Kuantum Kuramı

Kuantum Kuramı



20 yüzyıla damgasını vuracak iki büyük kuramdan birini, tam da bu yüzyılın başında, 1900 yılında, Max Planck ortaya attı Enerjiyi, sürekli (kesiksiz) bir akış olarak gören Klasik Enerji Kuramı yerine Kuantum Kuramı'nı ortaya atmıştı Planck�ın deneysel temellere dayanan önerisi, enerjinin kesik kesik ya da paket paket alınıp verildiği şeklindeydi

Bu kuramı, 1905 yılında Albert Einstein, fotoelektrik olayını açıklamakta kullandı Danimarkalı Niels Bohr, 1913'te Kuantum Kuramı'yla, atomdaki elektron düzeninin ilk açıklamalarını yaptı

Çağımıza damgasını vuran diğer büyük kuram da Görelilik Kuramı'dır Einstein, 1905'te Özel Görelilik Kuramı'nı, 1915'te de Genel Görelilik Kuramı'nı ortaya koydu Einstein, kütle ve enerjiyi apayrı şeyler olarak değil, birbirine dönüşen olgular olduğunu ileri sürdü

O sıralar, Zürih Patent Bürosu'nda memur olarak çalışıyordu Kütle ve enerjiyi bambaşka iki varlık olarak düşünmeye alışmış bilim çevreleri, kavramları birbirine karıştıran patent bürosunun " zırvaları" üzerinde durmadı bile Bilim dünyası, onun söylediklerini ancak 15 yıl tartıştıktan sonra hazmedebildi

Einstein, 1921'de Nobel Ödülü'nü aldı; ama Görelilik Kuramı'ndan değil de foto elektrik olayından Arthur Eddington�un alkışlanası ukalalığına göre, o zaman bile birçok bilim adamı göreliliği anlamamıştı Eddington�a, göreliliği, yalnızca üç kişinin anladığının doğru olup olmadığı sorulduğunda, nükteli İngiliz profesör durmuş ve "üçüncü kişinin kim olduğunu bulmaya çalışıyorum" demişti (Time-2000, Frederic Golden�in yazısı)

Kütlenin yoğunlaşmış bir enerji olduğu görüşü, 1927'de denel olarak da destek buldu Aston, kütle spektrometresi denen bir aygıtı geliştirmişti Bu alet, atom kütlelerinin çok duyarlı olarak ölçülmesini sağladı Bu aygıt yoluyla, özellikle nükleer tepkimelerde, bir kısım kütlenin enerjiye dönüştüğü ve bu dönüşümün Einstein'in ünlü denklemine (enerji= kütle x ışık hızının karesi) uyduğu kanıtlandı

Atom çekirdeğini bulan Rutherford, 1919 yılında, simyacıların ünlü düşünü gerçeğe dönüştürdü Havanın azotunu, alfa ışınlarıyla bombardıman ederek onun oksijene dönüştüğünü gördü Simyacılar, her şeyi altına çevirecek filozof taşını hiç bulamadılar; ama bir elementin, insan elinde başka bir elemente dönüştürülmesi, bir düşün gerçek olmasıdır elbette

Bir element, başka bir elemente dönüşebiliyordu İnsanoğlunun eli artık atom çekirdeğine gidiyordu İlk yapay nükleer tepkime, çekirdeğe ilk müdahale Atom çekirdeği, pozitif yüklüydü; nötral bir atomda elektron sayısı, eile proton sayısının, yani birim negatif yüklü parçacık sayısı ile birim pozitif yükteki parçacık sayısının eşit olacağı açıktı

Çekirdekte pozitif yükten başka ne var acaba? Bu sorunun yanıtını Rutherford'un öğrencisi James Chadwick verdi: 1932 yılıydı Alfa ışınlarıyla berilyum çekirdeklerini bombardıman edince yüksüz bir radyasyonun oluştuğunu açıkladı ve buna nötron dedi Böylece, atomun üç temel parçacığı elektron, proton ve nötron bulunmuş oluyordu Alfa, kendisi de bir çekirdek (helyum atomunun çekirdeği) olduğu halde, atom çekirdeğine giden yolu aydınlatıyordu

