Kenneth W. Ford – Kuantum Dünyası

Tahtaya vurun. Katı hissi verir. Katıdır. Ancak derinlemesine araştırdığınızda farklı dünyalarla karşılaşırsınız. Katı maddelerin atomlardan oluştuğunu ve atomların çoğunlukla boş alanlardan oluştuğunu okulda öğrenmişsinizdir. Aslında, atomlar dönen pervaneli bıçak taralından oyulan diskin boşluğuyla aym anlamda boşluğa sahiptir. Küçük ve hızlı bir şeyin atomun ya da dönen pervanenin içinden geçmesi kolaydır, ama büyük ve yavaş bir şey için bu imkânsızdır. Çoğu ölçümlere göre atomlar küçüktür.* Ancak bazı bilim insanlanna göre atomlar iridir. Nükleer ve parçacık fizikçisi dediğimiz bu bilim insanları, atomlardan daha küçük olan ve atomlann merkezinde bulunan küçük çekirdekten bile küçük alanlarda neler olduğunu merak ederler. Biz, bu bilim insanlarının çalışma alanını atomun içindeki dünya diye adlandırırız. Ben bu kitapta işte bu dünyayı incelemek istiyorum. 20. yüzyılda, atomun içindeki dünyanın doğasının bizim etrafımızdaki şuadan dünyada görmediğimiz şekilde tuhaf ve harika davrandığım öğrendik. Uzayın en küçük parçalarına ve zamanın en küçük dilimlerine baktığımızda sadece havai fişek diye adlandırabileceğimiz bir şey görürüz.

Çok fazla sayıda yeni parçacık var olmak üzere ortaya çıkar; bazıları uzun, çoğunluğu kısa yaşar; * Ne kadar küçük? Sıraya dizilmiş on milyon atom bir incin (2,54 cm) onda birinden daha kısadır. 1981 yılında icat edilen tünel kazmayı tarayan mikroskop (STM) sayesinde atomlar ilk defa bireysel olarak görülmüştür. 1900’lerin başlarına kadar, pek çok bilim insanı atomların varlığından bile şüphe duymuştu. 11 her biri diğerleriyle bir şekilde etkileşim kurar ve her biri yaratılmaya elverişli olduğu kadar yok edilmeye de uygundur Biz bu dünyada doğanın hız sının ile yüz yüze geliriz, uzay ve zamanın birbirine kanştığım görürüz ve kütlenin eneıjiye eneğinin kütleye dönüşebildiğim öğreniriz. Bu dünyadaki tuhaf oyun kurallan bilim inşam olan ve olmayanlan aynı derecede şaşırtır. Kuvantum mekaniği (genel anlamıyla, çok küçüğün fiziği) ve özel görelilik (genel anlamda, çok hızlının fiziği) diye adlandırdığımız bu kurallar yirminci yüzyıl fiziğinin iki büyük devriminm ürünleridir. y Bu kitapta, sizlere bu iki devrimel teorinin -özellikle kuvantum mekaniğinin- bizim gördüğümüz dünyayı nasıl değiştirdiğini anlatmak istiyorum. Görüşleri açıklamak için kuvantum kurallanyla yönetilen “şeylerin yani atomun içindeki parçacıklardan yararlanacağım, (bundan sonra bunlara sadece î X f ” Ku? uk ne kAa r küçük» v e “hızlı n e kadar hızlı bölümlerine baktıktan sonra size parçacık ailesinin çok sayıda üyesini tanıtacağım. Sonra, fizikçilerin parçacıkların davranışları ve parçacıklardan oluşan her şeyi açıklamak 1?m geliştirdikleri hayret verici görüşlere döneceğim Benim doğduğum yıl olan 1926’da sadece elektron ve protonun atomun içindeki dünyanın üyeleri olduğu biliniyordu. Elektron, atomların içinde hızla dolaşan ve elektrik akım, taşıyan hatlar boyunca hareket eden bir negatif elektrik zerresidir. Aynca günümüzde elektron, bilgisayar monitörleri ve televizyon tüp eri olarak kullanılan katot ışm tüplerinin ekranındaki piksellerini ses ve görüntü verecek şekilde yönetir Elektrondan yaklaşık 2000 kat daha büyük olan ve pozitif elektrik^taşıyanproton, kendini çevreleyen elektronu çekerek î o 9 n f , ,6n atomUnUn merkezinde tek başma oturur 1920 lerde protonların daha ağır atom çekirdeklerinde de bulunduğu düşünülüyordu ve günümüzde bunun gerçekten böye olduğunu biliyoruz. Aynca bunlar, dünyaya büyük miktarlarda ve büyük enerjiyle uzaydan gelirler ve biz bunlara temel Kozmik radyasyon deriz. 12 1926’dafoton (ışık parçacığı) da biliniyordu, ama bunun “gerçek” bir parçacık olduğu düşünülmüyordu. Kütlesi yoktu; yavaşlatılamaz ya da yakalanamazdı ve çok kolay yaratılabilir veya yok edilebilirdi (yayılabilir ve yutulabilirdi). Elektron ve proton gibi güvenilir, sabit bir madde yığını değildi.

