti h ile orantılı olduğu söyleniyordu. Planck sabiti h’nin sıfır olduğu bir sürekli dünyada yaşasaydık, o zaman p ve q matrisleri basit sayılar gibi yer değiştirme yasasına uyacaklardı-tıpkı eski klasik fizikte olduğu gibi. Fakat gerçek dünyada h, çok küçük olmasına karşın,sıfırdan farklı olduğu için, bir parçacığın konumu p ve momentumu q artık eski sayılar gibi düşünülemezonların matrisler olarak temsil edilmeleri ve klasik mekaniğin yer değiştirme yasalarına değil, yeni matris mekaniğini yer değiştirme özelliği olmayan yasalarına uyması gerekir. Bu ne anlama gelebilir di? Pek çok insan gibi fizikçiler de bir parçacığın konumunu, basit bir sayının temsil ettiği belirli bir değer olarak düşünürler. Fakat yeni matris mekaniğinde, bir parçacığın konumu bir matris ile tanımlanıyonru-basit bir sayı ile değil. O zaman bir kuantum parçacığının ‘gerçek’ konumu ne idi? Burada ilk defa olarak, şaşırtıcı olan yeni mekaniğin matematiğini fiziksel olarak yorumu problemi gündeme geldi. Bu, gelecek yıllarda kuantum fizikçilerinin mücadele edeceği bir problemdi. Heisenberg, Kopenhag’ta Born ve Jordan’ın son çalışmalarını öğrendiğinde, bir matrisin ne olduğunu bilmiyordu;fakat çabucak öğrendi. Daha sonra aynı yıl, 1925'te, İngiltere’de Cambridge’deki Cavendish Laboratuvarı'nı ziyaret etti ve konuk bir Sovyet deneycisi olan Peter Kapitza’nın çalışmaları ile ilgili çalışması konusunda bir seminer verdi. Dinleyeciler arasında 23 yaşında, parlak bir matematiksel fizikçi olan Paul Dirac da vardı. Dirac, Heisenberg’in çalışmasının özünü hemen anladı. 50

ROJ ÇALIŞMA GRUBU

heisenberg’in Cabridge’i terkedişinden kısa süre sonra, Dirac yeni matris mekaniğini formüle eden açık bir yazı yazdı ve onun klasik mekaniğin yerine geçen tam dinamik bir teori olduğunu gösterdi. Bu arada Göttingen’de, Kopenhag’taki Heisenberg ile mektupla işbirliği halinde çalışan Born ve Jordan, biraz farklı bir yoldan aynı sonuca vardılar.Biri Dirac, diğeri Born, Jordan ve Heisenberg tarafından ortaklaşa yazılan iki yazı-her ikisi de Heisenberg’in Helgoland’daki kavrayışı tarafından kıvılcımlanmıştı-matris kuantum mekaniğinin başlangıcını belirler. Yeni matris mekaniği, fizikçilerin araştırdığı Newton’un klasik mekaniğinin matematiksel değişiklik yapılmış şekli idi-tıpkı daha önceki klasik mekanik gibi, hareket eden parçacıkların matematiksel olarak tanımını veriyordu. Fakat bunun ötesine de gitti. Kuramsal fizikciler yeni bir matematiksel kuram yaratmışlardı ve şimdi büyük bir heyecan iel şu sorya yöneldiler: Yeni kuram gerçekten doğayı tanımlıyor muydu-matris mekaniği atomun doğru kunatum kuramı mıydı? Pauli ile Bohr'un Tartışması Heisenberg,Kopenhag’da yeni matris yöntemlerini hidrojen atomunun ışık tayfını belirlemede kullanma konusu üzerinde çok çalıştı. Bohr bu problemi halihazırda çözmüştü, fakat yeni yöntemin aynı sonucu verip verlmeyeceğini görmek ilginç olacaktı. Bu problemin çözümü atılgan ve zeki genç fizikçi Wolfgang Pauli’ya düştü. Bir arkadaşı W.Pauli’den bahsederken, onun kabalığı ile kibarlığını ayırtetmenin mümkün olmadığını söylemişti. Pauli fikirlerin acımasız eleştirmeni idi ve bazen yazılarına “Tanrının Gazabı” diye imza atıyordu. Pauli, Münih’te Arnold Sommerfield ile bir öğrenci iken, özel görecelik kuramı üzerine yazdığ açık bir ansiklopedi yazısı nedeniyle bilimsel bir saygınlık kazanmıştı. Bir defasında Einstein bir konuşma yapmak üzere Münih’e geldiğinde konuşmasının sonunda 19 yaşındaki Pauli kalkıp “Bildiğiniz gibi bay Einstein’in söyledikleri o kadar aptalca şeyler değil” demişti. Daha sonra Bohr ile çalışmak üzere Kopenhag’a gittiği zaman Pauli, Bohr ile uzun tartışmalar yaptı. Bir defasında, Bohr ile ateşli bir tartışmanın sonunda Pauli, Bohr’a “Sus! Aptallaşıyorsun” dedi. Bohr,bunu protesto ederek”fakat Pauli..”dedi;ama Pauli sözlerine ederek “Hayır bu aptalca. Başka bir söz dinlemeyeceğim” dedi. Bu konuşma, onun ne tür bir kişiliği olduğunu gösteriyordu. Hiçbir entellektüel ikiyüzlü veya bayağı düşünür Pauli ile geçinemezdi;ama maalesef, yanıldıkları konusunda ise doğru düşünceleri olan fizikçiler de Pauli tarafından yenilgiye uğratılırlardı. Pauli matris matematiğinde hızla uzmanlaştı;hidrojen atomunun ışık tayfı problemini çözdü ve Bohrr’un daha önce elde etttiği aynı sonucu 51

ROJ ÇALIŞMA GRUBU

buldu. Pauli, aynı zamanda, bir elektirksel veya manyetik alan konmuş bir hidrojen atomunun ışık tayfını da belirledi,bu problemin çözümü daha önce bulunamamıştı. Yeni matris mekaniğini gücü açıktı. Fizikçiler yeni matris mekaniğinden atomun veya kuantum süreçlerinin bir resmini elde etmediler-bu mekanik kesin olarak fiziksel bir resim yapmayı engellemek üzere bulunmuştu. Dirac ve Heisenberg’in tavrı, doğanın tutarlı bir matematiksel tanımını fizikte gerçeğe giden yol olduğu görüşünde açıklanıyordu. Atomik dünyanın gözde canlandırılması gerçeği,kalisk fizikten devralınmış bir tavırdı ve yeni matris kuramına uygun değildi. Pek çok fizikçi bu durumdan memnun değildiler ve Bohr, Born,Jordan,Heisenberg, Dirac ve Pauli yeni matris mekaniği üzerinde çalışırlarken,dalga mekaniğinin bulunuşu ile sonuçlanan alternatif bir atom kuramı geliştirildi. Madde Dalgaları mı Olasılık Dalgaları mı? Elektronun dalga özelliği göstermesi ne demek? Elektron bir parçacık değil mi? Parçacık ise dalga özelliği gösteriyorun anlamı nedir?İlk yorumlardan birini Schrödinger’in kendisi getirdi: elektronun bir parçacık olmadığını,bir okyanus dalgasının su dalgası olması gibi, onun da madde dalgası olduğunu ileri sürdü. Onun yorumuna göre, parçacık fikri yanlıştı ve yalnızca yaklaşık olarak doğru idi. Yalnız elektronlar değil, tüm kuantum nesneleri küçük dalgalardı-ve doğanın tamamı büyük bir fenomenler dalgası idi. Bu “madde dalgası” yorumu, Max Born önderliğindeki Göttingen grubu tarafından reddedildi. Onlar, tek tek parçacıkların Geiger sayacı ile sayılabildiğini veya Wilson sis odasında izlerinin görülebildiğini biliyorlardı. Elektorun “tanecekli” yapısı-gerçek bir tanecik gibi davrandığı gerçeği- bir varsayım değildi. Peki o zaman, bu dalgalar ne dalgası idi? Bu kafa karıştırıcı ve önemli soruya yanıt veren Max Born’un kendisi oldu. Onun yorumu, zar atan Tanrının doğuşunu ve fizikte Determinizmin sonunu işaret eder. Bu yorum,Haziran 1926'da, Schrödinger’in yazısından altı ay sonra yapıldı ve fizikçiler topluluğunda çok sıkıntı yarattı. Born, BroglieSchrödinger dalga fonksiyonunun, bir elektonun belli bir noktada bulunma olasılığını belirlediği yorumunu getirdi. Uzayda hareket eden bir dalga düşünelim. Dalganın yüksekliği bazen ortalama düzeyin üstünde, bazen de altındadır. Dalganın yüksekliğine dalganın genliği deniyor. Born’un söylediği şey, uzayın herhangi bir noktasında dalga genliğinin karesinin bir elektronu orada bulma olasılığını verdiği idi. Örneğin, uzayın dalga genliğinin büyük olduğu bölgelerinde bir elektronu orada bulma olasılığı da yüksektir; belki de iki de bir oranında elektron orada bulunacaktır. Benzer şekilde, dalga genliğinin küçük olduğu 52

ROJ ÇALIŞMA GRUBU

yerde, elktronu bulma olasılğı düşüktür-diyelim ki onda bir. Elektron, her zaman gerçek bir parçacıktır ve onun Schrödinger dalga fonksiyonu yalnızca onu uzayda bir noktada bulma olasılığını belirler. Born, dalgalarınSchrödinger’in yanlış olarak varsaydığı gibi- madde olmadığını, onların uzay ve zamanda noktadan noktaya değişebilen tek tek parçacıkların yaratılışına ilişikin istatistikler gibi olasılık dalgaları olduğunu kavradı. Kuantum parçacıklarının bu tanımı doğal olarak istatitikseldir-onları kesin olarak izlemek mümkün değildir.Fizikçilerin en fazla yapabildiği şey, bir parçacığın olası hareketini belirlemektir; dalga şeklini ve böylece bir kuantum parçacığının belli özelliklere sahip olma olasılığını kestirmektir Klasik iziğin yaptığı gibi, bu özelliklerin tek tek ölçümlerinin sonuçlarını kesin olarak kestiremez. Born, atomik çarpışma deneylerini dikkatli şekilde analiz ederek yorumunun tutarlılığını gösterdi. Kuantum atomik dünyasını nasıl düşünmemiz gerekiyor? Atomlar, fotonlar ve elektronlar gerçekten parçacıklar olarak vardır,fakat onların özellekleri-uzaydaki yerleri, momentumları ve enerjileri gibi- yalnızca beklenmedik durum olma temelinde vardır. Bir tek atomun bir kart destesi olduğunu ve o atomun belle bir enerji düzeyinini desteden alınan bir poker eline karşılık geldiğini düşünün. Poker elleri hesaplanabilen olasılıklara sahiptir-kart oyunu teorisi kullanarak,kağıdı dağıtan kişiden belli bir elin alınışının olasılığı kesin olarak belirlenebilir. Bu teori bir kağıt dağıtımının sonucu hakkında kestirimde bulunmaz. Bu tür determinizm istemek desteye bakmayı-hilekarlığı- gerektirir. Born’a göre,BroglieSchrödinger dalga fonksiyonu tıpkı kart oyunu kuramının belli bir elin olasılığını belirlemesi gibi,bir atomun belli bir enerji düzeyine sahip olma olasılığını belirler.Kuram, kart oyunu kuramının belli bir kart dağıtımının sonucu hakkında kestirimde bulunmaması gibi,belli bir tek ölçümde, atomun gerçekte belli bir enerji düzeyinde bulunup bulunmayacağını söylmez. Yeni Kuantum kuramının tersine klasik fizik böyle belli ölçümlerin sonucunun kestirelebileceğini ileri sürüyordu. Yenu kuantum kuramı böyle tek tek olayların belirlenebileceği görüşünü redder. Born’un söylediği gibi kuantum kuramının nedensel olarak belirlediği şey, yalnızca olayların olasılık dağılımıdır. Kuantum kuramında, olasılık dağılımlarının önemli bir özelliği-ve onları kart ellerinin olasılık dağılımlarından ayrıt eden bir özelliği-kuantum olasılıklarının uzayda yayılması ve noktadan noktaya değişmesidir; bu Schrödinger dalgasıdır. Kuantum kuramının kestirimci gücü dalganın şeklini ve nasıl hareket ettiğini-uzay ve zamanda olasılıkların nasıl değiştiğini-kesin olarak belirlemesidir. Burada ilk olarak kuantum 53

ROJ ÇALIŞMA GRUBU

kuramında nedensellik fikrini görürüz- geleceğe doğru nedensel olarak belirlenen şey olasılıktır,tek tek olaylar değildir. Born kendisinin dalga kuramının istatistiksel yorumunda heyecanlanmıştı,fakat yalnız kaldığını gördü. Schrödinger,Born’un yorumunu duyunca,sonuçlarını bilseydi belki de o yazısını yazmamış olacaeğını belirtti-o hiçbir zaman determinizmin reddini kabul etmedi. Max Planck, Schrödinger’in madde dalgaları fikrine katıldı ve Schrödinger Berlin’de Planck’ın yerini kabul ettiği zaman, emekliye ayrılmakta olan Planck, onu fiziğe deteriminizmi geri getirmiş olan kişi olarak övdü. 1926 sonlarında Einstein, Born’a şunları yazmıştı: “ Kuantum mekaniğinin etkileyici olduğu açıktır. Fakat içimden gelen bir ses bana onun henüz gerçek olmadığını söylüyor. Kuram çok şey söylüyor, fakat, bizi gerçekte ‘Yaşlı Adam’ın sırrına yaklaştırmıyor ”. Born, Einstein’in istatistiksel yorumunu reddedişi karşısında hayal kırıklığına uğramıştı. Fakat Born haklıydı. Tanrı Zar Atar mı? Bu determinist olmama, kuantum tekinsizliğinin ilk örneği idi. Bu, bilinemeyecek ve kestirilemeyecek fiziksel olayların varlığı anlamına geliyordu. Deney yapan insanlar,belli bir atomun ne zaman ışıma yapacağını veya belli bir çekirdeğin ne zaman radyoaktif bozunmaya uğrayacağını bilme çabalarına son vermeliydiler, bu olaylar önceden bilinemez şeylerdi. İnançları ne olursa olsun,fizikçiler, ilke sorunlarının tehlikede olduğunu hissettiklerinde Tanrıyı çağırabilirler,çünkü fizikçilerin Tanrısı, evrensel düzendir. Kuantum kuramının determinist olmaması,neyin bilinebilir,neyin bilinemez olduğu konusunda bir ilke sorunudur,bir deney tekniği değildir-Einstein’i sıkan da budur. Tanrı bile size bazı olayların oluşu konusunda yalnızca olasılıkları verir,kesinliği değil. Yaklaşık olarak bu dönemde Einstein,Tanrının zar attığına inanmadığını belirterek, yeni kuantum kuramına itirazını belirtmeye başladı. Einstein’i her zaman fizik hocası olarak gören Max Born daha sonraları şöyle yanıt verdi: “Eğer tanrı dünyayı mükemmel bir mekanizma olarak yaratmışsa, O en azından, mükemmel olmayan zekamıza,dünyanın küçük parçalarını kestirmek için,çok sayıda diferansiyel denlem çözmek zorunda kalmayacağımız, fakat zarı oldukça başarılı şekilde kullanacağımız kadar ihsanda bulunmuştur.”. Böylece önceden belirli olmayan evrenin kapısı açıldı. Şimdi atomik fenomenlerin iki açıklaması vardı, Heisenberg’in matris mekaniği ve Schrodingerin dalga mekaniği. Bu nasıl olabilirdi? Kendi dönüşüm kuramı ile matris ve dalga mekaniklerinin tümüyle eşdeğer olduğunu-bunlar basitçe, aynı kuram içinde farklı temsil etme biçimleriydi54

ROJ ÇALIŞMA GRUBU

gösteren kişi Paul Dirac oldu: Fizikçiler bunlardan Heisenberg (matris) ve Schrödinger (dalga) gösterimi olarak söz ederler. Dirac’ın dönüşüm kuramının anlamını kavramanın iyi bir yolu, dil ile matematik arasında benzetme yapmaktır. Her ikisi de dünyayı temsil etmenin sembolik araçlarıdır;dil daha zengindir, matematik ise daha kesindir. Birinin İngilizce diliyle bir ağacı tanımladığını, bu arada bir başkasının aynı işi Türkçe ile yaptığını düşünün. İngilizce ve Türkçe tanımlar aynı nesnenin farklı sembolik temsilleridir. Ağacı tanımlamak isterseniz, en az bir dil veya temsil seçmeniz gerekir. Bir kere temsil şekliniz olunca,çeviri veya dönüşüm kurallarıyla diğerlerini bulursunuz. Bu durum, elektronlar gibi kuantum nesnelerinin matematiksel tanımındaki gibidir. Bazı temsiller dalga tipi özellikleri vurgular,diğerleri parçacık gibi özellikleri vurgular, fakat her zaman temsil edilmekte olan şey aynı bütünlüktür.Farklı temsillerin dönüşüm yasalarına tabi oluşu köklü bir fikirdir. Dönüşümler yoluyla sembolik temsillerde değişimler yaparak değişmezler kavramına ulaşırız. Bunlar, nesnenin,yalnızca onu nasıl tanımladığımıza bağlı olmayan,esas yapısında derinde bulunan özellikleridir. Herhangi bir dilde ağacı neyin oluşturduğunu öğreniriz. Değişmez özellikler bir nesnenin gerçek yapısını belirler. Dalga mekaniği ve matris mekaniği aynı davranışı tanımlamak için farklı temsiller kullanır. Dirac’ın dönüşüm kuramı da dahil olmak üzere tam kuram, sonunda kuantum mekaniği ya da kuantum kuramı olarak isimlendirilmiştir, bu klasik fiziğin yerine geçen yeni, matematiksel olarak tutarlı bir kuramdır. Yaklaşık otuz yıllık bir çalışma, yeni bir dünya dinamiği getirmişti. Matematiksel formalizm dokunulmamış ve deneysel olarak başarılı olmuştu. Fakat bu ne demekti? Kuantum mekaniğinin yorumu ne idi ve fiziksel gerçeklik konusunda ne diyordu? Heisenberg şunları söylemiştir: “ Bugün çağdaş bilim, geçmişte herhangi bir zamanda olduğundan daha fazla, doğanın kendisi tarafından, gerçekliği zihinsel süreçlerle kavrama olasılığı konusundaki eski soruyu yeniden gündeme getirmeye ve ona biraz farklı bir şekilde yanıt vermeye zorlanmaktadır.” (Heinz R. Pagels, Kozmik Kod 1, s: 64-80 )

Belirsizlik İlkesi. Belirsizlik İlkesi nedir? İnsaoğlu olarak bizler her şeyi bilebilir miyiz? Yoksa bilme yetimiz sınırlı mı?Kuantum kuramının Kopenhag Yorumu, "öznel idealist" bir yorum mudur? Otomobille yola çıkan ve bize yola çıkış saatini bildiren insanların yaklaşık da olsa saat kaçta nerede olacaklarını tahmin ederiz. Bu tahminimiz, arabayı kullananın tarfik canavarı ruhuna sahip değilse çoğunlukla doğru çıkar. Bir uyduyu Dünya çevresine yerleştirmek isitesek, istediğimiz uzaklıktaki bir yörüngeye 55

ROJ ÇALIŞMA GRUBU

yerleştirebiliriz.Klasik fizik yasaları, bize kesin öngörme olanakları verir. Örneğin bir roketin ateşlendikten sonra izleyeceği rotayı, bir süre sonra varacağı noktayı kesin olarak hesaplayabiliriz. Roketin hızını ve rotasını etkiyebilecek değişkenleri daha duyarlı ölçersek hesaplarımız daha doğru olur. Gerçekte erişebileceğimiz doğruluğun sınırı yoktur. Klasik fizikte hiçbir şey şansa bırakılmaz, fiziksel davranışlar önceden tahmin edilebilir.Oysa modern fizikte fiziksel davranışlar, olasılıllar açısından öngörülebilir. 1920'lerde Niels Bohr ve Werner Heisenberg, atomlardan daha küçük (atomaltı) taneciklerin davranışlarının ne dereceye kadar belirlenebileceğini görebilmek için düşünsel (hipotetik) deneyler tasarladılar. Bunun için taneciğin konumu ve momentumu gibi iki değişkenin ölçülmesi gerekliydi. Tanecik ya da parçacık şu anda nerededir? Kütle ve hız çarpımı nedir? Onların eriştiği sonuca göre ölçümde daima bir belirsizlik olmalıydı ve bu belirsizliklerin çarpımı Planck sabitinin 4 piye bölümüne eşit veya ondan daha büyük bir sabit oluyordu. Heisenberg belirsizlik ilkesi diye anılan bu ilkeye göre: bir taneciğini konumu ve ve momentumu aynı anda tam bir duyarlılıkla ölçülemez. Örneğin bir taneciğin konumunu kesin şekilde belirleyecek bir deney tasarlasak, onunu momentumunu duyarlı şekilde ölçemeyiz; momentum belirlenebiliyorsa bu kez de taneciğin konmunu belirleyemeyiz. Basit bir deyişle, eğer bir taneciğin nerede olduğunu kesin olarak biliyorsak, aynı anda taneciğini nereden geldiğini veya nereye gittiğini kesin şekilde bilemeyiz. Benzer şekilde bir taneciğini nasıl hareket ettiğini biliyorsak onun nerede olduğunu belirleyemeyiz.Bir parçacığın momentumunun ya da konumunun ayrı ayrı belirlenmesinde bir sınır yoktur. Ancak momentum ve konum aynı anda yani aynı dalga fonksiyonu için belirlenmesinde temel bir sınır vardır. Atomaltı dünyada nesneler, daima belirsizliklere neden olmalıydı. Neden böyle olması gerekiyordu? Hidrojen atomundaki elektronu "görmek" ve hareketlerini "izlemek" istiyoruz. Bir mikroskop kullanmak zorundayız. Mikroskopta görmek istediğiniz en küçük taneciği görebilmek için tanecik boyutu ile ışığın boyutu aynı olmak zorunda. Görünür ışıktan yararlandığımız normal bir mikroskopta görülebilecek en küçük boyut yaklaşık 1000 nm dir. Bir elektron mikroskopunun çözümleme gücü ise yaklaşık 1 nm dir. Elektronu görünür ışıkla göremeyiz . Çünkü görünür ışığı, hidrojen atomuna gönderdiğimizde elektron, atomdan kopup gider; yani görünür ışık hidrojen atomunu iyonlaştırırı. Yapabileceğimiz tek şey var: Dalga boyu daha küçük ışık seçmek. Durum yine değişmiyor.Çünkü elektrona çarpan fotonlar, elektronunun atom içindeki "konumunu" ve "hızı"nı değiştiriyor. Ve biz elektronu asla atomdaki gerçek konumunda göremiyoruz.Ayrıca elektrona çarpan foton, elektronun hızını ve buna bağlı olarak momentumunu (kütle 56

ROJ ÇALIŞMA GRUBU

ile hızın çarpımını) değiştirir.Biz bu değişmiş olan nicelikle karşılaşırız. Hawking "Heisenberg' in belirsizlik ilkesi, bir sitemin durumunun tam olarak ölçülemeyeceğini, bu yüzden onun gelelecekte tam olarak ne yapacağı konusunda kestirimde bulunulamayacağını göstermiştir. Tüm yapılabilecek şey, farklı sonuçların olasılıkları hakkında kestirimde bulunmaktır. Einsten' i o kadar huzursuz eden şey, iştebu şans ya da rasgelelik unsuru idi. Einstein, fiziksel yasaların, gelecekte ne olacağına ilişkin belirli, muğlak (belirsiz) olamayan bir kestirimde bulmunmamasına inanmayı reddeti. Fakat, nasıl ifade edilirse edilsin, kuantum olayı ve belirsizlek ilkesinin kaçınılmaz oldukları ve fiziğin her dalında onlarla karşılaşıldığı konusunda her tür kanıt vardır." Fotoelektirik olayın tam sonuçları, 1925 de Werner Heisenberg' in açıklamasıyla anlaşıldı. Fotoelektirik olay, bir parçacığın konumunu tam olarak ölçme olanağı tanıyordu. Bir parçacığın ne olduğunu anlamak için onu ışığa tutmalısınız. Peki ışık, sonsuz olarak bölünebilir mi? Bu sorunun yaklaşık yüz yıl önce maddeler için sorulduğunu anımsayınız. İlk bakışta ışık niye sonsuz dilimlere ayrılmasın serzenişiyle yanıtlanır. Einstein, ışığı sonsuz küçük miktarda kullanamayacağımızı göstermiştir. En azından bir paket yani bir kuantum kullanabiliriz. Bu ışık paketi, parçacığı etkiler ve onun herhangi bir yönde bir hızla hareket etmesine yol açar. Parçacığın konumunu ne kadar duyarlı (hassas) ölçmek isterseniz, kulllanmak zorunda kalacağınız paketin enerjisi o kadar büyük olur , ama ışık bu durumda parçacığı daha fazla etkiler. Ancak siz parçacağın konumunu nasıl ölçmeye çalışırsanız çalışın, konumdaki belirsizlik ile hızındaki belirsizleğin çarpımı, her zaman belirli bir minimum miktardan büyük olur.Ünlü Belirsizlik ilkesini dinlediniz, hemde Stephen Hawking' den (S.Hawking,Karadelikler Ve Bebek Evrenler, s:81) Belirsizlik ilkesinin kabul edilmesi çoğumuz için kolay değildir. Einstein bile 1920 lerin ortasından 1955 te ölümüne dek bu kuramı çürütmek amacı ile yaptığı başarısız girişimlerle zamanının önemli bir kısmını harcamıştır. Genel görelilik kuramı, artık klasik bir kuramdır; çünkü belirsizlik ilkesini kapsamıyor. Einstein de, bir klasik fizikçidir; çünkü kuantum olaylarındaki raslantıyı ve bilinemezliği kabul etmiyor. Einstein' in Sorunu Neydi? 57

ROJ ÇALIŞMA GRUBU

Einstein' in kuantum mekaniği ile ilgili sorunlarının bir kısmı, bir sistemin belirli bir geçmişi olduğu yolundaki sağduyuya dayanan bir tasarımı kulanmasından ileri geliyor:" Bir parcçacık ya bir yerdedir ya da başka bir yerde. Yarısı bir yerde yarısı diğer yerde olamaz. Benzer şekilde astronotların Ay' a ayak basması gibi bir olay ya olmuştur ya olmamıştır. Yarı olmuş olamaz. Bu, insanın biraz ölü veya biraz hamile olamaması gibidir. Ya öylesiniz ya da değilsiniz. Fakat eğer, bir sistemin belirli tek bir geçmişi varsa, belirsizlik ilkesi parçacıkların bir defada iki yerde olması veya astronotların yarı Ay' da olmaları gibi her türlü paradoksa yol açar. Einstein' i o kadar sıkmış olan bu paradoksları önlemenin güzel bir yolunu Amerikalı fizikçi Richard Feynman ileri sürmüştü. Feynman,1948 de ışığın kuantum kuramı üzerine çalışmasıyla ün kazandı. Feynman, 1965 te bir başka Amerikalı Julian Schwinger ve Japon fizikçi Shinichiro Tomonaga ile birlikte Nobel Ödülü aldı. O, Einstein ile aynı gelenekten olan bir fizikçiydi. Fizikçinin fizikçisiydi. Tantanadan nefret ederdi. Bilimler Akademisinde ( National Academy of Science' ) de insanların zamanlarının çoğunu hangi akademiye kabul edilecekleriyle geçirdiklerini görerek istifa tti. 1988 yılında öldü. Parçacık fiziğine çok katkılar yaptı. Onun adıyla anılan diyagramlar, parçacık fiziğinin hemen her hesaplamasında yer alır. Fakat daha önemli bir katkısı, geçmişlerin toplamı kavramıydı. Burada fikir, bir sitemin klasik kuantum dışı fizikte normal olarak varsayıldığı gib uzayzamanda tek bir geçmişe sahip olmadığıdır. Onun yerine, sistem her olanaklı geçmişe sahiptir. Örneğin, belrli bir zamanda A noktasında olan bir parçacığı düşünün. Normal olarak parçacığın A’dan uzaklaşırken düz bir çizgi üzerinde hareket edeceği varsayılır. Ancak geçmişlerin toplamına göre, A’da başlayan herhangi bir yolda ilerleyebilir.Bu durum, bir kurutma kağıdına bir parça mürekkep damlattığınız zaman gerçekleşecek şeye benzer. Mürekkep parçacıkları kurutma kağıdında mümkün olan her yoldan yayılır. Kağıdı keserek iki nokta arasındaki düz çizgiyi tıkasanız bile mürekkep köşeden döner. Parçacığın her yoluna veya geçmişine ilişkin, yolun şekline dayanan bir sayısı olacaktır. Parçacığın A noktasından B noktasına gitmesi olasılığı parçacığı A’dan B’ye götüren tüm yollarla bağlantılı sayıların toplanmasıyla bulunur. Yolların çoğu için yolla ilişkin sayı yakındaki yolların sayılarını hemen hemen siler. Böylece onlar parçacığın A’dan B’ye gidişinin olasılığına çok az katkıda bulunurlar. Fakat düz yolların sayıları hemen hemen düz olan yolların sayılarıyla toplanır. Böylece olasılığa ana katkı düz veya hemen hemenolan yollardan gelecektir. Bu nedenle bir parçacığın bir köpük odasından geçerken yaptığı iz hemen hemen düz görünür. Fakat parçacığın yoluna üzerinde bir yarık bulunan bir duvar gibi bir şey 58

ROJ ÇALIŞMA GRUBU

koyarsanız, parçıcık yolları yarığın ötesinde yayılabılır. Parçacığı yarıktan geçen düz çizginin uzağında bulma olasılığı yüksek olabilir. " 1973 yılında, belirsizlik ilkesinin bir karadelik yakınında eğrilmiş uzay-zamanda bir parçacık üzerindeki etkisini araştırmaya başladım. Çok dikkate değer ki, karadeliğin tam olarak kara olmayacağını buldum. Belirsizlik ilkesi, parçacıkların ve radyasyonun düzgün bir hızla karadelikten dışarı sızmasına olanak verecekti. Bu sonuç ben ve başka herkes için tam bir sürpriz oldu. ve genel bir inançsızlıkla karşılandı. Fakat önceden görülebilmesi ve durumun açık olması gerekiyordu. Bir karadelik, ışığğın hızından daha yavaş bir hızda hareket edildiğinde kaçıp kurtulunması olanaksız olan bir uzay bölgesidir. Fakat Feynman' ının geçmişlerin toplamı, parçacıkların uzay-zamanda herhangi bir yoldan gidebileceklerini söyler. Bu yüzden bir parçacığın ışıktan hızlı ilerlemesi mümkündür. Işık hızından daha yüksek hızda uzun bir yol almanın olasılığı düşüktür, fakat karadelikten çıkmasına yetecek kadar ışıktan daha hızlı gidebilir ve daha sonra ışıktan yavaş ilerleyebilir. Bu şekilde belirsizlik ilkesi, parçacıkların en son hapisaneden, bir karadelik olarak düşünülen yerden kaçıp kurtulmalarına olanak verir. Bir parçacığın Güneş kadar kütlesi olan bir karadelikten dışarı çıkmasının olasılğı çok düşüktür.; çünkü parçacık kilometrelerce ışıktan hızlı gitmek zorunda kalacaktır. Fakat Evren'in ilk zamanlarında oluşmuş çok daha küçük karadelikler olabilir. Bu ilksel karadelikler bir atomun çekirdeğinin büyüklüğünden daha az büyüklükte olabilir, yine de kütlelelri yüz milyar ton,Fuji dağının kütlesi kadar olabilir. Bu karadelikler büyük bir trafo kadar çok enerji yayıyor olabilirler. Keşke bu küçük karadeliklerden birtane bulup enerjibsini kullanabilseydik! Fakat göründüğü kadarıyla Evren'de bunlardan fazla sayıda yoktur. " (S.Hawking, Karadelikler ve Bebek Evrenler, s:82-84) Kuantum mekaniği açısından doğanın yorumunu,büyük fizikçi R.Feynman'dan (1965 Nobel)sunuyorum.

59

ROJ ÇALIŞMA GRUBU

Olasılık ve Belirsizlik: Kuantum Mekaniği Açısından Doğa “Deneysel gözlem sürecinin geçmişteki aşamalarında veya herhangi bir şeyin bilimsel açıdan gözleminde,olaylara makul bir açıklama getiren şey sezgi olmuştur. Sezgi ise günlük şeylerle ilgili basit deneyimlerimizden kaynaklanır. Gördüklerimizi daha kapsamlı ve tutarlı bir şekilde açıklamaya çalıştıkça,alan genişlemeyip çok daha çeşitli olgularla karşılaştıkça,açıklamalar da basit açıklamalar yerine yasa dediğimiz şeylere dönüşür.Yasaların tuhaf bir özelliği vardır;sağduyudan ve sezgisel olarak apaçık olandan uzaklaşıyor gibi görünüyor. Buna bir örnek olarak görelilik kuramını ele alalım. Önerilen şudur: İki şeyin aynı anda olduğunu düşünüyorsanız,bu sizin kanınızdır;başka birisi olaylardan birinin diğerinden önce olduğu sonucunu çıkarabilir; bu nedenle de “aynı anda olma” durumu, yalnızca subjektif(öznel) bir izlenimdir. İşlerin başka türlü olmasını beklemek için bir neden yoktur. Çünkü,günlük yaşamdaki deneyimler çok yavaş hareket eden şeylerle ya da çok özel koşullarla ilgilidir; dolaysıyla doğadaki çok kısıtlı olguları temsil ederler. Doğal olguların ancak çok küçük bir bölümü doğrudan deneyim yoluyla anlaşılabilir. Daha geniş bir bakış açısını ancak hassas ölçümler ve dikkatli denemeler sonucu kazanırız. O zaman da hiç beklenmeyen şeyler görürüz; tahmin edebildiğimizden çok farklı, hayal edebileceğimizden öte şeyler.. Hayal gücümüz, sonuna kadar gerilir;kurgu romanlarda olduğu gibi gerçekte varolmayan şeyler hayal etmek değil, varolan şeyleri kavramak için. Konuşmak istediğim konu da budur. Işık kuramının tarihçesi ile başlayalım. Önceleri ışığın yağmur gibi, tüfekten atılan mermiler gibi, bir parçacıklar, tanecikler sağanağına benzer şekilde davrandığı varsayılıyordu. Daha ileri araştırmalar sonucunda bunun doğru olmadığı, ışığın gerçekte dalga gibi,örneğin sudaki dalgalar gibi davrandığı ortaya çıktı. Sonra 20. yy’da yeni araştırmalar, ışığın bir çok yönden gerçekten parçacıklar gibi davrandığı izlenimini uyandırdı. Fotoelektrik etkilerle bu parçacıklar sayılabiliyordu-şimdi onlara foton deniliyor. Elektronlar,ilk keşfedildiklerinde tamamen parçacıklar gibi, mermiler gibi davranıyorlardı. Daha sonraki deneyler;örneğin elektron kırınım (diffraction) deneyleri,elektronların dalga gibi davrandığını ortaya koydu. Zaman geçtikçe elektronların nasıl davrandıkları konusunda giderek artan bir şaşkınlık başgösterdi-dalga mı, parçacık mı, parçıcık mı dalga mı? Eldeki veriler ikisine de benzediklerine işaret ediyordu. Gittikçe artan bu kargaşa 1925/1926'da kuantum mekaniği için doğru denklemlerin bulunmasıyla çözüme kavuştu. Elektronların ve ışığın nasıl davrandıklarını artık biliyoruz. Nasıl mı davranıyorlar? Parçacık gibi 60

ROJ ÇALIŞMA GRUBU

davrandıklarını söylersem yanlış izlenime yol açmış oylurum. Dalga gibi davranılar dersem yine aynı şey. Onlar kendilerine özgü, benzeri olmayan bir şekilde hareket eder. Teknik olarak buna “kuantum mekaniksel bir davranma biçimi” diyebiliriz. Bu, daha önce gördüğünüz hiçbir şeye benzemeyen bir davranışbiçimidir.Daha önce gördüğünüz şeylerle edindiğiniz deneyimler eksiksiz değildir. Çok küçük ölçekteki şeylerin davranışı için söyleyeceğimiz tek şey, onların farklı davrandıklarıdır. Bir atom, bir yay ucuna asılmış sallanan bir ağırlık gibi davranmaz. Küçücük gezegenlerin yörüngaler üzerinde hareket ettikleri minyatür bir güneş sistemi gibi de davranmaz. Çekirdeği saran bir bulut veya sis tabakasına da pek benzemez. Daha önce gördüğnüz hiçbir şeye benzemeyen bir şekilde davranır. En azından bir basitleştirme yapabiliriz:Elektronlar bir anlamda tıpkı fotonlar gibi davranırlar;ikisi de “acayiptir”,ama aynı şekilde. Nasıl davrandıklarını algılamak bir hayli hayalgücü gerektirir;çünkü açıklayacağımız şey bildiğiniz her şeyden farklıdır. En azından bu yönüyle,soyut olması ve deneyimlerimizden farklı olması yönüyle,bu ders belki de bu dizinin en zor dersi olacaktır. Bunu önleyebilme olanağım yok. Fizik yasalarının özellikleri hakkında bir dizi konferans verip küçük ölçekteki parçacıkların gerçek davranışlarından söz etmesem işi yarım bırakmış olurum. Bahsedeceğim şey, doğadaki bütün parçacıklara özgü evrensel bir özelliktir.Öyleyse, fizik yasalarının özelliklerini bilmek istiyorsanız, bu özel konunun anlatılması zorunludur. Bu zor olacak. Ancak gerçekte bu zorluk psikolojiktir, kendinize sürekli “ama bu nasıl olabilir” diye sormanın yarattığı sıkıntıdan kaynaklanır. Sorduğunuz bu soru,onu alışılmış bir şeyler cinsinden görmek arzusu gibi dayanılmaz fakat son derece olanaksız bir arzunun dışa vurumudur. Onu alışılmış bir şeye benzeterek açıklayacak değilim;yalnızca açıklayacağım. Bir zamanlar gazetelerde görelilik teorisinin sadece oniki kişi tarafından anlaşıldığı yazılmıştı. Hiçbir zaman öyle bir dönem olduğunu sanmıyorum. Onu yalnız bir tek kişinin anladığı bir dönem olabilirdi;çünkü daha kaleme almadan önce bu teoriyi farkeden kişiydi o. Ancak onun çalışmasını okuyan birçok kişi görcelik teorisini şu veya bu şekilde anladı;bunların sayısı da kuşkusuz onikiden çoktu. Buna karşın, kuantum mekaniğini kimsenin anlamadığını rahatlıkla söyleyebilirim. Bu nedenle, anlatacaklarımı gerçekten anlamınz gerektiğini düşünerek dersi çok da ciddiye almayın;gevşeyin ve keyfini çıkarın! Size doğanın ne şekilde davrandığını anlatacağım. Onu, bu şekilde davranabileceğini kabul ederseniz,çok sevimli ve büyüleyici bulacaksınız. Eğer yapabilirseniz, kendinizze sürekli “ama bu nasıl olabilir?” diye sormayın;çünkü çabanız 61

