BİR: kuantum fiZİĞİ Bilimin Evriminin Özeti
Yüklə 0,99 Mb. Pdf görüntüsü
|
- Bu səhifədəki naviqasiya:
- Kuantum Fiziği ile Genelde Bilinen Fizik Arasındaki Fark
- Başlangıç
|
Bilimsel İlke Galile evreni gözlemenin ötesinde fiziksel olayları inceleyen deneyler yaptı. Kendisine belki “modern bilim dünyasının babası” denebilir. Ancak bulguları, diğer bir dev âlimin buluşlarının yanında küçük kalabilir. Bu da İsaac Newton’dur. Newton, yaptığı deneylerin açıklamasında matematik kullanmıştır. Önce gözlemiş, sonra da karar vermiştir. Bununla beraber bütün evrenin başta Tanrı tarafından kurgulanıp yaratıldığını da söylemiştir. Kendi kozmik sisteminin “her türlü şüphenin ötesinde akıllı, her yerde hazır ve nazır bir yaratanın olduğunu kanıtladığını” söylüyordu. Ve ekliyordu “bu yaratan matematik ve geometri konularında çok bilgili…”. İleri gelen eseri “Principia Matematica”da diyordu ki: “eskiler... Doğal nesnelerin incelenmesinde mekanik bilimini iyi kullandılar, modernler ise olağanüstü algıları ve başlıca formları bir kenara atıp doğayı matematikle izah etmeye yöneldiler, ben ise bu kitabımda matematiği felsefeyi besleyen 16 bir şekilde kullandım.... Birçok nedenden ötürü her şeyin maddelerin parçacıklarını yöneten bazı kuvvetlerin ya bu parçacıkları birbirinden iterek ayırmak ya da birbirine çekerek birleştirip bütünleşik şekiller oluşturmak olduğunu düşünüyorum. Bu kitapta yazdıklarımın bunu ya da daha doğru bir felsefi olguyu açıklamasını umuyorum.” Newton’un yer çekimi kanununu bulması ile beraber evrenin keşfine gerçekten başlandı. Bu araştırma kolay olmadı, birçok kör noktaya saplanıldı ve bunlar aşıldı. Nihai çözümlere varıldığı sanıldı ancak böyle olmadığı hayal kırıklığı yaşanarak anlaşıldı. Yalnızca 100 yıl önce tüm evren güneş sisteminden ibaret sanılıyordu. Ancak geliştirilen güçlü teleskoplarla yapılan gözlemler bunun böyle olmadığını, sönük tek yıldızlar sanılan nesnelerin aslında yıldız kümeleri olduğunu gözler önüne serdi. Bunların her birinde milyarlarca yıldız var idi. Evrenin muazzam büyüklükte olduğu ve giderek genişlediği bulgular arasında idi. Kozmologlar uzayın derinliklerini araştırırken fizikçiler ters bir yönde yol alıyorlar, değişik renk ve lezzetleri inceliyorlardı. Fizikçilerin tam ellerindeki deneysel araştırma imkânlarının sınırına geldiklerini sandıkları anda evrenin onlar için tam bir laboratuar olduğu ortaya çıktı. İlim adamları kozmoloji ve fizik bulgularını yeterli ölçüde matematik ile 17 süsleyerek zamanda geri gitmeye başladılar, evrenin çok küçük olduğu zamana, hatta hiç olmadığı zamana kadar yol aldılar. Modern teleskoplar geçmiş zamanda meydana gelen göksel olayları gözlüyorlar. İşte soru: Geçmişte olanlar gözlenebildiğine göre “zaman” var mı? Ya da zamanın yalnız ileriye doğru aktığını söyleyebilir miyiz? Evrenin Başlangıcı (ve Bizim Başlangıcımız) Bilim adamları evrenin 14 milyon yıl önce “büyük patlama ile” oluştuğunu söylerler. Ancak matematik bağıntıları bu ilk ana