0 302

forumlar > kültür-sanat > kuantum fiziği

forumlar > kültür-sanat > kuantum fiziği
0 302

23.09.2014 01:52
Kuantum mekaniği; madde ve ışığın, atom ve atomaltı seviyelerdeki davranışlarını inceleyen bir bilim dalı.[1] Nicem mekaniği veya dalga mekaniği adlarıyla da anılır.[kaynak belirtilmeli] Kuantum mekaniği; moleküllerin, atomların ve bunları meydana getiren elektron, proton, nötron, kuark, gluon gibi parçacıkların özelliklerini açıklamaya çalışır.[1] Çalışma alanı, parçacıkların birbirleriyle ve ışık, x ışını, gama ışını gibi elektromanyetik radyasyonlarla olan etkileşimlerini de kapsar.[1]

İngilizcedeki karşılığı quantum, Latince 'quantus' (ne kadar, ne büyüklükte) sözcüğünden gelir[2] ve kuramın belirli fiziksel nicelikler için kullandığı kesikli birimlere gönderme yapar. İngilizce 'mechanics' sözcüğü ise "bir şeyin çalışma prensibi" anlamına gelir.[3] Kuantum mekaniğinin temelleri 20. yüzyılın ilk yarısında Max Planck, Albert Einstein, Niels Bohr, Werner Heisenberg, Erwin Schrödinger, Max Born, John von Neumann, Paul Dirac, Wolfgang Pauli gibi bilim adamlarınca atılmıştır. Belirsizlik ilkesi, anti madde, Planck sabiti, kara cisim ışınımı, dalga kuramı, alan teorileri gibi kavram ve kuramlar bu alanda geliştirilmiş ve klasik fiziğin sarsılmasına ve değiştirilmesine sebep olmuştur.

Klasik mekanik çok başarılı olmasına karşın, 1800'lü yılların sonlarına doğru, kara cisim ışıması (blackbody radiation), tayf çizgileri, fotoelektrik etki gibi bir takım olayları açıklamada yetersiz kalmıştır. Açıklamaların yanlışlığı bilim adamlarının yetersizliğinden değil aksine klasik mekaniğin yetersizliğinden kaynaklanıyordu. En yalın halde klasik mekanik Evren'i bir "süreklilik" olarak modelliyordu. 1900 yılında Max Planck enerji'nin, 1905 yılında ise Albert Einstein ışığın paketçiklerden oluştuğunu, yani süreksizlik gösterdiğini, bazı deneyleri açıklamak için bir varsayım olarak kullanmak zorunda kaldılar. Elbette bu iki darbe klasik mekaniği yıkmadı. Uzunca bir süre bilim adamları bu süreksizliği klasik mekanik kuramlarından türetmek için uğraştı. Yine aynı yıllarda atomun iç yapısı üzerine yapılan deneyler bir gerçeği gözler önüne serdi: Ernest Rutherford yaptığı deneyle atomun küçük bir çekirdeğe sahip olduğunu gösterdi.

Bu dönemde elektronun varlığı biliniyordu. Bu durumda eğer negatif yüklü elektronlar pozitif çekirdeğin etrafında dairesel hareket yapıyorlarsa, çok kısa bir zaman diliminde elektronlar çekirdeğe düşeceklerdi. Bu elektromanyetik teoriye göre açıklanacak olursa, ivmelenen yükler ışıma yapar, dairesel hareket de ivmeli bir hareket olduğu için, elektron bu ışımayla enerji yayacak ve çekirdeğe düşüp sistem çökecekti.