ROJ ÇALIŞMA GRUBU

boşyunadır;şimdiye kadar hiç kimsenin kurtulamadığı bir çıkmaz sokağa girersiniz. Bunun neden böyle olabildiğini kimse bilemiyor. Şimde sizlere elektron ve fotonların kuantum mekaniksel olarak nasıl davrandıklarını anlatacak ve bunu yaparken hem benzetme, hem de karşıtlardan yararlanacağım. Yalnızca benzetmelerden yola çıkarsak başaramayız;açıklayacağımız şeyleri, bildiğimiz şeylere benzeyen ve ters düşen yönleriyle ele almak gerekir. Benzetme ve karşıtlığı, önce parçacıkların davranışı için mermiler sonra dalgaların davranışı için su dalgalarını kullanarak yapacağım. Bunun için özel bir deney düzenleyeceğim. Sizlere önce parçacıklar kullandığımda deneyin nasıl gelişeceğini;sonra da dalgalar için neler olabileceğini;son olarak da sistemde gerçekten elektronlar ve fotonlar olduğu zaman gerçekleşecekleri anlatacağım. Kuantum mekaniinin bütün sırlarını içeren bu tek denyele sizi doğanın tuhaflıkları,gizemleri ve paradoksları ile yüzyüze getireceğim. Kuantum mekaniğinde karşılaşılacak herhangi başka bir durumun “İki delikle yapılan deneyi anımsıyor musunuz? Bu da aynı şey” diyerek açıklanabileceği anlaşılmıştır. Şimdi sizlere iki delikle yapılan deneyi anlatacağım.Deney bu anlaşılmaz şeyinn tümünü içeriyor. Hiçbir şeyi atlamayacağım ve size doğayı en zarif ve zor şekliyle, bütün çıplaklığıyla ortaya koyacağım... Werner Heisenberg( 1901-1976),kuantum mekaniği yasalarını bulduğu zaman,bir şeyin farkına vardı: Keşfettiği yasalar, ancak deneme yetimize,daha önce fark etmediğimiz bazı temel sınırlamalar konulduğu zaman tutarlı oluyorlardı. Başka bir deyişle deneylerde isterdiğiniz ölçüde hassas olamazsınız. Heisenberg bir belirsizlik ilkesi öne sürdü. Bizim deneyimiz içeriğinde onu şöyle ifade edebiliriz(Kendisi farklı bir şekilde ifade etti. Ancak,ikisi tamamen denktir; birinden diğerine geçebilirsiniz): “Elektronun hangi delikten geçtiğini saptayan ve aynı zamanda elektronu girişim düzenini yok edecek ölçüde etkilenmeyen bir cihaz yapmak olanaksızdır.” Hiç kimse bunu önleyecek bir yol bulamamıştır. Hepinizin elektronun hangi delikten geçtiğini saptayacak yöntemler keşfetmek için sabırsızlandığımızdan eminim; ancak, bunların her biri dikkatle incelendiğinde bir aksaklık olduğunu göreceksiniz. Elektronu etkilemeden buna başarabileceğinizi düşünebilirsiniz;ama daima bir aksaklık ortaya çıkacaktır ve her zaman eğrilerdeki farklılığa,elektronun hangi delikten geçtiğini saptayan cihazların yol açtığı ortaya çıkacaktır. Bu,doğanın temel bir özelliğidir ve bize herşey için geçerli olan birşey anlatır. Eğer yarın yeni bir parçacık,"kaon", keşfedilirse-gerçekte kaon keşfedilmiştir;onu sırf isim vermek için kullandım-ve onun elektronla etkileşimini elektronun hangi delikten geçtiğini bulmak için kullanırsam,bu yeni parçacığın davranışı hakkında,sanırım,önceden bildiğim birşey vardır: 62

ROJ ÇALIŞMA GRUBU

Elektronun hangi delikten geçtiğini saptayabiliyorsam,onun bu işi elektronu etkilemeden,girişim olan bir düzenden girişim olmayan bir düzene değiştirmeden yapabilecek bir özelliğe sahip olamayacağı. Bu nedenle belirsizlik ilkesi bilinmeyen nesnelerin birçok özelliklerini önceden tahmin etmemizi sağlayan, genel bir ilke olarak kullanılabilir. Bu özellikler,benzer şekilde,sınırlıdırlar. A önermesine dönelim. "Elektronlar ya bir delikten ya da öbüründen geçmeye zorunludurlar". Bu doğru mu yoksa yanlış mı? Fizikçilerin,tuzağa düşmelerini önleyen bazı yöntemler vardır.Düşünce kurallarını şu şekilde açıklarlar: Bir elektronun hangi delikten geçtiğini saptayabilen bir cihazınız varsa (ve böyle bir cihazınız olabilir) o zaman ya bir delikten ya diğerinden geçtiğini söyleyebilirsiniz;bu mümkündür. Baktığınızda her zaman ya bir delikten ya da öbüründün geçiyordur. Ancak hangi delikten geçtiğini saptayacak bir cihazınız yoksa o zaman onun bu delikten ya da öbür delikten geçtiğini söyleyemezsiniz (bunu söylemeniz her zaman mümkündür;yeter ki düşünmeyi derhal kesin ve bundan hiçbir sonuç çıkarmayın.Fizikçiler şu anda susmayı düşünmemeye yeğliyorlar). Bakmadığınız zaman elektronun ya bu delikten ya öbüründen geçtiğini söylemek hatalı bir öngörü olur. Doğayı yorumlamak istiyorsak üstünde cambaz gibi yürüyeceğimiz mantıksal ip budur. Sözünü ettiğim bu önerme genel bir önermedir.Yalnızca iki delik için değil,aşağıdaki şekilde ifade edilebilecek olan bir önermedir. İdeal bir deneyde-yani, her şeyin olabildiğince kesin bir şekilde belirlendiği bir deneyde- herhangi bir olayın gerçekleşme olasılığı,bir şeyin karesidir.Örneğimizde bu, genliğin karesi olan,”a” dediğimiz şeydir. Bir olgu birkaç değişik şekilde ortaya çıkabiliyorsa,genlik olasılığı,yani bu “a” sayısı,her seçenek için bulunan “a”ların toplamıdır. Eğer bir deney, hangi seçeneğin kullanıldığını belirleyecek şekilde gerçekleşmişse,olgunun gerçekleşme olasılığı farklıdır;her seçeneğin olasılıkları toplamıdır. Yani,girişimi kaybedersiniz. Şimdi sorunumuz bunun gerçekte nasıl olduğudur. Bunu gerçekleştiren mekanizma nedir? Hiçkimse herhangi bir mekanizma bilmiyor.Hiçkimse size bu olgunun benim anlattıklarımdan daha derinlemesine bir açıklamasını,anlatımını yapamaz. Girişimi yok etmeden elektronun hangi delikten geçtiğini saptamanın olanaksız olduğu gösteren başka deneyler yaparak daha etraflı açıklamalarda bulunanlar,iki delikle girişim deneylerinden daha farklı deneylerden sözedenler çıkabilir. Ancak bunlar, daha iyi kavramanız için yapılan tekrarlardan ibarettir. Daha derin değil,daha geniştirler. Matematik ifade daha kesin biçimlerde verilebilir;onların reel değil,karmaşık sayılar oldukları söylenebilir;veya ana 63

ROJ ÇALIŞMA GRUBU

fikirle ilgili olmayan başka birkaç nokta belirtilebilir. Ancak,derin gizem benim anlattığımdan başka bir şey değildir; henüz kimse daha derinlere inememiştir. Buraya kadar bir elektronun gelme olasılığını hesapladık. Şimdi soru belirli bir elektronun gerçekten nereden geldiğini bulabileceğimiz bir yol olup olmadığıdır. Durum çok karmaşık bir hal aldığında olasılık teorisi kullanmaya,yani olasılıkları hesaplamaya karşı değiliz. Havaya bir zar atıyoruz;çeşitli dirençler,atomlar, bütün karmaşık işler karşısında belirli bir tahmin yapmak için yeterli ayrıntıyı bilmediğimizi kabul ediyoruz;bu nedenle de onun şu yolla veya bu yolla gelme olasılığını hesaplıyoruz. Burada öne sürdüğümüz şey, en derinlerde de olasılık bulunduğu,fiziğin temel yasalarında beklenmeyen şeyler olduğudur. Gelecekte Bu Sorunu Çözebilecek miyiz? Işık söndürüldüğünde girişimin elde edileceği bir deney düzenlediğimi varsayalım. Sonra,ışık olduğu zaman bile elektronun hangi delikten geçtiğini bilemeyeceğimi söylüyorum. Bildiğim tek şey,ya bu deliğe ya da öbürüne baktığım. Hangi delikten geçeceğini önceden bilmemi sağlayan bir yol yok. Sözün kısası,gelecek tahmin edilemez. Elde olan herhangi bir bilgiyi kullanarak elektronun hangi delikten geçeceğini veya hangi delikte görüneceğini herhangibir şekilde bilmek olanaksızdır.Bunun bir anlamı da şudur: Fizikçinin başlangıçtaki amacı-herkesin varsaydığı gibi- belirli koşullar altında daha sonra ne olacağını tahmin edebilmek için yeterli bilgiye sahip olmak idiyse,artık bundan vazgeçmiş gibidir. İşte koşullar: elektron kaynağı,güçlü ışık kaynağı,iki deliği olan tungsten levha. Şimdi bana elektronu hangi deliğin arkasında göreceğimi söyleyebilir misiniz? Bir teoriye göre,elektronun hangi delikten geçeceğinin bilinememe nedeni,bunun daha önceden,kaynaktaki bazı karmaşık şeylerle önceden belirlenmiş olması,hangi delikten geçeceğine karar veren iç çarklar,iç vitesler bulunmasıdır. Olasılık yarı yarıyadır;tıpkı bir zar gibi rastgele düşer.Fizik henüz tamamlanmış değildir;yeterince eksik bir duruma geldiğinde hangi delikten geçeceğini tahmin edebileceğiz. Buna “gizli değişkenler teorisi” deniliyor. Bu teori doğru olamaz;tahmin yapamama nedenimiz ayrıntılı bilgi eksikliğinden ileri gelmiyor. Işığı yakmazsam girişimi elde edeceğimi söyledim. Bu girişim olgusunu elde ettiğim koşul var ise onu Delik 1 ve Delik 2’den geçme bağlamında değerlendirmem olanaksızdır; çünkü bu girişim eğrisi çok basit ve diğer iki olasılık eğrisinin katkısı gözönüne alındığında matematiksel olarak çok farklıdır. Eğer ışık yanarken bir elektronun hangi delikten geçeceğini saptama olanağımız olsaydı, o zaman ışığın yanıp yanmaması bir fark yaratmazdı. Kaynakta varolan,gördüğümüz, ve bize 64

ROJ ÇALIŞMA GRUBU

onun Delik 1 veya Delik 2’den geçeceğini söylememize olanak veren çarkları ışık yokken elektronun hangi delikten geçtiğini söyleyebilirdik.Bunu yapabilseydik elde edeceğimiz eğri Delik 1’den ve Delik 2'den geçenlerin toplamı olarak ifade edilebilirdi;ama edilemiyor. Demek ki ışık açık olsun olmasın, deneyin ışıksız ortamda girişim oluşturacak şekilde düzenlendiği herhangibir durumda,elektronun hangi delikten geçeceğine dair önceden bilgi sahibi olmak olanaksız olmalıdır. Doğanın yapısında olasılık varmış gibi görünmesi bizim iç çarklar,iç karışıklıklar konusundaki bilgisizliğimizden kaynaklanmıyor. Bu sanki doğanın iç yapısında varolan bir şey. Birisi bunu şöyle ifade etmişti: “elektronun ne yönde gideceğini doğanın kendisi bile bilmiyor.” Bir zamanlar bir filozof “Bilimin varolabilmesi için benzer koşulların benzer sonuçlara yol açması gereklidir” demişti. İyi ama açmıyorlar. Her seferinde aynı koşullarla durumu belirliyorsunuz ve elektronu hangi delik arkasında göreceğinizi kestiremiyorsunuz. Ancak benzer koşulların her zaman benzer sonuçlar vermemesine karşın,bilim varlığını sürdürüyor. Ne olacağını önceden tam olarak bilememek bizi mutsuz yapıyor. İnsanın bilmesinin zorunlu olduğu çok tehilikeli ve ciddi durumlar olabilir;ama yine de bunları önceden bilemiyorsunuz. Örneğin bir fotoelektrik pil ve tek bir elektronun geçebileceği bir düzen kurabiliriz- kurmasak daha iyi olur,ama kurabiliriz. Eğer elektronu Delik 1’in arkasından görürsek atom bombasını harekete geçirip Üçüncü Dünya savaşı4nın başlatabiliriz. Ama eğer onu Delik 2’nin arkasında görürsek barış antenleri çıkıp savaşı bir süre erteleyecektir. O zaman, bilim ne denli ilerlese de,insanın geleceği,önceden kestiremeyeceği bir şeye bağımlı olacaktır. Gelecek, önceden bilinemez. “Bilimin varolması için” gerekli olan şeyler,doğanın özellikleri,tantanalı ön-koşullarla belirlenmezler;onlar, daima üstünde çalıştığımız maddeyle,doğanın bizzat kendisiyle belirlenir. Bakarız ve ne bulduğumuzu görürüz. Ama ne olacağını önceden isabetle söyleyemeyiz. Akla en uygun olanaklar çoğunlukla doğru çıkmaz. Bilim ilerleyecekse,gerekli olan şey deney yapmak, sonuçları dürüstçe açıklamaksonuçlar,birisi onların nasıl olmalarını arzu ettiğini söylemeden önce açaklanmalıdır- ve son olarak da sonuçları yorumlayacak zekaya sahip olmaktır. Bu zeka konusunda önemli olan bir nokta,sonuçların ne olması gerektiği hakkında önceden çok güvenli olmamaktır. Önyargılı olunabilir ve “ bu olamaz,bunu beğenmedim” denebilir. Önyargılı olmak kesin olarak emin olmaktan farklıdır. Kesin ön yargılı olmayı değil, yalnızca eğilimi kastediyorum. Sadece eğiliminiz varsa farketmez;çünkü, eğiliminiz yanlışsa ardarda gelen deney sonuçları durmadan canınızı sıkar ve sonunda onları artık gözardı edemezsiniz. Ancak önceden bilimin sahip olması gereken bir önkoşuldan çok kesin olarak emin iseniz sonuçları gözardı edebilirsiniz. 65

ROJ ÇALIŞMA GRUBU

Gerçekte bilimin varolabilmesi için bizim filozofumuzunki gibi doğaya yerine getirmesi gereken ön koşullar ileri sürmeyen beyinlere gerek vardır. (R.Feynman, Fİzik Yasaları Üzerine,TÜBİTAK yay, s: 148-174 )

66

ROJ ÇALIŞMA GRUBU

Fotoelektrik Olay ve Belirsizlik İlkesi Özel görelilik kuramını anlatırken Einstein'in 1905 yazılarından birinin fotolelektrik olayın açıklaması olduğunu belirtmiştim. Fotoelektirik olayın tam sonuçları, 1925 de Werner Heisenberg' in açıklamasıyla anlaşıldı. Fotoelektirik olay, bir parçacığın konumunu tam olarak ölçme olanağı tanıyordu. Bir parçacığın ne olduğunu anlamak için onu ışığa tutmalısınız. Peki ışık, sonsuz olarak bölünebilir mi? Bu sorunun yaklaşık yüz yıl önce maddeler için sorulduğunu anımsayınız. İlk bakışta ışık niye sonsuz dilimlere ayrılmasın serzenişiyle yanıtlanır. Einstein, ışığı sonsuz küçük miktarda kullanamayacağımızı göstermiştir. En azından bir paket yani bir kuantum kullanabiliriz. Bu ışık paketi, parçacığı etkiler ve onun herhangi bir yönde bir hızla hareket etmesine yol açar. Parçacığın konumunu ne kadar duyarlı (hassas) ölçmek isterseniz, kullanmak zorunda kalacağınız paketin enerjisi o kadar büyük olur , ama ışık bu durumda parçacığı daha fazla etkiler. Ancak siz parçacağın konumunu nasıl ölçmeye çalışırsanız çalışın, konumdaki belirsizlik ile hızındaki belirsizliğin çarpımı, her zaman belirli bir minimum miktardan büyük olur. Belirsizlik ilkesinin kabul edilmesi çoğumuz için kolay değildir. Einstein bile 1920 lerin ortasından 1955'te ölümüne dek bu kuramı çürütmek amacı ile yaptığı başarısız girişimlerle zamanının önemli bir kısmını harcamıştır. Einstein' in Sorunu Neydi? Einstein' in kuantum mekaniği ile ilgili sorunlarının bir kısmı, bir sistemin belirli bir geçmişi olduğu yolundaki sağduyuya dayanan bir tasarımı kulanmasından ileri geliyor:" Bir parçacık ya bir yerdedir ya da başka bir yerde. Yarısı bir yerde yarısı diğer yerde olamaz. Benzer şekilde astronotların Ay' a ayak basması gibi bir olay ya olmuştur ya olmamıştır. Yarı olmuş olamaz. Bu, insanın biraz ölü veya biraz hamile olamaması gibidir. Ya öylesiniz ya da değilsiniz. Fakat eğer, bir sistemin belirli tek bir geçmişi varsa, belirsizlik ilkesi parçacıkların bir defada iki yerde olması veya astronotların yarı Ay' da olmaları gibi her türlü paradoksa yol açar. Einstein' i o kadar sıkmış olan bu paradoksları önlemenin güzel bir yolunu Amerikalı fizikçi Richard Feynman ileri sürmüştü. Feynman,1948 de ışığın kuantum kuramı üzerine çalışmasıyla ün kazandı. Feynman, 1965 te bir başka Amerikalı Julian Schwinger ve Japon fizikçi Shinichiro Tomonaga ile birlikte Nobel Ödülü aldı. O, Einstein ile aynı gelenekten olan bir fizikçiydi. Fizikçinin fizikçisiydi. Tantanadan nefret ederdi. Bilimler Akademisinde ( National Academy of Science' ) de insanların zamanlarının çoğunu hangi akademiye kabul edilecekleriyle geçirdiklerini görerek istifa etti. 67

ROJ ÇALIŞMA GRUBU

1988 yılında kanserden öldü. Parçacık fiziğine çok katkılar yaptı. Onun adıyla anılan diyagramlar, parçacık fiziğinin hemen her hesaplamasında yer alır. Fakat daha önemli bir katkısı, geçmişlerin toplamı kavramıydı. Burada fikir, bir sitemin klasik kuantum dışı fizikte normal olarak varsayıldığı gib uzay-zamanda tek bir geçmişe sahip olmadığıdır. Onun yerine, sistem, her olanaklı geçmişe sahiptir. Örneğin, belirli bir zamanda A noktasında olan bir parçacığı düşünün. Normal olarak parçacığın A’dan uzaklaşırken düz bir çizgi üzerinde hareket edeceği varsayılır. Ancak geçmişlerin toplamına göre, A’da başlayan herhangi bir yolda ilerleyebilir. Bu durum, bir kurutma kağıdına bir parça mürekkep damlattığınız zaman gerçekleşecek şeye benzer. Mürekkep parçacıkları kurutma kağıdında mümkün olan her yoldan yayılır. Kağıdı keserek iki nokta arasındaki düz çizgiyi tıkasanız bile mürekkep köşeden döner. Parçacığın her yoluna veya geçmişine ilişkin, yolun şekline dayanan bir sayısı olacaktır. Parçacığın A noktasından B noktasına gitmesi olasılığı parçacığı A’dan B’ye götüren tüm yollarla bağlantılı sayıların toplanmasıyla bulunur. Yolların çoğu için yolla ilişkin sayı yakındaki yolların sayılarını hemen hemen siler. Böylece onlar parçacığın A’dan B’ye gidişinin olasılığına çok az katkıda bulunurlar. Fakat düz yolların sayıları hemen hemen düz olan yolların sayılarıyla toplanır. Böylece olasılığa ana katkı düz veya hemen hemenolan yollardan gelecektir. Bu nedenle bir parçacığın bir köpük odasından geçerken yaptığı iz hemen hemen düz görünür. Fakat parçacığın yoluna üzerinde bir yarık bulunan bir duvar gibi bir şey koyarsanız, parçacık yolları yarığın ötesinde yayılabılır. Parçacığı yarıktan geçen düz çizginin uzağında bulma olasılığı yüksek olabilir. Karadelikler ve Belirsizlik İlkesi Karadelikler ayrı bir dosyamızda. Burada belirsizlik ilkesiyle ilgisine kısaca değineceği. Söz Hawking'de.Genel görelilik kuramı, artık klasik bir kuramdır; çünkü belirsizlik ilkesini kapsamıyor. Einstein de, bir klasik fizikçidir; çünkü kuantum olaylarındaki raslantıyı ve bilinemezliği kabul etmiyor. " 1973 yılında, belirsizlik ilkesinin bir karadelik yakınında eğrilmiş uzay-zamanda bir parçacık üzerindeki etkisini araştırmaya başladım. Çok dikkate değer ki, karadeliğin tam olarak kara olmayacağını buldum. Belirsizlik ilkesi, parçacıkların ve radyasyonun düzgün bir hızla karadelikten dışarı sızmasına olanak verecekti. Bu sonuç ben ve başka herkes için tam bir sürpriz oldu. ve genel bir inançsızlıkla karşılandı. Fakat önceden görülebilmesi ve durumun açık olması gerekiyordu. Bir karadelik, ışığın hızından daha yavaş bir hızda hareket edildiğinde kaçıp kurtulunması olanaksız olan bir uzay bölgesidir. Fakat Feynman' ının geçmişlerin toplamı, parçacıkların uzay-zamanda herhangi bir yoldan gidebileceklerini 68

ROJ ÇALIŞMA GRUBU

söyler. Bu yüzden bir parçacığın ışıktan hızlı ilerlemesi mümkündür. Işık hızından daha yüksek hızda uzun bir yol almanın olasılığı düşüktür, fakat karadelikten çıkmasına yetecek kadar ışıktan daha hızlı gidebilir ve daha sonra ışıktan yavaş ilerleyebilir. Bu şekilde belirsizlik ilkesi, parçacıkların en son hapisaneden, bir karadelik olarak düşünülen yerden kaçıp kurtulmalarına olanak verir. Bir parçacığın Güneş kadar kütlesi olan bir karadelikten dışarı çıkmasının olasılğı çok düşüktür.; çünkü parçacık kilometrelerce ışıktan hızlı gitmek zorunda kalacaktır. Fakat Evren'in ilk zamanlarında oluşmuş çok daha küçük karadelikler olabilir. Bu ilksel karadelikler bir atomun çekirdeğinin büyüklüğünden daha az büyüklükte olabilir, yine de kütlelelri yüz milyar ton,Fuji dağının kütlesi kadar olabilir. Bu karadelikler büyük bir trafo kadar çok enerji yayıyor olabilirler. Keşke bu küçük karadeliklerden birtane bulup enerjibsini kullanabilseydik! Fakat göründüğü kadarıyla Evren'de bunlardan fazla sayıda yoktur. " (Hawking,Karadelikler Ve Bebek Evrenler s:82-84) Einstein ‘in Kutudaki Saat Deneyi Einstein, Kuantum Kuramında Neyi Kabullenemedi? O günlerin havasını ve özellikle Bohr ile Einstein arasındaki ünlü tartışmaları Heisenberg şöyle anlatır: "İlk anlaşmazlık, 1927 yılı sonbaharında yapılan iki kongrede su yüzüne çıktı. Kongrelerden biri,Bohr'un yeni yorum hakkında bir konferans verdiği Como'daki fizikçiler semineriydi.Diğeri ise Solvay Vakfı'nın kuanm kuramında karşılaşılan sorunların aynıtlı olarak tartışlıdığı ve küçük bir grup fizikçinin çağrılı olduğu Brüksel Solvay kongresiydi. Hepimiz aynı otelde kalıyorduk ve en sert tartışmalar konferans salonunda değil, otelde yenen yemekler arasında yapılıyordu. Bohr ve Einstein kuantum kuramının yeni yorumunda yükü en çok çeken kişilerdi. Einstein,yeni kuantum kuramının durağan karakterini kabullenmeye hazır değildi. O elbette ilgili sistemin bütün belirleyici yanlarıyla tam olarak bilinmediği olasılık hesapları yapmak istemiyordu. Böyle görüşler, eski durağan mekaniğe ve ısı kuramına dayanıyordu. Ama Einstein olayların kapsamlı bir tanımının yapılması için gerekli belirleyici yanlarını bilmenin tamamıyla olanaksız olduğu görüşünü kabul etmiyordu."Sevgili tanrı zar atmaz" cümlesi bu tartışmalarda ondan en çok duyulan cümleydi ve bir değişimi yansıtıyordu.Ayrıca Einstein belirsizlik ilkesiyle uyuşamıyordu.Ve içinde bu bağıntıların artık geçerli olmadığı deneylerin ne olabileceğini düşünüyordu. Tartışmalar genellikle sabahın erken saatlerinde,kahvaltıda başlıyordu.Einstein bize,kendi ilkesine göre belirsizlik bağıntısını çürüten yeni düşünceleri açıklıyordu. Biz bunları hemen analiz etmeye başlıyorduk 69

ROJ ÇALIŞMA GRUBU

ve genellikle Bohr ve Einstein'e eşlik ederek konferans salonuna giderken,yolda sorunun ve iddianın açıklanmasına girişiliyordu. Daha sonra bütün gün boyunca bu konuda pek çok konuşma yapıldı ve Niels Bohr,Einsteinle yediği bir öğle yemeğinde,kendisi tarafından önerilen deneyin belirsizlik ilkesini zedelemediğini ispatladı. Einstein,biraz tedirgindi;ama ertesi sabah kahvaltıda öncekinden daha komplike olan ve belirsizlik ilkesinin geçersiz kılacağını düşündüğü yeni bir düşünce deneyine hazırdı. Böyle bir girişim elbette ilk akşamdakinden daha iyi değildi ve bu oyun birkaç gün sürdükten sonra Einstein'in dostu Paul Ehrenfest'in isyanı geldi... Bizim için bugüne dek bilimsel çalışmalarımıza ve düşüncelerimize temel oluşturmuş olan imgelerden vazgeçmenin ne kadar zor olduğunu bir kez daha anladım. Einstein.tüm yaşamını sağlam,değişmez yasalara göre işleyen,bizden bağımsız,dışarıda uzay ve zamandageçen fiziksel fenomenlerin objektif dünyasına adamıştı. Kuramsal fiziğin matmatiksel sembolleri,bu objektif dünyayı çizmek ve böylece bu dünyada gelecekte olabilecek fenomenler hakkında önceden tahminde bulunmayı mümkün kılmalıydı. Şimdi ise atomlara kadar inildiğinde,zaman ve uzayda böylesine objetif bir dünyanın asla olmadığı ve kuramsal fiziğin matematiksel sembollerinin gerçek olanı değil, mümkün olanı verebileceği iddia ediliyor. Einstein, ayakları altındaki zeminin çekilmesine hazır değildi.Ama daha sonra kuantum kuramı fiziğin önemli bir bölümünü oluşturduğunda Einstein görüşünü değiştiremedi. O, kuantum kuramını atomsal görüngülerin geçici,kesin olmayan bir açıklaması olarak gördü. "Tanrı zar atmaz" cümlesi Einstein'in hiçbir şekilde sarsılmasına izin vermediği bir ilkeydi. Bohr buna sadece şöyle yanıt verebiliyordu: "Ama tanrının dünyayı nasıl yöneteceğini göstermek bizim gücümüz değildir." (Heisenberg,Parça ve Bütün,s:95-97) Enstein, pes etmedi. 1930 yılındaki Altıncı Solvay Konferansı’na hazırlıklı geldi. Kendine yaraşan bir düşünce deneyi ortaya attı: Kutudaki Saat deneyini. Einstein, ışık geçirmeyen bir kutu içinde bir saat bulunduğunu varsaydı. Bu kutunun kapağı çok hızlı açılır kapanır cinstendi. Kutu içinde foton gazı hapisti. Kapak açılıp kapatıldığında bir foton dışa kaçıyordu. Buna göre kapağın açılışının öncesinde ve sonrasında kutu tartılarak fotonun kütlesi ve bu nedenle de enerjisi ölçülebilirdi. Sonuç olarak, fotonun enerjisini ve zamanını istenen kesinlikte ölçmek olanaklıydı. Bu ilişki, belirsizlik ilkesini ihlal ediyordu. Bohr, bu problemi düşünerek uykusuz bir gece geçirdi. Einstein ' in düşünme tarzı doğru ise kuantum mekaniği yanlış çıkmalıydı. Bohr, sabah olmadan Einstein' in mantığındaki çelişkiyi buldu. Foton, kutuyu 70

ROJ ÇALIŞMA GRUBU

terkederken kutuya bilinmeyen bir momentum verirdi; ayrıca kutunun onu tartmakta kullanılan kütlesel çekim alanı içinde hareket etmesine yol açardı. Foton kaçtığı zaman oluşan itme nedeniyle saatin konumu belirsizleştiği için onun ölçüldüğü zaman da belirsizleşirdi. "Bohr, Einstein ' in düşünce deneyinin aslında belirsizlik ilkesini ihlal etmediğini, tersine onu doğruladığını gösterdi." (H.Pagels,Kozmik Kod, s: 93)

Bohr Kuantum Fiziğinin Gizemleri Roger Penrose İlk bölümde,fizik dünyasının yapısının kesin bir biçimde matematiğe dayalı olduğu konusuna değinmiştim... Fiziğin en temel yönlerini betimlemede matematiğin ulaştığı kesinlik olağanüstü derecede çarpıcıdır. Eugene Wignerdurumu şu sözlerle anlatmıştır: “ Matematiğin fiziksel bilimlerde akıl almaz dercede başarılı etkisi” Bu başarıların hatırı sayılır bir listesi vardır: Öklit geometrisi, bir metrelik uzunlukta, olsa olsa bir hidrojen atomunun büyüklüğü derecesinde bir hata payına sahiptir. İlk bölümde değinildiği gibi,Genel Görelilik’ten gelen etkiler dolaysıyla kesin bir doğruluğa sahip değildir.Ancak pratik amaçlar çerçeveinde Öklit geometrisi yine de fazlasıyla duyarlıdır. Newton mekaniğinin 10 milyonda 1'lik bir duyarlığa sahip olduğu bilinse de bu yine de kesin bir doğruluk değildir. Daha doğru sonuçlar elde etmek için göreliliğe ihtiyacımız vardır. Maxwell’in elektrodinamiği , kuantum mekaniği bağlamında ele alınan atomaltı parçacık boyutlarından,uzak galaksilerin 10 üzeri35 metre ve üzerindeki boyutlarına dek uzanan muazzam sınırlar dahilinde geçerlidir. Einstein’in Göreliliği, 10 üzeri 14'te 1'lik bir hata payına sahiptir. Bu, Newtoncu mekaniğin ulaştığı basamak sayısını yaklaşık iki katı olup, Einstein’in kuramının newtoncu mekaniği içine aldığı kabul edilir. Kuantum mekaniği de olağanüstü duyarlılıkta bir kuramdır ve bu bölümün konusunu oluşturmaktadır. Kuantum mekanğinin, Maxwell’in elketrodinamiği ve göreliliğe ilişkn Einstein’ın Özel Kuramı ile birleşmesi demek olan kuantum alanları kuramı kapsamında hesaplanan öyle etkiler vardır ki bunların 10 üzeri 23'te bir derecesinde doğru oldukları bilinmektedir.. Bu kuramlarla ilgili olarak değinilmesi gereken önemli bir nokta var. Fiziksel dünyayı betimlemede matemtağin ulaştığı olağaüstü başarı ve doğruluk ne ise bu kuramlar da o düzyde olağanüstü verimlidirler. 71

ROJ ÇALIŞMA GRUBU

Kimbilir kac kez,matematikteki en verimli kavramların,fizik kuramlarından çıkan kavramlara dayandırıldığı görülmüştür. .. En çarpıcı örneklerden bir tanesi diferansiyel ve integral hesabın keşfidir. Bu hesaplama yöntemli,şimdi Newtoncu mekanik adını verdiğimiz yapıyı matematiksel temeller üzerine oturtmak üzere Newton ve diğer bir grup insan tarafından geliştirilmeştir. Daha sonra bu çok çeşitli matematiksel yapılar saf matematiksel problemklere bir çözüm bulmak amacıyla uygulandıklarında, aynen matematiğin kendisi gibi son derece verimli oldukları görülmüştür. Temel uzunluk ve zamanın birimleri olan Palanck uzunluğunu ve Planck zamanını, insan boyutlarındaki uzunluk ve zamanla örneğin Evrenin yaşıla ve yarıçapıyla kıyasladığımızda, evreni betimlemede iki farklı yöntem kullandığımızı görüyoruz... Kanımca fizikçiler arasında, eğer kuantum fiziğini doğru dürüst anlayabilseydik,buradan klasik fiziği de çıkarabilirdik şeklinde yaygın bir görüş vardır. Oysa ben, değişik bir yaklaşımda bulunmak istiyorum .Uygulamada yapılan şey şu değildir: Ya klasik seviyeyle ilgilenirim ya da kuantum seviyesile. Bu,can sıkıcı biçimde, Eski Yuanlıların dünyaya bakış tarzlarına benzemektedir. Onlara göre Yeryüzü üzerinde belli bir yasalara grubu,gökyüzünde ise başka bir yasalar grubu uygulanmaktaydı.İşte Galileici-Newtoncu bakış açısının gücü buradan kaynaklanmaktadır. Bu görüş,bu iki grup yasanın yan yana getirilebileceğini ve aynı fizik çerçevesinde anlaşılabileceğini göstermiştir. Şimdi Eski Yunanlıların içinde bulundukları duruma benzer bir durumla yeniden karşı karşıyayız. Yalnız bu durumda bir grup yasa kuantum seviyesinde,diğer bir grup yasa da klasik seviyede uygulanmaktadır. Schrödinger Kalasik seviyede Newton, Maxwell ve Einstein yer alıyor. Kunatum seviyesinde Schrödinger Denklemi ve arada gelenekçi kuram: Olasılıkçı (tesadüfi) notu yer alıyor. Schrödinger, kendi adıyla anılan denklemle bütün fiziği betimleneceğini düşünmemişti. “Şimdilik demek istediğim,insanlar ve sonradan onların adlarını almış olan kuramlar birbirlerinden oldukça farklı şeylerdir.” Şöyle bir soru sormalıyız: “Evren, şaşmaz bir biçimde sadece kuantum mekaniği yasalarınca mı yönetilmektedir? Bütün bir Evren’i kuantum mekaniği çerçevesinde açıklayabilir miyiz?” Bu soruya yaklaşabilmek için kuantum mekaniğinden söz etmem gerekecek. Yalnız izin verirseniz önce, kuantum mekaniğinin açıklamakta başarı gösterdiği şeylerden bir kısımının kısa bir listesini sunmak istiyorum: 72

ROJ ÇALIŞMA GRUBU

Atomların kararlılığı: Kuantum mekaniği keşfedilmeden önce,atomlardaki elektronların nasıl olup da ,tamamiyla klasik bir betimlemede olduğu gibi, bir sarmal çizerek çekirdeklerine doğru düşmedikleri anlaşılamıyordu. Tayf çizgileri: Gözlemlediğimiz ışıma çizgilerinin aynen, belirlenmiş olan dalgaboylarında gerçekleşmesi, atomlarda kuantlaşmış enerji düzeylerinin bulunması ve bunlar arasında geçişler meydana gelmesi dolasıylardır. Kimyasal bağlar : Atomları ve molekülleri bira arada tutan kuvvetlerin doğası kuantum mekaniksel yapıdadır. Kara cisim ışıması : kara cisim ışımasının tayfı ancak ve ancak ışımanın kendisinin kuantlı olmasıyla anlaşılabilir. Soyaçekimin güvenilirliği : Bu olay kuantum mekaniğine bağlı olarak DNA’ nın molekül düzeyinde gerçekleşmektedir. Laserler : Laserlerin işleyişi, moleküllerin kuantum mekaniksel halleri arasındaki uyarılmış kuantum geçişlerine ve ışığın kuantum doğasına (Bose-Einsteinci) dayanmaktadır. Üstüniletkenlikler ve Üstünakışkanlar : Bunlar çok düşük sıcaklıklarda ortaya çıkan olaylardır ve bazı madde ürlerinde elektronların (ve kimi diğer parçacıkların) kendi aralarındaki uzun mesafeli karşılıklı kuantum etkileşimlerinin bir sonucudur. Anlayacağınız, kuantum mekaniği günlük yaşamda dahi her zaman her yerde mevcuttur ve elektronik bilgisayarlar da dahil olmak üzere yüksek teknolojinin pek çok alanının kalbi durumundadır. Ayrıca parçacık fiziğinin anlaşılması açısından, kunatum mekaniğinin göreliliğe ilişkin Einstein’in Özel Kuramı ile birleşimi olan Kuantum Alanları Kuramı vazgeçilmez bir konumdadır. Yukarıda da değinildiği gibi Kuantum Alanları Kuramının on üzeri on birde 1 derecesinde bir doğruluğa sahip olduğu bilinmektedir. Bu liste, kuantum mekaniğinin ne denli muhteşem ve etkili olduğunu anlatmak için yeterlidir. Çift Yarık Deneyi Penrose devam ediyor:Şimdi izin verirseniz biraz da kuantum mekaniğinin ne olduğundan söz etmek istiyorum. Şimdi sözü Penros’dan biz alalım: Ünlü çift yarık deneyini anlatalım. Kuantum mekaniğine göre 73

