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TÜB‹TAK

F i z i ¤ i n i n

Ö y k ü s ü

Belki de hiçbir kuram, kuantum fizi¤i kadar bir yüzy›la böylesine belirgin bir damga vurmam›flt›r. 1900 y›l›nda Max Planck’›n karacisim ›fl›mas›n› kuantumlanm›fl enerji yay›m›yla aç›klamas›n›n fizikte yaratt›¤› devrim, temposundan hiç yitirmeden 20. yüzy›l boyunca yeni kuflak bilim adamlar›n›n ola¤anüstü düflünce ürünleriyle zenginleflerek sürdü. Bugün eriflti¤imiz bilgi düzeyini, fark›nda olal›m ya da olmayal›m, yaflam›m›z› etkileyen, kolaylaflt›ran pek çok uygulamay›, iflte bu bilim öncülerine borçluyuz. Geçti¤imiz yüzy›l›n en önemli düflünsel baflar›lar›ndan biri de, atomalt› ölçekteki evreni inceleyen kuantum mekani¤inin tersine, kozmos ölçe¤inde etkili kütleçekimini betimleyen genel görelilik. Birbirleriyle uyuflmamalar›na karfl›n bu iki kuram, birbirlerine esin vererek, birbirlerini tamamlayarak gelifltiler. Belki de önümüzdeki y›llarda, bu kuramlar› özdefllefltirmek için sürdürülen çabalar meyvelerini verecek ve insanl›k do¤an›n, evrenin iflleyifli konusunda yepyeni bir anlay›fla kavuflacak.

1897

1914

1926

1934

1964

Pieter Zeeman Joseph John Thomson

James Franck l Gustav Hertz

Erwin Schrödinger

Hideki Yukawa

John S. Bell

Bir elektron saç›l›m deneyiyle duragan durumlar›n varl›¤›n› do¤rulad›lar.

Kuantum fizi¤inin, “dalga mekani¤i” diye adland›r›lan yeni bir betimlemesini gelifltirdi.

Yeni kavram daha sonra “Schrödinger denklemi” diye adland›r›lan, bilimin en önemli formüllerinden birini de kaps›yordu.

Çekirdek kuvvetlerinin, mezon denen a¤›r parçac›klarca iletildi¤i düsüncesini ortaya att›.

Bunlar›n elektromanyetik kuvvete arac›l›k eden fotonlarla benzer ifllev yapt›¤›n› öne sürdü.

“Bell eflitsizlikleri” denen deneysel bir testle, kuantum mekani¤inin bir sistem için en eksiksiz tan›m› verip vermedi¤inin s›nanabilece¤ini söyledi.

1923

1926

1946-48

1964

Max Planck

Arthur Compton

Enrico Fermi l Paul A. M. Dirac

Murray Gell - Mann

Karacisim ›fl›mas›n› kuantumlanm›fl enerji yay›m› ile aç›klad›: Kuantum kuram› böylece do¤mufl oldu.

X - ›fl›nlar›n›n elektronlarla etkileflimlerinde minyatür bilardo toplar› gibi davrand›klar›n› gözlemledi. Böylece ›fl›¤›n parçac›k davran›fl› hakk›nda yeni kan›tlar ortaya koydu.

‹ki bilim adam›, kuantum mekani¤inin parçac›klar› saymak için yeni bir yola gereksinme duydu¤unu belirlediler. “Fermi Dirac istatisti¤i”, kat›hal fizi¤ine kap›y› aralad›.

Isidor I. Rabi l Willis Lamb Polykarp Kusch

1948

Louis de Broglie

Richard Feynman l Jullian Schwinger l Sin-Itiro Tomonaga

Fermi

1924

1926

Albert Einstein

Satyendra Nath Bose Albert Einstein

Dirac

Dalga özellikleri olan ›fl›¤›n ayn› zamanda, daha sonra foton diye adland›r›lacak olan belirli büyüklükte enerji paketlerinden olufltu¤u düflüncesini ortaya att›.

