Bilim Tarihinin Işığında Modern Bilim – III

 

Bilim Tarihinin Işığında Modern Bilim yazı dizimizin I ve II. bölümlerinde, Galileo ile başlayıp Newton ile devam eden ve doğa yasalarını doğanın kendi mekanizmalarını kullanarak açıklayan öncü bilim insanlarını görmüş, bilimsel bilgiyi deney ve gözlem yoluyla geliştiren Faraday gibi kâşiflere tanık olmuş ve Maxwell ile Boltzman gibi matematik dehaları sayesinde teorik fiziğe giden yolun nasıl döşendiğine şahitlik etmiştik. Bilim Tarihinin Işığında Modern Bilim yazı dizisinin bu bölümünde ise Kuantum Mekaniği ve Genel Görelilik Teorisine giden yoldaki önemli gelişmeleri ele alacak, ışığın doğasının kavranmasına ilişkin araştırmaları derleyecek ve bilim tarihinin iki önemli ismi olan Marie Curie ve Max Planck’in çalışmalarını inceleyeceğiz.

1890’lara gelindiğinde klasik fizik epey bir yol kat etmişti. Newton mekaniği, hem Dünya üzerindeki cisimlerin hareketini hem de gezegenler, uydular ve kuyruklu yıldızlar gibi astronomik cisimlerin yörünge hareketlerini açıklıyordu. Bunun yanı sıra Maxwell’in elektromanyetizması elektriksel ve manyetik olguların (ışık olgusunun niceliksel bir açıklaması da dâhil) kapsamlı bir şekilde anlaşılmasını sağlıyor, termodinamik yasaları ise, ısı olgusu ve ısının mekanik harekete dönüşme süreci hakkında ayrıntılı bilgiler veriyordu. Ancak yine de bilim insanlarının kafalarında önemli bazı soru işaretleri de vardı. Çünkü ortaya konan bu güçlü teoriler bazı deneysel gerçekliklerle uyuşmuyordu. Bu gerçeklerden birisi, ısıtılmış cisimlerin verdiği ışık frekanslarıyla ilgiliydi.

Her Şey Işıkla Başladı

Işığın doğasıyla ilgili tartışmalar neredeyse iki yüzyıldır devam etmekteydi. Newton ışığın, taneciklerden oluştuğunu öne sürmüştü fakat kütle çekim kuramını kullanarak girişim, kırınım, yansıma gibi ışık olgularını açıklamakta pek başarılı olamamıştı. 19. yüzyılın başlarına gelindiğinde İngiliz bilim insanı Thomas Young’un yaptığı ünlü çift-yarık deneyi, ışığın paketçikler halinde değil dalgalar halinde yayıldığını göstermiş ve bu sebeple Newton’un bu görüşü terk edilmeye başlanmıştı.

Çift yarık deneyini basitçe anlatmak gerekirse; karşınızda ortasında bir yarık bulunan bir engel olduğunu ve engelin arkasında ışık fotonlarını tutan bir duvar olduğunu düşünün. Işığı buradaki engele tuttuğumuzda, ortadaki dikey yarıktan geçen ışık, duvarın üzerinde dikey bir desen (girişim deseni) oluşturacaktır. Peki, tabeladaki yarık sayısını ikiye çıkardığımızda ne olur? Eğer ışığın paketçikler halinde, yani fotonlar ile iletildiğini düşünürseniz iki yarıktan geçen birbirinden farklı fotonların, arkadaki duvarda iki girişim deseni oluşturmasını beklersiniz öyle değil mi? Ancak ışık böyle davranmıyor ve duvarın üzerinde çoklu çizgiler oluşturuyordu. Yani tıpkı bir suyun içine bırakılan taş misali, bırakıldığı noktadan dalga şeklinde yayılarak ilerliyordu. Young’un elde ettiği bu sonuç, ışığın Newton’un öne sürdüğü gibi paketçikler halinde değil dalgalar halinde yayıldığını gösteriyordu.

Elimize bir taş alıp, yüksekten katı bir yüzeye bırakırsak, taş düştüğü yerde bir iz bırakır. Ama aynı taşı alıp suya bırakırsak, düştüğü yerde bir dalgalanma oluşturur. Eğer sudaki aynı noktaya tekrar tekrar taş atmaya devam edersek, karşımıza iç içe geçmiş ve genişleyerek hareket eden halkalardan oluşan bir dalga motifi çıkar. Eğer suyun üzerinde birbirine yakın iki noktaya aynı anda ve sürekli taş atarsak, bu sefer aynı motiften iki tane görürüz ve bu halkalar açılıp büyümeye devam ettikçe birbirinin içinden geçerek bir desen oluşturur. Bu desene “girişim deseni” denir. Thomas Young’un çift yarık deneyinde gördüğü motif de tam olarak buydu.

Elimize bir taş alıp, yüksekten katı bir yüzeye bırakırsak, taş düştüğü yerde bir iz bırakır. Ama aynı taşı alıp suya bırakırsak, düştüğü yerde bir dalgalanma oluşturur. Eğer sudaki aynı noktaya tekrar tekrar taş atmaya devam edersek, karşımıza iç içe geçmiş ve genişleyerek hareket eden halkalardan oluşan bir dalga motifi çıkar. Eğer suyun üzerinde birbirine yakın iki noktaya aynı anda ve sürekli taş atarsak, bu sefer aynı motiften iki tane görürüz ve bu halkalar açılıp büyümeye devam ettikçe birbirinin içinden geçerek bir desen oluşturur. Bu desene “girişim deseni” denir. Thomas Young’un çift yarık deneyinde gördüğü motif de tam olarak buydu.

Işık Parçacık mı Yoksa Dalga mı?

