Stern-Gerlach Deneyi: Kuantuma nasıl inandırdı?

Prof. Dr. Sertaç ÖZTÜRK - @Sertac_Oztrk

“Olası iki çıktı vardır. Eğer sonuç hipotezi doğruluyorsa, o zaman bir ölçüm yapmış olursunuz. Ama eğer sonuç hipoteze aykırıysa, işte o zaman bir keşif yapmış olursunuz.” İtalyan fizikçi Enrico Fermi’nin bu güzel sözü bilimin yapısını çok güzel özetler. Belirli bir paradigma çerçevesinde yaptığınız gözlemler kuram yüklüdür, yani ölçüm öncesi ne görmeyi az çok tahmin edersiniz. Bazen gördükleriniz beklentilerinizden o kadar sıra dışı ve alışılmadık olur ki o zaman bilimsel bir devrime giden yolun önünü açmış olursunuz. 100 yıl önce Otto Stern ve Walther Gerlach tarafından yapılan deney ve sonuçları işte tam olarak böyleydi.

1920’lerin başında kuantum fiziği bildiğimiz şekliyle henüz doğmamıştı. Kara cisim termodinamiği, fotoelektrik etki ve elementlerin spektral çizgileri klasik fiziğin en küçük ölçeklerde yetersiz kaldığı konusunda fizikçileri ikna etse de bazı sorunlar vardı. Elektronların çekirdek etrafında belirli dairesel yörüngeler çizdiği Bohr’un atom modeli hidrojen atomu için doğru sonuçlar verirken helyum atomunda başarısız oluyordu. Arnold Sommerfeld ise yörüngeleri eliptik olarak alıp, açısal momentum değerlerinin kesikli olması gerektiğini ortaya çıkardı. İlk kez açısal momentum kavramını duyanlar için açıklamak gerekirse açısal momentum bir eksen etrafında dönen bir sistemin dönme eylemsizliğini ifade eden, yönü ve büyüklüğü olan bir fiziksel niceliktir. Eğer açısal momentum değerleri kesikli (yani kuantize) ise elektronların yörünge düzlemleri de yalnızca belli açılarda olabilirdi ve buna Almanca "Richtungsquantelung" deniyordu; yani manyetik alanın yönelimsel kuantizasyonu. Einstein’ın ve Born’un yardımcılıklarını yapmış olan Stern 1919'da manyetik alanın yönelimsel kuantizasyonu yeni bir teknikle test edilebileceğini fark etti fakat bu o zamanki teknoloji açısından oldukça zorluydu. Kendisine yardımcı olan Gerlach ile iki güçlü elektromıknatıs üretip mıknatısların bir ucuna gümüşü çok yüksek sıcaklara çıkarıp serbest gümüş atomları elde edecekleri bir sistem yerleştirdiler. Mıknatısların diğer tarafında ise gümüş bir plaka vardı. Mıknatısların arasında geçen gümüş atomları manyetik alanın etkisinden dolayı sapacak ve plakaya çarparak iz bırakacaktı. Gümüş atomunun en dış yörüngesinde dolanan tek elektron hareket ederken bir elektrik akımı oluşturacak ve bununla birlikte de net bir manyetik moment üretecekti. Homojen olmayan bir manyetik alan içerisinde geçerken gümüş atomları farklı etkileşim açılarıyla orantılı olarak sapacağından çıkıştaki plaka üzerinde düz bir çizgi şeklinde iz bırakacaktı. Klasik yaklaşım buydu. Eğer “Richtungsquantelung” gerçekse o zaman açı yalnızca iki değer alabilirdi ve plakada ikiye bölünmüş izler görmek gerekirdi. Aslında Stern yönelimsel kuantizasyon fikrine karşıydı ve bu deneyi onu çürütmek için yapmıştı. Hatta kuantizasyonun doğruluğu kanıtlanırsa fiziği bırakacağına dair yemin bile etmişti. Ama sonuçlar hiç de umduğu gibi değildi. Zahmetli ölçümler sonucunda 7 Şubat 1922 gecesi Gerlach sonunda bölünmeyi gördü. Bohr ve Sommerfeld haklıydı.

