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.