Maddenin en küçük yapı taşı olan atomlar, kendisinden daha küçük birçok alt parçacıktan oluşmuştur. Fizikte bu parçacıkların her biri atom altı parçacığı adı altında nitelendirilir. Örneğin atom çekirdeğini oluşturan proton ve nötronlar birer atom altı parçacığıdır. Bunlar da kuarkların birleşiminden oluşan hadron adı verilen birleşik alt parçacıktan oluşmuşlardır. Bu arada kuarklar, bugüne kadar yapılan çalışmalara göre kendinden daha küçük bir parçacığa ayrışmadığından temel parçacık olarak nitelendirilmektedir. Proton ve nötron gibi çekirdek etrafındaki elektronlar da birer atom altı parçacığı olarak bilinir. Fakat elektronlar atom altı parçacık olmasının yanı sıra bir temel parçacıktır. (Temel parçacıklar leptonlar ve kuarklardır.) Elektron leptonlar içerisinde yer alan bir temel parçacıktır.). Ancak günümüzde yapısı kesin olarak belirlenememiş olan foton, graviton, bozon, mezon gibi atom altı parçacıkları da bulunmaktadır. Bu yazıda sizlere yapısı tam olarak keşfedilememiş, yüzyıllar boyunca tartışmalara konu olmuş, en etkin bilim insanlarını dahi zorlayan bir atom altı parçacığın ikili oyunundan bahsedeceğiz. Foton!..
Fotonlar ve ışık
1926 yılında Amerikalı kimyager Gilbert Lewis, kuantalar adı verilen enerji paketlerine foton adını vermiştir. Fotonlar, tüm elektromanyetik ışınların kalıbıdır. Işık da bir elektromanyetik ışın olarak nitelendirildiğinden ışığın kalıbı da fotonlardır. Bu da bize şunu anlatmaktadır. Foton ve ışık için ortaya konan yasalar her ikili için aynı derecede geçerlidir. Çünkü fotonlar, ışığın incelenmesi sonucunda bulunulmuştur ve ışığın ışık olmasını sağlayan en temel parçacıktır. Kısacası fotonlar, ışık demektir.
Fotoelektrik olayı
Bilim insanları yüzyıllarca, "fotonların yapısının tanecik mi yoksa dalga mı olduğunu" araştırmış ve tartışmıştır. 1800’lü yıllarda Newton, ışığın tanecikli yapıda olduğunu belirtse de Hollandalı fizikçi Christiaan Huygens, dalga modelini ortaya attı. Böylece ışığın sürekli dalga özelliği gösterdiğini belirterek uzun yıllar boyunca fotonların dalga yapısında olduğunun kabul edilmesini sağlamıştır. Tanecikli yapıda olma özelliğini ise reddetmiştir. Ancak 1900 yıllarında Alman fizikçi Max Planck, yaptığı çalışmalar sonucunda ortaya bir kuantum hipotezi atmıştır. Işığın kuantalar adını verdiği enerji paketlerinden oluştuğunu ortaya koymuştur. Bundan üç sene önce 1887 yılında Heinrich Rudolf Hertz, elektromanyetik dalgaların varlığını ispatlamak için bir deney yaptı. Bu deneyde elektromanyetik dalgalar (yani fotonlar veya ışık) metal bir yüzeye çarparak yüzeyden elektron koparıyordu. Bu olaya fotoelektrik olayı .
Ancak fotonların metal yüzeyden elektron koparması klasik model olan ve uzun yıllar boyunca varlığını sürdüren dalga modeli ile açıklanamıyordu. Ardından 1905 yılında yine bir Alman fizikçi olan Albert Einstein, Hertz’in fotoelektrik olayını Max Planck’in kuantum hipotezini kullanarak açıklamıştır. Planck’in kuanta dediği enerji paketçiklerini ışık için kullanarak bu olayın ışığın dalga modeli ile değil, tanecik modeli ile gerçekleşebileceğini ortaya koydu. Böylece Huygens’in dalga modelinden sonra ilk defa ciddi bir şekilde tanecik modeli kabul görmeye başladı.
