Katalog

FİZİK Kuvantum inancından sapmalar Bir parçacığın aynı zamanda hem hızını hem de konumunu bilmek olanaksızdır. Biri ne kadar lyi biliniyorsa, öteki o kadar az bilinecektir. İşte kuantum teorisinin temel ilkesi, Heisenberg'in belirsizlik prensibi budur. Aynı konu iki Alman fizikçi tarafından tekrar gündeme getirildi. Çeviri: Belgin öz B utun topçular bılırler Bır top mermısının yörungesı, rasyonel matematık sayesınde, ıs tenıldığınce kesın bır şekılde hesaplanabılır Teorık olarak, atış koşullannın (ruzgârın hızı, havadakı nem vs ) kesın olarak bılındığı varsayılırsa, mermının hız ve konumunun her an ıçın hesaplanabılır olacağı bır gerçektır Ve dahası, hız uzerındekı yanılma payı sanıyede mıkronun bır mılyarda bırını aşmayacaktır Oysa atomların dunyasında durum çok farklıdır Bır atom ıçındekı elektronu kolaylıkla saptamak mumkunse de ış, hızını belırlemeye geldığınde yanılma payı sanıyede 1000 km 'den az olmayacaktır VVerner Helsenberg'ın bu buluşu, kuantuam teorisinin ana ılkelerınden birıdır Heısenberg, böylelıkle transıstorun, ustun ıletkenlerın ve hatta atom bombasının bulunması yolunda ılk adımı atmıştır Ona gore, bır parçacığın aynı zamanda hem hızını hem de konumunu bilmek mumkun değıldır, bırı ne kadar lyı biliniyorsa, otekı o kadar az bilinecektir Pekı bır kurşun ya da mermının hız ve konumunu kesın olarak belırlemek mumkunken, bır elektron, bır nötron ya da bir fotonunkını hesaplamanın hıçbır zaman mumkun olamamasının nedenı nedır? Soruyu yanıtlayan Einsteln olsaydı, bu bır gorecelık sorunu dıyecektı Bır mermı veya bır kurşun, gram veya kılogram olarak (terazı uzerınde) olçulebılen kutlelerdtr Hız ve konumları onlara dokunmadan, yanı cısım ıle ölçum sıstemı arasında bır etkıleşım olmadan belirlenemez Mermı orneğınde hız, mermının ıkı ışık ekranı arasından ya da ıkı fotoelektrık hucre geçış zamanı hesaplanarak veya cısımcıkler ya da bır ışık huzmesı yardımıyla ölçulur (Mermıye doğru yayılan sınyal ıle mermı tarafından yansıtılan sınyal arasındakı frekans farkı, hızı verecektır) Mermı ıle ışık huzmesının enerjılerı arasındakı fark öylesıne buyuktur kı (lO^dolayında) ıkısı arasındaki etkıleşım neredeyse matematiksel sıfıra eşıt olacaktır Ne bır elektron ne bır foton ne de butunuyle bır atom, mermının hız ve konumunu değıştıremez (Bır zırhlıya çarpan sınek bıle daha buyuk bır etkı yaratacaktır) Merminın hızı, belırlı bır uzaklıkta bulunan (örneğın 1 m ) ıkı çelık tabakayı geçışı sırasında meydana gelecek ıkı "bong" arasında geçen zaman ölçulerek hesaplansaydı, durum oldukça farklı olacaktı Bu defa hem ses sınyalının hızını hem de ıkı levhayı geçış sırasındakı enerjı kayıplarını goz önune almak gerekecektır Sonuçta, sınırları belırlenebılır olmakla bırlıkte, hıçbır zaman ortadan kaldırılamayacak bır belırsızlığın olçumu etkılemesı kaçınılmaz olacaktır Yorungenın benzer yöntemlerle belırlenmesl de çarpma nedenıyle yörungede meydana gelecek sapma dolayısıyla aynı sonuca varacaktır Yıne de bu belirsizlik, nıcelendırılebılır tur den, yanı