Kuantum Kuramı, 20. yy'ın büyük kuramlarından biridir. Kuantum ne demektir? Kuantum kuramı, nedensellik kavramını,yani determinizmi nasıl etkilemiştir? Elektron nedir,bir parçacık mı,bir dalga mıdır? Yoksa her ikisi midir? Işık nedir? Bir parçacık (foton) sağanağı mıdır, elektromanyetik bir dalga yayılması mıdır? Einstein, kuantum kuramının kurucuları arasında bulunduğu halde, sonradan neden ve nasıl bu kurama karşı çıkmıştır? Einstein, 1930 Solvay konferansına nasıl bir düşünce deneyi ile geldi? Ona "Einstein,senin adına utanıyorum. Çünkü yeni kuantum kuramına senin karşıtlarının görelilik kuramına karşı ortaya koydukları kanıtlarla karşı çıkıyorsun" diyen dostu kimdir? EPR Deneyi, kuantum kuramının eksik olduğunu göstermiş midir?Yine kuantum kuramının kurucularından Erwin Schrödinger, "Schrödinger' in Kedisi" diye ünlenen düşünce deneyi ile bu kurama neden ve nasıl karşı çıkmıştır? Kuantum kuramı, deneylerle test edilmiş midir? Karadeliklerin gönülsüz babası kimdir? Belirsizlik ilkesi nedir? Bu ilke araçlarımızın yetersizliğinin bir sonucu mudur? Her şeyi bilebilir miyiz?Bir gizemli sayı daha:1/137'nin anlamı nedir?

Sizleri, bir kısmını buraya sıraladığım soruların yanıtı için atom ve moleküller dünyasında bir gezintiye çağırıyorum. Bu atomaltı dünya (mikrodünya), makrokosmos kadar çeşitli, ilginç, renkli, neşeli, kafa karıştırıcı ve heyecan verici... Aşağıdaki açıklamaları yazarken kaynaklar bölümünde belirttiğim eserlerden neredeyse tümüyle alıntılar yaptım. Benim yaptığım, zaman zaman araya girerek yazarlığı hepten kaynakların yazarlarına kaptırma endişemi gidermek oldu!. Örneğin Belirsizlik ilkesini Hawking'e, olasılık ve belirsizlik açısından doğayı Feynman'a anlattıracağım. Bohr ile Einstein'nin Solvay Konferanslarındaki tartışmalarını ve o yılların iklimini W. Heisenberg bize sunacak. Yani kuramı, ustalarından dinleyeceğiz.

Kimya derslerinden bilir misiniz? Tüm maddeler atomlardan ve her bir atom da pozitif elektrikle yüklü bir çekirdek ve negatif yüklü elektronlardan oluşur. O halde, çok küçük atomik ölçekte kütle, atomik kütlelere karşılık gelen kesikli niceliklerden oluşur. Yani modern fizik dilinde kütlenin kuantumlanmış olduğu söylenir. Enerji içeren pek çok nicelik de kuantumlanmıştır. Enerjinin kuantumlu tabiatı özellikle atom ve atomaltı dünyada ortaya çıkar.

İLK KUANTUM FİZİKÇİLERİ

Önce Özetler!

1900 yılında Max Planck,siyah cisim ışımasını açıklamak için ışığın kuantumlu olabileceğini ileri sürdü. O zamana dek,ışığın şiddetiyle enerjisinin doğru orantılı olduğu sanılıyordu. Oysa ışığın frekansıyla enerjisi doğru orantılıydı... 1905'te Einstein bu kurama dayanarak fotoelektrik olayı açıkladı. Işık,dalga özelliği yanında foton denen kuantum (enerji paketleri) özelliği de gösteriyordu. 1924'te Fransız fizikçi Louis de Broglie, çok çarpıcı bir düşünce üretti. Basit bir matematikle, hareketli her parçacığın aynı zamanda dalga özelliği göstermesi gerektiğini ileri sürdü. 1927'de Amerikalı bilimciler C.Davisson ve L.Germer, elektronların tıpkı bir ışık gibi,kristallerde kırınım gösterdiğini buldular. Yine aynı yıl W.Heisenberg, ünlü belirsizlik ilkesini ortaya koydu . Fizikçiler arasındaki görüş ayrılıkları 1927 Solvay konferansında dışa vurdu. Tartışmaların başını N.Bohr ile A.Enstein çekiyordu. 1930'da yine büyük bir tartışma yaşandı. Einstein,yavaş yavaş arka sıralarda oturmaya başladı. Gelin öyküyü baştan alalım.

" Olabilir desinler, ama olur demesinler."