ROJ ÇALIŞMA GRUBU

ışık foton adı verilen parçacıklardan oluşmaktadır. Tek renkli bir ışığın fotonlarını tek tek gönderebilen bir ışık kaynağının önüne çift yarıklı bir levha konuyor. Çift yarığın ardında da bir ekran var. Fotonlar ekrana ayrık birer olay olarak ulaşmakta ve sanki sıradan parçacıklarmışçısanı ayrı ayrı saptabilmektedirler. Kuanum davranışındaki gariplik ise şu noktada ortaya çıkmaktadır: İki delikten birini açtığımızda fotonları beklediğimiz bölgelerde bulabiliyoruz. Fakat iki yarığı da aynı anda açık tutarak fotonları yollarsak fotonları tek yarık açıkken bulduğum bölgelerde bulamıyorum.”Fotonun yapmayı seçebileceği iki olası şey her nasılsa birbirini götürmektedir. Bu tarz bir davranışa klasik fizikte rastlamak mümkün değildir. Ya birisi olmaktadır ya ya öbürü; olması mümkün olan (önünde bir engel bulunmayan) iki olası şeyin ikisini de aynı anda elde edememektesiniz,çünkü birbbirlerini yok etmek için her nasılsa birbirlerine tuzak kurmaktadırlar. Kuantum kuramına göre bu deneyin sonucunu şu şekilde açıklamaktayız: Foton, kaynakla ekran arasında seyir halindeyken içinde bulunduğu kuantum hali, yarıkların birinden ya da diğerinden geçmesiyle belirlenen durum değil, daha çok ikisinin karmaşık sayılardan oluşan çarpanlarla oranlanan gizemli bir birleşimidir.... Buna göre her iki seçeneğin de önlerindeki çarpanların karmaşık sayı olması önemlidir. Birbirini götürmelerinin meydana gelmesinin nedeni budur. Belki fotonun davranışını seçeneklerden birini ya da diğerini yapma olasılığı cinsinden açıklayabileceğiniz,bu yüzden W ve Z çarpanlarının reel sayılardan oluşan olasılık çarpanları olması gerektiğini düşünebilirsiniz. Ancak bu yorum doğru değildir. Çünkü W ve Z karmaşıktır. Kuantum mekaniğine göre bu önemli bir noktadır. Kuantum parçacıklarının doğasındaki dalga özelliğini,seçeneklere ait " olasılık dalgaları" cinsinden açıklayamazsınız. Bunlar seçeneklere ait karmaşık dalgalardır. Buna göre karmaşık sayılar hem eksi bir sayının karekökünü, hem de bildiğimiz reel sayıları içeren sayılardır.Genel olarak karmaşık sayı, sadece reel sayılarla sadece imajiner sayıların bir birleşimidir;örneğin 2+3kare kök(-1)=2+3i.. Kuantum kuramının temellerinin inşasında bu sayıların da işin içine girmiş olması,insanların zihninde,bu kuramın soyut ve anlaşılmaz türden bir şey olduğu kanaatinin uyanmasına yol açmaktadır. Halbuki karmaşık sayıları bir kez benimsediğinizde,hele bir de Argand diyagramından yararlanarak türlü işlemler yapmaya da alıştıysanız,artık sizin için hayli somut nesneler durumuna gelmektedirler. Böylelikle siz de eskisi kadar aldırış etmemeyi öğrenmiş olursunuz. Ne var ki kuantum kuramı,karmaşık sayılardan oluşan çarpanlarla oranlanan kuantum hallerinin üst üste binmesinden ibaret değildir. Şu ana dek yalnızca U ile gösterdiğim kurallar bütününün uygulandığı kuantum 74

ROJ ÇALIŞMA GRUBU

seviyesinde kaldık. Bu seviyede sistemin hali,mümkün olan bütün seçeneklerin karmaşık çarpanlarla oranlanarak üst üste binmesinden meydana gelmiştir. Kuantum halinin zaman içendeki gelişimi üniter gelişim (ya da Schrödinger gelişimi) adıyla bilinir ki,U ile temsil edilmeye çalışılan asıl şey de budur. U’nun önemli bir özelliği lineer olmasıdır. Yani iki halin üst üste binmiş hali daima, zamana göre sabit karmaşık çarpanlarla oranlı olarak üst üste binmeleri şartıyla,aynen iki halden her birinin gelişimi gibi gelişmektedir. Söz konusu lineerlik Schrödinger Denklemi’nin en başta gelen özelliğidir. Kuantum seviyesinde,karmaşık çarpanlarla oranlanarak üst üste binme durumu daima mevcuttur. Öte yandan bu olayı klasik seviyede büyüttüğünüzde bütün kuralları değiştirmiş olursunuz. Klasik seviyeye büyütmekten kastım,üstteki U seviyesinden alttaki C seviyesine geçiştir. Söz gelimi ekranda beliren bir noktayı gözlemlemekle yaptığımız şey, fiziksel olarak böyle bir duruma karşılık gelmektedir. Küçük ölçekte meydana gelen bir olay,klasik seviyede gerçek olarak gözlenebilecek daha büyük ölçekli bir olay meydana getirmek üzere fitili ateşlemektedir. Starndart kuantum kuramıyla çalışanlar bu noktada,tombaladan çıkarırcasına,kimsenin pek fazla sözünü etmek istemediği bir şey ortaya atarlar. Bu şey dalga fonksiyonunun çökmesi veya hal vektörünün indirgenmesi olarak bilinir. Bu yönteme karşılık olarak R harfini kullandım. Bu noktada yaptığımız şey üniter gelişimle ilgili olarak yapılandan tamamıyla farklıdır.İki seçeneğin üst üste bindirilmesi amacıyla iki karmaşık sayıya bakar ve modüllerinin karesini alırsınız; yani Argand düzleminde her iki noktanın merkez noktasına olan uzaklıklarının karesini hesaplarsınız. Böylece kareleri alınan bu iki modül, iki seçeneğe ait olasılıkların oranını verir. Ancak bu yol, yalnızca “bir ölçüm yapmanız”,bir başka deyişle,”bir gözlem yapmanız” durumunda geçerlidir. Burada izlenen yol,olayın U seviyesinden C seviyesine büyütülmesi olarak düşünülebilir.İşte bu aşamada kuralları değiştirmiş olursunuz. Artık lineer tarzda üst üste binmeler geçerli değildir. Bir de bakmışsınız,bu modüllerin karelerinin oranı size vere vere olasılıkları vermiştir. Belirlenmezciliği işin içine bulaştırdığınız tek yer işte bu U seviyesinden C seviyesine geçiş aşamasıdır. Yani belirlenemezcilik R ile birlikte devreye girmektedir. U seviyesinde kalındığı sürece her şey belirlenircidir. Kuantum mekaniği yalnızca,”ölçüm yapma” denilen işlemi gerçekleştirmeniz durumunda belirlenmezci bir hal alır. Standart kuantum mekaniği kapsamında işler işte bu sistem dahilinde yürümektedir. Temel sayılan bir kuram için bu, bir hayli tuhaf bir sistemdir. Eğer daha temel seviyede başka bir kuramı hedef alan bir yaklaşıklık hesabından ibaret olsaydı, böylesi belke daha çok akla yatardı. Oysa bu 75

ROJ ÇALIŞMA GRUBU

melez yöntem bütün uzmanlarca zaten başlıbaşına temel bir kuram olarak görülmektedir! Şimdi yeniden karmaşık sayılara dönelim. İlk bakışta insana boş boş oturan soyut şeylermiş gibi gözükseler de,modüllerinin karelerini alır almaz olasılık değerine dönüştüklerini görürsünüz. Aslına bakılırsa çoğu kez sağlam bir geometrik yapıları vardır. Anlamlarına daha iyi vakıf olabilmeniz için size bir örnek vermek istiyorum. Ancak önce kuantum mekaniği hakkında birkaç şeyi daha hatırlatacağım. Dirac parantezleri adıyla bilinen şu acaip görünüşlü ünlü parantezleri kullanacağım. Bu parantezler,sistemin halini belertmek için basit birer gösterimdir. IA> gösterimini kullanmakla,sistemin A ile belirtilen kuantum halinde olduğunu anlatmaya çalışmaktayım. Yani parantez içindeki ifade kuantum halinin bir gösteriminden ibarettir. Çoğu zaman sistemin topyekun kuantum mekaniksel hali Psi ile gösterilir. Bu, sistemin diğer hallerinin bir üst üste binmesidir.. Kuantum mekaniğinde sayıların kendi büyüklükleriyle,oranlarıyla ilgelendiğimiz kadar ilgilenmiyoruz. Kuantum mekaniğinde şöyle bir kural vardır: Kuantum halini bir karmaşık sayıyla çarpmanız (bu karmaşık sayı sıfır olmadığı sürece) fiziksel açıdan durumu değiştirmeyecektir. Bir başka deyişle,bizin için fiziksel açıdan doğrudan anlamı olan tek şey bu karmaşık sayıların oranıdır. R işin içine girdiğinde peşin olduğumuz şey olasılıklardır,bu amaçla modüllerin karelerinin oranına ihtiyacımız vardır. Ama kuantum seviyesinde kalsak ve bu karmaşık sayıların modüllerini hesaplamasak dahi,oranlarına belli bir anlam yükleyebiliriz. Riman küresi,karmaşık sayıları bir küre üzerinde temsil etmenin bir yoludur. Daha doğrusu burada sadece karmaşık sayıların kendileriyle değil,oranlarıyla da ilgilenmekteyiz. Oranlar söz konusu olduğunda dikkatli olmak zorundayız.çünkü paydadaki sayı sıfır olduğunda oran sonzulaşır. O yüzden biz bu sonsuzluk durumunu da göz önüne almak zorundayız. Sonsuzluk durumuyla birlikte bütün karmaşık sayıları,bu yakışıklı izdüşüm yardımıyla bir küre üzerine yerleştirebiliriz. Burada Argand düzlemi,küreyi kürenin ekvatoru konumunda bulunan birim çember seviyesinde kesen ekvator düzlemidir. Hiç kuşkusuz,ekvator düzlemi üzerinde bulunan her noktayı.kürenin güney kutbuna göre izdüşüm alarak Riemann küresi üzerine izdüşümleyebiliriz. Bu izdüşüm işlemi sonucunda Riemann küresinin güney kutbu,diyagramdan da anlaşılabileceği gibi,Argand düzlemine göre ‘sonsuza karşılmık gelen nokta’dır.(s: 80) Eğer bir kuantum sisteminin seçenek olarak iki hali varsa,bu ikisini birleştirmek suretiyle oluşturulabilecek değişik haller bir küre ile betimlenir. Bu aşamada bu soyut bir küredir. Ancak onu gerçek anlamda görebildiğiniz kimi durumlar da yok değildir. Aşağıdaki örnek benim çok sevdiğim bir örnektir. Şayet elimizde elektron,proton veya nötron gibi spin-1/2 parçacığı 76

ROJ ÇALIŞMA GRUBU

varsa,bunun kuantum spin hallerinin türlü bileşimlerini geometrik olarak canlandırabiliriz. Spin-1/2 parcacıkmları iki farklı spin halinden birisinde bulunabilirler Bunlardan birisi dönme vektörünün yukarı doğru,öteki aşağı doğru olduğu hallerdir.(s: 81) Bu spin hallerinin türlü bileşimleri bir başka eksen etrafında dönme durumuna karşılık gelir. Eğer bu eksen yerini öğrenmek isterseniz,w ve z karmaşık sayılarının oranını alırsınız ki bu da size u= z/w gibi bir başka karmaşık sayı verir. Bu yeni u sayısını Riemann küresi üzerine yerleştirdiğinizde,bu karmaşık sayının merkezden itibaren işaret ettiği yön,size spin ekseninin yönünü verir. Görüyorsunuz ki,kuantum mikeniğinde karşımıza çıkan karmaşık sayılar,ilk bakışta göründükleri kadar soyut şeyler değillerdir. Kimi zaman bulup çıkarması zor olsa da aslında oldukça somut anlamları vardır. Örneğin bir spin-1/2 parçacığı için taşıdıkları anlam apaçık kendini göstermektedir. Spinli parçacıklara ilişkin olarak yapılan bu inceleme,asılnad bize başka bir şey anlatmaktadır: Aşağı spin ve yukarı spin hallerinde bir keramet yoktur. Canımın istediği ekseni sola sağa öne veya arkaya seçmekte serbestim;hiçbir şey değişmeyecektir. Demek oluyor ki (seçilen iki spin hali birbirine zıt yönlü olduğu sürece)hangi iki halle işe başladığımızın önemi yoktur. Kuantum mekaniğinde işleyen kurallara göre hangi spin haline adım atarsanız atın, ilk ikisi kadar geçerlidir. Bu örneğin altamaya çalıştığı şey budur. (R. Penrose, Büyük, Küçük ve İnsan Zihni, Sarmal Y s: 35-82) Kuantum Kuramının Gizemli Yanları Kuantım mekaniği güzel ve derli toplu bir konudur; ama yanı zamanda gizemlerle dolu bir konudur da. Hiç kuşkusuz kimi açılardan şaşırtıcı ,kimi açılardan da paradoksal olan bu konu gizemli bir konudur. Vurgulamak istediğim,gizemlerin iki farklı türde olduklarıdır. Bunlara ŞAŞ-gizemleri ve SOR-gizemleri isimlerini vermekteyim. ŞAŞ-gizemleri ŞAŞırtan gizemlerdir. Bu gizemlerin fiziksel dünyanın kendisinde yatan gizemler oldklarında şüphe yoktur. Kuantum mekaniğinin böyle gizemli ir tarzda davrandığını bize söyleyen esaslı deneyler vardır. Bu tarz etkilerin hepsi de eksiksiz bir içimde sınanmış olmasa da, kuantum mekaniğinin haklı olduğuna hemen hiç şüphe yoktur. Bu gizemlerin kapsadıkları olaylardan bazıları şunylardır: Dalga-tanecik ikiliği, buna daha önce biraz değinmiştim;boş ölçümler, bundan az sonra söz edeceğim; spin,az önce anlatmıyştım (s: 82); ve yerel olmayan etkiler, buna da kısa bir süre sonra değineceğim Bunlar hakikatane de insanı şaşırtan olaylardır, aama çoğu insan bu olayların gerçek olup olmadıklarını sorma gereği bile duymaz;doğanın bir parçası olduklarına şüphe yoktur. 77

ROJ ÇALIŞMA GRUBU

Diğer taraftan SOR-gizemleri adını erdiğim başka bazı probelmelre de vardır ki, bunlar paradoksal gizemlerdir. Benim düşünceme göre bunlar, kuramın eksik veya yanlış oluşununu veya buna benzer başka bir aksaklığın işaretidirler. Bu yüzden daha esaslı bir SORgulama gerektirirler. Baeşlıca SOR-gizemi,yukarıda değindiğim ölçme problemi hakkında olanıdır; yani kuantum düzeyinden çıkıp klasik düzeye adımızı attığımız anda kuralların U’dan R’ye değişmesi problemidir. Şayet kuantum sistemlerinin ne denli geniş ölçekte ve ne kadar karmaşık düzeyde davranışlar sergiledkelerinie aklımız daha çok erseydi, hiç olmazsa yaklaşıklıkla veya bir yanılsamayla da olsa acaba şu R yönteminin neden ortaya çıktığını kavrayabilir miydik? SOR-gizmelerinin en ünlüsü Schrödinger’in Kedisi’dir. Schrödinger’in Kedisi Kuantum kuramının eksik ya da aksaklıkları bulunduğuna işret eden Roger Penrose, kuantum kuramının gizemleri arasında Schrödinger’in Kedisi olduğunu belirtir: “Öncelikle hemen belirtmeyim ki Schrödinger çok insancı bir adamcağızdı ve bu deney düşünce deneyidir. Deneydeki kedi, aynı anda hem ölü hem de diri bir haldedir. Böyle kediler ortalıkta gözükmez. Az zonra bu konuya uzun uzadıya değineceğim Benim görüşüme göre ŞAŞ-gizemleriyle ne yapıp ne edip iyi geçenmeyi öğrenmeliyiz.SOR-gizemlerine gelince danha iyi bir kuram elde ettiğinizde bunların da defteri dürülmeli derim. Bunun, SOR-gizemlerine yönelik benim kendi görüşüm olduğunu burada iurgulamak isterim. Diğer pek çok kimse tarafından kuantum kuramının (apaçık?) paradoksları farklı bir ışık alıtında, hatta demeliyi ki, birçok farklı ışık altında görülmektedir. Daha ciddi bir durum arzeden SOR-gizemlerine geçmeden önce,izninizle ŞAŞ-gizemlerinden bir parça söz edeyim. ŞAŞ-gizemlerinin en çarpıçı olanlarından iki tanesine burada değineceğim. Bu problemlerden ilki kuantumun yerel olmayışı ya da kimilerinin benmsediği biçimiyle kuantum dolaşktılığı ‘dır. Bu, çok sıradışı bir durumdur. Fikir özgürn biçimiyle, Einstein ile meslektaşları Podolsky ve Rosen’den (s: 83) gelmiştir ve EPR deneyi olarak bilinir. Anlaması belki de en kolay olan biçimi David Bohn tarafından öne sürülenidir. Elemizde,daha sonra elektron ve pozitron gibi zıt yüklü iki adet spin - 1/2 parçacığına bölünecek olan bir spin- O parçacığı vardır. Aralarında uzak bir mesagfe bulunan A ve B noktalarına gidecek olan parçacıkların spinlerini ölçmek istiyoruz. John Bell’e borçlu olduğumuz bir teorem vardır. Bu teorem bize, A ve B noktalarında gerçekleştirilecek olan gözlem sonuçlarının birleşik olasilılıklarına dair kuantum mekaniğinin beklentileri ile “yerel gerçekçi” bir model arasında ihtilaf bulunduğunu söylemektedir. “Yerel gerçekçi” 78

ROJ ÇALIŞMA GRUBU

model deyimiyle A’daki elektronon kendi başına bir şey, B’deki pozitronun da kendi başına bir şey olduğunu, bu ikisinin birlerinden ayrık bulunduğunu ve hiçbir biçimde birbirlerine bağlı olmadıklarını kabul eden modelleri kastetmekteyim.Bu varsayım, bu durumda, A ve B’de gerçekleştirilmesi söz konusu olan gözlemlerin birleşik olasılıkları konusunda kuantum mekaniğiyle çelişen sonuçlara varmaktadır. Bu durum John Bell tarafından açık bir biçimde ortaya konulmuştur. elde edilen sonuç çok önemlidir. Örneğin Alain Aspect’in Paris’te yaptığı deney gibi sonradan gerçekleştirilen diğer deneyler de kuantum mekaniğini bu tahminlerinde haklı çıkarmıştır. Bu deney,merkezi bir kaynaktanh yayınlanan zıt yönlü bir çift fotonun kutuplanma hallerini göz önüne alır.Parçacıklardan birinin spininin ölçümü,diğerinin spin halini anında belirtmektedir. Bu deneyde fotonların kutuplanma yönlerinden hagisinin ölçüleceği,fotonlar kaynaktan çıkıp A ve B saptayıcılarına varıncaya dek kesinleşmemektelydi. Ölçüm sonuçları açıkça gösterdi ki Bell de dahil olmak üzere çoğu kimsenin düşündüğü gibi A ve B ‘de saptanan fotonların kutuplanma hallerine ait birleşik olasılıklar,kuantum mekaniğinin öngörüsünü doğrulamaktaydı.Halbuki bu, iki fotonon ayrık ve bağımsız nesneler oldukları yönündeki olağan varsayımı çürütmekteydi. Aspect deneyi kuantum dolaşıklığı etkilerini yaklaşık 12 metrelik bir uzaklık üzerinden saptamıştı. Bugünlerde ise kuantum kriptografisinde aynı etkilerin kilometre ölçeğindeki muzaklıklarda gerçekleştiği kimi deneyler bulunduğunu öğrenmekteyim(s: 84) Olayların A ve B gibi iki ayrık noktada oluştuğunu ama bunların yerel olmayan etkiler dolaysıyla gizemli bir biçimde birbirlerine bağlandıklarını vurgulamalıyım. ne yolla birbirlerine bağlandıkları- ya da dolaştıklarıkonunun en nazik noktasını oluşturmaktadır. Öyylle bir biçimde dolaşmaktadırlar ki, bu dolaşıklıktan yararlanarak A’dan B’ye sinyal göndermenin hiçbir yolu yoktur. Kuantum kuramının görelilikle olan tutarlılığı açısından, bu sonderece önemli bir noktadır. Aksi takdirde kuantum dolaşıklığını kullanarak ışıktan hızlı haber ulaştırmak olanaklı hale gelecekti. Kuantum dolaşıklığı çok ilginç bir durumdur. Nesnelerin birbirnden ayrı, ama yine de iletişim halinde bulundukları bir ara duruma karşılık gelmektedir. Bu, tamamıyla kuantum mekaniksel bir olaydır ve klasik fizikte bununla benzeşen başka bir olaya rastlamak mümkün değildir. (R. Penrose, BKVİZ s:85) ŞAŞ-gizmelireni ikinci örnek, boş ölçümlerdir. Elitzur-Vaidman bomba sınama problemi bu durumu gayet güzel açıklamaktadır. Terörist bir çetenin üyesi olduğunuzu ve yığınla bombadan oluşan bir ganimete konduğunuzu varsayın. Her bir bombanın burun kısmında aşırı duyarlı bir fünya bulunsun. O denli duyarlı ki burnunun ucunda bulunan küçük aynaya 79

ROJ ÇALIŞMA GRUBU

tek bir görülebilir ışık fotonunun çarpıp yansıması dahi, bombanın dehşet bir patlamayla infilak etmesi için yeterli gelsin. lakin yığının içindeki bombalardan önemli bir kısmı ateş almamaktadır. Ateşlenmeyen bu bombaların kenidilerine özgü birer defosu vardır.Çünkü aynanın bağlı olduğu hassas piston,üretim aşamasında sıkışmıştır. Bu yüzden defolu bir bombanın aynasına bir foton çarparsa bile piston hareket etmemekte ve bomba patlamamaktadırİşte işin püf noktası, defolu bombanın ucunda bulunan bu aynanın, artık infilak mekanizmasını harekete geçirici bir parça değil, sıradan bir sabit ayna görevi görmesidir. Bu koşullar altında problem şidir: İçlerinde defoluların da bulnuduğu bu bir yığın bomba arasından,sağlamlığını garanti edebileceğiniz bir bomba seçin. Klasik fizikte bu işin içinden çıkmak tek kelimeyle olanaksızdır. Bir bombanın sağlam olup olmadığını anlamak için, fünyesinin kımıldayıp kımıldamadığına bakmaktan başka çare yoktur ki bu durumda da bomba patlar. Kuantum mekaniğinin, olmamış bir şeyin olabilirliğini yoklamanız için size olanak tanıması muphteşem bir şeydir. Resmen, felsefecilerin farzımahal dedikleri şeyi sınamadan geçirmektedir. Kuantum mekaniğinin farzımisallerden gerçek etkilerin doğmasına göz yumması olağanüstü bir durumdur! Bu problemin içinden nasıl çıkacağınızı size göstereyim. 1993 yılında Elitzur ve Vaidman tarafından sunulan çözümün özgün biçimini anlatacağım. Defolu bir bombamız olduğunu varsayalım. Üzerindek ayna sıkışmış durumdadır-sabit bir aynadır- bu yüzden bir foton çarpıp yansıdığında aynada kayda değer bir kıpırdama omamakta ve patlama gerçekleşmemektedir. Şimdi yeni bir düzenek kuruyoruz. Yayınlanan bir foton ilk olarak yarıyarıya gümüşlenmiş bir aynayla karşılaşmaktadır.Bu ayna kendisine gelen ışığın yarısını geçirmektediğer yarısını ise yansıtmaktadır Bunun aynaya düşen ftonların yarısının aynanın içinden geçip gittiği, kalan yarısının da aynadan yansıdığı anlamına geldiğini düşünebilirsiniz. Gelgelelim fotonlar kuantum seviyesinde tek tek ele alındıklarında, ortaya çıkan durum hiç de öyle değildir. Gerçekte, kaynaktan tek olarak çıkan bir foton, kendisi için birer seçenek oluşturan her iki-iletilen ve yansıtılan- güzergahın üstüste binmesinden meydana gelen bir kuantum haline konulmaktadır. bombanın üzerindeki ayna,iletilen foton ışınının geçiş hatı ile 45 derecelik bir açı yapan konumda bulunmaktadır.Böylece fotonun aynaya gelen yolu ile yansıyan yolu arasındaki açılar 90 derece olmaktadır. Foton ışınının yarıyarıya gümüşlenmiş aynadan yansıyan kısmı, yolu üzerinde yine 45 derecelik konumda bu kez tam gümüşlenmiş bir başka ayna üzerine düşereke bir araya gelmektedir. 80

ROJ ÇALIŞMA GRUBU

Gelin, bombanın defolu olması durumunda kaynaktan çıkan tek bir fotonon başına eneler geldiğini hep birlikte izleyelim. Yarı yarıya gümüşlenmiş ilk aynayla karışlaştığında, fotonon hali iki ayrı hale bölünür. Bunlardan birisi fotonon yarı gümüşlenmiş aynadan geçip defolu bombaya doğru yönelmesine, öbürü de sabit aynaya doğru yönelecek şekilde yansımasına karşılık gelmektedir(Foton güzergahlarının bu şekilde üstüste binmesi çit-yarık deneyindeki duruma benzemektedir. Ayrıca bu, spinleri bir araya eklememiz durumuyla da esas açısından aynı olaydır.) yarı yarıya gümüşlenmiş aynalar arasında kalan iki ayrı güzergahın uzunluklarının tamtamına birbirine eşit olduklarını varsaylmaktayızz. Saptayıcılara vardığında fotonun hangi halde bulunduğunu belirleyebilmemiz için, fotonun saptayıcılara ulaşmak çin kullanabileceği bu iki ayrı rotayı birbirleriyle kıyaslayarak gözöüne almak zorundayız. Çünkü bu rotalar kuantum seviyesinde üst üste binme durumuna gelmektedirler. B saptayıcına ulaşırken iki rotanın birbirni söndürdüğünü, A saptayıcısına ulaşırken ise birbirlerini(s:88) destelediğini görmekteyiz. Bu nedenle yalnızca bir tek sinyal mevcut olabilir ve bu sinyal de A saptayıcısını uyaran sinyaldir. B saptayıçcıbsı ise hiçbir zaman uyarılmamaktadır.Bu bir grişim desenidir. Bu desende,kimi noktalarda, kuantum halinin iki ayrı bileşeninin o noktada birbirlerini söndürmeleri dolaysıyla aydınlanma şiddeti sıfırdır. Demek ki defolu bir bombadan yansıma dunrrumunda daima A saptayıcısı uyarılmakta, B saptayıcısı ise hiçbir zaman uyarılmamaktadır. Şimdi gelelim sağlam bir bombanın söz konusu olduğu duruma. Bu durumda bombanın ucundaki ayna artık sabit bir ayna özelliğinde olmadığından, sahip olduğu kımıldama yeteneği bombayı bir ölçüm aygıtı durumuna getirmektedir.Bomba, aynadaki foton için şu iki seçenekten birini ölçecektir: ya varmış bir foton halindedir ya da varmamış bir foton halindedir. diyelim ki foton yarı yarıya gümüşlenmiş ilk aynadan geçmiş olsun ve bombanın ucuna monte edilmiş olan ayna da fotonon bu yolu aşıp geldiğini ölçsün.”boom!!! o anda bomba infilak edecektir. Onu kaybettik. Öyleyse yeni bir bomba yerleştirip yeniden deneyelim. Belki bu sefer bomba, fotonun ulaşmadığını ölçer de patlamaz. Böylece fotonun diğer yolu takip ettiği ölçülmüş olur(Bu ölçüm boş bir ölçümdür). İmdi, foton yarıgümüşlenmiş aynalardan ikincisine vardığında,iletlidği kadar yansıtılabilir de; bu yüzden artık B’nin uyarılması sözkonusudur. Bu nedenle sağlam bir bomba ile çalışıldığında,B’de arada sırada bir foton saptanacaktır. Bu da bombanın,foton öbür yoldan gitmiş olarak ölçtüğüne işaret etmektedir. Burada kilit noktası sağlam bir bombanın bir ölçüm aygıtı olarak davranmasıdır; foton bombayla ekkileşmese dahi,yani bir boş ölçüm. . Bu ise fotonun (bir önceki paragnafta) B’da saptanmasını önleyen tam 81

ROJ ÇALIŞMA GRUBU

sönümleme durumu ile çatışan bir durumdur. Yani bu kez foton bu yoldan geçmediyse mutlaka öbür yoldan geçmiş olmalıdır! Eğer foton B’de saptanırsa,bombanın bir ölçüm aygıtı olarak davrandığını anlarız;yani bu sağlam bir bombadır. Öte yandan,şayet bomba sağlam bir bombaysa,arada sırada da olsa B saptayıcısı kendisine bir foton ulaştığını ölçecek ve dae bomba patlamayacaktır(s: 89). Bu ancak ve ancak bombanın sağlam bir bomba olması durumunda mümkündür. Böyle bir durumda bombanın sağlam bir bomba olduğundan emin olabilirsiniz,çünkü fotonun diğer yolu izlediğini gerçekten de ölçmüştür. Bu durum gerçekten de olağanüstüdür. Zeilinger,1994 yılında Oxford’u ziyaret etmiş ve bana bomba sınama deneyini gerçekleştirdiğini söylemişti. Aslında o ve arkadaşları deneyi bombalarla değil,aynı ilkeye dayanan başka bir şeyle yapmışlardı. Zeilinger’in büyük olasılıkla terörist olmadığını hemen belerteyim. Sonra da bana, kendisi ve meslektaşları Kwiat, Weinfurter ve Kasevich’in aynı deneyi bir tek bomba bile israf etmeden yapabildikleri bir çözüm getirdiklerini anlattı. Bunun nasıl gerçekleştiğini,uzun uzadıya anlatmayacağım çünkü çok daha ince ayrıntıları olan bir düzenektir. Gerçekten de yok sayılabilecek kadar az bir malezeme ziyan olmaktadır. Hatta belki hiçbir şey ziyan etmeden de sağlam bomba bulmamız mümkündür. Sizi bu düşüncelerle başbaşa bırakmak istiyorum. Bu örnekler kuantum mekaniğinin ve ŞAŞ-gizemlerinin olağanüstü doğasının kimi taraflarını gözler önüne sermektedir. Sanırım meselenin bir bölümünü,bazı inlanların bütün bu anlatılanlardan sonra hipnotize olmuş bir konuma geçerek şöyle demeleri oluşturmaktadır: “Aman Tanrım, kuantum mekaniğinin bu denli hayret verici olduğunu bilmiyordum.” Bu gayek isabetli bir belirlemelidir.Bütün bu ŞAŞ-gizemlerini gerçek birer olay olarak kabul ettiğine göre,o kadar hayret verici olsun artık. Ne var ki bununla yetinmeyip SOR-gizemlerini de aynı biçimde kabullenmeleri gerektiği kanısına kapılmaları beence hiç de doğru değildir! Şimdi de Scnrödinger’in kedisine dönelim. Bir foton kaynağı ve üzerine düşen fotonun kuantum halini,bir yansıtılan bir de iletilen olmak üzere iki değişik halin üst üste binmesine dönüştüren yarıgümüşlenmiş bir ayna bulunmaktadır. İletilen fotonun yolu üzerinde,foton kendisine ulaştığında bunu haber alan ve kediyi öldürmek üzere bir silahı ateşleyen bir foton sapma aygıtı vardır. Kedinin,ölümün en son halkasını oluşturduğu düşünülebilir. Kedi bu noktada ya ölü ya da diri bir halde bulunduğunda, kuantum seviyesinden,ölçüp biçilebilir nesnelerin dünyasına geçmiş oluruz. Ancak burada şöyle bir problem ortaya çıkmaktadır: Şayek kuantum seviyesinde olup bitenlerin,kedilerin ve benzeri diğer şeylerin seviyesinde 82

ROJ ÇALIŞMA GRUBU

de geçerli olduklarını kabul edecek olursanız,o halde kedinin gerçekten içinde bulunduğu halin hem ölümün hem de dirimin üst üste binmesi olduğuna da kendinizi inandırmak zorunda kalırsınız. Sorun şudur: Foton o yöne giden ve bu yöne giden hallerin üst üste binmesi durumundadır;saptayıcı açık olma ve kapalı olma hallerinin üst üste binmesi durumundadır ve kedi de ölüm haliyle dirim halinin üst üste binmesi durumundadır. Bu problem uzun zamandır bilinmektedir. Peki insanlar bu konu hakkında ne gibi görüşler ileri sürmüktedir? Kuantum mekaniği konusundaki tavırlar,belki kuantum fizikçilerinin sayısından da fazladır. Burada bir çelişki söz konusu değildir. Çünkü kuantum fizikçilerinden bazıları aynı anda birkaç farklı görüşü savunmaktadırlar. Mevcut görüş açılarına yönelik genel bir sınıflandırmayı,Bob Wald’in çok güzel bir yemek sohbetinde söylediği şu sözlerle sunmak istiyorum. Kuantum mekaniğine gerçekten inanırsanız, ciddiye alamazsınız. Bana öyle geliyor ki,bu değerlendirme kuantum mekaniğine ve insanların ona doğru olan tutumlarına ilişkin çok derin ve doğru bir değerlendirmedir. Kuantum fizikçilerini belli kategorilere ayrıdım. Bilhassa da inananlar ve ciddiye alanlar olarak grupladım. Ciddiyetle neyi kastetmekteyim? Ciddi düşünenler hal vektörünün gerçek dünyayı betimlediği kanısındadırlar. Onlara göre hal vektörü gerçekliğin ta kendisidir. Kuantum mekaniğine “gerçekten” inananlar ise kuantum mekaniğine yönelik alınması gereken doğruu tavrın bu olduğu kanısını paylaşmıyorlar.Diyagramda bazı kişilerin isimlerine yer verdim. Anladığım kadarıyla Niels Bohr ve Kopenhag okulunu izleyenler inananlar grubundandır. Bohr, hiç kuşkusuz kuantum mekaniğine inanmakta ama hal vektörünün dünyanın bir betimlemesi olduğu görüşünü ciddiye almamaktadır… Ciddi düşünen insanları farklı gruplara ayırdım.Bunlardan bir kısmı,bütün hikayenin U’dan ibaret olduğunu,her şeyi üniter gelişim kapsamında çözmeniz gerektiğini düşünenlerdir. Bu düşünce birden fazla dünya görüşüne yol açmaktadır. Bu görüşe göre kedi hem ölü hem de diridir;ancak iki kedi bir bakıma farklı evrenlerde yaşamaktadır. Bundan daha sonra söz edeceğim. Bu genel görüş açısına,hayatlarının sadece belli bir bölümünde de destek verenlerden bir kısımını belirttim Birden fazla dünyanın destekçileri,diyagramın ortasında yer alanlardır. Kendimi de onların arasında saymaktayım. Bunlar, U’nun da R’nin de gerçek olaylara denk düştüğü fikrini savunanlardır. Sistemin üç aşağı beş yukarı küçük bir sistem olması durumunda geçerliliğini sürdüren tek şey üniter gelişim değildir;onun yanısıra adını R koyduğum başka bir şeyler daha geçerliliğini sürdürmektedir. Bu tastamam R olmayabilir;ama yine de ona yakın bir şeydir. Eğer buna kanaat getirdiyseniz,mevcut duruma göre şu iki görüş 83

ROJ ÇALIŞMA GRUBU

açısından birini tercih etmelisiniz.Hesaba katılması gereken yeni fiziksel etkiler bulunmadığı görüşüne destek verebilirsiniz.De Broglie ile Bohr’un görüşlerini,Griffiths,Gell-Mann,Hartle ve Omnes’in savundukları diğer fikirlerle birlikte bu guruba kattım. R’nin de belli bir rolü vardır;ancak kimse yeni etkilerle karşılaşmayı beklememelidir. “Gerçekten ciddiler” gurubuna giren ve benim de paylaştığım ikinci görüş açısı da vardır. Buna göre yeni bir şey gelip kuantum mekaniğinin yapısını değiştirecektir. R ile U ciddi biçimde çelişmektedir;bu noktada yeni bir şey gelip katılmak üzeredir. Bu fikri paylaşanlardan bir kısmının isimlerini sağ alt köşeye ekledim (Karolyhazy, Pearle, Ghirandi ve arkadaşları, Diosi, Percival,Gisin,Penrose). Şimdi matematiğin içine biraz daha ayrıntısıyla dalmak ve özellikle Schrödinger’in kedisiyle uğraşan farklı görüş açılarına eğilmek niyetindeyim. Schrödinger4in kedisine ait resme geri dönelim ve bu kez w ve z karmaşık sayılarından oluşan orantı katsayılarını da içine dahil edelim. Foton iki hal arasında bölünmüş durumdadır. Şayet kuantum mekaniği konusunda ciddi iseniz, hal vektörünün gerçek olduğu kanısındasınıdır. Bu yüzden de kedinin gerçekten de hem ölüm hem de dirim hallerinin belli bir biçimde üst üste bindiği bir durum içinde bulunması gerektiği fikrini savunmaktasınız. Ölüm ve dirim hallerini Dirac parantezleriyle belirtmek çok elverişlidir. Dirac parantezlerinin içine çeşitli semboller koyduğumu gibi kedileri de koyabilirsiniz. Gelgelelim bütün hikaye kedide düğümlenmiyor,çünkü silah, foton ve bunları çevreleyen hava da işin içindedir. Yani bir ortam mevcuttur ve hali oluşturan her bileşen gerçekten bütün bu etkilerin çarpımına eşittir. Ama ne olursa olsun üst üste binme durumu gene de söz konusudur. Bütün bunlarla birden fazla dünya görüşünün ne ilgisi var? Bu koşullar altında birisi çıkıp gelse ve kediye baksaydı şu soruyu soracaktınız: “Peki bu insan kedi hallerinin üst üste binme durumunu neden görmüyor?” Bu soruya karşılık olarak birden fazla dünya fikrini destekleyen kişi, durumu kediyi ya ölü ya da diri olarak açıklayacaktı. Bu durumda,canlı bir kedi hali,bir de canlı bir kedi görerek ve algılayarak buna eşlik eden bir inasn var;ayrıca bir ölü kedi var ve bir de ölü kedi gören bir insan var. Bu iki seçenek üst üste binmiştir. Dirac parantezleri içinde,bu iki halden her birinde bulunan kediyi gözlemleyen kişinin ruh hallerine de yer verdim; yüz ifadesi kişinin içinde bulunduğu ruh halini yansıtmaktadır. Bu durumda birden fazla dünya görüşünü savunan birisine göre her şey yolundadır. Kediyi algılayan kişinin farklı kopyaları mevcuttur,ancak bunlar “farklı evrenlerde” yer almaktadırlar. Kendinizi bu kopyalardan biri olarak düşünebilirsinikz;ancak sizin bir başka “paralel” evrende öteki olasılığı seyreden bir kopyanız mevcuttur. Elbette bu, evrenin iç de öyle tutumlu bir 84

