kuantum mekaniği
Türkçe kuantum mekaniği kelimelerinin Almanca karşılığı.n. Quantenmechanik
Quantum (Latince: "ne kadar") terimi, teorinin belirli fiziksel nicelikler için kullandığı kesikli birimlere gönderme yapar. Kuantum mekaniğinin temelleri 20.yy'ın ilk yarısında Max Planck, Albert Einstein, Niels Bohr, Werner Heisenberg, Erwin Schrödinger, Max Born, John von Neumann, Paul Dirac, Wolfgang Pauli gibi bilim adamlarınca atılmıştır. Bugün de halen teorinin bazı temel yönleri üzerinde çalışılmaktadır.Belirsizlik ilkesi, anti madde, Planck sabiti, kara madde, dalga teorisi, kuantum alanları, olasılık teorisi, kaos teorisi gibi kavram ve teoriler bu alanda geliştirilmiş ve klasik fiziğin olduğu kadar klasik düşünce kategorilerinin de sarsılmasına, değiştirilmesine etki etmiştir. Kısaca Kuantum mekaniği, Einstein'ın madde ile enerjinin birbirine dönüşebilen bir gerçeklik olduğunu bulmasıyla beraber, elektronların hareketlerinin bildiğimiz fizik kurallarının hiçbirine benzemediğini keşfeden bilim adamlarının çalışmalarına verilen addır. Böylece Newton Fiziği'nin, maddelerin bilardo topu gibi katı, sert, ölçülebilir ve birbirinden bağımsız nesneler olduğu varsayımı yıkılmış oluyordu. Aslında madde dediğimiz şey, bir tür olasılıklar demetiydi. Böylece maddenin düşünceye, düşüncenin de maddeye dönüştüğü bir başka gerçeklik çıkıyordu ortaya. Kuantum dünyasında bir şey, ancak başka bir şeyle birlikte değerlendirildiğinde bir tanımlama yapılıyordu. Kuantum gerçeklik alanında, sonsuz olasılıklarla dolu bir belirsizlik söz konusuydu. Kuantum alanında "şey"ler birbirini sürekli etkiliyor.
Klasik mekanik çok başarılı olmasına karşın, 1800'lü yılların sonlarına doğru, kara cisim ışıması (blackbody radiation), tayf çizgileri, fotoelelektrik etki gibi bir takım olayları açıklamada yetersiz kalmıştır. Açıklamaların yanlışlığı bilim adamlarının yetersizliğinden değil aksine klasik mekaniğin yetersizliğinden kaynaklanıyordu. Klasik mekanikteki sorunun ne olduğunu anlatmak aşırı teknik kaçacaktır, ancak en yalın halde klasik mekanik evreni bir "süreklilik" olarak modelliyordu. 1900 yılında Max Planck enerji'nin, 1905 yılında ise Albert Einstein ışığın paketçiklerden oluştugunu, yani süreklisizlik gösterdiğini, bir varsayim olarak kullanmak zorunda kaldilar,bazi deneyleri açıklamak için. Elbette bu iki darbe klasik mekaniği yıkmadı. Uzunca bir süre bilim adamları bu süreksizliği klasik mekanik kuramlarından türetmek için uğraştı. Yine aynı yıllarda atomun iç yapısı üzerine yapılan deneyler korkunç bir gerçeği gözler önüne serdi. Rutherford yaptığı deneyle atomun küçük bir çekirdeğe sahip olduğunu gösterdi. Bu dönemde elektronun varlığı biliniyordu. Bu durumda eğer negatif yüklü elektronlar pozitif çekirdeğin etrafında dairesel hareket yapıyorlarsa, çok kısa bir zaman diliminde elektronlar çekirdeğe düşeceklerdi. Bu elektromanyetik teori ye göre aciklanacak olursa, ivmelenen yükler ışıma yapar, dairesel haraket de ivmeli bir hareket olduğu için, elektron bu ışımayla enerji yayacak ve çekirdeğe düşüp sistem çökecekti. Geçiçi çözüm Niels Bohr tarafından geldi. Elektronlar belli kuantizasyon kurallarınca, belli yörüngelerde hareket