birgün

27° AZ BULUTLU

Berlin sokak lambaları ve kuantum fiziğinin doğuşu

19. yüzyılın sonlarında Prusya’nın başkenti Berlin’de eski gazlı sokak lambalarının elektrikli lambalarla değiştirilmesi gündeme gelir. Karar hangi lamba tiplerinin verimliliğinin belirlenmesi üzerine verilecektir.

BİLİM 13.02.2022 12:26
Berlin sokak lambaları ve kuantum fiziğinin doğuşu
Abone Ol google-news

Dr. Mustafa Gündoğan

Bu yazıda kuantum fiziğinin garipliklerinden ya da kapısını araladığı teknolojik gelişmelerden değil; daha çok nerede ve hangi koşullar içinde ortaya çıktığından bahsetmeye çalışacağım. Ama bundan önce bir adım geri atıp sıcak cisimlerin yaydığı ışınım ve gökkuşağının renklerine değinmemiz gerekiyor.

James Webb Uzay Teleskobu üzerine yazdığım yazıda sıcak cisimlerin belli dalgaboylarında ışıma yaptığından ve gece görüş dürbünlerinin de bu ışınımı algılayarak çalıştıklarından bahsetmiştim. Bu ışımanın dalgaboyu cisim sıcaklaştıkça küçülür (kısa dalgaboyu daha yüksek enerjili ışıma demektir) ve akkor lamba hatta Güneş yüzeyi gibi çok sıcak cisimler için bu dalgaboyu gözümüzün hassas olduğu aralığa yaklaşır. Buradaki diğer bir önemli nokta ise bu ışımanın tek bir dalgaboyunda değil, geniş bir dalgaboyu aralığında gerçekleşmesi. Peki, bu geniş bir ışıma aralığı ne demek? Tam burada gökkuşağı ya da bir prizmadan geçirilen Güneş ışığı yardımımıza yetişiyor. Buralarda gördüğümüz farklı renkler tam olarak o farklı dalgaboylarına tekabül ediyor. Temel renklerden kırmızı en uzun dalgaboyuna sahipken mor ise en kısa dalgaboyuna yani en enerjik ışımaya sahip. Ve bunlara ek olarak Güneş’in yaydığı karacisim ışıması kırmızıdan daha az (kızılaltı) ve mordan da daha fazla enerjiye sahip (morötesi), gözle göremediğimiz ışınları da barındırıyor. Burada hangi dalgaboyunun o cisim tarafından ne kadar kuvvetle yayıldığı ise (mesela kırmızı mı daha parlak yok mavi mi?) bize daha da fazla bilgi veren bir araç olarak karşımıza çıkıyor. Peki, sokak lambaları ile gökkuşaklarının bağlantısı nedir?

Berlin sokak lambaları

19. yüzyılın sonlarında Prusya başkenti Berlin’de eski gazlı sokak lambalarının elektrikli lambalarla değiştirilmesi gündeme gelir. Fakat karar, hangi lamba tipinin ne kadar verimli olduğunun belirlenmesi üzerine verilecektir.

Bu görev ise henüz 1872’de kurulmuş İmparatorluk Fizik-Teknik Enstitüsü’ne (o zamanki adı ile PTR, 1953’ten sonra PTB) düşecektir. Aralarında, fizikçi ve mühendislerin adlarını çok iyi bildiği Helmholtz ve Förster gibi isimlerin de olduğu dönemin bilim insanları askeri, ticari ve bilimsel alanlarda hassas teknik ölçümler yapmak için üniversiteler üzeri bir kurum için oluşumlar başlatmışlar. Dönemin büyük sanayicisi Werner von Siemens’in (evet, çamaşır makinelerinin Siemens’i) finansal desteği ile İmparatorluk tarafından 1887’de resmen kurulur. Sokak lambalarına dönersek; lambaların verimlilikleri aslında hangi dalgaboyunda ne kadar ışıma yaptıklarını ölçerek öğrenebilecektir. Gözle görünmeyen dalgaboylarındaki ışımanın doğal olarak aydınlatmaya pek bir katkısı olmayacak ve lambaların verimliliğini düşürecekti (tam olarak bu yüzden soğuk ışık kaynakları enerji verimliliği açısından son yıllarda oldukça önemli bir araştırma konusudur).

Max Planck ve kuantum fiziği

Berlin PTR’da yapılan ölçümler o kadar hassastır ki, çok uzun dalgaboylarında zamanın teorileri ile tutarsızlıklar ortaya çıkmaya başlar. Bilim insanlarının bir türlü açıklayamadığı bu problemi ise Berlin Üniversitesi’nde çalışmakta olan Max Planck 1900 yılında çözer.

Türlü çabaları başarısızlığa uğradıktan sonra kendi deyimiyle bir umutsuzluk eylemi ile klasik fizik kanunlarını çiğner ve karacisimden yayılan enerjinin küçük paketler halinde geldiğini varsayar. Fiziksel anlamını çok düşünmemiş olsa da öne sürdüğü matematiksel model PTR’da yapılan hassas ölçümleri net bir şekilde açıklar. Bu buluşunu Berlin’deki büyük bir fizik kongresinde açıklar. Tüm bu başarısına rağmen teorinin klasik fizikle uyuşmazlığı kendisini rahatsız etmeye devam eder. Teorinin ise genel kabul görmesi birkaç yıl daha alır. 1905 yılında, Planck’ın editörü olduğu dergiye yıllardır bilim insanlarını meşgul eden başka bir problemi bu parçacıklı enerji modeli ile çok net bir şekilde çözen bir makale yollanır. Konu fotoelektrik etki (belki başka bir yazının konusu olabilir), yazarı ise Bern’den genç patent memuru Albert Einstein’dır (o sırada Planck 47, Einstein ise 26 yaşındadır). Konunun ciddiyetini anlayan Planck Einstein’ı teorisini sunması için Berlin’e davet eder. Ve erken kuantum teorisi denen çerçeve böylece kurulmaya başlanmış olur. Planck 1918, Einstein ise 1921’de bu yazıda anlattığım çalışmaları için Nobel ödüllerini alırlar.

Işığın parçacıklı doğasının tasviri zaten yeterince kafa karıştırıcıyken dalga mekaniği, Belirsizlik İlkesi gibi erken kuantum teorisi ötesinde kuantum mekaniğinin ortaya çıkmasına henüz yaklaşık 20 yıl vardır. Konunun ilginçliğinin de üzerine bazı popüler anlatılarda çok keskin bir devrim gibi klasik/kuantum ayrımı yapılmaktayken bu fikirlerin nasıl, hangi materyal koşullarda ve ne kadar uzun süreçler sonunda ortaya çıktığını göz önünde bulundurmak bilimin ilerlemesi ve işleyişi hakkında da değerli içgörüler verebilir.

Bir kişisel not olarak da yakın zamanda Berlin’deki araştırma grubumuz ile PTB ile ortak bir projeye başladık (enstitünün ruhuna uygun olarak hassas manyetik alan ölçüm projesi). Bu kapsamda kendilerini ziyarete gittiğimizde bize bu yazıda anlattığım karacisim ölçümlerinin yapıldığı orijinal ekipmanları gösterdiler. Bir deneysel kuantum optikçi olarak heyecanlandım demek oldukça hafif kalır diyebilirim. Yazıdaki fotoğraf ise o günlerden kalan bir Berlin gaz lambası.

Video haberler için YouTube kanalımıza abone olun

Birgün'e Abone ol