Kuantum Fizigi, Zaman Kavrami Ve Deniz Tasimaciligi - Seversintabi.com Türkiye'nin En Büyük Forumu Bence Seversin Tabi

**ceyLin** · #1 3 December 2008, 10:20

Bu sene Albert Einstein’in(1879-1955) özel görecelilik teorisi de içinde olmak üzere 1905 senesinde fizikte devrim yapan üç ayrı makalesini aynı sene içinde ortaya atmasının 100. yılı olması nedeniyle tüm dünyada “Dünya Fizik Yılı- World year of Physics 2005” ya da diğer bir tanımlamayla “Einstein yılı-100th aniversary of Albert Einstein’s Miraculous Year”,Latince adlandırılmasıyla “Annus Mirabilis-Mucize Yılı” olarak kutlanıyor.Amaç tüm dünya insanlarının fiziğe olan ilgisine yeni bir ivme kazandırmak ve son yüz yılda gelmiş en büyük bilim adamı olarak nitelendirilen ve Time dergisi tarafından “Yüzyılın insanı” olarak seçilen A.Einstein’ı gereken şekilde anmak.

Burada amacım yorucu iş temponuzun ortasında sizleri hayal gücünün sınırsız ufuklarında kısa bir fizik yolculuğuna çıkarmak ve görelilik ve kuantum kuramlarıyla son yüzyılda yelkenlerini doldurmuş olan yeni fiziğin çığır açıcı kavramlarının deniz taşımacılığına ve dolayısıyla biz denizcilere neler ifade edebileceğini irdelemeye çalışmak.

Dilerseniz bu kısa yolculuğumuza Einstein’la başlıyalım.

GÖRELİLİK KURAMI (Relativity) :

Einstein ,özel ve genel görelilik teorisini ortaya atmasıyla uzay ve zamanı algılayışımıza bir çok yenilikler getirdi.Einstein’ın 1905 yılında yayınlanmış olan üç makalesinden sonuncusu

özel görelilik kuramının başlangıcını oluşturmaktadır.Bu makale ışık hızının sabitliği sorununu irdelemeyi amaçlıyordu ; 20.yüzyılın başlarında gerçekleştirilen bir çok deney ışığın boşlukta sabit bir hızla (yaklaşık saniyede 300.000 km) ilerlediğini kanıtlıyordu.Dünyanın gerek kendi ve gerekse güneş etrafında dönüyor olmasına rağmen kütlelerin göreceli hareketinden tamamen bağımsız olarak ışığın sabit bir hızının olduğunun ispatlanması bilim adamlarını oldukça şaşırtan bir buluş olmuştu. Fizikçiler dünyanın güneş çevresinde

saniyede 30 km kadar ilerlediği göz önüne alınırsa aynı yönde ilerleyen ışığın biraz daha yavaş yayıldığını görmemiz gerekir diye mantık yürütseler de deneylerle ispatlanan durum bu değildi.Einstein’ın bu sorundan yola çıkarak vardığı ve “Özel Görelilik ” olarak adlandırılan kuram bilim dünyasına yepyeni ufuklar açtı.

Einstein’ın en çok “tren,saat ve trenin içinde ve dışındaki birer gözlemci” örneği ile simgeleşmiş özel görelilik kuramının vardığı sonuçlar özet olarak şöyledir:

1)Bize göre sabit hızla ilerlemekte olan bir aracın içindeki tüm saatler bizimkinden daha yavaş ilerler.Bu aracın hızı ışık hızına yaklaştıkça belirgin hale gelen bir etki olmasına rağmen mikro ölçekte bir çok deneyle ispatlanmıştır.Örnek olarak ses hızının iki katı bir süratle hareket eden bir uçak bu şekilde bir sene uçtuktan sonra uçağın içinde bulunan saatler saniyenin on binde biri kadar geri kalmaktadır.

2)Bu etkiye ilaveten hareket eden cisimlerin boyları hareketleri doğrultusunda kısalmaktadır.