Young’un yaptığı bu deneyin ardından, ışığın dalga kuramı bir anda kabul edilmedi. Fresnel’in tamamlayıcı çalışmalarına rağmen 1800’lü yılların ortalarına kadar ışığın dalga kuramı tam olarak oturmadı ve bu sorun ancak James Clerk Maxwell’in elektromanyetizma üzerine yaptığı çalışmalar sayesinde çözülebildi. Bir önceki yazımızdan da hatırlayacağınız üzere Maxwell, elektromanyetizmanın tam bir kuramını geliştirerek ışığın aslında elektromanyetik dalga olduğunu göstermişti.

Maxwell 1861 ve 1862’de yayımladığı dört bilimsel çalışmayla elektromanyetik dalgaların yayınımının matematiksel bir açıklamasını yaptı. Denklemlerde, elektromanyetik dalgaların hareketinin hızlarını içeren bir sayı vardı. 1850’lerde yapılan deneylerle ölçülen bu sayının, kesin olarak ışık hızına eşit olması Maxwell’i doğruluyordu. Böylelikle uzun yıllardır süre giden tartışma sonuçlanmış görünüyordu: Işık bir dalga gibi yayılıyordu. Oysa 50 yıl kadar sonra ışığın parçacık kuramı tekrar sahne alacaktı…

Geri Sar, Geri Sar, Geri Sar

Kuantum mekaniğini anlayabilmek için ışığın doğasını anlamak son derece önemlidir. Bildiğiniz ve defalarca tekrar ettiğimiz üzere, Isaac Newton ışığın doğası ve optik üzerine onlarca çalışma yapmıştı. Newton, gün ışığını prizmadan geçirerek, beyaz ışığın aslında beyaz olmadığını ve birçok farklı renkteki ışığın birleşimi olduğunu göstermişti. Çok geçmeden ışığın renklerinin, görünen ışığın renkleriyle sınırlı olmadığını, kırmızı ve mor ışığın ötesinde, çıplak gözle göremediğimiz farklı renkte ışınların olduğunu da öğrendik.

Beyaz ışık dediğimiz şey görünen ve görünmeyen ışınların birleşimiydi, bunu anladık. Peki, bu ışık nasıl yayılıyordu: Bir mermi gibi mi yoksa bir su dalgası gibi mi? Newton, ışığın paketçikler halinde yayıldığını düşünüyordu fakat Thomas Young’un yaptığı deney, ışığın dalgalar halinde, ekranda birbirini takip eden aydınlık ve karanlık çizgiler oluşturacak şekilde yayıldığını göstermişti.

Thomas Young’un ardından, Maxwell’in yaptığı çalışmalar sayesinde dalgaların bir elektrik ve manyetik karakteri olduğunu, hatta elektrik ve manyetizmanın tek bir olgu olarak betimlenebileceğini öğrenmiştik. Bu durumda ışık da elektromanyetik bir dalgaydı.

Işık dalgalar halinde yayıldığına göre ışığın bir dalga boyu ve frekansı (sıklık) vardır. Bildiğiniz üzere iki dalga tepesi ya da çukuru arasındaki mesafeye (bir tam devir) dalga boyu denir. Bir saniyede üretilen dalga sayısı ise frekanstır. Kısa dalga boyuna, dolayısıyla yüksek frekansa sahip ışık (morötesi) son derece enerji yüklüyken; tersine, uzun dalga boyuna ve düşük frekansa sahip ışığın (kızılötesi) enerjisi ise azdır.

Atom Modelleri ve Işığın Madde ile İlişkisi

Atom kelimesi Yunanca “atomos” yani bölünemez kelimesinden türetilmiştir. Antik Çağ’ın ünlü filozoflarından Demokritos’a göre madde parçalara ayrıldığında en sonunda bölünemeyen bir tanecik elde edilecektir ve işte bu taneciğin adı atomdur. Bilimsel anlamda ilk atom modelini ortaya atan John Dalton, atomu yekpare bir küre şeklinde ve yine bölünemez olarak niteledi ancak William Crookes’un katot tüpü ile yaptığı çalışmalar, atomun daha küçük parçacıklardan oluştuğunu ortaya koydu.

Thompson’un “üzümlü kek” olarak da bilinen,  pozitif ve negatif yüklerin atomda homojen dağıldığı atom modeli.

Katot tüpü içerisinde yüksek voltaj altında oluşan, elektriksel ve manyetik alandan etkilenen bir ışın türü keşfedilmişti: Katot ışınları. Bu ışınlar üzerine detaylı çalışmalar yapan John Joseph Thomson, bu ışınların aslında bildiğimiz “ışık” olmadığı, aksine negatif yüke sahip ve belli bir kütlesi olan parçacıklar olduğunu oraya koydu. George Stoney bu parçacıklara "elektron" adının verilmesini önerdi. Thompson daha sonra içinde elektronların bulunduğu bir atom modeli ortaya koyarak, içerisinde elektron dışında henüz bilinmeyen bir pozitif yüklü parçacığın da bulunduğu (çünkü atom nötr olmalıydı) bir model oluşturdu.

Bu modelin ardından, Ernst Rutherford isimli Yeni Zelanda asıllı bir İngiliz bilim insanı yaptığı altın levha deneyi ile atom içerisindeki pozitif ve negatif yüklerin homojen dağılmadığını, pozitif yüklerin atomun tam merkezinde bulunduğunu keşfetti. Atomun çekirdeği protonlardan oluşmalı ve negatif yüklü elektronlar ise merkeze düşmemek için atom çekirdeği etrafında dönmeliydi. Lise sıralarında bizlere gösterilen atom modeli Ernst Rutherford’un hazırladığı bu modeldir.

Bu sıralarda ışıkla ilgili yapılan araştırmalar, yeni keşiflerle birlikte sürüyordu. Joseph von Frauenhofer, güneşten gelen ışık tayfında karanlık bazı çizgilerin olduğunu keşfetmişti. Bu siyah çizgileri detaylı şekilde incelediğinde, bir şeylerin ışığın izgesindeki bu bölgeleri soğurduğunu anladı. Başka yerlerden de teyit edilen bu keşif, atom ile ışık arasında tuhaf bir bağ olduğunu gösteriyordu.

