MADDE VE IŞIMA

     1905’ten önce Işık bir dalgadır; maddeyse parçacıklardan oluşmuştur. XIX.yy Fizikçileri böyle düşünüyordu ama doğa çok daha karmaşıktır. Fiziğin tarihi ışığın yapısı konusunda karar veremeyen fizikçilerin kavgalarıyla doludur. Işık sonsuz sayıda parçacıktan mı oluşmuştur yoksa uzayda yayılan dalga mıdır?
XIX.yy’ın sonunda, bir ara problemin halledilmiş olduğu sanıldı. Işığın yapısı hakkında genel bir uzlaşma hüküm sürüyor, hiçbir fizikçi, ışığın dalga olmadığını söylemeye cesaret edemiyordu. Bu kesinlik bir yandan Fresnel’in yüzyılın başında daki deneylerine dayanmaktaydı; bu bilgin birbirleriyle karşılaşan iki ışığın doğurduğu olayların (girişim) ancak bir dalga kuramı içinde açıklanabileceğini göstermişti; öte yandan, 1870’li yıllarda geliştirilen ve ışığın elektromanyetik bir dalga olduğunu söyleyen Maxwell kuramından destek almaktaydı.
     Maddecilerin cephesinde aynı kutsal birlik görünmüyordu. Atomculuk savaşı tamamen kazanılamamıştı ve bazıları azınlıkta kalsalar bile, atomların görünmediğini ileri sürerek atom kavramını inkâr etmekte direniyordu. Bununla birlikte fizikçilerin büyük çoğunluğu, maddenin atomlardan oluştuğuna inanmıştı. Bu inanışları. Boltzmann ile Maxwell’in çalışmaları sayesinde bir süredir atom düzeyi (atomlar burada Newton yasalarına uyuyordu ) ile makroskobik düzey arasında uyumu sağlayan bir istatiksel kuramın ortaya çıkışıyla daha da pekişmişti; bu kuram makroskopik düzeyden, yani gözlemlerle elde edilen ortalama değerlerden destek alıyordu. Üstelik termodinamik de bu sonucu açıklamalarıyla pekiştirmekteydi.

DALGALAR VE CİSİMCİKLER



     Bütün klasik fizik (1900 öncesi yani Einstein öncesi böyle adlandırılır), tamamen birbirinin karşıt tezi olma özelliğini gösteren iki kavrama dayanıyordu. Bir yandan, madde ve hal değişimleri parçacık anlayışı içinde ele alınıyordu; yani madde, Newton mekaniğinin uygulana bileceği maddi noktalar olarak kabul edilen çok küçük boyutlu atomlardan oluşmuştu. Bu anlayış, temel olarak süreksizlik fikrine dayanıyordu; parçacıklar sayılabilir tek tek ayırt edilebilir ve gözlemlenilebilirdi Öte yandan, alan anlayışında (dalganın eş anlamlısı olarak ) ardışık olarak yayılma ve bütün uzayı doldurma özelliğine sahip dalgalar ne sayılabilir ne de birbirinden tek tek ayırt edilebilirdi; alan anlayışı temel olarak süreklilik fikrine dayanmaktaydı.
     Alan anlayışının metafizik bir hava taşıyan uzaktan kuvvet kavramının kullanılmasını önlemek üzere çıkarıldığını görmek ilginçtir. Nitekim Newton, Ay’ın Dünya çevresindeki hareketini, bu iki cisim arasında hiçbir dayanak noktası bulunmayan bir çekim kuvvetiyle açıklıyordu; iki cisim uzay arasında her tür özellikten yoksun olduğundan, bu kuvvet uzaktan etkilemekteydi. Bu konuda cisimlerin özü içinde saklanan çok karmaşık bir tür ruhtan söz eden Newton’un da bu açıklamadan memnun olmadığı görülmektedir.Uzaktan etki anlayışı çok belirsizdi ve Newton’dan sonra, bir başka anlayışıyla yer değiştirdi. Buradan Dünya’nın (veya Ay’ın) sadece kendi varlıklarıyla çevrelerindeki uzayı değiştirdikleri düşüncesi doğdu; bu durumda. Ay’ın (veya Dünya’nın ) hareketi söz konusu bu gök cisminin Dünya’nın (veya Ay’ın) oluşturduğu değişikliğe verdiği cevap olarak düşünülüyordu Bu anlayışta kuvvet kendine bir dayanak buldu. Uzay. Böylece, Dünya’nın varlığından kaynaklanan uzaydaki değişikliğe de çekim alanı adını verildi.


