Kuantum Fiziğinin Gelişimi

Ampulün verimliliğini artırmak için 20. yüzyılın başlarında yapılan deneyler sonucunda tesadüfen keşfedilen, o dönem kimsenin anlam veremediği “Kuantum Fiziği” ya da diğer adıyla “Kuantum Mekaniği”… Kuantum mekaniği kelime anlamıyla ve kullanım alanlarıyla birçoğumuza yabancı olsa da aslında bu teorinin tarihsel geçmişine baktığımızda adeta günümüz teknolojisinin yapı taşlarını takip ederiz. İki bölümden oluşacak bu yazı dizimizde, her gün kullandığımız televizyonlardan arabalara, cep telefonlarından tıbbi görüntüleme cihazlarına kadar bizi biz yapan kuantum mekaniğinin uygarlığımıza katkılarını incelemeye çalışacağız.

Öncelikle evreni anlamlandırma yolculuğumuzda bize referans olan fizik ve matematike, hatta özellikle fizik bilimine kısa bir bakış atalım. Fizik denilince aklımıza ilk gelen şey, orta öğretimde işlenen serbest atış, kütle çekimi, enerji ve atom gibi başlıklardır. Fakat aslında fizik, insanlığın bu zamana kadar sorduğu en önemli sorulara cevap arar: “Neden buradayız?” ve “Gerçek nedir?”. Bu nedenle fizik, tüm bilimlerin temelidir. Matematik ise tüm bilimlerin temelinde yatan fiziki, yani kuvveti, atomu ve enerjiyi anlatırken kullandığımız, gerçekliği bizlere sayılarla anlatmaya çalışan evrensel bir dildir. Şimdi gelin isterseniz kuantum fiziğinin hikâyesine başlarken fizik biliminin ünlüler galerisinde dolaşmaya başlayalım.

1700’lerin son çeyreğinde dünyaya gelen ve elektrik üzerine çalışmalar yapan Danimarkalı fizikçi Hans Christian Ørsted, şans eseri bir kablonun içinden geçen elektriğin pusulanın yönünü değiştirdiğini keşfetti. Kablonun içinden akan ve dokunamadığımız bu kuvvet nasıl olur da temas olmadan etki edebilirdi? 1800’lere geldiğimizde çok okumasıyla bilinen Faraday, Ørsted’in bu konu üzerine yazdığı makaleyi de okuyacak ve elektriğin manyetik alan oluşturduğu tezini geliştirecekti. Ardından ise bir ilk yaşanacak; Faraday, elektrik enerjisini mekanik enerjiye çeviren tarihin ilk elektrik motorunu bulacaktı. Bir makineyle kesintisiz elektrik akımı elde etmek… Yani Faraday, elektrik ile manyetizmanın bir bütün olduğunu keşfederek elektromanyetizmayı açıklıyordu.

İndüksiyon halkası adı verilen bu keşif aralarında Edison’un da olduğu bilim insanları tarafından geliştirilmiş ve bugün bildiğimiz anlamda tüm elektrik santrallerinin, barajların, jeneratörlerin, trafoların, kısaca bize güç sağlayan her şeyin temelini oluşturmuştur. Yine bu keşif sayesinde televizyonlar ve bilgisayarlar ortaya çıkmıştır.

Tüm buluşlarına rağmen Faraday, herkesin biraz da gülerek tepki verdiği başka bir fikre daha sahipti. Faraday, elektrik de dâhil her şeyin, hatta güneşin bile gözle görülmeyen bir ışık yaydığını, bu nedenle ışığın da bir tür elektromanyetik dalga olduğunu söylemekteydi. O devirde Faraday bunu kanıtlayamayacak ve ta ki onun çalışmalarına inanmış başka bir büyük fizikçi; James Clerk Maxwell dünyaya gelene kadar hiç kimse bunun mümkün olduğuna inanmayacaktı.

Einstein, meşhur Özel Görelilik Kuramı’ndan bahsederken Maxwell hakkında: “Özel Görelilik Kuramı’nın çıkış noktası Maxwell’in elektromanyetik alan denklemleridir. Maxwell’den beri fiziksel gerçeklik birbirini takip eden alanlarla ifade edilir. Gerçeklik algısındaki bu değişim Newton’dan beri görülmüş en devrimsel çıkarımdır.” demekte, kuantum fiziğinin temelini ateşleyen kişi olan Max Planck ise yine Maxwell ile ilgili; “Daha önce eşi benzeri görülmemiş işlere imza attı.” demiştir.

