Kuantumu anlamak-4: Maddenin dalgası

1924 yılında Paris'te, otuz iki yaşında bir doktora öğrencisi tezini teslim etti. Adı Louis de Broglie'ydi ve Fransız aristokrasisinin köklü ailelerinden birine mensuptu; ağabeyi Maurice de Broglie tanınmış bir deney fizikçisiydi.

Tez ince, iddiası tek cümlelikti. Jüri ne yapacağını bilemedi. Fikir ya tam bir saçmalıktı ya da fiziği baştan yazacaktı.

Jüri başkanı Paul Langevin, tezin bir kopyasını Einstein'a gönderip görüşünü sordu. Einstein'ın cevabı kısa oldu: bu genç adam, büyük bir perdenin ucunu kaldırmıştı.

Tez kabul edildi. İki yıl sonra deneyle doğrulandı. Beş yıl sonra de Broglie Nobel aldı — tek bir doktora teziyle.

De Broglie'nin yaptığı şey, bir hesap ya da deney değildi. Bir simetri sezgisiydi.

Fizik, ışığın hikâyesinde şunu öğrenmişti: yüzyıllardır dalga olduğu bilinen ışık, aynı zamanda parçacık gibi davranabiliyordu. Fotoelektrik olayı bunu kesinleştirmişti.

De Broglie tersini sordu.

Madem doğa, dalga saydığımız şeye parçacık durumu verebiliyor —parçacık saydığımız şeye de dalga durumu veremez mi? Elektron neden sadece bir parçacık olsun?

Kulağa boş bir simetri merakı gibi geliyor. Ama tezin asıl gücü, bu soruyu Bohr'un çözülememiş bilmecesine bağlamasındaydı.

Gitar telinin cevabı

Geçen yazıda kalan soru şuydu: elektron niçin sadece belli yörüngelerde durabiliyor? Bohr bunu bir kural olarak koymuş, ama sebebini söyleyememişti.

De Broglie'nin cevabı şu oldu: çünkü elektron bir dalgadır ve bir dalganın yörüngeye sığması için şartlar vardır.

Bir gitar telini düşünün. İki ucu bağlıdır. Bu tel her frekansta titreşemez. Yalnızca, telin boyuna tam olarak oturan dalgalar oluşabilir: bir tam yay, iki yay, üç yay. Aradaki değerlerde dalga kendi kendini bozar, söner.

Gitarın belli notaları vermesinin sebebi budur. Tel bir merdivenmiş gibi davranır.

Şimdi aynı şeyi bir yörüngeye uygulayın. Elektronun dalgası, çekirdeğin çevresindeki yörüngeye sarılıyor. Tur tamamlandığında dalganın ucu, başladığı yerdeki tepeyle çakışmak zorunda. Çakışmıyorsa dalga kendi kendini iptal eder ve o yörünge var olamaz.

Yani yörüngenin çevresi, dalga boyunun tam katı olmalıdır. Bohr'un "izinli yörüngeler" dediği şey, tam olarak bunlardır. De Broglie hesabı yaptı ve Bohr'un ezbere koyduğu kuralın aynısı, bu zorunlu dalga boyu şartından dolayı kendiliğinden çıktı.

Bilmece çözülmüştü. Atom bir güneş sistemi değil, bir çalgıydı. Elektron yörüngelerinin belli olması, gitar telinin belli notaları vermesiyle aynı sebeptendir.

Peki ben niye dalgalanmıyorum?

Burada okurun aklına doğru bir soru gelir: madem her maddenin dalgası var, ben yürürken niçin girişim deseni oluşturmuyorum?

Cevap, de Broglie'nin formülünde saklı. Bir cismin dalga boyu, Planck sabitinin momentuma bölünmesiyle bulunur. Yani cisim ağırlaştıkça ya da hızlandıkça dalga boyu kısalır.

Rakamlara bakalım. Bir elektronun dalga boyu, atomun boyuyla kıyaslanabilir düzeydedir. Bu yüzden elektron için dalgalık belirleyicidir.