Cicero

"Olmaz olmaz deme, olmaz olmaz.."

Atasözü

Niels Bohr şöyle dedi: " Bir süre önce yine burada Kopenhag' da özellikle olguculuk yanlılarının katılmış olduğu bir felsefe konferansı vardı. Bunda Viyana Okulu' nun üyeleri büyük rol oynadılar. Bu filozofların önünde kuantum teorisinin yorumunu yapmaya çalıştım. Konferansımı verdikten sonra karşıt hiçbir düşünceyle ve zor herhangi bir soruyla karşılaşmadım. Ama bunun benim için çok korkunç olduğunu itiraf etmeliyim. Çünkü bir insan kuantum teorisinden ürkmezse, onu anlaması da olanaksızdır. Belki de o kadar kötü bir konferans verdim ki, kimse neden söz ettiğimi anlamadı."

Klasik Fiziğin Çözemedikleri

Kuantum kuramının doğuşunu kavrayabilmek için biraz gerilere gitmemiz gerekiyor. 19. yy sonlarına. Üç önemli problem,klasik görüşlerle açıklanamıyordu:

1. Siyah cisim ışımasının enerji dağılımı (morötesi felaket!)
2. Fotoelektrik olay
3. Atomların kararlılığı

Gazların kinetik kuramı, klasik fiziğin çok önemli başarılarından biriydi. Bu kurama göre, hiç bir molekülü dışarı kaçırmayacak ideal bir gaz kabındaki N molekülün toplam enerjisi E olsun. Bu toplam enerji (E) , enerjinin eşit dağılımı yasası diye bilinen temel bir istatistiksel teoreme göre ortalama olarak moleküllere eşit olarak dağılmıştır. Ortalama diyoruz, çünkü istatistiksel açıdan kesin veriler değil, ancak ortalama değerler elde edilebilir. Lord Rayleigh ve Sir James Jeans, gazların kinetik kuramına başarıyla uygulanan istatistiksel modeli, iç duvarları kusursuz ayna olan kutuda hapsedilmiş "ışık" dalgalarına uygulamaya çalıştılar. Ama burada temel bir zorlukla karşılaştılar. Bir gaz kabındaki molekül sayısı çoktu; ama "sonlu" ydu,oysa ışığın hapsolduğu ideal bir ayna cidarlı kutuda farklı titreşim tiplerinin sayısı "sonsuz"du. İşi basitleştirmek için “Jean Küpü”nün yalnızca sağ ve sol iç duvarları arasında gidip gelen dalgaları düşünelim. Bu dalgalar, duvarlarda zamanla genliğin kaybolacağını söyleyen sınır koşullarına uymalıdır... Bunu üç boyutta düşündüğümüzde "sonsuzluk" sayısının daha da artacağı açıktır. Titreşim modu (düğüm noktası) sayısı sonsuz, ama enerji sonlu. Yani titreşim modu başına düşen enerji = E/ sonsuz = tanımsız. Bu, kuşkusuz saçma bir sonuçtur. Yani açıkça, klasik kuram, artık cisimlerin doğasına ilişkin bilgilerimizle çelişmekteydi. Atomik ölçekte,maddenin davranışını açıklamak için klasik fiziğin uygulama denemeleri tamamen başarısız oldu. Siyah cisim ışıması,fotoelektrik olay ve bir gaz deşarjında atomların yaydığı keskin çizgiler klasik fizik çerçevesinde anlaşılamadı. George Gamow 'un dediği gibi:" Bir kuram, cisimlerin doğası ile ilgili bilgilerimizle çeliştiği zaman, cisimlerin yapısı değil kuram yanlış olmalıdır". Doğaya yeni bir bakış açısıyla bakmak gerekiyordu. Bu devrim, 1900 ile 1930 arasında gerçekleşti. Kuantum Mekaniği denen bu yeni yaklaşım atom,molekül ve çekirdeklerin davranışını başarıyla açıkladı.