Geçiçi çözüm Niels Bohr'dan geldi. Elektronlar belli kuantizasyon kurallarınca, belli yörüngelerde hareket ediyorlar, enerjileri belli bir değere ulaşmadıkça ışıma yapamıyorlar bu sayede sistem dengede durabiliyordu. Bu geçici çözüm küçük atomlarda işe yaradıysa da daha büyük kütlelerde işe yaramıyordu. Bohr atom modeline, modeli deneylere uydurulmak için birçok yama yapıldı. Ne var ki Bohr'un "yamalı bohça"sı 1920'lere gelindiğinde artık iş görmüyordu, tayf çizgilerinin gözlenen yoğunluğunu yanlış veriyor, çok elektronlu atomlarda salınım ve emilim dalgaboylarını tahmin etmede başarısız oluyor, atomik sistemlerin zamana bağlı hareket denklemini vermedeki başarısızlığı gibi birkaç konuda daha gerçekleri gösteremiyordu.

Kuantum mekaniğini Planck doğurduysa, bebekliğinin sonu da De Broglie ile gelmiştir. Louis de Broglie; birçok elçi, bakan ve Dük yetiştirmiş, aristokrat bir Fransız ailesinin çocuğuydu. Tarih eğitimi gördükten sonra fiziğe geçmiş ve 1923'te verdiği doktora tezinde, ışığın hem dalga hem de parçacık karakteri olmasından esinlenerek, aslında bütün madde çeşitlerinin aynı özelliği gösterebileceğini önerdi. Ortaya koyduğu fikir, Bohr'un "gizemli" yörüngelerini açıklamada başarılı oluyordu.

Işığın girişim, kırınım yaptığı, yani dalga özelliği gösterdiği, Thomas Young'in yaptığı çift yarık deneyi ile gösterilmişti. Ama tüm madde parçacıklarının, su dalgaları ile aynı matematiksel özellikleri göstereceği beklenmiyordu.

Max Planck 1900 yılında kara cisim ışınımı problemini (morötesi facia diye de anılır), çözmek için

E= h nu ,
denklemini kullanmıştı. Bu denklem, foton kavramının başlangıcı oldu; çünkü ν frekansındaki elektron salınımından oluşan ışığın, klasik mekanikle uyuşmayan bir şekilde sadece, h*ν nun tamsayı katlarında enerji taşıyabileceğini göstermişti. 'h', günümüzde Planck sabiti adıyla anılır.

Fotonlar dalga özelliği gösterirse madde de gösterebilir analojisinin yanında önemli bir ipucu da Einstein'in birkaç yıl önce özel görelilik ispatında kullandığı Lorentz Dönüşümleri idi.

Buna göre, serbest bir parçacık, fazı x, zamanı t olan bir dalga ile ifade edilirse, 2*π*(k*x - ν*t) , ve bu faz Lorentz dönüşümlerinde sabit kalacaksa, k vektörü ve ν frekansı, x ve t gibi dönüşmelilerdi. Ya da diğer bir deyişle, p ve E gibi. Bunun mümkün olabilmesi için, k ve ν, p ve E ile aynı hız bağımlılığına sahip olmalılardı, bu yüzden de onlarla doğru orantılı olmalılardı.

Fotonlar icin E=h*ν olduğundan, madde için de

E = h nu ve k=p/h
varsayımlarını yapmak 'doğal' gözükmüştür.

Herhangi bir kapalı yörüngenin 1/|k| nın tam katı olması varsayımı ile, de Broglie, deneysel olarak gözlenen ve Sommerfeld ve Bohr tarafindan "kuantize olma şartları" olarak anılan şartları matematiksel olarak kolayca türetti. Bu türetme gayet gizemli bir şekilde doğru sonuçlar verince (Davisson ve Germer, 1927 yılında Bell Laboratuvarlarında gerçekleştirdikleri deneyle, elektronların da aynı ışık gibi girişim yaptığını ortaya koydular. Deney 1924'te de Brogli tarafından önerilmişti) insanlar deneysel olarak başka şeyleri tahmin etmesini de beklediler.

Elbette yanıldılar çünkü bu şartlar serbest ışık parçaları için yola çıkan varsayımların, çekirdeğe bağlı elektronlar için uyarlanmasıydı ve çok ileri götürülmemesi gerekiyordu.

Ama doğru çıkış noktası idi.