ROJ ÇALIŞMA GRUBU

betimlemesi değil; fakat sanırım birden fazla dünya betimlemesi için işler bundan daha da kötüdür. Zira beni endişelendiren tek şey müsriflik değildir.Asıl sorun, bunun probleme gerçek bir çözüm getirememesidir. Sözgelimi makroskopik düzeydeki üstü üste binmeleri algılama gücünü bilincimiz bize neden sağlayamıyor? Gelin isterseniz w ile z’nin birbirine eşit olduğu özel duruma bir gözatalım. Canlı kedi artı ölü kedi ile beraber,canlı kediyi algılayan kişi artı artı ölü kediyi algılayan kişi artı canlı kedi eksi ölü kedi ile bereaber,canlı kediyi algılayan kişi eksi ölü kediyi algılayan kişi. Hepsi bir parçacık cebir. Bu noktada şunu diyebilirsiniz: “İyi ama bunu bu şekilde yapamazsınız;algılama halleri hiç de böyle değil!” Peki neden? Algılamanın ne demek olduğunu bilmiyoruz ki. Algılama halinin hem canlı hem de ölü bir kediyi aynı anda algılamak olmadığını nereden biliyoruz? Algılamanın ne anlama geldiğini bilmediğimiz ve elinizde de böyle karma algılama hallerinin neden yasak olduğunu size açıklayabilecek iyi bir kuram olmadığı sürece-ki bu konu bölümün sınırlarını da aşmaktadır-bana öyle geliyor ki,bu tarz bir giriş, konuya hiçbir acıklık getiremeyecektir. Bu,neden üst üste binme durumuna ait algılamanın değil de,iki tür algılamadan yalnızca birisinin meydana geldiğini izah etmemektedir. Buradan belki bir kuram ortaya çıkabilir;ama elinizde algılamaya ait bir kuramın da olması şartıyla. Bu noktada başka bir itiraz daha sözkonusudur. W ve z sayılarını daha genel sayılar arasından seçtiğimizde elde edilen olasılıkların,neden daha önce sözünü ettiğim ve kuantum mekaniğinde modüllerin karelerinin hesaplanması yoluyla elde edilen olasılıkları verdiği açıklanamamaktadır. Bu olasılık, her şey bir yana, çok hassas bir biçimde sınanabilen olasılıklardır (s: 96). Kuantum ölçümleri konusuna biraz daha eğileyim. Kuantum dolaşıklığı konusunu daha fazla açmam gerekecek. Anımsarsanız ŞAŞgizemlerinden bir tanesi olan EPR deneyinin Bohm yorumuna yer vermiştim. İki yönde hareket eden spin-1/2 parçacıklarının halini nasıl tanımlamaktayız? Toplam spin sıfırdır.Bu yüzden bu yandaki parçacığı spin-yukarı olarak saptadık mı,biliriz ki öbür yandaki spin-aşağı olmak zorundadır. Bu durumda birleşik sistemin kuantum hali “bu yukarı” ile “o aşağı”nın bir çarpımı olmalıdır. Ama eğer bu yandaki parçacığın spinini aşağı doğru saptadıysak, o halde yandaki yukarı olmak zorundadır.(Bu farklı şıklar,bu yandaki parcçacığın spinini yukarı/aşağı yönde incelemeyi seçmemize göre ortaya çıkmaktadır.)(Çev notu: Yani ilk incelememizde yukarı yönü,ikincisinde de aşağı yönü seçmiş olmamız dolaysıyla). Sistemin bütününe ait kuantum halini elde etmek için bu seçenekleri üst üste bindirmeliyiz. Aslında hangi yönü seçersek seçelim,parçacık çiftinin toplam spininin sıfır etmesi için bir de eksi işaretine ihtiyacımız vardır.(s: 97) 85

ROJ ÇALIŞMA GRUBU

Şimdi,benim “bu yanda” bulunan saptayıcıma doğru gelmekte olan parçacık üzerinde bir spin ölçüm işlemi gerçekleştirmeyi tasaladığımızı,diğer parçacığın da çok uzaklara,ta Ay’a doğru hareket ettiğini,yani Ay’ın “ yan”a karşılık geldiğini varsayalım. Ayrıca Ay’da,kendi parçacığını yukarı/aşağı yönde ölçmek üzere başka bir meslektaşımın hazır bulunduğunu da varsayalım. Bu arkadaşımın kendi parçacığını spin yukarı bulması olasılığıyla spin aşağı bulma olasılığı birbirine eşittir. Şayet o spin-yukarı bulursa,benim parçacığımın hali aşağı yönlü olmalıdır. O spin-aşağı bulursa,benimkinin hali yukarı yönlü olmalıdır. Bu nedenle,ölçüm yapmak üzere olduğum parçacıığın hal vektörünün,spin-yukarı ve spin-aşağı hallerinin eşit olasılıklı bir karışımı olduğunu düşünmekteyim. Kuantum mekaniğinde buna benzer olasılık dağılımlarının üstesinden gelebilmek için belli bir yöntem uygulanmaktadır. Bu amaçla kullanılan niceliğe yoğunluk matrisi adı verilmektedir. Söz konusu durumda benim “bu yanda” kullanabileceğim yoğunluk matrisi, (s: 98)buradaki spini yukarı ya da aşağı yönlü bulma olasılğına denk düşmektedir. Bunlar,olağan klasik olasılıklardır ve üzerinde ölçüm yapmak üzere bulunduğum parçacığın spin halini saptamamdaki belirsizliği ifade etmektedirler. Olağan olasılıklar, olağan reel sayılardır(0 ile 1 arasında).,, Şimdilik şu kadarını belirtmek yeterlidir: Yoğunluk matrisi,sistemin kuantum halinin bir kısmı üzerinde gerçekleştirilebilecek ölçümlerin sonuçlarıyla ilgili olasılıkları hesaplayabilmek için,ihtiyaç duyulan bütün malumatı içermektedir. Şu şartla ki, aynı halin geri kalan kısmıyla ilgili hiçbir haber elde etmek mümkün değildir. Bizim örneğimizde toplam kuantum hali parçacık çiftine( dolaşık hale) karşılık gelmektedir. “O yanda” yani Ay üzerinde,benim “bu yanda” incelemek üzere olduğum parçacığın eşi üzerinde gerçekleştirilebilecek ölçümkler hakkında,benim “bu yanda” bir haber edinmemin mümkün olmadığıını varsaymaktayız. Şimdi durumu bir parça değiştirelim. Ay’da bulunan meslektaşımın kendi parçacığının spinini yukarı/aşağı doğrultusunda değil sol/ sağ doğrultusunda ölçmeyi tercih ettiğini varsayalım. Böyle bir sonucun ortaya çıkması açısından hal betilemesini kullanmak daha elverişlidir.Ayda bulunan meslektaşımın (sol/sağ) spin ölçümü için (s: 99) nasıl bir sonuç elde edeceğini hala bilmemekteyiz. Bildiğimiz tek şey spin-sola bulma olasılığının 1/2 olduğu ki,bu durumda ben spin-sağa bulmalıyım ve spin sağa bulma olasılığının da yine 1/2 olduğudur ki,bu durumda ben spin-sola bulmalıyım. Buna göre yoğunluk matrisi DH ,şekil 2.13’teki gibi olmalıdır. Bu ise dönüp dolaşıp önceki yoğunluk matrisine denk düşmelidir. Daha doğrusu,olması gereken durum budur. Ay’daki meslektaşımın ölçümler konusundaki tercihi, benim kendi ölçümlerimden elde edeceğim olasılıkları 86

ROJ ÇALIŞMA GRUBU

etkilememelidir(Çünkü eğer etkilenecek olursa Ay’da bulunan meslektaşımın bana ışıktan hızlı bir sinyal göndermesi ve spin ölçümünün yönüne dair tercihini kodlayarak bana haber vermesi mümkün hale gelecektir). Yoğunluk matrislerinin gerçekten aynı olduğunu doğrudan doğruya cebire başvurarark da görebilirsiniz. Cebirin bu türüne aklınız eriyorsa neden söz ettiğimi anlamış olmalısınız;ama emiyorsa da aldırış etmeyin. Şayet sistemin belli bir kısmına erişim sağlamak mümkün değilse,yoğunluk matrisi yapabileceğiniz en iyi şeydir. Yoğunluk matrisi,olasılıkları alışıldık biçimde (s: 100) ele alır, ancak kuantum mekaniksel olasılıkların üstü kapalı bir biçimde işin içinde olduğu kuantum mekaniksel bir betimlemeyle ilintili olarak. Eğer “ o yanda” neler olup ibttiği hakkında hiçbir bilgim yoksa, “bu yandaki” hale ilişkin verebileceğim en iyi betimleme budur. Buna rağmen yoğunluk matrisinin gerçeği betimlediğini savunmak da zordur. Mesele, bir süre sonra Ay’dan meslektaşımın hali ölçtüğünü ve cevabın şöyle şöyle olduğunu bana bildiren bir haber almayacağımdan emin olmamamdır. Böyle bir durumda,parçacığın halinin ne olduğunu gerçekten bilebilirim. Yoğunluk matrisi parçacığımın hali hakkında bana her şeyi söylememiştir. Bunu bilmek için birleşik parçacık çiftinin gerçek halini bilmeye ihtiyacım vardır. Kısacası, yoğunluk matrisi bir bakıma eğreti bir betimlemedir; bu yüzden de zaman zaman FAPP(yani, bütün pratik kaygılar açısından) deyimiyle ifade edilmektedir. Yoğunluk matrisi çoğunlukla bu tarz durumları betimlemek amacıyla kullanılmaz. Daha çok şekil 2.14’te gösterilene benzer (s: 101) durumları betimlemekte ondan yararlanılır. “Bu yanda” benim erişim sağlayabildiklerimle, “diğer yanda” Ay’daki meslektaşımın erişim sağlayabildikleri arasında bölünmüş dolaşık bir hal sözkonusu olmayıp,bu durumda “bu yandaki” hali ölü ya da diri bir kedi “ o yandaki” hali de (belki de aynı odanın sınırları içinde de olsa) kedi ile birlikte işin içine dahil olan toplam otamın durumunu oluşturmaktadır. Bu durumda toplam dolaşık hal vektörünü bulmak için canlı kediyle birlikte başka bir ortamı göz önüne alabilmekteyim. Bu noktada FABB yanlıları, ortam hakkında hiçbir zaman yeterli bilgi toplayamayacağımızı,bu sebeple hal vektörünü değil yoğunluk matrisini kullanmak zorunda olduğumuzu ileri sürmektedirler. ( R. Penrose, Büyük, Küçük ve İnsan Zihni, Sarmal Y s:82- 102...)

87

ROJ ÇALIŞMA GRUBU

Paul Dirac Schrödinger’in Kedisi: R. Penrose, Uzay ve Zamanın Doğası s:75-88 Bu, düşünsel bir deneydir. Özel bir kutuya giren bir kedinin düştüğü kötü durumu irdeler. Kutuda (diyelim ki) çıkan bir foton yarıgeçirgen bir aynaya çarpar ve fotonun dalga fonksiyonunun aynayı geçen kısmı bir detektöre gelir. Dedektöre foton geldiği anda, otomatik olarak bir silah ateşlenerek kediyi öldürür. Eğer foton gelmezse, kedi yaşar ve keyfi iyidir. (Stephen’in, kedilere düşünsel deneylerde bile eziyet edilmesine karşı olduğunu biliyorum) Sistemin dalga fonksiyonu, bu iki olasılığın bir süperpozisyonudur... Fakat algılarımız bize niçin, sadece “kedi ölü” ve “kedi diri” gibi makroskopik alternatifleri değil de bu gibi durumların makroskopik süperpozisyonlarını algılamaya izin vermiyor? Burada bilinçlilik veya uyumdan çıkma gibi konulara daha fazla girmek istemiyorum. Düşünceme göre, ölçme probleminin cevabı başka yerde yatmaktadır. GR’nin işin içine girmeye başladığı yerde, alternatif uzayzaman geometrilerinin süperpozisyonlarının yanlış sonuç vermeye başladığını söylelemek istiyorum.Belki, iki farklı geometrinin süprepozisyonu kararsızdır ve iki alternatiften birine bozulmaktadır. Örneğin geometriler diri veya ölü bir kedinin uzayzamanı olabilir. İki alternatiften birine bozulmaya, objektif redüksiyon (OR) diyorum. Bu ismi (OR’yi yani veyayı) hoş bir kısltmaya imkan verdiği için seviyorum. Planck uzunluğunun (10-33 cm) bununla ilgisi ne? Doğanın iki geometrinin birbirinden önemli ölçüde ne zaman farklı olduğu konusundaki kriteri, Planck skalasına bağlıdır ve bu, farklı alternatiflere redüksiyonun zaman skalasını belirtir. Kediye bir gün izin verebiliriz ve yeniden yarıgeçirgen aynaya dönebiliriz. Yalnız bu sefer, büyük bir kütle parçasının bir yerden diğer bir yere hareketini tetikleyecek bir foton detektöre isabet etmiş olsun. Eğer kütleyi, bir foton onu aşağı yuvarlayabilecek şekilde bir uçurum kenarına dikkatle yerleştirmişssek, dektektör durumunun redüksiyonu problemi hakkında endişe etmekten kurtulabiliriz! İki alternatifin süprepozisyonunun kararsız olması için ne kadar kütle yer değiştirmelidir? Bunun yanıtını, burada gerçekten teklif erdeceğim gibi, gravite verebilir.Teklif edilen bu şemaya göre, bozulma zamanını hesaplamak için, kütlenin birini, bulunduğu denge konumundan çıkarıp, diğerinin gravitasyonel alanında, ikisinin konumları ele alınan kütle süperpozisyonunun verene kadar, çekmeye gereken E enerjisini ele alalım.Bu süprpozisyonun durum vektörünün çökmesi için gereken zaman skalası nükleon başına yaklaşık 100 milyonyıldır. yani deneylerde bu 88

ROJ ÇALIŞMA GRUBU

karasızlığı görekmeyiz. lakin büyüklüğü santimetrenin yüz binde biri olan su zerresi için çökme yaklaşık 2 saat alır. Zerre büyüklüğü santimetrenin on binde biri ise çökme 0.1 saniye sürer.” Penros bir soru üzerine şu yanıtı veriyor: “Gravitasyonal alan gerçekten özel! Bir bakıma, konunun tarihinde bir istihza var: Fiziği, Newton, gravitasyonal kuramıyla başlattı ve diğer bütün fiziksel etkileşmeler için bu kuram özgün paradigma oldu. Fakat, şimdi gravitenin diğer bütün etkileşmelerden gerçekten, açıkça farklı olduğu anlaşılıyor. Karadelikler ve enformasyon kaybı üzerindeki derin etkileriyle, nedenselliği etkileyen sadece gravitedir.” EİNSTEİN NEYİ KABULLENEMEDİ? S. Hawking, İnsan aklındaki yüksek bir sıçramayı temsil eden, uzay ve zaman kavramlarımıza yepyeni bir biçim ve öz kazandıran büyük bilgin, kuantum kuramını ve belirsizlik ilkesini, bilimin geçici bir aşaması olarak yorumladı. O da bir yerde zaman zaman birçoğumuzu tutsak eden sağduyunun esiri oldu. Sağduyu, bir sistemin belirli ve tek bir geçmişe sahip olduğunu düşündürür. Tek Geçmiş- Çok Geçmiş " Bir parçacık ya bir yerdedir ya da başka bir yerde. Yarısı bir yerde yarısı diğer yerde olamaz. Benzer şekilde astronotların Ay ' a ayak basması gibi bir olay ya olmuştur ya da olmamıştır. Yarı olmuş olamaz. Bu, insanın biraz ölü veya biraz hamile olmaması gibidir. Ya öylesiniz ya da değilsiniz..." (KDVBE s:82) Eğer bir sistemin belirli tek bir geçmişi varsa belirsizlik ilkesi bir dizi paradoksa yol açar. Örneğin bir parçacık şurada ya da başka bir yerde bulunabilir. Astronotlar yarı Ay' da olabilir. Einstein' i de sıkıştıran bu paradoksları önlemenin güzel bir yolunu Amerika'lı fizikçi Richard Feynman ileri sürmüştü. Feynman, 1948 yılında ışığın kuantum kuramı ile ün kazandı. 1965 yılında bir başka Amerikalı fizikçi Julian Schwinger ve Japon fizikçi Shinichiro Tomonaga ile birlikte Nobel Ödülü aldı.1988 yılında kanserden ölen Feynman, kuramsal fiziğe bir çok katkısıyla anımsanır. Bunlardan biri, geçmişlerin toplamı kavramıdır. Aslında bir sistem, her olanaklı geçmişe sahiptir. Belirli bir zamanda A noktasında olan bir parçacığı düşünelim. Normal olarak parçacığın A noktasından uzaklaşırken düz bir çizgi üzerinde hareket edeceği düşünülür. Ancak geçmişlerin toplamına göre sistem, A noktasından başlayan herhangi bir yolda ilerleyebilir. Bu durum, kurutma kağıdı üzerinde bir mürekkep damlasının yayılmasına benzer. Mürekkep damlası, kurutma kağıdı 89

ROJ ÇALIŞMA GRUBU

üzerindeki olanaklı tüm yollardan yayılır. Kağıdı bükseniz bile mürekkep, o köşeyi de dönerek yayılmayı sürdürür. "Parçacığın her yoluna veya geçmişine ilişkin yolun şekline dayanan bir sayısı olacaktır. Parçacığın A noktasından B noktasına gitme olasalığı, parçacığı A dan B ye götüren tüm yollarla bağlantılı sayıların toplanmasıyla bulunur.... " (KDVBE s:83) Schrödinger’in Kedisi Cihan Saçlıoğlu Kuantum mekaniğinin temel dalga denklemini yazan Erwin Scrödinger de sonraki yorumları kabullenmeyenler arasındadır. Schrödinger, sonuçta kuramdan (gelişmesine katkıda bulunduğuna pişman olduğunu söyleyecek kadar!) soğudu. Bundan sonra o da Einstein gibi kuramın “mantıksızlığını” çarpıcı biçimde ortaya koyacak örnekler aramaya koyuldu. 1935'te ortaya koyduğu “Schrödinger’in Kedisi” adı ile anılan düşünce deneyi bunların en ünlüsüdür. Sağlıklı bir kediyi hava alabilen bir kutu içine koyalım. Kutuda zehirli bir gaz şişesi bulunsun ve bu gazın şişeden salınmasını sağlayacak mekanizma, bozunma yarıömrü 1 saat olan bir radyoaktif parçacık ile kontrol edilsin. Bu mikroskopik parçacığın davranışını ancak kuantum mekaniği ile ifade edebilirz, fakat şimdi makroskopik bir sistem olan kedinin kaderi de artık parçacığın davranışına bağlanmış oluyor. Schrödinger’in iddiasına göre 1 saat sonunda kedinin canlı ve ölü olma olasılıkları eşit.Dalga fonksiyonunun anlamı ‘ya bozunma oldu ve kedi öldü ya da olmadı ve kedi hayatta’ gibi uç iki olasılığı anlatmaktan ibaret değil. Schrödinger’in analizi doğru ise kuantum kuramı, (birisi bakıp durumu bu iki seçenekten birine indirgeyene kadar) kedinin iki durumunun yanyana bulunduğurnu söylüyor. Schrödinger, bu kadar mantığa zıt bir kuramın düzeltilmeye muhtaç olduğu sonucuna varıyor. Buna karşılık birçok fizikçi (Hawking, Gell-mann ve başkaları) bu problemin yapay olduğu görüşündeler.” ( Bilim ve Teknik, 325. sayı s: 16 ) Schrödinger’in Kedisi Deneyi Nasıl Yorumlanmalı? Stephane Hawking şöyle diyor: “Kanımca, modelden bağımsız bir gerçekliğe karşı dile getirilmeyen inanç, bilim felsefecilerinin kuantum mekaniği ve belirsizlik ilkesi konusunda karışlaştıkları güçlüklerin altındaki nedendir. Schrödinger’in kedisi denen ünlü bir düşünce deneyi vardır. Bir kedi kapalı bir kutunun 90

ROJ ÇALIŞMA GRUBU

içine yerleştirilir. Ona yönelik bir silah vardır ve berli bir yönde bir radyoaktif çekirdek bozunursa silah ateş alacaktır, bunun gerçekleşmesinin olasılığı yüzde 50'dir. (Bugün, yalnızca bir düşünce deneyi olarak bile, hiçkimse böyle bir şey önermeye cesaret edemez, fakat Schrödinger’in zamanında hayvanların özgürlüğü kavramı henüz duyulmamıştı). Eğer biri kutuyu açarsa kediyi ya ölü ya canlı bulacaktır. Fakat kutu açılmadan önce kedinin kuantum durumu ölü kedi durumuyla kedinin canlı olduğu durumun bir karışımı olacaktır. Bazı bilim felsefecileri, bunun kabul edilmesini çok güç bulurlar. İnsanın yarı hamile olabilmesinden öte kedinin yarı vurulmuş,yarı vurulmamış olması mümkün değildir Onların içinde bulundukları güçlük,dolaylı olarak bir nesnenin belirli bir tek gaçmişe sahip olduğu klasik bir gerçeklik kavramını kullanmalarından kaynaklanır. Kuantum mekaniğinin temeli, farklı bir gerçeklik görüşünüe sahip olmasıdır. Bu görüşte bir nesne yalnızca bir tek geçmişe değil,mümkün olan tüm geçmişlere sahiptir. Çoğu durumda belirli bir geçmişe sahip olma olasılığı,biraz farklı bir geçmişe sahip olma olasılığını siler,fakat belli durularda komşu geçmişlerin olasılıkları birbirini güçlendirir. Nesnenin geçmişi olarak gözlemlediğimiz şey, bu güçlendirilmiş geçmişlerden biridir. Schrödinger’in Kedisi durumunda güçlendirilmiş olan iki geçmiş vardır. Birinde kedi vurulmuştur,diğerinde ise canlı kalır. Kuantum kuramında her iki olasılık birlikte varolabilir. Fakat bazı felsefeciler, açıkça belirtmeden kedinin yalnızca bir geçmişi olabileceğini varsaydıkları için kendilerini çıkmazda bulurlar. Zamanın doğası fizik kuramlarımızın gerçeklik kavramını belirledikleri bir başka alan örneğidir. Eskiden zamanın sonsuza kadar aktığının açık olduğu düşünülürdü, fakat görelilik kuramı, zamanı uzay ile birleştirmiş ve her ikisinin Evren’deki madde ve enerji tarafından eğrilebileceğini veya bükülebileceğini söylemiştir. Böylece zamanın doğasını kavrayışımız Evren’den bağımız olmaktan onun tarafından şekillenmiş olmaya doğru değişmiştir. O zaman, zamanın belirli bir noktadan önce kolayca tanımlanamayabileceği anlaşılır oldu; zaman içinde geriye gidilirse aşılamaz bir engele, ötesine kimsenen gidemediği bir tekilliğe gelinebeilir. Durum böyleyse,kimin veya neyin büyük patlamaya neden olduğunu veya onu yarattığın sormak anlamlı olmaz. Neden olma ve yaratmadan söz etmek, dolaylı olarak, büyük patlama tekilliğinden önce bir zaman olduğunu varsayar. Yirmi beş yıldır, Einstein’ın genel görelilik kuramının zamanın on beş milyar yıl önce bir tekillikte bir başlangıca sahip olması gerektiği kestiriminde bulunduğunu biliyoruz. Fakat felsefeciler henüz bu fikre ulaşamamışlardır. Onlar hala kuantum mekaniğini altmış beş yıl önce(Hawking bu kitabını 1993'te yazmıştı) atılan temelleri konusunda endişeleniyorlar. Fiziğin keşif alanının daha ileri gittiğini kavramıyorlar. 91

ROJ ÇALIŞMA GRUBU

Daha da kötüsü, Jim Hartle ve benim Evren’in herhangi bir başlangıç veya sona sahip olamayabileceğini ileri sürdüğümüz matematiksel sanal zaman kavramıdır.. Sanal zaman hakkında konuşmam nedeniyle bir bilim felfecisi bana şiddetle saldırmıştır. O : “Sanal zaman gibi bir matematiksel hilenin gerçek Evren’le nasıl bir ilgisi olabilir?” demiştir. Kanımca bu felsefeci teknik matematiksel gerçek ve sanal sayılar terimleri ile gerçek ve sanalın günlük dilde kullanılma şeklini birbirine karıştırıyor. Şu sözler benim tezimi açıklar: Kendisini yorumlamakta kullanacağımız bir kuram veya modelden bağımsız olarak neyin gerçek olduğunu nasıl bilebiliriz? Evren’i yorumlamaya çalışırken karşılaşılan problemleri göstermek için görelilik ve kuantum mekaniğinden örnekler kullandım.Göreliliği ve kuantum mekaniğini anlamanız veya hatta bu kuramların yanlış olmaları önemli değildir. Göstermiş olmayı umduğum şey,bir kuramın bir model olarak değerelendirildiği bir tür pozitif yaklaşımın, en azından bir kuramsal fizikçi için, Evren’i anlamanın tek yolu olduğudur. Evren’deki her şeyi tanımlayan tutarlı bir model bulacağımız konusunda umutluyum. Bunu yaparsak bu insan soyu için gerçek bir zafer olacaktır.” (S. Hawking, KDVBE s:50-52) Einstein Nasıl Klasik Fizikçi Oldu? 1925' e değin kuantum kuramıyla ilgili en yaratıcı sonuçları ortaya koyan kendisiydi. Görelilik kuramını düşünmeseydi bile kuantum kuramının yaratıcıları arasında ilk sıralardaydı. 1905 yılındaki yazılarından biri, fotoelektrik olayın açıklamısını ışığın kuantumlu yapısıyla açıklamasıydı. Nobel ödülünü de bu yazısı nedeniyle almıştı.O, kuantum kuramının kurucularındandı. Oysa özellikle Heisenberg' in belirsizlik ilkesini ortaya atmasından sonra bu alandaki gelişmelere karşı bir tutum içine girdi. Schrödinger' in dalga denkleminin neyi temsil ettiği üzerine N.Bohr, W.Heisenberg, M.Born gibi bilginlerle yaptığı tartışmalar bir uzlaşmayla sonuçlanmadı ve Einstein, çalışmalarını, yeni akımın dışında, yalnız olarak yürüttü. Bu tartışmalardan birinde şöyle yazmıştı: " Bilimden beklediklerimiz açısından birbirimize karşıt kutuplarda toplandık. Siz (Bohr), zar atan bir tanrıya, bense gerçek nesneler olarak var olan şeyler dünyasındaki yetkin yasalara inanıyorum." (L.Landau-Y.Roumer,İzafiyet Teorisi Nedir? Say ya s: 18) Einstein, bundan sonra, yeni kuantum kuramının tutarlılığı konusunda hiç tartışmaya girmedi. Gerçi bu kuantum kuramının doğanın tam ve nesnel bir tanımını vermediğini savunmaya devam etti. Ancak bu karşı çıkış, bir kuramsal fizik karşı çıkışı değil, felsefi bir konu oldu. Einstein ile Bohr arasındaki tartışma yaşamları boyunca sürdü; ama hiçbir zaman sonuçlanmadı. Sonuçlanamazdı da.Tartışma, bir kere gerçekliğin, cihazla 92

ROJ ÇALIŞMA GRUBU

belirlendiği şeklindeki ortak varsayımı bıraktıktan ve gerçekliğin yapısını değerlendirmede bir farklılık haline geldikten sonra sonuçlanma olanağı yoktu. Karşılıklı bir sevgi ile bağlı olan iki titan, en klasik fizikçi ve yeni kuantum fiziğinin lideri son günlerine dek tartıştılar. 1920'lerin sonlarına dek, yeni kuantum kuramının yorumuna dokunulmadı. Onunla bir genç fizikçiler nesli büyüdü, fakat onlar uygulamalarına kıyasla yorumuna ilişkin promblemlerle daha az ilgili idiler. Yeni kuram, o güne kadar olmadığı şekilde, matematiğin kuramsal fizikteki üstün yerini vurgulamıştır. Soyut matematikte büyük teknik gücü ve onu fiziksel problemlere uygulama yeteneği olan kişiler ön plana geçtiler. Yeni kuantum kuramı, doğal fenomenlerin açıklanması için en güçlü matematiksel araç haline geldi, bilim tarihinde kıyaslanamaz bir başarıydı bu.Kuram, dünyanın sanayi ülkelerindeki binlerce genç bilim adamının entellektüel enerjisini açığa çıkardı. başak hiçbir fikir kümesi teknolojide bu kadar etkili olmamıştı ve onun pratik uygulamaları uygarlığımızın sosyal ve politik kadereni şekillendermeye devam edecekitri. Şimdi bizim gelişmemizi programlayan kozmik yasanın-evrenin değişmez yasalarınınyeni bileşenleriyle temas kurduk. Tranistör, mikroyonga, lazerler gibi pratik cihazlar ve soğukla ilgili bilim teknoloji teknik uygarlığın öncüsü tüm endüstrilerin gelişimini sağlamışlardır. Bu yüzyılın tarihi yazıldığı zaman, politik olamyların-insan ömrü ve paraca büyük bedellerine rağmen- en etkili olaylar olmadıklarını göreceğiz. Onların yerine, ana olay, görünmeyen kuantum dünyası ile insanın ilk teması ve onu izleyen biyolojik ve bilgisayar devrimleri olacaktır. Yeni kuantum kuramı ile kimyasal elementlerin periyodik tablosunun temeli, kimyasal bağın yapısı ve moleküler kimya anlaşılmıştır. Denel araştırmalarla desteklenen bu yeni kuramsal gelişmeler, modern kuantum kimyasının yükselişini getirmiştir. Dirac, 1929'da yazdığı bir yazıda şunları söyleyebilmiştir: “Böylece, fiziğin büyük bir kısmının matematiksel kuramı ve tüm kimya için gerekli fiziksel yasalar tam olarak bilinmektedir. ” Molekül biyologlarının ilk nesli, Ervin Schrödinger ’in yaşayan organizmaların genetik dengesinin bir maddi moleküler temeli olması gerektiği tezini ileri sürdüğü bir kitabından esinlenmişti. Pek çoğu eğitilmiş fizikçiler olan bu araştırmacılar, genetik konusunda yeni bir tavır geliştirdiler ve zamanın biyologlarının çoğu için yabancı olan moleküler fiziğin denel yöntemlerini getirdiler. Yaşam problemi konusundaki bu yeni tavır, organik yeniden üretim için fiziksel temel olan DNA ve RNA molekül yapılarının keşfi ile sakinleşti. Bu keşfin bir fizik laboratuvarında yapılmış olması rastlantısal bir durum değildi, bu keşif kendi içinde yeni bir başlatan bir keşifti. 93

ROJ ÇALIŞMA GRUBU

Katıların kuantum kuramı geliştirildi. Elektriksel iletkenlik kuramı, katıların bağ kuramı ve manyetik maddeler kuramı, hepsi yeni kuantum mekaniğinin ürünlerydi. 1950'lerde, süper iletkenlik kuramında, çok düşük sıcakılklarda direnç olmadan elektirk akımı akışı fenomeninde; süper akışkanlıkta, sıvıların sürtünmeiz hareketi kuramında büyük gelişmeler vardı. Maddenin faz değiştirmesi-sıvıdan gaza veya katıya dönüşümü gibikuramında ilerlemeler kaydedildi. Yeni kuantum kuramı atom çekrideğinin keşfi için teorik aparatı sağladı ve nükleer fizik doğdu. Radyoaktif bozunmada muazzam bir enerji açığa çıkmasının temeli anlaşıldı- radyoaktif bozunma kuantum mekaniği olaylarını ilgilendiren klasik olmayan bir süreçti. Fizikçiler ilk kez, yıldızların enerjisinin kaynağını biliyorlardı ve astrofizik modern bilim oldu. Eğitilmiş kamuoyunun bu gelişmeleri izlememiş olması dikkate değerdir. Kunatmu kuramı, daha önce genel görecelik kuramında olduğu gibi kamuoyunun dikkatini çekmedi. İlk olarak,1930'lu yılların başlarında bir ekonomik deprasyon yaşanmaktaydı. İkinci olarak, politik fikirler pek çok entellektüeli meşgul ediyordu. Üçünçcü olara ve kanımca en önemlisi olarak, kunatum kuramının soyut matematiksel özelliği mevcut insan deneyimi ile iligili değildi. Kuantum kuramı cihazla saptanmış maddi gerçekliğin kuramıdırinsan gözlemci ve atom arasında beir cihaz bulunmaktadır. Heisenberg şunlar söyledi: “ Bilimde ilerleme, doğa fenomenlerini anında ve doğrudan şekilde düşünce tarzımızca kavranabilir yapma olasılığı pahasına satın alınmıştır” ve yine Heisenberg “Bilim gittikçe daha fazla, hemen duyularımızla (Kozmik Kod, s: 95) kavranabilir fenomenleri ‘canlı’ yapma olanaklarını feda etmekte, yalnızca sürecin matemaiksel, formal çekirdeğini çıplak bırakmaktadır” demiştir. Heisenberg, Alman romantik şairi ve oyun yazarı Goethe ile Newton arasında renk kuramı konusunda var olan zıtlığa ilgi duyuyordu. Goethe, anlık insan deneyimi olarak renklerle ilgileniyordu ve Newton renklerle soyut fiziksel bir fenomen olarak ilgileniyordu. Kişinin deneysel maddi bir temelde,Newton’un sonuçlarının yanında yer alması gerekir. Fakat Goethe’nin görüşü- Goethe dirimselciliğin babalarından biriydi- insan deneyiminin anlık yapısına seslenir. Dirimselciler, yaşayan organizmalarda, fiziksel yasalara tabi olmayan bir “yaşam gücü” olduğuna inanırlar. Bu deneyimimize uygun görünürse de, maddi bir temeli yoktur. yaşam yalnızca sırdan maddenin nasıl düsenlenmiş olduğuna bağlıdır. yaşam-gücü dirimselcileri bugün azdır; ama onralırn yerini, insan bilincinin fizik yasalarının ötesine giden bazı özel nitelikleri olduğuna inananlar almıştır. 94

ROJ ÇALIŞMA GRUBU

Maddi gerçekliğin ötesinde bilincin köklerini arayan bu tür yeni dirimselciler yerni bir hayal kırıklığının önünnde olabilirler. Goethe, klasik mekanik ve modern bilime karşı romantik tepkinin bir kısmını temsil ediyordu- bu tepki bugün de sürüyor. Goethe ile Newton arasındaki bu karşılaştırma, bilimin soyut açıklamalarının insan deneyiminin yaşamsal çekirdeğini inkar ettiği şekilnedeki bilimin modern hümanist bir eleştirisini açığa çıkarmıştır. Kuantum kuramı ve ondan çıkan bilimler bu tür soyut açıklamaların başlıca örnekleridir. Bilim anlık dünya deneyimimizen gerçekliğini yadsımaz; orada başlar. Fakat orada kalmaz, çünük deneyimimizi kavramanın temeli duyumsal deneyimle verilmez. Bilim bize, duyumsal deneyim dünyasını destekleyen bir kavramsal düzen, deneyle keşfedilebelen ve insan zihni tarafından bilineilen bir kozmik yasa, bulunduğunu gösterir. Bilimin bütünlüğü gibi, deneyimimizin bütünlüğü, kavramsaldır, duyumsal değildir. Bu Newton ile Goethe arasındaki farktır-Newton fiziksel yasalar biçiminde evrensel karamları aradı, Goethe ise anlık deneyimde doğanın bütünlüğünü aradı. Bilim, deneyimimizn bize yönelttiği talebe bir yanıttır ve karşılık olarak bize bilim tarafından verilen şey yerni bir insan deneyimidirzihnimizle kozmozuh iç mantığını görmek. determinizmin sonu, fiziğin sonu anlamına gelmedi, fakat gerçeğin yeni bir imgeleminin başlangıcı anlamına geldi. Burada maddenin atomik çekirdeğinde fizikçiler rastgelelik buldular. Fakat rasgelelik (rastlantı) nedir? Bu soruyu incelemek için, bundan sonraki birkaç bölümde, kuantum gerçekliğine giden ana yolda kısa bir gezi yapacağızı. Bu kısa gezimizde, kaotik evreni keşfedeceğiz ve zar atan tanrının eline ilk bakışı yönelteceğiz. (H.Pagels, Kozmik Kod, s: 93-97) İLK KUANTUM FİZİKÇİLERİ “Zeus aşkına, Soddy, bizi simyacı sanacaklar! ” Ernest Rutherford “Bir kolej birinci sınıf öğrencisi iken, kuantum kuramı ile ilk temasım, uzmanlık döneminde öğretmenim olan Leonard Schiff tarafından yazılan Kuantum Mekaniği adlı kitabı satın alışımla başladı. Bu kitabı okudum ve problemler üzerinde çalıştım. Benim için kuantum mekaniği diferansiyel denklemleri çözme alıştırması idi.Eski klasik fizikten herhangi bir tarafgirlik yükü olmayan birinci sınıf öğrencisi zihnim için, kuantuk kuramı her hangibir sorun getirmedi. Bu basitçe, atomik süreçlerin soyut matematiksel bir tanımı idi Atomik dünyanın “kuantum tekinsizliği” gibi bir düşüncem yoktu; bana tuhaf görünen, uzay büzülmeleri ve zaman genişlemeleri ile özel göreceliğin daha önceki kuramı idi. Fakat çalışmaya devam ettikçe tepkim tersine döndü-görecelik gittikçe daha az tuhaf ve 95

ROJ ÇALIŞMA GRUBU

sağduyuya daha uygun görünmeye başladı, kuantum kuramı ise gittikçe daha fazla ‘tekinsiz’ görnmeye başladı. Kuantum kuramı matematiğini izleyerek, sağduyunun ötesinde, hayal edilemeyen alanlara itildiğini hissettim. Daha sonra, benim deneyimimin, yeni kuantum kuramını ilk keşfeden fizikçilerinki ile paralel gittiğini anladım. Onlar, ilk olarak deneysel olarak çalışan kuantum kuramının matematiksel denklemlerini keşfettiler; daha sonra denklemler ve onların gerçek dünya için anlamları üzerinde düşündüler, saf realizmden köklü olarak ayrılan bir yorum geliştirdiler. Kunatum kuramının soyut mtematiğinin gerçekte ne dediğini kavradığım zaman, dünya gerçekten çok tuhaf bir yer oldu. Rahatsız oldum. Bu rahatsızlığı sizinle paylaşmak istiyorum (s: 57) Bu kuantum tekinsizliği nedir? Yeni kuantum kuramının fiziği, yerini aldığı eski Newton fiziği ile kıyaslanabilir. Newton’un yasaları, taşların düşüşü, gezegenlerin hareketi, ırmakların akışı ve gelgitler gibi sıradan nesneler ve olayların görünebilir dünyasına birdüzen getirdi Newton dünya görüşünün temel özelliği determinizm-zamanın başından sonuna kadar önceden belirlenmiş saat gibi işleyen evren- ve nesnellik- taşlar ve gezegenlerin, biz onları doğrudan gözlemlemeek de nesnel olarak varoluşları; onlara arkanızı döndüğünüzde yine orada var olmaları- idi. Kuantum kuramında dünyanın bu sağduyuya dayanan yorumları (determinizm ve nesnellik gibi) korunamaz. Kuantum dünyası rasyonel olarak kavranabilirse de, Newton dünyası gibi gözde canlandırılamaz. Ve bu, yalnız kuantanın atomik ve atomaltı dünyasının çok küçük olması nedeniyle değil, sıradan nesnelerin dünyasından benimsemiş olduğumuz görsel alışkanlıkların kuantum nesnelerine uygulanamaz olması nedeniyledir. Örneğin bir taşın hem hareketsiz durumda, hem de belli bir yerde olabileceğini gözde canlandırabiliriz. Fakat elektron gibi bir kuantum taneciğinin uzayda bir yerde hareketsiz durduğundan söz etmek anlamsızdır. Ayrıca, yer yer elektronlar Newton yasalarının mümkün olmadığını söyledikleri yerlerde ortaya çıkabilirler. Fizikçi ve matematikçiler, kuantum parçacıklarını sıradan nesneler gibi düşünmenin deneyle çeliştiğini göstermişlerdir. Kuantum kuramı standart nesnellik fikrini reddetmekle kalmamış, aynı zamanda determinizstik dünya görüşünü yıkmıştır. kuantum kuramına göre, elektronların atomların etrafında sıçraması gibi olaylar rasgele oluşur. Bir elektronun ne zaman sıçrayacağını söyleyen bir fizik yasası yoktur; yapabileceğimiz en fazla şey, bir sıçramanın olasılığını vermektir. Büyük saatin en küçük çarkları, atomlar, deterministik yasalara uymazlar. Kuantum kuramının mucitleri, Newton dünya görüşü ile çelişen bir başka özellik bulmuşlardır- gözlemcinin yarattığı gerçeklik. Onlar, kuantum 96