Güneşten gelen ışığın tayfındaki karanlık, yani soğurulan bölgeler.

O esnada Gustav Kirchoff ve Robert Bunsen ise ısıtılan elementlerin farklı renklerde, kendilerine özgü ışın demetleri yaydıklarını keşfettiler. İşin garip yanı, elementlerden yayılan ışınlar ile ışık tayfındaki karanlık bölgeler birbirlerine tam olarak oturuyordu. İşler tam bu noktada karışmıştı: Nasıl olurdu da herhangi bir element ısıtıldığında, yani atomlarına enerji verildiğinde belirli dalga boyu ve frekanslarında ışıma yapabilirdi? Rutherford’un atom modeli, bir atomun ışığı soğurup bir süre sonra yayınlaması karşısında çaresiz kalmıştı. Artık yeni bir modele ihtiyaç vardı.

Klasik fiziğin, birbirinden farklı modeller ve teorilerle içinden çıkamadığı bu krizi Danimarkalı bir deha çözdü: Niels Bohr. Bohr’a göre yapılması gereken, elektronları tek bir katman (yörünge olarak düşünebilirsiniz) üzerinde tanımlamaktansa enerji seviyeleri birbirinden farklı katmanlara yerleştirmekti. Böylece enerji kazanmış olan bir elektron bir üst katmana sıçrayacak fakat bir süre sonra burada fazla kalamayacağı için (doğası gereği orijinal konumuna dönmek isteyecektir) daha düşük enerjili bir katmana inecektir. Bu esnada, kendisini üst katmana sıçratan enerjiyi ise çoğunlukla aynı miktarda olmak üzere fotonlar şeklinde geri yayınlayacaktır.

Bu model bize, kendisine enerji verilmiş olan atomun içindeki elektronun daha üst bir enerji katmanına çıktığını fakat daha sonra orijinal pozisyona dönebilmek için bu enerjiyi ışın olarak yayınlayıp bulunması gereken alt enerjili katmana sıçradığını söyler. İşte bu sıçrama olayları esnasında atomdan yayılan enerjiye ışınım denir ve bildiğiniz gibi mutlak sıfıra yaklaşmayan her bir cisim ışıma yapar (İnsanlar da ışıma yapar ve bunu ancak termal kameralarla görebiliriz).

Kuantum Fiziği: Başlangıç

19. yüzyılın başlarından itibaren fizikçiler ve kimyacılar anlamlandıramadıkları birçok keşif ve buluşa imza attılar. Newton’un 1687 yılında yayınladığı Doğa Felsefesinin Matematiksel İlkeleri kitabının ardından her şeyin bulunduğu, doğanın sırrının çözüldüğü varsayımının doğru olmadığı son derece açık şekilde görülüyordu. Henüz her şeyin çok başındaydık ve çözülen her problem, cevaplanan her soru yeni sorular sormamıza neden oluyordu.

Bu zamanlarda klasik fiziğin başına bela olmuş olan üç önemli konu vardı: Fotoelektrik etki, radyoaktivite ve kara cisim ışıması. Şimdi bu sorunların nasıl çözüldüğüne bir bakalım:

Alexandre Edmond Becquerel, henüz 19 yaşındayken babasının laboratuvarında ilk fotovoltaik düzeneği kurdu. Fotovoltaik, üzerine ışık düşen metal levhanın (ya da çözeltiye daldırılmış levhanın) üzerinde oluşan elektrik akımını anlatan ifadedir. Bu fenomen keşfedildiğinde açıklanamadı ancak bilim tarihine bir not olarak düşüldü. Ardından 1887 yılında Heinrich Rudolf Hertz, aynı etkiyi morötesi ışık altında inceledi. Duruma yine bir açıklama getirilemedi ancak yapılan bu gözlem, zamanının en önemli bilimsel yayını olan Annalen der Physik’te yayınlandı.

Bu gelişmelerin ardından, 1895 yılında Wilhelm Conrad Röntgen X ışınlarını keşfettiğini duyurdu. Işınların keşfedilişinin ardından, yalnızca 1 yıl sonra, Antoine Henri Becquerel (Edmond Becquerel’in oğlu) tesadüf eseri uranyum tuzunun, fotoğraf filmleri üzerinde etkide bulunduğunu keşfetti. Bu keşif, bazı maddelerin kendi kendilerine ışık yayabildiğini gösteren ilk gözlem olmuştu. Peki, nasıl oluyordu da maddelerin bazıları kendi kendilerine ışık yayabiliyordu?

Dünyayı Değiştiren Kadın: Marie Curie

Bilim insanları ve doktorlar için hayati önem taşıyan çalışmaların mimarı olan ve bilim tarihinin en önemli figürlerinden birisi olarak kabul edilen Marie Skłodowska Curie, iki farklı kategoride iki farklı Nobel ödülü kazanmış olan ilk ve tek bilim insanıdır. Hayatı boyunca yaptığı onca önemli araştırmanın yanı sıra, radyum elementini bularak atomun gizemlerini çözmemizi sağlamış olmasıyla tanınır.

Marie Skłodowska Curie
(7 Kasım 1867 –  4 Temmuz 1934)

Tarihin en güçlü kadın figürlerinden birisi olan Marie Curie, 1867 yılında Polonya’da, mali sıkıntılarla boğuşan bir ailede dünyaya geldi. İlkokul yıllarından itibaren son derece başarılı bir öğrenci olan Curie, Rus işgali altında olan Polonya’da, ablası ve annesini de kaybetmesine rağmen liseyi birincilikle tamamlamayı başardı. Ancak Varşova Üniversitesi’ne Polonyalı kadınların kabul edilmemesi nedeniyle ablasıyla birlikte yurt dışında okuma kararı aldılar. Buna göre para biriktirmek için çalışacaklardı ve önce ablası sonra da Marie, Paris’te üniversite eğitimlerini tamamlayacaktı.

