Bilimin katlanarak ilerleyen yapısında kendinden öncekine büyük bir darbe indirmiş ve kimi zaman fizikçilerin zihninde bir tokat gibi şaklamış olan deneyler vardır. Yüzyıllardır doğru zannedilerek ciltler dolusu kitaplar vasıtasıyla yeni nesillere anlatılan kökleşmiş bilgilerin üzerine bir balyoz gibi inmiş olan ve eski bilgiyi geçersiz kılmış olan deneylerdir bunlar. İşte bu yazıda, böyle bir deneye, atom mertebelerinde bir elektronun sırtına inen tokadın bilim dünyasında nasıl şakladığına ve onlarca yıldır doğru olduğu zannedilen bir bilgiyi geçersiz kılıp fizikçilerin aklını nasıl karıştırdığına tanık olacağız.
Eğer bir fizikçinin gözünde kararsızlığı görmek istiyorsanız ona şu soruyu sorun: Işık bir parçacık mı yoksa bir dalga mı? Böylesine yalın ve açık sorulmuş bir sorunun cevabının da aynı yalınlık ve açıklıkta olmasını beklersiniz. Fakat baştan söyleyeyim ki umduğunuz tarzda bir yanıtla karşılaşamayacaksınız. Hatta eğer sorunuzun cevap seçeneklerini genişletme yoluna gitmezseniz bir 21. Yüzyıl fizikçisinin bu soruyu yanıtsız bırakmak zorunda kalacağını da itiraf etmeliyim. Çünkü bu sorunun yanıtı, sunduğunuz seçeneklerden herhangi birisi değil!
Şüphesiz, fizikçinin birkaç saniyelik kararsızlığı fiziğin henüz doğru cevabı ortaya koyamamasından kaynaklanmayacaktır. Çok muhtemeldir ki bu birkaç saniyede fizikçinin beyninin içinde ışığın doğasının anlaşılmasını sağlamış olan deneyler saniyeler mertebesinde bir film şeridi gibi akıp gidecek ve kararsızlık, böylesi yalın ve açık sorulmuş bir sorunun bir o kadar yalın ve açık olmayan yanıtını nereden açıklamaya başlamak gerektiği konusunda yaşanacaktır. Birkaç saniye sonra alacağınız yanıt olası cevaplarınızı geçersiz kılacak ve bu sorunun fizik için büyük bir karmaşıklığa sahip olduğunu fısıldarcasına şöyle olacaktır: Her ikisi de!
Fakat bu cevabın bilim tarihinde çok da eskiye dayanan bir yeri olduğu söylenemez. Tarihte fizikçiler bu soruya, sorunun sınırları dışına çıkmadan yani yeni bir seçenek yaratma ihtiyacında olmadan cevap verebilmişlerdi. O cevap da belliydi: dalga. Öyle ki, ışığın deneyler sonucunda ortaya çıkan doğası aslında çok uzun yıllar boyunca hiçbir kimseyi bu soruyu sormaya mecbur etmemişti. Işığın gösterdiği birçok özellik onun tartışılmaz bir şekilde dalga olduğunu kanıtlar nitelikteydi. Fakat bilim hiçbir zaman elindeki verilerin kesin olarak doğru olduğunu söylemeyecektir. Daima bilimde ulaşılan yeni bulgular tüm bilinenleri yok etme potansiyelini taşıyarak keşfedileceklerdir. Nitekim ışığın doğasıyla ilgili elde edilen yeni bulgular da bilimin bu yönünü vurgularcasına sarsıcı olmuştur.
Işığın Değişik Davranışları Üzerine Kısa Bir Tarihsel Süreç
Tarihte ışığın, aslında bilinenden çok daha farklı bir yapıda olduğunu fısıldayan bir olayı ilk defa Almanya’da, Maxwell’in elektromanyetik teorisiyle tüm dikkatini elektromanyetik dalgaları keşfetmeye çevirmiş olan Heinrich Rudolf Hertz gözlemledi. Radyo dalgaları keşfiyle ismini dünya çapında duyurmuş olan Hertz 1887’de ışığı, kapalı bir ortam içerisinde karşı karşıya gelecek şekilde konumlandırdığı elektrotlara düşürdü ve şaşırtıcı bir gözleme imza attı. Işık, iki elektrot arasında yük sıçramalarının oluşmasına neden oluyordu. Bu yük sıçramaları kabın içerisinde bulunan gazı iyonlaştırarak (yüklü hale getirerek) karanlık bir ortamda gözle görülebilecek kıvılcımlar oluşturuyordu. Bu gözlem hiç kuşku yok ki son derece etkileyiciydi, fakat etkileyiciliği iki elektrot arasında dağınık bir ışık hattı boyunca uçuşan kıvılcımlarda değil, deneyin ilgili bir takım değişkenlerinin farklı durumlarında karşılaşılan beklenmeyen sonuçlarındaydı.