Kuantum parçac›klar›n› saymak için, daha sonra Bose - Einstein ‹statisti¤i diye adland›r›lacak olan, yeni bir yöntem buldular. Ayr›ca uç derecelerde so¤utulmufl atomlar›n tek bir kuantum durumuna yo¤uflacaklar›n› önerdiler.

“Bose - Einstein Yo¤uflmas›” 1990’l› y›llarda deneysel olarak gerçeklefltirildi

1911-1913

1925

Kuantum elektrodinamik denen ve fotonlarla elektronlar›n etkileflimini anlatan ilk eksiksiz kuram› gelifltirdiler. Kuram, Dirac kuram›ndaki tutars›zl›klar› aç›klad›.

Dirac

Parçac›k fizi¤inin, maddenin dört temel kuvvet arac›l›¤›yla etkileflen kuark ve leptonlardan olufltu¤unu söyleyen Standart Model’in temelleri at›ld›. Kuark modeli temelinde, fliddetli çekirdek etkileflimlerini betimleyen “Kuantum Renk Dinami¤i” kuram› gelifltirildi.

Feynman Tomonaga

1927

1957

Werner Heisenberg

John Bardeen l Leon Cooper Robert Schrieffer

Bir parçac›¤›n ayn› zamanda hem konumunu hem de h›z›n› ölçmenin olanaks›z oldugunu gösteren ünlü “Belirsizlik ‹lkesi”ni aç›klad›.

1982 Alain Aspect Bell eflitsizliklerinin deneysel bir s›nav›yla kuantum mekani¤inin eksiksiz bir anlat›m oldu¤unu gösterdi.

Elektronlar›n, kuantum özellikleri dirençsiz hareket olana¤› veren çiftler oluflturabildiklerini gösterdiler.

Bu, süperiletkenlerin s›f›r elektrik direncini aç›klad›.

1928

1959

1995 Eric Cornell l Carl Wieman Wolfgang Ketterle

Ernest Rutherford • Niels Bohr

Wolfgang Pauli

Dirac

Yakir Aharonov l David Bohm

Rutherford (solda), atomun çekirdek modelini oluflturdu (1911). Bohr ise, atomu bir gezegen sistemi gibi betimledi. Ayr›ca dura¤an enerji durumlar› kavram›n› ortaya att›. Hidrojenin tayf›n› aç›klad› (1913).

Günümüzde geçerli olan modele göreyse atomlar, çap› cm’nin yüz milyonda biri olan bir elektron bulutundan ve bunun çap›ndan yüzbin kez küçük bir çekirdekten olufluyor. Çekirdek, (+) elektrik yüklü protonlardan ve yüksüz nötronlardan oluflur. Çekirde¤in çevresinde proton say›s› kadar (-) yüklü elektron döner. Elektronlar›n kütlesi, protonunkinden 2000 kez küçük.

Ayn› özelliklere sahip fermiyon türü iki parçac›¤›n, ayn› enerji düzeyinde bulunamayaca¤›n› söyleyen “D›fllama ‹lkesi”ni aç›klad›.

Elektronun, karfl›maddenin varl›¤›n› da öngören relativistik bir kuram›n› ortaya koydu.

Bir manyetik alan›n, elektronun kuantum özelliklerini klasik fizi¤in yasaklad›¤› bir biçimde etkiledi¤ini öne sürdüler. “Aharonov - Bohm etkisi”, 1960 y›l›nda gözlendi ve akla gelmedik pekçok makroskopik etkinin gizli iflaretlerini verdi.

1925

1932

1960

Werner Heisenberg Max Born l Pascual Jordan

Carl David Anderson

Theodore Maiman

Kuantum mekani¤inin ilk biçimi olan matris mekani¤ini gelifltirdiler ve kuantum alan kuram› yolunda ilk ad›m› att›lar.