Faraday’ın herkesin gülerek tepki verdiği tezini hatırlayın… Her şeyin ışık yaydığını… Her şeyin bir elektromanyetik alan olduğunu… Maxwell bu teorinin üzerine eğildi. Tüm formüllere baktığında hiç kimsenin göremediğini gördü. Faraday’ın tahmin ettiği ama onun göremediği bağlantıyı…

Hesaplamalarda karşısına bir hızın karesi çıkıyordu. Bu neyin hızıydı? Ortaya çıkan sonuç saniyede 300.000 km’yi, yani ışık hızını işaret ediyordu. Bu sonuç, Faraday’ın haklı olduğunu, ışığın da bir elektromanyetik dalga olduğunu söylüyordu. Bu tespit, Newton’un yasalarını sarsan, evrenin nasıl çalıştığını anlamamızı sağlayacak, basit ama önemli bir keşifti.

Önce Faraday ile ortaya atılan, fakat matematiksel ve deneysel olarak açıklanamayan bu müthiş düşünceyi Maxwell formüle edebilmiş, fakat bu sefer de denklemleri deneysel olarak açıklayamamıştır. Maxwell’in yardımına ise yaklaşık 20 yıl sonra Heinrich Hertz isimli Alman bilim insanı yetişmiş ve bu elektromanyetik dalgaların var olduğunu fiziksel olarak kanıtladığında Maxwell’in haklı olduğunu herkes anlamıştır.

Bu noktada Hertz ve Maxwell’e özel bir parantez açarak bize kattıklarına bakarsak günümüz teknolojisinin neredeyse bu iki isim etrafında şekillendiğini görürüz.

İsminden de anlaşılacağı gibi Hertz’in keşfettiği aslında radyo dalgalarıydı. Bu keşiften kısa süre sonra sırasıyla radyo ve televizyon hayatımıza girdi. Sonrasında yüksek frekanslı radyo dalgaları kullanılarak çalışan radar icat edildi. Peşinden mikro dalga ve mobil iletişim geldi. Kızıl ötesi dalgalar, termal görüntülemede ve uzaktan kumandalarda kullanıldı. Mor ötesi dalgalar ise floresan lambalarda ve medikal araştırmalarda kullanıldı. Sağlık alanında çığır açan keşifler ise X ve gamma ışınlarının keşifleriydi.

Maxwell ise daha sonraları “Termodinamik” üzerine çalışmalar yapacaktı. Cambridge Üniversitesi’nde kurduğu laboratuvarda elektron ve nötron keşfedilecek, 1953 yılına geldiğimizde ise X ışınlarıyla ilk kez DNA’nın yapısı görüntülenecekti. İnsanlığa pek çok çalışmayla katkıda bulunan Maxwell’in bizlere bıraktığı asıl miras ise evrene olan bakış açımızı değiştirmiş olmasıdır. Maxwell ile artık dokunabildiğimiz, görebildiğimiz şeylerin arkasındaki evrene bakmaya başlayacaktık. Evet. Kuantum dünyasına hoş geldiniz…

Kuantum fiziği… Tüm yıldızları, tüm maddeleri oluşturan atomların, atom altı mikroskobik parçacıkların evrenini yöneten kurallar bütünü. Bilim tarihinin en başarılı ve çığır açan gelişmesi. Sadece 100 yıl önce hayatımıza girmiş bu gelişmenin gerçek olduğunu nereden biliyoruz? Çünkü hiçbir yasanın test edilmediği kadar test edilmiş ve her seferinde istisnasız tüm testlerden geçmiş bir teoridir kuantum fiziği. O halde sorulması gerekeni soralım “Kuantum fiziği bize atomları anlatıyorsa ve tüm evren atomlardan oluşuyorsa bu teori bize asıl gerçekliği anlatıyor olabilir mi?”. Acaba bizi “Neden buradayız?” sorusunun cevabına en çok yaklaştıran cevabı sunuyor olabilir mi kuantum fiziği?