İlerleyen yıllarda deney teknik olarak geliştirildi. Gözlemler birçok bilim adamı tarafından kaydedildi. Fakat ne Hertz ne de bu şaşırtıcı gözlemi araştırmaya koyulan diğer bilim adamları olayı matematiksel olarak açıklayabilmeyi başarabildiler. Çünkü olaya klasik elektromanyetik kuramla yaklaşıldığında işler tam bir çıkmaza giriyordu ve elde de ışığın bu davranışını açıklamaya yönelik başka bir kuram yoktu. Üstelik daha yeni sayılabilecek kadar yakın bir tarihte Maxwell, bilim dünyasında tozu dumana katarak elektromanyetik kuramı oluşturmuş ve ışığın bir elektromanyetik dalga olduğu gerçeğini de içeren yeni bulgularla fizikte haklı ününe kavuşmuştu. Dolayısıyla büyük ümitlerle ortaya koyulmuş bu kuram daha ilk yıllarında su koyuveriyordu. Fakat diğer yandan kuramın ortaya koyduğu gerçekler hiç de yabana atılır tarzdan değildi. Dolayısıyla elde olan kuram olayı açıklayamıyorsa ve diğer birçok alanda doğruluğu da kuşku götürmüyorsa kuramı yok etmek yerine yeni bir kuram oluşturmak gerekliydi. Ama nasıl?
Fotoelektrik Olayın Etkileyiciliği ve 19. Yüzyılın Sonu
İlk olarak Hertz’in gözlemlediği bu olaya “fotoelektrik olay” ismi verildi. Bu gözlenenler için gayet açıklayıcı bir isimdi fakat iş olayın kendisini açıklamaya gelince eldeki denklemler bunu başarmaya yetersizdi. Elde olan elektromanyetik kurama göre metal yüzeye düşürülen ışığın şiddeti arttırılarak koparılan elektronların enerjilerini arttırmak mümkün olmalıydı. Fakat deney elde olan kurama göre işlemiyordu. Koparılan elektronların enerjileri ışığın şiddetiyle değil frekansıyla değişiyordu. İşte açıklanamayan nokta buydu. Işığın enerji taşıyıcısı elektromanyetik kuramın söylediği gibi onun şiddeti mi yoksa henüz oluşturulmamış bir kuramın söyleyeceği gibi frekansı mı? Bu soru cevaplandırılmayı bekliyordu.
Hertz, 1892’de henüz 36 yaşında hayata gözlerini kapadığında fotoelektrik olayın bir açıklaması yapılabilmiş değildi. O, geride fotoelektrik olay araştırmacılarını büyük soru işaretleri içerisinde bırakarak giderken başka bir grup fizikçi diğer bir olayın aynı açıklanamaz durumunu çözmekle uğraşmaktaydılar. Bu olayın da baş aktörü aynıydı: ışık. Fakat olayın ismi bu sefer “Kara Cisim Işıması” olarak adlandırılıyordu. Fizikçiler burada da o bildik problemle karşı karşıyaydılar: gözlemler eldeki kuramın beklentileriyle uyuşmuyordu.
İlerleyen yıllarda kara cisim ışımasına getirilecek açıklama, fotoelektrik olay için de fiziğe damgasını vurmuş sarsıcı bir zihne güçlü bir fikir verecekti. Yani kara cisim ışımasına getirilecek açıklama fotoelektrik için de teknik anlamda bir umut ışığı doğuracaktı.
Yüzyılın sonunda fizikçiler, henüz ışığın bu garip davranışları karşısında hala bir çözüm üretebilmiş değillerdi. Fakat umutsuz olmak için de elde hiçbir sebep yoktu. 19. Yüzyılı bitirirken yeni yüzyıla taşınan sorunların özellikle ilk birkaç on yıl içinde fizikçileri hayli meşgul edeceği belliydi. Işığın birçok yeniliğe gebe olduğu hissediliyordu!
20. Yüzyılla Birlikte Gelen Çözümler
Yüzyılın başında, 1900’de Max Planck, fizikçilerin büyük derdi kara cisim ışımasına matematiksel bir yöntemle açıklama getirdi. Işığın sürekli değil de, frekansla değişen kesikli enerji düzeylerine sahip olduğu düşünüldüğünde olayın denklemlerle uyumlu olacağını gösterdi. Bu fikir o günler için hiçbir fiziksel karşılığı olmayan yalnızca matematiksel nitelik taşıyan yeni bir yaklaşımdı fakat gözlemlerle de birebir örtüşüyordu. Bugün bizler Planck’ın bu sarsıcı matematiksel fikrinin fizikte ne büyük bir devrime yol açtığını ve yepyeni bir araştırma alanı doğurduğunu çok sık duyduğumuz şu sözcükle yakından biliyoruz: kuantum.
