Kuantum Mekaniği Nedir? Atom Altı Parçacıkların Dünyası, Evren’i Daha İyi Anlamamızı Sağlayabilir mi?

Kuantum mekaniği, en küçük parçacıklarla ilgilenen fizik dalıdır. Fiziksel dünyada çok garip gibi görünen bazı sonuçlara yol açar. Atomlar ve elektronlar ölçeğine indiğinizde, nesnelerin günlük boyutlarda ve hızlarda hareketini ve davranışlarını tanımlayan klasik mekanik denklemlerinin çoğu işe yaramaz hale gelir. Çünkü klasik mekanikte nesneler, belirli bir zamanda, belirli bir yerde bulunur. Kuantum mekaniğinde ise nesneler, bunun yerine, bir olasılık sisi içerisinde bulunurlar; A noktasında bulunmalarının belli bir olasılığı ve B noktasında bulunmalarının da başka bir olasılığı vardır. Bu böyle, her bir durum için devam eder…

Üç Devrimci İlke

Kuantum mekaniği (KM), klasik mekaniğin matematiğinin açıklayamadığı deneylerin tartışmalı matematiksel açıklamalarından başlayarak, on yıllar boyunca gelişti. Bu, 20. yüzyılın başında, Albert Einstein’ın fizikte nesnelerin yüksek hızlardaki hareketini tanımlayan, ayrı bir matematiksel devrim olan görelilik teorisini yayınladığı dönemde başladı. Görelilik Teorisi’nin aksine, kuantum mekaniğinin kökenleri, herhangi tekil bir bilim insanına atfedilemez. Aksine, birçok bilim insanı, 1900-1930 yılları arasında kademeli olarak kabul ve deneysel doğrulama kazanan üç devrimci ilkenin temeline katkıda bulundu. Bu ilkeler:

Kuantumlanmış Özellikler

Konum, hız ve renk gibi belirli özellikler, bazen sayıdan sayıya “tek seferde sıçrayan” bir kadran gibi, yalnızca belirli ve tam sayılı miktarlarda ortaya çıkabilir. Yani kuantum mekaniği, bu tür özelliklerin düzgün ve sürekli bir spektrumda var olması gerektiğini ileri süren klasik mekaniğin temel varsayımına meydan okumuştur. Bilim insanları, bazı özelliklerin belirli ayarlara sahip bir kadran gibi “tek seferde sıçradığı” fikrini açıklamak için “nicelleştirilmiş” ya da “kuantumlanmış” terimini icat ettiler.

Işık Parçacıkları

Işık, bazen parçacık gibi davranabilir. Bu, ışığın sakin bir gölün yüzeyindeki dalgalanmalara benzer şekilde bir dalga gibi davrandığını gösteren 200 yıllık deneylerin aksine, başlangıçta sert eleştirilerle karşılandı. Işık, duvarlardan “sekmesi”, köşelerde bükülmesi ve ve dalganın tepeleri ve çukurlarının toplanması veya kaybolması bakımından, dalgaya benzer şekilde davranır. Üst üste binen dalga tepeleri daha parlak ışıkla sonuçlanırken, birbirini iptal eden dalgalar karanlığa sebep olur. Bir ışık kaynağı, bir gölün ortasına ritmik olarak batırılan bir topa benzetilebilir. Yayılan renk, topun ritminin hızı ile belirlenen dalga tepeleri arasındaki mesafeye karşılık gelir.

Maddenin Dalgaları

Tüm bunlara rağmen madde, dalga gibi de davranabilir. Bu durum, elektronlar gibi maddelerin parçacıklar olarak var olduğunu gösteren 30 yıllık deneylerle ters düşmüştür.

Kuantumlanmış Özellikler Ne Anlama Gelir?

1900 yılında Alman fizikçi Max Planck, spektrum boyunca yayılan renklerin, kırmızı-sıcak ve beyaz-sıcak nesnelerin (ampul filamentleri gibi) ışıltısında dağılımını açıklamaya çalıştı. Planck, bu dağılımı açıklamak için türettiği denklemi fiziksel olarak anlamlandırırken, çok sayıda olsa da yalnızca belirli renklerin kombinasyonlarının, özellikle bazı taban sayılarının tam sayı katları olanların yayıldığını ima ettiğini fark etti. Renkler bir şekilde kuantumlanmıştı!

