Kuantum Fiziği: Mutlak Sıfır

Günümüz uygarlığının yapı taşlarını döşeyecek kadar bize yakın, fakat ne olduğunu ve kullanım alanlarını düşündüğümüzde birçoğumuza uzak olan bir teori: “Kuantum Mekaniği”... Yazı dizimizin ikinci bölümünde kuantum mekaniğinin tarihçesinden hareketle günümüz dünyasına uzanıyoruz.

Mutlak sıfır... Doğada bir madde için geçerli olabilecek en düşük sıcaklık -273.15 Co’dir. Fakat hiçbir madde bu sıcaklığa sahip olamaz. Çünkü bu sıcaklık bir maddenin enerjisinin de sıfırlanması anlamına gelecektir ki madde ve enerji arasındaki ilişki nedeniyle bu imkânsız bir durumdur. Bu eşik değeri üzerindeki her şeyin ise anlamlı bir sıcaklığı vardır ve sıcaklığı olan her şeyin de bir enerjisi. Öncüsü Faraday olan, sırasıyla Maxwell ve Hertz tarafından gösterilen teoriye göre de enerjisi olan her şey bir ışık kaynağıdır, yani ışık yayar. (Bakınız: Kuantum Fiziğinin Kısa Hikâyesi )

Faraday, söylemiş fakat ispatlayamamıştı. Bilim insanları ampulün icadından sonra daha verimli ampuller bulmak için, farklı malzemeleri farklı sıcaklıklarda ısıttıklarında ve prizmadan baktıklarında renklerin farklı çizgiler halinde ve ayrı şekilde oluştuğunu gözlemledirler. Bu durumu ilk açıklayan, kuantumun babası olarak da kabul edilen ve bulduğu keşfin uzun yıllar boyunca ne olduğunu anlamayan bilim insanı Max Planck oldu.

Planck, uzun çalışmaların sonunda, denklemine eklediği ve kendi adıyla anılan Planck sabitiyle tüm taşları yerine oturtmuş ve bir maddeden yayılan ışığın hangi dalga boyunda yayılacağını açıklamıştı. Söylenen şuydu: Bir maddenin belli bir dalga boyunda ışık üretebilmesi için enerji sarf etmesi gerekiyordu. Bu enerjinin bir limiti vardı ve ışığın bir dalga değil aynı zamanda parçacık olduğunu, paketler halinde yayıldığını tespit etmişti.

Planck, bu paketlere adet anlamına gelen “Quanta” adını vermişti. Çoğulu da “Quantum”dur. Yani enerji çok çok küçük paketler halindeydi. Dolayısıyla bu noktada “Kuantum Mekaniği” kelimelerini “Enerji paketlerinin hareketi üzerine” kelimeleriyle dilimize tercüme edebiliriz. İşte, Planck için çok bir şey ifade etmeyen bu bulgu klasik fiziğin temellerini sarsacaktı.

Albert Einstein, bu olayın ne kadar önemli olduğunu fark eden ilk kişiydi ve bu bulgu üzerine ileride Nobel Ödülü alacağı ilk çalışmasını 1905 yılında yayımladı. Bugün fotoelektrik etki olarak bildiğimiz çalışmaydı bu. Fakat asıl büyük adımı bir başka Danimarkalı bilim insanı, Niels Bohr atacaktı.

Niels Bohr, Planck’ın formüllerinden yararlanarak ve Rutherford’un atom modelinden esinlenerek bugün atom dendiğinde birçoğumuzun gözünün önünde beliren Bohr Atom Modelini oluşturdu. 1922 yılında Bohr’a Nobel Ödülü’nü kazandıran bu modele göre bir atom taneciği güneş sistemi gibiydi. Çekirdeğin çevresindeki elektronlar birer uydu gibi hareket ederler ve atoma ısı yani enerji verildiğinde bu elektronlar ve atom kararsız hale geçerdi.

Gerçekten de elektronlar, kendilerine enerji verildiğinde aniden farklı yörüngelere sıçrıyorlardı. Fakat bu düzenli bir geçiş ya da hareketle değil rassal ya da olasılıksal bir şekilde olmaktaydı. Örneğin, bir anda Mars’ın Jüpiter’in yörüngesine sıçradığını, o yörüngede belirdiğini düşünün. İşte bu rassal olay kuantum sıçraması olarak adlandırılır.

1927 Solvey Konferansı, klasik fizik ile kuantum fiziği arasındaki savaşın başladığı yer olarak tarihe geçmiştir. Solvey, Einstein’ın neredeyse kendi başlattığı kuantum dünyasına karşı kılıcını çektiği konferanstır. Einstein’ın öncülüğünde bir grup bu rassal, olasılıksal sıçramayı reddedecek, Bohr ile aralarında yıllarca sürecek münazaralar başlayacaktır.

Olasılıklara dayalı fiziğe karşı olan Einstein, matematikçi Cornelius Lanczos’a şunu söylemiştir: “Gerçekliği basitçe, sade ve birleşik bir şey olarak kavrama inancı. Bu belirsizlik ilkesi, Tanrı’nın elindeki kartlara çaktırmadan göz atmak gibi gözüküyor. Ama onun zar atması bir an için bile inanamayacağım bir şey.” Bu sözler aslında kuantum fiziğinin belirsizlik ilkesine karşı söylenmişti.

Bohr ise bu yorum üzerine şöyle demişti: “Albert, Tanrı’ya ne yapacağını söylemeyi bırak.”

Evet, Solvey Konferansı kuantum fiziğine giden yolda bir dönüm noktasıydı. Bu noktadan sonra yaşanan yüzyıldaki gelişmeleri ve Einstein'ı da kenara iten Sicim Teorisi’ne kadar geçen süreci de başka bir yazı dizimizde ele alacağız.