Enteresan bir şekilde, 1925-1926 yılları arasında Werner Heisenberg, Max Born, Wolfgang Pauli ve Pascual Jordan, matris mekanigi ile kuantum mekaniğinin formal tanımını yaptılar. Ama formalizmlerinde dalga mekaniğine yer vermediler. Benimsedikleri felsefe ise, tamamen pozitivist idi. Yani sedece deneysel olarak gözlenebilen değerleri gözönüne alan bir yaklaşım kullandılar.

1926 yılında Erwin Schrödinger bir dizi denklemle dalga mekaniğini yeniden canlandırdı.

Sonunda kendi dalga mekaniğinden Heisenberg'in matriks mekaniğini de türetip iki formalizmin matematiksel olarak denk olduğunu da gösterdi. Son makalelerinden birinde Schrödinger, relativistik bir dalga denklemi de sunar.

Dirac'a göre tarih biraz daha farklı işlemiştir. Ona göre, Schrödinger önce relativistik dalga denklemini geliştirdi, sonra bunu kullanarak hidrojenin spektrumunu hesapladı ve deneylere uymadığını gördü. Ancak bu denklemin, düşük hızlarda geçerli olan versiyonu aslında çalışıyordu!

Daha sonra relativistik dalga denklemini yayınladığında ise, bu Oskar Klein ve Walter Gordon tarafından yayınlanmıştı ve hâlâ Klein-Gordon denklemi olarak anılır.

Bu noktadan sonra Dirac; teoriye çeki düzen vermiş, özel görelilikle uyumlu hale getirmiş ve bazı deneylerin sonuçlarını teorik olarak üretmiştir. Örneğin pozitron'un varlığının tahmini... 1930'lara gelindiğinde ergenlikten çıkmış bir teori halini almıştır kuantum teorisi. Daha sonra 1940'larda Sin-Itiro Tomonaga, Julian Schwinger ve Richard P. Feynman, Kuantum elektrodinamiği konusunda önemli çalışmalara imza atmış, 1950'li ve 60'lı yıllar Kuantum renk dinamiğinin gelişimine tanık olmuştur.

Gelişmeler[değiştir | kaynağı değiştir]
1897: Pieter Zeeman, ışığın bir atom içindeki yüklü parçacıkların hareketi sonucu yayımlandığını buldu; J.J. Thomson da, elektronu keşfetti.
1900: Max Planck, kara cisim ışımasını kuantumlanmış enerji yayımı ile açıkladı, kuantum kuramı böylece doğmuş oldu.
1905: Albert Einstein dalga özellikleri olan ışığın aynı zamanda, daha sonra foton diye adlandırılacak olan, belirli büyüklükte enerji paketlerinden oluştuğu düşüncesini ortaya attı.
1911-1913: Ernest Rutherford, atomun çekirdek modelini oluşturdu. Bohr ise atomu bir gezegen sistemi gibi betimledi.
1923: Arhur Compton, X - ışınlarının elektronlarla etkileşimlerinde minyatür bilardo topları gibi davrandıklarını gözlemledi. Böylece ışığın parçacık davranışı hakkında yeni kanıtlar ortaya koydu.
1923: Louis de Broglie, dalga-parçacık ikiliğini genelleştirdi.
1924: Satyendra Nath Bose-Albert Einstein, kuantum parçacıklarını saymak için, Bose-Einstein istatistiği diye adlandırılan yeni bir yöntem buldular.
Klasik mekanik, kuantum mekaniği ve kuantum mekaniği'nin matematiği[değiştir | kaynağı değiştir]
Klasik mekanik, nesnelerin konum ve momentumları bilgilerini kullanarak, çeşitli kuvvet alanları altında nasıl hareket etmeleri gerektiğini bulmaya çalışır. Kökleri çok eskiye dayansa da başlangıcının Newton'un Principia'sı olduğunu kabul etmek yanlış olmaz. Daha sonra Euler, Lagrange, Jacobi, Hamilton, Poisson, Maxwell, Boltzman (İstatiksel mekanik ve klasik elektromanyetik teoriyi de klasik mekaniğe katıyorum) gibi birçok ad tarafından çok çeşitli bakış açıları geliştirilmiş ve birçok alanda başarılı bir şekilde uygulanmıştır. Klasik mekaniğin tamamlanmasının Einstein'ın görelilik kuramları ile gerçekleştiğini söylemek yanlış olur. Klasik mekanik çok başarılı olmasına karşın, 1800'lü yılların sonlarına doğru, siyah cisim ışıması, tayf çizgileri, fotoelelektrik etki gibi bir takım olayları açıklama da yetersiz kalmıştır. Açıklamaların yanlışlığı bilim adamlarının yetersizliğinden değil aksine klasik mekaniğin yetersizliğinden kaynaklanıyordu. Klasik mekanikteki sorunun ne olduğunu anlatmak aşırı teknik kaçacaktır, ancak en yalın halde klasik mekanik Evren'i sürekli olarak modelliyordu. Bu modelleme yanlıştı çünkü üç konum ve üç momentumla tanımlanan parçacıklar, sonsuz sayıda parametreyle tanımlanmanan alanlarla bir aradaydılar. Eş dağılım kuramınca ("equipartition theorem") sistemin enerjisinin denge durumunda sistem bileşenlerine eş biçimde dağılması gerekir. Alanlar sonsuz bileşene sahip olduğundan bütün enerji alanlara kalır. (Daha teknik daha doğru ifade, sistemin bütün özgürlük derecelerine eş olarak dağılır, alanlar sonsuz özgürülük derecesine sahip olduğu için bütün enerji alanlara akar.) Elbette böyle bir şey gözlenmez.