Bu, beklenmedik bir durumdu; çünkü ışığın bir dalga gibi davrandığı biliniyordu, bu da renk değerlerinin sürekli bir spektrum olması gerektiği anlamına geliyordu. Atomların bu tam sayı katları arasındaki renkleri üretmesini ne engelliyor olabilirdi?

Bu, o kadar tuhaf görünüyordu ki, Planck kuantumlanmayı matematiksel bir numaradan başka bir şey olarak görmüyordu. Physics World dergisinde 2000 yılında yayınlanan “İsteksiz Devrimci Max Planck” başlıklı makalesinde Helge Kragh’ın da dediği gibi:^[2]

Aralık 1900’de fizikte bir devrim meydana geldiyse de, kimse bunun farkında değildi. Planck de bir istisna değildi…

Planck denklemi, sonradan kuantum mekaniğinin gelecekteki gelişimi için çok önemli olacak bir sayı da içeriyordu. Bu sayı, günümüzde “Planck Sabiti” olarak biliniyor.

Kuantumlanma, fiziğin diğer gizemlerini açıklamaya da yardımcı oldu. 1907’de Einstein, aynı miktarda ısıyla maddeye etki edip başlangıç sıcaklığını değiştirdiğinizde, katı maddelerin sıcaklığının neden farklı miktarlarda değiştiğini açıklamak için Planck’ın kuantizasyon hipotezini kullandı.

1800’lerin başından beri, spektroskopi bilimi, farklı maddelerin “spektral çizgiler” adı verilen belirli ışık renklerini yaydığını ve absorbe ettiğini göstermiştir. Spektroskopi, uzak yıldızlar gibi nesnelerde bulunan maddeleri belirlemek için güvenilir bir yöntem olsa da, bilim insanları, neden her maddenin bu belirli çizgileri yaydığını henüz çözememişlerdi.

1888’de Johannes Rydberg, hidrojen tarafından yayılan spektral çizgileri açıklayan bir denklem türetti, ancak kimse denklemin neden çalıştığını açıklayamadı. Bu durum, 1913’te Niels Bohr‘un, Planck’ın kuantizasyon hipotezini Ernest Rutherford‘un 1911’deki “gezegensel” atom modeline uyguladığında değişti: Böylece, elektronların, gezegenlerin güneşin yörüngesinde olduğu gibi çekirdeğin etrafında döndüğü varsayıldı.

Colorado Üniversitesi tarafından üretilen Physics 2000 sitesine göre Bohr, elektronların bir atom çekirdeği etrafındaki “özel” yörüngelerle sınırlandırıldığını öne sürdü. Elektronlar belirli yörüngeler arasında “sıçrayabiliyorlardı” ve bu sıçramanın ürettiği enerji, spektral çizgiler olarak gözlenen belirli ışık renklerine neden oluyordu. Kuantumlanmış özellikler sadece matematiksel bir numara olarak icat edilmiş olsa da, o kadar çok şeyi açıkladılar ki, kuantum mekaniğinin kurucu ilkesi haline geldiler.

Işık Parçacıkları Ne Demek?

1905’te Albert Einstein, ışığın bir dalga olarak değil de bir çeşit “enerji kuantumu” olarak hareket ettiğini tasavvur ettiği “Işığın Emisyonu ve Dönüşümüne Yönelik Keşifsel Bir Bakış Açısı” başlıklı bir makale yayınladı.^[1] Einstein’ın önerisine göre bu enerji paketi, özellikle de bir atom kuantumlanmış titreşim hızları arasında “sıçradığı” zaman, “yalnızca bir bütün olarak absorbe edilebilir veya üretilebilirdi”; yarım veya çeyrek absorbe edilemezdi veya bu şekilde “tam olmayan biçimde” saçılamazdı. Bu, birkaç yıl sonra görüleceği gibi, kuantumlanmış yörüngeler arasında bir elektron “sıçradığında” da geçerli olacaktı. Bu modele göre, Einstein’ın “enerji kuantumu”, sıçramanın enerji farkını içeriyordu; Planck sabitiyle bölündüğünde, bu enerji farkı bu kuantumların taşıdığı ışığın rengini belirledi.

Einstein, ışığı tasavvur etmenin bu yeni yolu ile, Planck’ın tanımladığı belirli renkler de dahil olmak üzere dokuz farklı olgunun davranışıyla ilgili fikirler sundu. Işığın belirli renklerinin elektronları metal yüzeylerden nasıl atabildiğini de açıkladı, bu olay “fotoelektrik etkisi” olarak bilinir.

