Werner Heisenberg

Werner Heisenberg
(1901-1976)

Kuvantum mekaniğine belirsizlik ilkesini ka­zandıran Alman fizikçi Heisenberg, Alman­ya'nın Würzburg kentinde doğdu. Münih Üniversitesi'nde fizik öğrenimi gördükten sonra, atom fiziğinin önde gelen adlarından Max Born ile Niels Bohr'un yanında çalıştı. 1927'den 1941'e kadar Leipzig Üniversitesi'n­de kuramsal fizik profesörüydü. En önemli çalışmalarını bu dönemde yaptı ve kuvantum mekaniğine değerli katkıları nedeniyle 1932 Nobel Fizik Ödülü'nü aldı.

1900'de Alman fizikçi Max Planck, madde­nin kesintisiz ve sürekli biçimde değil, kuvan­tum adını verdiği küçük paketler halinde enerji saldığını ortaya koyarak kuvantum kuramını geliştirmişti . 1927'de de Heisenberg bu kurama daya­nan kuvantum mekaniğinin temel ilkelerin­den birini açıkladı. Heisenber'in belirsizlik ya da belirlenemezlik ilkesine göre, bir temel parçacığın konumunu ve momentumunu aynı anda kesin olarak belirlemek olanaksızdır.

Daha basit bir anlatımla, herhangi bir anda bir temel parçacığın konumunu, yani o anda uzayın hangi noktasında bulunduğunu sapta­yabiliriz ya da bundan bağımsız olarak hızını ölçebiliriz. Ama aynı anda hem konumunu, hem hızını, daha doğrusu parçacığın kütlesi ile hızının çarpımına eşit olan momentumunu ölçmeye kalkıştığımızda alacağımız sonuçlar güvenilir olmayacaktır. Çünkü hangi yöntem­le olursa olsun bu ölçümü yapmak için mutla­ka bir enerji biçiminden yararlanmak zorun­dayız. Bu enerji de parçacığın bulunduğu yeri önceden belirlenemeyecek biçimde değiştirir. Sonuçta, parçacığın momentumunu ölçerken aynı anda yerini de belirlemeye çalışmak boşuna olur. Yalnızca ölçüm nedeniyle parça­cıkta yaratılan bu tedirginliğin ölçü aletlerinin iyi ya da kötü olmasıyla da hiçbir ilişkisi yoktur.

Heisenberg'in belirsizlik ilkesi yalnızca te­mel parçacıklar için değil, örneğin bir uçağın hareketi ve konumu içinde de geçerlidir. Ama atomüstü boyutlarda bu etki ölçülemeyecek kadar küçük olduğundan dikkate alınmaz.

Heisenberg bu belirsizlik ilkesine uygun olarak, daha önce Bohr'un geliştirmiş oldu­ğundan tümüyle farklı yeni bir atom modeli önerdi. Atom çekirdeğinin proton ile nötron­lardan oluştuğunu ilk kez o açıkladı ve 1932'de temel parçacıklar arasındaki karşılıklı çekim kuvvetlerinin çekirdeği bir arada tuttu­ğunu öne sürdü . Sonradan temel parçacıklar arasındaki bu çekim kuvvetlerinin kütleçekim ve elek-tromagnetik kuvvetlerle de ilişkili olduğu anlaşıldı.

Werner Heisenberg 5 aralık 1901'de Würzburg'da doğdu. Doktor August Heisenberg ve Annie Wecklein'in oğullarıydı. Babası sonra Munih Universitesi 'nde orta ve modern Yunan dilleri Profesörü oldu. Belki de babasının bu görevinden etkilenerek, Japon fizikci Yukawa'nın keşfettiği ve mesotron adını verdiği parçacığı o yunancadaki "meson" diye adlandırdı.

Heisenberg 1920'de Munih Universite'sinde Sommerfeld, Wien, Pringsheim, ve Rosenthal'in yanında fizik okumaya gitti. 1922-1923 kışında Göttingen Universite'sinde Max Born ,Frank ve Hilbert 'in yanına fizik çalışmaya gitti. 1923'te Munih Universitesinden doktorasını aldı. Ve Max Born'un assitanı aldu. 1924 'den 1925'e kadar Niels Bohr'la beraber Copenhagen Universitesi' nde çalıştı. 1925 yazında Göttingen'e geri döndü. 1926'da tekrar Niels Bohr'un yanında teorik fizik dersi vermek üzere Copenhagen Universite'sine atandı. 1927'de henüz 27 yaşındayken Leipzig Universite 'si teorik fizik profesörü oldu. 1929 yılında ders vermek için Amerika , Japonya ve Hindistan'ı dolaştı.

