Kuantum mekaniği

Kuantum mekaniği veya kuantum fiziği, atom altı parçacıkları inceleyen bir temel fizik dalıdır. "'Nicem mekaniği"' veya "'dalga mekaniği"' adlarıyla da anılır. Kuantum mekaniği, moleküllerin, atomların ve bunları meydana getiren elektron, proton, nötron, kuark, gluon gibi parçacıkların özelliklerini açıklamaya çalışır. Çalışma alanı, parçacıkların birbirleriyle ve ışık, x ışını, gama ışını gibi elektromanyetik radyasyonlarla olan etkileşimlerini de kapsar.

Kuantum mekaniğinin temelleri 20. yüzyılın ilk yarısında Max Planck, Albert Einstein, Niels Bohr, Werner Heisenberg, Erwin Schrödinger, Max Born, John von Neumann, Paul Dirac, Wolfgang Pauli gibi bilim insanlarınca atılmıştır. Belirsizlik ilkesi, anti madde, Planck sabiti, kara cisim ışınımı, dalga kuramı, Kuantum alan kuramı gibi kavram ve kuramlar bu alanda geliştirilmiş ve klasik fiziğin sarsılmasına ve değiştirilmesine sebep olmuştur.

Kuantum, Latince 'quantus' (ne kadar, ne büyüklükte) sözcüğünden gelir ve kuramın belirli fiziksel nicelikler için kullandığı kesikli birimlere gönderme yapar. Mekanik, Latince 'mechanicus' (makinelere ait veya yaratıcı) sözcüğünden gelir.

Klasik mekanik, her ne kadar başarılı olsa da, 1800'lü yılların sonlarına doğru kara cisim ışıması, tayf çizgileri, fotoelektrik etki gibi birtakım olayları açıklamada yetersiz kalmıştır. Klasik fizik, evreni bir "süreklilik" olarak modelliyordu; ancak Max Planck bazı deneysel gözlemleri açıklayabilmek adına, 1900'de enerjinin paketçiklerden oluştuğunu; 5 yıl sonra da Albert Einstein ışığın aynı şekilde paketçiklerden oluştuğunu, yani ışığın da, enerjinin de, süreksizlik gösterdiğini buldular. Bilim insanları, her ne kadar bu süreksizlik varsayımlarını klasik mekanik kuramlarından türetmek için uğraşsa da, bu bir sonuç vermedi. Aynı yıllarda, Ernest Rutherford'un atomun iç yapısı üzerine yaptığı deneyler, bir gerçeği daha gün yüzüne çıkardı: Atom, aslında küçük bir çekirdeğe sahipti.

Elektronun varlığı daha önce 1897 senesinde J. J. Thompson tarafından ispat edilmişti. Bu durumda, eğer negatif yüklü elektronlar pozitif çekirdeğin etrafında dairesel hareket yapıyorlarsa, klasik fiziğe göre, çok kısa bir zaman diliminde enerji kaybederek çekirdeğe düşmeleri beklenirdi. Bunun sebebini elektromanyetik teori şöyle açıklamaktadır: İvmelenen yükler ışıma yapar, dairesel hareket de (ivmeli) bir hareket olduğundan, elektron bu ışımayla enerji kaybeder ve çekirdeğe düşer; sonuçta, güneş sistemine benzeyen klasik model çöker.

Geçici bir çözüm Niels Bohr’dan gelmiştir: "Elektronlar belli kuantizasyon kurallarınca, belli yörüngelerde hareket ederler, enerjileri belli bir değere ulaşmadıkça ışıma yapamazlar; bu sayede sistem dengede durabilir." Bu geçici çözüm Hidrojen gibi küçük elementlerde işe yaramakta; fakat daha büyük kütleli elementlerde işe yaramamaktadır. Bohr atom modeli'nin deneyler ile uyumlu hale gelmesi için modelde birçok düzenleme yapılmıştır. Ancak, Bohr'un atom modeli 1920'lere gelindiğinde artık iş görmemekte, deneylerde gözlenen tayf çizgilerinin yoğunluğunu yanlış vermekte, çok elektronlu atomlarda salınım ve emilim dalga boylarını tahmin etmede başarısız olmakta, atomik sistemlerin zamana bağlı hareket denklemini verememekte ve birkaç konuda daha deneysel gerçeklere uymamaktaydı.

