Einstein'ın Ortaya Çıkışı ve Planck Sabitinin 2.Zaferi

Planck'ın keşfettiği zamanlarda Einstein

Bilim dünyası morötesi felaketin garip çözümünü kabullenememişti ve neredeyse unutulmaya bırakılmıştı. (Morötesi felaket ve Planck sabiti başlıklı yazımızı okumak için tıklayın) Ancak konu 1905 yılında tekrar gün yüzüne çıkar. Hemde bugüne kadar adı hiçbir yerde duyulmamış ancak geleceğin en büyük dehası olacak biri tarafından gündeme getirilir:Albert Einstein.

Einstein bir patent bürosunda çalışmakta iken, bir yandan da teorik çalışmalar yapmaktadır. 1905 yılında, 26 yaşındayken fizikçilerin tam bir açıklama getiremedikleri bir konu olan foto-elektrik olay hakkında çok önemli bir makale yazar. Ancak hem makaledeki fikirlerin alışılagelmişin çok dışında olması, hemde Einstein'ın bilim dünyası tarafından hiçbir şekilde tanınmıyor olması makalenin, Einstein'ın birçok dergiyle bağlantıya geçmesine rağmen yayınlanmamasına neden olur.Ta ki Max Planck Einstein'ı keşfedinceye kadar. Planck o dönemin en büyük ve en önemli fizik dergisi olan "Annalen der Physik" dergisinin editörüydü ve en büyük teorik fizikçi kabul ediliyordu. Einstein'ın makalesi bir şekilde eline geçmiş ve hemen dergide yayınlamıştı.

Max Planck ve Einstein

1887 yılında yapılan deneylerden itibaren morötesi ışınların metal bir plaka üzerinden elektron kopartma özelliği olduğu biliniyordu. Kopartılan elektronların sayısı ışınların miktarıyla doğru orantılıydı fakat elektronların hızı yani kinetik enerjileri ışınların yoğunluğuyla bağlantılı değildi. Hız, yani kinetik enerji metal plakaya gönderilen ışığın tayf bileşenleriyle alakalıydı. Işınların dalga uzunluğu ne kadar kısaysa, kopan elektronların enerjisi de o ölçüde büyüktü. Ayrıca daha üzerine çıkılıdğında hiçbir elektronun kopartılamadığı azami dalga uzunluğu mevcuttu ve bu noktada klasik fiziğin açıklamayı başaramadığı bir sır saklydı.

Max Planck ve Einstein

Einstein makalesinde Planck'ın hipotezini tekrar ele alıp ışığa uyarlar. Monokrematik ( tek bir renkten oluşan ışık) olan, yani sadece tek bir frekans içeren bir ışığın, aynı kuantum enerjisinin taşıyıcısı olan sayısız parçacıktan oluştuğunu öne sürer. Bu parçacıklardan biri metal plakaya çarptığında enerji kuantumunu bir elektrona iletir ve elektron bu enerjinin bir kısmını çekirdekten kopmak için harcar, kalan kısmıda hızını oluşturur. Yine Planck'ın söyledikleriyle paralel giderek, ışımanın frekansı ne ölçüde yüksekse ışık parçacıklarının sahip olduğu kuantum enerjiside o ölçüde büyük olacağını ilave eder ( ya da dalga uzunluğunun frekansla ters orantılı olarak kısalacağını).

Özetle Einstein Planck'ın terosine şöyle bir katkı yapmıştır: Planck ışık kaynaklarının kuantlaşmış enerji değişimi yaptıklarını varsaymıştır. Einstein ise ışığın kendisinin kuantlaşmış olduğunu ve ışığın foton denen parçacıklardan oluştuğunu öne sürmüştür. Nihayetinde Einstein tüm bu verileri formüle ederek makaleyi sonuçlandırmıştır.

Einstein ve Millikan

1915 yılında Robert Millikan bu formulün geçerliliğini sorgular ve farklı monokromatik ışınımlarla aydınlatılan tek bir metalin yaydığı elektronların kinetik enerjilerini deneysel olarak inceler. Sonuç olarak ortaya çıkan Einstein'ın formülünün doğru olmasının yanında, formülde kullanılan h sabitinin Planck sabiti ile aynı çıkması olmuştur!

Sırasıyla: Walther Nernst, Albert Einstein, Max Planck, Robert Millikan, Max von Laue

Yani ışığın kendisi bizzat kopuk bir yapıdadır. Işık enerji tanelerinden, yani fotonlardan oluşmuştur. Ancak 17. yy dan ( Newton ve Huygens'ten) beri ışık hep su dalgaları gibi düşünülmüştü. Hatta buna delil olarak iki ışık huzmesinin birbirlerinin içinden, birbirlerini deforma etmeden geçebilmeleri gösterilmiştir. Oysa şimdi parçacıklardan bahsedilmektedir. Işık parçacıklardan oluşuyorsa, ışık huzmeleri birbiri içinden geçerken nasıl oluyorda hiçbir parçacık birbiryle çarpmışmıyor veya birbirlerinin yörüngelerini etkilemiyorlar?