İlerleyen birkaç on yılda kuantum fiziği isminde yepyeni bir araştırma alanı doğuracak olan Planck’ın kesikli enerji düzeyleri fikri bunun yanı sıra ışık için önemli bir gizemi de fısıldıyordu. Öyle ki ışığın davranışı eğer kesikli enerji düzeylerinden oluşuyorsa onun parçacıksı yapıda olduğunu söylemek mümkündü. Fakat o güne kadar ışığın dalga karakterinde olduğunu kanıtlayan deneylerin fazlalığı ve halen geçerliliklerini koruyor oluşları fizikçileri bu sonuca gitmekten alıkoyuyordu.
Planck’ın fikri takip eden yıllarda fotoelektrik olayın açıklanması için de kullanılacaktı. İsviçre patent ofisinde, gelen patent başvurularını değerlendirmekle görevli olan, işten geriye kalan tüm zamanını dönemin yeni bilimsel gelişmelerini takip ederek ve düşünerek geçiren genç bir adam 1887’den beri gizemini koruyan fotoelektrik olayı açıklayabilmeyi başaracaktı.
Einstein’ın Fotoelektrik Olaya “Sessiz” Müdahalesi
Bildiğiniz gibi patent ofisindeki bu genç adamın ismi Albert Einstein. 20. Yüzyıl fiziğinde gerçekleşen bir gelişmeyi onun ismini anmadan anlatabilmek neredeyse imkânsız. Bizim tarihsel sürecimiz içerisinde de önemli bir mevkide duruyor.
Einstein henüz hiçbir akademik unvana sahip değilken 1905’te yayınladığı makaleyle Planck’ın fikrini temel alarak fotoelektrik olaya bir açıklama getirdi. Bu açıklamayla Einstein, dalga karakteriyle bilinen ışığın, fotoelektrik olayda tıpkı bir parçacık gibi davrandığı ve enerjisinin şiddetle değil frekansla değiştiği göz önüne alındığında beklenenlerin gözlemlerle uyuştuğunu ortaya koydu. Bu açıklama ilk etapta bilim dünyasında büyük bir sessizlikle karşılandı. Muhtemelen makalesi birçok bilim adamı tarafından belki okunmaya değer bile bulunmadı. Bunda Einstein’ın henüz hiçbir akademik unvana sahip olmaması da etkiliydi kuşkusuz. Fakat birkaç yıl sonra bilim adamları Einstein’ın daha etkili olan diğer makaleleriyle beraber bu çalışmasını da dikkate alacak ve değerlendirecekti. Hatta Einstein 1921 yılında, Nobel ödülünü açıkça daha sarsıcı olan diğer çalışmalarıyla değil fotoelektrik olaya getirdiği açıklamayla alacaktı.
Einstein’ın fotoelektrik olaya getirdiği açıklama her ne kadar ışığın bir parçacık olarak düşünülebileceğini ortaya koysa da bilim adamları “tamam ışık bir parçacıktır” demeye çok uzaktılar. Işığın bir dalga olduğunu söyleyen bulgular diğer yanda uzanıyordu ve onların sayıları ışığın bir parçacık olduğunu söyleyen olaylar yanında sayıca fazlaydı. Işığın gerçekte nasıl bir karaktere sahip olduğuyla ilgili genel olarak zihinler bulanıktı. Fakat bu muğlaklık daha çok bilim dünyasında yıllanmış bilim adamlarınca taşınıyordu. Henüz yaşı genç olan fizikçiler devrimci fikirlere daha kolay sarılabildiğinden ışığın bir parçacık olarak görülebileceğiyle ilgili bir kuşku taşımıyorlardı. Nitekim bu genç adamlar ilerleyen yıllarda kuantum fiziğini tabiri caizse kat kat inşa ederken, Einstein bile bir noktadan sonra kendi başlattığı bu kuantum devriminin en büyük muhaliflerinden biri olacaktı. Tam bu noktada, işlediğimiz süreçte de ismini andığımız Max Planck’a kulak vermek yerinde olacaktır:
“Yeni bir bilimsel gerçek, muhaliflerini ikna edip doğruyu görmelerini sağlayarak değil, bu muhaliflerin eninde sonunda ölüp, o gerçeğe alışık olan yeni bir neslin gelmesiyle kabul edilir.”