Bilim tarihinin en büyük kadını Madam Curie, 4 Temmuz 1934'de gözlerini yaşama kaparken, birkaç ay önce damadının ve kızının -Joliot-Curie çiftinin- yapay radyoaktifliği keşfettiklerini biliyordu Joiot-Curie çifti, alfa ışınlarıyla, alüminyum çekirdeğini bombardıman ettiler Sonuçta, radyoaktif bir element (radyoaktif fosfor) oluştuğunu buldular Böylece, bir inanışa daha son verildi: Radyoaktiflik, yalnızca doğadaki elementlerin bir özelliği değildi; onu insanoğlu da "yaratabilir"di

İnsanoğlu, radyoaktif elementler de üretiyordu artık Bombardımanda kullanılan radyasyonlar, doğal radyoaktif maddelerden sağlanıyordu Belli ki, doğal kaynaklara bağlı kalmamak ve doğal olanlardan yayılan parçacıkları hızlandırarak kullanmak nükleer tepkimeleri çeşitlendirecekti Atlantik'in iki yakasında hemen aynı anda hızlandırıcılar yapılmaya başlandı

Amerika'da Ennest Lawrence 1930'da, Robert J van de Graff 1931'de; yine aynı yıl içinde İngiltere'de John Cockroft ile ETS Walton kendi adlarıyla anılan hızlandırıcılar yaptılar Çok kısa sürede, 3 yıl içinde 1937'de keşfedilen radyoaktif izotop sayısı 200'ü bulmuştu

H G Wells, 1913 yılında, The World Set Free: A Story of Mankind adlı kurgu bilim romanını yayınlamıştı Bu romanda, bazı tahminler de yer alıyordu Örneğin, 1933'te yapay radyoaktif maddelerin bulunacağını ve 1956 yılında atom bombasının kullanılacağı hayali savaşları anlatmıştır O günlerde bunlar neredeyse akıl dışı şeylerdi Yapay radyoaktiflik, yazarın öngördüğü tarihten bir yıl önce keşfedildi, ama savaşa neden olmadı Atom savaşı, yani atom bombasının kullanılması ise yazarın öngördüğünden onbir yıl önce gerçekleşti

Macar doğumlu, Musevi asıllı fizikçi Leo Szilard, 1932 yılında Berlin'de çalışırken, nasılsa bu romanı okuyor ve çok etkileniyor Ertesi yıl göçe zorlanıyor ve İngiltere'ye gidiyor Romandan aldığı esinle "zincir tepkimelerine dayalı kanunun patenti" ni 1934 yılında İngiliz Amirallik Dairesi'ne tescil ettiriyor

Kuantum Kaosu

''Kuantum teorisi karşısında şaşkınlığa uğramayanlar bu teoriyi anlamamış demektir'' diyen Fizikçi Niels Bohr, bu teorinin ne kadar zor anlaşıldığına dikkat çekiyordu Yüzyılın başlarında fizikçiler, radyasyonun dalga gibi hareket ettiğine inanıyordu Max Planck'ın enerjinin parçacıklar veya kuvanta tarafından emildiğine ilişkin keşfi, fizikçiler tarafından pek tatmin edici bulunmadı Planck, bunun üzerine, nesnelerin parçacık şeklinde enerji yaydığını duyurdu Bundan sonraki 20 yılda bilim adamları, enerji ve maddenin dalga ve parçacık özelliği taşıdığını kabul ettiler