Kuantum kuramı ise olayı bambaşka bir şekilde ele alır. Parçacıklar artık doğrudan 3 konum ve 3 momentumla tanımlanmak yerine bir "dalga fonksiyonu" ile tanımlanırlar. Bu dalga fonksiyonu parçacığın bütün bilgisini içinde barındırır ve dalga fonksiyonuna uygun "sorular" sorularak gerekli bilgi alınır. Örneğin konum bilgisi için dalga fonksiyonuna "parçacık nerede?" sorusunu sorarsınız, o ise size parçacığın soruyu sorduğunuz anda nerede olabileceğini söyler. Buradaki kritik nokta olabilirliktir. Bu, dalga fonksiyonunun bir de "olasılık fonksiyonu" olarak anılmasina neden olmaktadir. Daha sonra, bu olasılıksal durumu bilincli olup olmama durumuna baglayan Kopenhag Yorumu ortaya atılmıştır. (Matematik altyapısı yetersiz olanlar denklemleri görmezden gelebilirler.) Matematiksel olarak olayı şöyle tanımlayabiliriz:

Psi(x,t) parçacığı tanımlayan dalga fonksiyonumuz olsun,
langle x rangle =int Psi^*(x,t)xPsi(x,t)dx
integrali bize x'in beklenen değerini verir. Yukarıda bahsedilen soru sorma işlemi tam olarak böyle yapılır. Benzer şekilde momentumun beklenen değeri için;
langle p rangle =int Psi^*(x,t)frac{hbar}{i}frac{d}{dx}Psi(x,t)dx
şeklinde soruyu sorarız. Psi^*(x,t) dalga fonksiyonumuzun karmaşık eşleniğidir. Karmaşık eşlenik ve dalga fonksiyonu arasında kalan ifadeler gözlemlenebilirlerimizin, yani konum ve momentumun, konum uzayındaki operatörleridir. Operatörler sorunun ta kendisidir.

