Uzay Denizindeki Dalgalanmalar

19. yüzyıl başlarında , Rosetta Taşı’nı Fransız Jean François Champollion’dan bağımsız olarak deşifre etmesiyle ün salmış olan İngiliz fizikçi Thomas Young, ışık geçirmez bir perdede birbirine çok yakın iki dikey yarık oluşturarak perdeyi tek renkli bir ışıkla aydınlattı. Şayet ışık bir dalgaysa , her yarığın yeni bir dalga kaynağı gibi davranacağını ve bu ayrı kaynaklardan çıkan iki ışığın perdenin uzak tarafına , küçük bir gölde oluşan iç içe geçmiş dalgalara benzer şekilde yayıla cağını düşündü.

Girişim [interference] dalgaların sergilediği karakteristik bir özelliktir. İki benzer dalga birbirinin içinden geçerken, dalga tepelerinin birbirine denk düştüğü noktalarda kuvvetlenir, birinin dalga tepesi diğerinin dalga çukuruna rastladığında ise birbirlerini sönümlendirirler.

Sağanak yağmur yağarken bir su birikintisine bakarsanız, her bir yağmur damlacığının oluşturduğu dalgalanmaların yayılarak birbirleriyle “yapıcı” ve “yıkıcı” şekilde girişim de bulunduğunu görürsünüz.

Young, açtığı iki yarıktan çıkan ışığın önüne ikinci bir beyaz perde koydu. Ve bunu yaptığı anda, süpermarket barkodlarındaki gibi, ardı sıra dizilmiş karanlık ve aydınlık şeritler gözlemledi. Bu girişim deseni, ışığın dalga olduğunu gösteren inkar edilemez bir kanıttı. İki yarıktan çıkan ışığın dalga tepeleri birbirine ayak uydurduğunda ışığın parlaklığı artıyor; uyduramadıklarında ise ışık sönümleniyordu.

Young “çift yarık” düzeneğini kullanarak ışığın dalga boyunu hesaplamayı başardı. Bu dalga boyu, milimetrenin yalnızca binde birine tekabül eden (insan saçından bile daha ince) bir değerdi. Bu değer, daha önce ışığın dalga olabileceğinin neden tahmin edilemediğini açıklıyordu.

Gelecek iki yüzyıl boyunca, Young’ın ışığın uzay denizindeki dalgalanmalar olduğu görüşü, tüm ışık olaylarını açıklamada geçerli oldu. Fakat 19. yüzyılın sonlarına doğru, bu konuda sorunlar yaşanmaya başladı. Her ne kadar ilk zamanlarda çok az kişi farkına varmış olsa da, ışığın dalga olduğu görüşüyle, atomun maddenin en küçük yapı taşı olduğu fikri uzlaşmıyordu.

Sorun, ışıkla maddenin bir araya geldiği kesişim noktasındaydı.

Atomların Dünyasında Olup Bitenlerin Nedensiz Olduğunu Nasıl Keşfettik

Zamanında bir filozof, “aynı koşulların her zaman aynı sonuçları doğurması bilimin ,Varoluşu için şarttır,” demişti. İyi de, öyle olmuyor ki!
Richard Feynman

Yıl 2025 ve ıssız bir dağın tepesindeki 100 metrelik dev teleskop gece semalarını tarıyor. Teleskop, gözlemlenebilir evrenin sonundaki ilkel bir galaksiye kilitleniyor ve dünyanın doğumunun çok öncesinden beri uzayda yol alan cılız ışık, teleskobun aynası tarafından, aşırı hassas elektronik algılayıcılarda yoğunlaştırılıyor. Teleskobun kubbesinde, yıldız gemisi Enterprise’ın konsolundan çok da farklı olmayan kontrol panelinde oturan gökbilimci Zer, önlerindeki bilgisayar ekranlarında galaksinin belli belirsiz bir görüntüsünün oluşumunu seyretmekte. Biri sesi açıyor ve kontrol odasını kulakları sağır eden bir çatırdama sesi kaplıyor. Ses, makineli tüfek ateşine, sac çatıyı döven yağmur damlalarının sesine benziyor. Fakat bu, uzayın dipsiz derinliklerinden teleskobun algılayıcılarına yağan ışık parçacıklarının sesi.

