Kuantum Mekaniği İlkeleri

[MuminOKAN]

Klasik fizik maddeyi makroskobik olarak inceler. Bu mekaniğe Newton mekaniği denir ve fizikteki devrimlerin en önemlilerinden biridir. Ancak 20.yüz yıl başlarında, Newton'dan iki asır sonra, klasik fizik bazı olayları açıklayamadığından yeni arayışlar doğmuş ve sonuçta kuantum mekaniğinin gebeliği başlamıştır.

Kuantum mekaniği (KM) teorik temel parçacık fiziğinin tam merkezinde bulunur. Atom ve molekülleri doğru şekilde tanımlamak ve anlatmak bakımından mükemmel bir teori olmasına rağmen birçokları tarafından olasılıklar, belirsizlikler, kesin tanımlamaları engelleyen ve pek açık olmayan bir teori olarak da düşünülür. KM olmaksızın DNA'nın yapısı ve işlevini, yıldızların renklerini, atomların kararlılığını, kimyasal bağları, üstüniletken-akışkanların özelliklerini ve LASER'i anlayamaz, anlatamazdık. Ancak, KM kendi içinde bir kuram değildir, daha çok bütün çağdaş fizik kuramlarının içinde yer alması gereken bir çerçevedir.

Bütün bunların arasında KM'nin ustalarından birisi de "Biliyor musunuz, benim fizik öğrencilerim de anlamıyorlar. Çünkü ben anlamıyorum. Hiç kimse anlayamıyor... Ben size doğanın niçin bu kendine özgü biçimde çalıştığını anlatamam" diyerek sağduyumuzu ne kadar çok zorladığını ima etmektedir. Çünkü KM doğayı sağduyu bakımından zırva olarak tanımlar. Aslında KM'in mantıksal ve matematiksel yapısı, her türlü çelişkiden uzak, tamamen bağdaşık, içten tutarlı özellik gösterir.



KM'i, temel fizik kuramları içerisinde "üstün" kuramlardan kabul edilir. Buna karşın evrenin büyük patlamayla oluşumu sadece "yararlı teori" olarak kabul edilir. Üstün kuram şudur; evren ve dünyadaki tüm olgulara uygulanabilir ve hiç bir gözlemsel sapmaya yer vermez. Ancak, içinde yaşadığımız dünyanın eksiksiz bir resmini tanımlamak için halen yetersizidir ve belki de daha sonraki teorilerin temelini oluşturacak olan bir çocuktur. KM'nin yasaları çok kesin bir biçimde formüle edilmesine rağmen sonuçları "yorumlamak" tuhaf bir belirsizlikle uğraşmaya benzer. Ancak, o kadar kesin işlemektedirler ki onları yadsımak mümkün değildir. Bununla birlikte bir cisim büyüdükçe ve kütlesi arttıkça, KM ile hareketin normal "klasik fizik" yasaları arasındaki farkı görmek giderek güçleşir.

Yirminci yüzyılın büyük fizik kuramları; kuantum kuramı, özel-genel görelilik ve kuantum alan kuramıdır. Bu kuramlar birbirinden bağımsız değildir. Genel görelilik özel görelilik üzerine kurulduğu gibi, kuantum alan kuramı da özel görelilik ve kuantum kuramına dayanmaktadır. Kuantum alan kuramının, 1011 de bir ölçüsünde doğru olan ve şimdiye kadar yapılmış olan en duyarlı kuram olduğu söylenir. Genel görelilik ise 1014'de bir doğruluğa sahiptir.

KM, yalnızca eski Newton'cu mekaniğin ortaya attığı düşüncelerle değil, sağduyumuzla da pek çok açıdan uyuşmazlık içindedir. Sağduyumuzu adeta törpülemiştir. KM bize saçma geliyor olabilir. KM'ne inanmamızın nedeni öngörülerinin deneysel sonuçlarla mükemmel uyumudur. Örneğin; elektronun manyetik momentumu KM teorik hesaplamalarla 1.001159652(46) olarak bulunurken, deneysel sonuçlar 1.0011596521(93) sayısını verir ve sadece on birinci ondalık basamakta kuramsal ve deneysel ölçüm birbirinden farklılık gösterir. Bu elimizdeki teorinin gerçekle uyuşması açısından akıl almaz bir tahmindir.

100 yaşını henüz geçen KM'ın, 1900'da Max Planck'ın (1858-1947) fizikçilerin yıllardır üzerinde uğraştıkları bir problemin kabul edilebilir bir çözümünü bulmasıyla doğum sancıları başlamıştı. Isıtılan bir madde parçası kızdıkça ışıldamaya başlar. Daha yüksek sıcaklıklarda kızıl kor, sonunda da akkor haline gelir. Yüksek ısılarda böyle siyah cisimler tarafından ışınlar yayılır. Bu "siyah cisim ışıması"dır. Planck, ışınımın büyüklüklerinin belli paketler halinde yayıldığını ileri sürmüştü. Enerjinin ayrı ayrı enerji paketleri halinde yayılması yeni bir düşünceydi. Planck, bu açıklamanın doğayı tanımlamada kullandığımız temel kavramları kökünden sarsacağından habersizdi. Böyle bir paketteki (kuantum) enerji miktarı ışınım frekansıyla doğru orantılıydı. Denklem olarak şöyle yazılıyordu: E=hν=hc/λ. Planck, gerek duyduğu sabiti de h ile gösterdi. Bu sabit daha sonra Planck sabiti olarak adlandırıldı ve ışık hızı ya da pi sayısı gibi doğanın bir değişmezi, Planck sabiti de keşfedilmiş oldu. Böylece kuantum dünyasının gizli perdesi iyice aralandı. Ardından, oyunun başlaması çok uzun zaman almadı. 1905'lerde ise Louis de Broglie, lamdaλ frekansıyla salınım yapan bir parçacığa, bir "dalganın eşlik edeceğini" gösterdi.

Niels Bohr (1913), bir atom çekirdeğinin yörüngesindeki elektronların açısal momentumunun, h/2π'nin tam katları değerler alabileceğini ortaya koydu. Daha sonra Paul Dirac daha kullanışlı olan ħ=h/2π tanımını geliştirdi (uzun kolunda yatay çizgi olan h). Buna göre açısal momentum elektronlar için sadece 0,ħ,2ħ,3ħ,4ħ şeklinde değerler alabiliyordu. Bu yeni sistemle atomun çevresindeki elektronların kararlı enerji düzeyleri olduğu ortaya konuldu. 10 yıl sonra, 1923'de de Broglie, parçacık-dalga karmaşasına bir aşama daha ekleyerek parçacıkların bazen dalgalar gibi davrandıklarını öne sürdü. Böylece Einstein'ın ünlü E=mc2'si ile Planck'ın E=hν'si iyice birbirine yakınlaşmaya başladı. Bugün için iyi bilinen E=mc2=hν=ћω denklemi elde edildi. Burada v frekansında salınan parçacık, yalnız kesikli hν/c2 kütle birimlerinden (kuantum) oluşmalıydı. Werner Heisenberg "matris" mekaniğini (1925) ve Erwin Schrödinger "dalga mekaniğini" (1926) ortaya koyarak kuantum kuramını güçlü bir zemine oturttular.

ALINTI