Kuantum mekaniğinin önemli geliştiricilerinden biri de, Fransız fizikçi De Broglie'dir. 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 önermiştir. Ortaya koyduğu fikir, Bohr'un "gizemli" yörüngelerini açıklamada başarılı oluyordu.

Işığın girişim ve kırınım yaptığı, yani dalga özelliği gösterdiği, Thomas Young'ın yaptığı çift yarık deneyi ile gösterilmişti. Ancak tüm madde parçacıklarının, su dalgaları ile aynı matematiksel özellikleri gösterebileceği beklenmiyordu.

denklemini kullanmıştı. Bu denklem, foton kavramının başlangıcı oldu; çünkü f frekansındaki elektron salınımından oluşan ışığın, klasik mekanikle uyuşmayan bir şekilde, h*f nun sadece tam sayı katlarında kesikli enerjiler (E) taşıyabileceğini varsaymıştı (h', günümüzde Planck sabiti adıyla anılır). Fotonlar dalga özelliği gösteriyorsa, madde de bu dualiteyi (ikiliği) gösterebilir analojisi çok kuvvetli bir fikir idi. Bunun yanında önemli bir ipucu da Einstein'ın birkaç yıl önce özel görelilik ispatında kullandığı Lorentz Dönüşümleri idi.

Buna göre, serbest bir parçacık, yönü k, konumu x, frekansı f ve zaman bağlılığı t olan bir dalga ile ifade edilirse, 2*π*(k*x - f*t) , ve bu faz Lorentz dönüşümlerinde sabit kalacaksa, k vektörü ve f frekansı, x vektörü ve t zamanı gibi dönüşmelilerdi. Diğer bir deyişle, p ve E gibi. Bunun mümkün olabilmesi için, k ve f, p ve E ile aynı bağımlılığa sahip olmalılardı, bu yüzden de onlarla doğru orantılı olmalılardı.

Bu varsayıma ek olarak, de Broglie, herhangi bir kapalı yörüngenin 1/|k| nın tam katı olması varsayımını da kullanarak, deneysel olarak gözlenen ve Arnold Sommerfeld ve Bohr tarafından "kuantize olma şartları" olarak anılan şartları, matematiksel olarak kolayca türetti. Bu türetme gayet gizemli bir şekilde doğru sonuçlar verince (Davisson ve Germer, 1927 yılında Bell Laboratuvarlarında gerçekleştirdikleri deneyle, elektronların da aynı ışık gibi girişim yaptığını ortaya koydular. Deney 1924'te de Brogli tarafından önerilmişti) insanlar deneysel olarak başka şeyleri tahmin etmesini de beklediler.

Elbette yanıldılar çünkü bu şartlar serbest ışık parçaları için oluşturulan varsayımların, çekirdeğe bağlı elektronlar için uyarlanmasıydı ve çok ileri götürülmemesi gerekiyordu.

Enteresan bir şekilde, 1925-1926 yılları arasında Werner Heisenberg, Max Born, Wolfgang Pauli ve Pascual Jordan, matris mekaniği ile kuantum mekaniğinin formal tanımını yaptılar. Ama formalizmlerinde dalga mekaniğine yer vermediler. Benimsedikleri felsefe ise, tamamen pozitivist idi. Yani sadece deneysel olarak gözlenebilen değerleri göz önüne alan bir yaklaşım kullandılar.

1926 yılında Erwin Schrödinger 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 Schrödinger, relativistik bir dalga denklemi de sunar).

Dirac'a göre ise tarih biraz daha farklı işlemiştir. Ona göre, Schrödinger 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 ve bildiğimiz Schrodinger dalga denklemine ulaşılıyordu.

Bu noktadan sonra Dirac; teoriyi özel görelilikle uyumlu hale getirmiş ve bazı deneylerin sonuçlarını teorik olarak üretmiştir. Örneğin pozitron'un varlığını 1932 senesinde Carl David Anderson kanıtlamıştır ve nobel ile ödüllendirilmiştir. Kuantum teorisi, daha sonra 1940'larda Sin-Itiro Tomonaga, Julian Schwinger ve Richard P. Feynman'ın kuantum elektrodinamiği konusunda önemli çalışmalarıyla gelişimine devam etmiştir. 1950'li ve 60'lı yıllar ise Kuantum renk dinamiğinin gelişimine tanık olmuştur.

1905: Albert Einstein dalga özellikleri olan ışığın aynı zamanda, daha sonra foton diye adlandırılacak olan, belirli büyüklükte enerji paketlerinden oluştuğu düşüncesini ortaya attı.

