Einstein, Kuantum Fiziği Konusunda Yanılmış mıydı?
başlangıç
ilk olarak einstein'ın bilinenin aksine kuantum kavramının icat edilmesine yardımcı olduğunu, ancak olasılıklı bir evren düşüncesiyle ölümüne kadar mücadele ettiğini belirterek başlayalım. yani burada en çok yanlış bilinen nokta bu. kuantum fiziğine tamamiyle karşı çıkmıyor hatta onun gelişmesinin baş aktörlerinden biri. onun esas karşı çıktığı nokta olasılıksal yorum.
1926'da albert einstein kuantum mekaniğine ait olan 'evrenin olasılıksal yorumu' düşüncesinden tamamen uzaklaşmaya başladı. einstein’ın zihninde, evren eninde sonunda temel olarak deterministik olan fizik kanunlarına uymak zorundadır (bkz: determinizm) ve einstein bundan taviz vermek istememiştir. einstein, max born'ın (1882–1970) ona yazdığı bir mektuba cevaben bunu en açık şekilde dile getirmiştir:
“kuantum mekaniği çok etkileyicidir. ama bir iç ses bana bunun henüz gerçek bir şey olmadığını söylüyor. teori çok yarar sağladı ancak bizi eskiden beri var olanın gizemine yaklaştıramadı. ben, her zaman tanrının zar atmadığına ikna oldum.”
aslında einstein-kuantum zıtlaşmasına dair yorumlar, einstein'ın "tanrı zar atmaz" sözünün yanlış yorumlanmasından da kaynaklanıyor ve direkt bütünüyle onun kuantum teorisine karşı olduğuna dair yanlış bir kanıya sebep oluyor. burada aslında öne çıkan şey, olasılıklı düşünce fikri.
gerçekten de, einstein'ın yaşamının son 30 yılı boyunca (18 nisan 1955'teki ölümünün hemen öncesine kadar) yaptığı bilimsel çalışmaları, birleşik bir alan teorisi bulmaya odaklanırken, bu vizyona bağlıydı. böyle bir teorinin amacı, yerçekimini (einstein'ın kendi genel göreliliği ile tanımlandığı gibi) ve elektromanyetizmi (maxwell denklemleri tarafından tanımlandığı gibi) birleştirmek ve en önemlisi, “kuantum belirsizliğini” fizikten kurtarmaktı.
bununla birlikte, einstein'ın kuantumla olan ilişkisi her zaman bu kadar gergin değildi ve aslında, kuantum teorisinden kuantum mekaniğine geçildiği gibi, 20 yıl boyunca herkesin düşündüğünün aksine, kuantumun gelişiminde başı çekiyordu.
peki neler olmuştu?
1900 yılına gelindiğinde, 42 yaşındaki max planck (1858-1947), belirli bir sıcaklığa kadar ısıtıldığında bir nesnenin ürettiği radyasyonun spektrumunun temellerini atmak için için yaklaşık altı yılını harcadı (örneğin en basit haliyle elektrikli soba ısıtıldığında kırmızı bir renge döner) ve onun teorisinde ortaya çıkarılan bir hata, yeni deneysel verilerle birleşince sanki planck'in çabaları boşa çıkmış gibi görünmeye başlamıştı. bununla birlikte, planck ivedilikle gerekli düzeltmeleri yaptı ve deneyle mükemmel bir uyum içinde olan yeni bir teori ortaya koydu.
bununla birlikte, bu başarının bir bedeli olabilirdi. onun yeni teorisi de bize, enerji paketleri (kuanta) ile ilgili ilginç bir kavramı ortaya çıkaracaktı: atomik düzeyde madde klasik fiziğin varsaydığı gibi sürekli düzeyde değil, kesik kesik “ayrı” parçalar halinde enerji emer ve yayar. planck ve diğerleri yeni kuramının bu yönünü tam olarak benimsemekten çekiniyorlardı. ancak, einstein bunu hemen yapar ve yaklaşık 20 yıl boyunca onun üzerinde çalışır. (aslında burada einstein'ın kuantum fiziğine direkt olarak karşı olmadığının en büyük örneklerinden birini görmekteyiz)
1905'te, einstein 26 yaşındayken, ışığın üretimi ve dönüşümü ile ilgili keşifsel bir bakış açısı yayınladı (fiziği sonsuza dek değiştirecek üç diğer çığır açan makaleyle birlikte, doktorasını tamamladı, bu onun mucizevi yılıydı). ışığın da yığınlardan (yani, ışığın kuanta olarak adlandırılan enerji paketlerinden) meydana geldiğini veya foton olarak adlandırdığımız parçacıklar olarak davrandığını öne sürmekteydi.
