Morötesi Felaket: Kuantum Mekaniği Nasıl Keşfedildi?

Parçacıkların bakış açınıza göre dalga gibi davrandığı, aynı anda iki yerde olabildiği ve kedilerin de yaşayıp yaşamamaya ancak siz kutuyu açıp baktıktan sonra karar verdiği kuantum mekaniği gariptir. Siz de popüler kültürde birçok şehir efsanesine yol açan bu söylemlerin aslını kuantum mekaniğiyle ilgili yazılarımda bulabilirsiniz. Oysa bugün size kuantum mekaniğinin nasıl keşfedildiğini anlatmak istiyorum. Efsanevi Alman fizikçi Max Planck, 1905 yılında fizikteki siyah cisim ışıması ve morötesi felaket sorununu çözmek için kuantum mekaniğini sıradan mutfak fırınlarıyla nasıl keşfetti?

Morötesi felaket ve ev fırınları

Bilim tarihi ile felsefesinde neyi keşfettiğimiz kadar nasıl ve ne sırayla keşfettiğimiz de önemlidir. Hatta “Einstein görelilik teorisini Newton mekaniğinden önce keşfedebilir miydi” gibi sorular vardır. Bilim tarihi, sonraki keşiflerin önce geldiği alternatif bir keşif sırası olabilir mi sorusunu çok araştırır. Neyse ki kuantum mekaniğinin tarihi kendi başına ilginçtir. Siz de atomlar, elektronlar ve diğer parçacıkların hiper karmaşık davranışlarına bakabilirsiniz. Böylelikle kuantum mekaniğinin ancak CERN’deki LHC parçacık hızlandırıcısı gibi üstün teknoloji ürünü cihazlarla keşfedileceğini sanabilirsiniz.

Oysa kuantum mekaniği 1900 model demir döküm ev fırınlarıyla keşfedilmiştir. Gerçi bir fırından kuantum mekaniği çıkarmak başlı başına bir marifettir! 😀 Gerçekten de fizikçiler sıradan mutfak fırınlarının nasıl çalıştığını açıklamaya çalışıyordu. Tabii nasıl çalıştıklarını biliyorduk ama bunun bilimsel açıklaması yoktu. Dolayısıyla sıcak nesnelerin neden parladığını anlamaya çalışıyorduk. Demirle bakır gibi elementlerin, neden farklı sıcaklıklarda farklı şiddette ve renklerde parladığını merak ediyorduk.

Örneğin demircilerin işlediği demir çubuklar ısınınca sıcaklığa göre kırmızı, turuncu, sarı, akkor ışık saçar ama salonunuzdaki mum alevinin tabanı mavi renktedir. Fizikçiler bunu araştırmak için ev fırınları kullanmaya karar verdiler. Bunun için de fırının içine bir delik açtılar. Peki ne oldu? Şey… morötesi felaket oldu ki fırınlar klasik fiziği bozdu desek yeridir. Öyleyse morötesi felaket nedir?

İlgili yazı: Gerçek Adem: ilk insan ne zaman yaşadı?

 

Morötesi felaket ve sıcak demir

Öncelikle fırınlar hakikaten klasik fiziği bozdu; çünkü klasik fiziğin açıklayamadığı şeyleri açıklamak için kuantum mekaniğini geliştirdik. Garip bir tesadüf (?) sonucu Einstein da fiziği bozan diğer teori olan özel göreliliği o yıl geliştirdi. Acayip rastlantı diye kinaye yapıyorum; çünkü kuantum mekaniğinin iki kurucu babası vardır. Bunlar da Schrödinger, Bohr veya Heisenberg değildir. Biri Alman Max Planck ve diğeri de Alman Yahudisi Albert Einstein’dır. Einstein fotoelektrik etkiyi, yani ışıktan elektrik üretmeyi açıklamak için Planck da fırınlardaki morötesi felaketi önlemek için kuantum mekaniğini geliştirmiştir. 😮

Planck fırınların işleyişini açıklamak üzere bir matematik hilesi yaptı ama ancak 20 yıl sonra bunun kuantum mekaniği olduğunu anladık. Bu heyecanlı öykü ise 1850’lerde başlıyor. O yıllarda bilim insanları bir cismi ısıtınca elektromanyetik radyasyon yaydığını biliyordu. (Elektromanyetizma denklemini geliştiren Maxwell sağ olsun 😊). Isınan cisimler görünür ışığın gökkuşağı renklerinin yanı sıra ısı, mikrodalgalar, radyo dalgaları ve hatta morötesi ışıkla diğer tür ışınları yayıyordu.