Fakat bu sonuçların yorumlanmasının yanlış olduğu birkaç yıl sonra kuantum mekaniğindeki gelişmeler sayesinden ortaya çıktı. Aslında gümüş atomları net bir manyetik moment üretmiyordu ve ayrılmaya neden olan şey bu etki değildi. Elektronun içsel bir açısal momentumu ve dönüşü vardı. Spin denilen bu etki Bohr tarafından öngörülmemişken Pauli ve Dirac tarafından kuantum mekaniğine kazandırıldı. En temel kuantum özelliklerinden birisi olan spin bir parçacığın nasıl bir özellik göstereceğine karar verir. Eğer spin değeri kesirli bir sayıysa (1/2, 3/2, vb.) böyle parçacıklara Fermiyon denir ve maddeyi oluşturur. Eğer spin değeri tam sayıysa (0, 1, vb.) bu parçacıklara Bozon denir ve etkileşimi (kuvveti) taşır. Örneğin elektrona bakarsak spini sadece iki farklı değer alabilir; +1/2 ve -1/2. İşte bu iki farklı değer Stern-Gerlach deneyinden izlerin ikiye ayrılmasına neden olan etkidir. 

DENEYLER

Asıl çok ilginç olan sıralı Stern-Gerlach deneyleridir. Bu deneylerde birden fazla sıralı mıknatıs kullanılır. Birinci mıknatıs dikey yönde manyetik alan uygular ve içinden geçen atom demeti yukarı ve aşağı yönde ayrılır. Sonra yukarı yönde sapan atomlar yoluna devam ederken aşağı yöne sapan atomlar ise bir hedef ile durdurulur. Yukarı yönde sapmış atomlar tekrar dikey manyetik alan oluşturan ikinci bir mıknatısın içine sokulursa beklenildiği gibi atomların hepsi sadece yukarıya doğru sapar. Şimdi deneyi şu şekilde tekrarlayalım. Yukarı yönde sapan atomları bu sefer dikey değil de yatay bir manyetik alan oluşturan ikinci bir mıknatısın içerisine sokalım. Bu sefer atomlar yatay düzlemde sağa ve sola sapacaktır. Bu durumda sadece sağa (veya sola, fark etmez) sapan atomları seçin ve bunları tekrar dikey manyetik alan oluşturan üçüncü bir mıknatısın içerisine sokun. Birinci mıknatıs ile sadece yukarı sapan atomları seçtiğiniz için yine üçüncü mıknatısın çıkışında yalnızca yukarı sapan atomları görmeyi beklersiniz, değil mi? Çünkü aşağıya sapan atomları ilk mıknatısta çoktan elediniz. Ama göreceğiniz şey tam bir sürpriz olacaktır. Üçüncü mıknatısın çıkışında yukarıya ve aşağıya doğru sapan atomlar görürsünüz. Anlaşılması zor geldiyse şöyle hayal edin. Elinizde farklı renkte toplar içeren bir torba olsun. Torba içindeki mavi topları seçip ayıkladığınızı düşünün. Torbaya tekrar mavi top var mı diye baktığınızda mavi topları beklediğiniz şekilde göremeyeceksiniz. Mavi topları ayıkladıktan sonra bu sefer turuncu topları seçip ayıkladığınızı düşünün. Torba içerisinde turuncu ve mavi toplar olmamalıdır artık. Fakat torbaya baktığınızda bu sefer mavi topların tekrar torba içinde olduğunu görürsünüz. Yani turuncu topları ayıklamak mavi topların tekrar torba içerisinde bulunmasına yol açmıştır. İşte kuantum fiziğinin ilginçliği ve zor anlaşılır doğası böyle bir şey. Turuncu topları seçmeniz (gözlemlemeniz) önceden seçtiğiniz mavi topların bilgisini yok ediyor. Aynı şey parçacıkların spin bilgileri için de geçerli. Yatay yönde yaptığınız spin ölçümü önceden yaptığınız dikey yöndeki spin ölçümünü tamamen belirsiz yapıyor. 

KEŞİF

Stern ve Gerlach ilk başta deney sonucunu yanlış yorumlasa da farkında olmadan muhteşem bir keşfe imza attı. Spin denilen bu kuantum özelliği bir topun kendi etrafında dönmesi gibi hayal edilse de aslında gerçekte çok farklı. Mesela elektronu bir top olarak hayal ederseniz başladığı yere geri dönmek için onu iki kez (720 derece) döndürmeniz gerekiyor. Şayet atom altı parçacıkların spinleri farklı olmasaydı bildiğimiz madde ve evren o kadar farklı olurdu ki duvarların içinden geçebilen insanları görmek sıradan bir hale gelirdi. “Neden duvarın içinden geçemiyoruz?” diye merak ediyorsanız bu yazının devamını sonraki haftalarda okumayı unutmayın. Bilim ve sevgiyle kalın.