Polonya’da çalıştığı süreçte, o dönem okula gidemeyen Polonyalı gençler için bağımsız akademisyenler tarafından kurulmuş olan Floating University’de (Gezici Üniversite) gönüllü eğitmen olarak yer alan Curie, aradan geçen birkaç yılın sonunda, ablası ve kendisine yetecek kadar parayı biriktirmeyi başararak nihayet Paris’e gidebildi.

Paris’te yaşadığı yıllar boyunca, maddi imkânsızlıklar dolayısıyla bir taraftan kütüphanede çalışıyor, bir taraftan Fransızca öğreniyor, diğer taraftan da bölüm derslerine katılıyordu. Müthiş dehası ve azmi sayesinde, omzundaki onca yüke rağmen 1893’te bölüm birincisi olarak mezun oldu ve fizik yüksek lisansına kabul edildi. Bunun yanı sıra burs kazanarak matematik bölümünde de okumaya başladı ve aynı yıl farklı çelik türlerinin manyetizma özellikleri üzerinde araştırma yapan bir şirkette çalışmaya başladı.

Bu süreçte, kristaller ve mıknatıslarla ilgili çalışmalarıyla tanınan Pierre Curie ile tanıştı ve birlikte çalışmaya başladılar. Bu iki bilim aşığı insan bir süre sonra birbirlerine âşık olup hayatlarını birleştirme kararı aldılar ve çalışmalarına birlikte devam ettiler.

Marie Curie, fizik doktorasını bitirmesinin ardından, Henri Becquerel’in ışın yayan maddelere ilişkin keşfini öğrenmiş ve son derece heyecanlanmıştı. Curie, diğer elementlerden gelen uranyum tipi ışınları sistematik şekilde araştırmaya başlayarak toryumun da buna benzer ışınlar yaydığını keşfetti. Araştırmalarına devam eden Curie, 1898 yılında yeni bir element bulduğunu açıkladı: Polonyum. Ayrıca uranyum, toryum ve polonyumu ifade eden radyoaktif terimini de literatüre kazandırmayı başardı. Yine aynı yıl içinde hepsinden daha radyoaktif bir element olan radyumu keşfetti.

Curie çifti bir depo kiralayarak bu elementler üzerinde canla başla çalışmaya başladılar ve üzerinde çalıştıkları taşlardan birkaç gram saf radyumu çıkarmayı başararak radyumun atom ağırlığını hesaplayabildiler. Tüm bu çalışmaları neticesinde Curie çiftine, 1903 yılında, Nobel Fizik Ödülü verildi. Çift, bir süre daha birlikte çalışmaya devam etti ancak Pierre Curie’nin elim bir kaza sonucu hayatını kaybetmesiyle, Marie Curie çalışmalarına tek başına devam etmek zorunda kaldı.

Bir taraftan maddi imkânsızlıklar, bir taraftan politik zorluklar, diğer taraftan kadınlara yönelik ayrımcılıkla boğuşan Marie Curie, her şeye rağmen ve eşi Pierre Curie’nin de desteği sayesinde çok önemli çalışmalara imza atmış oldu. 1911 yılına gelindiğinde, radyum ve polonyum keşifleri nedeniyle, bu sefer Nobel Kimya Ödülü’nü kazandı ve bu sayede iki farklı alanda Nobel ödülü alan ilk ve tek bilim insanı unvanına sahip oldu.

Görüldüğü üzere, Marie ve Pierre Curie çifti sayesinde, bazı elementlerin neden ışın yaydığının sırrı çözülmüştü. Radyoaktivite olarak adlandırılan bu sürecin, zaman içerisinde insanlara verdiği zarar da anlaşılmaya başlandı. Yine de klasik fiziğin içinden çıkamadığı konulardan birisi bu şekilde çözülmüş oldu.

Çalışmalarının Değerini Yalnızca Einstein’ın Anladığı Adam: Max Planck

Alman asıllı ve Nobel ödüllü bir fizikçi olan Max Karl Ernst Ludwig Planck, 1858 yılında Kiel’de doğdu. Geleneksel ve entelektüel bir ailede doğan Planck, gençken şan dersleri almış, piyano, çello ve org çalmıştı. Müziğe de yetenekli olmasına rağmen fizik okumayı seçti ve Münih'te fizik profesörü olan Philipp von Jolly’nin derslerine girmeye başladı. Okulunu bitirdikten sonra, bir süre Münih’te ücretsiz olarak çalıştı ve ardından ısı teorisi alanında yaptığı çalışmalar sayesinde Kiel Üniversitesi’ne doçent olarak atandı.

Max Karl Ernst Ludwig Planck
(23 Nisan 1858 – 4 Ekim 1947)

1894 yılına gelindiğinde Planck, siyah cisim radyasyon sorununa ilgi gösterdi. Kara cisim, üstüne düşen ışık dâhil her türlü elektromanyetik ışınımı soğuran bir cisimdir fakat genel olarak kara cisim ışınımı ısıtılan bir cismin yaydığı ışınım olarak bilinir ve 1850’lerden beri incelenen bu fenomen etrafımızdaki pek çok olayda görülür. Örneğin, yaklaşık 6000^OC yüzey sıcaklığına sahip güneşten veya ısıtılan bir metalden gelen ışınım bir kara cisim ışınımıdır. Deneysel olarak ölçülebilen bu ışınımın dalga boylarına göre yoğunluk tayfı çıkarılmıştı. Ama 19. yüzyılın sonlarında fizikçilerin çözemediği bilmece, bu kara cisim ışımasının düşük dalga boylarında neden sonsuz parlaklığa ulaşmadığıydı. Diğer bir deyişle, o zamanki fizik kuramları kara cisim tayfını açıklayamıyordu.