ROJ ÇALIŞMA GRUBU

kuramına göre bir gözlemcinin ölçmeye (s: 58) karar verdiği şeyin ölçümü etkilemesi gerektiğini buldular. Kuantum dünyasında gerçekten ne olup bittiği, onu nasıl gözlemlemeye karar verdiğimize bağlıdır. Dünya basitçe bizim gözlemimizden bağımız olarak var değildir, neyin var olduğu, kısmen, neyi görmeyi seçtiğimize bağlıdır- gerçeklik kısmen gözlemci tarafından yaratılır. Kuantum dünyasının kendisini duygularımızla kavradığımız sıradan dünyadan ayıran bu özelliklerini - nesnellik eksikliği, önceden belirlenir olmaması ve gözlemcinini yarattığı gerçekliğini- ‘kuantum tekinsizliği’ olarak adlandırıyorum. Einstein kuantum tekinsizliğine, özellikle gözlemcinin yarattığı gerçekliğe karşı çıkmıştır. Bir gözlemcinin ölçümlerin sonucu ile doğrudan ilgli oludğu gerçeği onun doğanın insanın seçileri karşısında kayıtsız olduğunu belirten deterministik dünya görüşüne ters düşüyordu. İçimizdeki bir şey kuantum kuramını anlamak istemez. Zekamızla onu kabul ederiz, çünkü matematiksel olarak tutarlıdır ve deney sonuçlarıyla uygundur.Yine de zihnimiz huzursuzdur. Fizikçiler ve başka insanların kuantum kuramını anlamakta güçlük çekişleri bana, çocukların henüz anlamadıkları bir kavramla karşılaştıkları zamanki yanıtlarını hatırlatıyor. Psikolog Jean Piaget, bu olayı çocuklarda incelemiştir. Belli yaştaki bir çocuğa, herbiri farklı şekli sanip, aynı düzeyde bir sıvı ile doldurulmuş saydam kaplar gösterilirse, çocuk tüm kaplarda aynı miktarda sıvı olduğunu düşünür. Çocuk henüz, sıvı miktarını yalnız yükseklikle değil, hacimle ilgili olduğunu anlamaz. çocuğa problemi doğru görmenin yolu açıklanırsa, çocuk genellikle bunu anlar, fakat hemen eski düşünme şekline döner. Ancak belli bir yaştan sonra, altı veya yedi yaş cıvarında, çocuk miktar ile hacim arasındaki ilişikiyi anlamaya başlar. Kuantum kuramını anlamaya başlayış buna benzer. Onu anladığınızı düşünmeniz ve zihninizde kuantum gerçekliğinin bir resmi oluşmasından sonra, tıpkı Piaget’ın deneyindeki gibi, hemen eski, klasik düşünme tarzına dönersiniz. (s:59) Atomların, elektronların ve temel parçacıkların mikro dünyasının, klasik dünyadan, saf gerçekçilik dünyasından tamamen farklı olmadığını kavramak önemlidir. Tek bir atom bir kutuda izole edilebilir; elektronlar ve diğer parçacıklar fotoğraf emülsiyonunda veya bulut odalarında iz bırakırlar. Elektrik ve manyetik alanları kullanarak onları hareket ettirebiliriz. Deneyciler bu minik nesnelerin kütleleri, elektrik yükleri, açısal momentleri ve manyetizasyonları gibi belli özelliklerini ölçebilirler. Pek çok insan gibi, fizikçiler mikrodünya parçalarını tam bu şekilde düşünürler. Bunlar yalnızca çok küçük şeylerdir. Onlardan parçacık ışınları yapabiliriz, onları birbiri üzerine atabiliriz ve müziğimize uygun olarak dansetmelerini sağlayabiliriz. 97

ROJ ÇALIŞMA GRUBU

Kuantum tekinsizliği nerededir? Anlaşılması o kadar güç olan nedir? Kuantum tekinsizliği, atomlar, elektronlar ve fotonlar konusunda belli türde sorular sormaya başladığınız zaman gündeme gelir. Ve bu ancak bu tür soruları sorup onları cevaplandırmaya çalışmak üzere deneyler hazırladığınız zaman gündeme gelir. Örneğin, yinelenen ölçümlerle bir elektronun hem konumunu hem de hızını ölçmek isterseniz, bunun yapılamayacağı sonucuna varırsınız. Konumunu her ölçüşünüzde hız değişir, ve tersi olur; elektronda bir tür kuantum kayganlığı vardır. Elektron sıradan bir nesne olsaydı, aynı anda hem konumunu hem de hızını belirlemeniz olanaklıydı. Fakat elektron bir kuantum parçacığıdır ve sıradan nesnellik fikri başarısız kalır. Kuantum parçacıkları konusunda ayrıntıla sorular-bir parçacığın tam konumu ve hızının ne olduğu gibi-sormaya başlamanıza kadar saf gerçeklik cennetinde mutlu şekilde yaşayabilirseniz. Kişi bir kere mikro dünyanın kuantum tekinsizliğinin kaçınılmaz olduğunu kavradıktan sonra, iki tavır takınabilir: ilki, onu unutmak ve kuantum kuramının matematiğine bağlanmaktır. Bu şekilde doğru yanıtları bulacaktır ve mikro dünyanın yasaların keşfetmede ilerleyecektir. Yeni kuantum kuramının matematiksel temelerini kuran Paul Dirac ve Werner Heisenberg’in önderliğinde pek çok kuramsal fizikçi bu tavrı almaktadır. İkinci tavır, mikro dünyanın kuantum tekinsizliğini fiziksel gerçeklik terimleriyle yorumlamaya çalışan felsefeci yaklaşımıdır. Felsefeciler kuantum dünyasının anlaşılabilir ve aynı zamanda matematiksel olarak tutarlı bir kavramsal resimini geliştirmekle ilgilenirler. Niels Bohr modern fizikte bu tavrı kurdu ve gerçekliğin yorumu konusunda söyleyeceği çok şey vardı.(H. Pagels, Kozmik Kod, s:60) Kuantum Mekaniğinin Değişik Yorumları Yusuf İpekoğlu Kuantum mekaniği en fazla tartışılan kuramlardan biri olagelmiştir.Tartışılan şey kuantum mekaniğinin matematiksel yapysy değil.Fizikçiler bu yapıyı kullanarak maddenin değikadar son derece başarılı oldular.Kuantum mekaniği,fizikteki en ba?aryly kuramlardan biri olarak kabul edilir ve fiziğin temel taşlarından biridir.Bir fizikçinin kuantum mekaniği bilmemesi bugün kabul edilebilir birşey değil.Tartışılan şeyse kuantum mekaniğinin yoanlamak için yaptığımız deney ve gözlemlerin sonuçlarını,sadece o kuramın temel kavramlarını kullanarak açıklamak.Yani kuramın matematiksel dilini günlük yaşamda kullandığımız dile çevirmek. Normalde herhangi bir kuramın tek bir yorumunun olması gerekir.Fakat kuantum mekaniğinin karmaşık ve sağduyu zorlayan 98

ROJ ÇALIŞMA GRUBU

yapısından dolayı fizikçiler henüz herkesin kabulettiği bir yoruma ulaşabilmiş değiller.Değişik ölçülerde kabul gören bir kaç yorum var. Bunlar Kopenhag yorumu,çoklu dünyalar ya da paralel evrenler yorumu,Bohm yorumu,tutarlı geçmişler yorumu gibi adlarla anılıyorlar.Bunlar içinde en çok yandaş toplayanlar. Kopenhag Yorumu Kopenhag yorumu,büyük ölçüde Danimarkalı fizikçi Niels Bohr'un bilimsel ve felsefi düşünceleri üzerine kurulu.Bu yüzden Bohr'un hayatının büyük kısmını geçirdiği Kopenhag'ın adıyla anılıyor. Bu yorumun temel prensipleri şöyle: Bireysel nesnelerle ilgili kuram.Kuantum mekaniği nesnelerin ya da sistemlerin bireysel olarak davranışlarını inceler ve açıklamaya çalışır.Yani tek bir atomun ya da tek bir elektronun ya da bir kaç atomdan veya birkaç parçacıktan oluşan tek bir sistemin veya çok sayıda atomdan oluşan bir kristalin(tek bir sistem oluşturur)davranışını inceler.Burada bireysellikten kasıt şu:Kuantum mekaniği,istatiksel mekanik gibi ayny türden çok sayyda sistemin istatistiki özellikleriyle değil,tek birsistemin davranışlarıyla igilenir.Kuantum mekaniğindeki olasılıklar bu yüzden istatistik mekanikteki olasylyklardan temelde farklydyr.Olasılıklar temel özelliklerdir.Schrödingerfonksiyonunun belli bir sistem için çözümüne o sistemin dalga fonksiyonu adı verilir.Kuantum mekaniğinde dalga fonksiyonunun karesi ile betimlenen olasylyklar gözlemcinin ya da kuramcynyn eksik bilgisinden kaynaklanmaz.Bu olasılık ve ona bağlı olan belirsizlikler doğanın özünde bulunur. Gözlenen sistem ve gözlemci arasyndaki ilişki.Heisenberg'e göre fiziksel dünya iki parçaya ayrılır,gözlenen sistem ve gözleyen sistem.Ykisi arasynda bir synyr vardyr.Bu synyr hangisinin kuantum fiziği (gözlenen sistem)hangisinin klasik fizikle (gözleyen sistem)betimleneceğini belirler.Heisenberg'e göre bu sınıırın nereye konacağı tamamiyle bizim özgür irademize bağlıdır.Bohr'un bu konudaki görüşleri daha radikal.Bohr'a göre böyle bir sınır yoktur.Gözlenen sistemle gözleyen sis-tem bölünmez bir bütün olarak ele alınmalıdır.Gözlenen sistemin,gözleyen sistemden bağımsız olarak özelliklerinden bahsetmek anlamsızdır. Gözlemlerin açıklandığı dil.Günlük yaşamda çevremizde gördüğümüz bir sürü basit gerçeklik vardır.Kullandığımız dil,algılarımız,sağduyumuz bu gerçekliklere göre gelişmiştir.Bütün bunlar klasik fiziğin dilini oluşturur.Dolayısıyla bir kuantum sistemi üzerinde-ki gözlemlerimizi de sadece klasik fizi?in diliyle anlatabiliriz.Ölçümün geri çevrilemezli?i.Bir ölçüm yaptığımız zaman sistemi geri dönülemez şekilde değiştirmiş oluruz. 99

ROJ ÇALIŞMA GRUBU

Kuantum indirgenme(çökme). Bir ölçüm,ölçümün yapıldığı nesne ya da sistem üzerinde bir eylemi içerir.Bu da dalga fonksiyonu-nun indirgenmesine neden olur.Bohryasa olarak kabul etmiştir.Kuantum kuramı bu indirgemenin olasılıklarını verir fakat mekanizmasını açıklamaz.Tamamlayıcılık (Bütünlerlik).Bohr,tamamlayıcılığı birbirinden bağımsız (biri diğerini içermeyen)ve bütün deney ve gözlemleritam olarak anlamak için birlikte gerekli olankavramlary bir arada düşünme olarak tanymlamıştır.Buna en iyi örnek dalga parçacyk ikilili?idir.Işığın (ya da bir elektronun veya başka kuantum nesnelerin)bazı durumlarda dalga,bazy durumlardaysa parçacyk gibi davranma-sy gibi.Bu tamamlayycy özellikler ayny andagözlenemezler.Yani,bir elektron ayny andahem dalga hem de parçacyk gibi gözlenemez.Deneyin koşullarına göre ya parçacık,ya da dalga davranışı gösterir.Gerçeklik.Kopenhag yorumuna göre tamamlayıcılık ve gerçek birbirleriyle yakyndan ilgili kavramlardır.Sadece bir ölçüm sonucu bulunanlar gerçek olarak alynabilir.Bunun dışında gerçek hakkında başka hiçbir şey söylenemez.Buna şöyle bir örnek verebiliriz:Diyelim bir odamyzdaki masanyn üzerine bir kitap bıraktık;kapıyı kilitleyip çıktık.Şu an o kitabı görmüyor olduğumuz halde kitabyn masanın üzerinde durmasyndan bir gerçek olarak bahsetmemize klasik fizik izin verir.Benzer bir ºeyi bir atom için yapalym.Yani,bir deney için bir atom hazyrlayalym ve bir süre son-ra bu atom üzerinde deney yapalım.Atomun hazyrlanmasyyla,deney arasynda geçen süre-de atom hakkynda ºu,ya da bu do?rudur demek mümkün de?ildir.Atom hazyrlady?ymyz ve byrakty?ymyz yerde mi de?il mi?Bunu sadece atomu do?rudan gözleyip orada olup olmady?yny ö?rendi? imiz zaman söyleyebiliriz.Onun dışında atomun orada olup olmadığını söylemek imkansızdır.Heisenberg ’e göre böyle bir soru anlamsızdır da … Çoklu Dünyalar ya da Paralel Evrenler Yorumu Yukarıda temel prensiplerini belirttiğimiz Kopenhag yorumu birçok fizikçi tarafyından yeterince tatmin edici bulunmamaktadır.Özellikle dalga fonksiyonunun indirgenmesi Schrödingerkalmakta.Bu nedenlerle zaman içinde başka yorumlar ortaya atyldy.Bunlardan en önemlisi "Evrensel Dalga Fonksiyonu Kuramy"adly doktora teziyle öne sürmüş olduğu "göreli durumlar"ya da daha yaygın olarak bilindiği adlarla "çoklu dünyalar"veya "paralel evrenler"yorumudur.Mikroskopik sistemlerin örne?in atomlaryn dalga fonksiyonları saf kuantum durumlarynyn üst üste binmiº durumu yani toplamı şeklinde yazılır.Dolayısıyla sistemin kdurumlardan birine çökertilir ve ölçülen özelli?in de?eri,bu saf durumun sahip olduğu değerdir.Bu durum bir çok soru oluşturmaktadır.Bu indirgenme nasyl olur?Ölçümü nasyl tanymlayabiliriz?Kopenhag yorumubunlary açıklayamamaktadır 100

ROJ ÇALIŞMA GRUBU

Çoklu dünyalar yorumunun temel fikri şu: Evren,kuantum düzeyinde ne zaman bir seçim yapmak durumunda kalırsa,kaç tane alternatif kuantum durumu varsa o kadar parçaya bölünür.Bunu daha iyi anlamak için Schrödinger'in kedisini örnek olarak alalım (Scrödinger'in kedisi için Bilim ve Teknik sayı393e bakınız).Bu deneyde iki olasılık var.Ya radyoaktif atom bozunur ve kedi ölür ya da bozunmaz ve kedi canlıdır.Kopenhag yorumuna göre,kutu açılıp içine bakılıncaya kadar olasılıkların ikisi de gerçek de?ildir.Kutunun içindeki kedinin dalga fonksiyonu iki durumun bir üst üste binmiş halidir.Yani,kedine ölüdür,ne de canlı.Kutuyu açıp baktığımız anda dalga fonksiyonu bu iki durumdan birine indirgenir.Yani kutuyu açynca kediyi ya canlı ya da ölü olarak gözleriz.Çoklu dünyalar yorumuna göreyse sistem bir seçimle karşı karşıya kaldığı anda her iki olasılık da gerçek olur,ancak evren ikiye ayrylyr.Evrenlerden birinde gözlemci kutuyu açar ve kediyi ölübulur;di?er evrendeyse gözlemci kediyi canlı olarak gözler.Burada önemli olan nokta kutunun içindeki kedinin gözlemci bakmadan önce bir evrende ölü,diğerindeyse canlı olduğudur.Dolayısıyla gözlemci kutuya baktığında dalga fonkiyonunun indirgenmesi diye birşey söz konusu değildir.Her bir evrendeki gözlemci,eºi Çoklu dünyalar yorumuyla ilgili temel problem evrenin her an çok sayyda kuantum alternatifleriyle kar?y kar?yya oldu?u dolayysyyla her an çok sayyda evrene bölündüğü,bunun sonucu olarakda ayny uzayı paylaºan neredeyse sonsuz sayyda evrenin var olduğufikrinin oldukça itici bir fikir olmasıdır.Bu fikrin kanıtlanmasının ya da çürütülmesinin imkansızlığı da ayrıca itici bir noktadır.Siz hangi yorumu tercih edersiniz? (Bilim ve Teknik, Ekim 2000) Bir Süpermen, İşi 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 101

ROJ ÇALIŞMA GRUBU

birbirini dışlar. Kantum 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 " (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. İki 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. İkinci 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. Karadelikler' e 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! 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. 102

ROJ ÇALIŞMA GRUBU

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" DEHALARIN TARTIŞMASI İki Titan: Einstein ve Bohr Einstein devrimi, gerçek bir devrimdir. Einstein, insan aklındaki bir sıçramadır. Çünkü önce gözlem, sonra hipotez, sonra deney ve en sonra kuram diyen şu çok eski bilim anlayışına son ve büyük darbedir. O, önce düşündü. Ortaya attığı şeyler, herhangi bir denel desteğe sahip değildi ve üstelik kolayca da deneyden geçebilecek gibi görünmüyordu. Ama düşünce daha doğrusu matematik diliyle temellenen bu düşünce sıçraması, deneysel bakışta da bir sıçramayı getirdi. Bakın ne diyor : " Bir kuramın yaratılışı için yalnızca kaydedilmiş olgular toplululuğu hiçbir zaman yeterli değildir. Her zaman maddenin kalbine hücum eden insan zihninin özgür bir buluşu eklenmiş olmalıdır " Kuantum Bilgisayarlar (Bilim ve Teknik, Raşit Gürdilek'in yazısı) Yirmi birinci yüzyılın rüyası, kuantum bilgisayarlar. Evrenimizi kavrayabilmek, doğa kuvvetlerinin işleyişini ve ilişkilerini tam olarak bilmemiz için gerekli hesaplama gücü, gelişen teknolojik uygarlığımızın gerektirdiği iletişim hızları, askeri sırlarımızı korumak, başkalarının ne yaptığını gizlice öğrenmek için bu bilgisayarları bekliyoruz. Çünkü kuramsal olarak bunların hesaplama güçleri ve hızları, sıradan bilgisayarlardan onlarca kat fazla. Şöyle yalnızca 300 işlem birimli bir kuantum bilgisayarın, 2300 işlemi, yani tüm Evren'deki toplam parçacık sayısı kadar işlemi, birkaç saniyede yapabileceği hesaplanıyor. Bu alanda yapılan çalışmalarsa, hâlâ mikroskopik dünya ile, tanıdığımız büyük ölçekteki dünyanın sınırlarındaki gri bölgede dolaşıyorlar. Kuram, hâlâ 103

ROJ ÇALIŞMA GRUBU

deneyin çok önünde koşuyor. Kuantum bilgisayarlar için harıl harıl algoritma üretiliyor. Buna karşılık laboratuvarlarda geliştirilen prototipler son derece ilkel. Emekleme çağından yeni çıkan bebekler gibi birkaç adım attıktan sonra düşüyorlar. Ama gene de, içinde el yordamıyla yürüdüğümüz sis giderek aydınlanıyor. Son birkaç ay içinde açıklanan gelişmeler, kuramsal çalışmaların hızla sonuca yaklaştığını gösteriyor. Hatta kuantum şifreleme alanında pratik, kuramın önüne geçmiş bile. Belki de beklentilerimizin körüklediği sabırsızlık nedeniyle ağır gibi görünen ilerleme, çok farklı iki dünyanın araçlarını birleştirmek gibi güç bir işi başarmak zorunda. Telekom şirketlerinin, fizikçilerin ve gizli hükümet kuruluşlarının rüyasını süsleyen bu araçlardan beklenen, atomaltı dünyanın özelliklerini, yaşadığımız makroskopik dünyaya taşımaları. Oysa bu iki dünyanın işleyişi, dinamikleri çok farklı. Bu durumda beklentilerimize koşut hünerlere sahip kuantum bilgisayarların ortaya çıkması, mikroskopik dünyadaki nesnelerle makroskopik ölçüm araçları arasındaki uyumsuzluğun giderilmesine bağlı. Aradığımız köprü de ortaya çıkmış gibi görünüyor. Bu alanın önde gelen kuramcılardan Dmitri Averin'e göre fizikte son 20 yılın en büyük buluşlarından biri, milyarlarca elektron içeren süper iletken gibi makroskopik bir sistemin, mikroskopik dünyayı yöneten kuantum mekaniğinin ilkelerine göre davranabildiğinin kanıtlanmış olması. Bunun önemi şuradan kaynaklanıyor: Kuantum bilgisayar öncülleri, şimdiye kadar atom ya da moleküller içindeki parçacıkların spinlerinden ya da ışığın polarizasyonundan yararlanılarak gerçekleştirildi. Ancak bu modelleri küçültmek olanaksız. Klasik bilgisayarlardaysa katı hal parçalar, devrelerin birkaç yüz nanometreye (metrenin milyarda biri) kadar küçültülmesine olanak sağladı. Katı hal parçalar, şimdiye değin kuantum bilgisayarları için uygun sayılmıyordu. Çünkü bunların üzerindeki elektronların sayılamayacak ölçüde ve karmaşada kuantum durumu bulunur. Oysa kuantum bilgisayarlar kolayca saptanabilen "açık-kapalı" durumlara gerek duyuyorlar. İşte süper iletkenler bu açmazı ortadan kaldırdı. Çünkü üzerlerindeki elektronlar son derece düzenli biçimde hareket ediyorlar. Japon araştırmacılar da geçtiğimiz aylarda bu köprü üzerinde yürüyerek büyük düşün gerçekleşmesi yönünde önemli bir ilerleme sağladılar. Farklı Dünyalar, Farklı Araçlar... Böyle bir köprü neden bu kadar önemli? Bizler, dünyamızı, evrenimizi, alıştığımız kesin kurallarla yorumluyoruz. Bilimimiz, uygarlığımız, nesnelerin etkileşiminde bulunduğunu varsaydığımız kesinliğe, neden ve sonuç arasındaki düz akışa dayanıyor. Olağan yaşantımızda bir şey ya vardır, ya da yoktur. Süreçler, belirli, "mantıksal" bir sıra izlerler. Kaçınılmaz olarak, organizmamızdan kaynaklanan bu 104

ROJ ÇALIŞMA GRUBU

algılama sınırlamaları, kendi mantığımızı, kendi yaptığımız bilgisayarlara da taşımak zorunda bırakmış bizi. Bilgisayarlarımız, ister oda büyüklüğündeki süper hızlı çeşitleri olsun, isterse hesaplarımızı yaptığımız, yazılarımızı yazdığımız, İnternet'te "dolaştığımız" masaüstü çeşitleri, bu lineer mantığı yansıtıyor. Bildiğimiz, sıradan bilgisayarların tuğlaları, "bit" denen 1 ve 0 sayılarıyla basit işlemler yapan "mantık kapıları". Sözgelimi, bir "OLMAZ" kapısı "1"i "0"a "deviriyor", ya da bunun tersini yapıyor. Peki sıradan bilgisayarlarımız bu girdilerin "1" ya da "0" olduğunu nasıl anlıyorlar? Basit: Elektrik akımının varlığı ve yokluğuyla. Yani "1", akımın varolduğunu, "0"sa yokluğunu gösteriyor. Bilgisayarlarımızın mantık kapıları da, cereyanı iletip kesen transistör dizilerinden oluşuyor. Karmaşık hesaplar, sıradan bilgisayarlarca sayıları seri halde dizilmiş kapılardan geçirerek yapılıyor. Kuantum dünyasındaysa işler farklı. Bir kere, bizim kavradığımız anlamda kesinlik diye bir şey yok. Zaten atomaltı ölçekteki doğa kuvvetlerinin (elektromanyetik, şiddetli ve zayıf çekirdek kuvvetleri) etkileşimini açıklayan kuantum mekaniğinin temel direği de ünlü "belirsizlik ilkesi". Alman fizikçi Werner Heisenberg'in ortaya koyduğu bu ilkeye göre bir parçacığın konum ve momentumunun çarpımı, her zaman sıfırdan büyük olmak zorunda. Bunun nedeni de parçacığın konumunu ya da hızını ölçmek için yapılan her gözlemin, gözlenen niceliği değiştirmesi. Kuantum alanlarında küçük çarpılmalar olarak yorumlanan parçacıkların kesin durumlarını belirlemek olanaksız. Parçacıklar ancak farklı konumlardan oluşan bir olasılık bulutu içinde bulunabilir. Avusturyalı fizikçi Erwin Schrödinger'in bir "dalga fonksiyonu" olarak betimlediği bu üst üste binmiş gerçekler, sürekli bir uyum içinde bulunuyorlar. Ancak en ufak bir dış etken (örneğin gözlem) bu uyumu bozuyor ve biz olası durumlardan yalnızca birisini görebiliyoruz. Deneyim çerçevemizde bulunmadığı için kavramakta zorlandığımız çoğul, yada paralel gerçekler olgusu, aslında bilgisayarlar için olağanüstü ufuklar açıyor. Bu, kuantum bilgisayarların "kuantum bit", ya da kısaca "kubit" denen işlem birimlerinin çok farklı bir özelliğinden kaynaklanıyor. Klasik bilgisayarların işlem birimlerinin "1" ve "0" olan iki ayrı "bit"ten oluştuğunu görmüştük. Oysa bir kubit, aynı anda hem "1", hem de "0". Yani kuantum mekaniğindeki gibi, olası durumların üstüste binmiş hali. Klasik bilgisayar, "bit"lerden oluşan dizileri sırayla teker teker inceleyip bir sonuca oluşurken, bir kuantum bilgisayar, tüm hesapları "aynı anda" yapabiliyor. Kuantum mekaniğinde bir başka gariplik de, parçacık çiftleri arasında "dolanıklık" (entanglement) denen çok özel bir ilişkinin bulunması. Sistemdeki parçacıklardan biri üzerinde bir ölçüm yaptığınızda, öteki, 105

ROJ ÇALIŞMA GRUBU

binlerce ışık yılı ötede bile olsa, anında bu ölçümün etkisini duyuyor. Bu da, kuantum bilgisayarlarda kubit zincirleri oluşturulmasına olanak tanıyor. Öncü Çalışmalar Kuantum dünyasındaki dolanıklıktan makroskopik dünyada yararlanma düşüncesi, 1980'li yıllarda bilim dünyasında aniden fırtına gibi esti. ABD Argonne Ulusal Laboratuvarı fizikçilerinden Paul Benioff, kuantum bilgisayar için bir mantık kapısı tasarladı. Onun düşünceleri, daha sonra IBM araştırmacılarından Charles Bennett ve Oxford Üniversitesi'nden David Deutsch tarafından daha da geliştirildi. 1994 yılındaysa AT&T Laboratuvarları fizikçilerinden Peter Shor, kuantum bilgisayarlar için bir algoritma geliştirdi. Shor'un, yüzlerce haneden oluşan sayıları çok kısa sürede çarpanlarına ayırmak için geliştirdiği algoritma, araştırmaları daha da hızlandırdı ve bir ya da birkaç mantık kapısından oluşan ilkel "kuantum bilgisayarlar" ortaya çıkmaya başladı. California Teknoloji Enstitüsü fizikçisi Jeff Kimble, bir sezyum atomu aracılığıyla iki fotonu "doladı". Kimble ve ekibi, sezyum atomunu, optik resonator denen ve fotonları ileri geri yansıtan iki aynadan oluşan küçük bir odacığa yerleştirdiler: Böylelikle fotonların, sezyum atomunun dış elektronu ile etkileşme olasılığının artacağını düşündüler. Sezyum atomunda bu elektron, değişik enerji düzeylerinde bulunur. Aradaki farka eşit enerjili bir foton yakalarsa, bir düzeyden ötekine atlar. Araştırmacılar, sezyum içinde bir fotonun polarizasyonuna (kutuplanmasına) duyarlı bir enerji geçişinden yararlandılar. Kutuplanma, fotonun elektrik alanının salınım yönüyle ilgilidir. Örneğin, alan kendi çevresinde dönüyorsa ve böylece foton ilerlerken bir heliks çiziyorsa, foton "dairesel kutuplanmış" demektir. Araştırmacılar, sezyum atomunda, yalnızca saat yönünde dönen alanlara sahip fotonlara duyarlı, ters yönlü fotonlardan etkilenmeyen bir elektron geçişi belirlediler. Bu durumda, saat yönlü alana sahip bir foton "1", ters yöndeki alana sahip bir başka fotonsa "0" olarak kabul edilebilir. Kimble ve arkadaşları bu foton çiftlerini odacığa gönderdiler ve çıktıkları andaki kutuplanmalarını incelediler. Görüldü ki, 0-0, 0-1 ve 1-0 gruplarından oluşan çiftlerin etkileşimlerinde dikkat çekici birşey yok. Oysa 1-1 çifti odacıktan şaşırtıcı bir değişiklikle çıktı. Kuantum fiziğinde parçacıklar birer "dalga fonksiyonu" ile betimlenirler. Bu dalganın da ötekiler gibi tepe noktaları ve çukurları vardır. 1-1 çifti odacıktan çıktığında dalga fonksiyonunun fazı (yani tepe ve çukurların konumu) değişmişti. Bunun da anlamı, fotonların, sezyum atomu aracılığıyla birbirleriyle etkileşmiş olmalarıydı. Fotonlar, tek bir düzlemde titreşen, yatay ya da dikey kutuplanma diye bilinen elektrik alanlarına da sahip olabilirler. Bunlar da dairesel kutuplanmış ışığın farklı 106

ROJ ÇALIŞMA GRUBU

konumlarının üst üste binmiş durumları, başka bir deyişle 0 ve 1'in üst üste binmiş durumları olarak kabul edilebilir. Böyle çoğul durumlu bir foton çifti de odacığa gönderilirse, bu çoğullukların 1-1 parçaları da etkileşerek dalga fonksiyonunun fazını değiştirirler. Yani çoğul kutuplanmış bu fotonlar, çıktıklarında daha da karmaşık bir çoğul kutuplanma durumu alırlar. Artık iki foton arasında dolanıklık bağı kurulmuş olur. Jeff Kimble, fotonların dalga fonksiyonlarını değiştirerek bir mantık kapısı kurdu. Shor'un algoritması için tasarlanmış başka düzeneklerse, klasik bilgisayarlar gibi 1'leri ve 0'ları baş aşağı devirmek temeline dayalı kapılardan yararlanıyorlar. ABD Ulusal Standartlar ve Teknoloji Enstitüsü (NIST) araştırmacılarından Dave Wineland'in tasarladığı bir "OLMAZ" kapısı, hedef olarak seçilmiş bir "bit"i "0"dan "1" konumuna, ya da tersine deviriyor. Ancak bunu, "kontrol" denen ikinci bir girdi "1" değerindeyse yapıyor. Eğer kontrol "bit"i "0"sa , o zaman hedef in çıktısı, girdisiyle aynı konumda oluyor. Aynen Kimble'ınki gibi, Wineland'in kapısı da 1 ve 0'ların üst üste binmiş durumlarını da işlemden geçirebiliyor. NIST ekibi, aynı nesne içindeki iki ayrı kuantum sistemi arasında dolanıklık bağı kuruyor. Bu, artı elektrik yüklü bir berilyum iyonu. Araştırmacılar önce iyonu Paul Kapanı denen bir elektrik alan ağı içinde hapsediyorlar. Merkeze itilen iyon titreşmeye başlıyor. Burada iyon, 1 milikelvin (-272,99°C)'ye soğutuluyor, böylece her türlü hareket durduruluyor ve dış etkiler perdeleniyor. İyonun titreşim enerjisinin düzeyi kontrol "bit"i oluyor. En düşük titreşim düzeyindeki bir iyon "0", bir sonraki en yüksek titreşim düzeyindeki bir iyon da "1" oluyor. Hedefse, dönmesine (spin) bağlı olarak iki enerji düzeyinden birinde bulunan dış elektron. Spin, dönen bir topun açısal momentumu gibi canlandırılabilecek bir kuantum mekaniği terimi. Bu örnekte, spin, üst ve alt yönde olmak üzere iki ayrı değer taşıyor. Wineland ve ekibi, lazer darbeleriyle elektronu bu iki değer arasında oynatabiliyorlar. Örneğin bir vurduğunuzda elektron üst spin durumuna, bir daha vurulduğunda gene eski alt spin konumuna geçiyor. Lazer darbesinin süresi önemli. Eğer elektronu bir durumdan ötekine geçirmek için t süresi gerekiyorsa, 2t, onu bir düzeyden diğerine götürüp geri getirir. İşin garibi, 1/2 t uzunluğunda bir lazer darbesinin, elektronu üst ve alt spin konumlarının üst üste binmiş durumuna getirmesi. Peki kapı nasıl işliyor? Elektronun alt spinde ve "1"e karşılık gelen titreşim durumunda olduğunu varsayalım. Araştırmacılar üç lazer darbesi kullanıyorlar. Birincisi, 1/2 t süreli; elektronu alt ve üst spinlerin üst üste bindiği duruma getiriyor. İkinci darbe, deneyin bir özelliğine göre ayarlanmış. İki spin durumunun dışında, üçüncü bir enerji düzeyine sahip ve bu düzeye erişmek için gereken enerji, iyonun titreşim durumuna bağlı. İkinci lazer darbesinin enerjisi, elektronu, ancak üst spin konumundayken 107

ROJ ÇALIŞMA GRUBU

ve iyon'un titreşim düzeyi de "1"e karşılık gelecek konumdayken bu üçüncü düzeye fırlatacak biçimde ayarlanmış. Dolayısıyla da, üst üste binmiş konumların sadece bu parçası etkileniyor. Bu arada bir "hile" daha yapılıyor. NIST ekibinden Dawn Meekhof bunu şöyle açıklıyor: İkinci lazer darbesi 2t süreyle veriliyor. Yani, elektronu üst konuma yükselttikten sonra tekrar geri getiriyor. Elektron döndüğünde dalga fonksiyonunun fazı 180 derece dönmüş oluyor. Yani dalganın tepeleri, eskiden çukur olan yerlere geliyor. Gelelim üçüncü darbeye. Bu kez lazer, ilk darbe gibi 1/2 t süreyle veriliyor ve elektron'un alt spinden üst spin konumuna dönme süreci tamamlanıyor. Böylece başlangıçtaki alt spinli elektron, üst spinli konuma çevrilmiş oldu. Bu da klasik bilgisayarlarda "0"ın "1"e devirilmesine benziyor. İyonun titreşim durumu "0"sa, ara (ikinci) lazer darbesinin elektron üzerinde hiçbir etkisi olmuyor. Ayrıca 180 derecelik faz değişimi olmadan, elektron , üçüncü darbeyle vurulduğunda da üst spin durumuna geçmeyip, alt spin durumuna geri dönüyor. Bu, klasik bilgisayarların "0 girdi-0 çıktı" durumuna karşılık geliyor. Şimdi de şöyle bir deney düşünün: Başlangıçta iyonun titreşim durumu, 0 ve 1 konumlarının üst üste binmiş durumu olsun ve elektron da alt spinli konumda bulunsun. Lazer darbeleri peş peşe gelmeye başlayınca iyon, üst üste binmiş çok sayıda konumdan geçtikten sonra, "0 titreşim durumu-alt spin" ve "1 titreşim durumu-üst spin" konumlarının üst üste binmiş durumuna gelecektir. Dolayısıyla, titreşim ve spin durumları arasında dolanıklık bağı kurulmuş oldu. Artık elektronun spin konumunu "alt" olarak ölçerseniz, iyonun titreşim durumunun 0 olduğunu herhangi bir ölçüme gerek duymadan bileceksiniz. Küçültmede Japonlara Güvenin Kuşkusuz işe yarayabilecek kuantum bilgisayarlar tek bir mantık kapısıyla çalışamaz. 1000 hanelik şifreleri çözecek, süper bilgisayarların milyarlarca yılını alacak hesaplamaları göz açıp kapayıncaya yapacak türden olanlar, en azından yüzlerce kubit'in seri bağlanabilmesini gerektiriyor. Gerçi araştırmacılar, iyonları ışık içinde tutarak, molekülleri solüsyonlar içinde sallayarak ya da başka yöntemlerle kuantum etkilerden yararlanıp birkaç kubitlik sistemler geliştirebildiler. Ama bu işte bir terslik yok mu? Mikroskopik dünyadan ödünç alınan sistem, dev boyutlara tırmanıyor; buna karşılık büyük ölçekli dünyamızın araçları neredeyse görünmez olacak! Tek bir kuantum devre gerçekleştirmek için odalar dolusu lazer, güçlü mıknatıslar, kontrol ve gözlem araçları gerekiyor. Bu durumda, ciddi işlemler yapabilecek kuantum bilgisayarı bir hangar 108