yaklaştıkça daha yaklaşık bir hale gelir. Bununla beraber “büyük patlama”da saniyenin milyonda biri kadar bir zaman içinde ne olduğu hakkında yeterli bilgileri olduğuna inanırlar. Bu zamanda her şey çok sıcak idi ve "lepton” ve "quark" adı verilen parçacıklardan meydana gelen bir çorba gibi idi. Bu çorba zamanla soğudu ve genişledi. Kat kat üstüne yapılar oluştu. Nötrinolar, elektronlar, atomlar, yıldız galaksileri, galaksi kümeleri ve süper galaksiler.... Bu gün görülebilir evrende 100 trilyon galaksi olduğu, bunların her birinde de 100 trilyon yıldız var olduğu biliniyor. Galaksiler birbirlerine yerçekimi güçleri ile bağlı olup ilim adamlarına göre gizemli bir “kara madde”nin içinde bir “kara 18 enerji” ile beslenerek gittikçe artan bir hızla durmadan genişliyor. Nereye doğru? Sonu olmayanın sınırına doğru mu? Değişim Diğer yandan, evren soğuyup genişledikçe özellikleri de değişti. Fizik âlimlerinin saydığı dört kuvvet vardır: Elektromanyetik, Zayıf, Kuvvetli ve Yer Çekimsel. Elektromanyetik kuvvetler mıknatısları besledikleri ve radyo, bilgisayar, elektrik jeneratörü gibi araçları çalıştırdıkları gibi bizim parçalarımızı da bir arada tutarlar. Zayıf ve kuvvetli kuvvetler ise çok küçük parçacıkları bazen birleştirir ve bazen ayırırlar. Yer çekimi uzun mesafeler içinde etkisini gösterir ve gezegenleri yörüngelerinde, yıldızları kümelerinin içinde ve bizi de dünyanın üstünde tutar. Bu kuvvetler belirgin ve uzun mesafelerde inanılmayacak derecede etkin olan kuvvetlerdir. Ancak bu kuvvetlerin matematiksel ifadeleri tüm bunların diğer tek bir kuvvetin bileşenleri olabileceğini göstermiştir. Birçok bilim adamı bunların hepsinin “yer çekimi” denilen kuvvet ile birleştirilerek “her şeyin teorisi” denilen bir teori ile açıklanabileceğini söylemektedirler. Bu dört kuvvetin etkileşimindeki en ufak değişiklik çok büyük farklar yaratmaktadır. Örneğin kimi hallerde dört 19 kuvvetten iki tanesinin bileşimindeki yüzde 10 oranındaki bir fark, birçok nedenle evrenimizi yaşanamaz kılacaktı. Bu durumda dışarıdan bakıldığında evren çok akıllı bir yaratan tarafından insanın yaşamına uygun şekilde tasarlanmış görünmektedir. Diğer bir deyişle Evren, yaşam için “tam uygun” bir bileşim içinde yaratılmıştır. Pekiyi ama her şey neden bu kadar iyi şartlarda oluştu? Gerçi soruşturuluyor, tartışılıyor ama bana sorarsanız hiçbir bilimsel çözüm, bunun niçin ve nasıl böyle olduğunu açıklamadıkça yeterli sayılamaz. Buna cevap olarak bizim tüm anlayışımızın ötesinde, her şeye kadir bir yaratanın bu mükemmelliği ortaya getirdiğini düşünmek bir çıkış yoludur. Ancak hatırlayalım ki biz insanlar düşünen yaratıklarız. “Kim? Neden? Nasıl? diye sorgularız. Bu nedenle biraz daha derine inelim. Derde deva olur mu bilemem ama bu yolda Kuantum Fiziğini anlamaya çalışalım. Hemen söylemeliyim ki bu macerada acayip olaylar ve kurallar dizisi ile karşılaşacağız. Öyle ki Kuantum teorisinin babalarından Niels Bohr “kuantum teorisi kimi şoke etmemişse o kişi kuantum teorisini anlamamıştır” demiştir. 