Kuantum fiziği

Posted by admin on Mayıs 11th, 2008 at 02:03pm

Burdan bakabilirsiniz.Tıkla

Ayrıca ;

1900 yılında Alman Fizikçi Max Planc(1858-1947) kara cisim radyasyonu üzerine çalışırken ışığın “kuantum” denilen enerji paketçiklerinden oluştuğunu buldu.Bulduğu formül,ışık enerjisinin dalga paketleri halinde aktarıldığını ifade etmekteydi.

1905 yılına gelindiğinde Einstein fotoelektrik olayına değindiği makalesinde fizikçilerin o güne kadar kafasını karıştırmış olan bir probleme çözüm getiriyordu.Fotoelektrik olayını kabaca tarif etmek gerekirse, metal yüzeye düşürülen ışık yüzeyden elektron kopartır.Bu kopartılan elektronlar devrede bir akım meydana getirir.Fizikçilerin çözemediği elektronların hızının ışığın şiddetinden bağımsız olması olgusuydu.Onlara göre kopan elektronun hızı ışığın rengine,diğer bir deyimle dalga boyuna bağlı olması gerekirdi.Einstein bu noktada,ışığın aslında dalga olmayıp,fotonlardan yani kuantum paketçiklerinden meydana geldiğini söyleyerek bu probleme bir açıklama getirdi.Einstein’a göre metal yüzeyden kopartılan elektronun hızı,kuantum paketçiğinin enerjisine veya frekansına bağlıdır.Dolayısıyla ışığın şiddetini artıyor olmak sadece kuantum paketçiklerinin sayısını arttırmak anlamına gelir.Bu durumda ışığın şiddetini arttırdığımızda,yüzeyden kopan elektron miktarını çoğaltsak da,elektronun yüzeyden ayrılma hızını etkileyemeyiz.

Böylelikle Einstein Planck’tan sonra tekrar ışığın bir dalga olmayıp parçacıklar topluluğu (fotonlar) olması gerektiğini öne sürdü.Bundan sonra sırada klasik fiziğin yeterince açıklayamadığı atom kuramının açıklanması geliyordu.

Ancak kırınım gibi olaylarda ışık bir dalga özelliği gösterdiğinden ışığın hem bir dalga hem de parçacık özelliği gösterdiği kabul edildi.Bu duruma fizikte “dalga-parçacık ikilemi” denir.

Niels Bohr(1885-1963) Danimarkalı bir bilim adamıydı ve halen günümüzde de kabul edilen

Atom yapısına ilişkin teoriye son şeklini verdi.Bohr’a göre elektronlar (+) çekim etkisi altında dairesel olarak belirli yörüngelerde hareket ederler ve her bir yörünge bir enerji seviyesini ifade eder.Elektron bir üst seviyeye geçmek için enerji almaya ihtiyaç duyar,bir alt seviyeye geçmek içinse dışarıya enerji verir.

Ancak Bohr’un kuramı hidrojen atomları ve lityum iyonlarında başarıyla uygulandıysa da

daha karışık atomlara uygulanamadı.

Atom mekanizmalarının işleyiş sistemini açıklayıcı diğer önemli bir bir adım, Fransız bilim adamı Louis De Broglie(1892-1987) tarafından getirildi.

Bu fizikçi ortaya sürdüğü tezinde fotonların hem dalga hem de tanecik özelliklerine sahip olmalarından yola çıkarak bütün madde biçimlerinin tanecik özelliği gösterdiği kadar dalga özelliği de gösterebileceğini öne sürdü.De Broglie’ye 1929 senesinde Nobel ödülü kazandıran bu kurama göre her elektrona,ona uzayda yol gösteren veya yörünge çizen bir dalga eşlik etmekteydi.

De Broglie’nin ardından Avusturyalı fizikçi Erwin Schrödinger(1887-1961) Zürih üniversitesinde teorik fizik profesörü olarak görev yaparken yayınladığı beş çalışma ile atom çekirdeği etrafındaki yörüngeler üzerinde hareket eden elektronların dalga denklemlerini yazdı.Belirli bir aralıkta hareket eden bir elektronun atom çekirdeği etrafındaki yörüngelerde

Şekil-Schrödinger’in kedisi

tam olarak nerede olduğu değil,ancak nerelerde ,hangi ihtimalle bulunabileceği belirlenebilir.Aynı zamanda kuantum fiziğinde sıfır ihtimal diye bir şey yoktur.