ROJ ÇALIŞMA GRUBU

boyutuna varacak. Oysa, milyonlarca devrenin bir arada bulunduğu sıradan bir bilgisayar çipi neredeyse mikroskopik büyüklükte. Kaldı ki, farklı kuantum durumlarını üst üste bindirmekle iş bitmiyor. Bu çoğul gerçekler, en ufak bir dış etkenle, tek bir fotonun değmesiyle bile "çöküyor" yani aralarındaki uyum ortadan kalkıyor. Bu olasılıklar karmasını uyum içinde tutmak, gaz, kristal, optik kablo gibi araçlarla kolay yapılacak bir şey değil. Bu, mikroskopik dünyanın bilgi işlem aracı olan kubitleri makroskopik dünyaya taşımanın güçlüğünden kaynaklanıyor. Gerçi makroskopik kubitleri yönetmek biraz daha kolay ama, gene de makroskopik kuantum uyumunun korunması uzun süre bir darboğaz olarak kaldı. Bir grup Japon araştırmacının Nisan sonunda yaptıkları açıklamaysa, darboğazların aşılmaya başladığını gösteriyor. NEC araştırmacılarından Yasunobu Nakamura ve iki arkadaşı, makroskopik uyumun uzun süre korunabileceği ve pek çok kubitin dar bir alana sıkıştırılabileceği bir mekanizmayı açıkladılar. Araştırmacılar, bu işi hem silikon ve metal karışımı gibi bir katı hal ortamında, hem de çok basit bir yöntemle gerçekleştirdiler. Kullandıkları araç, bir Cooper çifti kutusu (Cooper çifti, bir süper iletken içinde birbirine bağlanmış iki elektrondan oluşuyor). Kutu tabii ki çok küçük; nanometre ölçeklerinde. Üstelik neredeyse -273 Celsius derecesindeki mutlak sıfıra kadar soğutulmuş. Bir süper iletkene zayıf biçimde bağlanmış daha küçük bir süperiletken "adacık"tan oluşuyor. Her iki süper iletken de, Bose-Einstein Yoğunlaşması denen ve aynı kuantum durumuna sahip makroskopik sayılarda Cooper çiftinden oluşuyor. Elektrotlar arasındaki zayıf bağlantı nedeniyle aralarında Josephson Bağlantısı (junction) denen küçük bir hat oluşuyor. Süper iletkenler bir elektrik kapasitörü oluşturuyor ve Josephson bağlantısı üzerindeki akım, bu kapasitör üzerindeki elektrik yükünü değiştiriyor. Kapı voltajı V elektrotlar arasındaki potansiyel farkını belirliyor. Kuantum mekaniğine göre, BoseEinstein Yoğunlaşmasında dalga fonksiyonunun fazıyla, içindeki parçacıkların sayısı arasında, aynen hız ve konum arasında olduğu gibi, belirsizlik ilkesinden kaynaklanan bir ilişki olur. Yani fazdaki belirsizliği daraltmaya çalışırsanız, çökeltideki parçacık sayısındaki belirsizlik artar. Tersine, parçacıkları azaltmaya kalktığınızda, fazdaki belirsizlik artar. Cooper kutusundaki bu faz-sayı ilişkisi, kutuyu makroskopik bir kuantum sistemi haline getiriyor. Burada, Josephson faz değişimleriyle, kutudaki elektrik yükü, belirsizlik ilkesindeki parçacık ve konum rolünü oynuyorlar. Kutunun boyutu küçüldükçe ada elektrotla, büyük elektrot (elektron deposu) arasındaki elektron çiftlerinin akışı azalıyor. Ve yeterince küçük bir kutuda (deneyde kullanılan birkaç nanometre büyüklüğündeki gibi) yalnızca bir çift elektron, bağlantının içinden geçerek ada ve depo arasında salınıyor. 109

ROJ ÇALIŞMA GRUBU

Bu da dijital sistemlerdeki 1 ve 0'a karşılık geliyor. Daha doğrusu bunların üst üste binmiş durumlarına... Gerçi elektronlar kuantum uyumu bozulmadan yalnızca altı kez salınabiliyorlar, ama bu bile katı hal ortamındaki dış etken bolluğu karşısında önemli bir başarı. Üstelik uyum bozulmasının suçlusu, metal tabandaki atom ölçeğinde yabancı maddeler gibi görünüyor. Bunların giderilmesiyle uyumlu salınma süresi artabilecek. Bilginin, tek bir atom ya da foton gibi mikroskopik sistemlere yüklenerek klasik yasaların denetiminden çıkıp kuantum yasalarının egemenliğine girmesi, artık eskiden olduğu gibi can sıkıcı bir durum değil. Akıl almaz işler yapabilecek bilgisayarların dışında da, kuantum belirsizliğinden yararlanan bilgi işleme yöntemleri tasarlanıyor. Kuantum iletişim konusunda deneyler sürüyor. Ama burada da kuantum bilgisayarların karşılaştıklarına benzer sorunlar var. Oysa bir alan var ki, başarılar birbirini izliyor. Öyle bir alan ki, pratik, kuramın çok ötesinde gidiyor. Bu alan da haber alma örgütlerinin dikkatle izlediği bir alan. Tahmin ettiniz: Kuantum kriptografi ya da şifreleme. Müşteriler öylesine aceleci ki, kullanma protokolleri hazırlanmış bile. Üst üste bindirilmiş kuantum durumlarını taşıyan fotonlar, optik kablolarla onlarca kilometre öteye taşınabilmiş, Şimdi çalışmalar, bunları uydu aracılığıyla iletebilmek. Sistem, bir bilgiyi şifreleyip alıcıya gönderen bir kişi (genellikle Alice diye adlandırılıyor), mesajı alan (Bob) ve bu mesajları zaptetmek isteyen gizli dinleyici (Eve) arasında kurulu. "Çoğul gerçekli" fotonlarla bilgi iletimi, Alice ve Bob'a, kuryeye gereksinme duymadan paylaşabilecekleri gizli bir şifre anahtarı oluşturma olanağı sağlıyor. Üstelik, kuantum bilgisayarcılarının kâbusu olan uyum bozulması, kuantum şifreleme alanında çok yararlı bir araç. Çünkü casus Eve, haberleşmeyi dinlemek için kuantum bilgisayar bile kullansa, bu kulak misafirliğinin izleri, anında ortaya çıkıyor ve Alice ve Bob'u uyarıyor. Gerçi bu alan da tümüyle sorunsuz değil: Açık havada gönderilen kuantum şifreli fotonların uyumu, Güneş'ten gelen ya da başka kaynaklı fotonlar, örneğin alıcı aygıtlardaki fon sıcaklığı, ya da parazit gibi nedenlerle bir ölçüde bozulabiliyor, Ama araştırmacılar, bu bilgi kaybını yüzde 25 düzeyinde tutmayı başarabilmişler. Araştırmacılar, birkaç yılda son pürüzlerin de giderilebileceği konusunda umutlular.

Kuantum Buzu 1925 yılında Albert Einstein ve Hintli fizikçi Satyendra Nath Bose, yoğun bir gaz kütlesini mutlak sıfıra yakın bir sıcaklığa kadar soğuttuklarında yoğunlaşan gazın olağandışı bir buz küpüne dönüşeceği 110

ROJ ÇALIŞMA GRUBU

sonucuna vardılar. Buna göre atomlar kendi özelliklerini kaybedecek, bir bütün halinde hareket edecek ve dev bir atom halinda toplanacaklardır. 70 yıl sonra atom fizikçileri, bu öngörünün doğru olduğunu ispatlamış görünüyorlar. Bu yılın Haziran ayında Natıonal Institute of Standarts and Technology (NIST)'den Eric A. Correll ve arkadaşları,University of Colorado ile birlikte radyum atomlarını 10 nanokelvin gibi rekor bir sıcaklığa kadar soğutarak Bosa-Einstein kondensatı denen kuantum buz küpünü elde ettiler. Maddenin bu halinin fizikçilerin ilgisini çekmesinin en önemli sebebi, teorik çalışaların, varolan bu oluşum hakkında çok az şey söyleyebilmesinden doğan gizemdir. Bilimadamları bu oluşumun faz değişmeleri arasında benzersiz buluyorlar. Buharın suya suyun buza dönüşmesi gibi diğer faz değişmeleri atomlar ve moleküller arası kuvvetlerle açıklanırken, Bose-Einstein yoğunlaşması, kuantum yasalarıyla açıklanabiliyor. Daha ayrıntıyla söylersek bu olay, Heisenlberg’in belirsizlik ilkesiylae açıklanıyor. Atomlar mutlak sıfıra yakın bir sıcaklıkta çok yavaş hareke ettiklerinden, belirsizlik ilkesine göre konumları hemen hemen hiç bilinmez. Atomların hareketini açıklayan dalga fonksiyonları genişler ve birleşir. Sonuçta birçok atom aynı kuantum düzeyinde yer alır. Üstün iletkenlik ve üstün akışkanlık da aynı temele dayanır. Dirençsiz elektrik ve sıvı akışıyla birçok benzerliği olduğu bilindiği halede, arştırmacılar yoğunlaşmanın birçok özelliğini ortaya çıkaramadılar.Görünüşü konusunda bie birçok spekülasyon bulunuyor: Cam gibi berrak mı, yoksa cam gibi parlak mı? (Bilim ve Teknik, 335. sayı)

111

ROJ ÇALIŞMA GRUBU

KUANTUM TEORİSİ VE TEMEL İLKELERİ Erol KURT Lord Kelvin, XIX.yy.'in sonuna doğru fiziğin hemen hemen tamamlandığı görüşündedir. O'na göre yalnızca ısı ve ışık kuramı üzerine bazı bilinmeyenler vardı. Fakat H. Hertz'in 1887'de keşfettiği "fotoelektrik etki ve ısı kuramı" ile, gerçekleştirilen deneyler arasında garip uyumsuzluklar baş gösteriyordu. İşin ilginç yanı, bilim adamlarının; pek önemsemediği bir konunun, tüm detaylarının önceden açıklandığı bir kuramın başlarına çorap örmeye başlamasıydı. Alman Ağırlıklar ve Ölçüler Enstitüsü, yeni elektrik lambaları için bir ölçek ararken, fizikçi W. Wien'den bir "kara cisim'in sıcaklığıyla, onun yaydığı ışınlar arasındaki bağıntıyı belirlemesini istedi. Bilindiği üzere ısıtılan cisimler ısırdı. Sözgelimi bir bakır parçası morötesi ışınları yaymadan önce İlkin kızaracak, sonra akkor hale gelecektir. Bu aşamada cismin yaydığı maksirnurn ışınlar mora kayacaktır. 1900'da Berlin Üniversitesi profesörlerinden M. Planck bu problemi kuram yoluyla çözmeye çalışırken olanlar oldu. Planck'a göre kara cisim füzerine gelen bütün ışık, elektromagnetik dalgaları yutarak büyük enerjilere sahip olabilen cisim) ışıması-soğurması denen bu problem, gözlem ve deneylerle ancak şu şartta uyuşuyordu: Kara cisme ulaşan ya da ondan yayılan ışınların sürekli değil; aralıklı, kesik kesik enerji paketleri şeklinde olması gerekir. Bu ifade açıkçası, klasik fizikte hep sürekli bir büyüklük olarak algılanan ve böylece işlemlere sokulan enerjinin aslında parçalı da olabileceğini söylüyordu. Bundan dolayı yeni bulguya "miktar parça" anlamında "kuantum1' denildi. Doğrusunu söylemek gerekirse, bunu kabul etmek için klasik bilim anlayışını bir tarafa bırakmak gerekliydi.' Bu nedenle, Planck bu varsayımı gönülsüz olarak ortaya koydu ve hesap hatasının söz konusu olabileceğini vurguladı. Teorinin tarihsel gelişimi Planck'ın bulgusundan 5 yıl sonra A.Einstein fotoelektrik etki olarak bilinen fizik olayını açıkladı ve Nobel ödülünü almaya da hak kazandı. Einstein'e göre ışıklı parçacıklar, frekanslarıyla orantılı olarak enerji taşır ve bu enerji metallerin elektronlarına aktarılabilirdi. Böylece vakum ortamda, ışık yoluyla metalden kolayca elektron sökülebilir, elektrik akımı iletilebilirdi. Işığın C.Huygens'den beri bilinen dalga yapısı bu olayı açıklayamazdı. Çünkü çok kısa bir sürede, ışığın frekansının büyüklüğüne bağlı olarak 112

ROJ ÇALIŞMA GRUBU

metalden elektron sökülmesi ancak ışığın tanecik şeklinde düşünülmesiyle mümkündü. Planck haklı çıkmıştı, kesikli büyüklükler (kuantlar) görüşü anlam kazanıyor, bilim adamları mikroskobik olayları düşünürken bu çözüm ihtimalini de göz önünde tutuyorlardı. 1906'da, E.Rutherford atomun yapısının araştırılması amacıyla yaptığı deneylerde, atomun Güneş Sistemi benzeri bir yapıda olduğunu ve merkezde (+) artı yüklü bir çekirdekle bu çekirdeği çevreleyen (-) eksi yüklü elektronlardan oluştuğunu ortaya koydu. Fakat bu şekilde açıklanmış bir atomda elektronların hareketi, klasik hareket denklemleriyle incelendiğinde ortaya çelişki çıkıyordu. Çünkü, bu durumda çekirdeğin çevresinde dolanan bir elektron, eninde sonunda çekirdeğe düşmeliydi. Bu doğruysa ne dünyanın ne de evrenin varolmaması gerekiyordu. Ortada, atom kalmıyordu. Bu sorunun üstesinden Danimarkalı genç bilim adamı N.Bohr geldi.Bohr elektronlar için atom çekirdeği etrafında belirli çembersel yörüngeler öngörüyordu. Bundan hareketle, açısal momentumun kuantalı, büyüklük olduğunu belirtiyor; Planck sabitinin (h), 2n'ye bölümünün tam katları şeklinde yörüngeler düşünüyordu. Kararlı yörüngedeki elektron bu yörüngeyi ancak enerji vererek ya da enerji alarak terkedebirdi. Bu geçişlerde enerjisi "hf" ile verilen fotonlar ısınıyor ya da soğuruluyordu. Bu ifade de fotoelektrik olaydaki gibi kuantalı enerjiyi Ön görüyordu, (h: panck sabiti; f: ışığın frekansı) Okullarımızda, geçerli atom teorisi olarak işlenen, Bohr'un bu bulgusu da kuantumluluk tezini destekliyordu. Bohr'un atom teorisinin sonraları hidrojen ve hidrojen benzeri (son yörüngesinde bir elektron taşıyan) sistemler için geçerli olduğu gözlendi. Fizikçiler artık atomik düzeydeki yapılan açıklayabilmek için tek çıkar yol olarak kuantum teorisini kullanmaya devam ettiler. Dolayısıyla teorinin ana çatısı atomik yapıların gün ışığına çıkmasıyla oluşuyordu. Atom teorisiyle alakalı bu gelişmeler sürerken 1922'de Amerikalı fizikçi H.Comptom, X ışınları üzerine yaptığı incelemelerde; "hf" enerjili olarak düşünülen fotonların serbest elektronlara çarptırılmasıyla bu ışınların "hf/c momentumlu olarak elektronlarla etkileştiğini gözlemledi. Bununla da kalmayarak, çarpışmadan sonra açığa çıkan ışının frekansının daha küçük olduğunu tesbit etti. Bu deney şunu kesin bir şekilde belirtiyordu ki mikroskobik sistemlerde kesikli paketçik yapıda çizgisel momentum öngörülebiliyordu. Bu da kuantumluluk hipotezine bir doğrulama getirmiş, teorinin tanımı genişlemiştir. Almanya'da Göttingen Üniversitesi'nde araştırmacı olan W. Heissenberg, hocası M.Born ve arkadaşı P. Jordan ile birlikte çok elektronlu atomların açıklanması bağlamında "matris mekaniği" teorisini ortaya attı. Yine, 1923'de Paris Üniversitesi'ne verdiği doktora teziyle L. de Broglie, 113

ROJ ÇALIŞMA GRUBU

Heissenberg'in fikirlerini de destekleyerek yeni bir atom anlayışı gündeme getirdi: Elektronlar bir tanecik olarak değil fakat dalga olarak yorumlanmalıydı. Böylece, çekirdeğin çevresinde dolanan her tam dalga ancak belli bir yörüngeye rastgeliyor ve neden elektronların belirli yörüngelerde dolandığı bütünüyle açığa çıkıyordu. Bohr'un farkında olmadan, sezgisiyle teorisinde söz ettiği belirli yörüngeler çıkarımı böylece doğrulanmış oluyordu. Bu durumda enerjinin kuantumlu olmasına ek olarak çizgisel momentum gibi açısal momentumun da kuantumlu bir büyüklük olabileceği resmen ispatlanıyordu. 1926'da E.Schrödinger, de Broglie tarafından yorumlanan dalga teorisini tanımlayan dalga denklemini makaleler halinde açıkladı. Fizikte, bir kuramın anlaşılabilirliği, gözlenebilirliği ve uygulanabilirliği çok önemlidir. Bu nitelikleri taşıyan dalga denklemi ve dalga görüşü fizikçiler arasında çok çabuk kabul gördü. Fakat bir yandan da nasıl olup bu dalgaların tanecik gibi, Geiger sayacında tıklamalar oluşturduğu bir sorundu. Bohr, bu problemi elektronların dalga şeklinde nitelendirilmesinin ancak soyut olarak geçerli olabileceği fikrini ortaya atarak, çalışmalarda gerektiğinde dalga Özelliğinin gerektiğinde de tanecik özelliğinin kullanılması gerektiğinin altını çizerek çözümledi.

Kuantum Teorisinin Felsefesi Ünlü kuramcı Bohr, "Kuantum teorisiyle şok olmayan kimse, onu anlamamıştır" der. Gerçekten de matematiksel olarak açık bir şekilde ifade edilmesine karşın bu teorinin felsefi alanda yorumlanması ve oluşturduğu problemlerin çözümlenmesi bir hayli zor görülüyor. Kuantum teorisi bilime ve doğaya farklı bir bakış açısı getirmiştir. Şimdi, bu yenilikleri görebilmek için klasik ve kuantumlu anlayışın belli başlı özelliklerini ortaya koyalım. Öncelikle klasik fiziğin felsefi dayanaklarına bakarsak: 1) Klasik fizikte, bir cismin hızı, ivmesi, enerji ifadeleri gibi tüm nicelikler cismin konumunun zamana göre diferansiyelleri ile ifade edilir. 2} Yukarıda sözü edilen momentum. enerji gibi fiziksel büyüklüklerin bütün olarak ele alındığı görülür. 3) İrdelenen olaylar belli bir kesinlik, belirlilik taşır ve istenilen doğrulukta ve aynı anda bütün fiziksel büyüklükler ölçülebilir. 4) Evrenin geçmişinde oluşan olaylar incelenerek, geleceğe ilişkin bir 114

ROJ ÇALIŞMA GRUBU

yordama yapılabilir. Sözgelimi, Jüpiter Gezegeni şu zamanda, yörüngesinin şurasında ve bize bu kadar uzaklıkta olacaktır, denilebilir. Gözlem ve deneylerde küçük hatalar çıkabilme olasılığına karşın tahminlerimiz büyük ölçüde doğrulanır. 5) Klasik fizik ile incelenen her sistem ya da olay birbirinden bağımsız olarak düşünülür; bu sistemi oluşturan ve birbiri İle iletişim olanağı bulunmayan varlıklar bütünüyle ayrı olarak ele alınır. 6) Klasik olarak incelenen olay, gözlemci ve kullanılan deney aleti ile değişiklik göstermez. Kuantum görüşünün kabul edilen temel olguları ise: a) Olayların incelenmesinde kompleks yapıda ve bir olasılık denklemi olan Schrödinger dalga denklemi kullanılır. Bu denklemden vj/ dalga fonksiyonu bulunup işlemlerde konarak, konum, momentum ve diğer nicelikler elde edilir. b) Fiziksel nicelikler kesikli parçalı yapıda ele alınır. c) Kuantum teorisi fiziğe kuşku götürmez bir biçimde belirsizlik (indeterminizm) olgusunu sokmuştur. d) Parçacıklar söz konusu olduğunda her büyüklük olasılıklarla belirlenir ve gelecekle ilgili tahminler olasılıklara dayanarak yapılabilir. Örneğin ışığın yapı taşı olan fotonların, uzayda bir yerde bulunması ancak olasılıklarla belirlenir. e) Birbiriyle hiç iletişim olanağı bulunmayan iki varlık arasında "bağlılaşım-correlation" görülebilir. Örneğin aynı kaynaktan çıkan fotonların karşıt doğrultularda göstermiş olduğu davranışları, birbiri ile uyuşum halindedir. f) Kuantumda; gözlemci, gözlenen ve gözlem aleti birbiriyle bir bütünlük oluşturur. Bunlar birbirlerinden ayrı düşünülemez. Görüldüğü gibi klasik fizik ile kuantumcu düşünce birbirinden bir çok noktada farklılık gösterir. Bu farklılıklar ayrıntılı olarak göz önüne alındığında şu yorumlar yapılabilir: 115

ROJ ÇALIŞMA GRUBU

Kuantum teorisinin önemli buluşlarından birisi belirsizlik bağıntısıdır. 1927'de Heissenberg tarafından ortaya konulan bu bağıntıya göre mikro boyutta tanımlı bir parçacığın, eş zamanlı olarak konum ve momentumunun tesbit edilmesi en az Planck sabit (h) kadar bir hata içerir. Aynı olgu eşzamanlı olarak, parçacığın enerjisi ile bu enerjiyi taşıdığı zaman için de söz konusudur. Örneğin bir elektronun bulunduğu uzayda konumunun tesbiti İçin, elektronun üstüne büyük frekansta ışık göndermeliyiz. Aksi halde elektronu gözlemleyenleyiz. Bu durumda yüksek frekanslı ışık elektronun konumunu belirler. Ancak elektrona bir hız verir. Dolayısıyla konumun belirlenmesiyle beraber parçacığın hızını ve momentumunu yitirmiş oluruz . Tersi olarak; elektronun momentumunu belirlemek İçin küçük frekanslı ışık kullanırız, bu durumda da konum belirlenemez. İkinci önemli bulgu da "dalga/parçacık dualite'dir. Huygens'ten beri ışığın kırınım ve girişim yaptığı biliniyordu.Örneğin ışık Young deneyi düzeneğinden geçirilirse karşıdaki ekranda aydınlık-karanlık noktalar oluşur. Yani girişim yapar. Yine yarım bardak suya sokulan bir kalemin kırık olarak algılandığı görülür. Bu gibi olayların hepsi ancak dalga modeliyle açıklanabilir. Einstein'ın fotoelektrik olayını açıklamasından sonra ışığın parçacıktı yapıda olması gerektiği bulundu. Yine ışığın cisimler üzerine uyguladığı anlık basınçlar ve Geiger sayacında göstermiş olduğu etkiler bunu destekler. Sonunda Bohr, "Işığın dalgacık mı tanecik mi olduğunu belirlenmesi ancak gözlemcinin sorduğu soruya göre cevaplanabilir" diyerek gözlemcinin de vazgeçilmez biçimde teoride yerini alması gerektiğini belirtir. Amerikalı J.Davisson ve L.Germer adlı bilim adamları elektronların da hızlı olarak bir kristal katıya çarptırıldıklarında dalga özelliği gösterebileceğini buldular. Böylece düalite yalnızca ışık (elektromagnetik dalga) İçin geçerli değil aynı zamanda maddesel parçacıklar için de geçerliydi. Bu da Broglie'ın öne sürdüğü elektronlar için dalga yapısının deneysel bir ispatıydı, aynı zamanda Kuantum teorisindeki düaliteyi, 1915'te, X ışınlarıyla yaptığı çalışmalarından dolayı Nobel ödülü alan VV.Bragg şöyle belirtiyordu. "Pazartesi, çarşamba ve cuma günleri parçacık kuramını; Salı, Perşembe ve Cumartesi günleri dalga kuramını öğretiyorum." Diğer önemli yenilik ise olasılık kavramıdır. Bir parçacığın bir uzay bölgesinde bulunması ancak olasılıklarla bellidir. Parçacığın konumu için kesin koordinatlar verilemez. Born bu düşünceden hareketle Schrödinger'in ortaya attığı dalga fonksiyonunu yorumlamış ve y ile gösterilen bu kompleks fonksiyon için, uzayda bir noktada beili bir anda hesaplanan dalganın genliğinin karesinin, parçacığın o noktada o anda bulunması olasılığını verdiğini belirtmiştir. 116

ROJ ÇALIŞMA GRUBU

Belirsizlik ilkesi , dualite, olasılık tanımı ve gözlemci-gözlenen bütünlüğü kuantum mekaniğine, Kopenhag yorumu olarak girmiştir ve tartışmalara rağmen halihazırda kuantum teorisinin en etkin yorumu olarak karşımıza çıkar. Kuantum felsefesinin ..sorunlarına bakıldığında önemli tartışmaların temelde, Young deneyinin yorumlanmasından kaynaklandığı görülür. Bilim adamları, fotonların iki ayrı delikten geçişinin mantıksal olarak nasıl algılanması gerektiği üzerinde durarak; fotonlarla gözlemci arasındaki ilişkiyi aramaktadırlar. Bohr ve Kopenhag ekolü savunucuları fotonların, iki ayrı delikten geçmelerini iki ayrı dünyada hareketleri olarak düşünüyor. Onlara göre girişim bu birbirinden tamamen iki ayrı iki dünyadan her-birinin birlikte hazırlanarak birbirinin üstüne çakış-masıyla ve birbirlerini bütünleştirme siyle oluşur. Dolayısıyla sonuçta her iki dünyanın hakiki bir melezi oluşur. Başta Einstein olmak üzere pek çok fizikçiye bu melez-bütünleyici dünya yorumu pek sıcak gelmedi. 1935'te "Schrödinger kedisi" yorumu ortaya atıldı. Bu görüşe göre her an zehirlenmesi tehlikesi olan bir kedi kapalı bir kutudadır. Gözlemciye göre bu kedi her an ölü ya da diri bir halde bulunmalı, iki ayrı olasılık eşit olarak göz önünde tutulmalıdır. Bu aynı zamanda Young deneyinin iki ayrı delikle oluşturulan farklı dünyalarına benzer. Farklı nokta ise; kedinin ölü ya da diri olduğunu kesin belirleyene kadar kedinin iki durumunun da yan yana bulunduğunun öne sürülmesidir. Yani kedi, yarı canlı-yarı ölüdür, aynı zamanda. Başka bir yorum da Everett'ten 1957'de gelir. Ona göre, birçok gözlenemez paralel evren mevcuttu. Bunlara Everett, "alternatif kuantum dünyaları" diyordu. Bütün olaylar bu dünyaların birinde, olasılıkların hepsi gerçekleşecek biçimde olmaktadır. Sonuçta bütün olasılıklar evrende varoluyordu. Zaman ilerledikçe daha pek çok yorum ortaya atıldı. Bunların içinde Wigner Gellmann, Bohm, Penrose gibi fizikçilerin yorumlarını saymak mümkün.

Kuantum ve Bilim Kuantum teorisinin ortaya koyduğu yeniliklere göre klasik fizikten farklı olarak doğanın bir bütünlük içinde ele alınması gerektiği belirtilir. Özellikİe gözlemcinin ve gözlenenin birbirini bütünleyici unsurlar olarak nitelendirilmesi fotonların, elektronların ve diğer parçacıkların birbirine bağımlı hareket etmeleri bu bütünlüğü ortaya koymaktadır. Kuantum teorisinin doğuşundan günümüze gelene kadar ki sürecine bakıldığında bu teorinin, fiziğin uygulamalı bir dalı olduğunu gözden kaçırmamalıyız. Sayısız deneyler yardımıyla kuantum teorisinin genel esasları ortaya konabilmiştir. Diğer yandan Young deneyi problemi gibi gözlemci, gözlenen, zaman kavramları üzerinde net bir felsefi çözüme 117

ROJ ÇALIŞMA GRUBU

gidilememiştir. Felsefi çatıdaki eksikliklere rağmen, kuantum teorisinin varlığıyla laser, elektron mikroskobu, transistor gibi çok kullanışlı ve insanlığın bilimsel teknolojik ilerlemesine ışık tutabilecek araçlar elde edilebilmiştir. Yine atom ve çekirdek yapısı, elektriğin nakli, katıların mekanik ve ısıma özellikleri gibi fenomenler çırpıda açıklanmıştır. Öyle görülüyor ki bilim adamlarının tüm evreni tanımlayan bir teoriye varması başka bir deyişle fiziğin tamamlanması daha çok uzun zaman alacak gibi ama kuantum teorisinin bu yolda daha pek çok işi halledeceği açıkça ortada. Gazi Uni. Fen Fak Fizik Böl. Arş. Gör. ANKARA-1997

118

ROJ ÇALIŞMA GRUBU

KUANTUM FİZİĞİNİN TEMEL İLKELERİ Kuantum fiziği, herhalde ününü olağanüstü derinlikteki öngörüleri ve bunların deneysel başarılarından çok, bu buluşların dayandığı temellerin şaşırtıcılığına borçlu. Aslında deneylerin tutarlı biçimde doğrulamasına karşın, atomaltı ölçekte geçerli yasaların, kuralları, ilkeleri, bizim alışık olduğumuz makrodünyanın mantığıyla kavramak hayli güç. Biz kesinlikle aramaya koşullanmışız; oysa kuantum fiziği, evreni yönetenin belirsizlik olduğunu, hatta yaşamımızı bu belirsizliğe borçlu olduğumuzu söylüyor. Biz sanırız ki, bir şey ya vardır ya da yoktur. Oysa Schrödinger'in hayalindeki zavallı kedi biliyor ki, hem yaşamla hem de ölümle iç içe. Makro dünyanın "anayasası" genel görelilik kuramına göre hiçbir şeyin hızı, ışık hızını aşamaz. Oysa kuantum kuramına göre "dolanık" parçacıklar evrenin bir ucundan ötekine "telepati" bağı kurabiliyorlar. Yeni oluşan düşüncelere göre, aslında bu mikro ve makro dünyalar ayrımı temelden yanlış. Bizim günlük yaşamımızı da en derinde bu belirsizlikler, gariplikler belirliyor.....

119

ROJ ÇALIŞMA GRUBU

Bir kuantum sisteminin bazı özellikleri, örnegin bir parçacığın konumu ve momentumu aynı anda istenen kesinlikte belirlenemez. Yani bir parçacığın konumundaki belirsizlikle momentumundaki belirsizliğin çarpımı hiçbir zaman belli bir değerden küçük olamaz. Dolayısıyla biri kesin olarak ölçülürse diğerindeki belirsizlik sonsuz olur. Örneğin parçacığın konumunu kesin olarak belirlersek momentumu hakkında hiç bir fikrimiz olamaz; momentumunu kesin olarak belirlersek; bu kez parçacığın nerede olduğu hakkında hiç bir fikrimiz olamaz.

120

ROJ ÇALIŞMA GRUBU

Bir kuantum sistemi aynı anda birden fazla durumda olabilir. Yani bir elektron, uzayda birden fazla konumda veya birden fazla enerji durumunda bulnabilir. Sağduyuya aykırı görünen ve anlaşılması en zor ilkelerden biridir. "Schrödinger'in Kedisi" örneğinde olduğu gibi kedinin aynı anda hem canlı hem de ölü olması gibi kabul edilmesi güç sonuçlara yol açmaktadır. Birçok fizikçiye göre üstüste gelme ilkesi, sadece makroskobik sistemler için geçerlidir.

121

ROJ ÇALIŞMA GRUBU

Parçacıklar ve alanlar uzun süre farklı olgular olarak kabul edildiler. Kuantum alanlar kuramı, parçacıkların kuantum alanlarının temel kuantumları olduklarını gösterdi. Örneğin fotonlar elektromanyetik alanın, elektronlar bir elektron alanın, kuarklar bir kuark alanın kuantumlarıdır

Elektromanyetik Spektrum

Kozmik Işınlar Dış uzaydan gelen radyasyonlardır. Elektromanyetik Spektrumdaki en kısa dalga boyuna sahiptirler. 122

ROJ ÇALIŞMA GRUBU

Gama Işınları Bunlar atom çekirdeğinden gelen radyasyonlardır ve genelde çekirdekteki anlık değişimlerden sonra yayılırlar (radyoaktivite). Bir atom çekirdeğinin çapından daha küçük dalga boylu dalgalar içerirler. X-Işınları Kaynaklar: lambalar, x ısını tüpleri ve metal bir hedefe çarpan hızlı elektronlardır. X ısınları yumuşak maddelerin içine nüfuz ederler. Ultraviyole Işınlar Kaynaklar; lambalar, gaz deşarjları ve de yıldızlardır. Kısa dalga boylu morötesi ışınlar zararlı olabilirler. Görünen Işık Işık diye hitap edilen elektromanyetik spektrumun bu küçük bölümünü insan görebilir. Bu bölümde mor ile başlayan ve kırmızıyla biten renkler vardır. Kızılötesi Işınlar Bütün sıcak ve soğuk maddeler tarafından oluşturulurlar. Atomlar tarafından emildiklerinde maddeyi ısıtırlar, onun için de ısı radyasyonu da denir. Mikrodalgalar Radarlarda kullanılan çok kısa dalgaboyuna sahip radyo dalgalarıdır. Aynı zamanda mikrodalga fırınlarda ve kablo gerektirmeyen uzak mesafe iletişimlerde kullanılır. Radyo Dalgaları Bunların kaynakları elektrik osilasyonlarıdır. Telefon, televizyon ve radyoda bağlantı kablosu gerektirmeden kullanılır.

Atomları Uyarmanın Birinci Yolu 123

ROJ ÇALIŞMA GRUBU

İlk Yolun Animasyonu Bir atom başka bir atomla çarpışırlar ve atomların kinetik enerjileri elektron enerjisine dönüşür. Yani olayın esası çarpışmadır. Bu çarpışma bir elektron ile bir atom arasındada gerçekleşebilir. Biz aşağıda iki atom arasında gerçekleşen çarpışmayı örnek olarak aldık.

Elektron n=2’inci seviyeye yükselir yükselmez yer seviyesine çabucak düşer ve foton salar. Bu olayın gerçek hayatta uygulanma yolu deşarj tüplerinden geçer. Gazla dolu elektrik deşarj tüpünde, elektrik alanı serbest elektronları hızlandırır. Ta ki kinetik enerjileri, çarpıştıklarında atomları yüksek seviyelere çıkarmaya yetecek kadar büyük oluncaya kadar. Bir Deşarj Tüpünün Videosu Mavi ışık üreten tüpün içindeki gaz civa ve pembe ışık üreten tüpün içindeki gaz ise helyum. Tüplerin içindeki gazların basıncı düşük, yani bu demek ki az miktarda gaz bulunuyor. 2000-3000 volt gibi bir potansiyel farkı uygulandığında, serbest elektron ve iyonlar akımın kolayca geçmesini sağlıyor ve çarpışmalar oluyor. Bu çarpışmalar atomların uyarılmasına ve hatta iyonlaşmasına yol açıyor. Daha sonra da, tahmin edeceğiniz gibi, atomlar tekrar düşük enerji seviyelerine iniyorlar; tabii ki foton yayımlayarak.

124

ROJ ÇALIŞMA GRUBU

Atomları Uyarmanın İkinci Yolu İkinci Yolun Animasyonu İkinci yol, atomun elektronlarının foton soğurmasıdır. Daha önce de söylediğimiz gibi, bir atom yalnız geçeceği seviyenin enerji farkına eşit enerjili fotonları soğurabilir. Örnek olarak n=2’den n=1’e düşen bir hidrojen atomu 121,56 nm dalga boyundaki bir foton yayımlar. Aynı elektron n=1'den n=2’ye geçmek için sadece 121,56 nm dalga boyundaki fotonu yani 10,2eV’luk bir enerjiye sahip olan fotonu soğurabilir. 120 nm ya da 122 nm’lik fotonların hiçbir etkisi olmaz. Bu da demektir ki enerji kesiklidir ve sadece belli değerler soğrulmaya neden olur.

Animasyonda iki atom da hidrojen atomudur. Bütün görünür ışık dalgalarını (yani bütün renkleri) içeren beyaz ışığın soğrulmasında, pek de ilginç olmayan bir durum vardır. Beyaz ışık bir gaz bulutundan geçtiğinde, o gazın enerji seviyeleri arasındaki enerji farkına eşdeğer enerjide olan dalga boyları emilir ve geriye kalan dalga boyları olduğu gibi gazdan geçip gider. Sonra da emilmiş olan dalga boyları tekrardan her yöne doğru yayımlanır. Bir Gama Işını Dedektörünün Videosu Yukarıdada gördüğünüz gibi, radyoaktif madde dedektöre daha yakınken çok fazla yanıp sönüyor, uzakken ise daha az yanıp sönüyor. Peki niye? Nasıl çalışıyor bu alet? İlk önce gama ışınlarının ne olduğundan başlasak iyi ederiz. Gama ışınları atom çekirdeklerinden salınan çok yüksek enerjili fotonlardır (ışık). Buraya basarak gama ışınlarının elektromanyetik spektrumda nerede yer aldığını görebilirsiniz. Atomların elektronlarının fotonları soğurabildiğini biliyoruz. 125

ROJ ÇALIŞMA GRUBU

Yani enerji soğurabiliyorlar. Enerji soğurduklarında uyarılmış oluyorlar ve hatta atomdan kopabiliyorlar, yani o atom artık iyonize olmuş oluyor. Bu yüksek enerjili fotonlar gama dedektörünün içine nüfuz ediyor ve içeride iki metal plaka arasında bulunan havayı iyonlaştırıyor. Hava iyonlaşınca iki metal plaka arasından elektrik geçişine izin veriyor. Böylelikle devre tamamlanmış oluyor ve alarm veriliyor. Radyoaktif madde uzaktayken alarmın daha az olmasının sebebi ise, gama ışınlarının radyoaktif maddeden uzaklaştıkça ve her yana dağıldıkça yoğunluğunun düşmesidir. Zaten, yoğunluk düşünce iyonlaşma azalacaktır ve alarm daha az çalacaktır.

Elektromanyetik Dalgalar İnsanlar ışığın doğasını anlamak için birçok çaba gösterdi, ama bu kolay olmadı. 1864 yılında James Clerk Maxwell ışığın elektromanyetik dalgalardan oluştuğunu farketti. Işığın değişen bir elektrik alanı (E) ve yine değişen ve elektrik alana dik olan bir manyetik alan (B)'den oluştuğu önermesinde bulundu. E ve B'nin oranı her noktada aynı idi. Ama bunlar diğer bildiğimiz su dalgası veya ip üzerindeki bir dalgaya hiç benzemiyorlardı; çünkü ilerleyebilmeleri için bir ortam gerekmiyordu ve Maxwell bu elektromanyetik dalgaların uzay boşluğunda 2.998 x 108 m/s 'lik bir hızla ilerlediklerini gösterebildi. Her dalga gibi bu dalgalar da devamlı dalgalar idi. Yani parça parça değillerdi. Aşağıda bir elektromanyetik dalganın animasyonunu görmektesiniz: (Mavi alan elktrik alanı, yeşil alan ise manyatik alanı simgelemektedir.)

