Kuantum Tarihçesi

Klasik mekanik çok başarılı olmasına karşın, 1800’lü yılların sonlarına doğru, Kara Cisim Işıması, Tayf Çizgileri, Fotoelektrik etki gibi bir takım olayları açıklamada yetersiz kalmıştır. Açıklamaların yanlışlığı bilim insnalarının yetersizliğinden değil, aksine klasik mekaniğin yetersizliğinden kaynaklanıyordu. Klasik mekanikteki sorunun ne olduğunu anlatmak aşırı teknik olacaktır ancak en yalın halde klasik mekanik evreni bir süreklilik olarak modelliyordu.

1900 Yılında Max Planck, enerjinin, 1905 yılında ise Albert Einstein, bazı deneyleri açıklayabilmek için ışığın paketçiklerden oluştuğunu, yani süreksizlik gösterdiğini, bir varsayım olarak kullanmak zorunda kaldılar. Elbette bu iki darbe klasik mekaniği yıkmadı. Uzunca bir süre bilim adamları bu süreksizliği klasik mekanik kuramlarından türetmek için uğraştı. Yine aynı yıllarda atomun iç yapısı üzerine yapılan deneyler korkunç bir gerçeği gözler önüne serdi. Rutherford, yaptığı deneyle atomun küçük bir çekirdeğe sahip olduğunu gösterdi. Bu dönemde elektronun varlığı biliniyordu. Bu durumda eğer negatif yüklü elektronlar pozitif çekirdeğin etrafında dairesel hareket yapıyorlarsa, çok kısa bir zaman diliminde elektronlar çekirdeğe düşeceklerdi. Bu elektromanyetik teoriye göre açıklanacak olursa, ivmelenen yükler ışıma yapar, dairesel hareket de ivmeli bir hareket olduğu için, elektron bu ışımayla enerji yayacak ve çekirdeğe düşüp sistem çökecekti. Geçici çözüm Niels Bohr tarafından geldi. Elektronlar belli kuantizasyon kurallarınca, belli yörüngelerde hareket ediyor, enerjileri belli bir değere ulaşmadıkça ışıma yapamıyor bu sayede sistem dengede durabiliyordu. Bu geçici çözüm küçük atomlarda işe yaradıysa da daha büyük kütlelerde işe yaramıyordu. Bohr atom modeline, modeli deneylere uydurulmak için birçok yama yapıldı.

Ne var ki Bohr’un “yamalı bohçası” 1920’lere gelindiğinde artık iş görmüyordu, tayf çizgilerinin gözlenen yoğunluğunu yanlış veriyor, çok elektronlu atomlarda salınım ve emilim dalga boylarını tahmin etmede başarısız oluyor, atomik sistemlerin zamana bağlı hareket denklemini vermedeki başarısızlığı gibi birkaç konuda daha gerçekleri gösteremiyordu. Kuantum mekaniğini Planck doğurduysa, bebekliğinin sonu da De Broglie ile gelmiştir. Louis De Broglie; birçok elçi, bakan ve Dük yetiştirmiş, aristokrat bir Fransız ailesinin çocuğuydu. Tarih eğitimi gördükten sonra fiziğe geçti. 1923’te verdiği doktora tezinde, ışığın hem dalga hem de parçacık karakteri olmasından esinlenerek, aslında bütün madde çeşitlerinin aynı özelliği gösterebileceğini önerdi. Ortaya koyduğu fikir, Bohr’un gizemli yörüngelerini açıklamada başarılı oluyordu.