20 Niçin Kuantum Fiziği? Newton tarafından ortaya atılan yer çekimi alanı teorisi ve buna koşut sayılan elektromanyetik alan teorisi bu alanların eter denilen bir ortam içinde sürekli olduğunu ve her yerde her zaman etkin olduğunu söylerler. Bu tür bütünsel teorilerin çok şık matematik modellemeleri yapılmış, bu modeller sınanmış, doğrulukları saptanmıştır. Diğer yandan madde süreksizdir, parçalardan oluşur. 19. Yüzyılın ikinci yarısında maddenin atomik teorisi oldukça geliştirilmiş, ancak bu teoriler deneylerle yeterince sınanmamıştı. Bu nedenledir ki pek çok bilim adamı hala tümleşik alan teorileri üzerinde duruyor, pek çok olayı bunlarla açıklamayı yeğliyorlardı. 20. yüzyılda bu görüşten uzaklaşmak gerekti: Önce eter ortamının var olmadığı anlaşıldı. Bunu takiben atomik teorinin doğruluğu ispatlandı. Ayrıca ışığın foton denilen parçacıklardan oluştuğu, fiziksel âlemin de ayrık parçacıklardan meydana geldiği görüldü. Böylece bütünsellik yerini ayrılıkçılığa bırakmaya başladı. İşte bu nedenlerledir ki Kuantum Fiziği maddesel olayların ayrık düzenlerini incelemek üzere sahneye çıktı. Kuantum Fiziğini Tanıyalım 21 Konuya girerken önce anlatımda genel olarak kullandığım “Kuantum Fiziği” deyimini “Kuantum Mekaniği” deyimi ile değiştirilebilir bir terim olarak kullandığımı açıklamak isterim. Bu metinde amacım Kuantum Fiziğini anlaşılabilir bir şekle sokarak anlatmaya çalışmaktır. Kuantum kelimesi Grekçe paket anlamındadır. Bu Fiziğin konusu enerjidir. Onun için de adı enerji paketleri anlamına gelen Kuantum kelimesini içerir. Kuantum Fiziği dünyamızdaki nesnelerin nasıl var olduklarını, evrendeki olayları, fiziksel nitelikleri açıklamaya çabalayan bir ilim dalıdır. Bunu yaparken Evrendeki tüm olguları en küçük ve asli bileşenlerine kadar parçalar, onların nasıl ve hangi kaynaktan oluştuklarını kavramaya çabalar. Bu bilim dalında yargılar daha çok deneysel bulgulara dayanır. Olayların “niçin” meydana geldiği hakkında bir söylem yoktur. Nesnelerin “nasıl” davrandıkları deneylerle elde edilen bulgulara dayanarak açıklanır. Yukarıda kullanılan “var oldukları” deyimi kişiye ister istemez var oluş felsefesini anımsatır. Kuantum Fiziğine gerçekten de “var oluş felsefesinin bilimsel tamamlayıcısıdır” diyebiliriz. 22 Kimi araştırmacılar derler ki Kuantum Fiziğinin ortaya koyduğu bulgulara göre, düşünceleriniz, heyecanlarınız hatta hayattaki başarı eşiğiniz birbirleri ile karmaşıktırlar. Nick Herbert “Kuantum Gerçeği” (Kuantum Reality) isimli kitabında vücudumuzun tek varlık olan evrenin bağlantılı bir parçası olduğu fikrindedir: “Fizikçiler vücudumuzun atomlarının ışıktan hızlı hareket eden bir dokudan örülmüş olduğunu keşfettiler” der ve Einstein’ın şu sözünü aktarır: “İnsanoğlu evren denilen bütünün zaman ve mekân ile sınırlandırılmış bir parçasıdır. Kendisini, düşüncelerini ve hislerini bilincinin görsel bir aldatmacası sonucu her şeyden ayrıymış gibi algılar. Bu aldatmaca