126

ROJ ÇALIŞMA GRUBU

İki dalga tepesi arasında kalan uzaklık dalgaboyu olarak adlandırılır. Saniyedeki titreşim sayısı ise frekans olarak isimlendirilir. Bir dalga için, dalgaboyu ve frekans arasındaki bağıntı: V = l.f şeklinde gösterilir. Burada V: dalganın hızı, l: dalgaboyu ve f ise frekanstır. Elektromanyetik dalgalar söz konusu olduğunda ' V ' ışık hızı anlamına gelen ' c ' harfine eşit olur... Formülümüz ise, şu hale gelir:

Dalgaboyu: metre cinsinden ve frekans ise 1/saniye veya Hz (hertz) cinsindendir. Farzedelimki, bir elektromanyetik dalgamız var ve dalgaboyunun 650 nm olduğunu biliyoruz. (1 nm (nanometre) 10-9 metreye eşittir, yani 650 nm 'in karşılığı 650 x10-9 m 'dir). Bu dalgaboyu elektromanyetik spektrum'un görünür ışık bölgesindeki kırmızı ışıktır. Bu elektromanyetik dalgaların frekansını hesaplayalım.

Bu demek oluyorki; dalga aynı hareketi saniyede 4,615 x1014 kere tekrarlıyor!

Fotonlar 127

ROJ ÇALIŞMA GRUBU

Bilim adamları, ışığın bir tür elektromanyetik dalga olduğunu düşünüyorlardı ve içleri rahattı; ta ki Max Planck bazı deneylerinde ışığın tanecikmiş gibi davrandığını farkedinceye dek. Işık sanki devamlı dalgalar değil de, enerji paketcikleri gibi geliyordu. Einstein ve Planck bu enerji paketlerini ışık quantumu veya foton olarak adlandırdılar. Fotonlar sanki birer parçacıklarmış gibi davranıyordu. Relativite teorisine göre, bir parçacığın ışık hızında gidebilmesi için kütlesinin sıfıra eşit olması gerekiyordu! Demek ki ışığın enerjisi sadece kinetik enerjiydi; kütlesinden kaynaklanan hiçbir enerjisi yoktu. Einstein o güne dek açıklanamamış olan fotoelektrik olayını bu kavramla açıkladıktan sonra, bilim adamlarının ağızında yeniden 'ışık nedir?' sorusu gündeme gelmişti. Eğer ışık dediğimiz olgu parçacıklardan oluşuyorsa, frekans veya dalgaboyunun ne anlamı var acaba? Aslında sorulması gereken en iyi soru: "ışık gerçekten nedir?" Cevap: 'Hem dalga, hem parçacık!' Işığın bazı özellikleri sadece dalga konsepti ile açıklanırken (girişim veya kırınım gibi), bazı özellikleri ise sadece foton konsepti ile açıklanabiliyor (Fotoelektrik olay veya atomların enerji soğurması ve salması gibi).

Girişim ve Kırınım Işık parçacıklardan oluşmuş gibi dursa da, sadece dalgaların gösterebileceği girişim ve kırınım özellikleri göstermektedir. Girişim ve kırınımı biraz inceleyelim: Girişim: Aynı doğaya ait olan, iki veya daha çok dalga (burada sözkonusu dalga ışık) aynı noktadan aynı anda geçtiklerinde, anlık dalga yüksekliği, birleşen iki veya daha çok dalganın anlık dalga yüksekliklerinin toplamı olur... Yeni bir dalga üretilmiş olur. Aşağıdaki resimde aynı dalgaboylu dalgaların girişimi sembolize edilmiştir:

128

ROJ ÇALIŞMA GRUBU

Soldaki durum yapıcı girişimi, sağdaki ise yıkıcı girişimi simgelemektedir. Yıkıcı bir girişimde olayda görev alan dalgaların dalga yükseklikleri aynı olduğunda birbirlerini anlık olarak yok eder. Kırınım: Sol taraftaki resimlerde gösterildiği gibi, bir delikten geçtiğinde ışığın yoluna düz olarak devam edeceğini düşünürüz. Oysa deneysel verilere göre, bu iş malesef böyle değildir. Işık da su dalgalarına benzer bir biçimde kırınıma uğrar (sağdaki şekilde). Kırınım, deliğin büyüklüğü ile orantılıdır. Deliğin büyüklüğü elimizdeki ışığın dalgaboyu ile mukayese edilebilir büyüklükte ise saçınım gerçekleşmektedir. Ama, eğer deliğin büyüklüğü elimizdeki ışığın dalgaboyundan çok büyükse saçınım görülemez. Belki de hesaplanamayacak kadar küçük olur.

129

ROJ ÇALIŞMA GRUBU

Fotonların Enerjisi 1900 yılında Max Planck isimli bir bilim adamı bir sabit sayı keşfetti. Bu sayı ‘Planck Sabiti (h)’ olarak ismlendirildi. Bunun ardından birçok yeni fikirler üretilmeye başlandı. Planck, ışığı enerji paketcikleri olarak tanımladı ve bu paketciklerin her birinin enerjisini şu şekilde tanımladı:

Burada 'f' ışığın frekansı ve 'h' ise Planck sabitidir. Planck sabitinin değerleri aşağıda belirtildiği gibidir. Bunların hepsi birbirinin aynısıdır, aralarındaki tek fark birimlerdir: h = 6,63 x 10-34 J.s (Joule x Saniye) = 4,14 x 10-15 eV.s (Elektronvolt x Saniye) = 1,58 x 10-34 cal.s (Kalori x Saniye) Örneğin; eğer 1000 nm dalgaboyundaki bir kızıl ötesi fotonunun ne kadar enerji taşıdığını bulmak istiyorsak; yapacağımız tek hamle: f=c/l formülünden yararlanarak frekansı hesaplamak ve sonra da yukarıdaki formülü uygulamaktır:

Enerji Tablosu Tablo elektromanyetik spektrumdaki değişik bölgelere ait fotonların dalgaboyu, frekans ve enerji kıyaslamalarını yapmaktadır. Fotonun Frekans Dalgaboyu bölgesi (Hz)

Foton Enerjisi

Radyo Dalgası

1km

3x105

1 neV

Mikrodalga

1 cm

3x1010

120 neV

10mm

3x1013

120 meV

Kızılötesi

130

ROJ ÇALIŞMA GRUBU

Görünür

550 nm

5x1014

2 eV

Ültraviyole

100 nm

3x1015

12 eV

X-ışını

0.05 nm

6x1018

25 keV

Gama ışını

0.00005 nm

6x1021

25 MeV

Tablodaki birimler birbirlerinden farklıdır. Bu birimlerdeki ön ekler <2yy.htm> ile ilgili bilgiyi, sitemizin ekler bölümünde bulabilirsiniz. Böylelikle ' meV ' (micro electronvolt) veya ' nm ' (nanometer) gibi yazımların ne anlama geldiğini öğrenmiş olursunuz.

Fotonların Momentumu Bir fotonun kütlesi yoktur! Yani bu demektir ki; fotonların bütün enerjisi kinetik enerjiden kaynaklanmaktadır. Relativite teorisine göre, bir parçacığın ışık hızında (c) seyir edebilmesi için, kütlesinin sıfır olması gerekiyor. Bildiğiniz gibi, bir taneciğin (veya cismin) momentum <2yy.htm>unu hesaplarken kullandığımız formül: p = mV'dir. Burada 'p' momentum, 'm' kütle ve 'V' ise hızdır. Peki ışığın bir kütlesi yoksa, nasıl momentumu oluyor acaba? Aslında, yine relativiteye göre, herhangi bir taneciğin momentumunu p=V.E/c2 olarak belirtiriz. Burada 'E' toplam enerji (durgun kütle enerjisi (mc2) + kinetik enerji). Yani, sonuç olarak bir momentumları var. Fotonlar ışık hızı, c ile seyahat ettiklerine göre 'v' yerine 'c' yerleştirebiliriz. Böylecelikle formülümüz p=E/c olur. En son olarak da E ve bir fotonun enerjisi olan h.f arasında bir değiştirme yaparsak fotonların momentumu aşağıdaki gibi olur:

Eğer 1nm dalgaboyundaki bir x-ışını fotonunun momentumunu bulmak istersek, yapmamız gereken sadece, elimizdeki verileri formüle koymaktır ve böylece sonucu 6.63 x 10-25 kgm/s olarak buluruz. Hesaplarımızda h'yi Joule x saniye aldığımızda fotonun dalgaboyunu metre olarak almalıyız. 131

ROJ ÇALIŞMA GRUBU

Fotonların Kanıtı

Arthur Holly Compton (1892-1962), bir foton ve bir de elektron alarak, onlarla bilardo toplarının çarpışmasına benzer bir deney gerçekleştirdi. Bir dizi deneyler yapıyordu. Compton'un kullandığı foton; bir x-ışını fotonu idi. Bu fotonu, bir karbon grafitindeki atomların aralarında neredeyse serbest olarak duran bir elektronun üzerine gönderdi. Elektron başlangıçta hareketsiz olduğu için momentum <2y.htm>u sıfırdı. Varsayalım ki gönderdiğimiz fotonun momentumu 'p'. Yukarıdaki animasyondan da görebildiğiniz üzere, düşey yönde hiçbir hareket yok. Foton elektrona çarptıktan sonra elektron hareket etmeye başlıyor. Bu demektir ki, foton momentumunun bir kısmını elektrona aktardı; çarpışma sonrası fotonun dalgaboyu arttı, yanı foton enerjisinden yitirdi. Artık düşey yönde de bir hareket var ve dikkat ettiyseniz animasyonda elektron bir tarafa, foton ise başka bir tarafa gidiyor. Compton'un deneyi de aynı bu şekilde sunuç veriyordu. Momentum korunuyor ve sonda da, başta olduğu gibi sistemin düşey doğrultuda toplam momentumu yine 0 oluyordu (elektronunki aşağıya, fotonunki yukarıya ve ikisi de eşit miktarda). Şimdi, bu sonuçları aldıktan sonra, kalkıp nasıl foton bir dalgadır deriz acaba?

Fotoelektrik Olayı Bu operasyon x-ışını yaratmanın tam tersi gibi de görülebilir. Fotoelektrik tüpün içi elektronların geçişinin kolay olması amacıyla vakumlanmıştır. Işık tüpe girip metale çarpınca plaka elektron yayar. Sonra bu elektronlar küçük bir potansiyel fark sayesinde toplayıcı çubuğa 132

ROJ ÇALIŞMA GRUBU

atlar ve akım oluşmuş olur. Yayılan elektronlara fotoelektronlar denir. Aslında bu olay tipik bir foton emme durumu gibi de görülebilir. Bir fotosel devresinde gelen elektronlar metal plakanın elektronları tarafından emilir ve eğer gelen elektronların metal plakadaki elektronları koparacak kadar enerjisi varsa fotoelektrik olayı olur. Bir Atomu Nasıl Uyarırız Bu arada elektronların metallerden koparılması için ufak enerjiler yeterlidir (Bilhassa, dış yörüngelerinde sadece 1 elektron bulunduran 1A elementleri, alkali metallerden). Metaller iletkendir ve elektronların hareketine izin verirler. Metallerin elektriği nasıl ilettiğini açıklayan, serbest elektronlar teorisine göre elektronları metalden koparmak fazla enerji gerektirmez. De Broglie Dalgaboyu Elektromanyetik ışımanın kendine has bir doğası olduğunu görmüştük. Dalga özelliklerinin yanı sıra sanki bir parçacıkmış gibi davranıyorlardı. Hayatımızda daha önce hiç görmemiş olduğumuz bir olgu! Bütün bunları söyledikten sonra herhalde size, düşününce akla mantığa sığmayacak, başka bir olgu söylesem yadırgamazsınız: Hareket eden bir kütle bazı yönleriyle, sanki bir dalgaymış gibi davranır. Bir elektron, hatta herşey dalgalar gibi davranır! Burada şunu söylemek isteriz ki bahis konusu olan dalgalar bu sefer elektromanyetik dalga değildir. Bu tamamen farklı bir olaydır; madde dalgaları, olasılık dalgaları. Amerikan bilim adamı Richard Feynman tarafından bu dalga-parçacık ikilemine güzel bir yaklaşım yapılmıştır: Hiçbir parçacık bir A noktasından bir B noktasına tek bir düz yoldan gitmez, ama parçacığın A'dan B'ye aynı anda olası her yoldan gittiği var sayılır. Yani bu demek olurki parçacığın hiçbir kesin geçmişi yoktur. Bu düşünce tarzının adı GEÇMİŞLER TOPLAMI'dır. Bunu akılda canlandırmak çok zordur, çünkü hayatımızda daha önce buna benzer hiçbirşey görmedik. Elektromanyetik dalgalarda da olduğu gibi hem parçacık hem de dalga özelliği aynı anda gözlenemez. 1924 yılında, maddenin bu özelliğini farkeden ilk kişi bir Fransız, Louis Victor De Broigle idi. Bir ışık fotonunun momentumunu p=h/l denklemi ile belirtmiştik. Burada 'p' momentum, 'h' Planck sabiti ve 'l' ise dalgaboyudur. Bu formül madde dalgaları için de geçerlidir. (Madde dalgaları genellikle De Broglie dalgaları diyemomentum <2yy.htm> isimlendirilir). Relativistik etkileri ihmal edersek, bir parçacığın 'unu m.V olarak gösterebiliriz. Burada 'm' cismin 133

ROJ ÇALIŞMA GRUBU

kütlesi ve 'V' ise hızıdır. Kırmızıyla yazılmış formülde içler dışlar çarpımı yaparsak aşağıdaki formülü elde ederiz:

l metre cinsinden, h joule cinsinden ve p ise kgm/s cinsindendir. Buradan, bir yargıya varabiliriz: Işık Dalgaları Foton Olduğu gibi Madde Dalgaları da Parçacıktır!

Dalga Gibi Davranan Elektronlar Bir elektron küçük bir parçacık ve yaklaşık olarak (me) = 9,11.10-31 kg 'lık bir kütleye sahip. De Broglie'nin hipotezinden de bildiğimiz gibi, elektronlar dalga özelliği göstermelidir. O zaman 192 x 10-19 Joule enerjiye sahip olan bir elektronun dalgaboyonu hesaplayalım (Burada bahis konusu olan enerji kinetik enerjidir <3xx.htm> ve verilmiş değer bir elektron için normal bir enerjidir). Momentumu bulmak için kinetik enerjiyi kullanacağımız bir formül düzenleyelim: (Relativistik olmayan hesaplamalar yapacağız)

Bilinmeyenleri denklemde yerine koyalım ve elektronun momentumunu hesaplayalım:

134

ROJ ÇALIŞMA GRUBU

Daha önce de açıkladığımız gibi, deneysel verilere dayanarak, ışığın girişim ve kırınım gösterdiğini söylemiştik. Birer parçacık olan elektronlar da girişim ve kırınım özelliği gösteriyor dersek, sakın şaşırmayın. Bir parçacık nasıl böyle işler yapar? Ne, nnnnne, ne yani, ne? Ne oluyor? Doğanın bu yüzünü, makroskopik dünyada, daha önce hiç görmedik ve bu sebeptn dolayı pek mantıklı gelmiyor olabilir. Bir Merminin Dalgaları Eğer kainattaki her maddenin bir dalga karakteri varsa, biz bunu neden farkedemiyoruz? Düşünün ki 0.0001 kg kütlesi olan bir mermimiz var ve 200 m/s gibi bir hızla yoluna devam ediyor. Merminin dalgaboyunu hesap edelim: l=h/p Elimizdeki verileri formüle yerleştirirsek, merminin dalgaboyunu 3.3 x 1032 m olarak buluruz. Galiba birşeyler gözlemek için bu dalgaboyu epey küçük. Örneğin; bu mermi bir delikten geçerken, kırınım etkilerini görmek istiyorsak, merminin geçeceği deliğin ebadı; mermiye eşlik eden dalganın dalgaboyu (3.3 x 10-32 m) ile kıyaslanabilir olmalıdır. ile kıyaslanabilir olmalıdır yani 3.3 x 10-32 m ile kıyaslanabilir olmalıdır. Acaba bir merminin bu büyüklükteki bir delikten geçmesi olası mıdır? Enerji Kesikliliğine Örnekler Doğada, bir olgu için belli enerji seviyelerinin olması, bize enerjinin kesikliliğini tanıttı ve Planck sabitini (h) denklemlerimize soktu. Mesela, Maxwel'in teorisine ışık göre devamlı dalgalar halinde geliyordu. Sonradan farkedildi ki ışık, küçük enerji paketleri halinde parça parça geliyordu. Ve bu da enerjinin kesikliliğini belirtiyordu. Atom dünyasında enerjiler kesiklidir. Bu demektir ki, sadece belli değerlere sahiptirler. Eğer atomik bir sistemdeki bir elektronun enerjisi düşerse sistem ışıma yapar (foton salar). Bu da muhtemelen görünür veya görünmez ışık seklinde olur. Bu salınan ışığın enerjisi, sistemin kaybettigi enerjiye eşit olmalıdır. Aşağıdaki resim. 135

ROJ ÇALIŞMA GRUBU

Eyüksek - Ealçak=h.f (Fotonun Enerjisi) Bir atom sadece belli karakteristik seviyelerde varolabilir ve buna da elektronlar karar verir. Bu seviyelere kuantum seviyeleri denir. Aşağıdaki grafikte gösterilen sodyum atomu, sadece belirli kuantum seviyelerine karşılık gelen enerji seviyelerinde bulunabilir. Elektronun enerjisi gösterilen seviyeler arasında olamaz. Sodyum atomu E2 ve E1 arasında geçiş yaparken, hep karakteristik sarı sodyum ışığı verir. Çünkü bu seviyeler arasindaki enerji farkı hep aynıdır. Bu yargı bize, enerjinin kesikliliğini tekrar açıklar.

Yeni araştırmalar gösterdi ki, enerjinin kesikli oluşu evrenseldir. Atomlar, çekirdekler, moleküller ve katılardaki elektronlar gibi bütün sistemlerde geçerlidir. Bu konu hakkinda birkaç cümlemiz daha var. Fotonlar bir yere çarpana kadar sürekli ilerlerler. Eger bir çarpışma olmazsa, enerjilerini ve özelliklerini hiç kaybetmezler ve önceden ne iseler, ayni sekilde yol almaya devam ederler. Kısaca; HİÇ BİR ZAMAN YOK OLMAZLAR! (BİLİM TEKNİK-2004)

**** 136

ROJ ÇALIŞMA GRUBU

KUANTUM FİZİĞİNE GİRİŞ VE UZAY Günlük hayatta sürekli ışık sözcüğünü duyarız, ama gerçekte bu ışık nedir? Şu andan itibaren ışık dediğimizde sadece görünür ışık değil, aksine tüm elektromanyetik spektrum <1x.htm>u düşünmelisiniz. Dalgalar nasıl olurda parçacık gibi davranır? Parçacıklar nasıl olurda dalga gibi davranır? Burada ışığın nasıl dalga özelliğini de gösterdiğini deneysel olarak görmeye çalışacağız.

Kuantum Fiziğinin Temel İlkeleri Kuantum fiziği, herhalde ününü olağanüstü derinlikteki öngörüleri ve bunların deneysel başarılarından çok, bu buluşların dayandığı temellerin şaşırtıcılığına borçlu. Aslında deneylerin tutarlı biçimde doğrulamasına karşın, atomaltı ölçekte geçerli yasaların, kuralları, ilkeleri, bizim alışık olduğumuz makrodünyanın mantığıyla kavramak hayli güç. Biz kesinlikle aramaya koşullanmışız; oysa kuantum fiziği, evreni yönetenin belirsizlik olduğunu, hatta yaşamımızı bu belirsizliğe borçlu olduğumuzu söylüyor. Biz sanırız ki, bir şey ya vardır ya da yoktur. Oysa Schrödinger'in hayalindeki zavallı kedi biliyor ki, hem yaşamla hem de ölümle iç içe. Makro dünyanın "anayasası" genel görelilik kuramına göre hiçbir şeyin hızı, ışık hızını aşamaz. Oysa kuantum kuramına göre "dolanık" parçacıklar evrenin bir ucundan ötekine "telepati" bağı kurabiliyorlar. Yeni oluşan düşüncelere göre, aslında bu mikro ve makro dünyalar ayrımı temelden yanlış. Bizim günlük yaşamımızı da en derinde bu belirsizlikler, gariplikler belirliyor Bir kuantum sisteminin bazı özellikleri, örnegin bir parçacığın konumu ve momentumu aynı anda istenen kesinlikte belirlenemez. Yani bir parçacığın konumundaki belirsizlikle momentumundaki belirsizliğin çarpımı hiçbir zaman belli bir değerden küçük olamaz. Dolayısıyla biri kesin olarak ölçülürse diğerindeki belirsizlik sonsuz olur. Örneğin parçacığın konumunu kesin olarak belirlersek momentumu hakkında hiç bir fikrimiz olamaz; momentumunu kesin olarak belirlersek; bu kez parçacığın nerede olduğu hakkında hiç bir fikrimiz olamaz. Bir kuantum sistemi aynı anda birden fazla durumda olabilir. Yani bir elektron, uzayda birden fazla konumda veya birden fazla enerji durumunda bulnabilir. Sağduyuya aykırı görünen ve anlaşılması en zor ilkelerden biridir. "Schrödinger'in Kedisi" örneğinde olduğu gibi kedinin 137

ROJ ÇALIŞMA GRUBU

aynı anda hem canlı hem de ölü olması gibi kabul edilmesi güç sonuçlara yol açmaktadır. Birçok fizikçiye göre üstüste gelme ilkesi, sadece makroskobik sistemler için geçerlidir. Parçacıklar ve alanlar uzun süre farklı olgular olarak kabul edildiler. Kuantum alanlar kuramı, parçacıkların kuantum alanlarının temel kuantumları olduklarını gösterdi. Örneğin fotonlar elektromanyetik alanın, elektronlar bir elektron alanın, kuarklar bir kuark alanın kuantumlarıdır. Enerji Tablosu Tablo elektromanyetik spektrumdaki değişik bölgelere ait fotonların dalgaboyu, frekans ve enerji kıyaslamalarını yapmaktadır. Frekans Fotonun bölgesi Dalgaboyu Foton Enerjisi (Hz) Radyo Dalgası 1km 3x105 1 neV Mikrodalga

1 cm

Kızılötesi

10 µm

3x1010 13

3x10

120 µeV 120 meV

14

Görünür 550 nm 5x10 2 eV 15 Ültraviyole 100 nm 3x10 12 eV 18 X-ışını 0.05 nm 6x10 25 keV Gama ışını 0.00005 nm 6x1021 25 MeV Tablodaki birimler birbirlerinden farklıdır. Bu birimlerdeki ön ekler <2yy.htm> ile ilgili bilgiyi, sitemizin ekler bölümünde bulabilirsiniz. Böylelikle ' meV ' (micro electronvolt) veya ' nm ' (nanometer) gibi yazımların ne anlama geldiğini öğrenmiş olursunuz. Fotonlar Bilim adamları, ışığın bir tür elektromanyetik dalga olduğunu düşünüyorlardı ve içleri rahattı; ta ki Max Planck bazı deneylerinde ışığın tanecikmiş gibi davrandığını farkedinceye dek. Işık sanki devamlı dalgalar değil de, enerji paketcikleri gibi geliyordu. Einstein ve Planck bu enerji paketlerini ışık quantumu veya foton olarak adlandırdılar. Fotonlar sanki birer parçacıklarmış gibi davranıyordu. Relativite teorisine göre, bir parçacığın ışık hızında gidebilmesi için kütlesinin sıfıra eşit olması gerekiyordu! Demek ki ışığın enerjisi sadece kinetik enerjiydi; kütlesinden kaynaklanan hiçbir enerjisi yoktu. Einstein o güne dek açıklanamamış olan fotoelektrik olayını bu kavramla açıkladıktan sonra, bilim adamlarının ağızında yeniden 'ışık nedir?' sorusu gündeme gelmişti. 138

ROJ ÇALIŞMA GRUBU

Eğer ışık dediğimiz olgu parçacıklardan oluşuyorsa, frekans veya dalgaboyunun ne anlamı var acaba? Aslında sorulması gereken en iyi soru: "ışık gerçekten nedir?" Cevap: 'Hem dalga, hem parçacık!' Işığın bazı özellikleri sadece dalga konsepti ile açıklanırken (girişim veya kırınım gibi), bazı özellikleri ise sadece foton konsepti ile açıklanabiliyor (Fotoelektrik olay veya atomların enerji soğurması ve salması gibi). Kozmik Işınlar Dış uzaydan gelen radyasyonlardır. Elektromanyetik Spektrumdaki en kısa dalga boyuna sahiptirler. Gama Işınları Bunlar atom çekirdeğinden gelen radyasyonlardır ve genelde çekirdekteki anlık değişimlerden sonra yayılırlar (radyoaktivite). Bir atom çekirdeğinin çapından daha küçük dalga boylu dalgalar içerirler. X-Işınları Kaynaklar: lambalar, x ısını tüpleri ve metal bir hedefe çarpan hızlı elektronlardır. X ısınları yumuşak maddelerin içine nüfuz ederler. Ultraviyole Işınlar Kaynaklar; lambalar, gaz deşarjları ve de yıldızlardır. Kısa dalga boylu morötesi ışınlar zararlı olabilirler. Görünen Işık Işık diye hitap edilen elektromanyetik spektrumun bu küçük bölümünü insan görebilir. Bu bölümde mor ile başlayan ve kırmızıyla biten renkler vardır. Kızılötesi Işınlar Bütün sıcak ve soğuk maddeler tarafından oluşturulurlar. Atomlar tarafından emildiklerinde maddeyi ısıtırlar, onun için de ısı radyasyonu da denir. Mikrodalgalar Radarlarda kullanılan çok kısa dalgaboyuna sahip radyo dalgalarıdır. Aynı zamanda mikrodalga fırınlarda ve kablo gerektirmeyen uzak mesafe iletişimlerde kullanılır. Radyo Dalgaları 139

ROJ ÇALIŞMA GRUBU

Bunların kaynakları elektrik osilasyonlarıdır. Telefon, televizyon ve radyoda bağlantı kablosu gerektirmeden kullanılır.

Kuyruklu Yıldızlar Kuyrukluyıldızlar Güneş'in çevresinde dönen , kirli dev kartoplarına benzerler ve genellikle onları keşfeden insanların adlarıyla anılırlar . Gezegenlerden çok farklıdırlar . Yörüngeleri çok basık olduğundan zamanlarının büyük bir kısmını Güneş'ten uzakta geçirip çok kısa bir süre için Güneş'e yaklaşırlar . Güneş'e yaklaştıklarında ısınıp eridikleri için gaz ve tozdan oluşan bir kuyruğa sahip olurlar . Bazı kuyrukluyıldızların yörüngeleri çok eğimli olduğundan binlerce yıl boyunca Güneş sisteminin diğer üyelerinden çok aşağıda veye çok yukarıda bulunabilirler . Çoğu kuyrukluyıldızın çapı 10 km'den küçüktür ama bunlar Güneş'e yakın olduklarında çıplak gözle kolayca görülebilirler . Genellikle dağınık , puslu ışık lekeleri olarak gözlenirler . Ara sıra , çok parlak bir kurukluyıldız , uzun , gümüş renkli kuyruğuyla göğü boydan boya geçerek ışıldağa benzer bir görüntü sergiler . Bir kuyrukluyıldızın , Güneş çevresindeki dolanma süresine o yıldızın periyodu denir . Dolanma süreleri 3.3 ile 150 yıl arasında olanlar periyodik kuyrukluyıldızlardır . Dolanmaları binlerce yıl sürebilen diğerleri periyodik olmayanlar diye adlandırılır . periyodik olmayanların ne zaman görüneceğini bilmek olanaksızdır . İngiliz astronom Edmund Halley 1682 yılında gördüğü kuyrukluyıldızı , 1531 ve 1607 yılında ( 76 yıl arayla ) görülenlere benzer özellikler gösterdiğini fark etti . Her gelişinde yeni bir kuyrukluyıldız olarak kaydediliyordu . Halley bunların aynı kuyrukluyıldız olduğunu anladı ve yeniden 1758 'de görüneceğini tahmin etti . Gerçekten Halley'in 1742 'deki ölümünden 16 yıl sonra kuyrukluyıldız yeniden göründü.

Kara Delikler Karadelikler Güneş'imizden 8-50 kat büyük kütleli yıldızların çökmesiyle oluşur.Wolf-Rayet türü bu yıldızlar ancak birkaç milyon yıl yaşıyorlar ve kısa ömürleri süresince dış katmanlarının bir kısmını güçlü rüzgarlarıyla uzaya saçıyorlar . Merkezlerindeki hidrojen yakıtı demire kadar evrilip çekirdek tepkimeleri durunca dengelenemeyen muazzam kütle çekimi nedeniyle yıldız çökerek bir karadelik oluşturuyor. Karadeliğin ' tekillik ' denen merkezi içinde bildiğimiz bildiğimiz fizik kurallarının geçerliliğini yitirdiği , matematiksel bir nokta büyüklüğünde sonsuz yoğunlukta bir uzay bölgesi . İçinden ışığın bile kaçamayacağı kadar güçlü 140

ROJ ÇALIŞMA GRUBU

bir kütleçekim alanının oluşturduğu 'olay ufku ' ile çevrili . On Güneş kütlesinde bir karadeliğin olay ufku çağı yalnızca 60 km'dir . Yıldız kökenli karadelikler dışında , bir de hemen hemen tüm büyük gökadaların merkezine yerleşmiş gerçek devler bulunur . Gökadalar oluşurken merkezdeki büyük gaz kütlelerinin çökmesiyle oluşan bu ' Süper Kütleli Karadelikler ' , milyonlarca hatta milyarlarca Güneş kütlesine sahiptirler . Bizim gökadamız Samanyolu'nun merkezinde de böyle dev bir karadelik bulunuyor . Ancak ötekilerden daha alçak gönüllü boyutlarda . Yalnızca 3 milyon Güneş kütlesi kadar !... Böylesine büyük bir kütlenin uzayda kapladığı alansa Güneş Sistemi'nin boyutlarını aşmıyor . Gökada merkezlerindeki süper kütleli kara delikleri de doğrudan göremiyoruz. Bunları da gene yolaçtıkları etkilerle saptayabiliyoruz . Samanyolu'nun merkezine baktığımızda gaz ve toz bulutlarıyla yıldızların çok büyük hızlarla döndüklerini gözlemliyoruz . Bu hızla dönen cisimlerin uzaya saçılmaması için merkezde çok büyük bir kütleli cismin bulunması gerekiyor . Fizik kurallarına göre böylesine büyük kütleler karadeliklerden başka hiçbir cisimde bulunamaz.

Kahverengi Cüceler Eğer baryon kökenli maddenin bir bölümü ölü yıldızlar biçimindeyse , diğer bölümü de hiçbir zaman yıldız olmayı başaramamış cisimler biçimindedir . Kahverengi cüce adı verilen cisimlerin kütleleri öylesine küçüktür ki , merkezlerindeki sıcaklık hiçbir zaman nükleer reaksiyonları başlatacak ölçüde yükselemez. Kütleleri 0.08 M. 'nden küçük olan cisimler ki bunun içinde dev gezegenler de vardır - nükleer enerji üretmedikleri için ışık vermezler . Bununla birlikte yavaş yavaş büzülmekte olduklarından az miktarda kütle çekim enerjisi üretirler . Örneğin , Jüpiter'in çekirdek bölgesi her yıl birkaç milimetre büzülmektedir . Gerçekte bu gezegen kızıllötesinde ışımakta ve Güneş'ten almakta olduğundan yüzde elli oranında daha fazla enerji yaymaktadır .Astronomlar kahverengi cüceleri iki tür yerde ararlar . Bir çift yıldız sisteminde küçük kütlerli bir eşin varlığı büyük kütleli yıldızın , sistemin kütle merkezi çevresinde bir yörünge çizerek dolanmasına neden olur . Yakın sistemlere bu hareket , ya saniyede birkaç metrelik bir Doppler kayması biçiminde , ya da ışık kaynağının bir açı saniyesinden daha küçük bir hareketi biçiminde saptanır . Bununla birlikte , yakın yıldızların hem taysal hem de astrometri ölçümlerinden henüz hiç kahverengi cüce saptanamadı . Diğer bir yaklaşım , hala kızılötesi kaynak olarak görülebilir olan serbest kahverengi cüceleri yakındaki , göreceli olarak genç yıldız topluluklarında aramak olaibilir . Yüzey sıcakılğının düşük olmasından dolayı kahverengi cücenin ürettiği enerji ancak 141

ROJ ÇALIŞMA GRUBU

kızılötesinde görülebilir . Kızılötesinde ışınım yapan başka tür yıldızlar da vardır . Bu nedenle kızılötesinde ışınım yapan bir cismin kahverengi cüce olup olmadığı anlamanın yolu , cismin Hertzsprung-Russell diyagramındaki yerine bakmaktır . Eğer bu cismin yeri hidrojen yakılan ana kolun alt ucundaysa , o zaman kahverengi cücedir . Bugüne kadar Güneş sisteminin dışında , pulsarların çevresinde dönmekte olan gezegen-kütleli iki cismin hariç , güçlü bir yıldız-atlı kütleli cisim adayına rastlanmamıştır . Ama eğer teoriye biraz olsun inanıyorsak , bütün gözlem çabalarının boş çıkmasına karşın , kahverengi cücelerin sayısının oldukça yüksek olması gerekir . Neden parçalanan yıldızlararası bir bulutun en küçük parçası hidrojen yakan bir yıldız büyüklüğünde olsun ?

Nötron Yıldızları Büyük kütleli yıldızlar , ana kol üzerinde göreceli olarak az zaman harcarlar . Kütlesi 15 M. kadar olan bir yıldız ana kol üzerinde 10 milyon yıl , kütlesi 30 M. kadar olan bir yıldız ise yalnızca bir milyon yıl geçirir . Büyük kütleli yıldızların evrimleri hızlı olduğundan , helyum çekirdek çökerek yeniden nükleer reaksiyonları başlatıp yıldız kırmızı deve dönüşürken , dış kabukta hidrojen yanması için çok az zaman kalır . Helyum tüketildiğinde çekirdek yeniden çöker ve üç helyum çekirdeğinin kaynaşarak bir karbon çekirdeğine dönüştüğü üçlü alfa sürecini başlatır . Sonunda çekirdek , karbonu da yakarak oksijene dönüştürecek kadar ısınır : bu arada çevrede helyum yakan bir kabuk da vardır ve yıldızın dış katmanarı genişleyerek bir kırmızı süperdev oluştyrmuştur . Çekirdek , sıcaklığı 1 milyar derece Kelvin'e ulaşıncaya kadar yanmaya devam eder . Füzyon aksiyonları sonucunda gittikçe daha ağır elementler üretlir ve sonunda çekirdek tümüyle demire dönüşür . Demir , füzyon reaksiyonlarının son halkasıdır ; demirden daha ağır elementlerin sentezi sonucunda dışarıya enerji verilmez , tam tersine ortamdan enerji alınır . Demir çekirdek tüm füzyon (kaynaşma) ve fisyon (parçalanma) reaksiyonlarında endotermiktir (dışarıdan enerji alır) . Bu noktadan sonra , dışarıdan enerji sağlanmadıkça hiçbir nükleer süreç oluşamaz . Isı kaçarken çekirdek büzülür ve sıcaklık 1 milyar Kelvin'i aşar . Çekirdeğin kütlesi 1.4M. 'ni aştığı an , artık dejenere elektron basıncı da çökmeyi önleyemez . Çekirdek çöker ve atomların ötesinde atom çekirdeklerinin sıkıştırıldığı , maddenin çok daha yoğun olduğu bir duruma girer . Bu durumda protonlar , elektron yakalayarak nötronlara dönüşürler . Aynı zamanda maddeyle çok zayıf biçimde etkileşen ve bu nedenle de yıldızdan hemen hiç engellenmeden kaçabilen karşı nötrinolar biçiminde enerji yayınlanır . Enerji kaybı , yalnızca nötronlardan meydanma gelen dev bir atom 142

ROJ ÇALIŞMA GRUBU

çekirdeğinin oluşumunu hızlandırır . Nötron yıldızı çekirdek yoğunluğuna kadar sıkıştırılmış olup dejenere nötron basıncı , tarafından daha fazla çökmesi önlenen bir gaz küresidir . Dejenere nötron basıncı , nötronlar birbirine değecek kadar sıkıştırıldığında ortaya çıkan kuantum mekaniksel bir basınçtır . Ortaya çıkan nötron yıldızının yarıçapı yaklaşık 1 kilometre ve yoğunluğu da yaklaşık santimetreküpte 1 milyar tondur . Yıldız çekirdeğinin çökmesi , kırmızı süperdev evresindeki yıldızın dış katmanlarını büyük bir hızla dışarıya fırlatan bir şok dalgası oluşturur . Bu bir süpernovadır . Kalıntı nötron yıldızı çok sıcak olup x-ışınları yayar . Sıcaklığını koruyacak bir enerji kaynağı olmadığından yavaş yavaş soğur . Birkaç milyon yıl sonra en azından termal enerji bakımından gözden kaybolurr . Karanlık maddeye dönüşür.

Göktaşı Yağmurları Güneş sistemi içinde çok değişik yörüngelerde dolaşan her türlü kaya parçasına göktaşı denir. Örneğin; bir kuyruklu yıldız Güneş etrafında dolaşırken tamamen parçalandığında geriye kalan katı küçük çekirdeği ve yine bu bozulma ve parçalanma süreci sırasında açığa çıkmış toz parçacıkları ayrıca parçalanmış Apollo türü küçük gezegen artıklarına göktaşı denir. Boyutları 10 km çaplı kaya parçalarından başlar, 1 Mikron büyüklüğündeki toz parçalarına kadar değişir. Göktaşlarının büyük olanlarının kökeni küçük gezegenler, küçük olanların kökeni is kuyrukluyıldızlardır. Eğer uzayda bol miktarda bulunan bu göktaşlarının yörüngeleri Yer yörüngesi ile kesişirse, göktaşı büyük bir hızla (12-72 km/sn) Yer atmosferine girer. Meydana gelen sürtünme ile göktaşı ısınır ve ışık saçmaya başlar. Bu olaya, kayan yıldız adı verilir. Özellikle açık yaz gecelerinde her insanın gördüğü hatta niyet tuttuğu bu olayın aslında uzaydaki yıldızlarla bir ilişkisi yoktur, bu olay bize çok yakın bir konumda, Yer atmosferinde meydana gelir. Yer'den yaklaşık 120 km yukarıda ışık saçmaya başlayan göktaşlarının çoğu 60 km yukarıda yanıp biter. Bunlar boyutları çok küçük olanlardır. Eğer göktaşı yeteri kadar büyükse Yer yüzüne kadar ulaşabilir. Böyle büyük olanlar gök yüzünde çok daha fazla ışık saçtığı için bunlara ateş topu denir. Yer'e ulaşan gök taşlarının sayısı çok azdır. Yılda 2-3 tane tuğla büyüklüğünde göktaşı bulunmaktadır. 1972 yılında ağırlığı yaklaşık 1000 ton olan bir göktaşı Yer atmosferine hafifçe değerek yoluna devam etti. Eğer bu göktaşı dünyamıza çarpsaydı, bir nükleer bombanın patlamasına eş bir enerji açığa çıkardı ve bir çok canlının ölümüne neden olabilirdi. Yer tarihinde böyle büyük çarpışmalar olmuştur ve bu çarpışmalar sonucu oluşan kraterlerden bazıları hala şekillerini 143

ROJ ÇALIŞMA GRUBU

korumaktadır. Böyle büyük çarpışmaların çok seyrek olduğunu söyleyebiliriz. Yer'e ulaşabilen göktaşları yandığı için siyahtır ve atmosferde gazla sürtünmesinden dolayı da yüzeyi cilalanmış gibi düzdür. Yılın belirli gecelerinde kayan yıldızların sayısı çoğalır. İşte bu olaya göktaşı yağmuru adı verilir. Eğer her kayan yıldızın ışığının gök yüzünde yıldızlara göre izlediği yol, bir gök atlası üzerine çizilirse, tüm bu yolların bir noktada kesiştiği görülür. Yani o gece, tüm göktaşlarının gök yüzünde bir noktadan geliyormuş izlenimini verir. Bu noktaya saçılma (radyan) noktası denir. Aslında hepsi birbirine paralel yörünge izleyen göktaşları atmosfere girmektedir. O geceki akan yıldız yağmuru bu saçılma noktasının bulunduğu takımyıldızın adı ile anılır. Örneğin; Perseid, Leonid göktaşı yağmuru gibi.