Bu konuda çok bilinen diğer bir örnekte ikizler paradoksudur.İkizlerden biri ışık hızına yakın bir hızda ilerlediği bir uzay yolculuğuna çıkarken diğer ikiz dünyada kalır.Zaman, yolculuğa çıkan ikiz için dünyada kalan ikizinin algıladığından daha yavaş ilerler.Böylece uzay yolcusu ikiz geri döndüğünde,dünyada kalan ikizinin kendisinden daha fazla yaşlandığını görecektir.

Einstein böylelikle zamanın evrensel bir niceliğinin olmadığını,bunun yerine herkesin kendine ait bir zamanı olduğunu,iki kişinin zamanı,birbirlerine göre durağan olduklarında uyumlu,hareketli olduklarında ise uyumsuz olduğunu göstermiş oldu.

Özel görelilik kuramı elektrik ve manyetizma kanunları ile uyuşsa da Newton’un kütle çekim kanunuyla uyuşmuyordu.Newton’un çekim kanunu uzayın bir bölgesinde maddenin dağılımı yeniden düzenlendiğinde bu durumun evrenin tümünde hemen hissedileceğini öngörüyordu.

Bu durum görelilik kuramının imkansız olduğunu gösterdiği gibi, ışık hızından daha yüksek bir hızı gerektirmekle kalmıyor aynı zamanda yine görelilik kuramının ortadan kaldırdığı kişiye göre değişmeyen evrensel zaman kavramının mevcut olmasını gerektiriyordu.

Einstein uzay-zaman geometrisinin düz değil eğri olduğunu ortaya attı.Eğer dünya düz olsaydı Newton’un meşhur elmasının yerçekimi nedeniyle veya Newton yukarı doğru ivme kazandığı için düştüğü söylenebilirdi.Oysa bu eşitlik küre biçimindeki bir dünyada geçerli olamazdı.Geçerli olması demek dünyanın zıt tarafındaki kişilerin birbirinden uzaklaşmaları anlamına gelirdi.

Kütle çekimini kapsamayan,özel görelilik olarak tanımlanan kuramından ayrı olarak,bükülmüş uzay-zamanla ilgili yeni kurama “Genel görelilik” adı verildi ve bu durum 1919 senesinde Batı Afrika’daki bir İngiliz keşfinde güneş tutulması esnasında güneşin yakınından geçmekte olan bir yıldızdan gelen ışıkta küçük bir bükülmenin saptanmasıyla ispatlandı.

Genel görelilik kuramı,kütle çekiminin nasıl işlediğini anlatır.Hiç bir zaman çekimi bir kuvvet olarak hesaba katmaz.Bunun yerine cisimlerin çevresindeki çekim alanlarının,uzay ve zamanın bükülmesi sonucu meydana geldiğini söyler.Cisimler içerdikleri kütleler oranında uzayda çukurluklar oluşturur ve zamanın akışını yavaşlatır.Ancak uzayın derinliklerinde,tüm çekim kaynaklarından uzakta,uzay ve zaman tam anlamıyla düzdür.Çekim alanının gücü arttıkça uzay-zaman eğriliği de o oranda artar.Bütün bunlardan çıkan sonuç şudur :Madde uzay-zamanın nasıl eğileceğini,uzay-zaman da maddenin nasıl davranacağını belirler.

Einstein’ın genel görelilik kuramı ,uzay ve zamanın,evrenin durağan değil dinamik katılımcıları olarak anlaşılmasını sağladı.

Her iki görelilikten çıkan çok önemli diğer bir sonuç E=mc2 formülüyle ifade edilen kütle ve enerji arasındaki ilişkinin ifade bulmasıydı.Madde enerjinin yoğunlaşmış biçiminden başka bir şey değildi.Atom çekirdeğinin yapı taşları olan proton ve nötronların bağımsız kütlelerinin toplamı her zaman çekirdeğin kütlesinden fazladır.Öyleyse proton ve nötronları bir arada tutan enerji bir anlamda aradaki kütle farkından dönüşmüş olmaktadır.İşte çekirdek parçalanmasıyla büyük patlama etkisini açığa çıkaran da bu potansiyel enerjidir.

