Herkes için Kuantum Elektrodinamiği -1

Elektromanyetik Teorinin Doğuşu

 

Kuantum elektrodinamiği (KED), fizik tarihinde ulaşılmış en kesin, en başarılı ve en akıllıca teorik başarılardan biridir. Elektromanyetik etkileşimleri tam olarak izah eden bu teori, hem kuantum mekaniğini hem de izafiyet teorisini zarif bir şekilde kapsıyor.

KED teorisi ışığın maddeyle etkileşimini ve elektrik yükü içeren maddenin birbiriyle etkileşimini, klasik elektromanyetik teoriyi kuantum fiziğine uyarlayarak eksiksiz biçimde tasvir eder.

Herşey, insanların zihnini çok uzun zamandır meşgul eden bir probleme çözüm arayışıyla başladı. Nasıl oluyor da birbirine hiç temas etmeyen mıknatıs ve demir gibi cisimler birbirlerine kuvvet uygulayabiliyordu? Aynı problem yerçekimi kuvvetinde de vardı. Elektriğin keşfi, bu anlaması zor probemi daha da önemli kıldı. Elektrik yükleri arasında ne gibi bir etkileşim oluyordu da yüklü cisimler hiç dokunmadan birbirlerini itip çekebiliyordu? Bir de elektrik yüklü parçacıkların etraflarında manyetik alan oluşturmaları, muammayı katmerli hale getirmişti.

1800'lerin başlarında Volta'nın ürettiği elektrik kaynakları, elektriğe olan ilgiyi artırmıştı. Ardından Örsted ve Ampere'in çalışmaları elektrik ile manyetizma arasında sıkı bir bağ olduğunu ortaya koydu. Birbirinden tamamen farklı olarak ele alınan iki temel kavram, birdenbire madalyonun iki ayrı yüzü olduklarını gösterdiler. Elektrik akımı taşıyan kablolar, tıpkı mıknatıslar gibi birbirlerine kuvvet uyguluyorlardı.

Tüm bu gözlemlerin matematik diliyle açıklanmaya ihtiyacı vardı. Green 1830'larda bu iş için kolları sıvadı ve elektrik-manyetizma için ilk matematiksel teoriyi oluşturdu. Faraday elektromanyetik indüksiyon üzerine deneyler yaptı ve elektrik – manyetizma ilişkisini kullanılır hale getirerek popülerleştirdi. Faraday olağanüstü bir deneyciydi. Paramanyetizm ve diamanyetizm üzerine de pek çok çalışma yapmıştı. Elektriğin Moleküler Teorisi adında gözlemlerini açıklamaya çalışan eserler ortaya koydu. Ancak Faraday iyi bir matematikçi değildi ve elektromantetizmanın açıklanması için başka bir dehayı beklemek gerekti.

Maxwell

Beklenen açıklama 1864'te James Clerk Maxwell adlı genç bir fizikçiden geldi. Maxwell, cisimlerin hareket denklemlerini ortaya koyan Hamilton ve Lagrange'ın çalışmalarını elektromanyetik alanlarda uygulamayı başarmıştı. Maxwell'in çalışmaları ortaya çok şık bir klasik elektromanyetik teori çıkarmıştı. Elektrik yükleri etraflarında elektrik “alanları” oluşturuyor, o alan içine giren her elektrik yükü o alandan etkileniyor ve böylece cisimler elektromanyetik etkileşime girebiliyordu. Ayrıca bu elektrik alandaki değişmeler (elektrik yüklerini hareket ettirerek herhangi bir noktadaki elektrik alanı değiştirmek mümkün) manyetik alanın doğuşuna sebep oluyordu. Manyetik alandaki değişmeler de elektrik alanı doğuruyordu.

İlerleyen yıllarda o gün için devrimsel nitelikte bir şey daha keşfetti. Elektromanyetik alanın yayılma hızının ışık hızına yakın (hatta aynı) olduğunu hesapladı. Böylece ışığın aslında uzayda yayılan elektromanyetik alan dalgalanmalarından ibaret olduğunu ilk fark eden kişi oldu. 19. yüzyılın başında tamamen farklı konseptler olarak ele alınan elektrik, manyetizma ve optik, artık tek bir disiplin altında toplanmış oldu. Elektrik alan ve manyetik alan birbirlerinin hem sebebi, hem de sonucu olan kavramlardı. Işık dediğimiz şey de, uzayda ilerleyen elektrik-manyetik alan dalgalanmalarından ibaretti. Tüm bunları Maxwell 4 temel denklemde toplayarak fizik tarihindeki en estetik sunumlardan birine imza atmış oldu.

Bunun ardından ışığın farklı bir dalgaboyu spektrumuna ait olan radyo dalgalarının keşfi geldi. Elektromanyetik dalgaların bir tarafta üretilip diğer tarafta algılanabileceğini fark eden Hertz, elektromanyetik dalgaların kırılma, yansıma, polarizasyon, saçılma ve hızı gibi optik özellikleri üzerinde araştırmalar yaptı.

