Werner Heisenberg

[bluemoon24]

Modeli kimi

yönleriyle yetersiz bulan genç fizikçilerin başında De Broglie, Pauli,

Heisenberg, Schrödinger ve Dirac gibi çalışmalarıyla daha sonra ünlenen seçkin

adlar vardı. Bunlar arasında en büyük atılımın Heisenberg'den geldiği

söylenebilir. Heisenberg yirmi dört yaşında iken oluşturduğu matris

mekanik ve kendi adıyla bilinen belirsizlik ilkesiyle atom fiziğine yeni bir

kimlik kazandırır, 1932'de Nobel Ödülünü alır. Fizikçi arkadaşları

arasında sezgi gücüyle tanınan Heisenberg, daha okul yıllarında, ders

kitaplarında yer alan görsel modellere kuşkuyla bakmıştı. Bohr modelini bile pek

inandırıcı bulmamıştı. Özellikle modele dayanan varsayımlardan, görsel

imgelerden kaçınıyordu. Atom, modellerde işlendiği gibi karmaşık değil, basit

bir yapıda olmalıydı. Bohr ile karşılaşmak, tartışmak aradığı bir fırsattı.

Bu fırsat çıktığında delikanlı Münich Üniversitesi'ndeki öğrenimini

keserek Göttingen'e koşar. Bohr bir sömestr için Göttingen Üniversitesi'ne konuk

öğretim üyesi olarak çağrılmıştı. Atom fiziğinin önde gelen bir kurucusuyla

tanışmak kaçırılacak bir fırsat değildi. Heisenberg dikkatli bir dinleyiciydi;

ama sırası geldiğinde, doyurucu bulmadığı noktaları belirtmekten, dahası Bohr'u

düpedüz eleştirmekten geri kalmıyordu. Bohr bu iddialı gencin olağanüstü yetenek

ve coşkusunu farketmekte gecikmez; sömestr sonunda onu Kopenhag Teorik Fizik

Enstitüsü'ne katılmaya davet eder. Üniversiteyi bitirir bitirmez, seçkin

genç fizikçilerin toplandığı Enstitü'ye katılan Heisenberg'in sorguladığı temel

nokta şuydu: Bohr modelinde öngörüldüğü gibi elektron devindiği yörüngeyi nasıl

seçmekte, dahası bir başka yörüngeye sıçramadan önce titreşim frekansını nasıl

belirlemekteydi? Bohr varsaydığı bu davranışı açıklamasız bırakmıştı. Onun

yaptığı sadece Planck'ın kuvantum sabitini uygulamaktı.Bohr'a göre,

atomun dengesini koruması, Planck sabitinin enerjiyi sınırlama ve düzenleme

etkisiyle gerçekleşmekteydi. Ama bu argüman doyurucu bir açıklama getirmiyordu.