olası maksımum sapma hesaplanabılır olmakla bırlıkte, ortadan kaldırılamaz ölçulmek ıstenılen buyuklukler karşısında, ölçme sıstemı gozardı edılemedığı surece, bu tur belırsızlıkler de kaçınılmaz olacaktır I maddenin temel parçacıklarının "klasık" deyışlerle, yanı bır hız ve konuma sahıp mıkroskopık kureler olarak tanımlanması flkrının rafa kalkmasına yol açmıştır Kuantum teorisinin yapıcıları elektronelektron yapılacak kesın bır tanımlamayı bır yana bırakarak, maddenin ıstatıstıksel bir tanımıyla yetınmek zorunda kalmışlardır Ortaya koyduğu ılkenın buyuk önem taşıdığını ve bu ılkeden sapmanın buyuk bır şok yaratacağına ınanan Heısenberg, olası tum krıtıklere karşı kendını korumak ıçın ıdeal bır deney de tasariamıştı Bu deney ıle tum kuşkuları ortadan kaldırdığına ınanıyordu Yerçekımı alanı ıçınde hareket eden bır parça cıın yörungesinı belırlemeye çalışalım dıyordu Bunun ıçın kapalı bır oda oluşturulacak ve tek bır molekul bıle kalmayıncaya kadar havası alınacaktır Odanın duvarlarından bırınde yatay olarak (m) kutlesıne sahıp bır parçacığı ateşleyen bır sılah bulunsun Karşı duvarda parçacığın yörungesinı, parabolık duşuşu sırasında gözieyebıleceğımız bır durbun yerleştırılmıştır Deneyın son ve vazgeçılmez bır unsuru olan eleklrık ampulu odayı aydınlatmaktadır Ampulun parçacık tarafından yansıtılan ışığı teodolıte gırecek ve gözlemcının parçacığın konumunu belırlemesını sağlayacaktır Vltes seçicı c) Heısenberg 'ın belirsizlik ılkesını çurutmek ıçın bır Alman ekıbı, Auger olgusuyla altın atomu tabakası dışına atılan elektronların hızla rını ölçmeyı denedı Gerçekten yaklaşık bır atom boyundakı konumlan, bır altın atomu dışına atıldıklan bılındığı ıçın ölçum yapılmadan da belırlenebılmektedır Kuanta, kuantumun çoğuludur x ışını bır elektronu uyararak alt kabuktan bır ust kabuğa geçmesıne neden oluyordu Bu elektronun başlangıçtakı konumuna gerı dönmesı ıse ust kabuktakı bır elektronun yayınımına (atom dışına fırlatılmasına) yol açıyordu ABD'lıler bu olguyu ıncelemek ıçın monoatomık bır altın tabakasını gumuş bır taban uzerıne koyarak tabakanın x ışınlan tarafın dan bombardıman edılmesı sonucunda ortaya çıkan Auger elektronlarını gozledıler Ve ozellıkle dışarı atılan elektronların enerjılerını, yanı hızlarını ölçebıldıler Bırçok bakımdan çok ılgı çekıcı olan Auger olgusunjn en buyuk ozellığı, elektronun kaynağını kesın olarak belırleyebılmesı ve böylelıkle elektronun, tabakanın ıçerdığı atomlardan bırının ıçınden çıktığını kesın olarak bılmenın mumkun olmasıdır "Auger Olgusu" atomun alt kabuğu atomdan atılan elektron elektronun eskı konumuna Oönmesı b) Auger olgusu x ışınlan, bır elektronu atomun alt kabuklarından bır ust kabuğa geçırebllır Elektron yenlden başlangıçtakı konumuna dönerken elektron enerjislni üst kabuktaki bır eletrona aktarır ve bu elektron atom dışına fırlatılır. En hassas ölçum aletımiz ışıktır; fakat bır ışık tanesının yanı bır lotonun, bır parçacığınkı karşısında hıç de kuçumsenemeyecek bır enerjısı vardır Dahası pirçacıkların