Atom Aslında Böyle Değil !

Atom dendiğinde ilk akla gelen yapı, fakat yanlış !

Atom denilince hemen her insanın aklına yandaki resimdeki gibi bir model gelir. Bu insanların ortaokul, lise eğitimi sırasında sıklıkla karşılaştığı bir şekildir. Böylece bir cismin maddesel varlığı gerçekten varmış gibi öğretilir. Yandaki şekil, aslında olmayan bir şeyin resmidir. 20. yüzyılın başından itibaren yandaki resme benzer bir atom modelinin olamayacağı esasen çok iyi biliniyordu.Çünkü elektronun atomun etrafında dönmesi neticesinde kaçınılmaz bir sonuç ortaya çıkar. O da atomun içine çökmesidir. Çünkü bu tür bir elektronun hareketinin değişen yönü sebebiyle elektromanyetik ışımaya sebep olur, bunun neticesinde enerjisinden kaybeder ve çekirdeğe yanaşır. Ancak hareketi devam ettiği için yine elektromanyetik ışıma yapar ve giderek çekirdeğe yaklaşır. Bu da en sonunda atomun kendi içine çökmesine sebep olur.

Nitekim dünyanın en çok okunan fizik kitaplarından birinde bu gerçek şu şekilde anlatılmaktadır:“...Ancak bu teorinin ciddi bir kusuru vardır. Dönen elektron enerjisini tamamıyla dışarı verir. Her dönüşte giderek çekirdeğe yaklaşır. Spiral şeklinde çekirdeğe doğru dönerken sürekli spektrumlu bir ışınım yapar. Diğer kelimelerle, Newton ve Maxwell’in büyük klasik teorileri en basit atomun karşısında bir işe yaramıyorlar. Değil dalgaboyları, spektrum çizgilerini dahi açıklayamıyorlar. Aslında, onlar atomun var olmaması gerektiğini tahmin ediyorlar.” ( David Halliday, Robert Resnick, Jearl Walker; (John Wiley & SONS, INC. ) Fourth Edition, Fundamental of Physics , Sayfa 1143 )

Yani atomlar doğada varolsalar kaçınılmaz olarak içlerine çöküp yok olacaklardı. Ama atomlar biz yalnızca onları gözlemlediğimizde parçacık gibi davranıyorlar. Gözlemlenmediği zamansa dalga olarak. Bu yüzden atom altı parçacıklar kuantum dalga fonksiyonları denen matematiksel ifadelerle açıklanıyor. Bu dalga fonsiyonu dediğimiz şey anlattığımız gibi maddesel gerçekliği olan birşey değil sadece matematiksel bir formüldür. Bu formüllerden de olasılık fonksiyonları denen başka matematiksel kavramlar elde edilir ve bunlar sayesinde elektronların bulunabilecekleri yerler tahmin edilir. Aşağıdaki resimde bu olasılık fonksiyonları ile elde edilen tahmini atom şekilleri var. Bu şekiller tamamen ihtimallerle ilgilidir. Hiçbir fiziksel gerçekliği yoktur.

Atomu modelleyen şekiller resimdeki gibidir. Yukarıdaki şekiller elektronun atomun etrafındaki mekansızlığını ifade eder. Çünkü bu şekiller elektronun atomun çevresinde gözlem yapıldığında bulunma ihtimali ile ilgili matematiksel fonksiyonların grafikleridir. Elektron siz gözlem yapmazken yoktur. Yalnızca gözlem yaptığınızda bulunabileceği yerler vardır.

Bir cismin gözlem yapılmazken konumundan, uzaydaki bulunduğu yerinden bahsedemiyorsak bu ne anlama gelir? Elbette ki böyle bir cisim yoktur. Materyalizm maddenin kendisini ilahlaştırıyor. Onu mutlak bir varlık olarak kabul ediyor. Maddenin uzaydaki konumu diye bir kavram olmaması ise ilah edindikleri maddeyi yokluğa atıyor.

Heisenbergin Belirsizlik İlkesi

Atom yapısı bilgisine katkılarından dolayı 1932 yılında fizik dalında Nobel Ödülü'ne layık görülen Alman fizikçi Karl Werner Heisenberg,1927 de kendi ismiyle anılan Belirsizlik İlkesi'ni bulmuştur.

1920'lerde Heisenberg, atomlardan daha küçük (atomaltı) taneciklerin davranışlarının ne dereceye kadar belirlenebileceğini görebilmek için düşünsel (hipotetik) deneyler tasarladı. Bunun için taneciğin konumu ve momentumu gibi iki değişkenin ölçülmesi gerekliydi.

Temelde kuantum parçacıkları aynı anda hem dalga hem parçacıktır. Fakat ölçmeye veya gözlemlemeye kalkarsanız ya dalgayı ya da parçacığı bulursunuz. İkisi aynı anda saptanamazlar. Dalga ve parçacığı aynı anda net bir şekilde saptayamama durumu ( bakınız: çift yarık deneyi) Heisenberg’in belirsizlik İlkesinin özüdür.