Kuantum Kuramının Keşfinin Öyküsü

Fotoelekrik Olay ve Einstein

Elementlerin Parmak İzi : Atomların Tayf Çizgileri

Kuantum kuramının ilginç,gizemli,şaşırtıcı sağ duyuya aykırı dünyasında yeterince donanımlı dolaşabilmek için atomlardan yayılan ışık hakkındaki bilgilerimizin gelişimine kısaca göz atmalıyız. Bir ışımanın, içerdiği farklı frekanslı(farklı dalga boylu) bileşenlerine ayrılmasına tayf (spektrum) denir. Belirli bir sıcaklıktaki tüm cisimler, dalga boylarının sürekli bir dağılımı ile karakterize edilen termik ışınım yayınlar. Dağılımın şekli cismin özelliklerine ve sıcaklığa bağlıdır. Kızgın katıların yaydığı ışınlar bir prizmadan geçirilirse,bütün frekansların yan yana bulunduğu kesiksiz (sürekli) tayf elde edilir. Yani arada karanlık çizgiler olmaksızın tüm renkler birbirini izler. Elektrik ampulü ve mum ışığı kesiksiz tayf oluşturur. Bir gaz ya da buharın yaydığı ışık ise iki tür olabilir: Gaz molekülleri (iki ya da daha çok atomlu moleküller) şeritli (bantlı) tayf verir; gaz atomları ve bir atomlu iyonlar ise çizgili (hatlı) tayf verir. . Verilen bir çizgi spekturumunda dalga boyları,ışığı yayan elementin karakteristiğidir. Yani her element,tıpkı bir insandaki parmak izi gibi,kendine özgü bir tayf oluşturur. En basit çizgi spektrumu, atom halindeki hidrojende gözlenmiştir. İki element aynı çizgi tayfında yayınlamadıkları için bu olay bize bir örnekteki elementleri tanımak için pratik ve duyarlı bir teknik sunar(spektral analiz). Helyum, talyum ve indiyum elementleri, bu yöntemle bulunmuştur.

Bilim adamları, 1860'tan 1885'e kadar spektroskopik ölçümleri kullanarak önemli veriler topladılar. İsviçreli bir öğretmen olan Johann Jacob Balmer (1825-1898) 1885'te hidrojenin dört görünür yayınlama çizgisinin (kırmızı, yeşil,mavi ve mor) dalga boylarını doğru olarak öngören bir formül türetti. Balmer' in keşfinden sonra hidrojenin diğer tayf çizgileri de bulundu. Bu tayflara bulucularının onuruna Lyman(1874-1954), Paschen (1865-1947)ve Brackett (1896-..)serileri denir. Atomların yaydığı ve soğurduğu karakteristik tayf çizgilerinin anlamı klasik fiziğin açıklayamadığı bir olaydı. Her elementin belirli dalga boyunda tayf çizgileri yayınlamasını nasıl açıklamalıyız? Ayrıca her elementin yalnızca yayınladığı dalga boylarını soğurmasını nasıl açıklayacaktık?Bu soruların açıklamasını Bohr yaptı. Bohr, Planck'ın kuantum kuramını, Einstein'in ışığın foton kuramını ve Rutherford'un atom modelini birleştirdi.

1913'te Danimarkalı fizikçi Niels Bohr (1885-1962), hidrojen atomunun tayf çizgilerini kuantum kuramına dayanarak açıkladı. Buna göre çekirdek çevresindeki elektron, her enerjiyi değil, ancak belirli enerjileri alabiliyordu. En düşük enerjili durumdaki atoma temel durumdaki atom,enerji verilmiş atomlara da uyarılmış atom denir. Elektron yüksek enerjili durumdan daha düşük enerjili duruma sıçrayarak düşer,bu sırada ışık yayınlanır. Bohr modeli hidrojen atomunun yanı sıra bir elektronlu helyum(+1 yüklü helyum iyonu) ve lityum iyonu (+2 yüklü lityum iyonu) tayf çizgilerini başarıyla açıkladı. Bununla birlikte,kuram çok elektronlu atom ve iyonların karmaşık tayf çizgilerini açıklamakta yetersiz kaldı.Bohr'un düşüncelerinin ayrıntılarını atom modelleri bölümümüzde bulabilirsiniz.

Compton Olayı

Broglie Dalgaları

Anımsayacağınız gibi, Albert Einstein,1905 yılında ışığın bir parçacık olduğu kuramını geliştirmişti. Bu fikir, ışığın bir elektromanyetik dalga olduğu gerçeğinin karşısında yer almıştı. 1909 yılı gibi erken bir zamanda o, gelecekteki ışık kuramının, ışığın parçacık ve dalga kuramlarını kaynaştıracağını söylemişti;ama bu yönde çok az gelişme olmuştu. Göründüğü kadarıyla ışığın ya parçacık ya da dalga olması gerekiyordu. Bir sonraki adımı, entellektüelce ilgilerin kendisini fiziğin ön saflarına sürüklemiş olduğu bir Fransız prensi olan Louis Victor de Broglie(1892-1987) attı. O benzetmeler yaparak, o kadar açıkça bir dalga olduğu görülen ışık bazen bir parçacık gibi- foton- davranabiliyor ise, o zaman, açıkça bir parçacık olan elektron da bazen bir dalga gibi davranabilir diye düşündü. Bu önemli fikirler, Broglie’nin elektronun dalga boyunu çıkardığı 1923 yılında yayımlanan iki yazısında anlatılıyordu.