1879 yılında Thomas Edison’un ampulü icat etmesinin ardından bilim insanları daha verimli ampuller geliştirebilmek ümidiyle farklı materyaller ve gazlarla denemeler yapıyordu. Gazlar ısıtıldığında ortaya çıkan aleve bir prizmadan baktıklarında ise çok ilginç bir şey keşfettiler: Renkler, farklı farklı çizgiler halinde, birbirlerinden ayrı şekilde duruyordu. Normal şartlarda renklerin kesintisiz bir gökkuşağı şeklinde görülmesi gerekirken neden böyle kesintili ve kalemle çizilmiş gibi göründüğünü anlayamadılar.

Max Planck, termal radyasyon konusuna son derece takıntılıydı ve bu fenomeni açıklamak için denemediği formül kalmamıştı. Fakat bir gün elindeki denkleme, daha sonra Planck sabiti (E=hv) olarak anılacak olan bir sabit eklediğinde tüm taşların yerine oturduğunu fark etti. Max Planck, bu sabit ile bir maddeden yayılan ışığın, maddenin enerji durumuna göre hangi dalga boyunda yayılması gerektiğini açıklamıştı.

Işınımla birlikte maddeden yayılacak olan enerjinin bir limiti vardı ve örneğin düşük frekansta enerji yayan maddenin düşük enerji; yüksek frekansta enerji yayan bir maddenin ise yüksek enerji harcaması gerekiyordu. Bu sabit, her dalga boyunda maddeden yayılan enerji miktarını anlamamızı sağladı. Planck, enerjinin sürekli değil; kesikli olması nedeniyle ışığın kuanta adını verdiği paketçiklerle taşındığını savundu (Quanta’nın çoğulu Quantum’dur ve Kuantum Fiziği, adını buradan alır).

Kuantum Kuramının Doğuşu

Işınım konusunun klasik fizikte sorun yaratmasının nedeni klasik elektromanyetik dalga yaklaşımı formüllerinin, “sıcaklık arttıkça yayılan ışınımın enerjisi de doğrusal olarak sürekli artar” demesiydi. Dolayısıyla ışınım enerjisine bir sınırlama getirmiyordu. Bu durumda kabul edilmesi gereken şey, bir cismin ne kadar sıcak olursa o kadar yüksek frekansta ışın salacak olmasıydı. O halde yanan bir şömineye odun atıp ısısını yükselttiğimizde, toplam ısı enerjisinin tamamının en yüksek enerjili ışınlar yayması ve bizi anında kızartması gerekiyordu. Yani şöminenin enerjinin çoğunu morötesi frekanslarda yayıp tüketmesi gerekiyordu. Fakat gerçek bu değildi; şömine anlaşılmaz bir biçimde orta frekanslarda en fazla, düşük (kızılötesi) ve yüksek enerjili (morötesi) frekanslarda ise daha az ışınım yapıyordu. Bu nedenle zamanın klasik fizikçileri bu çıkmaza "morötesi felaket" adını vermişlerdi.

Bu sorunu çözen kişi Max Planck olmuştur. Planck kısaca, doğayı süreklilik algısıyla deneyimliyor olmamızın onu sürekli kılmadığını, etrafta her şey kesintisiz akıyor görünse bile aslında her şeyin kesikli ve öbekli yapıda olduğunu söyledi. Enerjinin bile!

Enerjinin bu şekilde, tıpkı Boltzmann'ın gaz molekülleri gibi ayrı, bağımsız birimler olarak, minik halinde yayıldığını varsaymak o zamanlar için hem anlaşılmayan hem de dâhiyane bir buluştu. Düşünün ki üzerimize Güneş’ten gelen ve saniyede trilyon çarpı trilyon tane parçacık nedeniyle adeta bir kuanta yağmuruyla ıslanmaktayız. Her bir kuantanın enerjisi, sadece frekansı (dolayısıyla dalga boyu) ile orantılıdır. "h" (Planck sabiti) ise frekansı enerjiye çeviren sabit kurdur ve bu keşif kendisine 1918 yılında Nobel Fizik Ödülü’nü kazandırmıştır.

Albert Einstein, bu inanılmaz bulguyu, yani ışığın paketçikler halinde ve kesik kesik gelmesi fenomenini geliştirerek, tam 5 yıl sonra fotoelektrik etki adını verdiği bir çalışma yayınladı. Fotoelektrik etki bir ışık demetinin metal bir yüzeyden elektron sökmesi olayıdır. Klasik fiziğe göre ışık bir dalgadır ve tıpkı kumsala vuran su dalgalarının kum tanelerini alıp götürmesi gibi, metal yüzeye çarpan ışık da enerjisi az ya da çok olsun mutlaka metalden elektron koparabilmelidir. Fakat gerçeklik böyle değildi.

Einstein, Max Planck’in bulgularını ele alarak ışığın enerjisinin belli bir değerin altında olması durumunda, şiddeti ne olursa olsun tek bir elektron bile koparamayacağını gösterdi. Eşik değerin üzerine çıkıldığında metal yüzeyden elektron koparılabiliyor (yani elektrik akımı oluşuyor) ve ışık demetinin eşik değerdeki enerjisi sabit tutulurken şiddeti artırılırsa sökülen elektronların sayısı artıyordu. Bu, ışığın elektronlara enerji transferini belli büyüklükte “enerji paketleri” yani “kuanta”lar halinde sunduğu takdirde anlam kazanan bir durumdu. Bugün kullandığımız sensör, güneş paneli ve fiber optik kabloların üretilebilmesi sağlayan bu keşfin, Einstein’a 1921 yılında Nobel Fizik Ödülü’nü kazandırdığını da belirtmek gerekir.