Ne var ki, Winnipeg Üniversitesi’nde fizik profesörü olan Stephen Klassen, Einstein’ın bu görüşlerinde tamamen haklı olmadığını söyledi. Klassen, 2008 tarihli bir makale olan “Fotoelektrik Etkisi: Fizik Sınıfları İçin Olan Hikayeyi Düzeltmek” başlıklı makalesinde, Einstein’ın enerji kuantumunun bu dokuz olgunun tümünü açıklamak için gerekli olmadığını belirtmektedir. Işığın bir dalga olarak hesaplandığı belirli matematiksel işlemler, hem Planck’in bir ampul filamentinden yayıldığını söylediği belirli renkleri, hem de fotoelektrik etkisini açıklayabilir. Einstein, 1921 Nobel Ödülü’nü tartışmalı bir şekilde kazandığında, Nobel komitesi, özellikle enerji kuantumu kavramı üzerinde durmadan, yalnızca “fotoelektrik etkisi yasasının keşfini” ödüle dahil etmişti.

Einstein’ın makalesinden yaklaşık yirmi yıl sonra “foton” terimi, 1923’te bir elektron ışını tarafından saçılan ışığın renk değiştirdiğini gösteren Arthur Compton‘un çalışması sayesinde, enerji kuantumunu tanımlamak için popüler hale geldi. Bu, ışık parçacıklarının (fotonların) gerçekten de madde parçacıklarıyla (elektronlar) çarpıştığını gösterdi ve böylece Einstein’ın hipotezi doğrulanmış oldu. Şimdiye kadar, ışığın hem dalga hem de parçacık gibi davranabileceği görülerek “dalga-parçacık ikiliği” kuantum mekaniğinin temeline yerleştirildi.

Madde Dalgaları?

Elektronun 1896’da keşfedilmesinden bu yana, tüm maddenin parçacıklar şeklinde var olduğuna dair kanıtlar yavaş yavaş toplanıyordu. Yine de, ışığın dalga-parçacık ikiliğinin belirtilmesi, bilim insanlarının maddenin yalnızca parçacık olarak davranmakla 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 gösterebildiğini ve dalgaların parçacık benzeri özellikler gösterebileceğini kanıtlamak için Einstein’ın Özel Görelilik Teorisi’nin denklemlerini kullandı. Daha sonra 1925’te, bağımsız çalışan ve farklı matematiksel düşünme yöntemleri kullanan iki bilim insanı, elektronların atomlarda nasıl döndüğünü açıklamak için Broglie’nin mantığını uyguladılar (bu, klasik mekaniğin denklemleri kullanılarak açıklanamayan bir olgudur). Almanya’da fizikçi Werner Heisenberg, Max Born ve Pascual Jordan ile birlikte çalışarak, bunu “matris mekaniği” denen bir yöntem geliştirerek başardı. Avusturyalı fizikçi Erwin Schrödinger “dalga mekaniği” adlı benzer bir teori geliştirdi. Schrödinger, 1926’da İsviçreli fizikçi Wolfgang Pauli‘nin, matris mekaniğinin daha eksiksiz olduğunu gösteren yayınlanmamış bir araştırmayı Pascual Jordan’a göndermesine rağmen, bu iki yaklaşımın eşdeğer olduğunu gösterdi.

Rutherford-Bohr atom modelinin yerini, her elektronun bir atomun çekirdeği etrafında bir dalga (bazen “bulut” olarak adlandırılır) gibi davrandığı Heisenberg-Schrödinger atom modeli aldı. Yeni modelin bir koşulu, bir elektronu oluşturan dalganın uçlarının buluşmasıydı. W.A. Benjamin tarafında 1981 yılında yazılan Quantum Mechanics in Chemistry kitabının 3. baskısında Melvin Hanna şöyle diyor:

Sınır koşullarının dayatılması, enerjiyi ayrık değerlerle sınırladı.

Bu koşulun bir sonucu, yalnızca tam sayıdaki tepe ve çukurlara izin verilmesidir; bu da bazı özelliklerin neden kuantumlandığını açıklar. Heisenberg-Schrödinger atom modelinde, elektronlar bir “dalga fonksiyonuna” uyar ve yörüngelerden ziyade “orbitallerde” bulunurlar. Rutherford-Bohr modelinin dairesel yörüngelerinin aksine, atomik orbitaller, kürelerden dambıllara ve papatyalara kadar çeşitli şekillere sahiptirler.

