YazarPhysicist
-
442Okuma Süresi: Bu yazıyı " 5 " dakikada okuyabiliriniz.
Kuantum fiziği, bir önceki bölümde bahsettiğimiz gibi, 19. yüzyılda bulunmuş olan ve Sanayi Devrimi’nde önemli rol oynayan termodinamiğin devamıdır. Planck 19. yüzyılın sonlarında aslında son derece basit görünen bir problemle meşguldü.
Problem şuydu: Sıcaklığı olan bütün cisimler radyasyon yayıyordu, ama bu yayılan radyasyonun dalga boyuna göre dağılımı klasik fiziğin kuralları ile açıklanamıyordu. İnsan durduğu yerde yaklaşık 100 watt’lık elektromanyetik dalga yayıyor. Bu dalganın önemli bir kısmı mikrodalga bölgesinde olduğu için gözle görmemiz mümkün değil, ama termal kameralarda bu görünüyor.
Kuantum fiziğinin dedelerinden biri sayabileceğimiz Gustav Kirchoff 1850’li yıllarda neredeyse bütün vaktini sobada ısıttığı cisimlerin değişen renklerini anlamaya çalışmakla geçiriyordu. Örneğin demir ısındıkça önce kırmızı, sonra turuncu, sonra da daha açık renk (akkor ya da mavi) görünüyordu.
Kirchoff bu renk değiştirmenin ardındaki fiziksel mekanizmaları merak ediyordu. Çalışmaları sırasında çok önemli bir şey fark etti: Bir cisim üzerine düşen ışığı ne kadar iyi emiyorsa (yani ayna gibi doğrudan yansıtmıyorsa) o cisim o kadar iyi ışık yayıyordu. Yani iyi emiciler aynı zamanda iyi yayıcılardı! Kirchoff ideal bir cisim hayal etti: Öyle bir cisim düşünün ki üzerine düşen ışığın tamamını emsin, hiç yansıtmasın, daha sonra da bunu radyasyon olarak yaysın. Üzerine düşen bütün ışığı emdiği için Kirchoff bu cisme “kara cisim”ismini verdi.
Kara cisim mükemmel ışık emici ve sonunda emdiği ışığı her dalga boyunda radyasyon olarak yayan ideal bir cisim. Kirchoff kara cismin tayfının, şeklinden ve hangi malzemeden oluştuğundan bağımsız olarak, sadece sıcaklığına bağlı bir fonksiyon olduğunu gösterdi. Yani sadece sıcaklığını bildiğimiz bir cismin hangi dalga boyunda,ne kadar enerji yayacağını bulmamız mümkündü.
Kirchoff 1859 yılında hem deneysel fizikçiler hem de kuramsal fizikçiler için çok önemli bir soru soruyordu: Kara cismin bir saniyede yaydığı enerjinin sıcaklık ve dalga boyuna göre değişimi nasıldır? Kara cismi şöyle düşünebiliriz: Kapalı bir kutu, üzerinde çok küçük bir delik var. Bu delik üzerine düşen tüm ışığı içine alıyor. Işık kutu içine düştükten sonra duvarlar tarafından emiliyor. Kutunun içi kutunun duvarları ile aynı sıcaklıkta radyasyon ile dolu.
Dolayısıyla delikten dışarıya radyasyon kaçıyor. Deneysel fizikçiler hemen cisimleri ısıtıp yaydıkları radyasyonu ölçmeye başladı. Gün geçtikçe daha kısa dalga boylarını ölçebiliyorlardı. Yaklaşık kırk yıllık çalışma sonucunda kara cisim ışıması eğrisi ortaya çıkmıştı. Maalesef Kirchoff bu sonuçları göremedi.
Aklımızda kalması için kara cismi kabaca şöyle de düşünebiliriz: Yazın öğle sıcağının altında bir bina düşünün, camları uzaktan siyah görünür. Çünkü camın üzerine düşen ışık odanın içindeatomlaraveya moleküllere çarpıp emilir. Ama odanın belli bir sıcaklıkta olan duvarları kızılötesinde yoğun olan bir elektromanyetik dalga yayar, bu dalgalar da camdan dışarı çıkar. Burada cam, kara cisme iyi bir örnektir.
Deneysel fizikçiler Kirchoff’un verdiği ev ödevini yapmış ve kara cisim ışıması eğrisini çok uzun gayretler sonucunda ortaya çıkarmıştı, ama kuramsal fizikçiler biraz geri kalmıştı. Elektromanyetik kuram-ki bu aynı zamanda ışık kuramıdır, kara cisim problemine uygulanınca karşımıza deneysel olarak elde edilen eğri ile hem kızılötesi bölgede (mikrodalga kısmı) hem de morötesi bölgede farklı bir eğri çıkıyordu.
Planck bu deneyler yapılırken doğru yerde, Berlin’de deneylerin yapıldığı yerdeydi, Kirchoff’tan kalan kürsüde hocalık yapıyordu. Kara cisimlerin ışık tayflarını izah etmek için termodinamik yasalarını kullanıyordu. Kesin olarak bildiği bir şey vardı: Bir cisimden çıkan radyasyon o cismin içindeki yüklerin ivmelenmesi nedeniyle ortaya çıkıyordu.
Maxwell böyle demişti, Hertz de bunu ispat etmişveradyobusayede icat edilmişti. Ancak kara cisim eğrisini açıklayabilmek için, kara cismi oluşturan mikroskobik radyasyon yayıcıların her frekansta yayın yapmaması gerekiyordu.
Maxwell yaşasaydı itiraz ederdi,ama Planckkara cisim eğrisini izah edebilmek için mikroskobik cisimlerin sadece kendi doğal titreşim frekanslarının belli katlarıolan frekanslardaradyasyon yayabileceğini kabul etti. Artık Planck bilmese de foton doğmuş oluyordu.