Einstein’ın fotoelektrik olaya getirdiği çözüm, ışığın dalga modelini (Young, çift yarık deneyiyle ışığın dalga olduğunu ispatlamıştı) bir kenara atıp “foton” adı verilen taneciklerden oluştuğunu kabul etmemizi gerektirdi. Dalga-parçacık ikilemi denilen bu ‘çelişki’ ise ışığın olaylar bazında farklı karakterler göstermesi şeklindeki modern yorum ile çözüldü.

1900’lü yılların başlarında yaşanan tüm bu gelişmelerden sonra, nihayet Kuantum Fiziği’nin garipliklerle dolu dünyasına adım atabilir ve gerçeklik algımızı sarsacak olan bilimsel teorileri incelemeye başlayabiliriz. Tabii bir sonraki yazıda…

----------------------------------------------------------

Kaynakça

Yrd. Doç. Dr. Kubilay Kaptan (2017) Kuantum Teorisinin Yorumu ve Doğanın Rolü, Mehmet Akif Ersoy Üniversitesi Uygulamalı Bilimler Dergisi, 1 (1) sf. 19-28 https://dergipark.org.tr/tr/download/article-file/358092

Prof. Dr. Kerem Cankoçak, Kuantum Fiziğine Giriş, www.bilimvegelecek.com.tr, Erişim: 18 Kasım 2020 https://bilimvegelecek.com.tr/index.php/2015/05/01/kuantum-fizigine-giris/

“Heisenberg Belirsizlik İlkesi Yanlış Mı?”, www.khosann.com, Erişim: 18 Kasım 2020 https://khosann.com/heisenberg-belirsizlik-ilkesi-yanlis-mi/

Alper Tektaş, Kuantum Mekaniğinin Doğuşu, www.bilimoloji.com, Erişim: 18 Kasım 2020 https://www.bilimoloji.com/kuantum-mekaniginin-dogusu/

Kuantum Kuramına Genel Bir Bakış, www.bilimfili.com, Erişim: 19 Kasım 2020 https://bilimfili.com/kuantum-teorisine-genel-bir-bakis

Bu Gerçek Olamaz! : Kuantum Fiziği – Çift Yarık Deneyi (video), youtube.com, Bebar Bilim, Erişim 18 Kasım 2020 https://www.youtube.com/watch?v=jMtqToOsO90

Bilime Adanmış Bir Ömür - Marie Curie Belgeseli (video), youtube.com, Bebar Bilim, Erişim 19 Kasım 2020 https://www.youtube.com/watch?v=6PZ9IE9LIeQ&t=786s

Sicim Teorisini İnşa Etmek

Popüler bilimde sıkça karşımıza çıkan, bilim kurgu türü filmlerde gizemli olayları çözmek için kullanılan ve Stephan Hawking’in bir ömürlük rüyasını oluşturan Sicim Teorisi, en yalın haliyle Einstein’ın ünlü genel görelilik kuramını ve parçacık fiziğindeki kuantum mekaniğini birleştirmeyi amaçlar. Peki neden böyle bir teoriye ihtiyaç duyuyoruz?

Annelerimizin ya da büyüklerimizin yaptığı örgü ve dantelleri hatırlıyorsunuzdur. Ne hikmetse aynı iplikler farklı şekillerde örüldüğünde ortaya farklı desen ve örnekler ortaya çıkardı. İşte sicim teorisi de biraz buna benzetilebilir: Evrenimizi oluşturan örülmüş iplikler (Bu müthiş benzetme için Kozmik Anafor’a müteşekkiriz).

Sicim teorisinin, genel görelilik ile kuantum mekaniğini birleştirmeyi amaçladığını söylemiştik. Peki, bu iki teoriyi birleştirme ihtiyacı nereden doğdu? Bunu anlamak için sanırız önce genel görelilik ve kuantum mekaniğini anlamamız gerekiyor.

1915 yılında Albert Einstein tarafından yayınlanmış olan genel görelilik teorisi, Isaac Newton tarafından inşa edilen klasik fizik teorisini geçersiz kılmış ve evrendeki makro olayları tamamen farklı bir perspektiften açıklamaya çalışmıştır. Örneğin Newton’un yaptığı açıklamalar kütle çekimini vektörel bir kuvvet olarak ele alırken Einstein’a göre kütle çekimi uzay-zaman dokusunun bükülmesiydi. Yani Newton, kütleli cisimler birbirleri üzerinde çekme kuvvetine sahiptir derken; Einstein kütleli cisimler uzay-zaman dokusunu büktüğü için etrafındaki cisimlere ivmeli bir hareket kazandırır diyordu.

Konuyu daha iyi tariflemek için şu örneği verebiliriz: Dünya üzerindeki tüm uydular aslında ‘serbest düşme’ hareketi yapmaktadırlar. Ancak kütle çekimi Newton’un söylediği gibi çizgisel bir kuvvet olmadığı ve uzay-zamanın bükülmesi nedeniyle yörüngesel bir düzlemde gerçekleştiği için serbest düşme hareketi de gezegenin yörüngesinde çok uzun süreler boyunca gerçekleşir. Eğer kütle çekimi vektörel bir kuvvet olarak alınacak olsaydı, dünyanın çevresindeki uyduların yörüngede dolanması imkânsız olurdu; bunun yerine itme gücünü kestiğiniz anda dünyaya geri düşmeleri beklenirdi.

Aslında bakarsanız genel görelilik kuramı da klasik fiziğin yetersiz gelmeye başlaması sayesinde doğdu. Newton’un formülleri yani klasik fiziğin matematiği uçaklar yapıp uçmamızı sağladı belki; ancak daha ötesi için genel göreliliğe ihtiyacımız vardı. Bugün küresel konumlandırma sistemlerinden (GPS), uzay yolculuklarına kadar her alanda genel görelilik kuramının gücünden faydalanıyoruz.