1927’de Walter Heitler ve Fritz London, atom orbitallerinin molekül orbitalleri 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 çözülemeyen bir başka problemdi. Bu içgörüler, “kuantum kimyası” alanının gelişmesine yol açtı.

Belirsizlik İlkesi

Yine 1927’de Heisenberg’in, kuantum fiziğine bir başka büyük katkısı oldu. Madde dalga gibi davrandığından, bir elektronun konumu ve hızı gibi bazı özelliklerinin “tamamlayıcı” olduğunu, yani her bir özelliğin kesinliğinin ne kadar iyi bilinebileceğine dair Planck sabiti ile ilişkili bir sınır olduğunu düşündü. “Heisenberg’in Belirsizlik İlkesi” olarak adlandırılacak bu ilkeye göre, bir elektronun konumu ne kadar kesin olarak bilinirse, hızı o kadar az kesinlikle bilinebilirdi ve bunun tam tersi de geçerliydi.

Bu belirsizlik ilkesi, günlük boyuttaki nesneler için de geçerlidir; ancak fark edilmez, çünkü kesinlik noksanlığı olağanüstü derecede küçüktür. Morningside Koleji’nden (Sioux City, IA) Dave Slaven’a göre, eğer bir beyzbol topunun hızı saatte 0,16 kilometre düzeyinde kesinlikle biliniyorsa, topun konumunu bilmenin mümkün olduğu maksimum kesinlik 0.000000000000000000000000000008 milimetredir.

Geleceğe Adım Adım!

Kuantumlanma ilkeleri, dalga-parçacık ikiliği ve belirsizlik ilkesi, kuantum mekaniği için yeni bir dönem başlattı. 1927’de Paul Dirac, parçacıkları (fotonlar ve elektronlar gibi) altta yatan bir fiziksel alanın uyarılmış halleri olarak işleyen “kuantum alan teorisi” (KAT) üzerinde çalışabilmek için elektrik ve manyetik alanların kuantum anlayışını uyguladı. Kuantum alan teorisindeki çalışmalar, bilim insanları bir engelle karşılaşana kadar on yıl boyunca devam etti: Kuantum alan teorisindeki birçok denklem, sonsuzluk sonuçları elde ettiğinden, fiziksel anlam ifade etmeyi bıraktı.

On yıllık bir durgunluktan sonra, Hans Bethe 1947’de “yeniden normalleştirme” adlı bir teknik kullanarak bir ilerleme kaydetti. Burada Bethe, tüm sonsuz sonuçların iki fenomene bağlı (özellikle “elektron öz enerjisi” ve “vakum polarizasyonu”) olduğunu ve elektron kütlesi ile elektron yükünün gözlemlenen değerlerinin tüm sonsuz sonuçların ortadan kalkması için kullanılabileceğini fark etti.

“Yeniden normalleştirme” girişiminden bu yana, kuantum alan teorisindeki doğanın dört temel kuvveti hakkında kuantum teorileri geliştirmek için temel oluşturmuştur:

1. elektromanyetizma,
2. zayıf nükleer kuvvet,
3. güçlü nükleer kuvvet,
4. kütleçekimi.

Kuantum alan teorisi tarafından sağlanan ilk içgörü, 1940’ların sonlarında ve 1950’lerin başlarında büyük adımlar atan “kuantum elektrodinamiği” (KED) aracılığıyla elektromanyetizmanın kuantum tanımıydı. Bunun dışında, 1960’lar boyunca “elektrozayıf teorisini” (EZT) oluşturmak için elektromanyetizma ile birleştirilen zayıf nükleer kuvvetin kuantum tanımı vardı.

Nihayet, 1960’larda ve 1970’lerde “kuantum kromodinamiği” (KKD) kullanılarak güçlü nükleer kuvvetin kuantum olarak tanımlamak mümkün oldu. KED, EZT ve KKD teorileri, birlikte parçacık fiziğinin Standart Modeli’nin temelini oluşturdu. Ne yazık ki, KAT henüz bir kuantum kütleçekimi teorisi üretemedi. Bu konudaki araştırmalar günümüzde sicim teorisi ve döngüsel kuantum kütleçekimi çalışmalarıyla devam ediyor.