1941'de Berlin Universite'sine fizik profesörü olarak atandı ve Kaiser Wilhelm fizik enstütüsünün direktörlüğüne getirildi. Ikinci dünya savaşı sonunda o ve diğer Alman fizikciler, Amerikan birlikleri tarafından tutuklanıp Ingiltere'ye gönderildiler. Fakat Heisenberg 1946'da Almanya'ya geri döndü. Burada Göttigen Fizik Enstütü'sünü arkadaşları ile birlikte yeniden düzenledi. Bu enstütünün adı daha sonra Max Plack Enstütü' sü olarak değiştirildi.

Heisenberg, 1948'de Cambridge'de ders vermek amacıyla bir kaç ay kaldı. 1950 ve 1954'de iki defa Amerika'dan ders vermek için teklif aldı. 1955-56 kışında Iskoçya St. Andrews Universitesi'nde dersler verdi, daha sonra bu dersleri bir kitap olarak yayımladı.

Heisenberg, 1955 yılı boyunca Max Planck Enstütüsü'nden ayrılması için kendisine karşı çalışanlarla uğraştı. Bu arada o hala enstütünün direktörüydü. Bunun için Münih'e gitti. ve 1958'de Munih Universitesine Profesör olarak atandı. Ondan sonra enstütünün adı Max Planck fizik ve Astrofizik enstütüsü oldu.

Heisenberg ismi hep 1925'te yayımlanan Quantum Mekanik Teory ile anılır. Bu teori ve özellikle teorinin hidrojenin özdeş formlarının keşfiyle iligili uygulama alanları yüzünden 1932'de Nobel fizik ödülü aldı. Onun teorisi atom tarafından yayılan radyasyonun gözlemlenmesi temeline dayanır. Teoriye göre, belirli bir zamanda bir elektronun yerini yada (Niels Bohr'un öngördüğü üzere) gezegenlerin yörüngesi gibi elektronların yörüngesini tesbit edemeyiz. Pozisyon, hız gibi mekanik değerler sayılar yerine matrices adını verdiği soyut matematiksel yapılarla tanımlanmalıdır. Daha sonra Heisenberg bu teoriyi matrix denklemleriyle formüle etti. Hareketli bir parçacığın momentum ve hızının hesaplanması; quantum sabiti h ile, ölçülecek değerin çarpımlarından daha küçük olmayacak biçimde belirsizlik taşır kuralını içeren belirsizlik ilkesi(Uncertainty Principle)'ni ortaya attı. Bu belirsizlik insan için ihmal edilebilirsede atom düzeyinde gözardı edilemez.

1957'den sonra Heisenberg Plasma fizik, thermonuclear süreç problemleri ve Genova'daki uluslararası Atomik Fizik Enstütü'süyle sıkı işbirliğinde çalıştı. Birkaç yıl bu enstütünün bilimsel politik komitesine başkanlık etti ve daha sonra üyesi olarak kaldı.

1953'te Alexander von Humboldt vakfının başkanı olduğunda yurtdışından bilim adamlarını davet edip Almanya'da çalışmaları için uğraş verdi. 1953'ten sonra teorik çalışmaları; ona göre temel parçacıkların fiziğini anlamada anahtar olan,Birleşik Alanlar Teorisi üzerine yoğunlaştı.
Hobilerinden biri klasik müzükti. Seçkin bir piyanistti. 1937'de Elisabeth Schumacher ile evlendi. 7 çocukları oldu ve şimdi onlar Munih'te yaşamktalar. Heisenberg 1976'da öldü.

Werner Heisenberg
(1901 Würzburg-1976 Münih),
Alman fizikçisi.

Öğrenimini Münih ve Göttingen üniversitelerinde yaptı. 1920'li yıllarda çeşitli üniversitelerde öğretim üyeliğinde bulundu. 1942'de Berlin Üniversitesi'nde profesör oldu. Kuvantum mekaniğine, matris mekaniği olarak bilinen yeni bir yaklaşım getirdi. Araştırmaları sırasında hidrojenin alotropik biçimlerinin var olması gerektiği sonucuna vardı. Bu alotropların varlığı daha sonra kanıtlandı (1929) ve bu buluşundan ötürü 1932 Nobel Fizik Ödülü, Heisenberg'e verildi. Belirsizlik ilkesini (bir elektronun belli bir anda hem hızının hem de yerinin belirlenemeyeceği ilkesi) formüle etti.

WERNER KARL HEİSENBERG ( 1901 - 1976 )
(Atomun ya­pısı ile alakalı çalışmaları ile tanınmış, kuantum mekaniğinin kurucusu olan Alman fizikçisi. 1901 'de Würzburg'da doğdu. 1 Şubat 1976'da Mü­nih'te vefat etti.