1927 yılında, Werner Heisenberg, ''Belirsizlik İlkesi''ni bilimsel bir biçime dönüştürdü Daha sonraları Nazi Atom Enerjisi Projesi'nin başına getirilen Heisenberg, atomdan küçük parçacıkların pozisyon ve momentumlarının aynı anda ölçülmesinin mümkün olmadığını bildirdi Bu teori Albert Einstein'ı yalnızca şaşırtmadı, bilimsel birikimlerinin altüst olmasına yol açtı

1920'li yılların ortalarında Alman fizikçi Max Born, elektron gibi parçacıkların belirli bir pozisyonu işgal etmelerinin çok düşük bir olasılık olduğunu ileri sürdü Einstein, Born'a yazdığı bir mektupta, ''Evren yasalarının şans üzerine kurulu olduğuna inanmıyorum; bence Tanrı kumar oynamaz'' diyerek, Belirsizlik Kuramı'nı onaylamadığını belirtti • Bilgilikcom

FİZİK’DE YENİ BİR ÇAĞ AÇAN BULUŞ : KUANTUM KURAMI

KUANTUM KURAMININ EVRİMİ VE KLASİK KUANTUM KURAMI
Prof Dr Süleyman BOZDEMİR, ÇÜ Fen-Ede Fak Fizik Böl ADANA
Yard Doç Dr Sıtkı EKER, Ahi Evran Üniv Fen-Ede Fak Fizik Böl KIRŞEHİR

Bilim tarihçilerine ve felsefecilerine göre bugüne kadar fizikte altı büyük devrim gerçekleşti Dünya merkezli Ptolemeci astronomi keşmekeşliğinden Güneş merkezli gezegenler sistemine geçmemizi sağlayan Copernicus devrimi ile başlayan Galileo ve Kepler’le sürdürülen ve büyük ölçüde Newton’un tamamladığı birinci devrim klasik mekanik devrimi olup mekaniği Aristo’dan beri içine düştüğü çıkmazdan kurtardı ve temel yasalarını, ilkelerini ve evrensel kütle çekimi kavramını getirdi İkinci devrim Carnot’un öncülük ettiği ve Mayer, Joule, Helmholtz, Thomson, Clausius, Gibbs ve Nerns’in sürdürdüğü çalışmaların sonucunda gerçekleştirilen ve fiziğin kraliçesi olarak bilinen termodinamik devrimi; sanayileşmenin itici gücünü oluşturmuştur

1600 yıllarında William Gilbert’le başlayan, Charles Francois Dufay, Benjamin Franklin, Charles Augustin de Coulomb, Alessandro Volta, Luigi Gelvani, Hans Cristian Örsted, Jean-Baptiste Biot, Felix Savart, Andre Marie Amper, Faraday gibi nice fizikçilerin çalışmalarının üstüne kurulan büyük ölçüde Maxwell tarafından sentezi yapılan Elektromanyetik kuram üçüncü büyük devrimi oluşturmaktadır Bu devrimin en önemli tarafı etkileşmelerin bir alan aracılığı ile gerçekleştiğini ve ışığın da bir elektromanyetik dalga olduğunu göstermesidir Bu devrim insanlara, insanların hayal bile edemedikleri kadar büyük bir teknolojik güç sağladı İstatistiksel mekanik olarak bilinen dördüncü devrim de Clausius, Maxwell, Boltzmann ve Gibbs’in çalışmaları atom ve moleküler fiziğin kapısını açtı ve gazların dinamiğini daha iyi anlamamızı sağladı

Beşinci ve altıncı devrimler 20 yy da gerçekleşti ve en önemli bilimsel devrimler olarak yüzyıla damgasını vurdu Bunlar Einstein tarafından gerçekleştirilen özel ve genel görelilik kuramları ile bir grup seçkin fizikçinin eseri olan kuantum kuramıdır Bunlar bilimde gerçek devrimlerdir çünkü birisi klasik fiziğin içine düştüğü iç çelişkileri ve yüksek hızlardaki davranışlarını diğeri de 2400 yıldır tartışılan atomlarla ilgili tüm sorunları kökünden çözmüştür Aynı zamanda bu devrimler doğaya yeni bir gözle bakmamızı sağlamakla kalmayıp, yeni kavramlar ve ilkeler de getirdiler Tüm bilim dalları sosyal, fen ve mühendislik, felsefe, mantık ve matematik başta olmak üzere
bunların etkisi altında kalarak büyük gelişmeler gösterdiler