Parçacıkların Dalga Özelliği

Einstein, ışığın dalga özelliğinin yanı sıra, ışığın frekansına bağlı olarak parçacık(enerji paketçiği) özelliği gösterdiğini açıklamıştı. Buna göre fotonun bir momentumu da tanımlanabilirdi. Momentum, parçacığın kütlesi ile hızının çarpımına eşittir. Bu kavram,tanecik ya da parçacıklara ilişkindir. Fotonun momentumu, mc, ışığın dalga boyuyla ters orantılıdır:

mc =h/dalga boyu.

1923'te Broglie, elektronlar da gerçek dalgalar gibi kırınım gösterebiliyorsa,kendi düşüncesinin denel olarak doğrulanabileceğini belirtti. Bir okyanus dalgasının kıyıya çarpması gibi,bir engel etrafında dalgaların kırınımı,keskin gölgeler veren bir parçacık ışınının tersine,bir engel arkasında bükülüşünü gösterir. Ses, bir dalgadır,bu nedenle köşelerden geçen sesleri işitiriz,ses köşeler etrafında ‘bükülür.’ Bu yazılar, Broglie’nin doktora tezleri oldu. Onları inceleyen Fransız bilimci Paul Langevin, bu tezlerin birer kopyasını Einstein’e gönderdi. Einstein, bu fikirlere çok önem verdi ve diğer fizikçilerin dikkatini Broglie’nin yeni fikirlerine çekmek için çok çalıştı.Onun kullandığı matematik,son derece basitti. Planck eşitliği ile Einstein eşitliğini birleştirdi. Dalga boyu=h/mv idi. Elektronların dalga doğasını keşfettiği için 1929'da Nobel ödülünü aldı."Kuantum kuramının temel düşüncesinin,ayrık bir enerji miktarını,ona belirli bir frekans bağlamadan düşünmenin olanaksız görülmesidir" demiştir. De Brogile'ye göre elektronlar hem tanecik hem de dalga olarak ikili bir doğaya sahiptiler. Her elektrona,ona uzayda yol gösteren veya "yörünge çizen",bir dalga (bir elektromanyetik dalga değil!) eşlik ediyordu. Bu savının kaynağını 1929 Nobel ödül alış konuşmasında şöyle açıkladı:

"Bir yanda,bir ışık taneciğinin enerjisi f frekansını içeren E=hf eşitliğiyle belirlendiği için,ışığın kuantum kuramı tahmin edici bir şekilde göz önüne alınamaz. Şimdi salt bir tanecik kuramı bir frekansı belirlemek için bize hiçbir olanak vermez. yalnız bir sebepten dolayı,ışık halinde,bir tanecik ve aynı anda periyodiklik düşüncesini işe sokmaya mecburuz. Diğer yanda,atomda elektronların kararlı hareketinin belirlenmesi tam sayıları işe sokar ve bu noktaya kadar fizikte tam sayıları işe sokan yalnız girişim ve titreşimin normal kipleri olaylarıdır. bu gerçek bana elektronların sadece tanecik olarak göz önüne alınamayacağını, fakat onlara periyodikliğin de eklenmesi gerektiği fikrini öne sürdürdü."
Elektronun Dalga Özelliği avisson-Germer Deneyi

1927'de ABD'den C.Davisson ve L.H. Germer ile İngiltere'den George Paget Thomson ( J.J. Thomson'un oğlu) elektronun,tıpkı x- ışınları gibi, kristalde kırınıma uğradığını gösterdiler ve elektronların dalga boylarını ölçmeyi başardılar. Onların önemli buluşu, Louis de Broglie'nin önerdiği madde dalgalarının ilk denel doğrulanması oldu. Davisson-Germer deneyinin amacı, De Broglie'nin önerisini doğrulamak değildi. Bilimde çok sık görüldüğü gibi onların buluşu, tesadüfen (rastlantı sonucu) yapıldı. Deney, düşük enerjili (yaklaşık 54 eV) elektronların boşlukta, nikel (Ni) bir hedeften saçılmasıyla ilgiliydi. Bir deney süresince nikel yüzey, vakum sisteminde kaza ile meydana gelen bir kırık yüzünden oksitlendi. Oksit tabakasını yok etmek için nikel hedef bir hidrojen buharı içinde ısıtıldıktan sonra yapılan deneyler,saçılan elektronların belli özel açılarda yoğun olarak en büyük ve en küçük şiddet sergilediklerini gösterdi. Sonuçta deneyciler,ısıtma sonucu nikelin büyük kristal bölgeleri oluşturduğunu,bu kristal bölgelerinde düzgün aralıklı atom düzlemlerinin elektron madde dalgaları için,birer kırınım ağı gibi işlev yaptıklarını anladılar. Bundan kısa süre sonra Davisson ve Germer tek-kristal hedeflerden saçılan elektronlar üzerinde daha yoğun kırınım ölçümleri yaptılar Sonuç olarak onların bulguları elektronların dalga doğasını ve De Broglie bağıntısını doğrulamış oldular. Aynı yıl içinde İskoçya'lı G.P.Thomson da çok ince altın plakadan elektronlar geçirerek elektron girişim desenleri gözledi. Girişim desenleri helyum atomları,hidrojen atomları ve nötronlar için de gözlendi. Böylece madde dalgalarının evrensel doğası değişik yollarla ortaya konmuş oldu.

