Tüm Bildiklerinizi Unutun I Kuantum Fiziği - Bölüm 1

1:27O bölümde bilinçli bir şekilde bazı kapıları açıp kapatmamıştık. Kancaları ata ata devam etmiştik. Daha sonra geri dönmek için altını çizersiniz ya bazı satırların. Onun gibi bir şeydi yaptığımız. Şimdi o satırlara geri dönme vakti. Ama öyle tek seferlik değil.

1:43Bu sefer bambaşka bir giriş yapıyoruz kuantum evrenine. Ve bununla birlikte Ocak ayı boyunca tam 4 bölüme yayılacak özel bir seriye hatta bir nevi diziye başlıyoruz. Programımızın ismi hiçbir şey tesadüf değilin hakkını verecek şekilde ilmek ilmek öre öre modern dünyanın nasıl şekillendiğini kuantum fiziğinin hikayesinde ele alıyoruz. O halde hazırsanız şöyle arkanıza bir yaslanın. Zira bu yolculuk biraz sert geçecek.

2:24Evren, galaksi kümelerinden oluşuyor. Bu kümeler de ayrı ayrı galaksilerden. Her galakside gezegenler, yıldızlar ve kara deliklerden oluşuyor. Devasa, uçsuz bucaksız yapılar, aklımızın hayalimizin almayacağı büyüklükler ve cisimlerden bahsediyoruz.

2:43Hadi gelin daha da küçültelim odağımızı. Sen. Ben. O. Gördüğümüz her şey. Bir galaksi kümesi içindeki bir galakside bulunan bir yıldızın etrafında dönen, nispeten küçücük bir gezegenin üzerinde gezinen minik yaşam formları olan insanlık. Ortaya çıkardığımız insan yapımı her şey. Etrafımızda gördüğümüz, dokunabildiğimiz her şey. Saydığım ve saymaya zamanımın dahi yetmeyeceği her şey. Atomdan oluşuyor.

3:10Küçücük bir parça. Tüm evrenin temelinde yatıyor. Atom. Her şeyin yapı taşı. Şimdi… İnsanlık Kepler, Kopernik, Galileo Derken, Isaac Newton, Michael Faraday ve James Clerk Maxwell gibi büyük, çok büyük dahiler sayesinde müthiş bir sıçrama gerçekleştirecek. Evrenin dokusunda gizli yasaların şifrelerini bir bir kıracaktı.

3:36Klasik fizik ile hareket yasaları, yerçekimi yasası, elektromanyetizma ve daha sayısız yasayı keşfedecek. Gezegenlerden tutun da çocukların oynadığı topun tüm hareketlerini kusursuz bir şekilde anlayıp ifade edebilecek duruma gelmiştik. Her şeyi biliyorduk. Her şeyi. Jüpiter ne zaman nerede olacak? Ne zaman güneş tutulacak? Bir roketi hangi açıyla fırlatırsan nereye varacak?

4:02Zaten bu bilgileri alıp buharlı makinelerden tutun da elektriğe, ampulden tutun da bilgisayarlara kadar, bugün gördüğümüz ve modern dünya dediğimizde aklımıza gelen her şeyin temelini atmıştık. Tabii haliyle bu bize bir özgüven de vermişti. Baya kasıla kasıla yürüyorduk artık. Eee olacak o kadar. Bir tür her şeyin teorisini ortaya çıkarmıştık sonunda. Evreni anlamıştık. Biz olmuştuk artık.

4:28Fakat… Üzgünüm ama daha fazla yanılamazdık. Aslında çok çok az şeyi anlamış çok çok çok az şeyi anlatabilmişiz. Böyle düşünmemizin sebebi de işte az önce bahsettiğim her şeyin yapı taşı atomlar.

