Nobel Ödülü Getiren Çalışma: Kuantum Fiziği

Scanned at the American Institute of Physics, Emilio Segre Visual Archives.

Planck’ın uzmanlık alanı ve şöhretinin kaynağı, termodinamik teori diye bilinen ısı bilimiydi. Planck, ışık radyasyonu üzerinde çalıştığı sıralarda ısıtılarak kor haline gelmiş bir metalin çıkardığı ısı ve ışık radyasyonu, birçok fizikçinin çözmeye çalıştığı bir problemdi. Klasik fizik teorilerine göre kor haline gelmiş metalin saldığı radyasyonun dalga uzunluğu, muhtemel en kısa dalgalardan ibaret olmalıydı. Yani ısınan küçük cisim bile son derece parlak bir ışık vermeliydi. Radyasyon enerjisi de süreğen bir akış olarak kabul edildiğinden, spektrumun yüksek frekans kesiminin oldukça geniş, hatta sınırsız olması gerekliydi. O dönemde çalışmalar daha çok yalnız sıcaklık faktörüne dayanan ‘siyah cisim’ denilen aydınlatma standardı olan radyasyon üzerinde toplanmıştı. Kara cisim (veya herhangi bir metal) spektrumu enerjinin farklı dalga uzunlukları arasında nasıl dağıldığını göstermekteydi. Planck çalışmaya başladığında, bu enerji dağılımı zaten ölçülebiliyordu; ancak ölçüm sonuçları klasik teorilere göre olması gerekene uymuyordu. Sonuçlarda dalga uzunluğunun giderek kısalmasıyla, enerjinin sonsuza doğru arttığı görülüyordu. Dönemin fizikçiler de bu durumu ‘morötesikatastrof’ diye niteliyorlardı. Ancak Planck’ın yaptığı deneylerde hiçbir maddenin, ne denli kızdırılırsa kızdırılsın, ne denli akkor haline getirilirse getirilsin, sonsuz enerji vermediği ortaya çıktı. Üstelik çıkan enerjinin büyük kısmı da orta dalga uzunluğundaydı.

Deney sonuçlarına göre spektrumda çok değişik bir enerji dağılımı vardı. Bunu açıklamak için klasik teorilerden ve radyasyon enerjisinin sürekliliği varsayımından vazgeçmek gerekiyordu. Kabul edilen teoriler ile deney sonuçları arasındaki farklılık çok açıktı. Ancak o dönemde doğanın/enerjinin sürekliliği, bir hipotez ya da varsayım değil, kuşku götürmez bir gerçek gibi görülüyordu. Newton’un mekanik teorisinin yanı sıra Maxwell’in elektromanyetik teorisi de doğanın sürekliliğini temel almıştı. Planck, klasik teorilerle deneyleri arasındaki bu tutarsızlığı ve çözüm için sunduğu formülü açıkladığında, belki bunun, fiziği temelinden sarsabileceğini düşünmemiş, sunduğu çözüme de, ölçme sonuçlarını ve bu sonuçlar arasındaki ilişkiyi matematiksel olarak dile getiren masum bir formül gözüyle bakmıştı. Planck’ın siyah cisim üzerinde yürüttüğü kuramsal çalışması ve sunduğu çözüm önerileri 1900’de yayımlandı. Sunduğu çözüm önerisini dayandırdığı temel düşünce şuydu: “Her maddenin kendine özgü radyasyon salan bir titreşim frekansı vardır. Vibratörler enerjiyi sürekli bir akıntı olarak değil, bir dizi kesik akımlarla salmaktadır.” Planck, problemin çözümünü ararken Boltzmann’ın istatiksel yönteminden de faydalandı. Bir durumun meydana gelme ihtimalini belirleyen bu yöntem, inceleme konusu ilişkilerin sayılabilir olmasını gerektiriyordu. Bu yüzden, sayılabilir bir birim elde edebilmek için radyasyon enerjisinin bireysel bölümlerden oluştuğunun varsayılması; aynı şekilde enerjinin de birtakım kesinti veya bölümlerden ibaret olması gerekiyordu. Mor-ötesi katastrof beklentisine düşmekten kurtulmaya çalışan Planck, enerji bölümlerini birleştirmeden bıraktı ve tam bu noktada formülünde dile getirdiği ilişkiyi belirledi. Çünkü paketler halinde olan enerji, sonsuza dek bölünemezdi. Bu da radyasyon enerjisinin sürekli veya sonsuz olmadığı anlamına geliyordu. Planck, bu yoldan giderek Kuantum Kuramı’nın temel taşı olan basit formülüne ulaştı: (E = h.f) Formülde E enerji; f radyasyon frekansı; h ise ‘Planck değişmezi’ (Planck Sabiti) denen sayıyı (Joule-saniye) göstermektedir. Bu sabit bir sayı C.G.S. sisteminde 0.0000000000000000000000000066 veya kısaca 6.6×10-27 birim erg-saniye olarak simgelenmekteydi. Bu formül, Planck’ın ‘kuantum’ dediği bir enerji parçacığıyla bir dalga frekansı arasındaki ilişkiyi ortaya koyuyordu. Bir enerji kuantumu, dalga frekansıyla Planck değişmezinin çarpımına eşittir. Ayrıca herhangi bir radyasyonda verilen enerji miktarı dalga frekansına bölünürse sonuç daima Planck sabitine (h) eşit çıkar. (Işık hızı gibi Planck sabiti de doğanın temel değişmezlerinden biri olarak kabul edilir). Planck’ın bu buluşu, enerjinin sürekliliği fikrini temelden sarstı. “Natura non facit saltus/ Doğa asla sıçramaz” şeklindeki eski Latin özdeyişi yanlıştı. Çok geçmeden, Einstein’ın 1905’te ortaya koyduğu ‘Fotoelektrik etki’ diye bilinen teorisiyle ışık da kuantum teorisinin kapsamına girdi. Isı, ışık, elektromanyetizma gibi radyasyon türlerinin kuant biçiminde alınıp verildiği hipotezi böylece doğrulandı. Bohr, Schrödinger ve Heisenberg gibi bilim adamlarının da yapacağı katkılarla bugünkü kuantum mekaniğine kuramı oluşmuş oldu.

Bir Cevap Yazın

Aşağıya bilgilerinizi girin veya oturum açmak için bir simgeye tıklayın:

WordPress.com Logosu

WordPress.com hesabınızı kullanarak yorum yapıyorsunuz. Çıkış  Yap /  Değiştir )

Google fotoğrafı

Google hesabınızı kullanarak yorum yapıyorsunuz. Çıkış  Yap /  Değiştir )

Twitter resmi

Twitter hesabınızı kullanarak yorum yapıyorsunuz. Çıkış  Yap /  Değiştir )

Facebook fotoğrafı

Facebook hesabınızı kullanarak yorum yapıyorsunuz. Çıkış  Yap /  Değiştir )

Connecting to %s