Kuantum Devrimi #3: Devrim Devam Ediyor

O zamanki mevcut atom modelindeki sorunsalı hatırlayalım. Atomun pozitif ve negatif parçacıklardan oluştuğu kesindi (dikkat, henüz nötron ortada yok!), fakat bilinemeyen, bu parçacıkların atom içinde nasıl bir konumda olduklarıydı. Rutherford deneyleri, merkezde kütlece yoğun pozitif yüklü bir kitlenin olduğunu göstermişti, o halde elektronlar çeperlerdeydi. Ama bu durumda eğer hareketsiz duruyorlarsa elektriksel çekim nedeniyle merkeze düşmeleri gerekirdi. Yok, eğer bir yörüngede dönüyorlarsa, yaydıkları radyasyon nedeniyle solukları tükenip yine merkeze düşmeleri gerekirdi –üstelik hesaplamalara göre saniyenin milyonda biri bir sürede!- Ama böyle olmadığı da açıktı; atomlar, maddeler kâinatın başlangıcından beri vardı ve elektronlar çekirdeğe düşmüyorlardı.

Bu fenomeni açıklayan öneri Bohr’dan geldi…

Bohr Atom Modeli

Bohr’un getirmiş olduğu öneri şöyle: Atom içinde izin verilmiş bölgeler vardır ve elektronlar bu bölgelerdeki yörüngelerde dolaşabilirler, ama yasaklı bölgelerde bulunamazlar. Elektronların merkeze doğru yörüngeler arası atlayışları esnasında –çünkü artık yörüngeler arasında süreklilik olmadığından elektron, aradaki yasaklı yörüngeleri es geçerek doğrudan öbür ‘yasal’ alana sıçrıyor!- iki yörünge arasındaki enerji farkına bağlı olarak bir foton yayımlanır. (fotonun enerjisi=hxf) Elektronun uygun frekansta bir foton emmesi durumunda ise, emdiği fotonun enerjisine bağlı olarak üstteki bir yörüngeye sıçramaktadır.

Bohr’un modelini klasik yaklaşımdan farklı kılan en önemli özellik, elektronların yörüngelerinde süreklilik yerine ‘kesikliliği’ önermesi. Klasik yaklaşıma göre, her bir yörüngenin yasal olabilmesi gerekmekte ama deney sonuçları bunun böyle olmadığını, hakikaten de elektronun sadece bazı yasal alanlarda dolanabildiğini, bunun dışındaki alanlarda bulunamadığını gösteriyor. Neden böyle bir sınırlama vardı peki? Bu sorunun cevabını De Broglie verecekti…

Broglie ‘Madde Dalgaları’

Planck’ın, onun zamanına kadar bir dalga olarak görülen ışığın ikili doğasını keşfettiğini, yani onun parçacık özelliğini öngördüğünü, Einstein’in de yaptığı foto-elektrik deneyleriyle bunu gözlemsel olarak ispatladığından bahsetmiştik. De Broglie, ışığın bu ikili doğasından yola çıkarak, acaba bunun tersi de olabilir mi diye sordu. Yani, nasıl ki ışık bir dalga olarak biliniyordu ama kuantum bulguları onun parçacık gibi de davrandığını ortaya koymuştu; acaba parçacık olarak bilinen şeyler de dalga özelliği gösterebilir miydi? Tahmin edeceğiniz üzere kuantum dünyasında bu tür ‘absürd’ soruların cevabı genelde ‘Evet’ oluyor!

De Broglie, henüz Thomson tarafından yeni keşfedilen ve bir parçacık olduğu elektriksel etkilerden anlaşılan elektronun dalga özelliğinin de olduğunu önerdi. Önerisine göre, elektronun dalga boyu h / mv; yani h Planck sabitinin elektronun kütle ile hızının çarpımına bölümüydü. Tabi bu da ilginç, neden, çünkü bu eşitliğe göre dalga boyu, aslen parçacıklara has bir özellik olan kütleye bağlı. Ama dedik ya, burası kuantum dünyası… Fakat Broglie’nin önerisi, salt bu haliyle teorik bir çalışmaydı ve doğrulanması için deneysel kanıt gerekiyordu. Bu da, elektronların, ancak bir dalganın gösterebileceği bir özellik olan ‘kırınım’ (Kırınım için bir çeşit girişim etkisi denebilir) etkileri göstermesiyle ispatlandı.