Elektronun çekirdek çevresinde devinen, sıradan bir parçacık olduğu savı

da dayanaksızdı. Gerçi Bohr'un atomik olgulara Planck sabitini uygulaması

yerinde bir yaklaşımdı; çünkü kuvantum teorisi klasik mekanikten daha yeterli

sonuç vermekteydi. Ancak bu teorinin birtakım sorunlar içermediği demek

değildi.Heisenberg varsayımlar ve görsel modeller yerine, doğrudan

deneysel verilere dayanan matematiksel bir dizge arayışı içindeydi. Öncelikle

kimi saptamaların göz önünde tutulması gerektiğine inanıyordu.Örneğin,

atom içinde kaldığı sürece elektrona ilişkin tahmin ötesinde fazla bir şey

bilmediğimiz, ama atom dışındaki davranışına ilişkin elimizde epey deneysel veri

olduğu; yine, ivmeli devinen bir elektrik yükü olarak elektronun,

elektro-manyetik radyasyon saldığı, salınan radyasyonun frekansının deviniminin

yinelenme frekansıyla daima aynı olduğu. (Elektronun radyo antenindeki

iniş-çıkış deviniminin frekansının salınan radyasyon frekansıyla aynı olması

buna gösterilebilecek bir örnektir.); öyleyse, elektronun atom içinde de ivmeli

devinen bir elektrik yükü olduğu koşuluyla, radyasyon saldığı, salınan radyasyon

frekansının, devinimin yinelenme frekansıyla aynı olduğu söylenebilirdi. Ne var

ki, elektronun bir yörüngede devindiği varsayımına göre hesaplandığında bu

beklenti doğrulanmamıştır. Bu türden kimi olumsuz sonuçlar Bohr'u

yörüngeler arasında sıçrama hipotezine götürmüştü. Buna göre, sıçramada yiten

enerji, salınan radyasyonun frekansını belirlemekteydi. Tek elektronlu olan

hidrojen atomunda bu beklenti doğrulanmaktaydı. Ama sıçrama düşüncesi yörünge

varsayımını içeriyordu; oysa ortada yörüngelerin varlığını gösteren hiç bir

kanıt yoktu.Öte yandan, yukarda örnek olarak aldığımız radyo anten olayı

da yadsınamazdı. Gerçi Bohr'un teorisine dayanan kimi öndeyilerin bu olaya

uyduğu bir durumdan söz edilebilir. Şöyle ki, elektron çekirdekten uzakta, geniş

bir yörüngede devindiğinde varsanan sıçrama enerjisi sıfıra yakındır. Atomun dış

sınırında elektronun yörüngeyi tamamlama frekansı beklenen sonuca uymakta, yani,

yörüngesel frekans radyasyon frekansına eşit çıkmaktadır.Bohr karşılık

(correspondence) dediği yöntemiyle atom dışından atom içi spektruma

gidilebileceğini göstermişti. Heisenberg yeterince ussal bulmadığı bu yöntem

yerine bu gidişi daha mantıksal bir yöntemle gerçekleştirmeyi önermekteydi. Ona

göre spektral kod ancak böyle çözülebilirdi.Heisenberg çözüm için

aradığı ipucunu klasik devinim yasalarında bulabileceğini düşünür. Bilindiği

gibi, bir gezegenin aldığı yolu belirlemek için, gezegenin belli bir andaki

konumunu belirleyen nicelikle momenti (kütle x hız) çarpılır. Öyleyse olasıdır

ki, atom düzeyinde de bir frekans çöküntüsüyle bir başka frekans çöküntüsünün

çarpımı bize aradığımızı versin! Ancak Heisenberg'in frekanslara ilişkin

ortaya koyduğu simgelerin kullanımı değişik bir çarpım tablosu gerektirmekteydi.

Heisenberg farkında olmaksızın matris cebir denen bir sistemin kimi

kurallarını yeniden keşfetmişti. Hocası Max Born'un yardımıyla aradığı teorinin

(kuvantum mekaniğin) matematiksel temelini oluşturmakta artık gecikmeyecekti.

Aslında oluşturulmakta olan yeni sistem, bir bakıma, klasik mekaniği

andırmaktaydı; şu farkla ki, klasik mekaniğin simgesel sözlüğü konum, moment

ve devinime ilişkin diğer nicelikleri dile getirirken, yeni mekaniğin simgeleri

atomik verileri temsil ediyordu. Matris cebir, klasik mekaniğin yetersiz kaldığı

atomik problemlerin çözümüne elveren bir yöntemdi.Ne var ki, başlangıçta

Heisenberg hayal kırıklığına uğramaktan kurtulamaz; yeni yöntemle hidrojen

spektrumunu hesaplama başarısız kalmaktaydı. Ama çok geçmeden onu umutsuzluktan

kurtaran bir gelişmeyi fark eder. Fizikçi arkadaşı Pauli'nin bulduğu dışlama

(exclusion) ilkesi geliştirmekte olduğu teoriye önemli destek sağlamaktaydı.

(Pauli'nin çalışması atomik spektraya ilişkin gözlemlere dayanıyordu. Bu

gözlemler çoğunluk biribirinden farklıydı.Pauli bu gözlemlerin hepsi

için geçerli bir açıklama arayışındaydı. Bulduğu açıklayıcı ilke şuydu: Herhangi

bir elementer parçacıklar sisteminde, örneğin, atom kapsamındaki elektron

topluluğunda, hiçbir iki parçacık aynı biçimde devinmez, ya da, aynı enerji

durumunda olmaz.)Bu basit ilke yalnız elektronlar için değil, ilerde

keşfedilenlerle birlikte atom-altı tüm parçacıklar için geçerliydi. Üstelik bu

ilke, Bohr'un atom modelinde bir bakıma elyordamıyla yaptığı bir sınırlamayı

(elektron davranışları üzerindeki sınırlamayı) da anlamlı kılıyordu.