Bir kere daha soralım: Işık bir parçacık akını mıdır yoksa bir dalga mıdır? Yanıt,her ikisidir. Hem böyle,hem öyle...

Maddenin dalga ve ışığın hem dalga hem parçacık özelliği göstermesi ,bu ikili doğayı anlama problemi kavram olarak çok zordur. Çünkü bu iki model birbirine tümüyle zıt görünür. Bu problem daha önce,ışığa uygulanırken tartışıldı. Niles Bohr, tamamlayıcılık ilkesiyle bu problemi çözmeye yardım etti. Bu ilkeye göre,madde ve ışınımın dalga yahut parçacık modelleri birbirini tamamlar hiçbir model ayrı ayrı madde ve ışınımı tam olarak tasvir etmek için kullanılamaz. Tam olarak anlama ancak, iki modelin birbirini tamamlayıcı bir biçimde birleştirilmesiyle sağlanır.

Peki tanecikler dalga özelliği gösterdiğine göre bunu gündelik yaşamda niçin gözlemlemiyoruz? Belki "benim dalgam nerede,onu görebilir miyim" diye soruyorsunuz. Bunun yanıtı maddelerdeki dalga boyunun çok çok büyük olmasıdır. Örneğin saniyede 27 m hızla giden bir beysbol topunun (0.145 g) dalga boyu 1034 metredir.

Broglie’nin elektron dalgaları tezini duyan fizikçilerden biri de Avusturyalı Erwin Schrödinger idi. Schrödinger, dalga fikrinin önemi üzerinde düşündü ve elektron, bir hidrojen atomunun bir kısmı ise uyması gerekeceği kuralları belirleyen bir denklem geliştirdi. Bu denklemi kullanarak, hidrojenin ışık tayfını çıkardı-bu yıllarca önce Bohr’un bulduğu ile aynı idi. Elektronun bir dalga olduğu şeklindeki ilginç düşünce niceliksel olarak gösterilmişti. Schrodinger’in yazısı Ocak 1926'da yayımlandı. Bu yazı, atomun yeni mekaniğini formüle etmenin bir başka yoluydu, tümüyle genel bir yol olan dalga mekaniğinin temelini atmış oldu. “Schrödinger denklemi”, her tür kuantum problemine uygulandı. Bir dizi deney, Schrödinger’in ve Broglie’nin elektronların kırımın gösterdikleri öngörüsünü destekledi-söz konusu olan dalgaların gerçek dalgalar olduğu konusunda hiç şüphe yoktu. Fakat ne dalgaları? Broglie-Schrödinger dalgalarının yorumu sorunu yeni dalga mekaniğinin merkezi sorunu oldu. Bu dalgaların nasıl yorumlanacağı konusuna döneceğim,önce dalga özelliğini destekleyen bir örnek de Ernst Ruska (1906-1988)'nın keşfettiği Elektron Mikroskobu'dur.

