Kuantum Mekaniği Nedir?

Kuantum mekaniği, fiziğin küçük bir alanında varlık gösterir. Bu alanda elde edilen sonuçlar klasik fiziğin tanımladığı dünyanın aksine bazı çok garip sonuçlar ortaya sunabilir. Klasik mekaniğin atomlar ve elektronlar ölçeğinde nesnelerin günlük boyutlarda ve hızlarda nasıl hareket ettiğini tanımlayan denklemlerinin çoğu bu alanda işe yaramaz hale gelir.

Örneğin; klasik mekanikte nesneler belirli bir zamanda belirli bir yerde bulunur. Bununla birlikte kuantum mekaniğinde nesneler bir olasılık belirsizliğinde bulunur; A noktasında olmak için belirli bir şansları, B noktasında olmak için başka bir şansları vardır ve bu ihtimaller böyle sonsuza dek devam eder.

Üç Devrimci İlke

Kuantum mekaniği (QM) çalışmaları, klasik mekaniğin matematiğinin açıklayamadığı deneylerin tartışmalı matematiksel açıklamaları olarak başlayarak on yıllar boyunca gelişti. 20. yüzyılın başında Albert Einstein’ın fizikte şeylerin yüksek hızlarda hareketini tanımlayan ayrı bir matematiksel devrim olan “görelelik teorisini” yayınlamasıyla aynı dönemde  başladı.

Göreliliğin aksine QM’nin kökenleri herhangi bir bilim insanına atfedilemez. Bunun yerine, birçok bilim insanı 1900 ile 1930 arasında kademeli olarak kabul ve deneysel doğrulama kazanan üç devrimci ilkenin temeline katkıda bulundu. Bunlar:

Nicelleştirilmiş Özellikler

Konum, hız ve renk gibi belirli özellikler bazen numaradan numaraya “tıklayan” bir kadran gibi yalnızca belirli, ayarlanmış miktarlarda ortaya çıkabilir. Bu durum klasik mekaniğin temel bir varsayımına meydan okudu ve bu tür özelliklerin pürüzsüz, sürekli bir spektrumda var olması gerektiğini söyledi. Bilim insanları bazı özelliklerin belirli ayarlara sahip bir kadran gibi “tıklandığı” fikrini açıklamak için “nicelleştirilmiş” kelimesini icat etti.

Işık Parçacıkları : Işık bazen bir parçacık gibi davranabilir. Işığın sakin bir gölün yüzeyindeki dalgalanmalara çok benzer bir şekilde davrandığını gösteren 200 yıllık deneylerin aksine bu buluş, başlangıçta sert eleştirilerle karşılandı.

Işığın duvarlardan sekmesi, köşelerin etrafında kıvrılması, dalganın tepelerinde ve çukurlarının üzerinde toplanması sonucu  eklenen dalga tepeleri daha parlak ışıkla sonuçlanırken  çukurda kalan kısımlarda karanlık oluşur. Bir ışık kaynağı, bir gölün ortasına ritmik olarak batırılan bir çubuk üzerindeki bir top olarak düşünülebilir. Yayılan renk, topun ritminin hızı ile belirlenen tepeler arasındaki mesafeye karşılık gelir.

Madde Dalgaları : Maddenin (elektronlar gibi) parçacıklar olarak var olduğunu gösteren yaklaşık 30 yıllık deneylerin aksine madde de aynı zamanda bir dalga gibi davranabilir.

Nicel Özellikler

1900 yılında Alman fizikçi Max Planck, spektrum üzerinden yayılan renklerin ampul filamentleri gibi kırmızı-sıcak ve beyaz-sıcak nesnelerin ışıltısında dağılımını açıklamaya çalıştı. Planck bu dağılımı tarif etmek için türettiği denklemi fiziksel olarak anlamlandırırken bunun yalnızca (çok sayıda olsa da) belirli renklerin kombinasyonlarının, özellikle bazı temel değerlerinin, tam sayı katları olanlarda yayıldığını fark etti. Böylelikle bir şekilde renkler nicelleştirildi! Bu beklenmedik bir durumdu çünkü ışığın bir dalga gibi davrandığı anlaşılıyordu, bu da renk değerlerinin sürekli bir spektrumu olması gerektiği anlamına geliyordu.