Pauli dışlama ilkesi diye bilinen buluş Heisenberg'e teorisini

tamamlama yolunu açmıştı. Artık, Bohr'un karşılık yöntemini yetkin mantıksal

bir dizgeye dönüştürebilirdi. Spektral kod çözüm aşamasına ulaşmış, kuvantum

mekanik doğmuş demekti. Tam bu sırada beklenmeyen, dahası, şaşkınlık yaratan

yeni bir gelişme ortaya çıkar: Avusturyalı fizikçi Erwin Schrödinger matris

cebirine başvurmaksızın atomik spektrayı, dalga olayına uygulamaya elveren bir

diferansiyel denklemle çözümler. Böylece, klasik fizik yasalarıyla çelişkiye yol

açan kuvantum kurallarına gerek kalmadan atomun kesintili enerjisi

açıklanabilmekteydi.Schrödinger'in dalga denklemi, enerji bölümleri

düşüncesinin fizikte yarattığı uyumsuzluğu gidermeye yeterli görünmekteydi.

Kuvantum düşüncesi fiziğin temel ilkelerinden biri olan neden-sonuç bağıntısını

dışlamaktaydı; öyle ki, kesin öndeyilere olanak yoktu. Öndeyiler olasılık

çerçevesinde yapılabilirdi, ancak. Oysa Schrödinger dalga mekaniğiyle, bu tür

sakıncalara yol açmaksızın, atom-altı düzeydeki tüm olguları açıklayabileceği

inancındaydı.Örneğin, dalga mekanik formülü kara-cisim radyasyonuna

ilişkin gözlem verilerine Planck formülü ölçüsünde uygun düşmekteydi. Ona göre,

madde dalgasal bir olaydı; elementer parçacık diye nitelenen şey, aslında,

dalgaların biribirini pekiştirdiği küçücük uzay bölgelerinden başka bir şey

değildi. Sıçrama fikrine gerek yoktu.Şimdi yanıtlanması gereken soru

şuydu: dalga mekaniği gerçekten fiziği eski bütünlüğüne kavuşturuyor muydu?

Kuvantum kavramına artık gerek kalmamış mıydı? Bohr ve Heisenberg'e göre buna

olanak yoktu. Çünkü elektron ister yörüngede devinen bir parçacık olarak

düşünülsün, ister bir dalga titreşimi olarak algılansın, kesintilik gözardı

edilemez, sıçrama varsayımından vazgeçilemezdi. Kaldı ki, dalga dilinde bile

sıçrama düşüncesinin, üstü örtük de olsa, var olduğu söylenebilirdi. Öte

yandan başta Max Planck, de Broglie olmak üzere kimi fizikçiler Schrödinger'i

desteklemekteydi. Bu, de Broglie için doğaldı, çünkü atom fiziğinde dalga

düşüncesi ondan kaynaklanmıştı. Oysa, Max Planck öncüsü olduğu kuvantum

teorisine ters düşen bir yaklaşıma arka çıkmaktaydı. Ne var ki, Planck

yaratılıştan tutucu bir kişiydi; kurduğu teorinin sonraki gelişmelerinde ortaya

çıkan aykırılıkları, özellikle nedensellik ilkesinden uzaklaşmayı içine

sindirememişti. Öyle ki, Schrödinger'e fiziği içine düştüğü bunalımdan kurtaran

bir kahraman gözüyle bakıyordu. Fizik dünyası bir ikilemle karşı

karşıyaydı. Bir yanda parçacık kavramına dayanan kuvantum mekaniği, öte yanda

parçacık kavramını hiç değilse, dışlayan dalga mekaniği: aynı olgu kümesini

açıklamaya yönelik biribirine ters düşen iki teori!Bu arada, Bohr'un

esnek bir tutum içine girerek iki teoriyi bağdaştırma girişimi de ilginçtir.

Belki de atomu ve bileşenlerini ne salt parçacıklar ne de salt dalgasal birimler

olarak düşünmek doğruydu. Belki de doğru olan, iki teorinin de sınırlı bir

geçerliliğe sahip olduğunu söylemekti. Dahası, alternatif açıklamalar

getirmeleri, iki teorinin bağdaşmazlığı anlamına alınmamalıydı. Bohr bu

tür olasılıklar üzerinde dururken, Heisenberg iki teori arasında bir uzlaşmaya

olanak tanımıyordu. Ona göre atomun dalga yapısını gösteren herhangi deneysel

bir kanıt yoktu. Gerçi sıradan deneylerimize aykırı düşen elementer parçacıkları

somut maddesel değil, soyut nesneler olarak algılamak yerinde bir yaklaşımdır.