Kariyerlerini evrenin en zayıf ışık kaynaklarını görmeye çabalayarak geçiren bu gökbilimcilere göre, ışığın küçük kurşunvari taneciklerden (yani fotonlardan) oluşmuş bir akım olduğu apaçık ortadadır. Ne var ki, çok da uzak olmayan bir geçmişte, bilim dünyasının bu fikri kabul etmesi için büyük patırtılar kopması gerekmişti. Aslına bakılacak olursa, ışığın kesikli paketler (ya da kuantalar) olarak bize ulaştığının keşfedilmesinin, bilim tarihindeki en sarsıcı gelişme olduğu söylenebilir. Bu keşif, 20. yüzyılın öncesinde bilimin üzerini örten rahat battaniyeyi kaldırıp atmış ve fizikçileri, uygar sebep-sonuç ilişkilerini tamamen göz ardı eden ve olayların yalnızca gerçekleştiği için gerçekleştiği bir Alice Harikalar Diyarı evreninin haşin gerçekleriyle yüz yüze bırakmıştır.

Işığın fotonlardan oluştuğunu ilk anlayan kişi Einstein olmuştu. Einstein, ışığı küçük parçacıklardan oluşan bir akım olarak ortaya koyduğunda, fotoelektrik etki olarak bilinen olayı da anlamlandırabilmişti. Bir süpermarkete girerken kapıların otomatik olarak açılması, fotoelektrik etki tarafından kontrol edilen bir sistem sayesindedir.

Belli başlı metaller ışığa maruz kaldığında, dışarı elektrik parçacıkları, yani elektron yayar. Bu türden bir metal bir fotosele yerleştirildiğinde, üzerine ışık düştüğü sürece küçük bir elektrik akımı üretir. Markete doğru adım atan birisi, bu ışık akışını keser ve bu sayede elektrik akımı da kesilerek, kapıların açılması için gerekli sinyali verir.

Fotoelektrik etkinin pek çok garip özelliğinden biri de, aşırı zayıf bir ışık kullanılsa bile elektronların metalden anında salınmasıdır. Diğer bir deyişle, bu noktada herhangi bir gecikme yaşanmaz. Işık bir dalgaysa, bu olay açıklanamaz. Bunun nedeni, yayılan dalganın metaldeki çok sayıda elektronla etkileşime girecek olmasıdır. Ve de kaçınılmaz bir şekilde bu elektronlardan bazıları diğerlerinden daha sonra harekete geçecektir. Esasen, bazı elektronlar ışık metale yansıtıldıktan yaklaşık 10 dakika sonra bile yayılıyor olabilirdi.

Öyleyse, elektronlar nasıl oluyor da metalden anında atılabiliyor? Bunun tek bir yolu olabilir. Her bir elektron, metalden, tek bir ışık taneciği tarafından atılmaktadır.

Işığın küçük kurşunvari parçacıklardan oluştuğuna dair daha da güçlü bir kanıt, Compton saçılması denilen olaydan gelmektedir. Elektronlar, yüksek enerjili bir ışık türü olan X-ışınlarına maruz bırakıldığında, bilardo toplarının birbirleriyle çarpışarak dağıldığı gibi dağılmaktadır.

Dışarıdan bakıldığında, ışığın küçük parçacıklardan oluşan bir akım olmasının keşfi çok önemli veya şaşırtıcı görünmeyebilir. Fakat sanıldığından çok daha önemlidir.

Bunun nedeni, ışığın bir parçacık akımından mümkün olan en farklı şey, yani bir dalga olduğunu gösteren çok fazla sağlam kanıtın da bulunmasıdır.