Planck’ın da bahsettiği gibi o gerçeğe alışık olan yeni bir nesil gelmekteydi ve o neslin içinden çıkacak yeni fizikçiler ışığın doğasıyla ilgili zihinlerdeki kuşkulara bir son verecekti.
Bilim camiasında ışığın doğasıyla ilgili muğlaklık sürüp giderken 1913’te üniversiteden başarıyla mezun olmuş dinine bağlı genç bir adam, geleceğini din ekseninde planlamayı kafasına koymuştu. Fakat mezuniyetin hemen sonrasında babasından aldığı bir tavsiyeyle bu idealinden vazgeçip fiziğe yönelecek ve ışığın doğasıyla ilgili zihinlerdeki muğlaklığa son verecek sarsıcı bir deneysel keşfe imza atacaktı.
Arthur Holly Compton
Compton 1892 yılında akademide yer alan aydın bir ailenin üçüncü çocuğu olarak Amerika’da Ohio’da dünyaya geldi. 1913’te babasının da öğretim üyesi olarak görev yaptığı Wooster College’i bitirdiğinde hayatının geri kalanı için dini bir kariyer düşleyen Compton, babasından aldığı bir nasihatle kendisine bambaşka bir yol çizmeye karar verdi. Bilimde gerçekleştireceği atılımların Hristiyanlık için bir din görevlisi olarak görev yapmaktan daha fazla değerli olabileceği nasihatiyle Compton, 1912’de Princeton Üniversitesinden fizik doktorasını almış olan büyük abisinin izinden giderek fiziğe yönelmeye karar verdi.
Hızlıca Princeton’da fizik üzerine yüksek lisans eğitimine başladı ve ardından doktora geldi. 1916’da lisans eğitiminden sınıf arkadaşı olduğu Betty Charity McCloskey ile dünya evine girerken aynı yıl yine Princeton’dan “X-ışını yansımasının yoğunluğu ve atomdaki elektron dağılımı” teziyle aldığı doktorasıyla bilim dünyasına girdi. Minnesota Üniversitesinde kısa bir dönem hocalık yaptı ve burada dönemin popüler bir araştırma konusu olan atom yapısını çözmeye dair çalışmalar yürüttü.
1917’de, mühendislik çalışmalarını heyecan verici bulan Compton, endüstriye yönelerek Westinghouse şirketlerinde kendisine “araştırma mühendisi” olarak iş buldu. 1. Dünya Savaşı sonlanırken üniversitelerdeki akademisyenlerin özel sektörde istihdam edilmelerinde kayda değer bir artış meydana gelmişti ve Compton’da tabiri caizse bu “akımı” takip edenlerdendi. Buradaki çalışmaları sırasında floresan lambaların geliştirilmesine ciddi katkılar sağladı.
1919’da Amerikan Ulusal Araştırma Konseyi’nin sağladığı bursla büyük hayali olan X-ışınlarıyla çalışabilmek umuduyla İngiltere’de Cambridge Üniversitesi içindeki Cavendish Laboratuvarına gitti. Fakat ne yazık ki X-ışınlarıyla çalışma umudunu gerçekleştiremedi çünkü laboratuvardaki X- ışınları cihazı deneyler için faaliyete geçirilemedi. Bunun yerine gama ışınlarının saçılımı ve emilimi üzerine çalıştı. Cavendish Laboratuvarındaki çalışmalar Compton’ı fazlasıyla bilgilendirdi ve geliştirdi. Özellikle dönemin fizik dünyasındaki popüler isimler olan Rutherford, Thomson, Eddington gibi hocalarından çok etkilenmiş olduğunu ifade edebiliriz.
Amerika’ya Dönüş ve Ardından Gelen Büyük Keşif
1920’de Amerika’ya, Washington Üniversitesinin Fizik bölümü başkanı olarak döndü. Burada Cavendish’ten taşıdığı bir problemi X-ışınlarıyla incelemeye koyuldu. Işığın maddeyle etkileşiminde saçılma açısı ve dalgaboyundaki değişim arasında bir ilişki olmalıydı. Olayı deneylerle gözlemleyen ve ölçümleyen Compton, daha önce bilim adamlarının ışıkla ilgili yaşadıkları “gözlemlerin denklemlerle uyuşmama” probleminin nasıl üstesinden geleceğini biliyordu. Planck’ın ve Einstein’ın teorik yaklaşımlarıyla denklemleri oluşturmaya ve karşı karşıya olduğu olayı açıklamaya çalıştı. Bu şekilde hareket ettiğinde gözleminin denklemlerle birebir uyuştuğunu gördü. Işık bir maddenin yüzeyine düştüğünde, maddenin elektronlarına enerjisini aktararak onları atomdan koparıyordu. Enerjisinin bir miktarını bu vesileyle yitiren ışık diğer yandan çarpışmanın etkisiyle geliş doğrultusunu da kaybetmiş olarak yoluna devam ediyordu. Bütün bu olayı ise Planck ve Einstein yaklaşımlarını temel alan bir yapıyla matematiksel olarak açıklayabilmek mümkündü.