Fizikçiler demir gibi belirli elementlerin buharlaşana dek ne renk ışık ve ne tür elektromanyetik dalgalar yaydığını anlamak istiyordu. En sıcak cisimlerin daha çok mavi ışık saçtığını, yani daha kısa dalga boylu ışık yaydığını öğrenmişlerdi. Oysa bunu açıklayan denklemler henüz bilinmiyordu. İlk ipucu her elementin aynı sıcaklıkta farklı ışık saçmasıydı:

Sıcak cam nasıl parlar?

Örneğin erimiş camdan bir çubuk ışık saçacak ama ışığın bir kısmı da saydam camın içinden geçecek veya yansıtılacaktı. Dahası sıcak cam şeffaflığını yitirecekti. Cam çubuğu kurutmak için sıktığımız bez gibi bükünce ışık çubuğun içinde ve dışında iyice saçılacaktı. Oysa fizikçiler basitleştirmeyi sever. Tek tek hangi elementin nasıl ışık saçtığını analiz etmek yerine, ısınan elementlerin ışık saçmasını gösteren tek bir genel denklem isterler. Max Planck da bu denklemi arıyordu:

İlgili yazı: Okyanuslar Hakkında Yanıtını Bilmediğimiz 7 Soru

 

Morötesi felaket ve siyah cisim

Planck’tan epey önce gelen Alman fizikçi Gustav Kirchoff siyah cisim ışıması konseptini ortaya attı. Öyle ki uzayda sadece kendi sıcaklığıyla ışık saçan, yani yıldız ışığını yansıtmayan veya dışarıdan ısıtılmayan bir cisim hayal etti. Siyah cisim kusursuz bir şekilde radyasyon yayıyordu. Uzaydan gelen radyasyonu emiyor (soğuruyor) ve ısı olarak uzaya geri yayıyordu. Kirchoff bu kusursuz ışınım yayıcısına, yıldız ışığını hiç yansıtmadığı ve görünür ışık saçmadığı için siyah cisim dedi. Siyah cisimler sadece evrende mümkün en düşük sıcaklık olan mutlak sıfırda tümüyle siyahtı ama ısıtınca sadece kendi ışığını saçıyordu.

Böylece Kirchoff dönemin fizikçilerini mindere çağırdı. Haydi bakalım dedi. Bana siyah cisim ışımasını sadece sıcaklık ve dalga boyuyla açıklayan bir denklem yazın. Kirchoff’tan sonraki 45 yılda bilim topluluğu birkaç temel olguyu öğrendi. Bir: Bir cismin ısınması demek onu oluşturan parçacıkların ileri geri titremesi, yani salınım yapması (osilasyon) demekti. İki: Madde dediğimiz şey büyük miktarda pozitif ve negatif elektrik yükü içeriyordu. Neden hocam derseniz maddenin ısınınca elektromanyetik radyasyon yayması için elektrik yükü taşıması gerekir (ELEKTRO–manyetik radyasyon 😉).

Siyah cisim tasarımı 1890’larda fizikte çığır açan birçok buluşu tetikledi. Aynı zamanda fizikçilerin şaşkınlıkla kafasını kaşımasına neden oldu. İlk devrimi 1896’da Wilhelm Wien yaptı ve çok tartışmalı bir varsayımda bulundu. Maddeyi oluşturan titreşen parçacıklara molekül dedi. O zaman moleküler teori henüz genel kabul görmüyordu. Wien bunun ardından termodinamik yasalarını uyguladı. Böylelikle moleküllerin titreşirken sıcaklığa göre ne tür radyasyon yayacağını bir denklemle gösterdi.