1939 senesinde 2.Dünya savaşı başlamak üzereyken bir grup bilim adamı Einstein’a barışçı duygularını bir kenara bırakması ve nükleer enerji programını başlatması için Başkan Roosvelt’e gönderilecek bir mektuba imzasını koyması yolunda kendisini ikna etti.

Bu mektup Manhattan projesi ile başlayan ve 1945’te Hiroşima ve Nagazaki’ye bırakılan atom bombalarıyla noktalanan süreci başlatmış oldu.Bir çok insan kütle ve enerji arasındaki ilişkiyi bulduğu için bu konuda Einstein’ı suçlamış olmasına rağmen o Manhattan projesinde hiçbir zaman yer almamış ve bomba atıldığında dehşete kapılmıştır.

Atom bombasından ötürü Einstein’ı suçlamanın uçakların düşmesinden ötürü yerçekimini bulduğu için Newton’u suçlamakla aynı şey olduğu söylenir.

İşin asıl ilginç yanı Einstein’a 1921 senesinde Nobel fizik ödülü verildiğinde bu özel görelilik kuramını açıkladığı makalesinden ötürü değil aynı sene içinde yazdığı diğer bir makalesinde kuantum fiziğine yaptığı katkılardan ötürü verildi.

KUANTUM FİZİĞİ :

1900 yılında Alman Fizikçi Max Planc(1858-1947) kara cisim radyasyonu üzerine çalışırken ışığın “kuantum” denilen enerji paketçiklerinden oluştuğunu buldu.Bulduğu formül,ışık enerjisinin dalga paketleri halinde aktarıldığını ifade etmekteydi.

1905 yılına gelindiğinde Einstein fotoelektrik olayına değindiği makalesinde fizikçilerin o güne kadar kafasını karıştırmış olan bir probleme çözüm getiriyordu.Fotoelektrik olayını kabaca tarif etmek gerekirse, ****l yüzeye düşürülen ışık yüzeyden elektron kopartır.Bu kopartılan elektronlar devrede bir akım meydana getirir.Fizikçilerin çözemediği elektronların hızının ışığın şiddetinden bağımsız olması olgusuydu.Onlara göre kopan elektronun hızı ışığın rengine,diğer bir deyimle dalga boyuna bağlı olması gerekirdi.Einstein bu noktada,ışığın aslında dalga olmayıp,fotonlardan yani kuantum paketçiklerinden meydana geldiğini söyleyerek bu probleme bir açıklama getirdi.Einstein’a göre ****l yüzeyden kopartılan elektronun hızı,kuantum paketçiğinin enerjisine veya frekansına bağlıdır.Dolayısıyla ışığın şiddetini artıyor olmak sadece kuantum paketçiklerinin sayısını arttırmak anlamına gelir.Bu durumda ışığın şiddetini arttırdığımızda,yüzeyden kopan elektron miktarını çoğaltsak da,elektronun yüzeyden ayrılma hızını etkileyemeyiz.

Böylelikle Einstein Planck’tan sonra tekrar ışığın bir dalga olmayıp parçacıklar topluluğu (fotonlar) olması gerektiğini öne sürdü.Bundan sonra sırada kla*** fiziğin yeterince açıklayamadığı atom kuramının açıklanması geliyordu.

Ancak kırınım gibi olaylarda ışık bir dalga özelliği gösterdiğinden ışığın hem bir dalga hem de parçacık özelliği gösterdiği kabul edildi.Bu duruma fizikte “dalga-parçacık ikilemi” denir.

Niels Bohr(1885-1963) Danimarkalı bir bilim adamıydı ve halen günümüzde de kabul edilen Atom yapısına ilişkin teoriye son şeklini verdi.Bohr’a göre elektronlar (+) çekim etkisi altında dairesel olarak belirli yörüngelerde hareket ederler ve her bir yörünge bir enerji seviyesini ifade eder.Elektron bir üst seviyeye geçmek için enerji almaya ihtiyaç duyar,bir alt seviyeye geçmek içinse dışarıya enerji verir.