ışığın doğası, antik yunanlılara değin birçok kez tartışılmıştır
1864'te james clerk maxwell (1831–1879) tarafından yayımlanan elektrik ve manyetizma ile ilgili bir dizi makalede son olarak, 1873'te yayınlanan elektrik ve manyetizma üzerine bir incelemesi ile birlikte, ışığı bir parçaçık (foton) değil, elektromanyetik dalga olarak adlandırılır. ışığın temel özelliklerinin çoğu için dalga ile uyumlu olduğunu iyi bir şekilde tanımlanmıştır. ancak hepsi için ışığın dalga şeklinde davranması geçerli değildi; ancak einstein’ın kuantası sayesinde bu tutarsızlık, yani ışığın farklı davranışları, başarılı bir şekilde ele alınabilindi.
bununla birlikte, einstein’ın fikri, planck’ın kuantum teorisinden çok daha fazla bir tepkiyle karşılandı. fizik topluluğunun genel düşüncesi belliydi: "ışığın dalga teorisine burnunuzu sokmayın!"
ancak einstein bu konuda kararlıydı ve bir parçacık olarak ışığın meydana getireceği sonuçları keşfetmeye devam etti ve kuantum teorisi üzerine çalışmalarını ısrarla ilerletti.
1909'da, ışığın momentumu üzerinde düşünürken, ışığın hem bir parçacık hem de bir dalga gibi davrandığını buldu ki bu daha önce hiç açıklanmayan bir ikilikti (dalga-parçacık ikililiğinin, de broglie versiyonu, 1923 yılında ortaya konacaktı). sonuçlarına atıfta bulunurken şunları söyledi:
"işte tam bu nedenle, teorik fiziğin gelişimindeki bir sonraki aşama, ışığın dalga ve parçacık düşüncelerinin bir tür füzyonu olarak anlaşılabilen bir ışık teorisi olacaktır."
genel göreliliğe odaklanmak için zaman ayırdıktan sonra, einstein temmuz 1916'da kuantum teorisine geri döndü. onun çabaları, 1916'da iki, 1917'de de üç bildiri ile sonuçlandı.
einstein, planck’ın çalışmalarının bir nevi kuantum türevini elde etmeyi başarırken, diğer teorilerden gelen varsayımlara dayanmak zorunda kaldığı için yetersiz kalmıştır; ancak bu çalışma ile einstein, daha derin ve reflektif bir ışık anlayışı elde etmede başarılı olacaktı.
teorinin önemli bir başarısı, bir fotonun bir atomdaki elektrona “çarpması” ile daha düşük bir enerji durumuna düşerek yayılmasına yol açan "uyarılmış emisyon" kestirimiydi. bu yeni mekanizma, günümüz lazerlerinin temelini oluşturur.
einstein, çok şaşırtıcı bulduğu bir başka ilginç fenomeni de ortaya çıkardı
uyarılmış emisyonun aksine, bir atom da kendiliğinden bir emisyon yayar. adından da anlaşılacağı gibi, bu doğal olarak meydana gelir, içinden bir fotonun geçmesi gerekmez; ama bu uyarılmış emisyona çok benzer bir süreçtir. (en çok radyoaktif bozunma süreçlerinde, x-ışınları veya gama ışınları gibi radyasyonun doğal olarak yayıldığı yerlerde meydana gelir.) kendiliğinden gerçekleştiği için, yayılan foton herhangi bir yöne fırlayabilir, ki bu da henüz bilinmemektedir. başka bir deyişle, fotonun fırladığı yön, doğal olarak rastlantısaldır ve bu rastlantısallık einstein'ın kuantum teorisi ile olan huzursuzluğunun başlangıcı olacaktı.