Moleküler teori geliyor

Cisimler ısındıkça yaydığı ışığın dalga boyu kısalıyor ve morötesine kayıyordu. Buna karşın Wien denklemine göre ışın şiddeti pik yaptıktan sonra resimdeki gibi aniden düşüşe geçecekti. Kısacası cisimlerin sıcaklık arttıkça sonsuza dek daha kısa dalga boyu ışık yayması imkansızdı. (O yıllarda X ve gama ışınlarını bilmiyorduk. Gerçi 1896’da gelecek X-ışınları eli kulağındaydı). Wien denklemi deneysel verilerle uyuşuyordu. Zaten o yıllarda Alman bilimi liderdi ki bu hikayedeki bütün kahramanlar Almandır. Sonra morötesi felaket bombası patladı:

İlgili yazı: Kodlama İçin En Gerekli 16 Programlama Dili

 

Nihayet sıra fırınlara geldi

1899 yılı klasik fiziğin hüküm sürdüğü son yıldır. O yıla dek bilim insanları fiziği tamamlamak üzere olduklarını düşünüyordu. Doğada keşfedecek tüm fiziği bulmuştuk. Sıra başka bilimlere yönelmeye gelmişti. Wien yasası o kadar iyi görünüyordu ki 1911’de bununla Nobel fizik ödülü aldı. Yalnız bir sorun vardı. Gerçek siyah cisimler, yani ideal siyah yoktu! Hiçbir nesnenin ışık saçmadan, yüzde 100 öz termal radyasyon yoluyla ısı yayması imkansızdı. Bütün cisimlerin ortamda çok az olsa da ısınması gerekiyordu. Kusursuzluğu bozan ikincil ışınım yansımaları kaçınılmazdı.

Wien ve meslektaşları doğada kusursuz siyah cisme en yakın olan cismi göstermek istediler. Böylece bir mutfak fırını alıp içine delik açtılar. (İçlerinden evli olanların kendi fırınlarına zarar verdiğini sanmıyorum 😊). Peki neden fırını deldiler? Tabii ki endüstriyel ürünlere garezleri yoktu. Oysa fırının yaydığı ısının sadece fırından gelmesini istediler. İlk deney sonuçları gelirken işler kötüye gitmeye başlamıştı. Spektrumun soğuk tarafında Wien yasası yaklaşık olarak görünür ve görünür ışıktan morötesine geçen dalga boyu pikine uyuyordu. Spektrumun sıcak tarafında ise morötesi ışınımla uyuşmuyordu.

İşte o sırada bir bara iki Alman ve bir İngiliz girdi… yani bu hikayedeki tek İngiliz olan 3. Rayleigh Baronu John William Strutt geldi. Kısa adıyla Lort Rayleigh ne zamandır Wien yasasına teorik açıdan karşı çıkıyordu. Özellikle de eşbölüşüm teoremine kafayı takmıştı. Buna göre termodinamikte enerji Fransız Devriminden daha eşitlikçiydi. Enerji ısınan maddede titreşen moleküllere eşit ölçüde yayılacaktı. Moleküller ortalama aynı hızda titreşecekti. Nasıl ki bir kutu ceviz alıp kutuyu salladığınızda bütün cevizlerin birden üst üste dizildiğini görmezsiniz (cevizler kutuya hep eşit dağılır) bu da öyle.

Morötesi felaket

Özetle moleküller her yönde ve spinde ortalama aynı hızda titreşecekti. Maddenin içinde ortalama aynı hızda hareket edecek ve birim hacimde eş sayıda molekül olacaktı. Rayleigh dedi ki uzun–kısa, dalga boyu fırının duvarlarının içine sığacak uzunlukta olan tüm radyasyon, fırındaki delikten eş enerjiyle dışarı yayılacaktı. Öyle ki kısa dalga boylu radyasyon (sayısı diyelim) uzun dalga boylu radyasyondan fazla olacaktı. Böylece Wien diyagramının çok uzun dalga boyları içeren sağ yarısında değişiklik olmayacak ama morötesine kayan sol yarısı aşırı parlak olacaktı. İşte morötesi felaket budur:

İlgili yazı: Düz Dünya Teorisini Çürüten 12 Kanıt

 

Fırınlar neden patlamaz?

Morötesi felaketi önce teknik açıdan sonra da basitçe inceleyelim. Wien yasası ne diyordu? Cisimler belirli bir sıcaklığa kadar gittikçe daha parlak ışık saçar. Bu da morötesine kayan daha kısa boylu dalgalar demektir. Oysa belirli bir sıcaklıktan sonra cisim daha çok ısınsa da daha şiddetli ışık saçmaz. Bu yüzden Wien diyagramının sol yarısında dalga pik yaptıktan sonra keskin bir düşüşle düzleşir.

