Kuantum Mekaniği

Genel Bakış

İngilizce'de Quantum (Latince: 'quantus', "ne kadar") olarak kulanılan terim, kuramın belirli fiziksel nicelikler için kullandığı kesikli birimlere gönderme yapar Nicem mekaniğinin temelleri 20yy'ın ilk yarısında Max Planck, Albert Einstein, Niels Bohr, Werner Heisenberg, Erwin Schrödinger, Max Born, John von Neumann, Paul Dirac, Wolfgang Pauli gibi bilim adamlarınca atılmıştır Belirsizlik ilkesi, anti madde, Planck sabiti, kara özdek, dalga kuramı, nicem alanları, olasılık teorisi, kaos teorisi gibi kavram ve kuramlar bu alanda geliştirilmiş ve kökleşik fiziğin olduğu kadar kökleşik düşünce ulamlarınin da sarsılmasına, değiştirilmesine etki etmiştir

Tarih

Klasik mekanik çok başarılı olmasına karşın, 1800'lü yılların sonlarına doğru, kara cisim ışıması (blackbody radiation), tayf çizgileri, fotoelelektrik etki gibi bir takım olayları açıklamada yetersiz kalmıştır Açıklamaların yanlışlığı bilim adamlarının yetersizliğinden değil aksine klasik mekaniğin yetersizliğinden kaynaklanıyordu Klasik mekanikteki sorunun ne olduğunu anlatmak aşırı teknik kaçacaktır, ancak en yalın halde klasik mekanik evreni bir "süreklilik" olarak modelliyordu 1900 yılında Max Planck enerji'nin, 1905 yılında ise Albert Einstein ışığın paketçiklerden oluştugunu, yani süreklisizlik gösterdiğini, bir varsayim olarak kullanmak zorunda kaldilar,bazi deneyleri açıklamak için 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 teori ye göre aciklanacak olursa, ivmelenen yükler ışıma yapar, dairesel haraket de ivmeli bir hareket olduğu için, elektron bu ışımayla enerji yayacak ve çekirdeğe düşüp sistem çökecekti Geçiçi çözüm Niels Bohr tarafından geldi Elektronlar belli kuantizasyon kurallarınca, belli yörüngelerde hareket ediyorlar, enerjileri belli bir değere ulaşmadıkça ışıma yapamıyorlar bu sayede sistem dengede durabiliyordu Bu geçici çözüm küçük atomlarda işe yaradıysada daha büyük kütlelerde işe yaramıyordu Bohr atom modeline, modeli deneylere uydurulmak için birçok yama yapıldı Ne var ki Bohr'un "yamalı bohça"sı 1920'lere gelindiğinde artık iş görmüyordu, tayf çizgilerinin gözlenen yoğunluğunu yanlış veriyor, çok elektronlu atomlarda salınım ve emilim dalgaboylarını tahmin etmede başarısız oluyor, atomik sistemlerin zamana bağlı hareket denklemini vermedeki başarısızlığı gibi birkaç konuda daha gerçekleri gösteremiyordu Kuantum mekaniğini Planck doğurduysa, bebekliğinin sonu da De Broglie ile gelmiştirLouis De Broglie; birçok elçi, bakan ve Dük yetiştirmiş, aristokrat bir Fransız ailesinin çocuğuydu Tarih eğitimi gördükten sonra fiziğe geçmiş ve 1923'te verdiği doktora tezinde, ışığın hem dalga hem de parçacık karakteri olmasından esinlenerek, aslında bütün madde çeşitlerinin aynı özelliği gösterebileceğini onerdi Ortaya koyduğu fikir, Bohr'un "gizemli" yörüngelerini açıklamada başarılı oluyordu

Işığın girişim, kırınım yaptığı, yani dalga özelliği gösterdiği, Thomas Young'in yaptığı çift yarık deneyi ile gösterilmişti Ama tüm madde parçacıklarının, su dalgaları ile aynı matematiksel özellikleri göstereceği beklenmiyordu Max Planck 1900 yılında karacisim ısınımı problemini (morotesi facia diye de anılır), çözmek için

E= hv

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 idi 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 yüzden de onlarla doğru orantılı olmalılardı Fotonlar icin E=h*nu olduğundan, madde için de

E = hv k=p/h ve

varsayımlarını yapmak 'doğal' gözükmüştür

Herhangi bir kapali yorungenin 1/|k| nin tam kati olmasi vassayimi ile, de Broglie, deneysel olarak gozlenen ve Sommerfield ve Bohr tarafindan "kuantize olma sartlari" olarak anilan sartlari matematiksel olarak kolayca turetti Bu turetme gayet gizemli bir sekilde dogru sonuclar verince (Davisson ve Germer, 1927 yılında Bell Labaratuvarlarında gerçekleştirdikleri deneyle, elektronların da aynı ışık gibi girişim yaptığını ortaya koydular Deney 1924'te de Brogli tarafından önerilmişti) insanlar deneysel olarak baska seyleri tahmin etmesini de beklediler Elbette yanildilar cunku bu sartlar serbest isik parcalari icin yola cikan varsayimlarin, cekirdege bagli elektronlar icin uyarlanmasiydi ve cok ileri goturulmemesi gerekiyordu Ama dogru cikis noktasi idi

Enteresan bir sekilde 1925-1926 yillari arasinda Werner Heisenberg, Max Born, Wolfgang Pauli ve Pascual Jordan, matriks mekanigi ile kuantum mekaniginin formal tanimini yaptilar ama formalizmlerinde dalga mekanigine yer vermediler Benimsedikleri felsefe ise, tamamen pozitivist idi Yani sedece deneysel olarak gozlenebilen degerleri gozonune alan bir yaklasim kullandilar

1926 yilinda Edwin Schrodinger bir dizi denklemle dalga mekanigini yeniden canlandirdi Sonunda kendi dalga mekaniginden Heisenberg'in matriks mekanigini de turetip iki formalizmin matematiksel olarak denk oldugunu da gosterdi Son makalelerinden birinde Schrodinger, relativistik bir dalga denklemi de sunar

Dirac'a gore ise tarih biraz daha farkli islemistir Ona gore, Schrodiger once relativistik dalga denklemini gelistirdi, sonra bunu kullanarak hidrojenin spektrumunu hesapladi ve deneylere uymadigini gordu Ancak bu denklemin, dusuk hizlarda gecerli olan versiyonu aslinda calisiyordu! Sonrada relativistik dalga denklemini yayinladiginda ise, bu Oskar Klein ve Walter Gordon tarafindan yayinlanmisti ve hala Klein-Gordon denklemi olarak anilir

Bu noktadan sonra Dirac teoriye çeki düzen vermiş, özel görelilikle uyumlu hale getirmiş ve bazı deneylerin sonuçlarını teorik olarak üretmiştir,ornegin pozitron'un varliginin tahmini 1930'lara gelindiğinde ergenlikten çıkmış bir teori halini almıştır kuantum teorisi Daha sonra 1940'lar da Sin-Itiro Tomonaga, Julian Schwinger ve Richard P Feynman, Kuantum elektrodinamiği konusunda önemli çalışmalara imza atmış, 1950'li ve 60'lı yıllar Kuantum renk dinamiğinin gelişimine tanık olmuşlardır