4:44Çünkü atom dediğimiz varlığın dünyasında yüzyıllar boyunca emek emek oluşturduğumuz tüm kurallar yerle bir olmuştu. Her şeyi açıkladığını düşündüğümüz tüm formüller, tüm denklemler bütün geçerliliğini yitirmişti. Doğru bildiğimiz her şey yalan olmuştu. Artık kuralları belirleyen yeni bir kavram vardı. Klasik fiziği çocuk oyuncağı gibi gösterecek yeni bir yasa. Kuantum fiziği. Diğer adıyla kuantum mekaniği. Tüm yıldızları, tüm maddeleri oluşturan atomların, atom altı mikroskobik parçacıkların evrenini yöneten kurallar bütünü ve bu dünyaya girmeden

5:20Bu evrene adım atmadan da anlamamızın çok mümkün olmadığı kurallar bunlar. Günlük hayatımızda, kendi gözümüzde tanık olsak büyük ihtimalle aklımızı yitireceğimiz gerçeklere, olaylara gebe bir evren. O yüzden sizden konuya girmeden önce her şeyi, ama bildiğiniz her şeyi unutmanızı rica edeceğim. Bu zamana kadar öğrendiğiniz tüm fizik bilgilerini, okuldan filan aklınızda kalan tüm bilgi kırıntılarını atın hafızanızdan. Unutun. Öncelikle şunu belirtelim. Tüm bu çılgınlığın, tahmin edilemezliğin ötesinde, kuantum fiziği, bilim tarihinin tartışmasız en başarılı ve en çığır açan gelişmesidir.

5:57Bu serinin sonuna geldiğimizde neden böyle söylediğimi çok daha iyi anlayacaksınız. Peki, bu kadar inanılmaz gelen, bu kadar sıra dışı olan, henüz 100 yıl önce hayatımıza girmiş bu yasaların gerçek olduğunu nereden biliyoruz? Şöyle izah edeyim. Hiçbir yasanın test edilmediği kadar test edilmiş ve her seferinde, istisnasız, tüm testlerden geçmiştir kuantum fiziği. Ve şunu da unutmamamız gerekiyor. Her ne kadar klasik fiziği çok sevsek de, Newton'a, Einstein'a hayranlığımızın sınırı olmasa da kuantum fiziği temelde atomların evrenini anlatmaktadır. Atomlar ve atom altı parçacıklar da bildiğimiz her şeyin temelinde yattığına göre aslında kuantum fiziği bize asıl gerçekliği, her şeyin açıklamasını sunuyor. Ve belki de neden buradayız sorusunun cevabına bizi en çok yaklaştıran açıklamayı da kuantum sunuyor. Peki öyleyse. Şunu soralım şimdi. Biz nasıl bulduk kuantum fiziğini? Nasıl keşfettik? Hikayesi de bir o kadar ilginç.

6:55Her şey yine ışıkla başladı. Kara cisim ışıması ya da radyasyonu diye bildiğimiz olaylar. İsim sizi korkutmasın. Basit haliyle şundan bahsediyoruz. Mutlak sıfır. Duymuşsunuzdur belki. Doğada bir maddenin ulaşabileceği en düşük sıcaklık eksi 273.15 santigrat derecedir. Ve hiçbir madde de bu sıcaklığa sahip olamaz. Zira bu sıcaklık bir maddenin enerjisinin de sıfırlanması anlamına gelir.

7:24Bilim insanları hala uğraşıyorlar. Ama bir maddeyi bu seviyeye kadar soğuttuğunuzda çok acayip durumlar ortaya çıkıyor. İşte bu sıcaklığın üstündeki her şeyin, evrendeki şeylerin tamamının bir sıcaklığı var. Ve sıcaklığı olan her şeyin de bir enerjisi. Ve enerjisi olan her şey de bir ışık kaynağıdır. Işık yayar. E peki bebar biz de mi ışık yayıyoruz derseniz… Evet.