Rayleigh de diyordu ki hayır! Cisimler ısındıkça kısa dalga boylu radyasyon uzun dalga boylu radyasyona sürekli baskın çıkacaktır. Bu yüzden fırın ısındıkça gittikçe daha şiddetli radyasyon yayacaktır. Morötesinden bile kısa dalga boylu ışınlar ve X-ışınları saçacaktır ki bu teknik açıklamaydı. Basit açıklamaya gelirsek: Bildiğiniz gibi fırında yemek pişirirken güvendesiniz. Fırını yakınca aletiniz termonükleer bomba olarak patlayıp sizi yakıp kül etmez.

Demek ki Wien yasası doğayla uyuşuyor ama teorik açıdan morötesi felakete yol açması gerekiyor. Öyleyse neden yol açmıyor? Isı elektromanyetik radyasyondur ve klasik fiziğe göre elektromanyetik dalgaları sonsuz küçük dalgalara bölebilirsiniz. Kısacası elektromanyetik radyasyon sonsuz kısalıktaki dalga boylarından oluşur ve cisimler ısındıkça frekansı da sonsuza dek artar. Sonuç olarak radyasyon fırın duvarlarından geri sekerek ateşi iyice harlar. Ateş daha yüksek sıcaklıkta yandıkça daha çok ısı yayar ve bu da fırın çeperlerinden geri seker. Bu geri besleme böyle sürer gider.

Morötesi felaket kaçınılmazdır

Açıkçası Rayleigh fizik yasalarının kısa dalga boyları için uzun dalga boyarlarından farklı olduğunu sanmıyordu. Fizik yasaları evrensel ve genel geçerdir. Yoksa yasa olmazdı. Sonuç olarak İngiliz fizikçi doğrudan eşbölüşümlü teoreme dayanan yeni bir siyah cisim ışıması denklemi önerdi. Buna göre sıcaklık artarken elektromanyetik radyasyonun dalga boyu sürekli kısalacaktı. Artık Rayleigh-Jeans Yasası dediğimiz bu öneri siyah cisim ışıması eğrisinin sol yarısını da açıklıyordu.

Açıklıyordu ama: Rayleigh da yeni yasanın morötesi felaket öngördüğünü fark etti. Bu yasa da spektrumun sağ yanında mutlak sıfıra kayış öngörüyordu ama solda iş patlıyordu… Oysa ne fırınlar 50 megatonluk Çar Bomba gibi patlar ne de mutlak sıfırda donup kalır! Morötesi felaketi Rayleigh da çözememişti. Zaten bu sorun Rayleigh-Jeans’in başarısız olunca morötesi felaket adını aldı:

İlgili yazı: Dünyadaki En Ölümcül 5 Toksin Nedir?

 

Fizikte morötesi felaket krizi

1900’lerin başında fizikte kriz çıkmıştı. Elimizde Maxwell’in elektromanyetik yasaları vardı. Oysa en basit fırının bile nasıl ısı ve ışık saçtığını açıklayamıyorduk. Teorik açıdan yanlış olan Wien yasası doğaya uygundu. Teorik olarak doğru Rayleigh-Jeans yasası ise doğaya aykırıydı. Fizikte bunu görünce hemen temel varsayımlarınıza geri dönersiniz. Teorileriniz varsayımlarınız kadar doğrudur. Fizikçilere göre ya termodinamik yasaları yanlıştı ki bu tüm fiziği çöpe atacak korkunç bir şeydir… Ya da Maxwell’in elektromanyetizma yasaları yanlıştı ki bu da sizi attan düşmüşten beter eder.