‘Kütle çekim kuvveti üzerine kurulmuş’ olarak sayabileceğimiz genel görelilik teorisi makro ölçekteki olayları açıklamamızı sağlayabiliyorken atom altı ölçekte gerçekleşen olayları açıklamakta başarısızdır. Bunun sebebi genel görelilik teorisinin başarısız olması değil; atom altı dünyada etkili olan kuvvetlerin tamamen farklı oluşudur. Kütle çekimi, dört boyutlu uzay-zamandaki gezegenlerin, yıldızların, nebulaların ve diğer tüm cisimlerin üzerinde etki eden en önemli kuvvetlerden birisiyken atom altı dünyada tüm önemini kaybetmektedir. İşte tam da burada devreye kuantum mekaniği girmektedir.

İlk defa Thomas Young isimli bir fizikçinin, 1801 yılında yaptığı –ve herkesçe bilinen– ünlü çift yarık deneyi, ışığın dalga özelliğini göstermek için hazırlanmıştı. Bu tarih kuantum mekaniğinin ve ışığın dalga-parçacık ikiliğinin keşfinin çok öncesine tekabül eder. Bu deney 19. yüzyılın başında elektron, foton gibi özel parçacıklarla tekrarlanınca, bir de olaya gözlemci dahil olunca çıkan sonuç sadece fizik dünyasında değil, felsefe dünyasında da tam bir deprem etkisi yarattı.

Deneyi tekrarlayan bilim insanları, deneyde madde olarak elektron kullandılar. Önce elektronları tek yarıktan atan araştırmacılar bekledikleri gibi bir sonuç aldılar. Yani arka taraftaki panelde tek çizgi halinde bir iz oluştuğunu gördüler. Daha sonra yarık sayısını ikiye çıkarttıklarında ve elektronları tekrar gönderdiklerinde ilginç bir şeyle karşılaştılar: Elektronlar dalga gibi hareket etmişlerdi. Dalga özelliğinde, dalgalar yarıklardan geçtiği zaman arka tarafta birbirlerine tekrar çarparak panelde bir girişim modeli oluşturur. Elektronlar da aynı özelliği göstererek bilim insanlarını şaşkına çevirdi. Bu sefer elektronların birbirine çarptığını düşünerek işlemi değiştirdiler ve elektronları tek tek göndererek deneyi yeniden gerçekleştirdiler. Fakat sonuç değişmedi; yani elektronlar tek tek gönderildiği halde iki yarık olduğunda dalga gibi davranmaya devam etmişlerdi.

Bunun sebebini anlamak için yarıkların dibine bir sensör yerleştirerek elektronları incelemeyi düşündüler ve deneye tekrar başladıkları zaman elektronların bu sefer tanecik özelliği gösterdiğini ve panelde sadece iki iz oluşturduğunu gözlemlediler. Bu deneyin sonucunda evreni klasik fizik yoluyla anlamanın imkânsız olduğu fark edilince kuantum dünyası bilim insanlarının ilgisini daha fazla çekmeye başladı.

Kuantum alan teorisine göre, her parçacığın kendine ait bir alanı vardır. Bu alanlar her ne kadar matematiksel olarak anlatılsa bile matematiğe başvurmadan, zihnimizde canlandırarak da anlamaya çalışabiliriz. Bunun için kuantum alanlarını, üst üste binmiş denizler olarak düşünelim. Bu denizlerin her birinin farklı sıvılardan oluştuğunu ve uçsuz bucaksız olduklarını düşünelim (Burada amaç bu dalgalı yüzeylerin birbiri ile nasıl etkileştiğine değinmektir). Bu sıvılardan biri dalgalanınca –eğer dalga yeterince güçlü ise– diğer denizleri de etkileyecek ve o denizlerde de dalgalanmalara sebep olacaktır.

İşte buna benzer bir durum kuantum alan teorisinde de söz konusudur. Kuantum alan teorisinin bize söylediği, her bir dalganın kendi alanı içinde elektron ya da foton gibi bir parçacığı oluşturduğudur. Bu parçacıklar kendi alanlarında dalgalandıklarında bazen diğer alanları da etkileyip onların da dalgalanmasına sebep olur. Parçacık ve dalga aynı şey olduğu için parçacık da bu diğer alanda farklı bir parçacığın oluşmasına neden olur. Bu da parçacıkların etkileşimi olarak bildiğimiz durumdur. Feynman diyagramları ile ifade edilen bu etkileşimler her şeyin temelini oluşturmaktadır; yani maddenin. Burada, maddenin enerjiden oluştuğunu anlıyoruz. Özel görelilik teorisinde de enerjinin maddeye dönüşebildiği söylenmektedir. Yani bu iki teori temelde maddenin ne olduğu konusunda hemfikir gibidir.

Kuantum alan teorisine göre her parçacık tipi için bir alan vardır. Yani evrendeki bütün fotonlar için aslında tek bir alan (foton alanı) vardır ya da evrendeki bütün elektronlar için bir elektron alanı vardır. Parçacıklar sadece evrenin belirli noktalarında bulunurken, örneğin boşlukta bulunmazlarken, bu alanlar evrenin her bir noktasına yayılmış durumdadırlar.

Buraya kadar anlattıklarımızdan görüldüğü üzere, kuantum teorisi ve görelilik teorisi birbirinden farklı alanları işliyor. Genel görelilik makro ölçekteki evreni anlamamıza yardımcı olurken atom altı dünyada işler tamamen değişiyor. Belki de iki teorinin de en temel ortak noktası enerji ve enerjinin dönüşebilir oluşu.

Her şeyi önünde sonunda enerjiye bağlayıp duruyoruz fakat tam da burada bu enerjinin ne olduğundan bahsetmezsek olmaz. Bu nedenle bu aşamadan sonra sicim teorisine geçiş yapabiliriz; yalnız bu teorinin büyük oranda matematiğe ve dolaylı bazı çıkarımlara dayandığını söylememiz gerekiyor.