Kuantum devriminin ilk evrelerinde üç büyük fizikçinin öne çıktığı görülür
Bunlar ufukta belirmekte olan gözlemlerin ilk kavranışını disiplinli içgüdülerle sunan Max Planck, bu düşünsel serüvene en az görelilik kuramı kadar derin bir bağlılıkla sarılan Albert Einstein, devrimi en kritik dönüm noktasına taşıyan, Neils Bohr’dur Her üç öncü de yeni fiziğin zorunlu kıldığı tuhaf sonuçları klasik fizikle bağdaştırma göreviyle karşı karşıya kaldılar ve kendine özgü biçimde kısmen başarısızlığa uğradılar Bohr ve Einstein yeni fiziğin en çarpıcı özellilerini çabucak benimseyerek fiziksel gerçekliğin daha derinlerine cesaretle daldılar 1900-1925 yılları arasında yapılan bu çalışmaların hiçbiri tam başarıya ulaşamadı ve devrimi tamamlamak bir başka kuantum kuramcıları kuşağına düştü Bu ikinci kuşakta Werner Heisenberg, Ervin Schrödinger, Wolfgong Pauli ve Louis de Broglie yer alır Onlardan kalan miras ise kuantum mekaniğidir Düşünsel düzeyde diğerlerinden daha çetin, hayal etmesi ve gözümüzde canlandırılması daha zor olan bir fizik dalıdır

Kuantum kuramının olağanüstü ön deyici başarıları karşısında şaşırmamak elde değil Bu herkes tarafından kabul edilmiş bir gerçektir Ancak kuramın felsefi ve kavramsal güçlükleri ve yorumu konusunda hala tartışmalar sürdürülmektedir (1) Bu çalışmanın birinci kısmında kuantum kuramının evrimi ve klasik kuantum kuramı, ikinci kısmında modern kuantum kuramı ve temelleri, üçüncü kısımda kuantum kuramının fiziksel yorumları, dördüncü kısımda kuantumlu alanlar kuramı ve fiziksel yorumları, beşinci ve son kısımda da mezoskopik fizik ele alınacaktır

Kuantum Kuramının Evrimi

1859’da Gustav Kirchoff, siyah cisim ışınımı hakkında bir teori ispatlamıştır
Siyah cisim, üzerine düşen bütün enerjiyi soğuran bir nesnedir ve hiç ışık yansıtmadığı için gözlemciye siyah görünür Siyah cisim aynı zamanda mükemmel bir termal ışınım yayıcıdır; ve Kirchoff, yayınlanan E termal enerjinin sadece maddenin T sıcaklığına ve radyasyonun υ frekansına bağlı olduğunu ispatlamıştır: E = J(T, υ) Kirchoff, bu enerji fonksiyonunun açık, analitik bir ifadesini bulmaları için fizikçilere çağrıda bulunur 1879’da Josef Stefan, deneysel bir zeminde, sıcak bir cismin yayınladığı toplam enerjinin, sıcaklığın dördüncü kuvvetine bağlı olduğunu ileri sürmüştür Aynı sonuca 1884’te termodinamik ve elektromanyetik teori kullanarak Ludwig Boltzmann da ulaşmıştır Şimdi Stefan-Boltzmann kanunu olarak bilinen bu sonuç, belli dalga boyları için Kirchoff’un sorusuna tam bir yanıt veremez 1896’da Wilhem Wien, siyah-cisim ışıması için bir çözüm ileri sürmüştür; ancak, dalga boyunun küçük değerleri için Wien’in çözümü deneysel gözlemlere yakın bir uyum sağlamasına karşın, Alman fizikçileri Rubens ve Kurlbaum uzak kızılötesinde bu uyumun bozulduğunu göstermişlerdir