ediyorlar, enerjileri belli bir değere ulaşmadıkça ışıma yapamıyorlar bu sayede sistem dengede durabiliyordu. Bu geçici çözüm küçük atomlarda işe yaradıysada daha büyük kütlelerde işe yaramıyordu. Bohr atom modeline, modeli deneylere uydurulmak için birçok yama yapıldı. Ne var ki Bohr'un "yamalı bohça"sı 1920'lere gelindiğinde artık iş görmüyordu, tayf çizgilerinin gözlenen yoğunluğunu yanlış veriyor, çok elektronlu atomlarda salınım ve emilim dalgaboylarını tahmin etmede başarısız oluyor, atomik sistemlerin zamana bağlı hareket denklemini vermedeki başarısızlığı gibi birkaç konuda daha gerçekleri gösteremiyordu. Kuantum mekaniğini Planck doğurduysa, bebekliğinin sonu da De Broglie ile gelmiştir.Louis De Broglie; birçok elçi, bakan ve Dük yetiştirmiş, aristokrat bir Fransız ailesinin çocuğuydu. Tarih eğitimi gördükten sonra fiziğe geçmiş ve 1923'te verdiği doktora tezinde, ışığın hem dalga hem de parçacık karakteri olmasından esinlenerek, aslında bütün madde çeşitlerinin aynı özelliği gösterebileceğini onerdi. Ortaya koyduğu fikir, Bohr'un "gizemli" yörüngelerini açıklamada başarılı oluyordu.
Işığın girişim, kırınım yaptığı, yani dalga özelliği gösterdiği, Thomas Young'in yaptığı çift yarık deneyi ile gösterilmişti. Ama tüm madde parçacıklarının, su dalgaları ile aynı matematiksel özellikleri göstereceği beklenmiyordu.Max Planck 1900 yılında karacisim ısınımı problemini (morotesi facia diye de anılır), çözmek için:
denklemini kullanmıştı. Bu denklem, foton kavramının başlangıcı oldu; çünkü v frekansındaki elektron salınımından oluşan ışığın, klasik mekanikle uyuşmayan bir şekilde sadece, h*v nun tamsayı katlarında enerji taşıyabileceğini göstermişti. h, günümüzde Plank Sabiti adıyla anılır. Fotonlar dalga özelliği gösterirse madde de gösterebilir analojisinin yanında önemli bir ipucu da Einstein'in birkaç yıl önce özel görelilik ispatında kullandığı Lorentz Dönüşümleri idi.
Buna göre,serbest bir parçacık,fazı x,zamanı t olan bir dalga ile ifade edilirse, 2 x pi x (k x x -nu x t) , ve bu faz Lorentz dönüşümlerinde sabit kalacaksa, k vektörü ve nu frekansı, x ve t gibi dönüşmelilerdi. Ya da diğer bir deyişle, p ve E gibi. Bunun mümkün olabilmesi için, k ve nu, p ve E ile aynı hız bağımlılığına sahip olmalılardı, bu yüzden de onlarla doğru orantılı olmalılardı. Fotonlar icin E=h x nu olduğundan, madde için de
ve
varsayımlarını yapmak 'doğal' gözükmüştür.
Herhangi bir kapali yorungenin 1/|k| nin tam kati olmasi vassayimi ile, de Broglie, deneysel olarak gozlenen ve Sommerfield ve Bohr tarafindan "kuantize olma sartlari" olarak anilan sartlari matematiksel olarak kolayca turetti. Bu turetme gayet gizemli bir sekilde dogru sonuclar verince (Davisson ve Germer, 1927 yılında Bell Labaratuvarlarında gerçekleştirdikleri deneyle, elektronların da ynı ışık gibi girişim yaptığını ortaya koydular. Deney 1924'te de Brogli tarafından önerilmişti) insanlar deneysel olarak baska seyleri tahmin etmesini de beklediler. Elbette yanildilar cunku bu sartlar serbest isik parcalari icin yola cikan varsayimlarin, cekirdege bagli elektronlar icin uyarlanmasiydi ve cok ileri goturulmemesi gerekiyordu. Ama dogru cikis noktasi idi.