bizim için bir hapishane gibidir. Bizi şahsi arzularımızla ve yakınımızdaki birkaç kişi için duyduğumuz yakınlıkla baş başa bırakır. Görevimiz bütün canlıları ve tüm güzelliği içinde doğayı kucaklamak olmalıdır.” Kuantum Fiziği ile Genelde Bilinen Fizik Arasındaki Fark Kuantum Fiziği doğa olaylarının özünde rastlantısal olduğunu söyler. Bu Newton’un “saat gibi çalışan” evreninin fiziği ile karşılaştırıldığında okuyucuyu şok eder. Çünkü Newton fiziğinde evrendeki bütün atomların yerlerini ve hızlarını belirli bir zamanda bilirsek o evrende gelecek fizik düzeninde ne olacağını saptayabiliriz. Bu modelde evren büyük bir makine 23 gibidir. Dişlileri birbirlerine mekanik bir şekilde kilitlenir ve olaylar böylece düzen içinde yürür. Diğer yandan Kuantum Fiziği doğa olaylarını en temel düzeyde tamamen gelişigüzel olaylar şeklinde açıklar. Kimi kurallarının insana acayip gelmesinin bir nedeni budur. Rastlantılara bağlı ve olasılıklarla tanımlanan bir evrende yaşamak fikri çok da hoş olmasa gerek… Cisimler ve Parçacıklar Fiziksel dünyadaki cisimler moleküllerden oluşur. Kuantum Fiziği bu küçücük parçacıkları daha da ufalamış, bu parçacıkları atom altı parçacıklar olarak tanımlamıştır. Şimdi moleküllerden daha küçüğe doğru giderek bu parçacıkları tanıyalım. Molekülden daha küçük olanı Grek bilgini Demokritos’un varlığını haber verdiği ve bölünemez adı verilen “Atom”dur. Demokritos’un taktığı isim çok doğru olmasa gerek ki atomun daha küçükleri ışık için “Foton”, ayrıca “Lepton”, “Elektron”, “Nötron”, “Quark” vb isimler taşırlar. Bu isimlerin sayısı daha da fazla…Gitgide artıyor ayrıca... Bu tanıtım boyutları içinde isimlerini öğrenmek getirisi fazla olmayan bir uğraş bizim için… 24 Anlatımımız açısından bu kadar bir bilgi şimdilik yeterli olacaktır. Başlangıç 1925 yılında Einstein olağanüstü bir denkleme imza attı: E=mc 2 . Burada E enerjiyi, m cismin kitlesini ve c Işık hızını gösteriyordu. (Bir cismin kitlesi cismin ağırlığının yer çekimi katsayısı g olan yaklaşık 9.81 m/sn 2 ye bölünerek bulunur.) Işık hızı varılabilecek bir üst hız sınırı gösteriyor, bu sınıra varan bir maddenin enerjisi nerede ise sonsuza ulaşıyor, diğer bir deyişle madde enerjiye dönüşüyordu. Yukarıda sözü edilen kimi küçük parçacıklar bu hızlara varırlar. O zaman enerji-‐madde-‐enerji döngüsünün varlığı ortaya çıkar: Her şey enerji olur bu çok küçükler dünyasında…( Çok büyükler dünyası farklı mı?) Bu buluş bilim çevrelerinin görüşlerini kökten değiştirebilecek nitelikte olmakla beraber insanların evrenin oluşumu ve niteliği hakkındaki fikirlerini de etkileyebilecek önemdedir. Dediğim gibi bilim adamlarının bu bulgudan önceki bilgileri Newton Fiziğine dayanıyordu. Bu Fiziğin dayandığı ilke her şeyin temelde yer çekimine bağlı olduğu idi: Newton Fiziği 17. yüz yılın sonlarına doğru Evrenin Atomlardan meydana geldiği, bu atomlar arasındaki çekim gücü nedeni ile atomların birleşerek maddeyi meydana getirdiği 25 yönündeki teori idi. Gerçekten de