Heiderberg’de olan Kirchoff, Berlin’e taşınmıştır, yerine Planck atanır Rubens, deneysel sonuçlarını alır, Ekim 1900’de Planck’ı ziyaret eder Planck, birkaç saatlik bir çalışma sonunda Kirchoff’un enerji fonksiyonu için doğru formülü tahmin eder Bu deneysel formül, bütün dalga boylarında deneysel verilerle çok iyi uyuşmuştur; fakat Planck bununla yetinmeyerek teorik bir çıkarımını da yapmaya çalışmıştır Bunun için, önceki araştırıcılardan farklı olarak toplam enerjinin sürekli değil de kesikli olduğu gibi bir varsayım yaparak ampirik olarak bulduğu enerji formülünü teorik yoldan da çıkarmayı başarmıştır Bu, klasik fizik kanunlarına tamamen aykırı bir hipotez olup deneyle doğrulanmaya muhtaçtır

Klasik Kuantum Kuramına Doğru

Bu yıl, kuantum düşüncesinin doğuşunun 106 yılındayız Tamı tamına 106 yıl önce, 19 Ekim 1900 tarihinde Berlin’de yapılan Alman Fizik Derneği toplantısında Max Planck, siyah cisim ışımasının frekansa göre dağılımını veren ampirik formülünü açıklayarak kuantum düşüncesine doğru ilk adımı atmıştı
Planck, ampirik formülüne yorum olarak benimsemek zorunda kaldığı enerjinin kuantumlanması hipotezini ve doğru formülü çıkarışını da 14 Aralık 1900’de Alman Fizik Derneği toplantısında sundu Planck, formülünü çıkarırken şöyle bir yol izledi: İdeal bir kara cisim gibi davranan, çeperleri T sıcaklığında ısısal dengede tutulan, iç yüzeyi girintili çıkıntılı ve üzerinde küçük bir delik açılmış bulunan bir kovuğun duvarlarındaki salınıcıların enerjilerinin υ h ’nün tam sayı katları olduğunu ve kovuktaki elektromanyetik dalgalarla enerji alışverişinin υ h birimleriyle yapıldığını ileri sürdü
Burada h , Planck sabiti olarak bilinen, doğanın yeni bir sabitidir

ν salınıcının frekansıdır Planck bu cesur atılımıyla kuantum kuramının perdesini aralamış oldu Planck varsayımı, “belli şartlar altında elektromanyetik dalgaların davranışı; c ışık hızıyla hareket eden ve her biri υ h enerjisi taşıyan ve foton olarak adlandırılan parçacıklar aracılığıyla en iyi anlatılabilir” önerisini Einstein ortaya atmadan önce fazla bir dikkat çekmedi Elektromanyetik enerjinin sürekli değil de kesikli değerler alabileceği olgusu yeni ve önemli gelişmelere yol açtı Bundan yararlanarak Einstein o zamana kadar açıklanamayan katıların ısı sığasının düşük sıcaklıklardaki davranışını yaklaşık olarak ve fotoelektrik olayını mükemmel bir şekilde teorik olarak açıkladı Fotoelektrik olay, elektronların, ışık etkisiyle belirli metallerden veya iletkenlerden sökülmesidir Einstein, yalnız bu çalışmasıyla 1921 Nobel Fizik ödülünü kazandı Daha sonraları Compton olayının ve hidrojen atomu spektrumlarının açıklanmasında da elektromanyetik salınımların kuantumlu olduğunu söyleyen Planck’ın varsayımı esas alındı