     Dalgalar ve parçacıklar 60 yıldan beri evrensel anlayış olma özelliğini kaybetti. Yeterince duyarlı bir gözlem, bu iki anlayışın aynı geçerliliği sahip olmadığını ve karşıtlıklarının her tür uzak inandırıcılıktan uzak olduğunu ortaya koyar. Bu düzeyde, cisimler ne dalgalıdır, ne de parçacık; ne sürekliliğe ne de süreksizliğe dayanır.  Yüzyılın başında herkesin parçacık olarak kabul ettiği elektronlar örneğini ele alalım. Bazı koşullarda mesela elektron mikroskopunda, elektronlar dalga gibi davranır; bu nedenle ışık yerine elektronları kullanan mikroskoplar yapıldı. Ama elektronların bundan böyle hep dalga olarak tanımlanabileceğini sanmak yanlıştır çünkü bunlar, sayılmak gibi parçacığın temel özelliklerinden birini hala korumaktadır. Yüzyılın başında fizikçi William Bragg, pazartesi Çarşamba ve Cuma günlerinde parçacıklar kuramı, Salı, Perşembe ve cumartesi günlerinde dalga kuramı dersi verdiğini açıklamıştı. Böylece elektronlarının (ve doğal olarak protonlarının, atomlarının, nötronlarının, vb’nin) bazı koşullar altında hem dalga hem parçacık olduğu sonucuna varılmaktadır.

Bozonlar, Fermionlar

     Hem Dalga hem tanecik olan bu cisimlerin temel özelliklerinden biri de, birbirine özdeş olduğunda ayırt edilememektedir. Yapılan bu açıklama İlk bakışta gereksiz bir tekrar gibi görünebilir, oysa özdeş ve ayırt edilemez nitelikleri arasındaki ince farka dikkat edildiğinde, bunun böyle olmadığı anlaşılır. Kuantum alanında, özellikle bu farka dikkat etmek gerekir. Bu noktaya gelmeden önce şu şaşırtıcı açıklamayı yapmak zorundayız, normal yaşamda kusursuz özdeşlik bulunmazken (iki cisim tam anlamıyla aynı sayıda oluşmadığı için, hiçbir zaman mutlak olarak özdeş değildir ) atomlar dünyasında bambaşka bir durum vardır; Burada özdeşlik tamdır. Karbonun Veya başka herhangi bir elementin iki atomu aynı koşullarda kusursuz olarak özdeştir. Diğer  bütün temel parçacıklar için  de aynı şey söylenebilir: iki elektron kesinlikle özdeştir. Bir başka deyişle, bu alt dünyada tam anlamıyla huzursuzluk hüküm sürer, ama bu yalnızca atomlarla ve temel parçacıklarla sınırlıdır. İşte bu noktaya varıldığında bir kere daha iyice düşünmek gerekiyor!