Enteresan bir sekilde 1925-1926 yillari arasinda Werner Heisenberg, Max Born,Wolfgang Pauli ve Pascual Jordan, matriks mekanigi ile kuantum mekaniginin formal tanimini yaptilar. ama formalizmlerinde dalga mekanigine yer vermediler. Benimsedikleri felsefe ise, tamamen pozitivist idi. Yani sedece deneysel olarak gozlenebilen degerleri gozonune alan bir yaklasim kullandilar.
1926 yilinda Edwin Schrodinger bir dizi denklemle dalga mekanigini yeniden canlandirdi. Sonunda kendi dalga mekaniginden Heisenberg'in matriks mekanigini de turetip iki formalizmin matematiksel olarak denk oldugunu da gosterdi. Son makalelerinden birinde Schrodinger, relativistik bir dalga denklemi de sunar.
Dirac'a gore ise tarih biraz daha farkli islemistir. Ona gore, Schrodiger once relativistik dalga denklemini gelistirdi, sonra bunu kullanarak hidrojenin spektrumunu hesapladi ve deneylere uymadigini gordu. Ancak bu denklemin, dusuk hizlarda gecerli olan versiyonu aslında çalışıyordu! Sonrada relativistik dalga denklemini yayinladiginda ise, bu Oskar Klein ve Walter Gordon tarafindan yayinlanmisti ve hala Klein-Gordon denklemi olarak anılır.
Bu noktadan sonra Dirac teoriye çeki düzen vermiş, özel görelilikle uyumlu hale getirmiş ve bazı deneylerin sonuçlarını teorik olarak üretmiştir,ornegin pozitron'un varliginin tahmini. 1930'lara gelindiğinde ergenlikten çıkmış bir teori halini almıştır kuantum teorisi. Daha sonra 1940'lar da Sin-Itiro Tomonaga, Julian Schwinger ve Richard P. Feynman, Kuantum elektrodinamiği konusunda önemli çalışmalara imza atmış, 1950'li ve 60'lı yıllar Kuantum renk dinamiğinin gelişimine tanık olmuşlardır.
Uygulama
Kuantum mekaniği her ne kadar çok küçüklerin dünyasını modelleyen bir kuram olsada uygulama alanları gerek dolaysız gerek dolaylı yollarla çok geniştir. Kuantum mekaniği kimya, biyoloji, malzeme bilimi, elektronik gibi birçok alanın günümüzdeki anlamına kavuşmasını sağlamıştır.LASER, MASER, yarı iletkenler gibi günümüzün olmazsa olmazlarının icatları, kuantum mekaniği sayesinde mümkün olmuştur. Ayrıca elektron mikroskobu, atomik kuvvet mikroskobu, taramalı tünellemeli mikroskop gibi biyoloji ve nanoteknolojik uygulamaların olmazsa olmazları; PET-Scan(Positron Emmission Topography), MRI(Magnetic Resonance Imaging), Tomografi gibi tıbbi görüntüleme cihazları yine kuantum mekaniğinin bize gösterdiği belli doğa olgularını kullanarak çalışırlar. Yine tıp, telekom nanoteknoloji, elektronik gibi birçok alanda sayısız kullanımı olan fiberler kuantum mekaniğinin doğrudan uygulamasına örnektir. Bu örnekler dışında aslında hepimiz kuantum mekaniğini öyle yada böyle kullanıyoruz. Modern kimya, kuantum fikirleri üzerine inşa edilmiş ve çok karmaşık moleküller bu sayede anlaşılmıştır. Kimya ise giydiğimiz çoraplardan, içtğimiz suya kadar her alanda hayatımızdadır. Ayrıca yarı iletkenlerin yapısal özellikleri yine kuantum mekaniği sayesinde anlaşılmış,cep telefonundan, bilgisayara, televizyondan, saatlere kadar bütün elektronik cihazların icadı için kapılar aralanmıştır....
Biyoteknoloji Uygulamaları
2004 yılında araştırmacılar, kanser hücrelerinin kendilerini göstermelerini sağlayacak bir görüntüleme tekniği geliştirdiler.
"Kuantum Nokta"ları denilen nanometre boyunda dizayn edilmiş, boyutları çok küçük olduğu için ışıkla etkileştiklerinde değişik renklerle yanıt veren bu molekül toplulukları, kanserli fare hücrelerini görüntülemekte kullanıldı. Boyutuna bağlı olarak farklı renk ışık yayan bu kuantum noktalar, prostat kanserli hücrelerde bulunan bir proteine tutunan 'antibody' ler ile kaplandı.