Konum ve momentum dışında daha birçok gözlemlenebilir ile işlem yapılabilir. Ancak konum ve momentum operatörleri kullanılarak diğer birçok operatörü elde etmek mümkündür. İşin ilginç yanı bu operatörle elde etmek için klasik formüller kullanılır. Örneğin kinetik enerji klasik mekanikte;
T=frac{p^2}{2m}
şeklinde tanımlanırken kuantum fiziğinde kinetik enerji operatörü yine aynı ifadeyle yazılır. Tek fark "p" artık bir sayı değil bir operatördür. Bu bize Ehrenfest teorimince sağlanır ve bütün operatörleri klasik yasaları kullanarak türetebiliriz. Bu noktada "Peki, dalga fonksiyonu nedir?" sorusuna dönmeliyiz. Dalga fonksiyonu bize Schrödinger denklemi tarafından verilen, bir bakıma parçacığın kimlik kartıdır.Bir boyutta Schrödinger denklemi;
ihbar frac{d}{dt}Psi=-frac{hbar^2}{2m}frac{d^2}{dx^2}Psi+V(x,t)Psi
şeklinde yazılabilir. İfade bir bakıma enerji denklemidir ve bahsi geçen "kimlik" kartını sistemin enerjisine göre verir. (Burada kimlikten kasıt, parçacığın elektron mu yoksa nötron mu olduğu değil, momentumu, konumu, kinetik enerjisi gibi gözlemlenebilirleridir.) Bu "masum" denklem çözüldüğünde parçacığımızın dalga fonksiyonunu elde etmiş oluruz. En basit atom olan hidrojen atomunun zamandan bağımsız analitik olarak çözülmesi bile gerçekten büyük bir meseledir, neyse ki belli formalizmlerle, daha karmaşik sistemleri yaklaşımlar yaparak çözmek mümkün oluyor.

Kuantum mekaniği temelinde bir olasılık teorisidir. Dalga fonksiyonu içinde sistemin bütün olası durumlarını barındırır. Siz soruyu sorduğunuzda size en olası cevabı verir, ancak soru sorma işlemi dalga fonksiyonunu "dağıtır" ve siz bir daha sorduğunuz zaman artık başka bir cevap alırsınız. Bunun yanı sıra kuantum mekaniği yapısı ötürü belirsizlikler barındırır. Bu belirsizlikler bazı gözlemlenebiliri ne kadar iyi bilirseniz diğer bazıları hakkında o kadar az şey bileceğinizi söyler. Örneğin konum ve momentum böyle bir çift oluşturur. Birini ne kadar iyi bilirseniz diğeri hakkında o kadar az bilginiz olur. Bu Heisenberg belirsizlik ilkesi olarak bilinir. Konum ve momentum için Heisenberg belirsizlik ilkesi şöyle gösterilir:

sigma_xsigma_pgeqslant frac{hbar}{2}
Bu ifade de sigma_x ve sigma_p ile verilenler sırasıylayla konum ve momentumdaki belirsizliklerdir.

Yukarıda ele alınan kuantum mekaniği, öklidyen bir uzayda çalışılmış kuantum mekaniğidir, diğer bir deyişle göreceli değildir. Einstein'ın özel görelilik kuramına uyan bir kuantum mekaniği türetmek mümkündür. Hatta ilk bakışta kolay bir uğraştır. Kuantum fikrine ve özel göreliliğe biraz aşina olan biri bile çözüme kolayca ulaşır. Yukarıda değinilen Schrödinger denklemini daha sade bir formda şöyle ele alabiliriz:

ihbar frac{partial}{partial t} Psi = HPsi

Burada H olarak verilen Hamiltonian operatörüdür. (Toplam enerji olarak düşünülebilir.) Relativistik olmayan serbest parçacık (potansiyel enerji sıfır) için Hamiltonian:

H=frac{p^2}{2m}

olarak verilir. Relativisitk serbest parçacık içinse Hamiltonian:

H=sqrt{m^2c^4+p^2c^2}

şeklinde yazılabilir. İfade pek yabancı değil, değil mi? Hayır, olaya klâsik mekanik açısından bakarsanız, parçacığın durduğunu kabul edersek, momentum sıfır olacak ve ünlü E=mc^2 'yi elde etmiş olacaksınız. Şimdi relativistik Hamiltonianla Schrödinger denklemini yeniden yazalım:

sqrt{(-ihbarmathbf{nabla})^2 c^2 + m^2 c^4} psi= i hbar frac{partial}{partial t}psi.

