Kuantum mekaniğinin tarihi

Kuantum mekaniğinin tarihi modern fizik tarihinin önemli bir parçasıdır. Kuantum kimyası tarihi ile iç içe olan kuantum mekaniği tarihi özünde birkaç farklı bilimsel keşif ile başlar; 1838’de Michael Faraday tarafından katod ışınlarının keşfi, Gustav Kirchhoff tarafından 1859-60 kışı siyah cisim ışıması problemi beyanı, Ludwig Boltzmann’ın 1877 yılındaki fiziksel bir sistemin enerji seviyelerinin ayrıklardan olabileceği önerisi, 1887 yılında Heinrich Hertz’in fotoelektrik etkiyi keşfetmesi, ve Max Planck’ın 1900 yılında ileri sürdüğü, herhangi bir enerji yayan atomik sisteminin teorik olarak birkaç farklı “enerji elementi” ε (epsilon) ne bölünebilmesi, bu enerji elementlerinden her birinin frekansına ν orantılı olması ve ayrı ayrı enerji üretebilmesi hipotezi, aşağıdaki formülle gösterilmiştir;

${\displaystyle \epsilon =h\nu \,}$

bu formülde h Planck sabiti isimli sayısal bir değerdir.

Ardından, 1905 yılında, Albert Einstein daha önce 1887 yılında Heinrich Hertz tarafından raporlanan fotoelektrik etkiyi açıklamak için, devamlı olarak Max Planck’ın ışığın kendisinin ayrı kuantum parçacıklarından oluştuğu hipotezini doğru saymıştır ve 1926 yılında Gilbert N. Lewis tarafından foton olarak adlandırılmıştır. Fotoelektrik etkisi metal gibi belirli maddelerin üzerinde belirli dalgaboylarının parlayan ışığı şeklinde gözlemlenir ve bu durum sadece ışık kuantum enerjisi metal yüzeyinin iş fonksiyonunden daha büyükse elektronların bu maddelerden fırtatılmasına sebep olur.

“Kuantum mekaniği”(Almanca; "quantenmechanik") ifadesi Max Born, Werner Heisenberg, ve Wolfgang Paulil’nin aralarında bulunduğu birkaç fizikçi tarafından Göttingen Üniversitesinde 1920’lerin başında üretilmiştir, ve ilk olarak Born’un 1924 tarihli"Zur Quantenmechanik"makalesinde kullanılmıştır.^[1] İlerleyen yıllarda bu teorik temel yavaş yavaş kimyasal yapı, reaktiflik ve bağlanma üzerinde uygulanmaya başlamıştır.

Genel Bakış

Ludwig Boltzmann'nın 1898'de öne sürülen I₂ molekülünün "atomik hassasiyetinin"(α, β) birbiri üzerine geçişini gösteren grafiği.

Ludwig Eduard Boltzmann 1877 yılında molekül gibi fiziksel sistemlerinin enerji seviyelerinin farklı olabileceğin önerdi. Kendisi, matematikçiler Gustav von Estcherich ve Emil Müller ile birlikte Avusturya Matematik Topluluğu’nun kurucusuydu. Boltzmann’ın iyot gazında olduğu gibi moleküllerdeki farklı enerji seviyelerinin varlığına dair gösterdiği gerekçesinin kökleri istatistiksel termodinamik ve istatistik mekanik teorilerindedir ve matematiksel argümanlar ve 20 yıl sonra Max Planck tarafından ileri sürülen ilk kuantum teorisiyle desteklenmiştir.

1900 yılında Alman fizikçi Max Planck istemeyerek, daha sonra Planck Kanunu olarak adlandırılan, Boltzmann dağılımını (klasik limite uygun) kapsayan, bir siyah cisim tarafından yayılan enerjiye bağlı olarak gözlemlenen frekansı tespit etmek için formül çıkartmak adına enerjinin nicelleştiği edildiği fikrini ileri sürdü. Planck Kanunu^[2] şu şekilde belirtilebilir;${\displaystyle I(\nu ,T)={\frac {2h\nu ^{3}}{c^{2}}}{\frac {1}{e^{\frac {h\nu }{kT}}-1}},}$ ;

h Planck sabiti;

c Uzaydaki ışığın hızı;

k Boltzmann sabiti;

ν Elektromanyetik radyasyonun frekansı; ve

T Maddenin sıcaklığı(kelvin cinsinden)

Önceki Wien yaklaşımı ${\displaystyle h\nu \gg kT}$ olduğu kabul edilerek Planck Kanunundan çıkarılabilir.