Girişim ve kırınım olayları sadece dalga yorumunda mevcuttur. Hangi model doğrudur? Işık bir dalga mıdır,yoksa bir parçacık mıdır? Bu soruya yanıt,gözlenmekte olan özel olaya bağlıdır. Bazı deneyler, foton kavramı temeline dayalı olarak daha iyi açıklanabilir,bazıları ise dalga modeliyle daha iyi açıklanabilir: Sonuç olarak,her iki modeli de göz önüne almak ve ışığın gerçek doğasının tekil klasik görüntü içinde betimlenemediğini kabul etmek zorundayız. Bununla birlikte,bir metalden foto elektronlar çıkarabilen aynı ışık demetinin bir ağ tarafından kırınıma uğratılabileceğini de anlamak zorundasınız. Başka bir deyişle,ışığın foton ve dalga kuramı birbirinin tamamlayıcısıdır. Foto elektrik ve Compton olaylarının açıklanmasında ışığın tanecik modelinin başarısı birçok başka soruyu da birlikte getirdi. Eğer foton bir tanecik ise enerjisini ve momentumunu belirleyen taneciğin "frekansı" ve "dalga boyu" nun anlamı nedir? Işık aynı anda bir dalga ve bir tanecik midir? Fotonların durgun halde hiçbir kütlesi olmamasına karşın "hareketli" bir fotonun kütlesi için basit bir ifade var mıdır? Eğer bir "hareketli" fotonun kütlesi varsa,fotonlar kütle çekimi uygular mı? Bir fotonun uzayı nedir ve bir elektron bir fotonu nasıl soğurur veya saçar? Bu soruların bazılarına yanıt vermek mümkünse de bazıları gerçeğin ta kendisi olan atomik süreçlerin kavranmasına ihtiyaç gösterir. Dahası, bu soruların çoğuna çarpışan bilardo topları ve sahile vuran su dalgaları gibi klasik benzetmelerle yanıt verilebilir. Kuantum mekaniği, ışığın dalga ve tanecik modellerinin her ikisini de gerekli görür ve birbirinin tamamlayıcısı olarak alır,ışığa çok daha akıcı ve esnek bir doğa verilmesini sağlar. Hiçbir model tek başına ışığın bütün özelliklerini belirlemede kullanılamaz. Ancak iki model birbirinin tamamlayıcısı olarak birleştirilirse gözlenen ışık davranışlarının tamamını anlamak mümkün olur.

Fotonların elektromanyetik dalgalarla nasıl uygunluk gösterdikleri belki aşağıdaki şekilde anlaşılabilir. Uzun dalga boyu radyo dalgalarının tanecik özelliği göstermediklerinden kuşkulanabiliriz. Örneğin 2.5 MHz frekanslı radyo dalgalarını göz önüne alalım Bu frekansa sahip bir fotonun enerjisi çok küçüktür. Çok duyarlı bir radyo alıcısı,gözlenebilir bir işaret oluşturmak için bu fotonlardan 10 milyar tane kadar foton ister. Bu kadar çok sayıda foton ortalama olarak,sürekli bir dalga gibi görülecektir. Her saniye sayaca ulaşan bu kadar çok sayıda fotonla sayaç sinyalinde herhangi bir tanecikli yapının ortaya çıkması beklenemez. Yani antenlere çarpan fotonlar tek tek gözlenemez. Peki daha yüksek frekanslara yani kısa dalga boylarına gidildiğinde ne olup biter? Görünür bölgede ışığın hem foton,hem de dalga özelliklerini gözlemek olasıdır. Daha önce belirttiğimiz gibi ışık demeti girişim olayları gösterir ve aynı zamanda foto elektronlar üretebilir. Foto elektronlar, Einstein'in foton kavramını kullanarak en iyi şekilde anlaşılabilir. Daha yüksek frekanslarda ve onlara karşılık gelen daha kısa dalga boylarında fotonun enerjisi ve momentumu artar. Dolaysıyla ışığın foton(tanecik) doğası dalga doğasından daha açık olarak ortaya çıkar. Örneğin,bir x-ışını fotonunun soğurulması bir tek olay olarak kolayca gözlenebilir. Bununla birlikte,dalga boyu küçüldükçe girişim ve kırınım gibi dalga olaylarının gözlenmesi daha güç olur. Gama ışınlarında olduğu gibi çok yüksek frekanslı ışınımların dalga doğasını ortaya çıkarmak çok sayıda dolaylı yöntem gerektirir.

Elektromanyetik ışınımın tüm biçimleri iki görüş noktasından anlatılabilir. Bir uçta, elektromanyetik dalgalar çok sayıda fotonun oluşturduğu ayrıntılı girişim desenleri tasvir ederler. Diğer uçta,çok kısa dalga boylu oldukça yüksek enerjili fotonlarla uğraşıldığı zaman foton tasviri doğal olmaktadır. O halde ışık ikili bir doğaya sahiptir: ışık, hem foton hem de dalga özellikleri gösterir.