Ancak, bu soyut nesnelerin davranışlarını betimlemede birtakım varsayımlara

değil, ölçülebilir deneysel sonuçlara bağlı kalmak gerekir.Heisenberg,

önerdiği matris mekaniğin bu nitelikte bir dizge olduğu savındaydı. Belli

fiziksel bir olgu ya parçacık, ya da, dalga kavramıyla açıklanabilirdi, ikisiyle

birlikte değil! Doğa biribirine ters düşen iki kavrama aynı bağlamda elveren bir

çelişki ya da karışıklık içinde olabilir miydi?Sıkıntı bir ölçüde gene

Heisenberg'in ortaya koyduğu bir ilkeyle, belirsizlik ilkesiyle giderilir. Bu

ilke, belli tanımlar arasındaki bir ilişkinin matematiksel türden dile

getirilmesidir. Kasaca şöyle demektedir: belli bir anda, konum ve momentin

birlikte ölçümünün en az Planck sabiti kadar bir belirsizlik taşıması

kaçınılmazdır: . Başka bir deyişle, konum

ve moment biribirinden bağımsız değişkenler değildir; birini tam belirleme

diğerini belirsiz bırakır. Klasik fizikte ölçülen değişkenler Planck

sabitine (h) görecel olarak çok büyük olduğundan öyle bir belirsizlik söz konusu

değildir. Oysa atom-altı düzeyde önemli bir sayı olan Planck sabiti (h),

bildiğimiz anlamda belirleme kesinliğine olanak vermemektedir. Tüm belirlemeler

istatistiksel türden ortalamalar olarak yapılabilir.Heisenberg'in

belirsizlik ilkesi kuvantum mekaniğinin genel bir dizge niteliği kazanmasında

anahtar işlevi görür. Şimdi sorulabilir: Konum ve moment değişkenlerinin

eş-zaman ölçümünü olanaksız kılan şey nedir? Bu olayda Planck sabitinin rolü

nedir? Daha da önemlisi, belirsizlik ilkesi bilgi arayışının sınırlaması

anlamına mı gelmektedir? Klasik fizikte konum, hız, frekans vb.

değişkenler üzerindeki deney ve ölçmelerin bu değişkenleri etkilemediği

varsayımına dayanılır. Oysa bu varsayım atom-altı düzey için geçerli değildir.

Planck sabitinin çok önemli olduğu bu düzeyde, deneysel araç ve düzenlemelerin

ölçmeye konu bu değişkenleri bir şekilde etkilemesi kaçınılmazdır. Orta-boy

düzeyde bu etki önemsizdir. Atom-altı düzeyde ise en küçük etki bile çok

önemlidir.Örneğin, bu düzeyde fotoğraf çekiminde salınan ışık, sonucu

büyük ölçüde değiştirilebilir. Bu demektir ki, belirleme yöntemimizin etkisi

belirlediğimiz nesne veya sürecin ayrılmaz bir parçası olmaktadır. Öyleyse,

algıladığımız şey algımız dışında salt nesnel bir gerçekliği yansıtmamaktadır.

Peki bunun araştırmaya bir sınır koyduğu söylenebilir mi?Bu soruyu

yanıtlamak için Heisenberg'in belirsizlik ilkesinin anlamını iyi kavramak

gerekir. Atom-altı düzeyde ilişkilerini nedensel olarak belirlemeye çalıştığımız

değişkenler (konum, momentum, vb.) biribiriyle karşılıklı dışlaşma içindedirler.

Biri belirlendiğinde diğeri belirsizlik içine düşer. Bu yüzden, yetersiz

belirlemeyle yetinmek koşuluyla, bir tür nedensel bir bağıntı kurulabilir. Bir

deneyde konum tam saptanırken bir başka deneyde momentin tam saptanması yoluna

gidilebilir. Kuvantum mekanikte olasılıklara yönelik istatistiksel belirleme

yöntemi matematiksel sembolizmin özünü oluşturmaktadır. Atom fiziğinde,

Heisenberg gibi, görsel model yaklaşımının karşısına çıkan bir başka genç

fizikçi de Paul A.M. Dirac'tı. Heisenberg ile Schrödinger'in biribirinden

bağımsız atılımlarına bir üçüncüsünü Dirac ekler. Kuvantum mekanikte, klasik

mekaniğinin ve p ile simgelediği konum

ve momentum nicelikleri yerine frekans çöküşleri konmuştu.Bu teoride,

bildiğimiz aritmetik kurallarının tersine pxq ile qxp aynı şeyler değildi.