7:47Gözle görülebilir skalanın dışında olduğu için göremiyoruz haliyle. Çünkü biz ısı ve enerji düzeyimizle kızıl ötesi ışık yayıyoruz. Ama merak etmeyin. Gözlemlenmesi de imkansız değil. Herhangi bir termal kamerayla çok rahat görebilirsiniz insanın yaydığı ışığı. Sen bir ışık kaynağısın. Bunu bir dakika düşünmeni istiyorum. Çok güzel değil mi? Neyse işte. Her şey ışık yayıyor dedik tamam.

8:10Ama her şey farklı ışık yayıyor. Her madde ısıtıldığında, farklı sıcaklıklarda, farklı dalga boylarında, gözle görülebilen veya görülemeyen, X ışınlarında, gamma ışınlarına kadar uzanan bir skalada ışık yayıyor. Mesela bazı metenleri ısıttığınızda kırmızıdan sarıya, oradan beyaza ve sonra maviye dönen bir renk görürüz. Hatta bazı gök cisimlerinin sıcaklığını da bu şekilde ölçüyoruz. Mesela bir nötron yıldızı hep mavi olarak resmedilir. Bunun nedeni de yüzey sıcaklığının çok çok yüksek olmasıdır. İşte soru da bu. Neden her madde farklı sıcaklıklarda, farklı renklerde ışık yayıyordu? Çok basit bir soru gibi gelebilir size. Ama değildi işte. Çok uzun süre boyunca birçok bilim insanı bunun üzerinde çalıştı. Ama bir türlü bir cevap bulunamıyordu.

8:58Bunun en belirgin göstergesi de ampulün icadından sonra karşımıza çıkacaktı. Bilim insanlarının hiç tahmin edemeyecekleri bir durumdu bu. İşin içinde bir can prizma var. Şu Pink Floyd'un meşhur prizmasını bilirsiniz. Dark Side of the Moon albümünün kapağındaki. Bir tarafından beyaz tek bir ışık giriyor diğer tarafından bir gökkuşağı çıkıyor hani. Gözünüzde canlandı mı? Bilmeyen varsa kısa bir Google aramasıyla bir göz atsın.

9:23Önemli bir semboldür bu ve bu anlattıklarımı daha iyi canlandırmanızı sağlayacaktır. İşte bilim insanları ampulün icadından sonra daha verimli ampuller bulmak ümidiyle farklı materyaller kullandıkları çalışmalar yapıyorlardı ve farklı gazları ısıttıklarında çok garip bir şey fark ettiler. Gazlar ısıtıldığında ortaya çıkan aleve bir prizmadan bakıldığında renklerin farklı farklı çizgiler halinde, birbirlerinden çok ayrı şekilde durduğunu gördüler. Kalemle çizilmiş gibi. Normal şartlarda renklerin kesintisiz, bir gökkuşağı gibi görünmesi gerekiyordu. Ama bu nasıl olmuştu ki şimdi? Kimse doğru düzgün bir cevap, bir formül geliştiremiyordu işte bu soruna.

10:03Bir kişi hariç. Bu soruyla. Termal radyasyonla kafayı ciddi ciddi bozmuş bir adam. Bilim tarihinin en önemli buluşlarından birini. Onlarca kez başarısız olsa da, her seferinde çuvallasa da asla vazgeçmeyerek, yıllarca gecesine gündüzüne katarak tek bir sorunun cevabını bulmaya kendine adamış bir adam. Ve sonunda buluşuyla dünyayı tamamen değiştirecek bir adam. Kimdir o? Nedir hikayesi derseniz ona da kısa bir aradan sonra geleceğim.

11:03Kimdi peki bu adam? Max Planck. Dedim ya, adam takıntılıydı. Denemediği yol kalmamıştı. Bir prizmadan bakıldığında renklerin neden ayrı ayrı durduklarını açıklamak için kullanmadığı formül kalmamıştı. Ta ki denkleme, Planck sabiti adını verdiğimiz sabiti ekleyene kadar. Bu sırada yıl tam olarak 1900. Bu sabiti ekler eklemez birden tüm taşlar büyük bir gürültüyle yerine oturtmuş ve bir maddeden yayılan ışığın hangi dalga boyunda yayılacağını açıklamıştı.

