Kuantum Teorisi

Kuantum Mekaniği Nedir?

Kuantum fiziği çok küçük fizik dalını ilgilendirir.

Fiziksel dünyayla ilgili çok tuhaf sonuçlar çıkmasıyla sonuçlanır. Olayların günlük görünen boyut ve hızlarda hareket etme şekillerini anlatabilen klasik mekanik denklemlerinden çoğu, atomların ve elektronların ölçeğindeki hareketlere cevap verememekte ve yararlı olamamaktadır. Klasik mekanikte nesneler belirli bir zamanda belirli bir yerde bulunur. Bununla birlikte, kuantum fiziğinde, nesneler bunun yerine olasılık bulanıklığında bulunurlar. A noktasında olabildiği gibi terine B noktasında olabilme gibi bir şansı daha vardır.

Üç devrimci ilke

Yıllar boyunca gelişen Kuantum Mekaniği, klasik mekanik matematiğinin açıklayamayacağı tartışmalı deneyleri matematiksel olarak açıklamaya başladı. 20. yüzyılın başlangıcında, Albert Einstein'ın izafiyet teorisini yayınladığı zamanlarda, fizikte yüksek hızdaki nesnelerin hareketini tanımlayan ayrı bir matematik devrimi başladı. Göreceliğin aksine, Kuantum Mekaniğinin kökenleri herhangi bir bilim adamına atfedilemez. Kuantum mekaniği ile ilgili üç yenilikçi ilke bulunmaktadır. Birden fazla bilim insanı, 1900 den itibaren 30 yıllık süreçte kademeli olarak kabul edilen ve deneysel doğrulama kazanan bu üç devrimci ilkenin temeline katkıda bulunmuştur.

Önce bu üç ilkeyi bir özet geçip daha sonra detaylı açıklayalım.

Kısaca Bu Üç İlke Nedir:

Kuantumlanmış (Nicelenmiş) Özellikler:

Konum, hız ve renk gibi özellikler, bir saatin kadranı gibi sayıdan sayıya belirli bir birimde "tik tak" ilerleyerek özel olarak meydana gelir. Bu, klasik mekaniğin temel varsayımına meydan okudu ve bu özelliklerin düzgün ve kesintisiz bir spektrumda var olması gerektiğini belirtti. Bazı özelliklerin belirli birimlerde bir kadran gibi "tıklandığı" fikrini açıklamak için bilim insanları "nicelenmiş (kuantımlanmış) " sözcüğünü icat etti.

Işık parçacıkları:

Kuantum mekaniğine göre ışık bazen bir parçacık gibi davranır. Işığın dalgalı davrandığını gösteren 200 yıllık deneylerin aksine, bu başlangıçta sert eleştirilerle karşılandı. Işık, duvarlardan sıçrar ve köşelerin etrafında kıvrılır ve dalganın tepeleri ve çukurlarının oluşması veya kaybolması bakımından dalga ile benzer şekilde hareket eder. Oluşan dalga tepeleri daha aydınlık bir ışığa neden olurken, kaybolan dalgalar karanlık bölgeler üretir. Bir ışık kaynağı ritmik olarak bir gölün ortasına vurup dalgalar üreten bir sopanın üzerindeki bir top olarak düşünülebilir. Yayılan renk, küreler arasındaki mesafeye karşılık gelir ve bu da topun ritminin hızı tarafından belirlenir.

Madde Dalgaları:

Madde bir dalga gibi davranıyor olabilir. Bu, maddenin (elektronlar gibi) parçacıklar halinde var olduğunu gösteren yaklaşık 30 yıllık deneylere karşı geldi.

Bunları daha da açacak olursak.

Nicelenmiş özellikler?

1900'de Alman fizikçi Max Planck, ampul yelpazesi gibi kızgın ve akkor olan objelerin ışıltısında spektrumda yayılan renk dağılımlarını açıklamaya çalışıyordu.
Planck, bu dağılımı tanımlamak için türettiği denklemi fiziksel olarak anlamlandırırken, bazı temel değerlerin tamsayı olan katına tekabül eden sadece belirli renklerin kombinasyonlarının yayıldığını fark etti . Her nasılsa, renkler nicelleştirildi! Işık bir dalga gibi hareket ettiği anlaşıldığından bu beklenmedik bir şeydi, yani renk değerlerinin sürekli bir spektrum olması gerektiği anlamına geliyor. Atomların bu tam sayı katları arasında renk üretmesini yasaklayan ne olabilir? Bu çok garip görünüyordu ki, Planck nicelemeyi matematiksel bir numaradan başka bir şey olarak görmedi. Helge Kragh, Fizik Dünyası dergisinde 2000 yılında yayınlanan "Max Planck, İsteksiz Devrimci" yazısında, "Aralık 1900'de fizikte bir devrim meydana gelmiş olsaydı, herkes bunu fark etmemiş gibi görünüyordu, Planck da dahil ..." demiştir.

Planck'ın denklemi, daha sonra Kuantum Mekaniğinin gelecekteki gelişimi için çok önemli olacak bir sayı içeriyordu; Bugün, " Planck'ın Sabiti " olarak bilinir.