Çarpımda çarpan ile çarpılanın sırası sonucu değiştirmekteydi. Dirac başlangıçta

hemen herkesi şaşırtan bu terslikte, klasik fizik yasalarıyla henüz belirsiz

kalan atomik yasalar arasındaki temel farkın ipucunu bulur. Şöyle ki, pxq ile

qxp çarpımları arasındaki farkı biliyorsak, ayrıca bu farkın tüm gözlemlerde

değişmediği doğruysa, o zaman, klasik mekanikteki herhangi bir denklemi atomik

bir denkleme kolayca dönüştürebiliriz.Bu temel noktaya parmak basan

Dirac, aradığı matematiksel aracı Poisson parantezleri denen teknikte bulur.

Dirac bu tekniği Heisenberg dizgesine uyguladığında, beklentisi doğrultusunda,

pxq ile qxp'nin farkını belirler ve bu farkın değişmezliğini saptar. Böylece

Poisson parantezleri tekniği kullanılarak herhangi bir klasik denklemin kuvantum

mekaniğine ait eşdeğer bir denkleme dönüştürülebileceği gösterilir. Sonuç,

klasik mekaniğin yapısal bütünlüğünü kazanan yeni bir mekanik

demekti.Dirac'ın ulaştığı bu sonuca, çok geçmeden, değişik bir yoldan

Max Born da ulaşır: Heisenberg ve Schrödinger mekanikleri üzerindeki

tartışmalarla çalkalanan fizik dünyası bir üçüncü mekanikle yüzyüze gelir.

Ne var ki, görünümdeki tüm farklara karşın, temelde, üç mekanik eşdeğer

nitelikteydi. Örneğin Dirac mekaniğinin de paylaştığı Heisenberg çarpım

kuralının Schrödinger mekaniğince de içerildiği söylenebilir.Bu

yakınlığın Dirac'ın attığı yeni bir adımla daha da pekiştiğini görmekteyiz:

Dirac özel relativite kavramlarından yararlanarak Schrödinger dalga denklemini

değişik bir biçimde ortaya koymayı başarır. Yeni denklem elektronun spin denen

bir özellik taşıdığını içeriyordu. Eldeki deneysel veriler de öyle bir özelliğin

varlığını kanıtlayıcı nitelikteydi. Ancak, Dirac'ın oluşturduğu relativistik

dalga mekaniği önemli bir başka savı daha içeriyordu: elektron ve diğer

elementer parçacıkların karşıt bir parçacıkla ikiz bir çift olduğu. Ne var ki,

pozitron denen pozitif elektron ile diğer bazı karşıt parçacıkların kimliği

belirleninceye dek, Dirac'ın bu hipotezi ciddiye alınmamıştı. Şimdi

kuvantum mekaniği diye bildiğimiz teori, başlangıçta farklı yaklaşımlardan

doğan sıraladığımız üç gelişmeyi eşdeğer versiyon olarak kapsamında

tutmaktadır. Ama hemen belirtmeli ki, kuvantum mekaniği ulaştığı ileri

gelişmişlik düzeyine karşın bugün de birtakım kalıtsal diyebileceğimiz

güçlüklerden yeterince arınmış değildir. Giderek yoğunlaşan deneysel

çalışmalarla toplanan verilerin daha tutarlı ve kapsamlı bir teori gerektirdiği

açıktır. Dirac'ın son konuşmalarından birinde belirttiği üzere o çapta kuramsal

bir atılım için yeni bir Heisenberg'in gelmesini bekleyeceğiz.



Siyaset, Bilim Ve Tarih Bilinci (Doğan Özlem )The Benefits Of TreesEnerji TasarrufuAlternatif Ucuz Enerji KaynaklarıErozyonun Tanımı Ve ÇeşitleriDünyamızın HareketleriDoğalgazDeve KuşlarıTeknolojik CellatlarımızKüresel IsınmaÇimento İşkolu Ve SorunlarıAtmosferin Başlıca Gaz KirleticileriNükleer EnerjiYapay KristallerHyrogen Fuel  The Fuel Of FutureKentiçi Ulaşımı Ve Çevre SorunlarıPrcı HakkındaÇevre Kirliliği Ve SonuçlarıSivil SavunmaUluslararası Hukuk Ve Çevre