1970’ler

Is›¤›n kuantum kuram› üzerine çok önemli bir makale yay›mlad›.

Heisenberg

1905

Dirac kuram›nda tutars›zl›klar keflfettiler.

1923 Madde parçac›klar›n›n da dalga davran›fl› yapt›klar›n› öne sürerek dalga - parçac›k ikili¤ini genellefltirdi.

Madde parçac›klar›n› oluflturan ve kuark ad› verilen temel parçac›klarla ilgili bir model gelifltirdi.

Kuarklar›n varl›¤› 1969 y›l›nda deneysel olarak kan›tland›.

Gell - Mann

1900

Karfl›maddeyi keflfetti. Bu parçac›k, pozitron ad› verilen bir antielektrondu.

Charles Townes, Arthur Schawlow ve di¤erlerinin daha önce yapm›fl olduklar› çal›flmalar› ileri götürerek, pratik kullan›ml› ilk lazeri gelifltirdi.

Ketterle

Zeeman, ›fl›¤›n bir atom içindeki yüklü parçac›klar›n hareketi sonucu yay›mland›¤›n› buldu; Thomson da, elektronu keflfetti.

‹

Mutlak s›f›r›n (-273oC) yaln›zca milyonda bir derece üzerine kadar so¤utulmufl metalik atom bulutlar›n› tek bir kuantum durumuna hapsederek, 70 y›l önce kuramsal varl›¤› öne sürülen Bose Einstein Yo¤uflmas›’n› oluflturdular. Bu baflar›, atom lazeri ve süper ak›flkan gazlar gibi pratik uygulamalar için yolu açt›.

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Kuantum Fizi¤inin Temel ‹lkeleri

Kuantum fizi¤i, herhalde ününü ola¤anüstü derinlikteki öngörüleri ve bunlar›n deneysel baflar›s›ndan çok, bu bulufllar›n dayand›¤› temellerin flafl›rt›c›l›¤›na borçlu. Asl›nda deneylerin tutarl› biçimde do¤rulamas›na karfl›n, atomalt› ölçekte geçerli yasalar›, kurallar›, ilkeleri, bizim al›fl›k oldu¤umuz makrodünyan›n mant›¤›yla kavramak hayli güç. Biz, kesinlik aramaya koflullanm›fl›z; oysa kuantum fizi¤i, evreni yönetenin belirsizlik oldu¤unu, hatta yaflam›m›z› bu belirsizli¤e borçlu oldu¤umuzu söylüyor. Biz san›r›z ki, bir fley ya vard›r ya da yoktur.

Oysa Schrödinger’in hayalindeki zavall› kedi biliyor ki, hem yaflamla hem de ölümle iç içe. Makro dünyan›n "anayasas›" genel görelilik kuram›na göre hiçbir fleyin h›z›, ›fl›k h›z›n› aflamaz. Oysa kuantum kuram›na göre "dolan›k" parçac›klar evrenin bir ucundan ötekine "telepati" ba¤› kurabiliyorlar. Yeni oluflan düflüncelere göre, asl›nda bu mikro ve makro dünyalar ayr›m› temelden yanl›fl. Bizim günlük yaflam›m›z› da en derinde bu belirsizlikler, gariplikler belirliyor.

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Heisenberg Belirsizlik ‹lkesi

momentum km/h konum 5 7 N 63 25E

Bir kuantum sisteminin baz› özellikleri, örne¤in bir parçac›¤›n konumu ve momentumu, ayn› anda istenen kesinlikte belirlenemez. Yani, bir parçac›¤›n konumundai belirsizlikle momentumundaki belirsizli¤in çarp›m› hiç bir zaman belli bir de¤erden küçük olamaz. Dolay›s›yla biri kesin olarak ölçülürse di¤erindeki belirsizlik sonsuz olur. Örne¤in, parçac›¤›n konumunu kesin olarak belirlersek momentumu hakk›nda hiçbir fikrimiz olamaz; momentumunu kesin olarak belirlersek, bu kez parçac›¤›n nerede oldu¤u hakk›nda hiçbir fikrimiz olamaz.