Karesi alınırsa


mathbf{nabla}^2psi-frac{1}{c^2}frac{partial^2}{partial t^2}psi
= frac{m^2c^2}{hbar^2}psi
elde edilir. Bu denklem Klein-Gordon denklemi olarak bilinir. Ancak denklem bir takım teknik nedenden ötürü sorunludur. Daha geçerli relativistik çözüm Dirac tarafından keşfedilmiştir ve kendi adıyla anılan denklemle verilir. Ultramikroskobik boyutlarda (Planck Uzunluğu) uzayın küçük dalga boylarında bir kaos olduğu düşünülür. Evrenin milyarda birinin milyarda birinin milyonda biri boyutlarda gözleyecek olursunuz Evren bir kaos olarak görünür.

Kuantum mekaniği tarihi gelişimi boyunca birçok sınavdan alnının akıyla çıkmayı başarmıştır. Olguları büyük bir doğrulukla açıklaması, yeni olgulara ışık tutması bir teoriden beklenen özelliklerdir ve kuantum mekaniği bu işi gerçekten oldukça iyi başarmıştır. Kuantum fikirleri üzerine gelişen kuantum elektrodinamiği (QED) ve kuantum renk dinamiği (QCD) bu güne kadarki hiçbir teorinin ulaşamdığı hassasiyetlerde sonuçlar vermişlerdir. Ne varki geçtiğimiz yüzyılın çok büyük iki teorik açılımı bir biriyle uyuşmamaktadır. Doğada bilinen 4 kuvvetten 3'ü, elektromanyetizma, zayıf ve güçlü kuvvetler,kuantum kuramlarıyla ele alınabilirken kütle çekimin henüz tutarlı bir kuantum kuramı bulunamamıştır. Her ne kadar sicim kuramları kuantum kütle çekime aday gibi görünsede çözülmesi gereken çok büyük sorunlar halen daha bulunmaktadır. Günümüzde yaygın kanı kuantum ve kütle çekimin üstünde, doğrusal olmayan daha genel bir kuramın yer aldığıdır.


Alın size konu Cern'den selamlar

Kaynak: tr.wikipedia.org/wiki/Kuantum_mekani%C4%9Fi
- bu mesaj, birzamanlar mrdarkwalker tarafından 01:52 23.09.2014 tarihinde düzenlendi.
23.09.2014 21:00
23.09.2014 20:46
olum onu insan okuyacak one uhasduha
23.09.2014 20:44
berg demiş ki:
kuantum fiziğini sikiyim
23.09.2014 20:26
kuantum fiziğini sikiyim
23.09.2014 17:38
başkan sen naptın ya
23.09.2014 16:26
23.09.2014 15:36
anan zaaaa xD
23.09.2014 15:25
what the bleep do we know diye bir belgesel vardı iyiydi hoştu...
23.09.2014 13:44
bana kuantum anlatanın 40 yıl kölesi olurum,
bana "bir şey zaman 2 faklı yerde nasıl olabilir"i anlatanın 50 yıl kölesi olurum,
bana kuantum kabının ne olduğunu anlatabilenin ömür boyu kölesi olurum,
hadi bakalım...
23.09.2014 13:24
şröydingerin kedisi var ya işte o
23.09.2014 12:59
çok faydalı bişeeee
23.09.2014 12:49
kuantumdan sonrasını okumadım.
23.09.2014 01:59
Quentin "Tarantella" der saçmalar ve giderim
23.09.2014 01:56
nick:cave and the bad shits demiş ki:
kedim Schrödinger ile biz çok momentiz
Bu yazıyı baştan sonra okuduktan sonra iki christopher nolan filmi izlemek fena oluyor rüyanda S. Hawking falan görüyorsun
23.09.2014 01:55
****************************spoiler****************************

kutudaki kedi ölü

****************************spoiler****************************
23.09.2014 01:54
kedim Schrödinger ile biz çok momentiz