Compton’ın gözlemi ve gözlemin denklemler neticesindeki beklenenlerle birebir uyum içerisinde olması diğer yandan Planck’ın kuantum fikrinin ve aynı zamanda Einstein’ın ışıkla ilgili öngörülerinin de doğruluğunun bir kanıtıydı. Compton, keşfinin teorik ve deneysel altyapısını Amerikan Fizik Cemiyeti toplantısında anlattığında daha önce ışığın parçacık karakteriyle ilgili bulgular elde edilmiş olmasına rağmen yine de hem büyük bir ilgiyle hem de güçlü bir muhalefetle karşılaştı. Makalesini 1923’te Physical Review’de yayınladı. Fakat artık tüm fizikçilerin ışıkla ilgili gerçekliği kabul etme vakti gelmişti. Compton’ın deneyinde yani bugün bildiğimiz ismiyle “Compton Saçılması”nda elektronun ışıktan yediği tokat adeta fizikçilerin zihninde şaklamıştı! Işığın bir parçacıkmış gibi davrandığı deneyler dalga gibi davrandığı deneylerle boy ölçüşecek pozisyona gelmiş ve tüm bilim dünyasını ışığın karakteriyle ilgili yeniden düşünecek pozisyona sevk etmişti. Kuantum fiziği gibi yeni bir araştırma alanının böylesi güçlü açıklamalarla geliyor olması fizikte onlarca yıldır dokunulmamış taşları yerinden oynatıyordu. Üniversiteden mezun olduğunda baba nasihatı ile bilime atılan bir adam eski bilgiye bir balyoz indirmiş ve fizik için gerçekliğe giden yolda yeni bir kapı aralamıştı.
Bilim dünyasını sarsan bu keşfin hemen sonrasında 1923 yılında Compton, 22 yıl boyunca çalışacağı Chicago Üniversitesine artık bir profesör olarak geçti. Burada X ışınları üzerine yoğunlaştırdığı çalışmalarını sürdürürken bilim dünyasına Compton saçılması olarak geçen keşfin yankıları halâ sürmekteydi. Compton, 1927 yılında bu çalışmasından dolayı Nobel ödülünü aldığında, ışığın doğası, kuantum fiziği ve özel görelilikle harmanlanarak artık baştan yazılmıştı.
Compton, daha sonra ilgisini elektromanyetik spektrumun kozmik ışınlar bölgesine çevirip bu alanda da kayda değer birçok araştırmaya imza atsa da hayatındaki en önemli çalışması kendi ismiyle anılan saçılma olayı olarak kaldı. Geride sayısız ödül bırakarak 1962 yılında hayata veda ettiğinde bilimde kolay kolay silinmeyecek önemli bir iz bırakmıştı.
Compton Saçılması Olayının Teknik Arka Planı
Peki, Compton saçılması olayında daha önce de kanıtları olmasına karşın fizikçileri ışığın doğasıyla ilgili yeniden düşünmeye iten şey neydi? Bu olayın basit bir parçacık etkileşimi olarak ele alınabilmesi mümkün mü? Ve olayın sonucunda ışık nasıl bir karaktere sahip olarak fizikteki yeni yerini almıştır? Tüm bu sorular için birkaç temel bilgiye değinerek Compton saçılmasının genel ve popüler düzeyde bir açıklamasını yapmaya çalışalım. Bunun için fizikte çok sık karşılaşılan bir tanım olan ve Compton saçılması olayında da kilit bir rolde bulunan momentumdan başlayarak ilerleyelim.
Fizikte Momentum Tanımı
Fizikte çok temel seviyede olduğundan herkesin aşina olduğu momentum için daha anlaşılabilir olması açısından basitçe “çarpma etkisi” tanımını kullanmak hiç yanlış olmayacaktır. Nitekim fizikteki genel kabul gören literatürün sırası da momentum kavramının tanımından sonra çarpışma türleri ve hesaplamalarına yer verir.