Bu tam sayı katları arasındaki renkleri üretmekten atomları yasaklayan ne olabilirdi? Bu o kadar tuhaf görünüyordu ki Planck nicelemeyi matematiksel bir numaradan başka bir şey olarak görmemeye karar verdi. Helge Kragh, Physics World dergisindeki “Max Planck, İsteksiz Devrimci ” adlı 2000 tarihli makalesinde, “Aralık 1900’de fizikte bir devrim meydana geldiyse de kimse bunu fark etmiyor gibiydi ve Planck de bir istisna değildi…” Ayrıca Planck denklemi bugün “Planck Sabiti” olarak bilinen, QM’nin gelecekteki gelişimi için çok önemli olacak bir sayı içeriyordu.

Niceleme fiziğin diğer gizemlerini açıklamaya yardımcı oldu. 1907’de Einstein, aynı miktarda ısıyı malzemeye koyup başlangıç ​​sıcaklığını değiştirdiğinizde bir katının sıcaklığının neden farklı miktarlarda değiştiğini açıklamak için Planck’ın kuantizasyon hipotezini kullandı.

1800’lerin başından beri, spektroskopi bilimi, farklı elementlerin “spektral çizgiler” adı verilen belirli ışık renklerini yaydığını ve bunları absorbe ettiğini göstermiştir. Spektroskopi, uzak yıldızlar gibi nesnelerde bulunan elementleri belirlemek için güvenilir bir yöntem olsa da bilim insanları ilk etapta her bir elementin neden bu belirli çizgileri verdiğini anlamaya çalıştı. 1888’de Johannes Rydberg, hidrojen tarafından yayılan spektral çizgileri tanımlayan bir denklem çıkardı ancak kimse denklemin nasıl çalıştığını açıklayamadı.

Bu, 1913’de Niels Bohr’un Planck’ın kuantizasyon hipotezini Ernest Rutherford’un atomun 1911’deki “gezegensel” modeline uyguladığında değişti; bu hipotez, elektronların gezegenlerin güneşin yörüngesinde olduğu gibi çekirdeğin etrafında döndüğünü varsaydı. Bohr; elektronların bir atomun çekirdeği etrafındaki “özel” yörüngelerle sınırlı olduğunu öne sürdü. Özel yörüngeler arasında meydana gelen “zıplamalar” ve sıçramanın ürettiği enerjinin, spektral çizgiler olarak gözlenen belirli ışık renklerine neden olduğunu ileri sürdü. Nicelleştirilmiş özellikler sadece matematiksel bir numara olarak icat edilmiş olsa da o kadar çok şey açıkladı ki QM’nin temel ilkesi haline geldi.

Işık Parçacıkları mı?

1905’de Einstein, ışığın bir dalga olarak değil bir çeşit “enerji kuantumu” olarak hareket ettiğini tasavvur ettiği “Işığın Emisyonu ve Dönüşümüne Yönelik Sezgisel Bakış Açısı” başlıklı bir makale yayınladı. Einstein’ın önerdiği bu enerji paketinde özellikle nicelenmiş titreşim hızları arasında bir atom “sıçradığında yalnızca bir bütün olarak emilebilir veya üretilebilir”. Bu, birkaç yıl sonra gösterileceği gibi nicelenmiş yörüngeler arasında bir elektron “sıçradığında” da geçerli olacaktır. Bu modele göre Einstein’ın “enerji miktarı” sıçramanın enerji farkını içeriyordu ve bu enerji farkı Planck sabiti ile bölündüğünde, kuantumların taşıdığı ışığın rengini belirlemekteydi.

Einstein, ışığı tasavvur etmenin bu yeni yolu ile Planck’ın bir ampul telinden yayıldığını tarif ettiği belirli renkler de dahil olmak üzere dokuz farklı olgunun davranışına ilişkin içgörüler sundu. Ayrıca ışığın belirli renklerinin, elektronları metal yüzeylerden nasıl çıkarabildiğini de açıkladı, bu fenomen “fotoelektrik etki” olarak bilinir.

Bununla birlikte Winnipeg Üniversitesi’nde fizik profesörü olan Stephen Klassen, Einstein’ın gerçekleştirdiği bu bilimsel sıçramada tamamen haklı olmadığını söyledi. Klassen, 2008 tarihli bir makale olan “Fotoelektrik Etki: Fizik Sınıfı İçin Hikayeyi Rehabilite Etmek” adlı makalede Einstein’ın dile getirdiği enerji miktarının, bu dokuz fenomenin tümünü açıklamak için gerekli olmadığını belirtiyor.