11:32Bu formülle birlikte söylediği şuydu Plank'ın. Bir maddenin belli bir dalga boyunda ışık üretebilmesi için bir fedakarlık yapması gerekiyordu. Bu da enerjiydi. Ve her dalga boyunda bir maddeden yayılacak enerjinin de belli bir limiti vardı. Örneğin düşük frekansta ışık yayan bir maddenin düşük enerji, yüksek frekansta ışık yayan bir maddenin ise yüksek enerji harcaması gerekiyordu. İşte bu sabit. Planck sabiti, bu limitleri. Her dalga boyunda yayılan enerjinin minimum miktarını bize anlatıyordu.

12:03ve ışığın aslında bir dalga değil de bir parçacık olduğunu gösteriyordu. Işığın paketler halinde yayıldığını ortaya koyuyordu. Bu paketlere de kuanta adını vermişti Planck. Adet ya da miktar anlamına gelen kelime. Çoğulu da kuantumdur.

12:19Ve işte kuantum teorisinin başladığı yer tam olarak burasıydı. Bu bulgusu o an için pek bir şey ifade etmeyecekti. Hatta kendisi için bile bir anlamı yok gibiydi. Bir başarı elde etmişti tamam. Ama sonuçlarından çok emin değildi. Hatta bu bulgusunu yayımlamamayı bile düşündü. O zaman için ne kendisi, ne çevresindekiler, ne de bilim camiası… Max Planck'ın tüm dünyayı kökünden değiştireceğini, klasik fiziğin temellerini sarsacağını, hatta klasik fiziği yerle bir edeceğini…

12:47Tüm insanlık için devasa bir kapıyı sonuna kadar açtığını bilmiyordu. Kimse neyi keşfettiğinin farkında bile değildi. Birisi hariç. Tahmin edin kim? Tabii ki Albert Einstein.

13:00Bu olayın ne kadar önemli bir olay olduğunu ilk fark eden de yine Einstein olacaktı. Ve bu inanılmaz bulguyu alıp geliştirecek ve tam 5 yıl sonra, 1905 yılında bir çalışmasını yayınlayacaktı. Bugün fotoelektrik etki olarak bildiğimiz etkiyi açıkladığı çalışmasını yani. Daha önce Hertz gibi isimlerin de çalıştığı bu konu bir türlü anlaşılamamıştı.

13:20Çünkü Max Planck ortaya çıkana kadar herkes ışığın dalga olduğunu düşünüyordu. İşte Planck ışığın, foton adını verdiğimiz paketler halinde taşındığını bulduktan sonra bu fotoelektrik etki mevzusunu ele alan Einstein olmuştu. Ve özetle şunu söylüyordu. Metal bir yüzey düşünün. Bu yüzeye foton gönderelim. Işık tutalım yani.

13:40Bu ışık belirli bir frekansta tutulduğunda o metal yüzeyi oluşturan maddenin atomlarında bulunan elektronlar fırlıyordu. Fotonlar misket gibi elektronlara çarpıp onları serbest bırakıyordu. Bu arada fotoelektrik etkinin neden önemli olduğuna dair birkaç örnek vermek gerekirse, günlük hayatta kullandığımız birçok sensör, güneş panelleri ve hatta fiberoptik kabloların icadı da bu etkiye dayanmaktadır. Hatta buyrun garip bir bilgi daha size. Biliyorsunuz Albert Einstein Nobel ödülü aldı.

14:09Ama herkesin düşündüğü gibi özel ya da genel görellilik teorileri nedeniyle değil. İşte bu fotoelektrik etkiyi açıkladığı çalışmasıyla almıştı bu ödülü. Üstelik bu çalışma 1905 yılında yayımlanmasına rağmen Nobel Fizik Ödülüne 1921'de layık görülmüştü. Neden 16 yıl sonra? Aslında Max Planck'ın yaşadığı sorun ile aynı sorunu yaşıyordu Einstein. Kimse bunun ne kadar önemli bir bulgu olduğunu anlamıyordu ilk başlarda.