Arabanızla sabit bir hızla ilerlediğinizi düşünelim. Eğer birdenbire karşınıza yolun ortasında öylece duran hantal ve ağır bakışlarıyla büyükbaş bir hayvan çıkarsa, asla ona çarpmak istemezsiniz. Çünkü bilirsiniz ki eğer çarparsanız sonuç bir facia olacaktır. Fakat bir sinek çıktığında (sineğin havada hareketsiz olduğunu farz edelim) durmayı düşünmezsiniz. Çünkü bu küçük çarpışmayı hissetmezsiniz bile. Ama neden böyle oluyor? İkisi de durmasına ve sizin aynı hızla ilerlemenize rağmen neden farklı çarpışma durumları karşımıza çıkıyor? Cevap çok basit: farklı kütleler. Öyleyse hareket miktarını anlatacak ve çarpışma etkilerini açıklayacak olan momentum tanımı için kütle bir değişken olarak yer almalı. Diğer yandan hız değişkeninin de çarpışma etkisini doğrudan etkiliyor olduğunu biliyoruz. Duvara ne kadar hızlı çarparsanız o kadar kötü bir kaza yaparsınız!
p=mv
Momentum = kütle x hız
Dolayısıyla yalnızca sezgisel bir yolla hareket ederek momentum kavramını anlaşılabilir kılmak mümkün. Fizikte momentum, kütle ve hızın çarpımı olarak kabul edilir. Hareket miktarının ölçüsü olarak da ifade edilir. Öyle geniş bir tanımdır ki kullanım alanları saymakla bitmez. Dinamikten tutun da kozmolojiye hatta ışığın kendisine kadar uzanan bir yelpazede momentum tanımını kullanmak mümkündür. Zaten birinci sınıf düzeyinde temel bir kavram oluşunu zannedersem bu kapladığı geniş hacme borçludur kendisi.
Momentumun Korunumu – Enerjinin Korunumu
Bir dış kuvvetin tesiri altında olmayan her türlü kapalı sistemde toplam momentum korunur. Burada “toplam momentum” ve “kapalı sistem” ifadeleri önemlidir. İncelediğiniz sistemin içerisinde yüzlerce, binlerce parçacık bulunabilir. Kapalı sistemin içerisinde gerçekleşen hareketler sonrasında eğer bu parçacıkların birini spesifik olarak incelerseniz momentum değişebilir. Fakat korunum yasası tüm bu parçacıkların toplam momentumunun değişmeyeceğini söyler. Bu yüzden “toplam momentum” ifadesine yer verilmelidir. “Kapalı sistem” ise herhangi bir dış kuvvetin etkisi altında olmayan sistem demektir.
Enerjinin korunumu yasası için de termodinamik kaynaklı olması dışında aynı şeyleri söylemek mümkün. Her türlü kapalı sistemde enerji form değiştirse bile toplam enerji korunur.
Çarpışma
Çarpışma çok genel bir ifade olduğundan bunu biraz daha özelleştirme yoluna gidelim. Mesela bir bilardo masası üzerinde meydana gelen çarpışma. Eğer topların kütlelerini ve çarpışma öncesindeki hızlarını biliyorsanız, momentum tanımı ve momentumun korunumu yasası çerçevesinde hareket ederek son derece basit bir matematikle çarpışma sonrası oluşacak yeni hızları belirleyebilirsiniz.
Buraya kadar her şey aslında bildiğimiz ve aşina olduğumuz fiziksel kavramlardı. Şimdi Compton saçılmasına küçük bir giriş yapalım. Işığın tokadının nasıl ve ne şekilde indiğine bakalım.
Compton Saçılması
Compton’ın deneyinde X-ışınlarını bir cisme yönlendirdiğini ve bunun sonucunda cisimden elektron kopmasıyla karşı karşıya kaldığını biliyoruz. Peki, bu durum esas itibariyle neye benziyor? Şöyle düşünebiliriz. Bildiğiniz gibi elektron, nihayetinde bir parçacık, tıpkı bir bilardo topu gibi. Eğer onu yerinden oynatmak isterseniz üzerine ışık tutmayı düşünmezsiniz. Bunun yerine tıpkı bir bilardo topuyla diğerini vurur gibi elektronu da başka bir parçacıkla vurmayı düşünürsünüz. Çünkü bu daha sezgiseldir. Fakat doğa sezgilerimize göre işlemez. Compton saçılması olayı, elektronu ışıkla yerinden oynatabileceğinizi söyler ve buna bir örnek oluşturur. Bu ıstaka yerine küçük bir fenerle bilardo oynayabilmeye benziyor.