Spin Nötr no

Karfl Nötr no

Üst Üste Gelme Bir kuantum sistemi ayn› anda birden fazla durumda bulunabilir. Yani bir elektron, uzayda birden fazla konumda veya birden fazla enerji durumunda olabilir. Sa¤duyuya ayk›r› görünen ve anlafl›lmas› en zor ilkelerden biridir.

“Schrödinger’in kedisi” örne¤inde oldu¤u gibi (bkz: Bilim ve Teknik say› 393, s. 28) kedinin ayn› anda hem canl› hem de ölü olmas› gibi kabul edilmesi güç sonuçlara yol açmaktad›r. Bir çok fizikçiye göre üst üste gelme ilkesi, sadece mikroskobik sistemler için geçerlidir.

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gluon alanı çıkmak yasaktır

Parçac›klar ve alanlar uzun süre farkl› olgular olarak kabul edildiler. Kuantum alanlar kuram›, parçac›klar›n kuantum alanlar›n›n temel kuantumlar› olduklar›n› gösterdi. Örne¤in fotonlar elektromanyetik alan›n, elektronlar bir elektron alan›n›n, kuarklar bir kuark alan›n›n kuantumlar›d›r.

Planck Sabiti Kuantum fizi¤inin temel fiziksel sabitidir. h= 6,626 x 10–34 Joule.saniye (Joule enerji birimidir)

de Broglie Dalgas› Parçac›klar›n kendi iç dinamikleriyle ilgili bir özelliktir.

Bir topun kendi etraf›nda dönmesine benzetilebilir.

Fermiyon s›n›f› parçac›klar, kesirli spinlere, bozon s›n›f›na giren parçac›klarsa, s›f›r ve tam say› spinlere sahiptirler.

Kuantum Alanlar›

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Momentumu p olan her parçac›k dalga boyu h/p olan bir dalga özelli¤i gösterir. Parçac›klar, yap›lan deneyin özelli¤ine ba¤l› olarak, parçac›k ya da dalga gibi davranabilirler.

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Fermiyonlar Bozonlar ve Pauli D›fllama ilkesi Do¤ada iki tür temel parçac›k var: Fermiyonlar ve bozonlar.

Fermiyonlar maddeyi oluflturur (örnek: elektron, proton, nötron). Maddeler aras›ndaki etkileflimi ileten parçac›klar bozonlard›r (örnek: Elektromanyetik etkileflime arac›l›k eden foton). Ayn› kuantum alan›n›n kuantumlar› olan iki parçac›¤›n ay›rtedilmesi imkans›zd›r. ‹ki ayn› türden bozonunsa tüm kuantum özellikleri ayn› olabilir. Yani iki bozon uzayda ayn› konuma, ayn› momentuma, ayn› spine vs. sahip olabilirler. Bütün özellikleri ayn› olan bozonlar bir arada olmak isterler. ‹ki ayn› türden fermiyonun, örne¤in iki elektronun, bütün kuantum özelliklerinin ayn› olmas› mümkün de¤ildir. En az bir özelli¤in farkl› olmas› gerekir. Bu özelli¤e Pauli d›fllama ilkesi ad› verilir.

Yüzden fazla de¤iflik tür atom olmas›n›n nedeni bu ilkedir. Bir atomda ayn› enerji durumunda biri yukar› di¤eri afla¤› spinli sadece iki elektron bulunabilir.

Di¤erleri baflka bir enerji durumunda (yörüngede) bulunmak zorundad›rlar. ‹ki farkl› atomda farkl› say›da elektron bulunmas›, Pauli d›fllama ilkesi yüzünden atomlar›n farkl› kimyasal özelliklere sahip olmalar›na neden olur.

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