14:35Kuantumun ne kadar sıra dışı, çağ açacak bir buluş olduğunun kimse farkına varamıyordu bir türlü. İşte bu çalışmasıyla Einstein, kuantum fiziğinin yavaş yavaş dikkat çekmeye başlamasına sebep olmuştu. Fakat… Asıl büyük adımı başka bir bilim insanı atacaktı. İlk bölümde yine bahsini ettiğimiz başka bir dahi, Niels Bohr.

14:56Einstein'dan bir yıl sonra, 1922'de Nobel fizik ödülünü kazandı kendisi. Kimilerine göre kuantum devrimini başlatan kişiydi Niels Bohr. Onun Nobel ödülünü kazandıran çalışması da Max Planck'ın formüllerinden yararlanarak ve Rutherford'un atom modelinden esinlenerek çıkmıştı ortaya. Bugün atom dediğimizde aklımıza gelen, kafamızda canlanan resmi ortaya çıkaran şey Bohr atom modelidir aslında. Bu model özetle şunu söyler.

15:24En başta da bahsettiğimiz ışığın farklı dalgalarda yayılmasının asıl açıklaması ancak atom seviyesinde anlaşılabilirdi. Ve bir atom taneciğin tıpkı bir güneş sistemi gibidir. Çekirdeğin çevresinde elektronlar birer uydu gibi hareket eder ve atoma enerji yani ısı verildiğinde bu elektronlar ve atom kararsız hale gelir. Tekrar kararlı hale gelmek içinse kendisine verilen enerji ya da ısı miktarı kadar foton yayar ya da foton fırlatır. Artık ne derseniz deyin.

15:55Ama işte tırnak içinde kararsızlık hali, kuantum dünyasının en anlaşılmaz olaylarından birini bize göstermişti. Çok acayip gerçekten. Şimdi atomu güneş sistemine benzettik. Mesela ayın dünyanın çevresinde belirli bir yörüngede döndüğünü biliyoruz. Ama şimdi birden fazla yörüngenin bulunduğunu düşünün. Yani ayın dönebileceği alternatif yörüngeler olduğunu. İşte atom çekirdeğinin çevresinde dönen bir elektrona enerji verildiğinde ne oluyor biliyor musunuz?

16:21Elektron birden, aniden farklı yörüngelere sıçrıyor. Bir o yörüngeye, bir diğer yörüngeye. Ama bir geçiş yok. Yani bir hareket gözlemlenmiyor. Bir bakıyorsunuz elektron bir yörüngede. Bir daha bakıyorsunuz bir başkasında. Sıçrıyor. Bir anda. Mesela güneş çevresinde dönen gezegenleri düşünün. Mars'ın birden Jüpiter'in yörüngesine geçtiğini. O yörüngeye sıçradığını. İşte buna kuantum sıçraması deniyor. Duymuşsunuzdur belki.

16:48Bu tabirin kaynağı da burasıdır. Elektronların sıçraması. Klasik fiziğinde tüm silahlarını bırakıp teslim olduğu yer burasıydı. Arkadaşlar bana müsaade. Benden bu kadar. Gerisi sizin artık dediği yer. Ama tabii Einstein öncülüğünde bir grup bilim insanı için bu kabul edilemez bir şeydi. Haliyle de bu bir savaş haline gelecekti. Büyük bir savaş.

17:12Burada 1927 yılını bir sıçrayalım biz de. İsviçre'de gerçekleşen Solvay Konferansı'na. İnsanlık tarihinin en önemli dahilerinin bir araya geldiği bir konferanstı bu. İlk bölümümüzde de ziyaret etmiştik orayı. Einstein, Max Planck, Niels Bohr, Heisenberg, Lorenz, Max Born, Dirac, Compton, Broglie, Schrödinger, Fowler ve Mercury… Yok yok neredeyse. İnanılmaz bir ortam.