Yazının başında yalnızca tarihsel olarak değindiğimiz fotoelektrik etkide de ışığın çarpması sonucu elektronların bağlı oldukları atomdan söküldüklerini yani harekete geçtiklerini dolayısıyla bu durumla Compton saçılması arasında ne gibi bir fark olduğunu merak edebilirsiniz. Şöyle ki; fotoelektrik olayda ışık, sökülen elektronlar tarafından emilir. Yani olay sonrasında artık ortada ışık falan yoktur. Fakat Compton saçılmasında ışık elektrona çarpar ve çarpışma sonrasında da vardır. Başlangıçta durgun olan elektron, gelen ışığın çarpması sonucu enerji kazanır ve belli bir istikamette harekete başlar. Işık ise enerjisinin bir kısmını çarpışma sırasında kaybetmiş olmanın sonucu olarak daha az bir enerjiyle yine farklı bir istikamette yoluna devam eder. Yani tıpkı bilardo masasında kafa kafaya çarpışan iki bilardo topuna benzer ışık ve elektron. Dolayısıyla meseleye momentumun korunumu yasasıyla yaklaşabilmek mümkündür.
- Compton saçılması olayının şematik gösterimi.
dalgaboylu ışık başlangıçta durgun olan elektrona çarpıp onu harekete geçirir. Tipik bir çarpışma ve momentum korunumu probleminden tek farkı, başlangıçta ışığın momentumu için klasik momentum tanımı kullanılamayacağından rölativite kuramının tarif ettiği foton momentumu tanımını kullanmak zorunda olmamızdır. Değişkenlerimiz ise çarpışma öncesi ışığın dalgaboyu olan , çarpışma sonrası ışığın dalgaboyu olan 
ve saçılma açısı 
. Işık çarpışma sırasında enerjisinin bir kısmını kaybettiğinden çarpışma sonrası daha az bir enerjiyle yoluna devam eder. Enerji ve dalgaboyu ters orantılı olduğundan çarpışma sonrası ışığın azalan enerjisi daha büyük bir dalgaboyu demektir. Momentum korunumu yasası çerçevesinde birkaç basit matematiksel hesaplamayla elde edilen dalgaboyundaki kaymayı saçılma açısına bağlayan eşitlik ölçülen değerlerle birebir uyum içerisindedir. Yani “gözlemler beklentilerle uyuşmuyor” sorunuyla bu olayda karşılaşılmaz.
Tipik bir çarpışma için momentum korunumu hesaplamaları sırasında kullandığımız değişkenlerin kütle ve hız bilgisi olduğunu söylemiştik. Bu durumda ışık için değişkenler nelerdir? Momentum tanımını ışık için nasıl yapabiliriz? Bunun için kütle bilgisine ihtiyacımız var. Peki, ışığın kütlesinden bahsetmek mümkün mü?
Tüm bu soruların cevaplarını ışığın parçacık yapıda olduğunu ilk kez ortaya koyan Einstein 1905’te özel rölativite kuramında verdi. Bu kuram temel itibariyle yüksek hızlardaki hareketi inceler. Dolayısıyla ışık, doğrudan bu kuramın içerisindedir. Einstein, özel rölativite kuramında, ışığın momentum tanımının yanı sıra enerji ve momentum korunumu yasalarının yüksek hızlardaki hareketler için nasıl yazılabileceğini de teorik olarak ortaya koydu. Compton saçılması olayı bir anlamda teorik altyapısı oluşmuş özel rölativite kuramına deneysel bir kanıt sunar.
Işığın – Işık Kuantalarının (Fotonların)- Kütlesi Nedir?
Dinamikte incelediğimiz cisimlerin, kozmolojide gezegenlerin, parçacıksı yapıda olduklarını ve bir kütleleri olduğundan çok rahat bir şekilde momentum tanımına gidilebildiğini biliyoruz. Fakat ışık için momentum tanımından bahsedebilmek için karşı karşıya olduğumuz “ışığın kütlesi nedir?” sorusuna bir cevap vermek zorundayız. 20. Yüzyılın başlarına kadar dalga yapısıyla bilinen ışığın çok anlaşılır bir şekilde kütlesinden bahseden olmamıştı. Fakat ışığın bir parçacık olduğunu ya da öyle gibi davrandığını iddia ediyorsanız bu problemle yüzleşmek zorundasınız. Nitekim Einstein da öyle yaptı.
