Bu yazı Bugün: 1 Toplam: 2839 kez okunmuştur. Madde dalgası

Hazırlayan:Ramazan KARAKALE

Madde dalgası

  Madde Dalgaları mı Olasılık Dalgaları mı?
   Elektronun dalga özelliği göstermesi ne demek? İlginçtir, elektron bir "parçacık" olarak bulundu! Elektron bir parçacık değil mi? Değil. Hem parçacık,hem dalga. İşte zaten sorun maddenin bu çelişkili-ikili doğasının kavranmasında.

 W. Heisenberg,matris mekaniğini geliştirdikten (1925) birkaç ay sonra Avusturyalı fizikçi E.Schrödinger bir dalga denklemi türetti. Matris mekaniği, kuantumlamaya yani parçacık betimlemesine uyarken,dalga denklemi adı üzerinde süreklilik betimlemesine uyuyordu. Çok geçmeden bu iki keşfin özdeş olduğu anlaşıldı. Ünlü çift yarık deneyi size kuantum kuramının en ilginç örneğini sunmuştu. Şimdi dalgaların ne dalgası olduğunu göreceğiz:

İlk yorumlardan birini Schrödinger’in kendisi getirdi: elektronun bir parçacık olmadığını,bir okyanus dalgasının su dalgası olması gibi, onun da madde dalgası olduğunu ileri sürdü. Onun yorumuna göre, parçacık fikri yanlıştı ve yalnızca yaklaşık olarak doğru idi. Yalnız elektronlar değil, tüm kuantum nesneleri küçük dalgalardı-ve doğanın tamamı büyük bir fenomenler dalgası idi.
   Bu “madde dalgası” yorumu, Max Born önderliğindeki Göttingen grubu tarafından reddedildi. Onlar, tek tek parçacıkların Geiger sayacı ile sayılabildiğini veya Wilson sis odasında izlerinin görülebildiğini biliyorlardı. Elektronun “tanecekli” yapısı gerçek bir tanecik gibi davrandığı gerçeği- bir varsayım değildi. Peki o zaman, bu dalgalar ne dalgası idi? Bu kafa karıştırıcı ve önemli soruya yanıt veren Max Born’un kendisi oldu. Onun yorumu, zar atan Tanrı'nın doğuşunu ve fizikte Determinizmin sonunu işaret eder. Bu yorum,Haziran 1926'da, Schrödinger’in yazısından altı ay sonra yapıldı ve fizikçiler topluluğunda çok sıkıntı yarattı. Born, Broglie-Schrödinger dalga fonksiyonunun, bir elektronun belli bir noktada bulunma olasılığını belirlediği yorumunu getirdi.
   Uzayda hareket eden bir dalga düşünelim. Dalganın yüksekliği bazen ortalama düzeyin üstünde, bazen de altındadır. Dalganın yüksekliğine dalganın genliği deniyor. Born’un söylediği şey, uzayın herhangi bir noktasında dalga genliğinin karesinin bir elektronu orada bulma olasılığını verdiği idi. Örneğin, uzayın dalga genliğinin büyük olduğu bölgelerinde bir elektronu orada bulma olasılığı da yüksektir; belki de iki de bir oranında elektron orada bulunacaktır. Benzer şekilde, dalga genliğinin küçük olduğu yerde, elektronu bulma olasılığı düşüktür,diyelim ki onda bir. Elektron, her zaman gerçek bir parçacıktır ve onun Schrödinger dalga fonksiyonu yalnızca onu uzayda bir noktada bulma olasılığını belirler. Born, dalgaların Schrödinger’in yanlış olarak varsaydığı gibi, madde olmadığını, onların uzay ve zamanda noktadan noktaya değişebilen tek tek parçacıkların yaratılışına ilişkin istatistikler gibi olasılık dalgaları olduğunu kavradı. Kuantum parçacıklarının bu tanımı doğal olarak istatikseldir; onları kesin olarak izlemek mümkün değildir. Fizikçilerin en fazla yapabildiği şey, bir parçacığın olası hareketini belirlemektir; dalga şeklini ve böylece bir kuantum parçacığının belli özelliklere sahip olma olasılığını kestirmektir. Klasik fiziğin yaptığı gibi, bu özelliklerin tek tek ölçümlerinin sonuçlarını kesin olarak kestiremez. Born, atomik çarpışma deneylerini dikkatli şekilde analiz ederek yorumunun tutarlılığını gösterdi.