Bu konuda denebilir ki tabiatta her şey gerçekleşmeden önce mümkün olma özelliği ile vardır.

Dalga fonksiyonunu çökerten yada indirgeyen insanın gözlemiyse,o zaman biz bakmadıkça madde mevcut mudur ?

Schrödinger’in kedisi olarak bilinen meşhur kurgusal deneyde bu soruya cevap aranır.

Kedi dışarıdan bakanın onu göremeyeceği bir kutu içinde yaşamaktadır.Aynı kutuda radyoaktif bir maddenin gelişigüzel bozunmasıyla harekete geçen bir düzenek mevcuttur.Bozunan parçacık %50 ihtimalle bir mekanizmayı işletir ve bu mekanizma kediye yiyecek verir.Diğer %50 ihtimal ise başka bir mekanizmayı devreye sokarak kediyi zehirler.Biz kutuyu açmadıkça dalga fonksiyonu çökmez ve bütün olasılıklar kutunun içinde dalgalanır.Kedi ne ölü ne de diridir.Bu durum elektronun yada ışık parçacığının (foton)

biz onu gözlemlemediğimiz sürece dalga ve parçacık özelliklerinin her ikisine birden sahip olmasına benzer.Kutuyu açıp baktığımızda o zaman yaptığımız gözlem dalga fonksiyonunu çökertir ve kediyi ölü veya diri olarak görürüz.Bir anlamda kedinin ölü veya diri olması bizim gözlemimiz sayesindedir.

İngiliz bilim adamı Paul Dirac(1902-1984) ,1927 senesinde o güne kadar elde edilen bilgilerle Einstein’ın görelilik teorisini birleştirerek kuantum kuramındaki bir çok eksikliği tamamladı.Dirac,bulduğu formüllere dayanarak her parçacığın bir anti-karşı parçacığı olduğunu öne sürdü ve sonraki yıllarda yapılan deneyler bu savı ispatladı.

Elektron ve anti-elektron(pozitron) çarpıştırıldığında kütleler enerjiye dönüşüp gama ışını olarak yayılır.Bunu izleyen yıllarda “yüksek enerji fiziği” gibi bazı alanlara kuantum fiziğinin uyarlanması gündeme geldi.”Kuantum Alan Teoremi” olarak bilinen bu teoremde,standart kuantum teoriminde olduğu şekilde parçacıkları katı maddeler olarak görmek yerine,onların temel bir alanın uyarımları olduğu düşüncesi vardır.Bu teoriye göre varlık denen şey aslında bir enerji havuzunun dalgalanmasından ibarettir.

Schrödinger ve Dirac 1933 senesinde Nobel Fizik ödülünü paylaştılar.

Alman bilim adamı Werner Heisenberg (1901-1976) yine 1927 senesinde bir parçacığın konumu ve hızının aynı anda doğru bir şekilde belirlemenin olanaksız olduğunu ortaya koydu.Elektron atomun etrafında o kadar yayılmıştır ki yörüngenin kalınlığı atomun yarı çapına eşit olmaktadır.Bir başka deyişle elektron aynı anda çekirdeğin her tarafında bulunabilir.Parçacığı gözlemlemek için kullanılan dalga boyu ne kadar uzun olursa konumunun belirsizliği de o kadar büyük olur.

Buna karşılık konumunu daha iyi belirlemek için kısa dalga boyu gönderdiğimizde de konumunu sağlıklı belirlesek de bu sefer de parçacığın hızını bozarız.

Belirsizlik ilkesi,olasılık tanımı ve gözlemci-gözlenen bütünlüğü kuantum mekaniğine Kopenhag yorumu olarak girmiştir ve halen günümüzde de kuantum teorisinin en etkin yorumu olarak görülür.Kuantum meselesindeki tartışmalara bakıldığında bunların temelde meşhur çift yarık deneyinin yorumunda odaklandığı görülür.1803′te ve 1807′de

Şekil-Çift yarık deneyinin şeması

İngiliz bilim adamı Thomas Young ( 1773-1829) tarafından gerçekleştirilen çift yarık deneyinde tek bir ışık kaynağından gelen fotonların iki ayrı delikten geçiyor olmasını Kopenhag yorumcuları iki ayrı dünyada hareket olarak düşünüyorlar.Bu yoruma göre girişim birbirinden tamamen ayrı iki dünyadan her birinin birlikte hazırlanarak birbirinin üstüne çakışmasıyla ve birbirlerini bütünlemeleriyle oluşur.Sonuç olarak her iki dünyanın bir melezi oluşur.