Dahası, Planck’in kuantum teorisinin elektrona uygulanması 1911-1913’de Ştefan Procopiu’nun ardından 1913’te Niels Bohr’un, daha sonraları “magneton” şeklinde adlandırılan, elektronun manyetik momentini hesaplamasına zemin hazırladı. Benzer fakat sayı olarak oldukça farklı değerlerde olan kuantum hesaplamaları, daha sonraları, manyetiğin elektrondan daha küçük olan 3 parçası protonun ve nötronun manyetik momenti için de mümkün kılındı.

Fotoelektrik etki

Metal levhadaki elektronlar, gelen fotonların enerjisinin metalin iş fonksiyonun enerjisinden büyük olduğu için yayılır.

Fotoelektrik etki, 1887'de, Heinrich Hertz tarafından yayınlandı, ve, 1905'te Albert Einstein açıklığa kavuşturdu.

* Düşük- Enerji fenomeni: Fotoelektrik etki

* Orta-Enerji fenomeni: Compton olayı

* Yüksek-Enerji fenomeni: Çift oluşum

1905 yılında, Einstein ışığın ya da daha genel olarak bütün elektromanyetik radyasyonun boşlukta belli bir noktada bulunan sonlu bir enerji miktarına bölünebileceğini varsayarak fotoelektrik etkiyi açıkladı. Mart 1905 kuantum makalesinin giriş bölümünde Einstein;

"Burada üzerinde tartışılacak varsayıma göre, bir ışık ışını belirli bir noktadan yayılırken, enerji devamlı olarak giderek artan boşluklara dağılmıyor, aksine bölünmeden hareket eden, bir bütün halinde absorbe edilebilecek veya oluşturulabilecek, boşlukta belirli bir noktada bulunan sonlu ‘enerji miktarı’ içeriyor."

demiştir.

Bu ifade bir 20. Yüzyıl fizikçisi tarafından yazılan en devrimsel cümle olarak görülmüştür.^[3] Bu enerji miktarları daha sonra 1926 yılında Gilbert N. Lewis tarafından "foton" olarak adlandırılmıştır. Her fotonun nicesel olarak enerji barındırması fikri kayda değer bir başarıydı; bu sayede teorik olarak ışığın sadece dalga olarak görülmesi yüzünden ortaya çıkan sonsuz enerjiye erişen siyah cisim radyasyonu problemi çözülmüştür. 1913 yılında Bohr, On the Constitution of Atoms and Molecules makalesinde kuantumlama kullanarak hidrojen atomunun tayf çizgilerini açıkladı.

Bu teoriler başarılı olmalarına rağmen oldukça görüngüseldi. O tarihte, Henri Poincare’in 1912 tarihli Planck’ın teorisini masaya yatırdığı makalesi Sur la théorie des quanta^[4][5] dışında nicemlemeyi kanıtlayacak kesin kanıtlar yoktu. Hepsi "eski kuantum teorisi" olarak anılıyordu. “Kuantum fiziği” deyimi ilk olarak Johnston’un ‘’Planck's Universe in Light of Modern Physics’’ de kullanıldı (1931).

Sıcaklık azaldıkça, karacisim ışınım eğrisinin zirvesi düşük şiddetlere ve yüksek dalga boylarına doğru kayar. Ayrıca klâsik Rayleigh-Jeans modeli ışınımıda (karşılaştırma amacı ile) bu figürde görülmektedir..