17:38Kuantum fiziği ile klasik fiziğin en büyük savaşlarından birinin başladığı yer olarak da tarihe geçer bu konferans. Einstein'ın neredeyse kendisinin başlattığı kuantum dünyasına karşı kılıçları çektiği yerdi burası. Bu konferans sonrasında da Albert Einstein ve Niels Bohr münazarası olarak bildiğimiz günlerce, hatta aylarca sürecek buluşmalar başlamıştır. Einstein'ın türlü argümanlarla kuantum vizyine saldırdığı, Niels Bohr'un ise can siperane savunduğu münazaralardı bunlar. Ve bu kuantum sıçramasına,

18:09Olasılıklara dayalı fiziğe karşı olan Einstein, matematikçi Cornelius Lanczos'a yazdığı mektupta şunu söylemişti. Sen benim fiziğe dair tutumumu paylaştığım tek insansın. Gerçekliği basitçe, sade ve birleşik bir şey olarak kavrama inancı. Bu belirsizlik ilkesi, Tanrı'nın elindeki kartlara çaktırmadan bakmak gibi gözüküyor. Ama onun zar atması ve telepatik metotlar kullanması bir an için bile inanamayacağın bir şey.

18:36Biz bu konuşmasını şöyle hatırlıyoruz. Dinle ilgili bir yorum olduğu düşünülen bu sözler aslında kuandum fiziğinin belirsizlik ilkesine yönelik sarf edilmişti. Niels Bohr ise bu yoruma şöyle karşılık vermişti. Albert tanrıya ne yapacağını söylemeyi bırak.

18:54Sanırım burada bir soluklanmamız gerekiyor. Tüm bunları bir sindirmemiz lazım. İnsanın bildiği, inandığı her şeyin bir anda yerle bir olmasını hazmetmesi zor olabilir. Bu da eğitim sisteminin en büyük sorunlarından biri sanırım. Özellikle bilim söz konusuysa insanlara bir dogma gibi öğretiliyor. Eleştirel düşüncenin sürekli engellenmesi ve her şey olduğu gibi kabul edin, sorgulamak size düşmez denmesi akademinin en büyük günahıdır sanırım.

19:18Bugün kitaplara konu olan tüm fizik kanunlarının kâşifleri dahi bu kadar emin olmamıştır keşfettiği şeylerden. Ki bilimin de güzelliği buradadır. Newton'ın kanunları dogmalaştırılsaydı, Einstein bir dakika ya demeseydi. Mesela Max Planck bu da böyle, kabul edeyim işte diye düşünseydi. Ya da Niels Bohr. Burada bir sıkıntı var, mutlaka bir açıklaması olmalı diye sorgulamasaydı. Schrödinger ve Heisenberg bir nevi akıl savaşı vermeseydi. Kısacası kuantum mekaniği ortaya çıkmasaydı ne olurdu biliyor musunuz? Hala at arabalarına biniyor, buharlı gemiler ve trenlerle seyahat ediyor, bir anlamda hala orta çağda yaşıyor olurduk. Neden böyle söylediğimi serinin devamında anlayacaksınız. Ama benim sizden tek isteğim, tüm bunlardan çıkarılması gereken tek ders şudur. Düşünmeyi, sorgulamayı, eleştirmeyi asla bırakmayın. Ancak sorguladığınızda asıl cevaplara ulaşırsınız.

20:49Peki bugün konuştuklarımızı bir sindirelim birlikte. Bu hikaye daha çok su götürecek demiştik. Merak etmeyin. Sonraki bölümde tüm bu tartışmaların çok büyük değişime uğrayacağı bir olgudan bahsedeceğiz. Çift yarık deneyinden. Ve emin olun bu olgu sizi çok sarsacak.