Evren’de var olan, beş duyu ile ve diğer araçlarla algılanabilen, sonsuz küçükten sonsuz büyüğe kadar her nesne Newton Fiziğinin ileri sürdüğü çekim gücü nedeni ile atomların birleşmesinden oluşmuştur. Bu teori 19 yüzyılda atomların malzemenin ana yapı taşları olduğu yönündeki bulgular ile güçlendirildi. Atomların katı parçacıklar olduğu sanılıyor ve bunlar elektronlar, protonlar, nötronlar ile beraber tek bir cisim olarak görülüyordu. Einstein'ın dünyayı değiştiren buluşu ile beraber atomların bölünebileceği, ortaya çıkan atom altı parçacıklarının da saf enerjiye eşdeğer oldukları ortaya çıktı. Einstein bu keşfi yaptığı zaman bu enerjinin de katı parçacıklar görünümünde var olduğu düşüncesinde idi. Diğer bir bilgin, Thomas Young “bu enerji parçacıklar halinde değil dalgalar halindedir” diyordu. Bu aşamada diyelim ki iki bilim adamı gerçeği bir elmanın iki yarısı gibi paylaşmışlar… Katı bir fizik ilmi bakışı ile Newton Fiziğinin “yarı doğru” olduğu söylenirse de elmanın diğer yarısını içeren Kuantum Fiziği; maddelerin oluşumu ve varlığı konusunda daha derin ve daha heyecan verici açıklamalar içerir. Einstein’ın buluşu Newton Fiziğini bir adım ileri taşımış ve atomların ve onların bünyesinde olan alt parçacıkların hepsinin saf enerji olduğuna hükmetmiştir. 26 Einstein’ın teorisinin detaylarına girmeden sonsuz büyük ile sonsuz küçüğün onun formülü ile nasıl bağdaştırıldığını aşağıdaki şematik gösterim ile inceleyelim: Sonuçta görüyoruz ki her nesne enerjidir ve her şeyi yaratan bu enerji her yerde var olan bir “tek”tir. E=mc 2 Evren -‐-‐> Evren -‐-‐> Galaksi -‐-‐> Dünya -‐-‐> Kişiler -‐-‐> Organlar-‐> Hücreler -‐-‐> Moleküller -‐-‐> Atomlar -‐-‐> Atom Altı Parçacıkları = Enerji Kişisel bir açıdan bakarsak; bizler bir damla suyun bir okyanusta bulunuşuna benzer şekilde sonsuz bir Kuantum Enerji denizinin içinde bulunuyoruz. Bir de şunu düşünelim: Okullarda hala Newton Fiziği okutuluyor ama Kuantum Fiziğine yer verilmiyor. O zaman enerji denilince kişiler elektrik, gaz, vs gibi isimlerle adlandırılan günlük enerjilerin ayrı şeyler olduğunu, bu enerjinin bir “tek” olduğunu bilmiyorlar. Ancak var olan her şey; ses, renk, oksijen, rüzgâr, düşüncelerimiz, hislerimiz, vücudumuz, çevremizdeki eşya, yıldızlar, konuşma görme duyularımız vb her şey bu aynı enerjinin sonucu olarak vardırlar. 27 Bir fizik konusu matematiğin yardımı ile daha kolay açıklanır. Çünkü Matematik bilim çevrelerinin kullandığı lisandır. Ancak, bu kitabı okuyan her kişi Matematiği bilmeyebilir ya da sevmeyebilir. Onun içindir ki işin Matematik kısmını Ek 1. Olarak kitabın sonunda sunuyorum. Bununla beraber Kuantum Teorisi aslında matematik temellerin üzerine inşa edilmiş olduğundan okuyucu bu temelden elde edilen sonuçları peşinen kabul etmiş olacaktır. Bu sonuçları aşağıdaki kısımda sıralıyorum: Matematiksel Anlatımdan Çıkan Sonuç 1. Schrödinger Fonksiyonu: Matematikte Karakteristik Değer Fonksiyonu (Öjen Fonksiyonu), bu fonksiyonun “Karakteristik