1952 yazında, Kopenhag' da atom fiziğinin eski dostları bir kongrede bir araya geldi. Heisenberg, Niels Bohr ve Wolfgang Pauli ile aralarında geçen bir konuşmayı anlatır : "Üçümüz, bir kış bahçesinde oturduk ve kuantum teorisinin tamamıyla anlaşılıp anlaşılmadığı ve bizim ona burada 25 yıl önce vermiş olduğumuz yorumun fizikte genel geçer bir düşünce olarak kabul görmediği konularında konuştuk". Bohr şöyle dedi: "Bir süre önce yine burada,Kopenhag'da özellikle olguculuk yanlılarının katılmış olduğu bir felsefe konferansı vardı. Burada Viyana okulunun üyeleri büyük rol oynadılar. Bu filozofların önünde kuantum kuramının yorumunu yapmaya çalıştım. Konferansı verdikten sonra karşıt hiçbir düşünceyle ve zor herhangi bir soruyla karşılaşmadım. Ama bunun benim için korkunç olduğunu itiraf etmeliyim. Çünkü bir insan kuantum kuramından ürkmezse,onu anlaması da olanaksızdır. Belki de o kadar kötü bir konferans verdim ki kimse neden söz ettiğimi anlamadı."

Heisenberg ve Matrisler

Fotoelektrik Olay ve Belirsizlik İlkesi

Özel görelilik kuramını anlatırken Einstein'in 1905 yazılarından birinin foto elektrik olayın açıklaması olduğunu belirtmiştim. Foto elektrik olayın tam sonuçları, 1925 de Werner Heisenberg' in açıklamasıyla anlaşıldı. Foto elektrik olay, bir parçacığın konumunu tam olarak ölçme olanağı tanıyordu. Ama onun momentumu belirsizleşiyordu. Bir parçacığın ne olduğunu anlamak için onu ışığa tutmalısınız. Peki ışık, sonsuz olarak bölünebilir mi? Bu sorunun yaklaşık yüz yıl önce maddeler için sorulduğunu anımsayınız. İlk bakışta ışık niye sonsuz dilimlere ayrılmasın serzenişiyle yanıtlanır. Einstein, ışığı sonsuz küçük miktarda kullanamayacağımızı göstermiştir. En azından bir paket yani bir kuantum kullanabiliriz. Bu ışık paketi, parçacığı etkiler ve onun herhangi bir yönde bir hızla hareket etmesine yol açar. Parçacığın konumunu ne kadar duyarlı (hassas) ölçmek isterseniz, kullanmak zorunda kalacağınız paketin enerjisi o kadar büyük olur , ama ışık bu durumda parçacığı daha fazla etkiler. Ancak siz parçacığın konumunu nasıl ölçmeye çalışırsanız çalışın, konumdaki belirsizlik ile hızındaki belirsizliğin çarpımı, her zaman belirli bir minimum miktardan büyük olur.

Belirsizlik ilkesinin kabul edilmesi çoğumuz için kolay değildir. Einstein bile 1920' lerin ortasından 1955'te ölümüne dek bu kuramı çürütmek amacı ile yaptığı başarısız girişimlerle zamanının önemli bir kısmını harcamıştır.

Karadelikler ve Belirsizlik İlkesi

Kara delikler ayrı bir dosyamızda. Burada belirsizlik ilkesiyle ilgisine kısaca değineceğim. Söz Hawking'de. Genel görelilik kuramı, artık klasik bir kuramdır; çünkü belirsizlik ilkesini kapsamıyor. Einstein de, bir klasik fizikçidir; çünkü kuantum olaylarındaki rastlantıyı ve bilinemezliği kabul etmiyor. " 1973 yılında, belirsizlik ilkesinin bir kara delik yakınında eğrilmiş uzay-zamanda bir parçacık üzerindeki etkisini araştırmaya başladım. Çok dikkate değer ki, kara deliğin tam olarak kara olmayacağını buldum. Belirsizlik ilkesi, parçacıkların ve radyasyonun düzgün bir hızla kara delikten dışarı sızmasına olanak verecekti. Bu sonuç ben ve başka herkes için tam bir sürpriz oldu. ve genel bir inançsızlıkla karşılandı. Fakat önceden görülebilmesi ve durumun açık olması gerekiyordu. Bir kara delik, ışığın hızından daha yavaş bir hızda hareket edildiğinde kaçıp kurtulması olanaksız olan bir uzay bölgesidir. Fakat Feynman' ın geçmişlerin toplamı, parçacıkların uzay-zamanda herhangi bir yoldan gidebileceklerini söyler. Bu yüzden bir parçacığın ışıktan hızlı ilerlemesi mümkündür. Işık hızından daha yüksek hızda uzun bir yol almanın olasılığı düşüktür, fakat kara delikten çıkmasına yetecek kadar ışıktan daha hızlı gidebilir ve daha sonra ışıktan yavaş ilerleyebilir. Bu şekilde belirsizlik ilkesi, parçacıkların en son hapishaneden, bir kara delik olarak düşünülen yerden kaçıp kurtulmalarına olanak verir. Bir parçacığın Güneş kadar kütlesi olan bir kara delikten dışarı çıkmasının olasılığı çok düşüktür.; çünkü parçacık kilometrelerce ışıktan hızlı gitmek zorunda kalacaktır. Fakat Evren'in ilk zamanlarında oluşmuş çok daha küçük kara delikler olabilir. Bu ilksel kara delikler bir atomun çekirdeğinin büyüklüğünden daha az büyüklükte olabilir, yine de kütleleri yüz milyar ton, Fuji dağının kütlesi kadar olabilir. Bu kara delikler büyük bir trafo kadar çok enerji yayıyor olabilirler. Keşke bu küçük kara deliklerden bir tane bulup enerjisini kullanabilseydik! Fakat göründüğü kadarıyla Evren'de bunlardan fazla sayıda yoktur. "
(Hawking,Kara Delikler Ve Bebek Evrenler s:82-84)