1957 senesinde başka bir yorum Amerikalı fizikçi Hugh Everett’den(1930-1982) gelir.Everett’e göre gözlenemez bir çok paralel evren mevcuttur.Bunlara “Alternatif Kuantum Dünyaları” adını vermiştir.Bütün olaylar bu dünyaların birinde,olasılıkların tümü gerçekleşecek biçimde olmaktadır.Sonuçta tüm olasılıklar evrende mevcuttur demektedir.

Ünlü fizik kuramcısı Niels Bohr “Kuantum teorisiyle şok olmayan kimse,onu anlamamıştır” der.

Özel ve genel görelilik kuramları ve fiziğe yapmış olduğu diğer bir çok önemli katkılarıyla gelmiş geçmiş en iyi fizikçilerden biri olarak kabul edilen Einstein ve fizik dışında

Einstein kadar tanınmasa da fizikçiler arasında en az onun kadar saygıyla anılan Bohr, uzun yıllar birbirlerine karşı sevgi ve saygılarını hiçbir zaman yitirmeden kuantum mekaniğinin temel kavramları üzerine tartıştılar.

Kuantum mekaniğinin ilk ortaya çıktığı yıllarda fotoelektrik olayını açıkla*****

kuantum kuramına çok önemli bir katkı sağlamış olan Einstein, daha sonraları

kuantum kuramının geliştiği yönden hiç memnun kalmamıştı. 1927 Ekim’inde Brüksel’de yapılan beşinci Solvay konferansı ile başla***** Einstein önceleri Heisenberg’in belirsizlik ilkesinin ve kuantum kuramının getirdiği olasılık kavramının yanlış olduğunu,dolayısıyla kuantum kuramının tutarsız olduğunu göstermeye çalıştı.

Solvay Kongresine katılan Bilim Adamları

Einstein’ın bu konferansta belirsizlik ilkesini reddederken söylediği sözler tarihe geçmiştir.

Einstein “Tanrı zar atmaz” derken, bu sözler üzerine Bohr’un Einstein’a verdiği cevap da tarihe yazılmıştır : “Albert,Tanrıya lütfen ne yapacağını söyleme..”

Her defasında öne sürdüğü fikirleri ve örnekleri Bohr tarafından çürütülen Einstein, daha sonraları kuantum kuramını reddedilemeyecek bir olgu olduğunu ve doğanın gerçeklerini açıklamada önemli bir rolü olduğunu istemeyerek de olsa kabullendi.

1930 yılında yapılan altıncı Solvay konferansına Einstein dahice tasarlanmış bir düşünce deneyi ile geldi. Belirsizlik ilkesinin tutarsız olduğunu göstermek için, kendisinin genel görelilik kuramı ile ortaya atmış olduğu enerji ile kütlenin eşdeğer olduğunu gösteren

E=mc2 formülünü kullandı. Buna göre kütledeki değişimi ölçerek enerjideki değişimi bulmak mümkün. Eğer aynı anda bu değişimin olduğu zamanı da tesbit edebilirse, enerji ile zaman arasındaki belirsizlik ilişkisinin yanlış olduğunu göstermiş olacaktı.

Einstein bunun için bir terazinin ucunda asılı duran bir kutu tasarladı.Kutunun içi ışık dolu ve iç duvarları mükemmel yansıtıcılıkta, dolayısıyla ışık duvarlardan sürekli yansıyıp daima kutunun içinde kalıyor. Kutunun yüzlerinden birinde bir delik var. Bu deliğin üstünde de bir saat tarafından kontrol edilen bir açma kapama mekanizması var . Belli bir anda delik açılıyor ve içeriden dışarıya tek bir foton bırakılıyor. Aynı anda kutunun içindeki ışığın toplam enerjisinin değişimi, terazinin göstergesinde kütledeki değişim olarak okunuyor. Her iki ölçüm, yani fotonun bırakıldığı zaman ve kütledeki, dolayısıyla da enerjideki değişim,istenen kesinlikte ölçülebilir