Kuantumlama, bir çok fizik gizemlerini açıklamaya yardımcı oldu.

1800'lerin başından bu yana, spektroskopi bilimi, farklı elementlerin "spektral çizgiler" olarak adlandırılan belirli ışık renklerini emisyon ve emilim gösterdiğini göstermişti. Spektroskopi, uzak yıldızlar gibi objelerde bulunan elementleri belirlemek için güvenilir bir metot olsa da, her bir elementin ilk başta bu spesifik çizgileri neden verdiği sorusu bilim adamlarını şaşkına çevirdi. 1888'de Johannes Rydberg, hidrojenin yaydığı spektral çizgileri tanımlayan bir denklem elde etti, ancak denklemin neden çalıştığını kimseye açıklayamadı. Fizik 2000'e (Colorado Üniversitesi'nden bir site) göre Bohr, elektronların bir atomun çekirdeğinin etrafındaki "özel" yörüngelerle sınırlandırıldığını ileri sürdü. Özel yörüngeler arasında "atlama" yapabilirler ve atlayarak üretilen enerji spektral çizgiler olarak gözlemlenen belirli ışık renklerine neden olur. Nicelenmiş özellikler sadece bir matematiksel numara olarak icat edilmiş olsa da, o kadar çok şey anlattı ki, bunların Kuantum Mekaniği'nin kurucu ilkesi haline gelmesini sağladı.

Işık parçacıkları?

1905 yılında Einstein, ışığın dalga olarak değil de "enerji kuantumu" şeklinde hareket ettiğini ileri süren "Işığın Yayılmasına ve Dönüşümüne Yönelik Sezgisel Bir Bakış Hakkında" bir makale yayınladı. Einstein'ın önerdiği bu enerji kuantumu, özellikle bir atom, nicelenmiş titreşim oranları arasında sıçradığında , "yalnızca bir bütün olarak emilebilir veya üretilebilir" olduğunu söyledi. Bu durum birkaç yıl sonra bulunacak olan, "bir elektronun nicelenmiş yörüngeler arasında "atlaması" kuralı içinde geçerli olacaktı.

Einstein, ışığı tasarlamanın bu yeni yolu ile, Planck'ın açıklanan ampullerden çıkardığı belirli renkler de dahil olmak üzere dokuz farklı olayın davranışıyla ilgili fikirler sundu. Aynı zamanda, belirli ışık renklerinin metal yüzeylerindeki elektronları "fotoelektrik etki (olay) " olarak bilinen bir olguyu çıkarırabileceğini de açıkladı. Bununla birlikte, Wininipeg Üniversitesi'nden fizik dalında doçent olan Stephen Klassen, Einstein'ın bu sıçramayı kabul etmede tam olarak haklı olmadığını söyledi. Klassen, 2008 yılında yayınlanan "Fotoelektrik Olay (Etki) : Fizik Sınıfı İçin Hikayeyi Rehabilite Ediyor" başlıklı makalesinde , Einstein'ın enerji kuantumunun bu dokuz olgunun tümünü açıklamak için gerekli olmadığını belirtti. Işık dalgasının bazı matematiksel işlemleri, Planck'ın tarif ettiği belirli renkleri bir ampul filamentinden yayılması halini ve fotoelektrik olayı hala açıklayabilir. Nitekim, Einstein'ın 1921 Nobel Ödülünü tartışmalı bir şekilde kazansa da, Nobel komitesi, "Fotoelektrik Olay" keşfini onayladı ki bu özellikle "enerji kuantumu" kavramına dayanmıyordu.

Einstein'ın makalesinden yaklaşık yirmi yıl sonra Arthur Compton'un 1923 çalışması sayesinde "foton" terimi enerji kuantumunu tanımlamak için kullanılmaya başlandı. Bu ışık parçacıklarının (fotonların) maddenin parçacıklarıyla (elektronlar) çarpıştığını gösterdi ve böylece Einstein'ın hipotezini teyit etti. Şimdiye kadar, ışığın bir dalga ve bir parçacık gibi davranabileceği ve ışığın "dalga-parçacık ikiliğini" Kuantum Mekaniği'nin temeline yerleştirdiği açıktır.

Madde dalgaları?

1896'da elektronun bulunmasından bu yana, tüm maddenin parçacıklar şeklinde var olduğuna dair kanıt yavaş yavaş hakim oldu. Yine de ışığın dalga parçacık ikiliği gösterildiğinde, bilim adamları, maddenin yalnızca parçacıklar halinde hareket etmekle sınırlı olup olmadığını sorguladı. Acaba dalga parçacık ikiliği madde için geçerli olabilir miydi? Bu akıl yürütme ile önemli mesafe kat eden ilk bilim adamı, Louis de Broglie adında bir Fransız fizikçidir. 1924'de De Broglie, parçacıkların dalga benzeri özelliklere sahip olduğunu ve dalgaların da partikül benzeri özelliklere sahip olduğunu göstermek için Einstein'ın özel izafiyet teorisinde kullanılan denklemleri kullandı. Sonra 1925'de bağımsız olarak çalışan ve ayrı matematiksel düşünme çizgileri kullanan iki bilim adamı, elektronların atomlarda nasıl dolaştığını açıklamak için Broglie'nin mantığını uyguladılar. Almanya'da fizikçi Werner Heisenberg (Max Born ve Pascual Jordan ile birlikte) "matris mekaniğini" geliştirerek bunu açıklamayı başardı. Avusturyalı fizikçi Erwin Schrödinger "dalga mekaniği" adlı benzer bir teori geliştirdi. Schrödinger, 1926'da bu iki yaklaşımın eşdeğer olduğunu söyledi.