Sicim teorisi, her şeyin temelde ‘sicim’ adı verilen ve iplik parçalarına benzeyen yapılardan oluştuğunu söyler. Yani maddeler atomlardan; atomlar ise proton, nötron ve elektronlardan oluşur. Proton ve nötronlar kuarklardan; kuarklar ve elektronlar ise sicimlerden (ipliklerden) oluşur.

Önceleri maddenin en küçük atom altı yapıtaşlarının boyutsuz noktasal parçacıklar olduğu düşünülüyordu ancak 1984 yılında Queen Mary Kolejinden Michael Green ile California Teknoloji Enstitüsünden John Schwarz evrenin boyutsuz noktasal parçacıklardan değil, sürekli titreşen tek boyutlu planck uzunluğunda olan ipliksilerden oluştuğunu öne sürdüler. Peki her şey bu sicim denen tek boyutlu ipliklerden oluşuyorsa o halde bu aynı iplikler birbirinden farklı maddeleri nasıl oluşturuyor? Cevap basit: Sicimlerin titreşim frekansının farklı olması farklı maddelerin oluşmasını sağlıyor. Bu ise bize tüm maddeleri oluşturan şeyin titreşim, yani bir çeşit enerji olduğunu ifade ediyor.

Her ne kadar kafa karıştırıcı ve lüzumsuz gibi dursa da sicim teorisinin ortaya çıkması için oldukça geçerli bir sebep var: Bu teori kütle çekimi ile diğer kuvvetleri birbirine bağlamaya çalışıyor çünkü kütle çekimi diğer kuvvetlerin aksine oldukça zayıf ve bunun bir nedeninin olması gerekiyor (Eğer kütle çekiminin çok kuvvetli olduğunu düşünüyorsanız, bir tarağı veya pipeti saçlarımıza sürterek ufak kâğıtları nasıl da kendisine çekebildiğine bakın. Kütle çekimini kolaylıkla yendiniz!)

Sicim teorisinde, kütle çekiminin zayıflığı matematikten faydalanılarak açıklanmaya çalışılıyor. Buna göre, evrende farklı boyutlar var ve bu farklı boyutlar enerjilerin gücünün belirlenmesinde önemli rol oynuyor. Tıpkı yıldızından uzaklaştıkça enerjisi azalan fotonlar gibi her tür enerji, kaynağından uzaklaştıkça gücünü kaybediyor. Kütle çekimi de bir tür enerji olduğuna göre, kaynağından ne kadar uzaklaşırsa enerjisini de o kadar kaybedecektir. Bu yüzden makro dünyanın altında, yani atom altı dünyada işlevini tamamen yitiriyor (Çünkü daha alt seviyede bir alana geçiyor ve kaynağından tamamen uzaklaşmış oluyor).

Bilim insanları da tam olarak bu durumu açıklayabilmek için fazladan boyutlar olduğunu ileri sürdüler. Theodor Kaluza isimli bir matematikçi 5 boyutlu bir evrende kütle çekimini incelerken bu evrendeki kütle çekiminin bizim evrenimizdekine çok benzediğini gördü. Çünkü eğer evren aslında 5 boyutlu ise bizim evrenimizde kütle çekiminin neden daha güçsüz olduğu da anlaşılır. Üç boyutlu evrende yayılan bir enerjinin nasıl ki 2 boyutlu bir evrende sadece bir parçası tespit edilebiliyorsa, 5 boyutlu bir evrende yayılan kütle çekimi de 4 boyutta haliyle daha zayıf görünecektir. Bu fikir sicim kuramının temelini oluşturmaktadır.

Burada işler biraz daha karışıyor çünkü sözde "var olan ama görülemeyen" bu 5. boyut kulağa çok mantıklı gelmediği ve görünürde varlığına dair bir kanıt olmadığı için Oskar Klein isimli fizikçi bu boyutların kompakt olması gerektiği fikrini ortaya atmıştır. Ayrıca, bu fazladan evrenin 3 uzay ve bir zaman boyutu olan evrendeki ileri-geri, sağ-sol kavramlarına benzer yeni bir yöne sahip olduğunu da ileri sürmüştür. Bu yön bir çember misali boyutun kendi üzerine katlanmasından ya da bir bakıma kendi etrafında hareket etmesinden oluşuyordu. Buradan Kaluza-Klein teorisi ortaya çıkmıştır.

Daha sonradan bu tezin güçlü nükleer kuvvet gibi diğer kuvvetleri açıklayamadığı görüldü. Bu gibi açıkları kapatmak için gereken boyutları da ekleyince kompakt halde toplam 11 boyut olması gerektiği hesaplandı.

Görüldüğü üzere sicim teorisi, kuantum mekaniği ile genel göreliliği birleştirmeye ve bu şekilde evreni makro ve mikro ölçekte anlamaya çalışmaktadır. Üstelik birbirinden ayrı gibi görünen ve etkileri birbirinden çok farklı olan nükleer kuvvet, yer çekimi kuvveti ve elektromanyetik kuvvet gibi enerji alanlarını birleştirmeyi amaçlamaktadır. Bilim insanlarının bu çabaları sayesinde, belki de şu an elimizdeki teorilerin tek tek yapamadıklarını yapabilecek ve evrenimizi her yönüyle açıklayabilecek bir teoriye ulaşabiliriz.

Kaynaklar

https://www.matematiksel.org/bakinca-var-olan-elektron-cift-yarikli-girisim-deneyi/

https://evrimagaci.org/sicim-teorisi-nedir-7574

https://www.kozmikanafor.com/sicim-teorisi-nedir/

https://evrimagaci.org/denklemlere-bogulmadan-ozel-gorelilik-teorisini-anlamak-4741

https://www.kozmikanafor.com/kuantum-alan-teorisi/