Işığın girişim, kırınım yaptığı, yani dalga özelliği gösterdiği, Thomas Young’un yaptığı çift yarık deneyi ile gösterilmişti. Ama tüm madde parçacıklarının, su dalgaları ile aynı matematiksel özellikleri göstereceği beklenmiyordu. Max Planck, 1900 yılında karacisim ısınımı problemini, çözmek için E= h nu, denklemini kullanmıştı. Bu denklem, foton kavramının başlangıcı oldu; çünkü v frekansındaki elektron salınımından oluşan ışığın, klasik mekanikle uyuşmayan bir şekilde sadece, h*v nun tamsayı katlarında enerji taşıyabileceğini göstermişti. h, Günümüzde Plank Sabiti adıyla anılır. Fotonlar dalga özelliği gösterirse madde de gösterebilir analojisinin yanında önemli bir ipucu da Einstein’in birkaç yıl önce özel görelilik ispatında kullandığı Lorentz Dönüşümleri’ydi. Buna göre serbest bir parçacık, “fazı x, zamanı t” olan bir dalga ile ifade edilirse, 2*pi*(k*x-nu*t) ve bu faz Lorentz dönüşümlerinde sabit kalacaksa, k vektörü ve nu frekansı, x ve t gibi dönüşmelilerdi. Ya da diğer bir deyişle, p ve E gibi. Bunun mümkün olabilmesi için, k ve nu, p ve E ile aynı hız bağımlılığına sahip olmalılardı. Bu nedenle onlarla doğru orantılı olmalılardı. Fotonlar icin E=h*nu olduğundan, madde için de E = h nu k=p/h ve varsayımlarını yapmak doğal gözükmüştür.

Herhangi bir kapalı yörüngenin 1/|k| nin tam katı olması varsayımı ile, de Broglie, deneysel olarak gözlenen ve Sommerfield ve Bohr tarafından “kuantize olma şartları” olarak anılan şartları matematiksel olarak kolayca türetti. Bu türetme gayet gizemli bir şekilde doğru sonuçlar verince insanlar deneysel olarak başka şeyleri tahmin etmesini de beklediler. Elbette yanıldılar çünkü bu şartlar serbest ışık parçaları için yola çıkan varsayımların, çekirdeğe bağlı elektronlar için uyarlanmasıydı ve çok ileri götürülmemesi gerekiyordu. Ama doğru çıkış noktasıydı. Enteresan bir şekilde 1925 ile 1926 yılları arasında Werner Heisenberg, Max Born, Wolfgang Pauli ve Pascual Jordan, matriks mekaniği ile kuantum mekaniğinin formal tanımını yaptılar. Ama formalizmlerinde dalga mekaniğine yer vermediler. Benimsedikleri felsefe ise, tamamen pozitivist idi. Yani sadece deneysel olarak gözlenebilen değerleri göz önüne alan bir yaklaşım kullandılar.

1926 yılında Edwin Schrodinger bir dizi denklemle dalga mekaniğini yeniden canlandırdı. Sonunda kendi dalga mekaniğinden Heisenberg’in matriks mekaniğini de türetip iki formalizmin matematiksel olarak denk olduğunu da gösterdi. Son makalelerinden birinde Schrodinger, relativistik bir dalga denklemi de sunar.  Dirac’a göre ise tarih biraz daha farklı işlemiştir. Ona göre, Schrodinger önce relativistik dalga denklemini geliştirdi, sonra bunu kullanarak hidrojenin spektrumunu hesapladı ve deneylere uymadığını gördü. Ancak bu denklemin, düşük hızlarda geçerli olan versiyonu aslında çalışıyordu! Sonrada relativistik dalga denklemini yayınladığında ise, bu Oscar Clein ve Walter Gordon tarafından yayınlanmıştı ve hala Clein-Gordon denklemi olarak anılır. Bu noktadan sonra Dirac teoriye çeki düzen vermiş, özel görelilikle uyumlu hale getirmiş ve bazı deneylerin sonuçlarını teorik olarak üretmiştir, örneğin: Pozitron’un varlığının tahmini. 1930’lara gelindiğinde kuantum teorisi, ergenlikten çıkmış bir teori halini almıştır. Daha sonra 1940’larda Sin-Itiro Tomonaga, Julian Schwinger ve Richard P. Feynman, Kuantum elektrodinamiği konusunda önemli çalışmalara imza atmış, 1950’li ve 1960’lı yıllar Kuantum renk dinamiğinin gelişimine tanık olmuşlardır.

Yazar: Diamond Tema