Astronomi Tarihi Astronomi, gök cisimlerini ve gök olaylarını inceleyen bilim dalıdır. 2000-3000 yıl önce günlük yaşamın bugünkü kadar karmaşık olmadığı düşünülürse, insanlar gece gökyüzüne daha çok bakma imkanı bulabilmişlerdir. Dikkatlerini çeken her şeyi kafalarında biriktirmişler, kayalara işlemişler, çocuklarına anlatmışlardır. Bize ise onların kaydettikleri bilgiler kalmıştır. Gökyüzü eski tarihlerde farklı görünümlerde olmuş olabilir. Örneğin; Sirius (Akyıldız) yıldızının günümüzde çok zor görülen ileşeni Sirius B, Afrika’da bir kavim tarafından kayalara tarihin ilk çağlarında işlenmiştir. İnsanların ilk ortaya çıktığı tarihlerde Güneş’imiz ise kırmızı, Dünya’nın atmosferi kalın, Dünya daha sıcak, her taraf volkanlar ve sıcak sularla kaplı idi. Atmosfer daha kalın olduğundan gökyüzü kapalı, bulutlu ve açık olduğunda bile net bir gökyüzü yoktu. Bu yüzden gökyüzünde bugünkünden daha farklı bir gökyüzü vardı. Eski tarihlerde gökyüzünden yol ve yön bulmada yararlanılıyordu. Gök cisimlerinin zamanla konumlarını karşılaştırıp, yıldızları gruplara ayırıp bir takım cisim ve hayvanlara benzetmişlerdir. Bu tür gözlemler insanların yaşamına kolaylık sağladığı için onlardan yararlanma yoluna gitmişlerdir. Örneğin; İpek Yolu’nda, gece kervanlar yolculuk yaparken yollarını kaybetmemek için gökyüzündeki parlak cisimlerin konumlarından faydalanmışlardır. Öncelikle zaman ve konum belirlemede insanlara gökcisimleri yararlı olduğundan astronomi gelişmiştir. Eski tarihlerde insanlar bunun için sadece duyu organlarını kullanmışlar, daha sonra yani 1610 yılına gelindiğinde teleskobun kullanılmasıyla bilgi birikimi artıyordu. Son 144

ROJ ÇALIŞMA GRUBU

yıllarda ise farklı dalga boylarında dedektörlerin yapılması ve kullanılması ile astronomi gelişiminin hızı daha da artmıştır. Atmosfer dışı gözlemlerin başlamasıyla bilgi birikimi çok yüksek seviyeye ulaşmıştır. Takvim kavramı da o dönemlerde ortaya çıkmıştır şöyle ki; insanlar o dönemlerde Güneş’in ve Ay’ın ufukta farklı yerlerden doğup battıklarını keşfetmişler ve bu gökcisimlerinin düzenli olarak değişiminden yararlanmışlardır. Mevsimsel değişimin,sıcaklık değişiminin bir yıllık dönemle değiştiğini buluyorlar, yaşamlarını Ay’a göre planlayıp, onu saat ve takvim olarak kullanıyorlar. Doğa koşullarının özellikle mevsimlerin Ay’la bir ilişkisi olmdığını, Güneş’le bağlantılı olduğunu görüyorlar. Ay’a bağlı takvimi bırakıp Güneş’e bağlı takvimler kullanıyorlar. Hatta bazen yıldızları da takvim olarak kullanıyorlar. Örneğin; Eski Mısır’da Nil Nehri taşmaya başladığında Akyıldız’ın en iyi görüldüğü konumda bulunduğunu tespit etmişlerdir. Günümüzde astronomi bilgisine pek ihtiyaç duymuyoruz. Uzak geçmişte günlük yaşantıda astronomi bilgisine özellikle ticaret hayatında gece yolculukları sırasında yön bulmada ihtiyaç duyulmuştur. Yaşanılan yerleşim merkezlerinin fazla aydınlatılmadığı dönemlerde gökcisimleri daha parlak, daha canlı gözlenebilmektedir. M.Ö. 3000 – M.Ö. 600 Yılları Arasındaki Astronomi Çalışmaları ESKİ ÇİNLİLER : ( M.Ö. 3000 – M.Ö. 600 ) Eski Çinliler’de medeniyet oldukça ileri bir seviyedeydi. Şöyleki; Türkler’ den korunmak için Çin Seddi’ni yapmışlardır. Ay’ın ve Güneş’in görünür hareketlerini çok sağlıklı saptamışlar. 1 yılın 365.25 gün olduğunu biliyorlarmış ve buna göre takvim yapmışlar. Tutulmaları gözlemlemişler ve nedenlerini doğru olarak yorumlamışlar, bunların dönemli olduğunu görmüşler. Ay ve Yer’in yörünge hareketlerini belki de biliyorlardı. Süpernova, nova patlamalarını kaydetmişler. Günümüzde bu kayıtlardan yararlanarak yıldız evrimi modelleri denetlenmektedir.

Merkür Güneş'e en yakın gezegen Merkür'dür . Ortalama Merkür-Güneş uzaklığı 57.9 milyon kilometredir . Merkür çok küçük bir gezegendir . 4878 kilometrelik çapıyla Güneş sisteminin en küçük ikinci gezegenidir . Yörüngesi Güneş'e yakın yakın olduğundan Merkür , gökyüzünde her zaman Güneş'e yakın olarak görülür . Yani Merkür'ü , yalnızca gündoğumundan hemen önce ya da günbatımından hemen sonra 145

ROJ ÇALIŞMA GRUBU

görebiliriz . Çıplak gözle Merkür , ufka yakın , parlak bir yıldız gibi görünür .Teleskopla bakıldığında ise Merkür'ün , tıpkı Ay'ın küçük bir kopyası gibi , ince bir hilalden tam bir diske kadar şekil değiştirdiği görülebilir . Güneş'e çok yakın olduğundan , gündüz vakti Merkür'deki sıcaklık 423 C 'ye kadar çıkar ; ama Güneş battığı zaman sıcaklığın -183 C'ye kadar indiği olur . Bazı uzmanlar Güneş'e bu kadar yakın olmasına karşın Merkür'ün yüzeyinde hala buz bulunabileceğini düşünüyorlar . Bu buz , gezegenin kutuplarına yakın bölgelerde bulunan derin kraterlerin dibinde gizlenmiş olabilir . Bu kraterler , diplerine güneş ışığının ulaşamayacağı kadar derin olabilirler . Dünya'dan teleskoplarla bakıldığında yüzey şekilleri açıkça görülemiyorsa da Mariner 10 adlı uzay sondası Merkür'ün atmosfer ve suyun bulunmadığı ölü bir gezegen olduğunu saptadı . Gezegenin kayalık yüzeyi tümüyle keskin kenarlı kraterlerle kaplıdır. Merkür'ün astronomlarca ilginç bulunmasının nedenlerinden biri de iç yapsıdır . Mariner 10 uzay sondasında bulunan araçlar ,yüzeyin altında ne bulunduğunu incelememizi sağladı .Sonuçta Merkür'ün ince kabuğunun altında büyük , metal bir çekirdeği olduğu anlaşıldı . Boyut ve ağırlık olarak Merkür'ün yaklaşık %70 'ini , çapı 3600 km'yi bulan dev metal çekirdek oluşturur. Oysa Sünya , Mars ve Venüs'ün çekirdekleri küçük , kabukları kalındır.

Venüs Güneş'e en yakın ikinci gezegen olan Venüs , Güneş'ten ortalama uzaklığı 108 milyon kilometre olan bir yörüngede dolanır .Yılın belirli dönemlerinde güneş doğmadan hemen önce ya da battıktan sonra çıplak gözle rahatlıkla görülür .Pek çok kimse ona Sabah ya da AkşamYıldızı der.Yörüngesinde dolanırken Dünya'ya en yakın konuma geldiğinde Güneş ve Ay'dan sonra gökyüzündeki enparlak cisimdir .Işığı bazen gölgeler oluşturabilir .Dünyanın en güçlü teleskobuyla bile Venüs'ün üzerinde yüzey şekilleri görülemez . Bunun nedeni gezegenin yüzeyinin çok kalın bir atmosfer tabakası ile kaplı olmasıdır. Büyük bir kısmını karbon dioksitin oluşturduğu bu atmosfer öylesine yoğundur ki gezegenin yüzeyini büyük bir kuvvetle bastırır . Atmosferi nefes almaya uygun olmadığından , atmosferin çok yüksek basıncı nedeniyle ezilebileceğinden ve gökyüzünden yağan sülfürik asitten yanabileceğinden ,büyük olasılıkla hiçbir insan Venüs'ün yüzeyine ayak basamayacaktır. Venüs'ün parlaklığının nedeni de atmosferidir . Bulutlar dev bir ayna gibi davranarak Güneş'in parlak ışıklarını gerisin geriye uzaya yansıtır. Her ne kadar Güneş'e Merkür'den daha uzaksa da , Venüs daha sıcaktır. Bunun nedeni de ısının , bulutlarda tutulması sonucunda tıpkı serada olduğu gibi , sıcaklığın yükselmesidir. Bu nedenle bu etkiye sera etkisi adı verilir. Bilim adamları , insan yapısı gazların atmosfere karışarak aynı etkiyi Dünya'da da oluşturacağından 146

ROJ ÇALIŞMA GRUBU

endişe ediyorlar. Venüs çok yavaş döner. Hatta kendi çevresinde dönmesi (243 gün) , Güneş çevresinde dolanmasından (224 gün) uzun sürer. Bu nedenle bir Venüs günü , bir Venüs yılından daha uzundur. Venüs yalnızca yavaş dönmekle kalmaz , aynı zamanda Dünyamız ve diğer gezegenlerin dönüş yönüne ters yönde döner. Eğer Venüs'te olsaydınız Güneş'in batıdan doğup doğudan battığını ve gökyüzünde çok yavaş ilerlediğini görecektiniz. Venüs'ün lav kaplı yüzeyinde çok sayıda bulunan kraterler diğer gezegenlerdekinden farklı görünür . Venüs 'ün çok yoğun olan atmosferi , gezegene çarpan cisimlerin hızını azalttığı için , bu cisimler yüzeye daha düşük hızlarla çarpar ve daha alçak duvarlı kraterler oluşturular.

Dünya Dünya , Güneş sisteminde üzerinde yaşam olan tek gezegendir. Ortalama 149.6 milyon kilometre olan Dünya-Güneş uzaklığı yaşam için çok uygundur. Bu uzaklık , Dünya'nın yüzeyinin , suyun sıvı halde bulunabileceği kadar ılık olması demektir. Eğer sıcaklık daha yüksek olsaydı su buharlaşabilir , daha düşük olsaydı donabilirdi. Aynı zamanda Dünya'nın solunabilir bir atmosferi vardır. Solunabilir atmosfer ve sıvı halde bulunan su , Dünya'da yaşamın ortaya çıkması ve gelişmesi için vazgeçilmez olan iki öğedir. Uzaydan Dünya'nın atmosferi , gezegenimizi saran mavi renkli ince bir tabaka olarak görünür. Atmosferde %77.6 oranında azot , %20.7 oranında oksijen bulunur. Atmosferin kalanını çok az miktarlarda bulunan diğer gazlar oluşturur. Dünya'nın atmosferindeki oksijen , tüm gezegenlerdekilerden çoktur. Yaşam için en önemli gaz oksijendir. Güneş ışınlarının bir bölümü Dünya'daki yaşam için zararlıdır. Ozon tabakası bir filtre görevi yaparak zararlı ışınları süzer. Bilim adamları , insan yapısı kloroflorokarbon (CFC) gazlarının ozon tabakasına zarar verdiğini ve kutup bölgelerinde ozon tabakasında incelmelr oluştuğunu saptadılar. Eğer bu gazların kullanımına son verilmezse , ozon tabakası daha da incelecek ve yeryüzüne ulaşan zararlı güneş ışınları nedeniyle kanser hastalıklarında artış gözükecek. Atmosfer tabakasının altında kabuk olarak bilinen ve üzerinde yaşadığımız katı bir yüzey vardır. Bu kabuğun bölünmüş olduğu küçük levhaların hareket etmeleri ve birbirlerini itmeleri sonucunda dağlar ve diğer yüzey şekilleri ortaya çıkar. Levhaların hareketleri depremlere neden olur. Dünya'nın , ortalama 376.284 kilometre uzaktaki yörüngesinde dolanan tek bir uydusu vardır. Latince adı Luna olan bu uydunun dilimizdeki adı Ay'dır. Dünya'nın kütleçekim kuvveti zamanla Ay'ın kendi ekseni etrafındaki dönüşünü yavaşlatmıştır . Ay'ın kendi ekseni etrafındaki dönme ve Dünya çevresindeki dolanma süreleri birbirine eşittir . İşte bu "eşzamanlı dönme" nedeniyle biz Ay'ın yalnızca bir yüzünü görürüz . Ay'ın arka yüzünü sadece uzay sondaları ve 147

ROJ ÇALIŞMA GRUBU

astronotlar görmüştür. Ay'ın kendisi nasıl oluşmuş olursa olsun , yüzeyindeki kraterlerin gökcisimlerinin çarpması sonucunda oluştuğunu bilyoruz. Ay'daki bazı kraterler Güneş sistemindeki en büyük kraterlerdir. Bunlardan bazılarını çıplak gözle bile görebilirsiniz . Bazı gökcisimlerinin Ay yüzeyine çok şiddetli çarpmalarından dolayı kabuk kırıldı , aşağıdan yükselen lavlar yayılarak yüzeyi kapladı . Sonradan soğuyup sertleşen bu lav ovaları karanlık renkleriyle hemen belli olur .Bu düzlüklere "deniz " adı verilir.

Mars Dünya'nın yarısı büyüklüğünde olan Mars , Güneş'e yakınlıkta dördüncü gezegen olup bazı bakımlardan Dünya'ya benzer. Mars'ta da mevsimler vardır. Mars günü Dünya gününden yalnızca bir saat uzundur. Ama Güneş'e olan ortalama uzaklığı 227.4 milyon kilometre olduğundan yüzey sıcaklığı ortalama -28 C 'dir. Ayrıca bir Mars yılı 687 gün sürer. Çıplak gözle Mars parlak , kırmızımsı bir yıldız gibi görünür. Mars'ı yuvarlak bir cisim olarak görmek ve bazı yüzey şekillerini seçebilmek için teleskop kullanmak gerekir. Mars'ın teleskopla ilk gözlemleri 1659 yılında Huygens tarafından yapıldı. 19. Yüzyılda astronomlar , Mars yüzeyinde boyut ve parlaklıkları mevsimlere göre değişen karanlık ve belli belirsiz bölgeler gördüler. Bazı astronomlar bunu Mars yüzeyinde yaşam bulunduğunu kanıtlayan bitki örtüleri olarak yorumladılar. Mars'taki kayalık düzlükleri baştan başa kıvrılıp bükülerek geçen kurumuş nehir yatakları , Mars'ın ikliminin bir zamanlar daha sıcak ve atmosfer basıncının da suyun yüzeyde serbestçe akmasını sağlayacak kadar yüksek olsuğunu gösteriyor. Belki de bilinmeyen bir olay Mars'ın atmosferinin uzaya kaçmasına ve demirce zengin olan toprağın pas rengi almasına neden oldu. Asaph Hall 1877'de Mars'ın iki uydusunu keşfetti . Viking'lerden çekilen fotoğraflar bize daha ayrıntılı bilgi sağladı : 27 x 22 x 28 km boyutlarındaki Phobos , gezegenin yüzeyinden 6000 km yüksekte dolanıyor. Yüzeyinde derin çizgiler bulunan Phobos'un 5 km çapında ve Stickney adı verilen bir krateri var . Yüzeyden 20.000 km yüksekte dolanan Deimos'un boyutları ise 15 x 12 x 10 km. Bunların Güneş sisteminin başka bölgelerine ait oldukları ve Mars'ın kütleçekimine yakalanmış olabilecekleri düşünülüyor.

Jüpiter Güneş sistemindeki en büyük gezegen olan Jüpiter Güneş'e yakınlık bakımından beşincidir. Jüpiter'de her şey büyüktür. 16 uydudan oluşan ailesiyle minik bir Güneş sistemine benzer. 143.884 km'lik çapı Dünya'nın çapının 11 katıdır. Jüpiter çıplak gözle bakıldığında parlak bir yıldıza 148

ROJ ÇALIŞMA GRUBU

benzer. Çok büyük olduğundan , küçük bir teleskopla bile açık-koyu renkli bulut şeritleri ve Büyük Kırmızı Leke görülelebilir. Çok küçük olan katı çekirdeği dışında minyatür bir Güneş gibi hemen hemen tümüyle gazdan oluştuğu için Jüpiter diğer gezgenlerden farklı gözükür. Jüpiter'e baktığınızda , kalın , çok katmanlı atmosferin yaklaşık 1000 km yükseklikteki bulutlarının üstünü görürüsünüz. Büyük bölümü hidrojen ve helyumdan oluşan bu atmosfer gezegeni gazdan oluşan bir okyanus gibi kaplar. Gezegenin içinden yükselen ısı da atmosferin alt katmanlarında şiddetli fırtınalar yaratır. En az 16 uydusu olan jüpiter'in büyük olasılıkla , keşfedilmeyi bekleyen başka uyduları da var. Bilinen uydulardan en büyük dördü , (Ganymede , Io , Callisto , Europa ) onları 1610 yılında keşfeden Galileo'nun adıyla Galileo Uyduları olarak bilinir. Çok daha küçük olan diğer uydular , yakalanmış asteroidler , hatta geçmişte parçalanmış bir uydunun kalıntıları olabilirler. İlk kez İngiliz astronom Robert Hooke tarafından 1664 yılında gözlenmiştir. Aşağıdan yukarıya doğru hızla yükselen maddenin yarattığı 8 km yüksekliğinde , 40.000 km uzunluğunda ve 14.000 km genişliğinde bir fırtınadır.Saat yönünün tersine dönen bu fırtına Jüpiter yüzeyinde hareket ederken saatte 500 km hızla esen rüzgarlarıyla önüne çıkan diğer fırtınaları yutar. Çoğunlukla kahverengi ya da kırmızı olan bu büyük fırtınanın zaman zaman pembeye dönüştüğü de görülür.

Satürn Satürn , Güneş'e uzaklık sıralamasında altıncıdır. Jüpiter gibi Satürn'de neredeyse tümüyle gazdan oluşur. Kedi çapının beş katı çapa sahip olan çok güzel görünüşlü halkaları olduğu için Satürn'e Halkalı Gezegen denir. Satürn , çıplak gözle kolayca görülebilen en uzak gezegendir. Parlak , altın renkli bir yıldıza benzer . Gezegen diskini ya da halkaları görmek için bir teleskop kullanmak gerekir. Satürn'ün halkaları , aletleri oldukça ilkel olan eski astronomların aklını karıştırmıştı. Galileo 1610 yılında ilk kez teleskopla Satürn'e baktığında , sanki üçlü bir gezegen sistemiymiş gibi , her iki yanında birer uydu gördüğünü sanarak şaşırmıştı. İki yıl sonra ise uydular görünmez olmuştu. Satürn Güneş çevresinde dolanırken halkalarının açısının ve boyutlarının değiştiğini , aşağıya ya da yukarıya doğru eğildiklerini biliyoruz . Gezegene tam halka düzleminden , yandan baktığımızda halkalr görünmüyorlar . Aslında yok olmuyorlar , ama çok ince olduklarında onları göremiyoruz. Voyager uzay sondaları her ana halkanın binlerce küçük halkadan oluştuğunu buldu . Halkalara ad olarak harfler verildi. Bazıları örneğin F halkası , bükülmüş bir ip gibi dolaşık ve düğümlüdür. Bazıları da tam simetrik değildir. Halkalardaki parçacıklar , toz boyutlarındaki taneciklerden büyük buz bloklarına kadar değişik 149

ROJ ÇALIŞMA GRUBU

büyüklüklerdedir Voyager uzay sondaları aynı zamanda Satürn'ün parlak B halkasının içinde at arabasının tekerler çubuklarına benzeyen çubuklar keşfetti. Çubukların halkalardan halkalardan kopan tozlardan oluştuğu ve gezegenin manyetik alanı tarafından dönüş yönünde taşındığı düşünülüyor. Bu çubukları teleskopla görmeyi başaran astronomlar da var. Jüpiter gibi Satürn'ün de bazıları Dünya'dan görülebilen çok sayıda uydusu vardır . Güneş'ten çok uzak olmaları nedeniyle bunların çoğu sert buzdan oluşmuşlardır . Pek çoğunda dağlar ve vadiler bulunmasının yanında hemen tümümün yüzeyi kraterlerle kaplıdır.

Uranüs Uranüs , 1781 yılında İngiliz astronom William Herschel tarafından bulundu. Daha önce iki kez gözlenmiş ama yeni bir gezegen olduğu anlaşılmamıştı. Uranüs'ün Güneş'ten ortalama uzaklığı 2 milyar 869 milyon kilometredir. Bu da gezegenin Güneş'e olan uzaklığının Dünya'nınkinin 19 katı olduğu anlamına gelir. Uranüs , Güneş çevresindeki bir turunu 84 yıldan biraz daha uzun bir zamanda tamamlar . En parlak dönemlerinde Uranüs çıplak gözle sıradan bir yıldız gibi görünür . Uranüs , Güneş çevresindeki yörüngesinde yan yatmış olarak döner, tıpkı yuvarlak bir varil gibi . Bu nedenle de zaman zaman her iki kutbu da bize doğru döner. Bu garip dönüşe , milyarlarca yıl önce dev bir göktaşının gezegene çarpması neden olmuş olabilir. Uranüs'ün halkaları 1977 yılında , astronomlar gezegenin arkasından geçen bir yıldızı gözledikleri sırada bulundu . Yıldızın ışığı beklenenden beş dakika önce sönükleşince yıldızın ışığını engelleyen bir uydu olabileceği düşünüldü . Aynı şey gezegenin diğer yanında da tekrarlanınca bunun bir halka sistemi olduğu sonucu çıkarıldı . Uranüs'ün beş ana uydusu vardır. Bunlardan ikisi olan Ariel ve Umbriel koyu renkli olup kraterlerle kaplıdır . Titania'nın derin , uzun vadileri vardır . Bunlardan Messina Chasmata'nın uzunluğu 1500 kilometredir . Çok sayıda kraterlerle kaplı olan Oberon henüz iyi gözlenmemiştir. Küçük Miranda ise 472 km çapında , hırpalamış , buzdan bir top görünümündedir.

Neptün Uranüs gibi Neptün de 1846 yılında bir gezegen olduğu anlaşılmadan önce pek çok kişi tarafından gözlenmiştir. Matematiksel hesaplama sonucunda bulunmuş ilk gezegendir . Uranüs 'ün daha uzaktaki bir cisim tarafından çekilmekte olduğu anlaşıldıktan sonra pek çok kimse bunun ne olabileceğini araştırmaya başlamıştı . Plüton'un yörüngesi bazen Neptününkiyle kesişip onun içine geçtiğinden Neptün bu durumlarda Güneş'ten en uzak gezegen haline gelir. 1999 'a kadar Neptün bu konumunu 150

ROJ ÇALIŞMA GRUBU

korudu . Neptün konusundaki hemen hemen tüm bilgilerimiz , Voyager 2 uzay sondasının 1989 yılında gezegene yakın geçişi sırasında elde edilmiştir . Güneş'e yeşil ve tekdüze Uranüs'ten daha uzak olduğundan astronomlar mani Neptün'ün o kadar da ilginç olmayacağını düşünüyorlardı . Ama Voyager 2 , Neptün'ün Güneş sistemindeki en güzel gezegenlerden biri olduğunu gözler önüne serdi. Voyager 2 , Neptün'e ulaşmadan önce , Dünya'dan yapılan gözlemler sonrasında gezegenin bir dizi yay ya da yarım halkalarla çevrili olduğu düşünülüyordu . Uzay aracı beş tam halka buldu , ama halkalar o kadar koyu renkliydi ki ancak uzay aracının kameraları ile görülebiliyorlardı. Daha önceden görülüdüğü düşünülen yayın ise en dış halkadaki bir madde kümesi olduğu anlaşıldı . Neptün 'ün ana uyduları Triton ve Nereid 'dir . Triton olağandışı bir uydudur . 2705 km çapındaki uydu , Neptün 'ün çevresinde ters yönde dolanır . Yüzeyinin büyük bölümü parlak ve düzgündür . Güney kutbunda pembe renkli bir buz kütlesi olan uydunun ince bir atmosferi.

Plüton Uranüs ve Neptün'ün , yörüngelerinin dışında bulunan bir başka cisim tarafından çekildikleri anlaşıldıktan sonra , uzun araştırmalar sonunda 1930 yılında Amerikalı astronom Clyde Tombaugh plüton'u buldu . 1978 ' de Plüton'un tek uydusu keşfedildi . Uydunun boyutları gezegene göre öylesine büyüktü ki , uydu ve gezegen ikili bir gezegen sistemi yani çift gezegen gibi duruyorlardı . Charon uydusu , Plüton'un bir fotoğrafını incelerken gezegenin uzamış bir görüntüye sahip olduğunu fark eden astronomlar tarafından bulundu . Sonraki gözlemlerle Plüton'un çok yakınında , çevresinde dönen bir uydusu olduğu kesinleşti.

151

ROJ ÇALIŞMA GRUBU

Sosyol Yaşamda Kuantum

Kuantum Düşünce Tekniği Nedir? Kuantum Düşünce üst nitelikli bir düşünme biçimidir. Sıradan düşünce biçimleri kendisini tekrar eden, etkisiz ve sınırlı enerjilerdir. Değiştirme ve oluşturma güçleri yoktur. Daha çok vehim, kuruntu, başıboş hayaller biçiminde akar. Oysa Kuantum Düşünce derin düzeyde, atom altı alanda etkili olabilecek tarzda bir yaratıcı düşünme biçimidir. Özel bir bilinç düzeyine girerek, özel olarak kurgulanmış sözel ve imgesel oluşumları içerir. Bu düzeyde insan, kendi hayatının efendisi durumuna geçer. Kuantum Düşünce daha da ilerisi ortak zeka alanında işlem yapar. Bütün evreni tekamül ettiren enerjiyle işbirliğine girildiğinde siz bir "kişi" olmanın sınırlı olanaklarını aşar, "bütün" ün gücüne ulaşırsınız. O zaman da gücünüz tabii ki bütünün gücüne eşit olacaktır. Bu Teknik Pratik Olarak Hayatımıza Ne Gibi Yararlar Sağlar? Bizim gelişmemiz için gereken bütün araçlar: uygun iş, eş, yaşam alanı,ev, bedenimizin sağlığı bu yüksek frekanslı enerjiden nasibini alır. Siz, sınırlayıcı, engelleyici düşünce kalıplarınızı fark edip bunların yerine güçlendirici inançlarınızı koyduğunuzda hayatınız bu yeni inançlarınız doğrultusunda değişmeye başlayacaktır. Sizin için en uygun kişi, en uygun imkan,en uygun zamanda karşınıza çıkacaktır. Yapmanız gereken şey uzanıp onu almaktır. Doğuştan doğal olarak hakkınız olan mutluluğu, bereketi, bolluğu ve sevinci yaşamanıza imkan tanımış olursunuz. Kuantum Düşünce, sağlıklı ve güçlü bir beden için de uygun bir zemin hazırlar. Bizim düşünce ve kabullenişlerimiz direkt olarak bedene etki yapar. Bedenimiz aslında bir enerji okyanusundan başka bir şey değildir. Korku,kaygı,öfke, suçluluk duyguları bütün hücrelerimizin beslendiği enerjide azalmalar yol açar. Kuantum Düşünce Tekniği; kendimizi tanımaya, başkalarını anlamaya, evrensel sistemin işleyişini fark etmekten doğan bilgeliğe ulaştırarak beden enerjimizi de düzene sokar. Kişiler daha güçlü canlı ve güzel olurlar. Hayat misyonumuzu fark etmek ve ona adım adım ulaşmak yönündeki çabalarımızı destekler. Kendi içsel kodlamanızdaki yapmanız gereken işinizle ilgili ipuçlarını yakaladıkça adımlarınız hızlanır. Kuantum Düşünce kişiler arası iletişimin enderin boyutunu sunar bize. Ortak İnsanlık alanında gerçekleşen bu iletişim, derin ve etkili bir uzlaşma sağlar. Beden dili ve sözel iletişimden daha da öte Kuantum sal İletişimle düşüncelerimizin direkt muhataba ulaştığı bir yöntem geliştiririz. 152

ROJ ÇALIŞMA GRUBU

Kuantum Düşünce hayatımıza daha çok bolluk ve bereket çekmemizi de sağlar. Kendimizle ilgili derin içsel vizyonumuzu değiştirdikçe daha çok bolluk hayatımıza akmaya başlar. Genel anlamda zenginlik; sahip olduğumuz şeylerle ruhsal varlığımıza kattığımız değerler arasındaki dengeyi anlatır. Çok paraya sahip olmak tek başına zenginlik işareti olmayabilir. Önemli olan bu parayla ne yaptığınızdır. Daha çok kahkaha, daha çok dostluk, daha çok sevgi,daha çok deneyim ve daha çok hayır üretebiliyorsanız o zaman zenginsiniz demektir. Özetle Kuantum Düşünce Tekniği, yaşamın temel amacı olan sevinç duygusunu yüreğimizde hissetmemiz için bize imkanlar sunar

****

153

ROJ ÇALIŞMA GRUBU

Kuantum Fiziğinin Öyküsü Belki de hiçbir kuram, kuantum fiziği kadar bir yüzyıla böylesine belirgin bir damga vurmamıştır. 1900 yılında Max Planc'ın karacisim ışımasını kuantumlanmış enerji yayımıyla açıklamasının fizikte yarattığı devrim, temposundan hiç yitirmeden 20. yüzyıl boyunca yeni kuşak bilim adamlarının olağanüstü düşünce ürünleriyle zenginleşerek sürdü. Bugün eriştiğimiz bilgi düzeyini, farkında olalım ya da olmayalım yaşamımızı etkileyen, kolaylaştıran pekçok uygulamayı, işte bu bilim öncülerine borçluyuz. Geçtiğimiz yüzyılın en önemli düşünsel başarılarından biri de, atomaltı ölçekteki enreni inceleyen kuantum mekaniğinin tersine, kozmos ölçeğinde etkili kütle çekimi betimleyen genel görelilik. Birbirleriyle uyuşmamalarına karşın bu iki kuram,birbirlerini tamamlayarak geliştiler. Belki de önümüzdeki yıllarda, bu kuramları özdeşleştirmek için sürdürülen çabalar meyvelerini verecek ve insanlık doğanın, evrenin işleyişi konusunda yepyeni bir anlayışa kavuşacak

1897 Pieter Zeeman- Joseph John Thomson Zeeman, ışığın bir atom içindeki yüklü parçacıkların hareketi sonucu yayımladığını buldu; Thomson'da, elektronu keşfetti.

1900 Max Planck Karacisim ışımasını kuantumlanmış enerji yayımı ile açıkladı. Kuantum kavramı böylece doğmuş oldu.

154

ROJ ÇALIŞMA GRUBU

1905 Albert Einstein Dalga özellikleri olan ışığın aynı zamanda, daha sonra foton diye adlandırılacak olan belirli büyüklükte enerji paketinden oluştuğunu ileri sürdü.

1911-1913 Ernest Rutherford - Niels Bohr Rutherford, atomun çekirdek modelini oluşturdu (1911). Bohr ise atomu bir gezegen sistemi gibi betimledi. Ayrıca durağan enerji durumları kavramını ortaya attı. Hidrojenin tayfını açıkladı (1913). Günümüzde geçerli olan modele göreyse atomlar, çapı cm'nin yüzmilyonda biri olan bir elaktron bulutundan ve bunun çapıda yüzbin kez küçük bir çekirdekten oluşuyor. Çekirdek, (+) elektrik yüklü protonlardan ve yüksüz nötronlardan oluşur. Çekirdeğin çevresinde proton sayısı kadar (-) yüklü elektronşların kütlesi, protonlarınkinden 2000 kez küçüktür.

155

ROJ ÇALIŞMA GRUBU

1914 James Franck- Gustav Hertz

Bir elektron saçılım deneyiyle durağan durumların varlığını doğruladılar.

1923 Arthur Kompton X-ışınlarının elektronlarla etkileşmelerinde minyatür bilardo topları gibi davrandıklarını gözlemledi. böylece ışığın parçacık davranışı hakkında yeni kanıtlar ortaya koydu.

1923 Louis de Broglie Madde parçacıklarınında dalga davranışı yaptıklarını öne sürerek dalgaparçacık ikiliğini genelleştirdi.

1924 Satyendra Nath BoseAlbert Einstein Karacisim ışımasını kuantumlanmış enerji yayımı ile açıkladı. Kuantum kavramı böylece doğmuş oldu.

156

ROJ ÇALIŞMA GRUBU

1925 Wolfgang Paoli Karacisim ışımasını kuantumlanmış enerji yayımı ile açıkladı. Kuantum kavramı böylece doğmuş oldu.

1925 Werner Heisenberg-Max Born- Pascual Jordan Kuantum mekaniğinin ilk biçimi olan matris mekaniğini geliştirdiler ve kuantum alan kuramı yolunda ilk adımı attılar.

1926 Erwin Schrödinger Kuantum fiziğinin, "dalga mekaniği" diye adlandırılan yeni bir betimlemesini geliştirdi. Yeni kavram daha sonra "Schrödinger Denklemi" diye adlandırılan, bilimin en önemli formüllerinden birini de kapsıyordu.

157

ROJ ÇALIŞMA GRUBU

1926 Enrico Fermi Paul A. M. Dirac Kuantum mekaniğinin parçacıkları soymak için yeni bir yola gereksinme duyduğunu belirlediler. "Fermi-Dirac İstatistiği", katıhal fiziğine kapıyı araladı.

1923 Dirac Işığın kuantum kuramı üzerine çok önemli bir makale yayınladı.

1927 Werner Heisenberg Bir parçacığın aynı zamanda hem konumunu hem de hızını ölçmenin olanaksız olduğunu gösteren ünlü "Belirsizlik İlkesi"ni açıkladı.

158

ROJ ÇALIŞMA GRUBU

1928 Dirac Elektronun, karşı maddenin varlığını da öngören relativistik bir kuramını ortaya koydu

1932 Carl David Anderson Karşımaddeyi keşfetti. Bu parçacık, pozitron adı verilen bir antielektrondu

1934 Hideki Yukava Çekirdek kuvvetlerinin, mezon denen ağır parçacıklarca iletildiği düşüncesini ortaya attı. Bunların elektromanyetik kuvvete aracılık eden fotonlarla benzer işlev yaptığını öne sürdü

1946-1948 Isidor I. Rabi- Willis Lamb- Polykard Kusch Dirac kuramında tutarsızlıklar keşfettiler

159

ROJ ÇALIŞMA GRUBU

1948 Richard FeymanJulian SchwingerSin Itiro Tomonaga Kuantum elektrodinamik denen ve fotonlarla elektronların etkileşimini anlatan ilk eksiksiz kuramı geliştirdiler. Kuram, Dirac kuramındaki tutarsızlıkları açıkladı.

160

ROJ ÇALIŞMA GRUBU

1957 John Bordeon- Leon Cooper- Robert Schrieffer Elektronların, kuantum özellikleri dirençsiz hareket olanağı veren çiftler oluşturabildiklerini gösterdiler. Bu, süperiletkenlerin sıfır elektrik direncini açıkladı

1959 Yakir Aharanov- David Bohm Bir manyetik alanın elektron kuantum özelliklerini klasik fiziğin yasakladığı bir biçimde etkilediğini öne sürdüler. "Aharanov-Bohm Etkisi", 1960 yılında gözlendi ve akla gelmedik pek çok makroskobik etkinin gizli işaretlerini verdi

1960 Theodore Maiman Charles Townes, Arthur Schawlaw ve diğerlerinin daha önce yapmış oldukları çalışmaları ileri götürerek, pratik kullanımlı ilk lazeri geliştirdi

"1964 John S. Bel Bell belirsizlikleri" denen deneysel bir testle kuantum mekaniğinin bir sistem için en eksiksiz tanımı verip vermediğinin sınanabileceğini söyledi

161

ROJ ÇALIŞMA GRUBU

1964 Murray Gell-Mann Madde parçacıklarını oluşturan ve kuark adı verilen temel parçacıklarla ilgili bir model geliştirdi. Kuarkların varlığı 1969 yılında deneysel olarak açıklandı.

1970 1970'ler Parçacık fiziğinin, maddenin dört temel kuvvet aracılığıyla etkileşen kuark ve leptonlardan oluştuğunu söyleyen standart modelin temelleri atıldı. Kuark modeli temelinde, şiddetli çekirdek etkileşimlerini betimleyen "Kuantum Renk Dinamiği" kuramı geliştirildi

1982 Alain Aspect Bell eşitsizliklerini deneysel bir sınavıyla kuantum mekaniğinin eksiksiz bir anlatım olduğunu gösterdi

162

ROJ ÇALIŞMA GRUBU

1995

Eric Cornell - Wolfgang Ketterle Carl Wieman Mutlak sıfırın (-273 C) yalnızca milyonda bir derece üzerine kadar soğutulmuş metalik atom bulutlarını tekbir kuantum durumuna hapsederek, 70 yıl önce kuramsal varlığı öne sürülen Bose-Einstein Yoğuşması'nı oluşturdular.Bu başarı, atom lazeri ve süper akışkan gazlar gibi pratik uygulamalar için yolu açtı.

***********************************************

163