Değerleri” (Öjen Değerleri) ve bunlara karşı gelen “Vektörler” vardır. Bu bir dalga fonksiyonudur. Böyle b ir dalga fonksiyonu, her biri kendi “karakteristik değer”ine karşı gelen değişik dalga fonksiyonlarının üst üste bindirilmesi ile oluşur. Bu bindirme olayına “Kuantum Süperpozisyonu” ya da “Kuantum Bindirmesi” denilir. Bu, Şekil 1.de gösterildiği gibi iki ucu tutturulmuş bir telin titreştirilmesi halinde meydana gelecek olan titreşim elemanlarının durumu gibidir. Bu şekildeki her bir titreşim elemanı (bir durgun dalga) kendi karakteristik değerine karşı gelmektedir. 28 Şekil 1. Titreşim Fonksiyonları Şekildeki titreşim (dalga) fonksiyonları üst üste bindirildiğinde (süperpoze edildiğinde) toplam titreşim fonksiyonunu gösteren eğri elde edilir. Çarpıcı olan nokta; bileşenleri üst üste bindirilmiş (süperpoze edilmiş) olan fonksiyonun, ölçümleme yapılmadan önceki anda evrende o fonksiyonun tanımladığı olay için tüm gerçekleşebilecek olasılıkları içermesidir. Bu, milyonlarca ihtimal olabilir. Diğer bir deyişle: Doğadaki dalga fonksiyonunun her bir “Karakteristik Değer”ine karşı gelen bir çözüm vardır, dolayısı ile pek çok çözüm vardır. Belirli bir anda ve konumda hangi “Karakteristik Değer” değerinin geçerli olacağı, diğer bir deyişle hangi 29 çözümün gerçekleşeceği bilinemez. Bu, rastlantısaldır. Kesin sonuç, ancak bir olasılık içinde göz önüne alınabilir. Bir yerde evrende pek çok olayın belirleyici değil, rastlantısal şekilde oluştuğunu söyleyen bu sonuçtan ötürü ben denklemin “çözümü” deyimi yerine “çözümlenmesi” deyimini kullanmayı yeğliyorum. Yabancı literatürde de “fonksiyon çökmesi” deyimini anımsatan terimler kullanılıyor. 2. Parçacıklar hem madde hem dalga olabilmektedirler. Bu, aşağıdaki çift yarık deneyi ile ayrıca kanıtlanmıştır. Bilinen evrendeki her şey bu parçacık/dalga varlıklarından meydana gelmişlerdir. 3. “Heisenberg’in Belirsizlik İlkesi” uyarınca hiçbir maddenin hem konumunu hem hızını (momentumunu) aynı anda doğru olarak bilmek olası değildir.Bu ilke; evreni oluşturan parçacıkların, dolayısı ile evrenin ölçümlerle belirlenemeyeceğini söylemektedir. 4. Enerji hem dalga hem parçacık olabilir. Şimdi yukarıda parçacıkların hem madde hem dalga olduğunu kanıtlayan ve Kuantum olgusuna biraz daha derinlik kazandıran önemli bir deneye göz etmek gerekir: Çift Yarık Deneyi Kuantum Fiziğinin kimi yerde garipsenebilecek olan özelliklerini iyi yansıtan deneylerden birisi “Çift Yarık” deneyidir. 30 Bu deney evrende saklı olan gerçeğin ancak gözlemlendiği takdirde ortaya çıktığını gösterir. Deney Şekil 2.de şematik olarak gösterilmektedir. İlk aşamada bir elektron tabancası elektronları üstünde bir yarık bulunan bir duvara doğru ateşler. Yarığı geçerek bunun arkasında bulunan ikinci bir duvara çarpan elektronların çarptığı yer yatay bir şerit halinde belirginleşir. Demek oluyor ki elektron yarıktan bir madde parçacığı olarak geçmiş ve arkada iz bırakmıştır. Yüklə 0,99 Mb. Dostları ilə paylaş:
|