Her bir elektronun bir atomun çekirdeği çevresinde bir dalga gibi hareket ettiğine dayanan Heisenberg-Schrödinger atom modeli, Rutherford-Bohr modelinin yerini almıştır. Bu yeni modelin bir şartı, bir elektronu oluşturan dalganın uçlarının karşılaşması gerektiğiydi. Bu şartın bir sonucu olarak, yalnızca tam sayıya karşılık gelen tepeler ve çukurluklara izin verilmesi sonucunu doğurdu. Heisenberg-Schrödinger atom modelinde elektronlar "dalga fonksiyonuna" uyarlar ve yörüngeler yerine "orbitaller" i kullanırlar.

1927'de Walter Heitler ve Fritz London, atomik orbitallerin moleküler orbitaller oluşturmak için nasıl bir araya getireceğini göstermek için dalga mekaniğini geliştirdiler. Böylece atomların, moleküller oluşturmak için birbirlerine nasıl bağlandığını etkili bir şekilde gösterdiler. Bu, klasik mekaniğin matematiği kullanılarak çözümlenemeyen bir diğer problemiydi. Bu bilgiler, "kuantum kimyası" alanını ortaya çıkardı.

Belirsizlik ilkesi

1927'de Heisenberg, kuantum fiziğine bir başka katkı yaptı. Madde, dalgalar gibi davrandığından, bir elektronun konumu ve hızı gibi bazı özellikler "tamamlayıcı", yani her bir özelliğin hassasiyetinin ne kadar iyi bilinebileceği konusunda bir sınır (Planck sabiti) olduğunu belirtti. "Heisenberg'in belirsizlik ilkesi" olarak adlandırılacak olan şeyin altında, bir elektronun konumunun ne kadar doğru bilinirse, o kadar az hassas olduğu bilinir ve tersi de geçerli olurdu. Bu belirsizlik ilkesi normal boyutlu nesneler için de geçerlidir, ancak dikkat çekici değildir çünkü hassaslık eksikliği olağanüstü derecede küçüktür. Dave Slaven'a göre, bir beyzbol topunun hızı 0.1 mil hassasiyetle biliniyorsa, topun konumunu öğrenmenin maksimum hassasiyeti 0.000000000000000000000000000008 milimetredir.

Kuantumlaşma ilkeleri, dalga parçacık ikiliği ve belirsizlik ilkesi, Kuantum Mekaniği için yeni bir dönemi başlatmıştır.

Paul Dirac, 1927'de, "Kuantum Alan Teorisi" nin (QFT) çalışmasını sağlamak için kuantum anlayışını elektriksel ve manyetik alanlara uyguladı. Kuantum Alan Teorisi’ndeki çalışmalar on yıl boyunca devam etti. Kuantum Alan Teorisi'deki birçok denklem sonsuz sonuçlara vardığı için fiziksel anlamda durdu. On yıllık bir durgunluğun ardından, Hans Bethe 1947'de "renormalizasyon" adlı bir teknik kullanarak bir atılım yaptı. Bethe, burada, elektron kütlesi ve elektron yükünün gözlenen değerlerini kullandı.

Yeniden normalleşmenin başlangıcından bu yana Kuantum Alan Teorisi, doğanın dört temel kuvveti hakkında kuantum teorileri geliştirmenin temelini oluşturdu:

1) Elektromanyetizma, 2) Zayıf nükleer kuvvet, 3) Güçlü nükleer kuvvet ve 4) Yerçekimi.

Kuantum Alan Teorisi tarafından sağlanan ilk fikir, "kuantum elektrodinamiği" (QED) aracılığıyla elektromanyetizmanın bir kuantum tanımlamasıydı ve bu da 1940'ların sonu ve 1950'lerin başında ortaya çıktı. Bir sonraki gelişme, 1960'lı yıllarda elektromanyetizma ile birleştirilen zayıf nükleer kuvvetin kuantum tanımlaması olan "elektroweak teorisidir" (EWT) . Nihayet, 1960'larda ve 1970'lerde "kuantum kromodinamiğini" (QCD) kullanarak kuvvetli nükleer güce ilişkin kuantum uygulaması ortaya çıktı. QED, EWT ve QCD teorileri birlikte Parçacık Fiziğinin Standart Modelinin temelini oluşturmaktadır.

Şurası unutulmamalıdır ki yerçekiminin bile teori olup olmadığının tartışıldığı günümüzde bütün bu anlatılanlar, gerçekliği henüz tam olarak ispatlanamamış ve bir çok varsayıma dayanan teorilerdir.

Kaynak
TED-Ed videosu Heisenberg Belirsizlik İlkesi