Çift Yarık Deneyi

Eğer elektron parçacık konumundaysa onun kesin durumunu (konumunu), dalga konumundaysa momentumunu (hızını) ölçebiliriz.

Günlük yaşamda hareket halinde olan nesnelerin yerini ve momentumlarını saptamak bir sorun oluşturmaz. Örneğin bilardo topunun bilardo masasının neresinde olduğunu, hızını ve yönünü aynı anda kolaylıkla biliriz.

Kuantum varlıkları, örneğin elektron ve fotonları, yakından inceleyen Heisenberg, onların davranışlarının bilardo topunun davranışlarından çok farklı olduğunu gözlemlemiştir. Herhangi bir maddeyi ve dolayısıyla elektronu gözleyebilmemiz için ona bir ışığın gitmesi ve bu ışığın oradan gözümüze gelmesi gerekir. Işık hem dalga hem de parçacık özelliğine sahiptir ve bu gözlem sırasında elektronun konumundaki belirsizliği azaltmak için kısa dalga boylu bir ışık kullanmamız lazımdır. Ama kısa dalga boyu yüksek bir enerji demektir ve bu, ışık elektrona çarptığında onun momentumunu ciddi bir şekilde etkileyecek ve parçacığın hızı hatalı ölçülmüş olacaktır.

Bunun daha iyi anlaşılması için somut bir örnek olarak deniz dalgalarını gösterebiliriz.Hareket halinde olan dalgayı bir nokta olarak belirtemezsiniz.Bazı yerlerde daha çok, diğer yerlerde daha az belirlidir.

Ölçüm Problemi

Heisenberg ayrıca bu atomaltı parçacıkların yerlerinin kesinlik kazanması durumunda, momentumlarının giderek daha belirsiz olduğunu bulmuştur. Momentumlarının belirli olduğu durumlarda ise yerleri belirsizlik kazanmaktadır.

Bu belirsizlik doğanın en önemli temel yasalarından, hatta yapı taşlarından biridir.

Örnek olarak en basit atom olan Hidrojene bakalım.

Hidrojende yalnız tek bir protondan oluşan çekirdeğin etrafındaki bir yörüngede tek bir elektron dönmektedir. Bu elektronun yeri az çok bilinmektedir. Ama buna rağmen hızını ve momentumunu bilmeye olanak yoktur. Çünkü tek olmasına rağmen elektron, aynı zamanda dalga da olduğu için, Hidrojen çekirdeğinin etrafında bir bulut oluşturmaktadır. Elektronun oluşturduğu bu bulutun bazı yerlerinde daha çok, diğer yerlerinde daha az zaman geçirdiğini söyleyebilirsiniz. (örneği daha iyi anlayabilmek için Kuantum Parçacıklarının Aynı Anda Birçok Yerde Bulunabilmesi Sizce Anlaşılmaz mı? başlıklı yazımızı okuyabilirsiniz)

Tüm bunlar bizim, bir gözlemci olarak bir elektron hakkındaki bilgimizin sınırlı olduğu ve onunla ilgili bilgilerin tümüne erişemeyeceğimiz anlamına gelir. Atomaltı parçacıkları inceleyebilmek için bir foton gönderdiğimizde de fotonun etkisiyle sistem bozulacak, bundan böyle incelediğimiz sistem 'esas' sistem değil bizim etkimizle 'değişmiş' sistem olacaktır.

Yani Heisenberg'in yaptığı çalışmalara göre elektronların yerini ve momentumlarını diğer bir ifadeyle dalga mı parçacık mı olduğunu kesin olarak saptayamayız.

Meşhur Belirsizlik ilkesi formülleri. Bu formüller kısaca bir cismi gözlemlediğimizde kaçınılmaz olarak hep hatalı verilere sahip olacağımızı anlatır.

Ancak burada çok önemli bir detay vardır ve bazıları bu detayı geçiştirerek konuyu kapatmaya çalışır. Nitekim bu önemli detay, dünyada en yaygın okunan fizikçilerden olan John Gribbin tarafından şu şekilde belirtilmiştir:

"Hiçbir varlık aynı anda tam belirlenmiş momentum ( bu esas itibari ile hız demektir) ve tam belirlenmiş pozisyona sahip değildir. Bu bizim ölçüm cihazımızın eksikliğinden kaynaklanan bir netice değildir. Bu sadece, örneğin bir elektronun, aynı anda hem konumunu hem momentumunu ölçemeyiz demek değildir.Bu bir elektronun aynı anda belli bir konum ve belli bir momentuma sahip olmaması demektir. Herhangi bir anda, elektronun kendisi nerede olduğunu ve nereye gittiğini bilemez. (Bazı referans kitapları hala kuantum belirsizliğinin yalnızca pozisyon ve momentumun aynı anda ölçmenin zorluğunun bir neticesidir diye anlatmaktadırlar; onlara inanmayın!)"

( Q is for Quantum Particle Physics From A to Z, John Gribbin, Sayfa 509 )