1923: Arthur Compton, X - ışınlarının elektronlarla etkileşimlerinde minyatür bilardo topları gibi davrandıklarını gözlemledi. Böylece ışığın parçacık davranışı hakkında yeni kanıtlar ortaya koydu.

Klasik mekanik, nesnelerin konum ve momentumları bilgilerini kullanarak, çeşitli kuvvet alanları altında nasıl hareket etmeleri gerektiğini bulmaya çalışır. Kökleri çok eskiye dayansa da başlangıcının Newton'un Principia'sı olduğunu kabul etmek yanlış olmaz. Daha sonra Euler, Lagrange, Jacobi, Hamilton, Poisson, Maxwell, Boltzman (İstatiksel mekanik ve klasik elektromanyetik teori de klasik mekaniğe katılabilir) gibi birçok ad tarafından çok çeşitli bakış açıları geliştirilmiş ve birçok alanda başarılı bir şekilde uygulanmıştır. Klasik mekaniğin tamamlanmasının Einstein'ın görelilik kuramları ile gerçekleştiğini söylemek yanlış olur. Klasik mekanik çok başarılı olmasına karşın, 1800'lü yılların sonlarına doğru, siyah cisim ışıması, tayf çizgileri, fotoelelektrik etki gibi birtakım 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 sürekli olarak modeller ve bu yaklaşım kendi içinde tutarlı değildir. Bunu görmek için termodinamikteki eş-dağılım'' prensibine ("") bakmalıyız. Üç konum (x, y, z) ve üç momentumla (px, py, pz) tanımlanan parçacıklar, sonsuz sayıda parametreyle tanımlanan alanlarla bir aradadır. Eş-dağılım kuramınca sistemin enerjisinin, denge durumunda, sistemin tüm bileşenlerine eşit biçimde dağılması gerekir. Alanlar sonsuz bileşene sahip olduğundan bütün enerji alanlara dağılmalıdır. (Daha teknik bir ifade ile, denge durumundaki sistemde enerji, bütün özgürlük derecelerine eş olarak dağılır, alanlar sonsuz özgürlük derecesine sahip olduğu için bütün enerji alanlara akmalıdır.) Evren dengede varsayılırsa, deneysel olarak böyle bir gözlemin olmaması, klasik mekaniğin "süreklilik" paradigmasında bir soruna işaret eder.

şeklinde soruyu sorarız. dalga fonksiyonumuzun karmaşık eşleniğidir. Karmaşık eşlenik ve dalga fonksiyonu arasında kalan ifadeler gözlemlenebilirlerimizin, yani konum ve momentumun, konum uzayındaki operatörleridir. Operatörler sorunun ta kendisidir.

şeklinde yazılabilir. İfade bir bakıma enerji denklemidir ve bahsi geçen "kimlik" kartını sistemin enerjisine göre verir. (Burada kimlikten kasıt, parçacığın elektron mu yoksa nötron mu olduğu değil, momentumu, konumu, kinetik enerjisi gibi gözlemlenebilir olmalarıdır.) Bu denklem çözüldüğünde parçacığımızın dalga fonksiyonunu elde etmiş oluruz. En basit atom olan hidrojen atomunun zamandan bağımsız analitik olarak çözülmesi bile zordur, neyse ki belli formalizmlerle, daha karmaşık sistemleri yaklaşımlar yaparak çözmek mümkün oluyor.

elde edilir. Bu denklem Klein-Gordon denklemi olarak bilinir. Ancak denklem birtakım teknik nedenden ötürü sorunludur. Daha geçerli relativistik çözüm Dirac tarafından keşfedilmiştir ve kendi adıyla anılan denklemle verilir. Ultramikroskobik boyutlarda (Planck Uzunluğu) uzayın küçük dalga boylarında bir kaos olduğu düşünülür. Evrenin milyarda birinin milyarda birinin milyonda biri boyutlarda gözleyecek olursanız evren bir kaos olarak görünür.

