Kuantum fiziğinde spinler hakkında bilgi verir misiniz?
Kuantum Fiziği
kUANTUM KURAMI
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 , 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.