Münih Üniversitesinde Arnold Sommerfeld ile beraber araştırmalar yaptı. Daha sonra Max Bom, David Hilbert ve Niels Bohr gibi meşhur fi­zikçilerle çalıştı. Heisenberg (1925 'te) ve Evwin Schrödinger (I926'da) ayrı ayrı atomun kuvan­tum (dalga) mekaniğini farklı olarak, fakat mate­matik yönünden eşit şekilde formüllendirdiler. Bunların teorileri 1928 senesinde İngiliz teori fi­zikçisi Pal Dirac tarafından genişletilip geliştirildi. 1927'de Leipzig Üniversitesi fizik profesörlü­ğüne tayin edildi. Aynı yıl meşhur belirsizlik pren­sibini ortaya koydu.

Atom yapısı bilgisine katkılarından dolayı fi­zik dalında 1932 Nobel mükafatına layık görüldü. 1941 senesinde şimdiki Max Planck Enstitüsünün müdürü olan Heisenberg, 1958'de, atomun içindeki temel parçacıkların yapısını izah eden, birleşik şaha teorisinin formülünü ortaya koydu.

Heisenberg, hiçbir fizik bilgininin açıklama ya­pamadığı bir konuyu da aydınlattı. Bu konu, atom çekirdek yapısına ait olup; Mezon Alan Teorisi olarak isimlendirilmiştir.

Atom çekirdeğinde protonlar ile nötronlar bu­lunur. Hakikatte, protonlar artı (+) yüklü oldu­ğundan bir arada bulunamazlar. O halde atom çe­kirdeğinde öyle bir olay vuku bulmalıdır ki, bu se­beple protonların birarada durması mümkün olsun. Olay şöyle cereyan eder:

Çekirdekteki bir protona, yanındaki nötrondan eksi (-) yüklü bir eleman (mezon) sıçrar. Eksi yük kazanan proton nötron olur. Eksi yük kaybeden nötron da protona dönüşür. Bu olay saniyenin çok küçük bir kesrinde vuku bulur. Öyle ki, protonlar birbirlerini itmeye zaman kalmadan nötron olurlar. Bu hal böyle devam eder. Atom çekirdeğindeki me­zon alış verişi bir an için dursa, fizik alemi anın­da yok olur.

Heisenberg'in belirsizlik prensibi şöyledir: Bir elektronun yerini tespit edebilmek için dalga boyu kısa olan ışınlara ihtiyaç vardır. Bu ışınlar da enerji paketlerinden (fotonlardan) ibaret olduğundan, elektrona çarparak onun yerini de­ğiştirirler. Elektrona çarparak onu etkilememesi için footonları çok küçük ve dalga boyu uzun olan ışınların kullanılması gerekir. Bu suretle elektro­nun hareketinde önemli bir değişme olmayacaktır.

Fakat uzun dalgalı ışınlar kuvvetli bir görüntü sağlamadığından, ancak çok belirsiz bir görüntü el­de edilir. Şu halde, bir elemanın yerini tespit etmek mümkün değildir.

1956 senesinde İstanbul'a gelip konferanslar veren V.Heisenberg, bir konferansında sözlerini şöyle bitirmiştir: "Bütün nutuklarımda, atomdaki enerjiden nasıl istifade edilebileceğini anlattım. Şimdi aklımıza haklı olarak, şu soru gelmektedir: Bu muazzam kudreti, küçücük yere kim ve nasıl koydu.

Werner Heisenberg (1901 -1976)

Bilim tarihinde yüzyılımızın ilk çeyreği devrimsel atılımların biribirini izlediği fırtınalı bir dönemdir. Planck'ın kuvantum, Einstein'ın relativite kuramları, Rutherford'un atom modeli bu atılımların başlıcalarıdır.

Bohr'un 1913'de ortaya koyduğu kuvantum atom modeli 1920'lerde özellikle genç fizikçilerin ilgi odağı olmuştu. Ne var ki, bu model sorunsaldı; önemli kimi noktalara ışık tutmakla birlikte yeterince belirgin ve tutarlı olmaktan uzaktı. Üstelik, Bohr'un "kuvantum yörüngeleri" dediği şey için ortada deneysel kanıt da yoktu. Elektronların çekirdek çevresinde döndüğü, güneş sistemine bir benzetme olmakla kalan bir varsayımdı.

Modeli kimi yönleriyle yetersiz bulan genç fizikçilerin başında De Broglie, Pauli, Heisenberg, Schrödinger ve Dirac gibi çalışmalarıyla daha sonra ünlenen seçkin adlar vardı. Bunlar arasında en büyük atılımın Heisenberg'den geldiği söylenebilir.

Heisenberg yirmi dört yaşında iken oluşturduğu matris mekanik ve kendi adıyla bilinen belirsizlik ilkesiyle atom fiziğine yeni bir kimlik kazandırır, 1932'de Nobel Ödülünü alır.