BİR SÜPERMEN, İŞİ ÇÖZEMEZ Mİ?

Dalga-parçacık ve konum-momentum ikiliğinden kurtulamaz mıyız? Bu ikiliği tekilliğe indiremez miyiz? Yani elektronun hem konumunu hem de momentumunu ölçecek araçlar yapamaz mıyız? Bir süpermen çağırmadan önce soruyu bir kez daha soralım: Konum ve momentumu aynı anda ölçmeyi engelleyen nedir?

Max Born bunu şöyle açıklıyor:

" Uzay koordinatlarını ve zamanın anlarını ölçmek için, sağlam ölçü çubukları ve sağlam saatler gerekir. Momentum ve enerji ölçümleri için nesnenin etkisini almak ve göstermek üzere hareketli parçalarla düzenlemeler yapılması gerekir. Eğer kuantum mekaniği nesne ve ölçü cihazının etkileşimini tanımlarsa, her iki düzenleme mümkün değildir" (Kozmik Kod, s:89) Born, aynı anda konum ve momentumu ölçen bir aygıt yapamayacağımızı yineledi. Bu iki ölçüm için yapılacak denel düzenlemeler birbirini dışlar. Kuantum mekaniği, aynı anda hem ölü hem diri olunabileceğini (Schrodinger' in Kedisi) kabul eder ama, konum ve momentumun aynı anda tam bir kesinlikle belirlenemeyeceğini söyler. Neyse bu noktayı daha tartışırız. Bir ayna olmadan başınızın arkasındaki uzayı göremezsiniz. Bakmak üzere geri döndüğünüzde de kafanızın arkasındaki uzay döner. Aynı anda hem önünüzdeki hem de arkanızdaki uzayı göremezsiniz.

Max Born :

"Einstein, Bohr ve benim (Born) dahil olduğum nesile bizden bağımsız, değiştirilemez yasalara göre gelişen nesnel bir fiziksel dünya olduğu öğretilmişti; biz, bir tiyatroda seyircilerin bir oyunu seyretmesi gibi bu süreci seyretmekteyiz. Einstein hâlâ bunun bilimsel bir gözlemci ile onun konusu arasındaki ilişki olmaması gerektiğine inanıyor " (Heinz Pagels,Kozmik Kod, s: 91)

Fakat kuantum kuramına göre insanın niyeti fiziksel dünyanın yapısını etkiliyor.

Özetle Kuantum Kuramı

Kuantum kuramının özetlenmesine geldik.

Özeti iki noktada toplayabiliriz: Birinci nokta, kuntum gerçekliği belirli (kesin) değil, istatistikseldir. Olgular ve olaylar (fenomenler) arasında nedensellik bağı değil, olasılık bağı vardır. İki olay arasındaki etkileşimde ya da bir olayın gelecekteki evriminde hangi sonuçların doğacağını değil, hangi sonuçların daha olası olduğunu kestirebiliriz. Ama kestirimlerimiz doğru olmayabilir. Her bir olaya bir neden arayan insanlar, yalnız düşünce dünyasında değil, gündelik yaşamda da sıkıcıdır. Onlar gerçekten çok sıkı ve sıkıcı deterministlerdir. İkinci sorun, kuantum nesnelerini gözleme için kullanacağımız ölçme düzenimiz. Kuantum gerçekliği, kısmen " gözlemcinin yarattığı bir gerçekliktir" . Evet, bu kitabın ciddi okurları gerçeklik olayını i yi düşünmeli. Kara deliklere adını koyan John Whe