hızı, her ne kadar ışığınkıne ulaşmasa da hıç de yabana atılacak gıbı değıldır örneğın bır elektronun konumu belırlenmek ıstenıyorsa, bu parçacığı "aydınlatmak" gerekecektır Işıkla olmasa bıle, bır şekılde olayın gözlemlenebılır hale getırılmesı gerekecektır Oysa gece oynanan bır tenıs maçında, projektörlerın ışığının topun yörungesı uzerınde gorunur herhangı bır etkısı olmuyorsa da maddeyı oluşturanların mıkrosko pık dunyasında bır ışık parçacığının bır fotonun belırmesı bovvlıngte topun yaratacağı etkıyı yapar Bır parçacığın hız ve konumu uzerındekı belırsızlığın her zaman içın sabıt h değorınden fazla olduğunu söyleyen Heısenberg ılkesının anlatmak ıstedığı ışte budur Olayın detayına ınecek olursak Işık huzmesıne çarpan parçacık, maruz kaldığı basınç nedenıyle, yorungesınden sapar Ampulu sadece çok kısa bır sure yakarak veya çok zayıf bır ışık kullanarak bu sapmayı önemsız kılmak mumkun olabılır mı? Heısenberg hayır dıyor Işığın taşıdığı en az mıktardakı enerjı bıle, ne kadar zayıf olursa olsun, ışınımın frekansı (v) ıle (h) Planck sabıt değe rının çarpımına eşıttır (W vh) Eınsteın zamanından berı, bu enerjı mıktarının bolunemez olduğu bılınır, bu bır fotondur Fotonun çarpması sonucunda parçacık, tıpkı bır dığerıne çarpan bılardo topu gıbı ıtılerek (hv/c,c ışığın hızıdır) yorungesınden sapar Parçacığın hareketı ne kadar uzun sure ızlenırse, hareketı o kadar bozulacaktır, parabolık bır yörunge yerıne çeşıtlı yonlerde hareket eden bır parçacık ızlenır Yanı fotonun çarpması sonucunda parçacık, değerı ve doğrultusu önceden ke&tırılemeyecek bır hız kazanmış olmaktadır Bu durumda parçacığın hareketı sadece bır ıhtırnal olarak belırlenebılmektedır Pekı bu durumda neden ışığın frekansı duşurulerek, ıtme önemsız kılınamıyor? Çunku frekansı azaltmak demek, dalga uzunluğunu arttırmak demektır, bu ıkı mıktar bırbırlerıne ters orantılıdır X = c/v Oysa dalga uzunluğunun gerektığınden fazla olması sonucunda, artık hıçbır şey gorulemeyecektır, çunku bır cısmın optık göruntusunun onu aydınlatan ışığın dalga boyundan daha kuçuk olmaması gerekır Yanı çok yuksek olmayan bır frekans ıle çok buyuk olmayan bır dalga boyu arasında denge sağlamak gerekmektedır Parçacığın konumu uzerındekı belırsızlığın yaklaşık olarak dalga boyuna eşıt olduğu (Ax c/v) ve ıtme uzerındekı belırsızlığın (kutlesı ıle hızının çarpımının) bır fotonun enerjısıne orantılı olduğu (Ap = hv/c) duşunulurse, belirsizlik bağıntısı ( A x A P ^ h) olarak ortaya çıkacaktır Bu prensıp ellı yaşına ulaşmış olmasına karşın, şımdıye dek karşıtını kanıtlamak mumkun olmamıştır Oysa Bremen Unlversltesl'nden ıkı Alman fızıkçı Klaus Gotsch ve Jens Scheer on yıl evvel Amerıkalılar tarafından gerçekleştırılmış olan bır deneyden yola çıkarak deneylerını gerçekleştırıp, kendı lehlerınde olan sonuçlara ulaştılar ABD'lı fızıkçılerın yaptıkları deney, Auger olgusu'nu araştırmaktaydı Yaklaşık yarımyuzyıldan bu yana bılınen bu olgu, ılk olarak Fransız fızıkçısı Pıerre Auger tarafından x ışınımı uygulanan kımı atomlarda