Madde Dalgaları

1924’te Louis-Victor de Broglie madde parçacıklarının da dalga gibi davranabileceği fikrini ortaya attı. Her nesnenin kendine özgü bir dalga boyu olduğunu, dolayısıyla parçacık-dalga ikiliğinin sırf ışığa özgü olmadığını ileri sürdü. Üç yıl sonra elektronlardan tıpkı ışık gibi kırındığı ve girişim yaptığı gözlenince, madde dalgası fikri kanıtlanmış oldu. Günümüz fizikçileri nötron ve proton gibi daha büyük parçacıkların hatta karbondan mikroskobik futbol topuna benzetebileceğimiz “bucky” kürelerinin de aralarında olduğu bazı moleküllerin bile dalga gibi davrandığını gözlediler. Bilye ya da rakun gibi büyük nesnelerin dalgaboyları çok küçük olur; öyle ki onların dalgaı gibi davrandığını gözlemleyemeyiz. Bir tenis topunun dalga boyu 10-34 metredir; yani bir protonun çapından (10-15 metre) çok daha kısadır.

Işık Dalga mı Parçacık mı?

Fizikçiler hala bu ikilikle boğuşur. Bugün ışığın farklı koşullarda nasıl davranması gerektiğini biliyormuşcasına hareket ettiğini biliyoruz. Işığın dalga özelliklerini gözlemlemek için tasarlamış bir deneyde, örneğin bir kırınım ağından geçirildiğinde, ışık dalga gibi davranır. Parçacık özelliklerinin gözlemlemek için tasarlanmış bir deneyde ise parçacık gibi davranır.

Fizikçiler ışığın gerçek doğasını ortaya çıkarmak için zekice deneyler yapsalar da şimdiye kadar hep başarısız oldular. Bunların çoğu Young’ın çift yarık deneyinin çeşitlemeleriydi. Bir ışık kaynağından çıkıp iki ince yarıktan geçerek bir ekrana düşen ışık ışınlarını düşünün. Her iki yarık da açıkken girişim saçaklarına benzeyen aydınlık-karanlık şeritler görürsünüz. Dolayısıyla ışık, bildiğimiz üzere dalgadır. Işığı kısarak fotonların yarıklardan teker teker geçeceği düzeye kadar düşürdüğümüzde, bir dedektörler her bir fotonun duvara çarpışını saptayabiliriz. Bu durumda bile fotonlar ekran üzerinde şeritlerden oluşan girişim desenleri oluşturacak şekilde yığılır.

Peki tek bir foton, ekranda girişim dalgası oluşturacak şekilde hangi yarıktan geçeceğini nereden bilir? Eğer yeterince hızlı davranırsanız, foton ışık kaynağından çıkar çıkmaz veya yarıklardan geçmiş ama daha ekrana düşmemişken yarıklardan birini kapatabilirsiniz. Fizikçiler test ettikleri her durumda fotonların bir mi yoksa iki mi yarık olduğunu biliyormuş gibi davrandıklarını gördüler. Hatta ortada tek bir foton olmasına rağmen, sanki aynı anda iki yarıktan birden geçiyormuş gibi görünüyordu.

Fotonun hangi yarıktan geçtiğini gözlemlemek için yarıklardan birinin yanına bir dedektör konduğunda, şaşırtıcı bir biçimde ekranda girişim deseni oluşmamaya başlar. Fotonlar ekranda tek bir yığın oluşturur ve girişim saçakları oluşmaz. Yani fotonları iş üstünde yakalamak için ne yaparsanız yapın, sanki tüm yapılanları biliyor gibidirler. Ve aynı anda hem dalga hem de parçacık gibi davranırlar – ikisinden bir tanesi gibi değil.

Planck Yasası

Neden ısı deyince aklımıza kırmızı renk gelir? Neden ısıtılan çelik önce kırmızı, sonra sarı ve en son beyaz ışık yayar? Max Planck bu renk değişimlerini ısının ve ışığın fiziklerini ilişkilendirerek kağıda dökmüştür. Işığı, sürekliliği olan bir dalga olarak değil de istatiksel olarak tanımlayan Planck’ın devrimsel fikri, kuantum fiziğinin de tohumlarını atmıştır.

Bir çok maddenin ısıtıldığında parladığını ve ışık yaydığını biliriz. Nesneler artan sıcaklıkla birlikte önce kırmızı, sonra sarı ve en son beyaz ışık yayar. Işık beyaz görünür çünkü var olan sarı ve sarıya daha çok mavi eklenmiştir. Renklerin bu dağılımı, kara cisim eğrisiyle gösterilir. Yıldızlar da bu sırayı izler: Ne kadar sıcak olurlarsa renkleri de o kadar maviye kayar. Yüzey sıcaklığı 6000 kelvin olan Güneş sarı bir yıldızdır. Sirius gibi bazı yıldızlar 30000 kelvine varan sıcaklıklarıyla mavi – beyaz görünür.