Morötesi Felaket ve Planck Sabiti

1880'li yıllara doğru birçok fizikçi ısıtılmış bir maddenin ortaya çıkarttığı ışıma ile ilgileniyordu. Bu çalışmalarda fark edildi ki ışıma rengi, yani dalga boyu ısıya göre değişkenlik gösterir. Bir demir parçasını düzenli bir artış ile ısıttığımızda önce koyu kırmızı, daha sonra turuncu, sonra sarı ve en sonda beyaza dönüştüğünü görürüz. Peki bu renkler neye tekabül eder?

Aslında gördüğümüz şey ısınmış demire ait farklı dalga boylarının çakışması, üst üste gelmesi ve ısıyla orantılı olarak ortaya çıkan tayfıdır. Örneğin demiri 600 derecede iken kırmızı görürüz, ama 2000 dereceye doğru demir beyaz görünmeye başlar. Aslında ışınım düşük sıcaklıklarda da gerçekleşir. Ancak kızılaltında yer alan ışımaları gözlermiz algılayamadığı için bunları fark edemeyiz. 2000 derecenin üstüne çıktığımızda da ışımanın çok büyük bir kısmını görememeye başlarız. Çünkü ışıma morötesinde gerçekleşir.

Bu bulgular 1896 yılında Wilhelm Wien tarafından formule edilmiş ve bir fizik yasası haline gelmiştir. Yasa şöyle der: "bir maddenin yayabileceği maksimum dalga boyu sıcaklıkla ters orantılıdır". Sıcak cisimler kısa dalga boyu, daha soğuk cisimler uzun dalga boyu yayarlar. Önce kızıl altı, sonra kızıl... ve sonuçta morötesi ve daha da ötesi..

Morötesi Felaket kavramını ilk kez kullanan Paul Ehrenfest, Albert Einstein'la birlikteyken

1900 yılında John Rayleigh, ışıma gücünü belli ısı ve dalga boyu için ikinci bir yasa ile ortaya koyar: "Işıma gücü mutlak ısı ile orantılı, dalga boyunun karesi ile ters orantılıdır." Yani dalga boyu ne kadar kısaysa termik ışıma o kadar yoğundur. Deneyler her iki yasayıda desteklemektedir. Sonuçlar hep öngörülen şekilde çıkmaktadır.

Ancak ışık tayfının mavi, mor ve morötesinde işler karışmaktadır. Yapılan deneyler yasalarla çelişmeye başlamıştır. Çok küçük dalga boyları neredeyse sonsuz denebilecek büyük enerjilere yönlenmektedir. İşte "morötesi felaket" ifadesi bu durumda ortaya çıkmıştır.

Bu morötesi felaketin üstesinden gelebilmek için Max Planck yine 1900 yılında çok ilginç bir hipotez öne sürdü. Şöyle diyordu: "bir cismin ısısını ifade eden titreşimler olası tüm değerlerde dağılım göstermeyip tam tersine belirli bir yasaya göre hareket ederler. Eğer E bir titreşimin enerjisini İ de frekansını temsil ediyorsa sabit bir h vardır ve E/İ her zaman h, 2h, 3h ya da h'ın herhangi bir tam sayı katıdır ve daha farklı enerji miktarlarında titreşim oluşamaz." İşte meşhur Planck sabiti bu formuldeki h'tır. Değeri 6,62 x 10 üzeri -34 tür.

Kuantumun kurucularından Max Planck

Bu hipotez klasik fiziğe tam anlamıyla ters düşer. Çünkü kopukluk, kesiklik kavramı ışıma ile ilgili bir bilim alanına ilk defa girmiştir. Max Planck konuyu kolay anlayabilmek için şu betimlemeyi yapmıştır. Isınan bir cisimle ışıma arasındaki enerji alışverişi, bir kaptan diğer kapa akan sıvı gibi kesintisiz değildir. Sıvı alıştığımız haliyle akıyor değildir,sanki kaptan misketler dökülüyormuş gibi parça parça bir akıtı vardır. Hatta bu misketlerin her biri aynı boyutta da değildir. Frekansın yükselmesiyle bilye ebatlarıda büyümektedir.