Bu kuantum noktalar, dışarıdan ışık tutulmasıyla, canlı hayvan içinde kanserli hücre görüntülenmesinde ilk kez kullanılabildiler. Bazı sorunları olmakla birlikte teknik gelecek için umut vaadetmektedir.
Kuantum Mekaniği Felsefesi
Yazının önceki bölümlerinde kuantum mekaniğinin bugüne kadar girdiği birçok sınavdan başarıyla çıktığını söyledik. Peki, nasıl olurda bu denli başarılı bir teorinin kritik bir felsefesinden söz edilebilir? Dahası teorinin önemli felsefi sorunlar yarattığını ileri sürebiliriz?Kuantum mekaniği çok sağlam matematik temelleri üzerine kurulmuştur. Sistemlerin doğası bu matematikle modellenir. Ancak başlı başına bu modelleme kuantum mekaniğinin temel kavramlarının çözümlenmesinde yetersizdir. Örnek verecek olursak, bir dalga fonksiyonudur. Bu dalga fonksiyonunun mutlak karesinin ise olasılık genliği olduğu ise bir yorumdur. Eğer bu yorumu araştırır ve genel bir çerçeveye oturtmak istersek, o zaman, kuantum mekaniği felsefesi yapmış oluruz.
Kuantum Mekaniği Tamamlanmış Bir Teorimidir? Kuantum mekaniğinin temelleri; 1927 yılından, yani Heisenberg belirsizlik ilkesinin formule edildiği yıldan bu zamana dek hiçbir değişikliğe uğramamıştır. Kuantum mekaniğinin uzantısı olarak ortaya çıkan teorilerde ortaya çıkan kavramlarda bildiğimiz kadarıyla bu temel ilkelerde değişiklik yapılmasını gerektirmezler. Kuantum mekaniği doğduğu andan itibaren temel ilkelerin anlaşılması bakımından büyük tartışmalara yol açmıştır. Bu tartışmalardan biride halen daha önemini yititmemiş "EPR Paradoksu", A. Einstein, B. Podolsky ve N.Rosen tarafından 1935 yılında ileri sürürlmüş; "Doğanın Kuantum Mekaniksel Tasviri Tamamlanmış Kabul Edilebilir mi?" yayınlanmış makalede dile getirildi. EPR makalesi bir fizik teorisinin tamamlanmış kabul edilebilmesi için iki temel koşulu yerine getirmesi gerektiğini söyler. Bunlar;
Teorinin Doğruluğu, Teorinin Tamamlanmışlığı
EPR makalesine göre teorinin doğru olarak nitlendirilebilmesi için teorinin deney sonuçlarıyla uyumluluğu göz önüne alınmalıdır. Bu bakımdan kuantum mekaniği deneylerle büyük bir uyum gösterdiği için doğru kabul edilir. Teorinin başarısı için gerekli olan diğer koşul olan tamamlanmışlık için ise makalede şu koşul verilmiştir:"Bir fizik kuramında, her fiziksel gerçekliğe karşılık olan bir öğe bulunmalıdır."
Bu ifade ileriki bölümlerde detaylı olarak ele alınacaktır. Makalede fiziksel gerçeklik şu şekilde tanımlanmıştır:
"Bir fiziksel niceliğin değerini, dinamik sistemi herhangi bir biçimde bozmaksızın kesinlikle tahmin edebiliyorsak, o zaman, fiziksel gerçekliğin, bu fiziksel niceliğe karşılık olan bir öğesi vardır."
Fiziksel niceliğin kesin bir değerini, dinamik sistemi bozmadan teoride elde edebiliyorsak, o zaman, teoriden hesap ile elde edilen bu kesin değer fiziksel gerçekliğin bir öğesine karşılık gelecektir. Ancak fiziksel gerçekliğin bütün öğelerinin fizik teorisinde karşılıklarının bulunması gerektiğine dair bir koşul ileri sürülmemiştir. Bu nedenle, "EPR'ye göre doğru olan teorinin aynı zamanda tamamlanmış olması gerekmez.