Fizikçi arkadaşları arasında sezgi gücüyle tanınan Heisenberg, daha okul yıllarında, ders kitaplarında yer alan görsel modellere kuşkuyla bakmıştı. Bohr modelini bile pek inandırıcı bulmamıştı. Özellikle modele dayanan varsayımlardan, görsel imgelerden kaçınıyordu. Atom, modellerde işlendiği gibi karmaşık değil, basit bir yapıda olmalıydı. Bohr ile karşılaşmak, tartışmak aradığı bir fırsattı.

Bu fırsat çıktığında delikanlı Münich Üniversitesi'ndeki öğrenimini keserek Göttingen'e koşar. Bohr bir sömestr için Göttingen Üniversitesi'ne konuk öğretim üyesi olarak çağrılmıştı. Atom fiziğinin önde gelen bir kurucusuyla tanışmak kaçırılacak bir fırsat değildi. Heisenberg dikkatli bir dinleyiciydi; ama sırası geldiğinde, doyurucu bulmadığı noktaları belirtmekten, dahası Bohr'u düpedüz eleştirmekten geri kalmıyordu. Bohr bu iddialı gencin olağanüstü yetenek ve coşkusunu farketmekte gecikmez; sömestr sonunda onu Kopenhag Teorik Fizik Enstitüsü'ne katılmaya davet eder.

Üniversiteyi bitirir bitirmez, seçkin genç fizikçilerin toplandığı Enstitü'ye katılan Heisenberg'in sorguladığı temel nokta şuydu: Bohr modelinde öngörüldüğü gibi elektron devindiği yörüngeyi nasıl "seçmekte", dahası bir başka yörüngeye sıçramadan önce titreşim frekansını nasıl "belirlemekteydi"? Bohr varsaydığı bu davranışı açıklamasız bırakmıştı. Onun yaptığı sadece Planck'ın kuvantum sabitini uygulamaktı.

Bohr'a göre, atomun dengesini koruması, Planck sabitinin enerjiyi sınırlama ve düzenleme etkisiyle gerçekleşmekteydi. Ama bu argüman doyurucu bir açıklama getirmiyordu.

Elektronun çekirdek çevresinde devinen, sıradan bir parçacık olduğu savı da dayanaksızdı. Gerçi Bohr'un atomik olgulara Planck sabitini uygulaması yerinde bir yaklaşımdı; çünkü kuvantum teorisi klasik mekanikten daha yeterli sonuç vermekteydi. Ancak bu teorinin birtakım sorunlar içermediği demek değildi.

Heisenberg varsayımlar ve görsel modeller yerine, doğrudan deneysel verilere dayanan matematiksel bir dizge arayışı içindeydi. Öncelikle kimi saptamaların göz önünde tutulması gerektiğine inanıyordu.

Örneğin, atom içinde kaldığı sürece elektrona ilişkin tahmin ötesinde fazla bir şey bilmediğimiz, ama atom dışındaki davranışına ilişkin elimizde epey deneysel veri olduğu; yine, ivmeli devinen bir elektrik yükü olarak elektronun, elektromanyetik radyasyon saldığı, salınan radyasyonun frekansının deviniminin yinelenme frekansıyla daima aynı olduğu. (Elektronun radyo antenindeki iniş-çıkış deviniminin frekansının salınan radyasyon frekansıyla aynı olması buna gösterilebilecek bir örnektir.); öyleyse, elektronun atom içinde de ivmeli devinen bir elektrik yükü olduğu koşuluyla, radyasyon saldığı, salınan radyasyon frekansının, devinimin yinelenme frekansıyla aynı olduğu söylenebilirdi. Ne var ki, elektronun bir yörüngede devindiği varsayımına göre hesaplandığında bu beklenti doğrulanmamıştır.

Bu türden kimi olumsuz sonuçlar Bohr'u yörüngeler arasında "sıçrama" hipotezine götürmüştü. Buna göre, sıçramada yiten enerji, salınan radyasyonun frekansını belirlemekteydi. Tek elektronlu olan hidrojen atomunda bu beklenti doğrulanmaktaydı. Ama "sıçrama" düşüncesi yörünge varsayımını içeriyordu; oysa ortada yörüngelerin varlığını gösteren hiç bir kanıt yoktu.

Öte yandan, yukarda örnek olarak aldığımız radyo anten olayı da yadsınamazdı. Gerçi Bohr'un teorisine dayanan kimi öndeyilerin bu olaya uyduğu bir durumdan söz edilebilir. Şöyle ki, elektron çekirdekten uzakta, geniş bir yörüngede devindiğinde varsanan sıçrama enerjisi sıfıra yakındır. Atomun dış sınırında elektronun yörüngeyi tamamlama frekansı beklenen sonuca uymakta, yani, yörüngesel frekans radyasyon frekansına eşit çıkmaktadır.