einstein 1925'te kuantum teorisine (ve belki de fiziğe) son büyük katkısını yapacaktı. 1924'te satyendra nath bose (1894–1974) sonunda planck'ın teorisinin tam kuantum versiyonunu elde etmeyi başardı ve bunu einstein'ın ışık kuanta adı verilen enerji paketleri konseptini benimseyerek gerçekleştirdi; ve bu olay devrim yaratan bir şeydi ve kuantum istatistiği denen bir alanı oluşturacaktı. einstein, hemen hemen 20 yıl ışığın temel doğasıyla cebelleşmişti ve bose'un başardığı şeyi hemen anlaması gerekiyordu.
bose'un ışığa göre geliştirdiği yöntemin, atomlara da uygulandığına inanan einstein, monoatomik ideal gaz kuantum teorisini geliştirmeye devam etti:
"bose'un planck'ın radyasyon formülünü türetmesi ciddiye alınırsa, o zaman ideal gaz teorisini görmezden gelemeyiz"
einstein, yöntemini detaylandıran üç makale yazdı
ilk makalede (bose'un makalesinin yayınlanmasından sadece sekiz gün sonra prusya akademisinde sunuldu), einstein, bose'nin yeni yöntemini monoatomik ideal gaza başarıyla uyguladı.
1925'te basılan ikinci yazı, üçünün içinde en önemlisidir. burada einstein, şu anda bose-einstein yoğunlaşması (bec) adını verdiğimiz çok sıra dışı bir faz geçişinin oluşumunu öngörmektedir. bec'de, gazdaki atomlar, sıcaklık düştükçe, en düşük enerji durumuna yoğunlaşmaya başlar. bu etki, sıcaklık mutlak sıfıra indirildiğinde en belirgin hale gelir, bu noktada tüm gaz atomları bu en düşük enerji durumuna yoğunlaşır.
bec'in şaşırtıcı kısmı, atomların yoğunlaşmasının, onları bir arada tutan çekici etkileşimlerle bir ilgisi olmamasıdır. bu, atomların kendilerinin kuantum doğasıyla ilgilidir.
erwin schrödinger (1887-1961), 1926'da dalga mekaniği olarak bilinen yeni bir kuantum teorisi üzerine altı ana makale üretecek ve bize onun ünlü dalga denklemini verecekti. einstein, başlangıçta schrödinger'in başarısını çok olumlu bir şekilde karşılayacaktı. “işinizin arkasındaki fikir gerçek bir deha içeriyor!” on gün sonra einstein şunları ekledi: “kuantumun formülasyonu ile kesin bir ilerleme kaydettiğinize inanıyorum…ancak, onun hisleri yakında değişecekti.
schrödinger'in dalga denkleminin fiziksel etkileri, schrödinger'in kendisi de dahil olmak üzere herkes için hala büyük bir gizemdi. nihayetinde haklı olan max born olacaktı: “parçacıkların hareketi olasılık yasalarını izler….” başka bir deyişle, klasik bir parçacıktan farklı olarak, bir kuantum parçacığı (elektron, foton, vb.) zaman, herhangi bir andaki konum, momentum, enerji bakımından iyi tanımlanmış değerler ve iyi tanımlanmış kesin bir yol izlemez. bu gibi fiziksel nicelikler, tamamen doğal bir kuantum olasılığı ile belirlenir.
kuantumdaki olasılığın altında yatan fikir, einstein için kanıtlanması çok zor olan bir şeydi
birleşik alan teorisi hayalini sürdürmek için sonsuza kadar yeni kuantum mekaniğine sırtını dönecekti. sonunda, einstein bu nihai hayali asla gerçekleştiremeyecekti. bütün bunlarla birlikte, kuantum mekaniğinin “tuhaflığı” ve gizemi bugün hala devam ediyor.
kaynak: https://blogs.scientificamerican.com/…-the-quantum/ den derlenmiştir. (27 mart 2018 tarihli makaleden)