Bu yüzden foton bazı yönlerden bir parçacık gibi davrandığı halde fizikçiler onu, ışık zerreciği diye saçma bir sıfatla tanımladılar. Bundan sadece birkaç yıl sonra fizikçiler elektronların fotonlar kadar kolay bir şekilde yaratılabildiği ve yok edilebildiğini gördüklerinde, foton dalgalarının bir parça oluşturduğunu ve kütlesi olmayan bir parçacığm da kesinlikle bir parçacık olduğunu anladıldan zaman, foton gerçek bir parçacık olma statüsüne tam olarak kavuştu. 1926 yılı fiziğin altm çağının ortasıydı. 1924 ile 1928 yıllan arasındaki kısa dönemde fizikçiler, bilimin o döneme kadar görmediği en önemli ve şaşırtıcı görüşleri ortaya attılar. Bunlar; sadece ışığın değil maddenin de dalga boyunun olduğunun keşfedilmesi; doğarım temel kanunlannın kesinlik değil olasılık kanunlan olduğunun farkına varılması; maddenin belli haüerinin doğm ölçülebilirliği ilkesinin sınırlı olduğunun anlaşılması; elektronların bir eksen üzerinde sadece iki yönde, yani yukan ve aşağı doğm döndüğünün keşfedilmesi; her bir parçacığa bir karşıt parçacığm eşlik ettiğinin tahmin edilmesi; tek bir elektron ya da fotonun aym anda iki veya daha fazla farklı yöne hareket ediyor olabileceği düşüncesi (sanki aym anda arabanızı kuzeye ve batıya sürer gibi ya da aym anda New York ve Boston’da vitrinlere bakar gibi) ve asla iki elektronun aym anda aym hareket durumunda olamayacağı ilkesidir (denedikleri halde aym ayakla aym anda adım atamayan yürüyüşçüler gibi). Bunlar bu kitabın temelini oluşturan “büyük fikirler” arasında. Atom içi parçacıklarının açıklanması bu fikirleri aydınlatacak. Parçacıklar, (ve bir bakıma atomların tamamı) çok küçük ve çok hızlıyı yöneten kanunlardan en fazla etkilenen varlıklardır. 13 Burada hemen belirtmeliyim ki, kuvantum fiziğinde neyi (parçacıldan) ne olduğundan (kanunlardan) ayırmak hiç de kolay değil. Yirminci yüzyıldan üç yüz yıl önce geliştirilen “klasik” fizikte neyin ve ne olduğunun ayırımı son derece açıktır. Dünya (ne), kuvveti ve hareket kanunlarına uygun olarak güneşin etrafında bir yörünge izler (ne olduğu). Yerkürenin ne içerdiği, üzerinde yaşamın olup olmadığı, lav püskürtmesi veya uykuda olması gibi özelliklerin dünyanın güneş etrafında nasıl döndüğüyle ilgisi yoktur. Başka bir örnek vermek gerekirse; titreşen elektrik yükü elektromanyetik radyasyonu oluşturur. Bu yükler ister elektronlar, protonlar ister iyonize atomlar ya da tenis toplan tarafından taşınsın, bu olay radyasyonun zerre kadar umurunda olmaz. Radyasyon, elektriklenen bir nesnenin belli bir şekilde elektrik titreşimi oluşturduğunu “bilir” ama bu nesnenin ne olduğunu “bilmez” ya da bilmesi gerekmez.

Elektrik titreşimi oluşturan bir nesne (ne) radyasyon yayılımıyla (ne olduğuyla) ilgilenmez. Parçacıklara gelindiğinde, işler bu kadar kolay değildir. Parçacıkların ne olduğu ile ne yaptıkları birbirlerine bağlıdır. Atomun içindeki dünyanın tuhaflığı işte buradadır. Bu nedenle ilerleyen bölümlerde siz (ve ben), parçacıkların özelliklerinin, hareketleriyle birleştiğindeki dönemlere dikkat etmeliyiz. Bir de atomun içindeki dünyanın neden bu kadar tuhaf, sıra dışı ve muhteşem olduğunu sormak için durayım. Neden çok küçük ve çok hızlıyı yöneten kanunlar sağduyuya karşı gelir? Niçin bunlar zekamızın sınırlannı zorlar? Bunların tuhaflığı açıManamamıştır. 1900’ler öncesi klasik fizikçiler doğal olarak, bizi çevreleyen dünyadaki sıradan kavramların, duyu dünyamızla algılayamadığımız, dokunulamayacak kadar küçük ve görülemeyecek kadar hızlı nesneler için bize doğayla ilgili artan bilgilerle hizmet vermeye devam edeceğini tahmin etmişlerdir. Öte yandan, bu klasik bilim insanlannın kuralların değişmeden kalacağım bilme şansı yoktu. Nasıl emin olabilirlerdi -ya da bir kimse nasıl emin olabilir kisıradan araştırmaların sonucu olan “sağduyu” görülemeyen, 14 duyulamayan veya dokunulamayan fenomenleri açıklamaya yardım edecek?

.