On dokuzuncu yüzyılda fizikçiler hangi maddeden yapılmış olursa olsun, nesnelerin ısıtıldığında yaydıkları ışığın hep aynı örüntüde olması karşısında şaşkındılar. Işığın büyük bir bölümü tek bir frekanstan yayılıyordu. Sıcaklık arttırılınca tepe frekans daha mavi (daha kısa) dalgaboylarına kayıyor, önce kırmızıdan sarıya, sonra mavi-beyaza doğru ilerliyordu. Karacisim ışıması terimini kullanmamızın sebebi ısıyı en iyi emen ve yayanların koyu renk madde olması. Fizikçiler kara cisim grafikleri elde ediyor ama bunları anlamlandıramıyorlardı. Frekansın neden tek bir renkte tepe yaptığını da açıklayamıyorlardı. Biliminsanları bazı kısmi çözümler elde ettiler. Ama bu çözümlerden bazıları, morötesi dalga boylarını ve ötesinde sonsuz miktarda enerjinin yayılması gerektiğini öngörüyordu. Bu soruna morötesi faciası adı verildi.

Kara cisim ışımınasını anlamaya çalışan Max Planck, ısı ve ışık fiziklerini birlikte ele alıyordu. Planck gönülsüzce de olsa denklemlerinin tutması için kurnazca bir düzeltme yaptı. Elektromanyetik ışımanın, termodinamik uzmanlarının ısıyı ele aldığı gibi ele alınması gerektiğini seziyordu. Sıcaklığın pek çok parçacık arasındaki ısı enerjisi paylaşımı olmasından yola çıkan Planck, elektromanyetik enerjiyi de bir elektromanyetik osilatör kümesi veya atomaltı elektromanyetik alan birimleri arasında bölüştürdü ve ışığı bunun üzerinden tanımladı.

Denklerim tutmasını sağlamak için her elektromanyetik birimin enerjisini frekansla orantılandırarak E=hv denklemini elde etti. Burada E enerji, v ışığın frekansı, h ise Planck sabiti denen sabit bir sayıdır.  Elektromanyetik enerjiyi bir çok osilatör arasında bölüştürmenin en olası yolunu bulan Planck’ın modeli enerjinin büyük bölümünü ortadaki frekanslara dağıtıyordu. Bu, tepeli kara cisim tayfına da uyuyordu. Planck 1901 de ışık dalgalarıyla olasılık arasında bağ kuran bu yasayı yayımladı ve büyük beğeni topladı. Kısa bir süre içinde bu yeni düşünce sayesinde “morötesi faciası” sorununun da çözüldüğü görüldü.

Planck’ın kuantaları, kendi yasasının matematiğinin tutarlı olmasını sağlamak için geliştirdiği fikirlerden ibaretti; o osilatörlerin gerçek olabileceğini bir an olsun aklına getirmemişti. Ama tam da atom fiziğinin hızla geliştiği bir dönemde Planck’ın bu yeni formülasyonunun çok şaşırtıcı çıkarımları olacaktı. Planck bir tohum atmıştı; bu tohum büyüyecek ve modern fiziğin en önemli alanlarından biri haline gelecekti: Kuantum Kuramı.

Maxwell Denklemleri

Modern fiziğin dönüm noktalarından biri olan Maxwell’in dört denklemi, evrensel kütleçekim kuramından sonraki en önemli gelişme kabul edilir. Bu denklemler elektrik ve manyetik alanların aslında bir paranın iki yüzü gibi olduklarını ortaya koyar. Her iki alan da gerçekte aynı olgunun -elektromanyetik dalganın- farklı dışavurumlarıdır.