Bohr "karşılık" (correspondence) dediği yöntemiyle atom dışından atom içi spektruma gidilebileceğini göstermişti. Heisenberg yeterince ussal bulmadığı bu yöntem yerine bu gidişi daha mantıksal bir yöntemle gerçekleştirmeyi önermekteydi. Ona göre spektral kod ancak böyle çözülebilirdi.

Heisenberg çözüm için aradığı ipucunu klasik devinim yasalarında bulabileceğini düşünür. Bilindiği gibi, bir gezegenin aldığı yolu belirlemek için, gezegenin belli bir andaki konumunu belirleyen nicelikle momenti (kütle x hız) çarpılır. Öyleyse olasıdır ki, atom düzeyinde de bir frekans çöküntüsüyle bir başka frekans çöküntüsünün çarpımı bize aradığımızı versin!

Ancak Heisenberg'in frekanslara ilişkin ortaya koyduğu simgelerin kullanımı değişik bir çarpım tablosu gerektirmekteydi. Heisenberg farkında olmaksızın "matris cebir" denen bir sistemin kimi kurallarını yeniden keşfetmişti. Hocası Max Born'un yardımıyla aradığı teorinin (kuvantum mekaniğin) matematiksel temelini oluşturmakta artık gecikmeyecekti.

Aslında oluşturulmakta olan yeni sistem, bir bakıma, klasik mekaniği andırmaktaydı; şu farkla ki, klasik mekaniğin simgesel sözlüğü "konum", "moment" ve devinime ilişkin diğer nicelikleri dile getirirken, yeni mekaniğin simgeleri atomik verileri temsil ediyordu. Matris cebir, klasik mekaniğin yetersiz kaldığı atomik problemlerin çözümüne elveren bir yöntemdi.

Ne var ki, başlangıçta Heisenberg hayal kırıklığına uğramaktan kurtulamaz; yeni yöntemle hidrojen spektrumunu hesaplama başarısız kalmaktaydı. Ama çok geçmeden onu umutsuzluktan kurtaran bir gelişmeyi fark eder. Fizikçi arkadaşı Pauli'nin bulduğu "dışlama" (exclusion) ilkesi geliştirmekte olduğu teoriye önemli destek sağlamaktaydı. (Pauli'nin çalışması atomik spektraya ilişkin gözlemlere dayanıyordu. Bu gözlemler çoğunluk biribirinden farklıydı.

Pauli bu gözlemlerin hepsi için geçerli bir açıklama arayışındaydı. Bulduğu açıklayıcı ilke şuydu: Herhangi bir elementer parçacıklar sisteminde, örneğin, atom kapsamındaki elektron topluluğunda, hiçbir iki parçacık aynı biçimde devinmez, ya da, aynı enerji durumunda olmaz.)

Bu basit ilke yalnız elektronlar için değil, ilerde keşfedilenlerle birlikte atom-altı tüm parçacıklar için geçerliydi. Üstelik bu ilke, Bohr'un atom modelinde bir bakıma elyordamıyla yaptığı bir sınırlamayı (elektron davranışları üzerindeki sınırlamayı) da anlamlı kılıyordu.

"Pauli dışlama ilkesi" diye bilinen buluş Heisenberg'e teorisini tamamlama yolunu açmıştı. Artık, Bohr'un "karşılık" yöntemini yetkin mantıksal bir dizgeye dönüştürebilirdi. Spektral kod çözüm aşamasına ulaşmış, kuvantum mekanik doğmuş demekti. Tam bu sırada beklenmeyen, dahası, şaşkınlık yaratan yeni bir gelişme ortaya çıkar: Avusturyalı fizikçi Erwin Schrödinger matris cebirine başvurmaksızın atomik spektrayı, dalga olayına uygulamaya elveren bir diferansiyel denklemle çözümler. Böylece, klasik fizik yasalarıyla çelişkiye yol açan kuvantum kurallarına gerek kalmadan atomun kesintili enerjisi açıklanabilmekteydi.

Schrödinger'in dalga denklemi, "enerji bölümleri" düşüncesinin fizikte yarattığı uyumsuzluğu gidermeye yeterli görünmekteydi. Kuvantum düşüncesi fiziğin temel ilkelerinden biri olan neden-sonuç bağıntısını dışlamaktaydı; öyle ki, kesin öndeyilere olanak yoktu. Öndeyiler olasılık çerçevesinde yapılabilirdi, ancak. Oysa Schrödinger dalga mekaniğiyle, bu tür sakıncalara yol açmaksızın, atom-altı düzeydeki tüm olguları açıklayabileceği inancındaydı.

Örneğin, dalga mekanik formülü kara-cisim radyasyonuna ilişkin gözlem verilerine Planck formülü ölçüsünde uygun düşmekteydi. Ona göre, madde dalgasal bir olaydı; "elementer parçacık" diye nitelenen şey, aslında, dalgaların biribirini pekiştirdiği küçücük uzay bölgelerinden başka bir şey değildi. Sıçrama fikrine gerek yoktu.