Ancak Bohr’un kuramı hidrojen atomları ve lityum iyonlarında başarıyla uygulandıysa da daha karışık atomlara uygulanamadı.

Atom mekanizmalarının işleyiş sistemini açıklayıcı diğer önemli bir bir adım, Fransız bilim adamı Louis De Broglie(1892-1987) tarafından getirildi.

Bu fizikçi ortaya sürdüğü tezinde fotonların hem dalga hem de tanecik özelliklerine sahip olmalarından yola çıkarak bütün madde biçimlerinin tanecik özelliği gösterdiği kadar dalga özelliği de gösterebileceğini öne sürdü.De Broglie’ye 1929 senesinde Nobel ödülü kazandıran bu kurama göre her elektrona,ona uzayda yol gösteren veya yörünge çizen bir dalga eşlik etmekteydi.

De Broglie’nin ardından Avusturyalı fizikçi Erwin Schrödinger(1887-1961) Zürih üniversitesinde teorik fizik profesörü olarak görev yaparken yayınladığı beş çalışma ile atom çekirdeği etrafındaki yörüngeler üzerinde hareket eden elektronların dalga denklemlerini yazdı.Belirli bir aralıkta hareket eden bir elektronun atom çekirdeği etrafındaki yörüngelerdetam olarak nerede olduğu değil,ancak nerelerde ,hangi ihtimalle bulunabileceği belirlenebilir.Aynı zamanda kuantum fiziğinde sıfır ihtimal diye bir şey yoktur.

Bu konuda denebilir ki tabiatta her şey gerçekleşmeden önce mümkün olma özelliği ile vardır.

Dalga fonksiyonunu çökerten yada indirgeyen insanın gözlemiyse,o zaman biz bakmadıkça madde mevcut mudur ?
Schrödinger’in kedisi olarak bilinen meşhur kurgusal deneyde bu soruya cevap aranır.
Kedi dışarıdan bakanın onu göremeyeceği bir kutu içinde yaşamaktadır.Aynı kutuda radyoaktif bir maddenin gelişigüzel bozunmasıyla harekete geçen bir düzenek mevcuttur.Bozunan parçacık %50 ihtimalle bir mekanizmayı işletir ve bu mekanizma kediye yiyecek verir.Diğer %50 ihtimal ise başka bir mekanizmayı devreye sokarak kediyi zehirler.Biz kutuyu açmadıkça dalga fonksiyonu çökmez ve bütün olasılıklar kutunun içinde dalgalanır.Kedi ne ölü ne de diridir.Bu durum elektronun yada ışık parçacığının (foton)

biz onu gözlemlemediğimiz sürece dalga ve parçacık özelliklerinin her ikisine birden sahip olmasına benzer.Kutuyu açıp baktığımızda o zaman yaptığımız gözlem dalga fonksiyonunu çökertir ve kediyi ölü veya diri olarak görürüz.Bir anlamda kedinin ölü veya diri olması bizim gözlemimiz sayesindedir.

İngiliz bilim adamı Paul Dirac(1902-1984) ,1927 senesinde o güne kadar elde edilen bilgilerle Einstein’ın görelilik teorisini birleştirerek kuantum kuramındaki bir çok ek***liği tamamladı.Dirac,bulduğu formüllere dayanarak her parçacığın bir anti-karşı parçacığı olduğunu öne sürdü ve sonraki yıllarda yapılan deneyler bu savı ispatladı.

Elektron ve anti-elektron(pozitron) çarpıştırıldığında kütleler enerjiye dönüşüp gama ışını olarak yayılır.Bunu izleyen yıllarda “yüksek enerji fiziği” gibi bazı alanlara kuantum fiziğinin uyarlanması gündeme geldi.”Kuantum Alan Teoremi” olarak bilinen bu teoremde,standart kuantum teoriminde olduğu şekilde parçacıkları katı maddeler olarak görmek yerine,onların temel bir alanın uyarımları olduğu düşüncesi vardır.Bu teoriye göre varlık denen şey aslında bir enerji havuzunun dalgalanmasından ibarettir.