Parçacıkların her şeyi yaratmak için birbirleriyle nasıl etkileşime geçtiklerini gösteren bir resim

Işığın bir dalga olarak belirli matematiksel işlemleri hem Planck’ın bir ampul filamentinden yayıldığını tanımladığı belirli renkleri hem de fotoelektrik etkiyi tanımlayabilir. Gerçekten de Nobel komitesi Einstein’ın 1921’deki tartışmalı zaferinde Nobel Ödülünü, yalnızca özellikle enerji miktarı kavramına dayanmayan “fotoelektrik etki yasasını keşfettiği” için vermiştir.

Einstein’ın makalesinden yaklaşık yirmi yıl sonra, 1923’de, Arthur Compton’ın çalışması sayesinde bir elektron ışını tarafından saçılan ışığın renk değiştirdiğini gösteren  “foton” terimi, enerji kuantumunu tanımlamak için popüler hale geldi.

Bu buluş ışık parçacıklarının (fotonlar) gerçekten de madde parçacıklarıyla (elektronlar) çarpıştığını gösterdi ve böylece Einstein’ın hipotezini doğruladı. Şimdiye kadar, ışığın “dalga-parçacık ikiliğini” QM’nin temeline yerleştirerek ışığın hem dalga hem de parçacık olarak davranabileceği gerçeği artık net olarak bilinmekte.

Madde dalgaları?

Elektronun 1896’da keşfedilmesinden bu yana tüm maddenin parçacıklar şeklinde var olduğuna dair fikirler yavaş yavaş gelişiyordu. Yine de ışığın dalga-parçacık ikiliğinin gösterilmesi, bilim insanlarının maddenin yalnızca parçacık olarak hareket etmekle sınırlı olup olmadığını sorgulamasına neden oldu. Belki dalga-parçacık ikiliği madde için de geçerli olabilirdi?

Bu mantıkla önemli ilerleme kaydeden ilk bilim insanı, Louis de Broglie adlı Fransız bir fizikçiydi. 1924’te de Broglie, parçacıkların dalga benzeri özellikler gösterebileceğini açıklayabilmek için Einstein’ın özel görelilik teorisinin denklemlerini kullandı.

Daha sonra 1925’de, bağımsız çalışan ve farklı matematiksel düşünme hatları kullanan iki bilim insanı, elektronların atomlarda nasıl döndüğünü açıklamak (klasik mekaniğin denklemleri kullanılarak açıklanamayan bir fenomen) için Broglie’nin mantığını uyguladı.

Almanya’da fizikçi Werner Heisenberg (Max Born ve Pascual Jordan ile birlikte çalışıyordu) bunu “matris mekaniği”ni geliştirerek başardı. Avusturyalı fizikçi Erwin Schrödinger “dalga mekaniği” adlı benzer bir teori geliştirdi. Schrödinger 1926’da bu iki yaklaşımın eşdeğer olduğunu gösterdi.

Rutherford-Bohr modelinin yerini, her elektronun bir atomun çekirdeği etrafında bir dalga (bazen “bulut” olarak adlandırılır) olarak hareket ettiği atomun, Heisenberg-Schrödinger modeli aldı. Yeni modelin bir şartı, elektronu oluşturan dalganın uçlarının buluşması gerektiğiydi. Melvin Hanna şöyle der: “Sınır koşullarının empoze edilmesi enerjiyi farklı değerlerle sınırlamıştır.”

Bu şartın bir sonucu, yalnızca tam sayıdaki tepe ve çukurlara izin verilmesidir, bu da bazı özelliklerin nedenini Atomun Heisenberg-Schrödinger modelinde, elektronlar bir “dalga fonksiyonuna” itaat eder ve yörüngelerden ziyade “yörüngeleri” işgal eder. Rutherford-Bohr modelinin dairesel yörüngelerinin aksine dambıldan papatyalara kadar, atomik orbitaller ve kürelere kadar değişen çeşitli şekillere sahiptir.

1927’de Walter Heitler ve Fritz London, atomik orbitallerin moleküler orbitaller oluşturmak için nasıl birleşebileceğini göstermek adına dalga mekaniğini daha da geliştirdi ve atomların moleküller oluşturmak için neden birbirine bağlandığını etkili bir şekilde gösterdi. Bu, klasik mekaniğin matematiği kullanılarak çözemediği bir başka problemdi. Bu içgörüler yeni bir alan olan “kuantum kimyası” alanına yol açtı.