Kuantum mekaniği tarihi gelişimi boyunca birçok sınavdan alnının akıyla çıkmayı başarmıştır. Olguları büyük bir doğrulukla açıklaması, yeni olgulara ışık tutması bir teoriden beklenen özelliklerdir ve kuantum mekaniği bu işi gerçekten oldukça iyi başarmıştır. Kuantum fikirleri üzerine gelişen kuantum elektrodinamiği (QED) ve kuantum renk dinamiği (QCD) bu güne kadarki hiçbir teorinin ulaşamadığı hassasiyetlerde sonuçlar vermişlerdir. Ne var ki geçtiğimiz yüzyılın çok büyük iki teorik açılımı bir biriyle uyuşmamaktadır. Doğada bilinen 4 kuvvetten 3'ü, elektromanyetizma, zayıf ve güçlü kuvvetler, kuantum kuramlarıyla ele alınabilirken kütleçekimin henüz tutarlı bir kuantum kuramı bulunamamıştır. Her ne kadar sicim kuramları kuantum kütleçekime aday gibi görünse de çözülmesi gereken çok büyük sorunlar hâlen bulunmaktadır. Günümüzde yaygın kanı kuantum ve kütleçekimin üstünde, doğrusal olmayan daha genel bir kuramın yer aldığıdır.

Anorganik Kimya, Organik Kimya, Biyokimya: Bunlar da temel uygulama dalı olan Kuantum Kimyası'nın özel olarak -sırasıyla- anorganik, organik ve biyomoleküllere olan uygulamasıdır.

Kuantum mekaniği her ne kadar çok küçüklerin dünyasını modelleyen bir kuram olsa da uygulama alanları gerek dolaysız gerek dolaylı yollarla çok geniştir. Kuantum mekaniği 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 Tomography), MRI (Magnetic Resonance Imaging), Tomografi gibi tıbbi görüntüleme cihazları yine kuantum mekaniğinin bize gösterdiği belli doğa olgularını kullanarak çalışırlar. Yine tıp, nanoteknoloji, elektronik gibi birçok alanda sayısız kullanımı olan fiberler kuantum mekaniğinin doğrudan uygulamasına örnektir. Modern kimya, kuantum fikirleri üzerine inşa edilmiş ve çok karmaşık moleküllerin yapıları bu sayede anlaşılmıştır.

Kuantum mekaniği bugüne kadar girdiği tüm sınavlardan başarıyla çıkmıştır. Peki, nasıl olur da bu denli başarılı bir teorinin eleştirel bir felsefesinden söz edilebilir? Dahası teorinin bazı felsefi sorular ortaya çıkardığını nasıl ileri sürebiliriz?

Kuantum mekaniği net ve sağlam matematik temeller üzerine kurulmuştur. Sistemlerin doğası bu matematikle modellenir. Ancak başlı başına bu modelleme kuantum mekaniğinin temel kavramlarının çözümlenmesinde felsefecilere göre yetersizdir. Örnek verecek olursak, bir dalga fonksiyonudur. Bu dalga fonksiyonunun mutlak karesinin olasılık genliği olduğu ise bir yorumdur. İstatistiki bir dağılımı temsil eden olasılık genliğinin altta yatan “fiziksel gerçeklik” ile bağlantısını sorgularsak ve bunu genel bir çerçeveye oturtmak istersek, o zaman, kuantum mekaniği felsefesi yapmış oluruz.

Fizikçiler arasında genel yaklaşım, felsefe yapmak yerine değişik koşullar altında Schrödinger denklemini çözmek ve teorik olarak bulunan sonuçları deneysel sonuçlar ile karşılaştırmaktır. Şimdiye kadar deneyler bu şekilde hep başarı ile açıklanabilmiştir, yani doğa, kuantum mekaniğinin tahminlerine göre hareket etmektedir. Burada üzerinde durulabilecek bir nokta, kuantum fiziğinin, üzerinde deney yapılması imkansız kavramların felsefesini yapmaya gerek duymaması, bunun yerine sadece deney ve teorinin uyumuna bakmasıdır.

EPR makalesine göre teorinin doğru olarak nitelendirilebilmesi 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 öge bulunmalıdır."

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 ögesi 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 ögesine karşılık gelecektir. Ancak fiziksel gerçekliğin bütün ögelerinin fizik teorisinde karşılıklarının bulunması gerektiğine dair bir koşul ileri sürülmemiştir. Bu nedenle, EPR'ye göre, doğru olan teorinin aynı zamanda tamamlanmış olması gerekmez.

olduğunu kabul edelim. Eğer alınabilecek birden çok momentum değeri mevcutsa 1'e eşit değildir. Bu sebepten ötürü fiziksel gerçeklik ölçütü bu durumda kullanılamaz.