Şimdi yanıtlanması gereken soru şuydu: dalga mekaniği gerçekten fiziği eski bütünlüğüne kavuşturuyor muydu? "Kuvantum" kavramına artık gerek kalmamış mıydı? Bohr ve Heisenberg'e göre buna olanak yoktu. Çünkü elektron ister yörüngede devinen bir parçacık olarak düşünülsün, ister bir dalga titreşimi olarak algılansın, kesintilik gözardı edilemez, sıçrama varsayımından vazgeçilemezdi. Kaldı ki, dalga dilinde bile sıçrama düşüncesinin, üstü örtük de olsa, var olduğu söylenebilirdi.

Öte yandan başta Max Planck, de Broglie olmak üzere kimi fizikçiler Schrödinger'i desteklemekteydi. Bu, de Broglie için doğaldı, çünkü atom fiziğinde dalga düşüncesi ondan kaynaklanmıştı. Oysa, Max Planck öncüsü olduğu kuvantum teorisine ters düşen bir yaklaşıma arka çıkmaktaydı. Ne var ki, Planck yaratılıştan tutucu bir kişiydi; kurduğu teorinin sonraki gelişmelerinde ortaya çıkan "aykırılık"ları, özellikle nedensellik ilkesinden uzaklaşmayı içine sindirememişti. Öyle ki, Schrödinger'e fiziği içine düştüğü bunalımdan kurtaran bir kahraman gözüyle bakıyordu.

Fizik dünyası bir ikilemle karşı karşıyaydı. Bir yanda parçacık kavramına dayanan kuvantum mekaniği, öte yanda parçacık kavramını hiç değilse, dışlayan dalga mekaniği: aynı olgu kümesini açıklamaya yönelik biribirine ters düşen iki teori!

Bu arada, Bohr'un esnek bir tutum içine girerek iki teoriyi bağdaştırma girişimi de ilginçtir. Belki de atomu ve bileşenlerini ne salt parçacıklar ne de salt dalgasal birimler olarak düşünmek doğruydu. Belki de doğru olan, iki teorinin de sınırlı bir geçerliliğe sahip olduğunu söylemekti. Dahası, alternatif açıklamalar getirmeleri, iki teorinin bağdaşmazlığı anlamına alınmamalıydı.

Bohr bu tür olasılıklar üzerinde dururken, Heisenberg iki teori arasında bir uzlaşmaya olanak tanımıyordu. Ona göre atomun dalga yapısını gösteren herhangi deneysel bir kanıt yoktu. Gerçi sıradan deneylerimize aykırı düşen elementer parçacıkları somut maddesel değil, soyut nesneler olarak algılamak yerinde bir yaklaşımdır. Ancak, bu soyut nesnelerin davranışlarını betimlemede birtakım varsayımlara değil, ölçülebilir deneysel sonuçlara bağlı kalmak gerekir.

Heisenberg, önerdiği matris mekaniğin bu nitelikte bir dizge olduğu savındaydı. Belli fiziksel bir olgu ya parçacık, ya da, dalga kavramıyla açıklanabilirdi, ikisiyle birlikte değil! Doğa biribirine ters düşen iki kavrama aynı bağlamda elveren bir çelişki ya da karışıklık içinde olabilir miydi?

Sıkıntı bir ölçüde gene Heisenberg'in ortaya koyduğu bir ilkeyle, "belirsizlik ilkesi"yle giderilir. Bu ilke, belli tanımlar arasındaki bir ilişkinin matematiksel türden dile getirilmesidir. Kasaca şöyle demektedir: belli bir anda, konum ve momentin birlikte ölçümünün en az Planck sabiti kadar bir belirsizlik taşıması kaçınılmazdır: . Başka bir deyişle, konum ve moment biribirinden bağımsız değişkenler değildir; birini tam belirleme diğerini belirsiz bırakır.

Klasik fizikte ölçülen değişkenler Planck sabitine (h) görecel olarak çok büyük olduğundan öyle bir belirsizlik söz konusu değildir. Oysa atom-altı düzeyde önemli bir sayı olan Planck sabiti (h), bildiğimiz anlamda belirleme kesinliğine olanak vermemektedir. Tüm belirlemeler istatistiksel türden ortalamalar olarak yapılabilir.

Heisenberg'in belirsizlik ilkesi kuvantum mekaniğinin genel bir dizge niteliği kazanmasında anahtar işlevi görür.

Şimdi sorulabilir: Konum ve moment değişkenlerinin eş-zaman ölçümünü olanaksız kılan şey nedir? Bu olayda Planck sabitinin rolü nedir? Daha da önemlisi, belirsizlik ilkesi bilgi arayışının sınırlaması anlamına mı gelmektedir?