20. yüzyıla gelmeden, Thomson elektrik alan kaynağı olan bir parçacık keşfetti. Bu parçacık fiziği tarihinin de adeta başlangıcı oldu. İlk defa atom olarak adlandırılan ve rijid kürelerden oluştuğu düşünülen maddenin yapı taşının daha alt gruplara ayrılabileceği, daha küçük parçacıklar barındırdığı anlaşıldı. Thomson, deneyinde bir katot tüpü kullanmıştı. Katot tüpü içinde düşük hacimli bir gaz, ve ışın kaynağı olarak kullanılmak için ısıtılan bir metal levha vardı. Metal levha ısıtıldıktan sonra elektrik alana maruz bırakılınca levhadan bir ışın demeti çıkıp düşük hacimli gaz içinde ilerliyordu. Bu ışın demeti, bilinen anlamda ışıktan farklı davranıyor, manyetik alandan etkilenerek sapmalar yapıyordu. Bu da ışın demetinin elektrik yükü taşıdığını gösteriyordu. Thomson ışının aslında kütleli parçacıklardan oluştuğunu keşfederek bu minik ışın parçacıklarının kütlelerini ölçtü. O gün için bilinen en hafif iyon olan Hidrojenin binde birinden bile daha hafifti. Üstelik, deneyi farklı metal levhalar ile tekrarladığında, çıkan ışını oluşturan parçacıkların kütlelerinin değişmediğini gözlemledi. Özetle, her metalde, her elementte özdeş olarak bulunan, elektrik yüklü, çok hafif, temel bir parçacık olduğunu keşfetmişti. Buna elektron ismi verildi.

Lorentz

O gün için, doğada hüküm süren kuvvetlerin hepsinin elektromanyetik orijinli olduğu, elektromanyetik alanın da esir diye bilinen uzay boşluğunu dolduran ortamın bir çeşit dalgalanması sonucu ortaya çıktığı görüşü hakimdi. Lorentz 20. yüzyılın başında yaptığı çalışmalarla madde (elektron) ile esir arasında kesin bir ayırım yaparak, esirin mutlak hareketsiz bir ortam olduğunu, esirin elektromanyetik alanının elektronlar arasında bir tür iletici ortam oluşturduğunu ve bu iletişimin ışık hızından fazla olamayacağını öne sürdü. Poincare, ışığın ve elektromanyetik alanın hızının kesin bir değerde sabit olduğu fikrini, doğayı açıklamada çok faydalı bir araç olarak kullandı ve özel izafiyet teorisinin temellerini attı. Ancak esir fikrine sıkı sıkı bağlı olan teorisi, ve “görünen” ve “gerçek” zaman kavramları ile zaman kavramını flulaştırması, rölativite teorisinin babası olmasını engelledi.

Poincare

1905'e gelindiğinde, elektromanyetik alan kavramı ışıkla özdeşleştirilmiş, esir ortamının bir sonucu olarak kabul edilmiş, elektromanyetik alan ile etkileşime giren maddenin, elektronların varlığı anlaşılmıştı.

Ancak genç bir adam çıkıp üst üste yayımladığı kısa ama öz makalelerle fizik dünyasını altüst ediverdi. Einstein, önce fotoelektrik etki adını verdiği olayı ışığın parçacıklı yapıda olmasıyla açıklayıverdi. Bir metale ışık gönderildiği zaman metalden elektronlar kopuyordu. Metalden kopan elektronların enerjisini artırmak için daha şiddetli (parlak) ışık gönderildiğinde, kopan elektronların enerjisinin değişmediği görülüyordu. Ancak, gönderilen ışığın rengi değiştirildiğinde, kopan elektronların da enerjisinin değiştiği gözlemleniyordu. Yani elektronların enerjisi, ışığın şiddetinden bağımsız, ışığın rengine bağımlıydı. Einstein, o güne kadar açıklanamayan bu olayı, ışığın parçacıklar (enerji paketçikleri, kuanta) halinde ilerlediği fikriyle açıklamıştı. Işığın şiddeti artırıldığında, "Foton" adı verilen bu enerji paketçiklerinin sayısı artıyor ama taşıdıkları enerji artmıyordu. Ancak, ışığın rengi değiştirildiğinde, fotonun taşıdığı enerji miktarı da değişiyordu. Enerjik bir foton (mavi -mor renkli ışık taneciği) metal üzerindeki bir elektrona çarptığı zaman, kopan elektronun enerjisi de yüksek oluyordu.

Aynı yıl, bir başka açıklanamayan olayı, Brown hareketini açıkladı. Su üzerine serpilen polenlerin su yüzeyinde titreşimler yaptığını, rastgele sağa sola kaçıştığını gözlemliyorlardı. Bu hareketi, suyun atomik yapısıyla açıklayan Einstein, Brown hareketini atomun varlığına ilk gözlemsel delil olarak kullanmış oluyordu ve tarihe atomun kaşifi olarak adını yazdırıyordu.

Üçüncü makalesinde ise özel izafiyet teorisini ortaya attı. O gün için yine gözlemlenmiş bir olgu olan ışık hızının sabit oluşunu, yani ışık hızının gözlemciden bağımsız olarak her şartta aynı kalışını kullanarak eşzamanlı olayların farklı referans sistemlerinde farklı zamanlı olarak algılanabileceğini, zamanın ve mesafenin referans sistemine göre izafi olduğunu gösterdi. Bu teorisi aynı zamanda esirin varlığını da sorgulayan en ciddi çalışma oldu.

Son olarak, o güne kadar tamamen farklı kavramlar olarak ele alınan enerji ve kütle kavramlarını birleştirdi ve “küçük miktardaki kütleler büyük miktarda enerjilere dönüşebilir” fikrini meşhur E=mc² formülüyle fiziğe kazandırdı.


Ayrıntılı bilgi ve linkler için: http://en.wikipedia.org/wiki/History_of_electromagnetic_theory