Schrödinger ve Dirac 1933 senesinde Nobel Fizik ödülünü paylaştılar.

Alman bilim adamı Werner Heisenberg (1901-1976) yine 1927 senesinde bir parçacığın konumu ve hızının aynı anda doğru bir şekilde belirlemenin olanaksız olduğunu ortaya koydu.Elektron atomun etrafında o kadar yayılmıştır ki yörüngenin kalınlığı atomun yarı çapına eşit olmaktadır.Bir başka deyişle elektron aynı anda çekirdeğin her tarafında bulunabilir.Parçacığı gözlemlemek için kullanılan dalga boyu ne kadar uzun olursa konumunun belirsizliği de o kadar büyük olur.

Buna karşılık konumunu daha iyi belirlemek için kısa dalga boyu gönderdiğimizde de konumunu sağlıklı belirlesek de bu sefer de parçacığın hızını bozarız.

Belirsizlik ilkesi,olasılık tanımı ve gözlemci-gözlenen bütünlüğü kuantum mekaniğine Kopenhag yorumu olarak girmiştir ve halen günümüzde de kuantum teorisinin en etkin yorumu olarak görülür.Kuantum meselesindeki tartışmalara bakıldığında bunların temelde meşhur çift yarık deneyinin yorumunda odaklandığı görülür.1803'te ve 1807'de

İngiliz bilim adamı Thomas Young ( 1773-1829) tarafından gerçekleştirilen çift yarık deneyinde tek bir ışık kaynağından gelen fotonların iki ayrı delikten geçiyor olmasını Kopenhag yorumcuları iki ayrı dünyada hareket olarak düşünüyorlar.Bu yoruma göre girişim birbirinden tamamen ayrı iki dünyadan her birinin birlikte hazırlanarak birbirinin üstüne çakışmasıyla ve birbirlerini bütünlemeleriyle oluşur.Sonuç olarak her iki dünyanın bir melezi oluşur.

1957 senesinde başka bir yorum Amerikalı fizikçi Hugh Everett’den(1930-1982) gelir.Everett’e göre gözlenemez bir çok paralel evren mevcuttur.Bunlara “Alternatif Kuantum Dünyaları” adını vermiştir.Bütün olaylar bu dünyaların birinde,olasılıkların tümü gerçekleşecek biçimde olmaktadır.Sonuçta tüm olasılıklar evrende mevcuttur demektedir.

Ünlü fizik kuramcısı Niels Bohr “Kuantum teorisiyle şok olmayan kimse,onu anlamamıştır” der.

Özel ve genel görelilik kuramları ve fiziğe yapmış olduğu diğer bir çok önemli katkılarıyla gelmiş geçmiş en iyi fizikçilerden biri olarak kabul edilen Einstein ve fizik dışında

Einstein kadar tanınmasa da fizikçiler arasında en az onun kadar saygıyla anılan Bohr, uzun yıllar birbirlerine karşı sevgi ve saygılarını hiçbir zaman yitirmeden kuantum mekaniğinin temel kavramları üzerine tartıştılar.

Kuantum mekaniğinin ilk ortaya çıktığı yıllarda fotoelektrik olayını açıklayarak
kuantum kuramına çok önemli bir katkı sağlamış olan Einstein, daha sonraları
kuantum kuramının geliştiği yönden hiç memnun kalmamıştı. 1927 Ekim'inde Brüksel'de yapılan beşinci Solvay konferansı ile başlayarak Einstein önceleri Heisenberg'in belirsizlik ilkesinin ve kuantum kuramının getirdiği olasılık kavramının yanlış olduğunu,dolayısıyla kuantum kuramının tutarsız olduğunu göstermeye çalıştı.