İşte o sırada Max Planck geldi

Max Planck 47 yaşında bu iki teoriyi bağdaştırdı. Açıkçası iki yasanın neden bağdaşmaz olduğunu bilmiyordu. Peki ne yaptı biliyor musunuz? Dedi ki elektromanyetik dalgalar sonsuza dek bölünemez. Bu dalgalar belirli bir dalga boyundan kısa olamaz. Planck gerçek bir dahiydi ve çok basit düşündü: Işığın sonlu küçüklükteki parçacıklardan oluştuğunu varsaydı. Nasıl ki Rayleigh-Jeans yasası sadece fırının içine sığacak dalga boylarını hesaba katıyordu; yani siyah cisim ışıması için o cisimden büyük dalgaları saymıyordu, Planck da atomaltı fırınlar hayal etti. Bunlar enerji parçacıklarıydı:

Planck enerji parçacıklarına kuantum dedi ve çoğulu da kuanta olacaktı ki böylece bilmeden kuantum mekaniğini keşfetti. Klasik fiziği yok ettiği için de bundan ömür boyu pişmanlık duydu. Şimdi ne yaptığını görelim. Bara giren son fizikçi Planck’a göre enerji salınımları ancak belirli dalga boylarında enerji emip yayabilirdi (kuanta). Böylece fırındaki enerjinin yük dağılımını açıklayan yeni bir salınım denklemi yazdı. Bunu 4 pinpon topuyla örnekleyebiliriz. 4 topu gruplamanın sonsuz yolu yoktur; çünkü topların çapı bellidir. Bunları sonsuza küçük parçaya ayıramazsınız.

Planck enerjinin minimum dalga boyu vardır derken bu mantığı yürüttü. Özetle evrende enerji daha küçüğe bölünemeyen dalga birimleriyle dağıtılır. Grek filozof Demokritos’tan ilham alıp buna enerji atomları da diyebilirsiniz. Schrödinger’in hem canlı hem ölü kedisi, süperpozisyon, kuantum dolanıklık, ışınlama, belirsizlik ilkesi, kuantum ölçüm problemi bu sayede ortaya çıktı… Planck kuantum mekaniği dediğimiz Pandora’nın kutusunu açmıştı ve o mübarek de şişede durduğu gibi durmuyordu. Planck kuantum mekaniğini keşfettiğini fark etmedi ama lambadan çıkan cini geri sokmak da imkansızdı:

İlgili yazı: 5 Soruda Paralel Evrenler

 

Morötesi felaket için sonsöz

Böylece fotoğraflarda pek çekingen ve munis duran bu fizikçi Darwin (evrim), Newton (yerçekimi ve mekanik), Einstein (görelilik) ve Boltzmann’la (termodinamik) birlikte bilimin 5 temel sütunundan biri oldu. Gerisi çorap söküğü gibi geldi. Max Planck kuantum mekaniği keşfi için şunları yazdı: “Çaresizlikten yaptım bunu. Bedeli ne kadar yüksek olursa olsun morötesi felaketi çözen bir teorik açıklama bulmam gerekiyordu.” Nitekim Einstein da fotoelektrik etkiyi açıklarken enerjiyi küçük enerji paketlerinden oluşan bir bulut olarak hayal etti. Gerisini biliyorsunuz:

Elektronlar, protonlar, nötronlar, fotonlar, atom çekirdekleri, atomlar ve standart model… Peki bu bize ne kanıtladı? Bilim tarihi ve felsefesi açısından dikkat edin: Max Planck teorileri doğaya uydurmaya çalıştı, doğayı teorilere değil… Bu yüzden de başarılı oldu; çünkü bilim deneyseldir. Ancak test edip yanlış olduğunu gösteremediğimiz teorilerin doğru olduğunu kabul ederiz.

Siz de kuantum parçacıklara şimdi bakabilir ve sanal parçacıklar gerçek mi diye sorabilirsiniz. Uzaktan etkiyi merak edip entropinin dolanıklıktan nasıl türediğine bakabilirsiniz. Kuantum çoklu dünyalarda paralel evrenlerin nerede olduğunu araştırabilirsiniz. Hızınızı alamayarak elektron spinine ve zamanı geri alan kuantum silgi deneylerine bakabilirsiniz. Kendinizi cesur hissediyorsanız kuantum bilgisayarların matematiğini de okuyabilirsiniz. Bayramınız kutlu olsun! Bilimle ve sağlıcakla kalın. 😊

Nükleer fırınları önlemek

¹The Black Body Radiation
²Planck’s Route to the Black Body Radiation Formula and Quantization
³Quanta and Molecules: The Quantum Theory of Planck, Einstein and Nerst
⁴A Brief History of the T4 Radiation Law