Elektron mikroskobunu duymuşsunuzdur; normalde mikroskopla görülemeyecek küçüklükteki mesafeleri bile ayırt edebilen çok güçlü bir mikroskoptur. İşte bir elektron mikroskobunun çalışma prensibi ilhamını De Broglie’nin bu önerisinden almaktadır. Elektron mikroskoplarında, diğer mikroskoplar gibi görünür ışıkla gözlem yapılmaz, onun yerine dalga boyu çok daha ufak olduğundan çözünürlüğü çok daha kuvvetli olacak olan elektronlar kullanılır, yani elektronların dalga özelliğinden faydalanılmaktadır. Broglie’nin bu buluşuyla, Bohr modelinde cevaplanmayan, neden bazı yasaklı alanlar olduğu sorusu da cevap bulmuş oldu. Hata, elektronu parçacık gibi düşünmekten kaynaklanıyordu. Oysa dalga yapısındaki bir elektron için, elbette her yörünge yasal olmayacaktı. Bir dalga olan elektronun kararlı olabilmesi, sönmemesi, ancak frekansıyla uyumlu belli yarıçaplardaki yörüngelerde yer almasıyla mümkündü.

Böylece, dalgaların parçacık özelliği gösterebilmesinin şoku henüz atlatılmamışken parçacıkların da dalga özelliği gösterdikleri görülmüştü. Bahsi geçen dalga özelliği gösteren bu parçacıklar(elektron, daha sonraları proton ve nötronlar ve atomik boyuttaki tüm parçacıklar) kâinatın yapı taşlarıydı ve eğer bu yapı taşı hükmündeki parçacıklar dalga iseler, karşımızda duran kâinattaki tüm maddelerin ‘maddî’ hali nasıl mümkün olabiliyordu? Öyle görünüyordu ki, her şey iç içe geçmiş şekilde hem dalga idi hem de parçacık…

Schrödinger Dalga Denklemi

Newton’un, cisimlerin hareketlerine dair ikinci kanununu incelemiştik.(Kuvvet=kütle x ivme) Bu denklem sayesinde herhangi bir klasik sistemin çözümlemesi, sisteme ait verilerin bilinmesiyle mümkün olmaktaydı. Schrödinger, kuantum sistemleri için benzer anlamda bir denklemi türetmesiyle bilinir.‘Schrödinger Dalga Denklemi’, bu bağlamda atom altı dünyanın ‘F=ma’sıdır, bu da Schrödinger’i kuantumun Newton’u yapmaktadır. Bu denklemin herhangi bir kuantum sistemine uygulanması durumunda sisteme ait enerji, momentum, açısal momentum vb. fiziksel olarak gözlenebilen nicelikleri hesaplanabilmektedir.

Yalnız bu, Bohr’un atom kuramıyla da uyumlu ve öngörüleri deneysel olarak da kanıtlanan denklemde çok ciddi bir sorun vardı. Denklemde yer alan Ψ’nin fiziksel anlamı neydi? Schrödinger’in denkleminden yola çıkarak hesaplanan enerji, momentum vb. fiziksel nicelikler anlamlıydı zira bunlar deneysel olarak da gözlenebilir niceliklerdi ama  Ψ için böyle bir şey söz konusu değildi.

Ψ‘in ne olabileceğine dair iki temel açıklama hâkimdi:

Schrödinger’in Açıklaması: Ψ, maddenin uzay içindeki fiziksel dağılımını veren bir ifadedir. Bu açıklama, örneğin elektronun belli bir anda bir konumda değil, birden fazla konumda aynı anda bulunduğunu kabul etmeye götürür.

Born ve Heisenberg’in Açıklaması: Ψ dalga fonksiyonunun karesi bize, maddenin uzayın belli bir konumunda bulunma olasılığını verir. Gözlemciler olarak bizler kuantum sistemlerinin durumlarına dair ancak olasılıklar üzerinden konuşabiliriz, kesinlik yoktur.

Einstein’in ‘Tanrı zar atmaz’ meşhur sözü, Born ve Heisenberg’in yukarıda özetlenen görüşlerine bir karşılıktır. Bu noktada, dönemin tüm ünlü kuantum fizikçilerinin katıldığı (Einstein, Dirac, Bohr, Heisenberg, Born ve Schrödinger vb.) Beşinci Solvay Konferansı, kuantum tarihi bakımından son derece önemlidir. Bu konferansta, Schrödinger’in dalga denklemi üzerine yukarıda belirtilen yaklaşımlar ekseninde çok çetin tartışmalar yaşanmıştır. Meşhur Bohr-Einstein atışmaları da bu konferansta gerçekleşmiştir.

Önceki Sonraki