Planck’ın kendisinin bile inanmakta uzun bir süre tereddüt ettiği kuantum hipotezinin, 20 yy fizik dünyasına ilişkin anlayışımızda gerçekleştirdiği köktenci değişiklik bu rastlantıdan daha iyi örneklenemezdi Bir bilim felsefecisinin dediği gibi [3]
“ Devrimcilerin en gönülsüzü Planck’a, bu yabancı dünyaya gözü ilişen ilk kişi olma fırsatının verilmesi yaman bir ironiydi: Ne kendi inançlarına uygun geleneksel fiziğin yolunda gitme ne de yeni fizik diyarında açılarak onunla bütünleşme özgürlüğüne sahipti
Yeni teorisini klasik fizik ilkeleriyle açıklama çabasını sekiz yıl sürdürmüş olması bunu göstermektedir Mizaç bakımından tutucudur ve kader ona asi rolünü biçmişti Planck’ın zekasının ve tutarlılığının en iyi ölçüsü bu rolü hakkıyla oynamış olmasıdır”
Kuantum kavramı, en önemli uygulamalarından birini Niels Bohr’un Hidrojen atom teorisinde buldu İlk kez bu kuramda, iki farklı gelişme çizgisi, yani atom teorisi ile ışıma teorisi birleştirilir İncelemeler, atomun basit olmadığını, daha küçük parçacıkların bir araya gelmesinden oluştuğunu gösterir ERutherford’un atom modeline göre, atomda bir çekirdek ve onun çevresinde belli yörüngelerde dönen belli sayıda elektronlar vardı
Rutherford’un genç bir asistanı olan Niels Bohr 1913’te Rutherford’un atom modelinin Planck’ın enerji kuantumu kuramıyla birleştirilmesi gerektiğini ortaya çıkarır
Bohr, hidrojen atomundan yayınlanan spektrumların frekanslarına ait, ampirik olarak bulunan bazı bağıntıları elde etmek için bir model geliştirdi Bohr’un düşünceleri
aşağıdaki postülalarda toplanmıştır:
1 Bir atomdaki elektronların hareketi, sadece bazı belirli hallerde olabilir Bu kararlı hallerin her birinin sabit ve belirli bir enerjisi vardır
2 Atom bu durumlardan birinde iken ışık yaymaz fakat yüksek bir enerji durumundan düşük bir enerji durumuna geçerken atom bir ışık yayınlar Bu ışığın enerjisi h υ olup iki enerji durumu arasındaki farka eşittir
3 Bu durumların her birinde elektron, çekirdek etrafında dairesel bir yörüngede döner
4 Bir yörünge üzerinde elektronun açısal momentumu,
π 2h = h ‘nin tam katları
olacak şekildedir h n L = , n = 1, 2, 3, …
Bu dört postüladan ilk ikisi doğrudur ve modern kuantum kuramında da bulunmaktadır Dördüncü postüla kısmen doğrudur Elektronun açısal momentumu sabittir fakat Bohr’un ileri sürdüğü gibi değildir Üçüncü postüla tamamen yanlıştır
Elektronların yörüngesi dairesel değil elipstir 1900’den 1925’e kadar geçen döneme klasik kuantum mekaniği dönemi denir
Gerçekten bu dönemde Bohr’un teorisi spektroskopi verilerine, yani her elementi niteleyen spektral çizgi dizilerine son derece kesin bir yorum getiriyordu
Kuantum düşüncesinden yola çıkarak fizikçilerin geliştirdiği modern kuantum kuramı nedir? Bu sorunun yanıtı ikinci kısmın konusunu oluşturmaktadır

Kaynaklar:
(1) Süleyman BOZDEMİR, M Serdar ÇAVUŞ, ‘’Kuantum Kuramı ve
Felsefesi’’, Bilim ve Ütopya, Sayı 134 Ağustos 2005
(2) Barry PARKER, ‘’Kuantumu Anlamak’’, Türkçesi: Elif AKLIN, Güncel
Yayıncılık, Nisan 2005
(3) William H CROPPER, ‘’Büyük Fizikçiler’’, Türkçesi: Nurettin
ELHÜSEYNİ, Oğlak Yayıncılık, 2005

__________________