1924 yılında, Fransız fizikçi Louis de Broglie parçacıkların dalga özellikleri dalgaların da parça özellikleri gösterebileceğini belirterek, madde dalga teorisini ileri sürdü. Bu teori bir parçacık içindi ve Özel görelilik teorisinden geliyordu. Modern kuantum mekaniği 1925 yılında Alman fizikçi Werner Heisenberg, Max Born ve Pascual Jordan^[6][7] matris mekaniğini geliştirmesiyle ve Avusturyalı fizikçi Erwin Schrödinger dalga mekaniğini ve de Broglie’nin teorisini genelleştiren göresiz Schrödinger denklemini keşfetmesiyle Borglie’nin yaklaşımı üzerine kurulmuştur.^[8] Daha sonra Schrödinger iki yaklaşımın da aynı olduğunu göstermiştir.

Heisenberg 1927 yılında belirsizlik ilkesini formüle etti, aynı zamanda da Kopenhag yorumu şekillenmeye başladı. 1927 yılında Paul Dirac kuantum mekaniğini özel görelilikle birleştirme çalışmalarına, elektron için Dirac denklemini öne sürerek başladı. Dirac denklemi, Schrödinger’in elde edemediği, bir elektronun dalga işlevinin göreli tasvirini elde etmeyi başardı. Bu elektronun dönüşünü hesapladı ve Dirac’ı pozitronun varlığını tahmin etmeye itti. Ayrıca bra-ket gösterimi ile birlikte 1930 tarihli ünlü ders kitabında tarif ettiği operatör teorisine öncülük etti. Aynı tarihlerde, Macar bilgin John von Neumann 1932 tarihli ünlü ders kitabında tarif ettiği gibi, Hilbert boşlukları üzerine doğrusal operatörler teorisinde kuantum mekaniği için kesin matematiksel temeli formüle etti. Bunlar gibi, kuruluş zamanından beri birçok çalışma hala duruyor ve sıklıkla kullanılıyor.

Kuantum kimyası alanına fizikçi Walter Heitler ve 1927 yılında hidrojen molekülünün kovalent bağı ile ilgili bir çalışma yayımlayan Fritz London tarafından öncülük edilmektedir. Kuantum kimyası daha sonraları Caltech’den Amerikan kuramsal kimyacı Linus Pauling ve John C. Slater’ın molekül orbital kuramı ya da değerlik kuramı gibi çeşitli teorileriyle birçok uzman tarafından geliştirildi.

1927’den itibaren araştırmacılar kuantumu parçacıklar yerine alanlara uygulama girişimlerinde bulundu ve bu da kuantum alanı kuramlarının ortaya çıkmasına sebep oldu. P.A.M. Dirac, W. Pauli, V. Weisskopf, ve P. Jordan bu alandaki ilk araştırmacılardandır. Bu araştırma alanı kuantum elektrodinamiğinin R.P. Feynman, F. Dyson, J. Schwinger, ve S.I. Tomonaga tarafından 1940’larda formüle edilmesiyle en üst noktasına ulaştı. Kuantum elektrodinamiği elektronların, pozitronların ve elektromanyetik alanın Kuantum alan teorisini tanımlamıştır^[6][7][9] ve daha sonraki kuantum alan kuramı için model olarak alınmıştır.

Kuantum renk dinamiği teorisi 1960’ların başında formüle edilmeye başlanmıştır. Bugünkü haliyle bildiğimiz teori Politzer, Gross ve Wilczek tarafından 1975 yılında formüle edilmiştir.

Schwinger, Higgs ve Goldstone’un öncü çalışması üzerine ekleme yapma kaydı ile, fizikçiler Glashow ve Salam zayıf nükleer gücün ve kuantum elektrodinamiğinin tek bir elektrozayıf kuvvette birleştirilebileceğini gösterdi ve bu sayede 1979 yılında ]]Nobel Fizik Ödülünü}} aldı.

Kurucu Deneyler

Kuantum mekaniğinin tarihindeki on etkili isim. Soldan sağa doğru:

Max Planck, Albert Einstein,
Niels Bohr, Louis de Broglie,
Max Born, Paul Dirac,
Werner Heisenberg, Wolfgang Pauli,
Erwin Schrödinger, Richard Feynman.