Klasik fizikte konum, hız, frekans vb. değişkenler üzerindeki deney ve ölçmelerin bu değişkenleri etkilemediği varsayımına dayanılır. Oysa bu varsayım atom-altı düzey için geçerli değildir. Planck sabitinin çok önemli olduğu bu düzeyde, deneysel araç ve düzenlemelerin ölçmeye konu bu değişkenleri bir şekilde etkilemesi kaçınılmazdır. Orta-boy düzeyde bu etki önemsizdir. Atom-altı düzeyde ise en küçük etki bile çok önemlidir.

Örneğin, bu düzeyde fotoğraf çekiminde salınan ışık, sonucu büyük ölçüde değiştirilebilir. Bu demektir ki, belirleme yöntemimizin etkisi belirlediğimiz nesne veya sürecin ayrılmaz bir parçası olmaktadır. Öyleyse, algıladığımız şey algımız dışında salt nesnel bir gerçekliği yansıtmamaktadır. Peki bunun araştırmaya bir sınır koyduğu söylenebilir mi?

Bu soruyu yanıtlamak için Heisenberg'in belirsizlik ilkesinin anlamını iyi kavramak gerekir. Atom-altı düzeyde ilişkilerini nedensel olarak belirlemeye çalıştığımız değişkenler (konum, momentum, vb.) biribiriyle karşılıklı dışlaşma içindedirler. Biri belirlendiğinde diğeri belirsizlik içine düşer. Bu yüzden, yetersiz belirlemeyle yetinmek koşuluyla, bir tür nedensel bir bağıntı kurulabilir. Bir deneyde konum tam saptanırken bir başka deneyde momentin tam saptanması yoluna gidilebilir. Kuvantum mekanikte olasılıklara yönelik istatistiksel belirleme yöntemi matematiksel sembolizmin özünü oluşturmaktadır.

Atom fiziğinde, Heisenberg gibi, görsel model yaklaşımının karşısına çıkan bir başka genç fizikçi de Paul A.M. Dirac'tı. Heisenberg ile Schrödinger'in biribirinden bağımsız atılımlarına bir üçüncüsünü Dirac ekler. Kuvantum mekanikte, klasik mekaniğinin ve p ile simgelediği konum ve momentum nicelikleri yerine frekans çöküşleri konmuştu.

Bu teoride, bildiğimiz aritmetik kurallarının tersine pxq ile qxp aynı şeyler değildi. Çarpımda çarpan ile çarpılanın sırası sonucu değiştirmekteydi. Dirac başlangıçta hemen herkesi şaşırtan bu terslikte, klasik fizik yasalarıyla henüz belirsiz kalan atomik yasalar arasındaki temel farkın ipucunu bulur. Şöyle ki, pxq ile qxp çarpımları arasındaki farkı biliyorsak, ayrıca bu farkın tüm gözlemlerde değişmediği doğruysa, o zaman, klasik mekanikteki herhangi bir denklemi atomik bir denkleme kolayca dönüştürebiliriz.

Bu temel noktaya parmak basan Dirac, aradığı matematiksel aracı "Poisson parantezleri" denen teknikte bulur. Dirac bu tekniği Heisenberg dizgesine uyguladığında, beklentisi doğrultusunda, pxq ile qxp'nin farkını belirler ve bu farkın değişmezliğini saptar. Böylece Poisson parantezleri tekniği kullanılarak herhangi bir klasik denklemin kuvantum mekaniğine ait eşdeğer bir denkleme dönüştürülebileceği gösterilir. Sonuç, klasik mekaniğin yapısal bütünlüğünü kazanan yeni bir mekanik demekti.

Dirac'ın ulaştığı bu sonuca, çok geçmeden, değişik bir yoldan Max Born da ulaşır: Heisenberg ve Schrödinger mekanikleri üzerindeki tartışmalarla çalkalanan fizik dünyası bir üçüncü mekanikle yüzyüze gelir.

Ne var ki, görünümdeki tüm farklara karşın, temelde, üç mekanik eşdeğer nitelikteydi. Örneğin Dirac mekaniğinin de paylaştığı Heisenberg çarpım kuralının Schrödinger mekaniğince de içerildiği söylenebilir.

Bu yakınlığın Dirac'ın attığı yeni bir adımla daha da pekiştiğini görmekteyiz: Dirac özel relativite kavramlarından yararlanarak Schrödinger dalga denklemini değişik bir biçimde ortaya koymayı başarır. Yeni denklem elektronun "spin" denen bir özellik taşıdığını içeriyordu. Eldeki deneysel veriler de öyle bir özelliğin varlığını kanıtlayıcı nitelikteydi. Ancak, Dirac'ın oluşturduğu relativistik dalga mekaniği önemli bir başka savı daha içeriyordu: elektron ve diğer elementer parçacıkların karşıt bir parçacıkla ikiz bir çift olduğu. Ne var ki, "pozitron" denen pozitif elektron ile diğer bazı karşıt parçacıkların kimliği belirleninceye dek, Dirac'ın bu hipotezi ciddiye alınmamıştı.