bır tur kendılığınden lyonlaşma (otoıyonızasyon) olayı olarak ızlenmıştı Bır atomun kalbıne gıren Heisenberg'in ifadesl yalanlanıyor Amerıkalıların yaptıkları deneyı yıneleyen Scheer ve Gotsch elektronların gumuş atomları duzlemıne hemen hemen dık olarak fırladıklarını gorduler Dolayısıyla enerjılerının olçumu onların duzleme dık eksen ıçındekı hızlarını verıyordu Oysa. başka hıçbır ölçum yapmadan elektronların atom dışına fırlatıldıkları andakı konumları uzerındekı belırsız lığın atomık duzıemın boyutlan (yanı eğer sadece duzleme dık yön göz önune alınırsa, bır atomun ortalama genışlığı) ıle sınırlı olduğu bılınmektedır (x)'ın değerı yaklaşık olarak (10'0m) 'mılımetrenın on mılyonda bırı'dır Amerıkalılar elektronların ortalama hızlarının sanıyede 30 m 'lık ortalama bır yanıl ma payıyla, sanıyede 11 bın km olduğunu söylemışlerdı Almanlar da bu şartlar altında ( A x A P = 0 03) olduğunu gorduler (AxAP)'nın her zaman (h) sabıt değerıne eşıt veya bu değerden daha buyuk olması gerektığını söyleyen Heisenberg'in ıfadesı böylelıkle yalanlanmış oluyordu, çunku burada ( A X A P ) (h) değerınden daha azdır (otuzda bır) Bu tur bır sonuçtan kaçınmak ıçın sadece ıkı olasılık vardır llkı gumuş kalıntısı uze rındekı altın tabakasının nasıl konulduğuna bağlıdır Eğer yeterınce duzenlı yerleştırılme mışse, altın atomları gumuş ıçıne yayılacak ve dolayısıyla Auger elektronlarının konumu uzerındekı belirsizlik bır atomun boyundan daha buyuk olacaktır ikıncısı elektronların hızının atomdan çıkışlarında olçulmesıne ve dolayısıyla ölçulen ıtmenın başlangıçtakının aynı oldugundan emın olmanın mumkun olmamasına bağlıdır Elektronların uçuş surelennın 0 1 mıkrosanıyeyl aşmadığını ve bu zaman ıçındekı hız oynamalarının mılyarda bırı geçmeyeceğını duşunen Alman fızıkçılerı bu ıkıncı olasılığı önemsememışlerdır llkıne cevap verebılmek ıçın, Scheer ve Gotsch yenı bır deney hazırlamaktalar Burada gumuş yerını altın atomlarının geçmesıne ızın vermeyecek sılısyuma bırakacak Ve eğer bekledıklerı gerçekleşırse, Heısenberg ılkesının de tumuyle gozden geçırılrnesı gerekecek U Belirsizlik İlkesi Bır koşucu bır kronometre ıle ızlendığınde, ölçulen zamanın doğruluğu hıç kuşkusuz kullanılan saate bağlıdır En fazla sanıyelerı gosterıyorsa, bu zaman uzerındekı belırsızlık sanıye dolayında olacaktır Daha kesın olmak ıçın, daha gelıştırılmış bır kronometre kullanmak gerekecek ve boylece belırsızlık sanıyenın onda veya yuzde bırıne kadar ınebılecektır Daha ılerı gıderek, yeterınce gelıştırılmış bır ölçum aletl ıle bu belırsızlığın ıstenıldığı kadar azaltılabıleceğı duşu nulebılır Hayır dıyor Heısenberg, olay bu kadar basıt değıl Belirsizlik llkesinin anlamı maddeyl oluşturan parçacıklar hakkındaki bilgllerlmlzln her zaman kısıtlı olacağıdır. Öylesıne kısıtlıdır kı, sonunda elektronların ve a) Heısenberg'ın ıdeal deneyı Bır parçacığın yörungesinı Izleyebılmek ıçın onu aydınlatmak gerekir kı, bu da ışık verdığı enerjıyle onu ıtmek demektır Yanı yörungeyı değıştlrmeden izlemeye olanak yoktur