• Thomas Young’un ışığın dalga doğasını gösterdiği Çift yarık deneyi. (1805)
• Henri Becquerel radyoaktiviteyi keşfetti. (1896)
• J.J Thomson’un Katot ışın tüpü deneyleri. (elektron ve elektronun negatif elektrik yükünü keşfetti) (1897)
• Kuantum konseptleri olmadan açıklanamayan 1850-1900 arasındaki Siyah cisim radyasyonu çalışmaları.
• Fotoelektrik etki: Einstein bunu 1905 yılında foton konseptini nicemlenmiş enerji ile birlikte ışık parçacıkları kullanarak açıkladı. (ve daha sonra bu sebeple Nobel Ödülü aldı)
• Robert Millikan’ın elektrik yükünün nicemsel olarak meydana geldiğini gösteren Yağ damlası deneyi. (1909)
• Ernest Rutherford’un, atomun kütle enerjisi ve pozitif enerjisinin neredeyse eşit olarak dağıldığını ileri süren Thomson Atom Modeli’nin aksini kanıtladığı Altın folyo deneyi. (1911)
• James Franck ve Gustav Hertz’in civa atomunun enerji soğumasının nicemsel olduğunu gösterdiği Franck Hertz deneyi. (1914)
• Otto Stern ve Walter Gerlach’ın parçacık dönüşünün nicemsel doğasını gösterdiği Stern-Gerlach deneyi. (1920)
• Clinton Davisson ve Lester Gerner’ın elektronun dalga doğasını gösterdiği Elektron difraksiyon deneyi. (1927)
• Clyde L. Cowan ve Frederick Reines [[Nötrino deneyi[[nde nötrinonun varlığını doğruladı. (1955)
• {{Clauss Jönsonn[[’un elektronlarla olan Çift yarık deneyi. (1961)
• Klaus von Klitzing tarafından 1980 yılında keşfedilen Kuantum Hall Olgusu. Hall Olgusunun nicemselleşmiş hali elektrik ve ince yapı sabitesi için aşırı isabetli bir saptama ortaya çıkardı.
• Alain Aspect tarafından kuantum dolanıklılığının deneysel doğrulaması. (1982)
• Paul Kwiat, Harold Wienfurter, Thomas Herzog, Anton Zeilinger, ve Mark Kasevich tarafından yapılan Mach-Zehnder çatışma ölçeği deneyi. Bu deneyle beraber Elter Veidman bomba testine deneysel doğrulama sağlamış ve interaksiyonsuz ölçümün mümkün olduğunu göstermiştir. (1994)

Kaynakça

1. Max Born, My Life: Recollections of a Nobel Laureate, Taylor & Francis, London, 1978.
2. M. Planck (1914). The theory of heat radiation, second edition, translated by M. Masius, Blakiston's Son & Co, Philadelphia, pages 22, 26, 42, 43.
3. Folsing, Albrecht (1997), Albert Einstein: A Biography, trans. Ewald Osers, Viking 
4. McCormmach, Russell (Spring 1967), "Henri Poincaré and the Quantum Theory", Isis 58 (1): 37–55, DOI:10.1086/350182 
5. Irons, F. E. (August 2001), "Poincaré's 1911–12 proof of quantum discontinuity interpreted as applying to atoms", American Journal of Physics 69 (8): 879–884, Bibcode 2001AmJPh..69..879I, DOI:10.1119/1.1356056 
6. David Edwards,The Mathematical Foundations of Quantum Mechanics, Synthese, Volume 42, Number 1/September, 1979, pp. 1–70.
7. D. Edwards, The Mathematical Foundations of Quantum Field Theory: Fermions, Gauge Fields, and Super-symmetry, Part I: Lattice Field Theories, International J. of Theor. Phys., Vol. 20, No. 7 (1981).
8. Hanle, P.A. (December 1977), "Erwin Schrodinger's Reaction to Louis de Broglie's Thesis on the Quantum Theory.", Isis 68 (4): 606–609, DOI:10.1086/351880 
9. S. Auyang, How is Quantum Field Theory Possible?, Oxford University Press, 1995.