Belirsizlik ilkesi

Ayrıca Heisenberg 1927 yılında, kuantum fiziğine başka bir büyük katkı yaptı. Maddenin dalgalar gibi davrandığından, bir elektronun konumu ve hızı gibi bazı özelliklerin “tamamlayıcı” olduğunu yani her bir özelliğin kesinliğinin ne kadar iyi bilinebileceğine dair bir sınır (Planck sabiti ile ilgili) olduğunu düşündü.

“Heisenberg’in belirsizlik ilkesi” olarak adlandırılacak şeyin altında, bir elektronun konumu ne kadar kesin olarak biliniyorsa hızının o kadar az kesin olarak bilinebileceği ve bunun tersinin de geçerli olması durumu yatıyor. Bu belirsizlik ilkesi günlük boyuttaki nesneler için de geçerlidir ancak fark edilmez çünkü hassasiyet eksikliği olağanüstü derecede küçüktür.

Morningside Koleji’nden Dave Slaven’e göre, bir beyzbol topunun gidiş hızının 0,1 mil / saat hassasiyette olduğu bilinmekteyse topun konumunu bilmenin mümkün olduğu maksimum hassasiyet 0.000000000000000000000000000008 milimetredir.

Kuantum parçacıkları (Kaynak Pixabay)

Gelecek

Niceleme ilkeleri, dalga-parçacık ikiliği ve belirsizlik ilkesi, QM için yeni bir çağ başlattı. 1927’de Paul Dirac, parçacıkları (fotonlar ve elektronlar gibi) altta yatan bir fiziksel alanın uyarılmış halleri olarak işleyen “kuantum alan teorisi” (QFT) çalışmasına yol açmak için elektrik ve manyetik alanların kuantum anlayışını uyguladı. QFT’ alanındaki çalışma bilim insanları bir engele ulaşana kadar on yıl boyunca devam etti.

Bu süre sonunda QFT’deki birçok denklem fiziksel bir anlam ifade etmemeye başladı çünkü sonuç sonsuzluktu. On yıllık durgunluktan sonra Hans Bethe 1947’de “yeniden normalleştirme” adlı bir teknik kullanarak bir atılım yaptı. Burada Bethe, tüm sonsuz sonuçların iki fenomenle (özellikle “elektron öz enerjisi” ve “vakum polarizasyonu”) ilgili olduğunu fark etti.

Öyle ki, elektron kütlesi ve elektron yükünün gözlemlenen değerleri tüm sonsuzlukları yok etmek için kullanılabilirdi. Renormalizasyonun atılımından bu yana QFT doğanın dört temel kuvveti hakkında kuantum teorileri geliştirmek için bir temel oluşturdu;

  1. elektromanyetizma
  2. zayıf nükleer kuvvet
  3. güçlü nükleer kuvvet
  4. yer çekimi

QFT tarafından sağlanan ilk içgörü, 1940’ların sonlarında ve 1950’lerin başlarında büyük adımlar atan “kuantum elektrodinamiği” (QED) aracılığıyla elektromanyetizmanın kuantum tanımını oluşturdu. Ardından 1960’lar boyunca “elektrozayıf teori” (EWT) oluşturmak için elektromanyetizma ile birleştirilen zayıf nükleer kuvvetin kuantum tanımı ortaya çıktı.

Nihayet 1960’larda ve 1970’lerde “kuantum kromodinamiği” (QCD) kullanılarak güçlü nükleer kuvvetin kuantum muamelesi geliştirildi ve parçacık fiziği QED, EWT ve QCD teorileri birlikte Standart Modelin temelini oluşturdu. Ne yazık ki QFT henüz bir kuantum yer çekimi teorisi üretemedi. Bu arayış bugün “sicim teorisi” ve “döngü kuantum yer çekimi” çalışmalarında devam ediyor.

Orhan TAŞDELEN

Bu Keneler Yıllarca Yemek Yemeden Yaklaşık 30 Yıl Kadar Yaşayabilir

Bu Keneler Yıllarca Yemek Yemeden Yaklaşık 30 Yıl Kadar Yaşayabilir

Mikrobiyoloji nedir? Mikropları Tanıyalım!