Ondokuzuncu yüzyılın başlarında deneyciler elektrik ile manyetizmanın birbirine dönüştürülebildiğini görmüşlerdi. Ama bütün elektromanyetizma konusu dört denklemle ifade ederek modern fizikteki en önemli başarılardan birini gerçekleştiren kişi James Clerk Maxwell oldu.

Elektrik ve manyetik kuvvetler, elektrik yüklü parçacıkları ve mıknatıslar etkiler. Değişen elektrik alanı bir manyetik alan, değişen manyetik alan da bir elektrik alanı yaratır. Maxwell her ikisinin de aslında tek bir olgudan, hem elektriksel hem de manyetik özellikleri olan elektromanyetik dalgadan çıktığını açıklamıştır. Maxwell elektromanyetik dalgaların boşluktaki hızını hesaplamış ve ışığın hızıyla aynı olduğunu göstermiştir. Başka çalışmalarla birleştiğinde bu bulgu, ışığın da aslında ilerleyen bir elektromanyetik çalkalanma olduğunu doğrulamıştır. Elektromanyetik alanların uyguladığı elektromanyetik kuvvet, Evren’deki dört temel kuvvetten biridir.

Maxwell dönemin tüm biliminsanlarını şaşırtarak, elektromanyetik olguların hepsini hepi topu dört temel denklemle betimlemeyi başardı. Bu denklemler günümüzde öylesine ünlüdür ki artık tişörtlerde bile yer alıyorlar. Altlarında da “ve Tanrı ışığı yarattı” yazıyor. Bugün elektromanyetizmayı tek bir olgu olarak düşünebiliyoruz ama ortaya atıldığı dönemde bu radikal bir fikirdi ve tıpkı bugün kuantum fiziğiyle kütleçekiminin birleştirilmesinin önemi kadar önem taşıyordu.

Einstein, Maxwell’in fikirlerini alıp kendi görelilik kuramına dahil etmiştir. Einstein’ın denklemlerinde manyetizma ile elektrik, aynı olgunun farklı referans çerçevelerinden bakan gözlemciler tarafından görünüşleridir. Bu açıdan, elektrik ve manyetik alanların bir ve aynı şey olduğunu nihai olarak gösteren kişi Einstein’dır denebilir.

Bragg Yasası

DNA’nın çifte sarmal yapısı, Bragg yasası sayesinde keşfedilmiştir. Bu yasa, düzenli bir yapıya sahip bir katı içinde ilerleyen dalgaların, parlak beneklerden oluşan bir desen meydana getirecek şekilde birbirilerini nasıl güçlendirdiğini açıklar. Beliren beneklerin aralıkları ise katıyı oluşturan atomların veya moleküllerin aralarındaki muntazam mesafelere bağlıdır. Benek desenine bakılarak malzemenin mimarisi anlaşılabilir.

Avusturyalı fizikçi William Lawrance Bragg, kırınımın kristaller arasından geçen dalgalarda bile gerçekleştiğini keşfetmiştir. Tepeleri ve çukurları aynı hizada olan dalgalar aynı fazdadır ve üst üste geldiklerinde parlaklıkları artar, benekler oluştururlar. “Faz dışı” olan dalgaların tepeleri ve çukurları ters hizada olur. Bu yüzden birbirilerinin etkisini yok ederler ve hiç ışık çıkmaz. Dolayısıyla parlak beneklerden oluşan desende benekler arasındaki açıklık sayesinde kristalin atomları arasındaki uzaklık belirlenebilir. Dalgaların bu şekilde birbirilerinin etkisini arttırma ya da azaltma olgusuna “girişim” denir.

Bragg bunu iki dalgayı göz önüne alarak matematiksel olarak ifade etmiştir -biri kristalin yüzeyinden yansıyan, diğeri de yalnızca bir atomluk katman kadar girip yansıyan ikinci dalga. İkinci dalganın aynı fazda olup ilk dalgayı güçlendirmesi için ilk dalganın boyunun bir tam sayı katı kadar ek bir mesafe gitmiş olması gerekir. Bu ek mesafe ışınların geliş açısına ve atom tabakaları arası açıklığa bağlıdır. Bragg yasası belli bir dalga boyu için gözlemlenen girişim ile kristaldeki açıklıkların arasındaki ilişkiyi ortaya koyar.