   Kuantum atomik dünyasını nasıl düşünmemiz gerekiyor?
   Atomlar, fotonlar ve elektronlar gerçekten parçacıklar olarak vardır, fakat onların özellikleri-uzaydaki yerleri, momentumları ve enerjileri gibi- yalnızca beklenmedik durum olma temelinde vardır. Bir tek atomun bir kart destesi olduğunu ve o atomun belli bir enerji düzeyini desteden alınan bir poker eline karşılık geldiğini düşünün. Poker elleri hesaplanabilen olasılıklara sahiptir-kart oyunu teorisi kullanarak,kağıdı dağıtan kişiden belli bir elin alınışının olasılığı kesin olarak belirlenebilir. Bu teori bir kağıt dağıtımının sonucu hakkında kestirimde bulunmaz. Bu tür determinizm istemek desteye bakmayı-hilekarlığı- gerektirir. Born’a göre, Broglie-Schrödinger dalga fonksiyonu tıpkı kart oyunu kuramının belli bir elin olasılığını belirlemesi gibi,bir atomun belli bir enerji düzeyine sahip olma olasılığını belirler. Kuram, kart oyunu kuramının belli bir kart dağıtımının sonucu hakkında kestirimde bulunmaması gibi,belli bir tek ölçümde, atomun gerçekte belli bir enerji düzeyinde bulunup bulunmayacağını söylemez. Yeni Kuantum kuramının tersine klasik fizik böyle belli ölçümlerin sonucunun kestirilebileceğini ileri sürüyordu. Yeni kuantum kuramı böyle tek tek olayların belirlenebileceği görüşünü reddeder. Born’un söylediği gibi kuantum kuramının nedensel olarak belirlediği şey, yalnızca olayların olasılık dağılımıdır.
   Kuantum kuramında, olasılık dağılımlarının önemli bir özelliği-ve onları kart ellerinin olasılık dağılımlarından ayrıt eden bir özelliği-kuantum olasılıklarının uzayda yayılması ve noktadan noktaya değişmesidir; bu Schrödinger dalgasıdır. Kuantum kuramının kestirimci gücü dalganın şeklini ve nasıl hareket ettiğini-uzay ve zamanda olasılıkların nasıl değiştiğini-kesin olarak belirlemesidir. Burada ilk olarak kuantum kuramında nedensellik fikrini görürüz- geleceğe doğru nedensel olarak belirlenen şey olasılıktır,tek tek olaylar değildir.
   Born kendisinin dalga kuramının istatistiksel yorumunda heyecanlanmıştı,fakat yalnız kaldığını gördü. Schrödinger,Born’un yorumunu duyunca,sonuçlarını bilseydi belki de o yazısını yazmamış olacağını belirtti-o hiçbir zaman determinizmin reddini kabul etmedi. Max Planck, Schrödinger’in madde dalgaları fikrine katıldı ve Schrödinger Berlin’de Planck’ın yerini kabul ettiği zaman, emekliye ayrılmakta olan Planck, onu fiziğe determinizmi geri getirmiş olan kişi olarak övdü.
   1926 sonlarında Einstein, Born’a şunları yazmıştı: “ Kuantum mekaniğinin etkileyici olduğu açıktır. Fakat içimden gelen bir ses bana onun henüz gerçek olmadığını söylüyor. Kuram çok şey söylüyor, fakat, bizi gerçekte ‘Yaşlı Adam’ın sırrına yaklaştırmıyor ”. Born, Einstein’in istatistiksel yorumunu reddedişi karşısında hayal kırıklığına uğramıştı. Fakat Born haklıydı.
    Tanrı Zar Atar mı?