Böylece Einstein’a göre enerji ile zaman arasındaki belirsizlik ilişkisinin yanlış olduğu gösterilebilir.Bu düşünce deneyi Bohr için tam bir şok oldu. Bohr’un o günkü halini

yakın arkadaşı ve meslektaşı Rosenfeld şöyle anlatıyor:Bohr şok olmuştu… çözümü bir türlü bulamıyordu. Bütün gece son derece mutsuzdu. Toplantıya katılan fizikçilerin

birinden diğerine giderek Einstein’ın haklı olamayacağına onları ikna etmek için çabalıyordu. Eğer Einstein haklıysa bunun fiziğin sonu olacağını söylüyordu. Fakat bir türlü Einstein’ın iddialarını çürütmeyi başaramıyordu. İki rakibin kulübü terk edişlerini hiçbir zaman unutamayacağım: Einstein yüzünde alaycı bir gülümseme, heybetli bir şekilde sessizce yürüyor, Bohr ise son derece heyecanlı sanki Einstein’ı yakalamak için koşturuyormuş gibi görünüyor.O gece Bohr, sabaha kadar uyumadan Einstein’ın iddialarını çürütmek için çalıştı. Bunda da başarılı oldu.Einstein’ın genel görelilik kuramına göre, bir saatin kütle çekimi alanı içindeki konumu, saatin hızını belirler.Başka bir deyişle kütle çekimi içindeki farklı konumlarda zaman farklı hızlarla değişir. Kutudan bir foton bırakıldığında kutu hafiflediği için kütle çekimi alanı içindeki yeri de değişir. Bu da zaman ölçümünde bir belirsizliğe yol açar. Genel göreliliğin öngördüğü bu faktörleri göz önüne alınca Bohr, birkaç satırlık basit bir hesapla Heisenberg belirsizlik ilkesinin tutarlı olduğunu göstermeyi başardı. Einstein’ın tasarladığı kutuyu kullanarak hem enerjiyi, hem de zamanı istenen kesinlikte ölçmek

mümkün olamaz. Einstein’ın geliştirmiş olduğu genel görelilik kuramı Einstein’ı sırtından bıçaklamış oldu.Bunun üzerine Einstein belirsizlik ilkesinin yanlışlığını gösterme çabasından vazgeçti.

Kuantum teorisi bilime ve evrene bakışımıza yepyeni boyutlar getirmiştir.Buraya kadar değindiğimiz konuları özetleyecek olursak Kuantum teorisinin kabul edilen temel olguları ana hatlarıyla aşağıda yazılı olduğu gibidir.

1.Kuantum teoremi fiziğe belirsizlik olgusunu (indeterminism) getirmiştir.Oysa Klasik fizikte

irdelenen olaylar belirlilik ve kesinlik taşır

2.Parçacıklar ele alındığında her nicelik ihtimallerle belirlenir ve gelecekle ilgili tahminler

ancak olasılıklara dayanılarak yapılabilir.Işığın yapı taşı olan fotonların uzaydaki konumu ancak olasılıklarla belirtilebilir.

3.Olaylar incelenirken karışık bir olasılık denklemi olan Schrödinger dalga denklemi kullanılır.

4.Kuantum teoreminde gözlemci,gözlenen ve gözlem cihazı birbirleriyle bir bütünlük oluşturur ve birbirlerinden ayrı düşünülemezler.Klasik fizikte ise incelenen her sistem ya da olay birbirinden bağımsız düşünülür ve klasik olarak incelenen olay,gözlemci ve kullanılan deney aleti ile değişiklik göstermez.

5.Fiziksel nicelikler kesikli,parçalı yapıda ele alınır.Oysa klasik fizikte nicelikler bütün olarak ele alınır.

Niels Bohr Werner Heisenberg Erwin Schrödinger

Kuantum teoreminin felsefi boyutundaki bazı tartışmalar ve farklı yorumlara rağmen bu teori artık kuramsal ve uygulamalı fiziğin ayrılmaz bir parçası haline gelmiştir.

Bu kuramın varlığıyla laser,elektron mikroskobu,transistor gibi insanlığa faydalı ve bilimin gelişmesine katkıda bulunan araçlar geliştirilebilmiştir.

En önemlisi kuantum teoremi maddenin yapıtaşlarını ve davranışlarını daha iyi anlamamıza imkan vermiş ve yeni fizikte görelilik kuramıyla beraber bir çok alanda yeni ufuklar açmış ve açmaya da devam etmektedir.Bu kuramlardan yola çıkan bilim adamları şu an bir çoğumuza imkansız gibi gelse de aşağıda değineceğimiz bazı ilginç projeler üzerinde çalışmakta,teoriler üretmektedirler.

Under

Etiketler: kuantum fiziği

Genel kültür