Şimdi "kuvantum mekaniği" diye bildiğimiz teori, başlangıçta farklı yaklaşımlardan doğan sıraladığımız üç gelişmeyi eşdeğer "versiyon" olarak kapsamında tutmaktadır. Ama hemen belirtmeli ki, kuvantum mekaniği ulaştığı ileri gelişmişlik düzeyine karşın bugün de birtakım "kalıtsal" diyebileceğimiz güçlüklerden yeterince arınmış değildir.

Giderek yoğunlaşan deneysel çalışmalarla toplanan verilerin daha tutarlı ve kapsamlı bir teori gerektirdiği açıktır. Dirac'ın son konuşmalarından birinde belirttiği üzere o çapta kuramsal bir atılım için yeni bir Heisenberg'in gelmesini bekleyeceğiz.

HEİSENBERG (Werner Kari),

alman fizikçi
(Würzburg 1901 - Münih 1976).

Münih Üniversitesinde A. Sommerfeld'in öğrencisiydi, öğrenimini burada tamamlayıp doktora tezini 1923’te verdi. Ünce Göttingen'de M. Born'un asistanı oldu, sonra Kopenhag’da Niels Bohr'un yönettiği enstitüde üç yıl çalıştı. 1927'de Leipzig Universitesi'nde fizik profesörlüğüne atandı. 1942’de Berlin Üniversitesi'nde profesör olarak çalıştı ve savaş sırasında atom enerjisi çalışmalarına etkin biçimde katıldı; bu yüzden Nazi Almanyası’ndaki rolü hep tartışma konusu oldu; 1946'da Göttingen’e profesör olarak atandı.

Çalışmalarıyla çağdaş kuramcıların en önemlilerinden biri durumuna geldi ve 1932 Nobel ödülü'nü aldı. Heisenberg öncelikle kuvantum kuramının kurucularından biridir. 1925'te, Kopenhag’da bir makale yayımlayarak kuvantum kuramının matris biçimciliğinin temellerini açıkladı. Bugün matris biçimciliği, Schrödinger'in "dalga mekaniği”nin yeniden formülleştirilmesi biçiminde görünse bile, Heisenberg’in çalışmalarını, Schrödinger'dan bir yıl önce yaptığını unutmamak gerekir.

Aynı kuvantum nesnesi için, devinim miktarı tayfının genişliği ile konum tayfının genişliği arasındaki bağıntıları (bu bağıntılar kendi adını taşır) ilk formülleştiren de Heisenberg'dir. Kuvantum mekaniğinin doğuşuna öncülük eden tartışmalar, büyük ölçüde sözkonusu bağıntıların yorumu çevresinde toplanır. Olgucu bir bakış açısıyla, Heisenberg yalnızca gözlenebilen niceliklerin kuramsal bir tanımlamaya elverdiği üzerinde durdu: görüşüne göre, bir cismin konum ve hızı aynı anda gözlenemediğinden bu iki kavramı bir kuram içinde tanımlamaya çalışmak yararsızdı. Heisenberg bu konumu betimlemek için, büyük bir yetenekle "düşünce deneyleri"ni tasarladı; böylece bir kuvantum nesnesinin hızı ve konumunun aynı anda ölçümüne olanak bulunmayan koşulları ortaya koydu. Düşünce deneylerinin en ünlüsü "Heisenberg mikroskobu" deneyi adıyla bilinen deneydir.

Heisenberg kuvantum fiziğinin çeşitli alanlarına birçok katkı sağladı: ferromanyetiklik kuramı; hidrojen molekülünün allotropik biçimlerinin incelenmesi; nükleer fizikte eşspin ve değişim kuvvetlerinin kullanımı; yayınım kuramı (S matrisi). Temel parçacıkların doğrusal olmayan birleşik kuramı üstündeki son çalışmaları başarıya ulaşamadı. Heisenberg’in bilimsel yayınlarından başka açıklayıcı, tanıtıcı ve düşünsel yapıtları da vardır, Die physikalischen Prinzipien der Ouantentheorie (Kuvantum kuramının fiziksel ilkeleri) [1930, 2. basım 1958], Physik der Atomkerne (Çekirdek fiziği) [1943], Das Naturbild der heutıgen Physik (Çağdaş fiziğin yapısı) [1955], Physik und Philosophie (Fizik ve felsefe) [1959], Der Teil und das Ganze (Parça ve bütün) [1969] bunların en önemlileri arasında yer alır.