Kuantum kuramı, atomu ve atom altı parçacıkları anlamak için; genel görelilik kuramıysa kara delikleri anlamak için gayet iyi. Fizikte son on yılların problemi ise bu iki kuramı birleştirebilmek. Bu birleşmeye kara deliklerin kuantum yapısını anlama yolunda çok ihtiyaç duyuluyor. Kuantum ve genel görelilik kuramlarını kapsayan büyük kurama “kuantum kütleçekimi” deniyor ve biz bunu arıyoruz!

Kuantum kuramı

Günümüzde kuantum kuramı fiziğin en ağır kollarından biridir. Bu kuramı daha iyi anlamak için birkaç ilkeye bakmamız gerekiyor. Klasik fizik bazı problemleri açıklayamıyordu ve burada imdada kuantum kuramı yetişti. Klasik fiziğin açıklayamadığı sorunlar şunlardı:

1. Siyah cisim ışımasının enerji dağılımı (morötesi felaket)

2. Fotoelektrik olay

3. Atomların kararlılığı

Gazların kinetik kuramı, klasik fiziğin çok önemli başarılarından biriydi. Bu kurama göre, hiçbir molekülü dışarı kaçırmayacak ideal bir gaz kabındaki N tane molekülün toplam enerjisi E olsun. Bu toplam enerji (E) , enerjinin eşit dağılımı yasası diye bilinen temel bir istatistiksel teoreme göre ortalama olarak moleküllere eşit olarak dağılmıştır. Ortalama diyoruz, çünkü istatistiksel açıdan kesin veriler değil, ancak ortalama değerler elde edilebilir. Lord Rayleigh ve Sir James Jeans, gazların kinetik kuramına başarıyla uygulanan istatistiksel modeli, iç duvarları kusursuz ayna olan kutuda hapsedilmiş ışık dalgalarına uygulamaya çalıştılar, fakat burada temel bir zorlukla karşılaştılar. Bir gaz kabındaki molekül sayısı çoktu; ama sonlu sayıdaydı; oysa ışığın hapsolduğu aynalı, kararlı ve ideal bir kutuda farklı titreşim tiplerinin sayısı sonsuzdu. İşi basitleştirmek için “Jean Küpü”nün yalnızca sağ ve sol iç duvarları arasında gidip gelen dalgaları düşünelim. Bu dalgalar, duvarlarda zamanla genliğin kaybolacağını söyleyen sınır koşullarına uymalıdır. Bunu üç boyutta düşündüğümüzde sonsuzluk sayısının daha da artacağı açıktır.   Titreşim modu (düğüm noktası) sayısı sonsuz, ama enerji sonlu. Yani titreşim modu başına düşen enerjiyi bulmak istersek, enerjiyi titreşim moduna bölmemiz gerekir. Matematikten bildiğimiz üzere sonlu bir sayıyı sonsuza bölersek sıfır elde ederiz. Bu, yani titreşim başına düşen enerjinin sıfır oluşu, kuşkusuz saçma bir sonuçtur. Yani açıkça, klasik kuram, artık cisimlerin doğasına ilişkin bilgilerimizle çelişmekteydi.  Atomik ölçekte, maddenin davranışını açıklamak için klasik fiziğin uygulama denemeleri tamamen başarısız oldu. Siyah cisim ışıması, fotoelektrik olay ve bir gaz deşarjında atomların yaydığı kesikli frekanstaki ışık klasik fizik çerçevesinde anlaşılamadı. George Gamow'un dediği gibi: “Bir kuram, cisimlerin doğası ile ilgili bilgilerimizle çeliştiği zaman, cisimlerin yapısı değil kuram yanlış olmalıdır." Bunun için doğaya yeni bir bakış açısıyla bakmak gerekiyordu. Bu devrim, 1900 ile 1930 arasında gerçekleşti. Kuantum mekaniği denen bu yeni yaklaşım atomların, moleküllerin ve atom çekirdeklerinin davranışını başarıyla açıkladı. Kuantum kuramını daha iyi anlamak için birkaç ilkeye bakalım.

Yazının tamamı Bilim ve Ütopya'nın kasım sayısında!