Size en popüler denklem nedir diye sorsam muhtemelen dersiniz. İşte bu denklemi borçlu olduğumuz teori, Einstein’ın rölativite teorisidir. Bu teorinin bizim kişisel tecrübelerimize büyük zıtlıklar taşıyan bazı aykırı sonuçları var. Bu sonuçlardan bir tanesi, doğrudan bu popüler denklemin söylediği kütle – enerji denkliğinin bir yansıması olarak yüksek hızlara çıkıldıkça kütlenin artış göstermesidir. Nasıl yani dediğinizi duyar gibiyim? Daha açık bir ifadeyle; görelilik teorisi, arabanızın park halindeyken ki kütlesi ile 100 km hızla giderken ki kütlesinin aynı olmadığını söyler! Bu tuhaf bir sonuç fakat durum gerçekten böyle görünüyor. Elbette bu 100 km’lik bir hız için öylesine küçük bir fark ki pratikte bunun zerre kadar önemi yok. Ama ışık hızı mertebelerine yükseldikçe bu kayda değer bir fark oluşturuyor. Kütlesi olan bir parçacığın asla ışık hızına ulaşamayacağı sonucu da buradan geliyor. Hızı yani enerjisi artmakta olan her cisim gittikçe bu enerjiyi kütle olarak depolamaya başlıyor. Bu durumun matematiksel bir sonucu da şu; eğer kütlesi olan bir cismi ışık hızına çıkarmak istersek kütle sonsuza gidiyor. Yani olayın bir fiziksel karşılığı yok. Dolayısıyla halihazırda ışık hızında ilerleyen ışık kuantalarının (fotonların) bir kütlesi olmaması gerekiyor. Sonuç olarak, ışık parçacıkları olan fotonların durgun bir kütleye sahip olmadıklarını, olamayacaklarını, kuramı baz alarak yaptığımız bu sezgisel yaklaşım sayesinde anlayabiliriz.
Eğer fotonların kütlesiz parçacıklar olduğunu söylüyorsak bilinen momentum tanımı üzerinden giderek bir sonuca ulaşmak mümkün değil. Yeni bir formülasyona ihtiyaç var. Rölativite bunu da üstleniyor. Toplam enerji eşitliğinden yola çıkarak matematiksel olarak, fotonun momentumunu dalgaboyuyla ilişkilendirerek yeni bir momentum tarifi yapıyor.
p=h/
Momentum = Planck sabiti / dalgaboyu
Klasik p=mv eşitliğinin rölativite teorisi çerçevesindeki karşılığı. Compton saçılmasında ışık (foton) momentumu için kullanılması gerekli eşitlik budur.
Compton saçılmasında olayın teorisi tamamen momentum korunumu ilkesine dayansa da ışığın momentum tanımını klasik yöntemle yapabilmek kütle sorunundan dolayı mümkün değil. Bunun için rölativitenin söylediği foton momentumu kavramıyla hareket etmek gerekiyor. Sonuç olarak Compton saçılmasında, tipik bir çarpışma olayına kıyasla çıkış noktası farklı olsa da (farklı momentum formülasyonları) gidiş doğrultusu (momentumun korunumu) tamamıyla aynı.
Compton saçılması, teori ve deneyde örtüştüğünden, ışığın bir parçacıkmış gibi düşünülebileceğini ortaya koyarken bir yandan da Planck’ın kuantum fikriyle, Einstein’ın özel rölativite teorisindeki foton momentumu kavramına güçlü bir kanıt sunuyor. Tüm bunların sonucunda ışığın karakterini yeniden yorumlama ihtiyacı doğuyor.
Sonuç
Compton saçılması olayı çok etkili bir şekilde gösteriyor ki “ışık bir dalgadır” ifadesi büsbütün hatalı ve geliştirilmeye muhtaç. Işığın hareketinin basit momentum olgularıyla açıklanabiliyor olması “ışık bir parçacıktır” görüşünü doğuruyor. Fakat bu görüş diğerini geçersiz kılacak güce sahip değil. Dolayısıyla bu deneyin sonucunda on yıllardır dalga olarak bilinen ışık yeniden yorumlanarak dual (çift) bir yoruma kavuşturuldu. “Işık kimi zaman dalga karakterli kimi zamansa parçacık karakterlidir” sonucu oluşturuldu. Deneyden yalnızca bir yıl sonra dalga – parçacık ikiliğinin formülasyonu geliştirilerek ikiliğin yalnızca ışık için değil tüm parçacıklar için de geçerli olduğu ortaya koyuldu.
Compton saçılması, yıllardır bilinen olguları kırıp ortaya yeni bir bilgi koyduğundan fizikte devrimci bir deney olarak karşımıza çıkar. Eminim ki bilim, gerçeği aramanın coşkusu ve azmiyle daha nice devrimci deneylere şahit olacaktır.
Kaynaklar
Washington University in St.Louis – http://www.wustl.edu/about/facts/chancellors/compton.html
AIP Center for History of Physics – http://www.aip.org/history/gap/Compton/Compton.html
Georgia State University – http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/Hbase/quantum/comptint.html
Washington University Libraries – http://library.wustl.edu/units/spec/exhibits/crow/ahcbio.html
Wikipedia, Compton Scattering – http://en.wikipedia.org/wiki/Compton_scattering
Wikipedia, Arthur Compton – http://en.wikipedia.org/wiki/Arthur_Holly_Compton
Yorum Ekle