Bu hipotez morötesi felaketi aşmaya yarıyordu ama klasik fizikle taban taban zıttı. Hipotez öyle garipti ki bir örnekle daha açıklamakta fayda var. Hipotezin söylediği : bir insanın en az 20 şer cm'lik adımllarla yürüyebileceği, daha küçük adımlar atamayacağı, daha büyük adımlar atmak istediğindeyse 20 cm lik adımının katları ( 40 cm, 60 cm, 80 cm vs) şeklinde olabileceğiydi. Bu gerçekten kalsik düşünceye çok tersti.

Planck sabiti her ne kadar çok küçük bir değere sahip olsa da fizikçiler arasında, hatta bizzat Planck'ın kendisinde kafa karışıklığı yaratmıştır. Kopukluk kavramı Planck'a sanki bir hesap hilesi yapmış hissi veriyordu. Bu yüzden uzun yıllar hem mor ötesi felaketi ortadan kaldıracak sonucu muhafaza edecek, hemde kopukluk kavramı yerine ( klasik fiziğe göre) makul bir açıklama getirebilecek bir yol bulmaya çalıştı. Ancak sonuç Planck sabitinin zaferi ile sonuçlandı ve klasik fizik çok büyük bir darbe almış oldu.

Kuantum Fiziğinin Temel Kavramlarından Parçacık ve Dalga

19. yy ın sonunda hemen hemen tüm fizik konularına iki türlü açıklama getirilmekteydi. Maxwell’in elektromanyetizma teorisi ve Newton’un evrensel kütleçekim yasası. Ancak bu iki teori her şeyi açıklamak için yeterli değildi ve sonunda parçacık ve dalga kavramları ortaya çıktı.

Parçacık kavramı gerçek objelerin bir nokta ile temsil edilmesine ve bu noktaya, bir araya toplanmış maddenin miktarına tekabül eden bir kütle atfedilmesine olanak vermekteydi (bir gezegen veya elektron gibi).

Dalga ve alan kavramları ise maddenin kendi hareketine (bir misketin izlediği yol veya yörünge gibi) değil , maddenin içindeki harekete gönderme yapmaktaydı. Örneğin denizlerde birbiri üstüne yığıla yığıla kıyıya doğru gelen dalgaları oluşturan su moleküllerinin yönü kıyıya doğru değildir. Su molekülleri genel anlamda aşağı yukarı hareket ederler (en fazla elipsler çizerler) ve hareketi aktarırlar. Yani kıyıya doğru gelen dalga yığılan su molekülleri değil, hareket enerjisidir. Dalga kavramının üzerinde biraz daha durmakta fayda vardır:

Dalga Nedir?

Dalgayı anlamak için bir örnek üzerinden gidelim. Bir helikopter dalgasız bir gölün üzerinde havada hareketsiz durmaktadır. Helikopter pervanesinden çıkan hava suyu dalgalandırmayacak kadar yeterli yüksekliktedir. Bu yükseklikten çok sık olmayan aralıklarla suya kaldırım taşları atılmaktadır. İlk atılan taş, suyun yüzeyinde gittikçe genişleyen ve genişledikçe gücü azalan çember çeklinde bir su dalgası oluşturacaktır. ( Aslında tam olarak gözlemlenecek olan aynı merkeze sahip büyüklü küçüklü su dalgalarıdır, ancak anlatımı sadeleştirmek için tek dalga varmış gibi varsayıyoruz) Taşların birbiri ardına atılışı, gene birbirinin ardını takip eden dalgacıklar oluşturacak ve taşların suya çarpma noktasına belli mesafede konulmuş şişe mantarını geliş ritmi uyarınca aşağı yukarı hareketlendirecektir.

Dairesel su dalgalarının 4 te birlik kesiti

İşte bu dalgacıkların tümü dairesel dalgalar takımı ismiyle anılır. Ardışık iki dalga arasındaki mesafe dalga uzunluğu, belli bir süre içerisinde yine belli bir noktadan geçen dalga sayısı ise frekans olarak adlandırılır.

Su dalgalarını betimledik, şimdi ses dalgalarını inceleyelim. Noktasal bir ses kaynağımız olsun, bu ses kaynağımız ses dalgaları takımı yaysın. Ses dalgalarını tanımlamak su dalgalarına göre zordur. Çünkü su dalgaları iki boyutlu su yüzeyinde gerçekleşirken, ses dalgaları üç boyutludur. Havada küresel olarak oluşur.

Son olarak yine noktasal ama bu sefer ışık yayan bir kaynak düşünelim. Bu kaynağın dalgalarınında küresel olduğunu söyleyebiliriz. Ancak burada bir zorluk daha vardır. Su yüzeyindeki dalgaların su moleküllerinin hareketine ve ses dalgalarının hava moleküllerinin hareketine tekabül ediyor olmalarına karşılık ışığın maddesel bir desteği yoktur. Bu da ışık dalgalarının betimlenmesini iyice zorlaştırır.