Anasayfa
TARİHİ
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. En yalın halde klasik mekanik evreni
bir "süreklilik" olarak modelliyordu. 1900 yılında Max Planck enerji'nin, 1905 yılında ise Albert Einstein
ışığın paketçiklerden oluştuğunu, yani süreklisizlik gösterdiğini, bazı
deneyleri açıklamak için bir varsayım olarak kullanmak zorunda
kaldılar. 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. Ernest 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 açıklanacak 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 önerdi. 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 ışınımı problemini (morötesi facia diye de anılır), çözmek için
denklemini kullanmıştı. Bu denklem, foton
kavramının başlangıcı oldu; çünkü ν frekansındaki elektron salınımından
oluşan ışığın, klasik mekanikle uyuşmayan bir şekilde sadece, h*ν 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*π*(k*x - ν*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 ν, p
ve E ile aynı hız bağımlılığına sahip olmalılardı, bu yüzden de onlarla
doğru orantılı olmalılardı. Fotonlar icin E=h*ν olduğundan, madde için
de
ve
varsayımlarını yapmak 'doğal' gözükmüştür.
Herhangi bir kapalı yörüngenin 1/|k| nın tam katı olması varsayımı ile, de Broglie, deneysel olarak gözlenen ve Sommerfield
ve Bohr tarafindan "kuantize olma şartları" olarak anılan şartları
matematiksel olarak kolayca türetti. Bu türetme gayet gizemli bir
şekilde doğru sonuclar verince (Davisson ve Germer, 1927 yılında Bell
Labaratuvarlarında gerçekleştirdikleri deneyle, elektronların da aynı
ışık gibi girişim yaptığını ortaya koydular. Deney 1924'te de Brogli
tarafından önerilmişti) insanlar deneysel olarak baska seyleri tahmin
etmesini de beklediler. Elbette yanıldılar çünkü bu şartlar serbest
ışık parçaları için yola çıkan varsayımların, çekirdeğe bağlı
elektronlar için uyarlanmasıydı ve çok ileri götürülmemesi gerekiyordu.
Ama doğru çıkış noktası idi.
Enteresan bir sekilde 1925-1926 yılları arasında Werner Heisenberg, Max Born, Wolfgang Pauli ve Pascual Jordan, matriks mekanigi
ile kuantum mekaniğinin formal tanımını yaptılar. ama formalizmlerinde
dalga mekaniğine yer vermediler. Benimsedikleri felsefe ise, tamamen pozitivist idi. Yani sedece deneysel olarak gözlenebilen değerleri gözönune alan bir yaklaşım kullandılar.
1926 yılında Erwin Schrodinger
bir dizi denklemle dalga mekaniğini yeniden canlandırdı. Sonunda kendi
dalga mekaniğinden Heisenberg'in matriks mekaniğini de türetip iki
formalizmin matematiksel olarak denk olduğunu da gösterdi. Son
makalelerinden birinde Schrodinger, relativistik bir dalga denklemi de
sunar.
Dirac'a
göre tarih biraz daha farklı işlemiştir. Ona göre, Schrodiger önce
relativistik dalga denklemini geliştirdi, sonra bunu kullanarak
hidrojenin spektrumunu hesapladı ve deneylere uymadığını gördü. Ancak
bu denklemin, düşük hızlarda geçerli olan versiyonu aslında
çalışıyordu! Sonra da relativistik dalga denklemini yayınladığında ise,
bu Oskar Klein ve Walter Gordon tarafından yayınlanmıştı 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, örneğin pozitron'un
varlığının tahmini. 1930'lara gelindiğinde ergenlikten çıkmış bir teori
halini almıştır kuantum teorisi. Daha sonra 1940'larda 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.
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. En yalın halde klasik mekanik evreni
bir "süreklilik" olarak modelliyordu. 1900 yılında Max Planck enerji'nin, 1905 yılında ise Albert Einstein
ışığın paketçiklerden oluştuğunu, yani süreklisizlik gösterdiğini, bazı
deneyleri açıklamak için bir varsayım olarak kullanmak zorunda
kaldılar. 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. Ernest 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 açıklanacak 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 önerdi. 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 ışınımı problemini (morötesi facia diye de anılır), çözmek için
denklemini kullanmıştı. Bu denklem, foton
kavramının başlangıcı oldu; çünkü ν frekansındaki elektron salınımından
oluşan ışığın, klasik mekanikle uyuşmayan bir şekilde sadece, h*ν 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*π*(k*x - ν*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 ν, p
ve E ile aynı hız bağımlılığına sahip olmalılardı, bu yüzden de onlarla
doğru orantılı olmalılardı. Fotonlar icin E=h*ν olduğundan, madde için
de
vevarsayımlarını yapmak 'doğal' gözükmüştür.
Herhangi bir kapalı yörüngenin 1/|k| nın tam katı olması varsayımı ile, de Broglie, deneysel olarak gözlenen ve Sommerfield
ve Bohr tarafindan "kuantize olma şartları" olarak anılan şartları
matematiksel olarak kolayca türetti. Bu türetme gayet gizemli bir
şekilde doğru sonuclar verince (Davisson ve Germer, 1927 yılında Bell
Labaratuvarlarında gerçekleştirdikleri deneyle, elektronların da aynı
ışık gibi girişim yaptığını ortaya koydular. Deney 1924'te de Brogli
tarafından önerilmişti) insanlar deneysel olarak baska seyleri tahmin
etmesini de beklediler. Elbette yanıldılar çünkü bu şartlar serbest
ışık parçaları için yola çıkan varsayımların, çekirdeğe bağlı
elektronlar için uyarlanmasıydı ve çok ileri götürülmemesi gerekiyordu.
Ama doğru çıkış noktası idi.
Enteresan bir sekilde 1925-1926 yılları arasında Werner Heisenberg, Max Born, Wolfgang Pauli ve Pascual Jordan, matriks mekanigi
ile kuantum mekaniğinin formal tanımını yaptılar. ama formalizmlerinde
dalga mekaniğine yer vermediler. Benimsedikleri felsefe ise, tamamen pozitivist idi. Yani sedece deneysel olarak gözlenebilen değerleri gözönune alan bir yaklaşım kullandılar.
1926 yılında Erwin Schrodinger
bir dizi denklemle dalga mekaniğini yeniden canlandırdı. Sonunda kendi
dalga mekaniğinden Heisenberg'in matriks mekaniğini de türetip iki
formalizmin matematiksel olarak denk olduğunu da gösterdi. Son
makalelerinden birinde Schrodinger, relativistik bir dalga denklemi de
sunar.
Dirac'a
göre tarih biraz daha farklı işlemiştir. Ona göre, Schrodiger önce
relativistik dalga denklemini geliştirdi, sonra bunu kullanarak
hidrojenin spektrumunu hesapladı ve deneylere uymadığını gördü. Ancak
bu denklemin, düşük hızlarda geçerli olan versiyonu aslında
çalışıyordu! Sonra da relativistik dalga denklemini yayınladığında ise,
bu Oskar Klein ve Walter Gordon tarafından yayınlanmıştı 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, örneğin pozitron'un
varlığının tahmini. 1930'lara gelindiğinde ergenlikten çıkmış bir teori
halini almıştır kuantum teorisi. Daha sonra 1940'larda 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.