Compton olayı
Bilim dünyasını gelişimini; yıllar boyunca bilim insanlarının çalışmalarını, başka bilim insanlarını merak ve sabırla inceleyip daha da ileriye götürmesi ile sağlamıştır. Bu duruma en iyi örneklerden biri de Compton olayıdır. Einstein, fotoelektrik olayı ile ilgili açıklamalarından sonra -1919 yılında- enerji taşıyan fotonların aynı zamanda bir momentumunun da olması gerektiğini savundu. Çünkü fotonlardan oluşan ışığın, tanecik özelliği gösterdiği ortaya koymuştu. Her bir taneciğin bir kütlesi olması gerektiğinden enerjisinin de olması hâlinde bir momentumun olması şarttı. Bunu ispatlamak isteyen Arthur Holly Compton da bir elektrona bir foton fırlattı. Böylece bir çarpışma gerçekleştirerek saçılım olmasını sağladı (Compton Saçılımı). Çarpışma sonucunda hem elektronun hem de fotonun merkezi olmayan esnek çarpışma yapması ile momentumun korunduğu gözlemlendi. Einstein’in momentum hakkındaki görüşleri Compton tarafından ispatlanarak fotonların momentumlarının olduğu ortaya konulmuş oldu. Böylece ışığın ve fotonların tanecikli yapısı daha da sağlamlaştı.
Fotoelektrik ve Compton olayları ışığın tanecikli yapısına birer delildir. Bu yapı modeline delil niteliğinde başka olaylar da vardır: Siyah cisim ışıması, kütle çekim etkilenmesi…
Peki dalga modeli?
Fotonlar veya ışık etkileşimlere girdiği zaman (Compton ve fotoelektrik olaylarındaki gibi) kuantum alan teorisine de göre tanecikli yapı gösterirken yansıma, kırılma, renklere ayrılma gibi olaylarda da dalga yapısı göstermektedir. Ancak ışığın birbiri içinden geçmesi, aydınlanma, gölge ve yarı gölge oluşumu gibi olayları da hem tanecik hem de dalga modeli ile gerçekleştirilmektedirler. Başlıkta da belirttiğim gibi fotonların iki yüzlülüğü şimdi daha iyi anlaşılmış olmalı. Fotonun bu iki yüzlü durumu diğer temel parçacıklarda da görülmüştür. Bilim dünyası bu duruma “dalga-parçacık ikililiği” demiştir. Bu ikililiği daha iyi konumlandıran ve fotonların dalga/tanecik yapısı arasında köprü kuran bir bağıntı oluşturulmuştur. Louis de Broglie bu bağıntıyı 1923 yılında doktora tezinde belirtmiş ve bu tez üzerine yaptığı çalışmaları 1929 Nobel Ödülü’ne layık görülmüştür. Bu bağıntıyı -birçok sayısal işlem içermesine rağmen- şöyle düşünülebiliriz. Fotonlar bazen bir pinpon topu gibiyken bazen denizdeki dalgalar gibidir. Ayrıca yerine göre bu iki özelliğini hem ayrı ayrı hem de aynı anda gösterebilmektedir.
Evrim geçirmez
Fotonların ışık hızında hareket ettiklerini (300 milyon metre/saniye) birçoğumuz biliyoruz. İzafiyet teorisine göre ışık hızında hareket eden cisimlerin kütleleri sıfıra eşit olmalıdır. Peki kütlesi sıfır olan bir parçacıktan bahsetmek mümkün mü? Ayrıca Compton olayında fotonların momentumları olduğunu, dolayısıyla hızlarıyla (enerji) beraber bir kütlelerinin olması gerektiğini unutmamalıyız. Bu durum da Einstein’in fotoelektrik olayında belirttiği üzere fotonların enerjisinin sadece kinetik enerji olabileceği ve kütlesinden dolayı herhangi bir enerjiye sahip olamayacağı şeklinde açıklanmaktadır. Bu da bize fotonların kütlelerinin olmadığını ama buna rağmen tanecik yapısında davranabildiğini ve de etkileşimlere tanecik şeklinde girip dalga şeklinde ayrıldıklarını gösterir. Zaten bu yüzden Planck, fotonlara enerji paketi demiştir. Fotonların içinde kinetik enerji vardır. İçi su dolu bir su baloncuğu gibi...
Tüm bu anlatılanlar aklınızı karıştırmış, sizlere bir çelişki hatta bir aldatmaca olarak gelmiş olabilir. O halde şimdiye kadar anlatılanları kısaca hatırlayıp birazdan vereceğim bilgiyle beraber birazcık düşünce dünyanızı zorlayın. Belki o zaman Einstein ve Planck gibilerinin neler yaşadıklarını hissedebilir, çelişki veya aldatmacalardan kurtulabilirsiniz. Fotonlar ışık hızında gittiklerinden onlar için zaman durgundur. Bu da onların evrimleşmemesine sebep olur.