   Bu determinist olmama, kuantum tekinsizliğinin ilk örneği idi. Bu, bilinemeyecek ve kestirilemeyecek fiziksel olayların varlığı anlamına geliyordu. Deney yapan insanlar,belli bir atomun ne zaman ışıma yapacağını veya belli bir çekirdeğin ne zaman radyoaktif bozunmaya uğrayacağını bilme çabalarına son vermeliydiler, bu olaylar önceden bilinemez şeylerdi. İnançları ne olursa olsun,fizikçiler, ilke sorunlarının tehlikede olduğunu hissettiklerinde Tanrıyı çağırabilirler,çünkü fizikçilerin Tanrısı, evrensel düzendir. Kuantum kuramının determinist olmaması,neyin bilinebilir,neyin bilinemez olduğu konusunda bir ilke sorunudur,bir deney tekniği değildir. Einstein’i sıkan da budur. Tanrı bile size bazı olayların oluşu konusunda yalnızca olasılıkları verir,kesinliği değil. Yaklaşık olarak bu dönemde Einstein,Tanrının zar attığına inanmadığını belirterek, yeni kuantum kuramına itirazını belirtmeye başladı. Einstein’i her zaman fizik hocası olarak gören Max Born daha sonraları şöyle yanıt verdi: “Eğer tanrı dünyayı mükemmel bir mekanizma olarak yaratmışsa, O en azından, mükemmel olmayan zekamıza,dünyanın küçük parçalarını kestirmek için,çok sayıda diferansiyel denlem çözmek zorunda kalmayacağımız, fakat zarı oldukça başarılı şekilde kullanacağımız kadar ihsanda bulunmuştur.”. Böylece önceden belirli olmayan evrenin kapısı açıldı.
   Şimdi atomik fenomenlerin iki açıklaması vardı, Heisenberg’in matris mekaniği ve Schrodingerin dalga mekaniği. Bu nasıl olabilirdi? Kendi dönüşüm kuramı ile matris ve dalga mekaniklerinin tümüyle eşdeğer olduğunu-bunlar basitçe, aynı kuram içinde farklı temsil etme biçimleriydi- gösteren kişi Paul Dirac oldu: Fizikçiler bunlardan Heisenberg (matris) ve Schrödinger (dalga) gösterimi olarak söz ederler.
   Dirac’ın dönüşüm kuramının anlamını kavramanın iyi bir yolu, dil ile matematik arasında benzetme yapmaktır. Her ikisi de dünyayı temsil etmenin sembolik araçlarıdır;dil daha zengindir, matematik ise daha kesindir. Birinin İngilizce diliyle bir ağacı tanımladığını, bu arada bir başkasının aynı işi Türkçe ile yaptığını düşünün. İngilizce ve Türkçe tanımlar aynı nesnenin farklı sembolik temsilleridir. Ağacı tanımlamak isterseniz, en az bir dil veya temsil seçmeniz gerekir. Bir kere temsil şekliniz olunca,çeviri veya dönüşüm kurallarıyla diğerlerini bulursunuz. Bu durum, elektronlar gibi kuantum nesnelerinin matematiksel tanımındaki gibidir. Bazı temsiller dalga tipi özellikleri vurgular,diğerleri parçacık gibi özellikleri vurgular, fakat her zaman temsil edilmekte olan şey aynı bütünlüktür. Farklı temsillerin dönüşüm yasalarına tabi oluşu köklü bir fikirdir. Dönüşümler yoluyla sembolik temsillerde değişimler yaparak değişmezler kavramına ulaşırız. Bunlar, nesnenin,yalnızca onu nasıl tanımladığımıza bağlı olmayan,esas yapısında derinde bulunan özellikleridir. Herhangi bir dilde ağacı neyin oluşturduğunu öğreniriz. Değişmez özellikler bir nesnenin gerçek yapısını belirler.
   Dalga mekaniği ve matris mekaniği aynı davranışı tanımlamak için farklı temsiller kullanır. Dirac’ın dönüşüm kuramı da dahil olmak üzere tam kuram, sonunda kuantum mekaniği ya da kuantum kuramı olarak isimlendirilmiştir, bu klasik fiziğin yerine geçen yeni, matematiksel olarak tutarlı bir kuramdır. Yaklaşık otuz yıllık bir çalışma, yeni bir dünya dinamiği getirmişti. Matematiksel formalizm dokunulmamış ve deneysel olarak başarılı olmuştu. Fakat bu ne demekti? Kuantum mekaniğinin yorumu ne idi ve fiziksel gerçeklik konusunda ne diyordu? Heisenberg şunları söylemiştir: “ Bugün çağdaş bilim, geçmişte herhangi bir zamanda olduğundan daha fazla, doğanın kendisi tarafından, gerçekliği zihinsel süreçlerle kavrama olasılığı konusundaki eski soruyu yeniden gündeme getirmeye ve ona biraz farklı bir şekilde yanıt vermeye zorlanmaktadır.” 

 (Heinz R. Pagels, Kozmik Kod 1, Çev: Nezihe Bahar,Sarmal yay,s: 64-80 )