Yetmiş kiloluk bir insan normal bir yürüyüş hızında ilerlerken ise dalga boyu, virgülden sonra otuz beş sıfır sayılacak kadar küçüktür. Bir atom çekirdeğinin yanında bile akıl almaz derecede ufak. Böyle bir dalganın hiçbir şeyle girişim yapması, hiçbir kapıdan kırınıma uğraması mümkün değildir.

Yani madde dalgası yok değil. Ölçülemeyecek kadar küçük. Bir kez daha aynı kuralla karşı karşıyayız: kuantum etkileri kaybolmuyor, sadece bizim ölçeğimizde gözden kayboluyor.

Kaza eseri gelen ispat

1927'de New York'ta Bell Laboratuvarları'nda Clinton Davisson ve Lester Germer, nikel yüzeye elektron çarptırıp saçılmalarını inceliyorlardı. De Broglie'yi doğrulamak gibi bir dertleri yoktu; yüzey fiziği çalışıyorlardı.

Bir kaza oldu. Vakum tüpü kırıldı, nikel numune havayla temas edip oksitlendi. Temizlemek için uzun süre ısıttılar. Isıtma sırasında nikelin içindeki küçük kristaller birleşip büyük, düzenli kristaller hâline geldi.

Deneye kaldıkları yerden devam ettiklerinde bambaşka bir şey gördüler. Elektronlar artık gelişigüzel saçılmıyordu; belli açılarda yoğunlaşıyor, belli açılarda hiç görünmüyordu.

Bu, dalgalara mahsus bir davranıştır. Düzenli kristal, elektron dalgaları için bir kırınım ızgarası görevi görmüştü.

Ölçtükleri dalga boyu, de Broglie'nin formülünün verdiği rakamla örtüştü.

Aynı yıl, İskoçya'da George Paget Thomson bağımsız olarak aynı sonuca vardı. Tarihin cilvesi şurada: babası J. J. Thomson, elektronun bir parçacık olduğunu göstererek Nobel almıştı. Oğlu, elektronun bir dalga olduğunu göstererek Nobel aldı. İkisi de haklıydı.

Bugün ne işe yarıyor

Bu keşif laboratuvarda kalmadı.

Optik mikroskopların bir sınırı vardır: görünür ışığın dalga boyundan küçük şeyleri gösteremezler. Dalga, kendi boyundan küçük engelin etrafından dolanır ve onu görmezden gelir.

Elektronun dalga boyu ise görünür ışığınkinden binlerce kat kısadır. O hâlde elektron dalgalarıyla görüntü oluşturursanız, ışığın asla ulaşamayacağı ayrıntıyı görürsünüz.

Elektron mikroskobu böyle doğdu. Virüslerin ilk görüntüleri, hücre içi yapılar, malzeme yüzeyleri — hepsi elektronun dalga olması sayesinde görülebildi. Bugün tek tek atomların fotoğrafı çekilebiliyor.

Yani "madde dalgadır" cümlesi bir ezber sözü değil; bir hastanede veya bir fabrika laboratuvarlarında her gün kullanılan bir alettir.

Şimdi elimizde iyice tuhaf bir tablo var.

Işık hem dalga hem parçacık. Madde hem parçacık hem dalga. İkisi de deneyle sabit. İkisi de aynı anda doğru.

Bu noktada insan haklı olarak sorar: peki gerçekte hangisi? Elektron aslında ne?

Bu soru, kuantum fiziğinin tam kalbindeki sorudur ve cevabı, sizi bugüne kadar okuduğunuz her şeyden daha çok zorlayacak.

Yarın, bütün meseleyi tek bir deneye sıkıştıracağız. Richard Feynman, o deney için şunu söylemişti: kuantum mekaniğinin bütün gizemi, tek bir olgunun içindedir ve başka hiçbir yolla anlaşılamaz.

İki yarıktan geçen elektronları konuşacağız. Yarın burada buluşalım.