Şimdi özdeş ile ayırt edilemez arasındaki farka gelelim. İki karbon atomu (veya iki elektron) özdeştir; Acaba ayırt edilmezmidir? Bunları küçük bilyeler, parçacıklar olarak gözümüzün önüne getirirsek ayrıt edilemez olmadıklarını görürüz. Ayırt edebilmek için izlerini izlemek yeterlidir; Çünkü yörüngeleri birinin diğerinden ayırt edilmesini sağlar. Ancak hepimizin bildiği gibi elektronlarla atomlar küçük bilyeler değil. Öyleyse burada, kuantum cisimlerinin süreklilikten de, süreksizlikten de kaynaklanmamasına dayanan özelliği söz konusudur, yörünge kavramı böyle cisimler için bütün anlamını yitirir sonuç olarak bunların izlerini izlemek için olanaksızdır ve 2 kuantum cisme özdeşse aynı zamanda ayırt edilemezdir.  Buna karşılık, özdeşliğin kesinlikle ayırt edilemezliğin eş anlamlısı olmadığı kuantum dışı cisimlerde, bunun tam tersi geçerlidir.
      Böylece, kuantum cisimlerinin çok sayıda olduğunda gösterdiği davranış biçimine göre birbirinden ayırt edilen iki büyük kategoride sınıflandığı kanıtlanmaktadır. (Burada oldukça ileri düzeyde kavramlar kullanan bu kanıtlama biçimine ilişkin sezgisel bir fikir vermek imkânsızdır. Ve çok sayıda parçacıktan söz edildiğinde, istatiksel davranış söz konusudur) Bir tarafta, içinde bulunduğu durumda ne kadar çok sayıda olursa, o kadar fazla bir araya gelme eğilimi ve birebirine yapışma özelliği gösteren bozonlar yer alır. Foton veya ışık taneciği bozonlar sınıfındandır. Helyum izotoplarından olan helyum -4 atomları da bozondur. Diğer tarafta, şiddetle yalnızlık taraftarı olan aynı durumda birden fazlası bulunmayan fermionlar vardır. Fermionlar arasında elektronlar, protonlar, nötronlar ve temel tanecikler olarak adlandırılanlar yer alır. Açıklamanın bu düzeyinde atom, aralarındaki bozon alışverişinde birbirine bağlı fermionlar topluluğu ( nükleonlar ve elektronlar) olarak ortaya çıkmaktadır

Çıkarılan Bazı Temel Sonuçlar

Fermionlar ile bozonlar arasındaki fark, aşağıdaki üç örnekte görüldüğü gibi temel niteliklerdedir. Elektronlar fermionlar olmasaydı atomların hepsi aynı boyda olurdu. Sadece bir elektrona sahip olan hidrojen atomundan başlayarak ve elektron sayısını artırarak, Mendeleyev tablosunu sonuna kadar atomları oluşturduğumuzu düşünelim bu durumda her elektrona belirli bir yaşam alanı bırakmak gerekeceğinden, meydana getirilen atomlar gittikçe irileşirdi. Elektronlar fermion olmasaydı üst üste yığılabilirdi ( Hepsi aynı kuantum durumunda ) ve bütün atomlar da aynı boyda olurdu. Döşemeden aşağıya geçmeyişimizin nedeni de bununla açıklanmaktadır elektronlar fermion olmasaydı, ağırlığımızın döşeme atomları üzerine uyguladığı basınç, bu atomların elektronlarının üst üste yığmaya yetecekti; ama elektronları üst üste yığmak mümkün değildir; Çünkü bunlar, arlarındaki uzaklığı koruyarak buna direnç gösterir. Zaten böylesine basit bir olayı anlayabilmek için kuvantum kuramının bulunuşunu beklemek zorunda kalmış olmamızda şaşırtıcıdır. Lazer, fotonların bozon olmasından sonuna kadar yararlanılan ışık kaynağıdır. Lazer ışımasının başlıca özelliklerinden biri, son derece yönelimci olmasıdır. Fotonlar giderken yolda kaybolmaz ve geldiği son noktada hemen hemen hepsi bir arada bulunur ( sözgelimi Dünya’dan Ay’a bir lazer demeti gönderildiğinde böyle olur). Fotonların bozon olduğu düşünülürse bu özelliğin nedeni kolaylıkla anlaşılır; çünkü bozonların doğasında topluca bir arada kalma özelliği bulunmaktadır. Aşırı akışkanlar. Bozonların meydana getirdiği atomlardan ve az rastlanan bazı sıvılar, sürtünmeden akma özelliği gösterir. Tıpkı fotonlarda olduğu gibi, atomların akışı sırasında hiçbir atom kaybolmaz. Yapışkan olmayan bu akışkanlar ( mesela Helyum 4 ) kap içinde tutulmaz kabın çeperlerine tırmanır.