KUANTUM TEORİSİ VE TEMEL İLKELERİ

KUANTUM

TEORİSİ

VE

TEMEL

İLKELERİ

HAZIRLAYAN

ROJ ÇALIŞMA GRUBU

İÇİNDEKİLER

Bilim ve Özgürlük...5 Kozmostan Kuantuma...9 Kozmoloji Evren Büyük Patlama Modern Fizik...13 Relativite Atom Teorisi Kuantum Teorisi Zaman Uzay ve Hareket...22

Kuantum Fiziğinin Garip Söylemleri...30

Schrölinger Denklemi De Broglie Dalgamı Belirsizlik İlkesi Spin Kuantum Kuramı...34 Belirsizlik İlkesi...54 Olasılık ve Belirsizlik Kuantum Mekaniği Açısından Doğa...59

Kuantum Fiziğinin Gizemleri...69

Paul Dirac Schrödinger’in Kedisi... 86

İlk Kuantum Fizikçileri...93

Kuantum Buzu...108

Kuantum Teorisi Ve Temel İlkeler...110

Kuantum Teorisinin Felsefesi...112

Kuantum Ve Bilim...115

Kuantum Fiziğinin Temel İlkeleri...117

Atomları Uyarmanın Birinci Yolu...121

Atomları Uyarmanın İkinci Yolu...123

Girişim Ve Kırınım...126

Fotoelektrik Olayı...130

Dalga Gibi Davranan Elektronlar...132

Kuantum Fiziğine Giriş Ve Uzay...135

Kuyruklu Yıldızlar...138

Nötron Yıldızları...140

Astronomi Tarihi...142

Sosyal Yaşamda Kuantum; Kuantum Düşünce Tekniği Nedir...150

SUNU

Y

eni bir düşünüş tarzının kapılarını açan ve insanlığın yaşamına her geçen gün daha derinlemesine nüfuz eden Kuantum Teorisi, bunu felsefe, toplum bilim ve siyasete aktaran Başkan Apo şahsında Kürtlerin gündemine de girmiştir ve Kürtlerin Kuantumla tanışmaları tüm halklardan daha ilginçtir.

Karşılaştırıldığında bilimsel gelişmeleri izleme boyutuyla tüm halklardan daha geri bir seyir izlediğini söyleyebileceğimiz halkımızın, bilimsel ilerlemenin zirvesini temsil eden Kuantumla ilişkisi ilginç bir hal almaktadır.

Hemen hemen hiçbir önhazırlığa ve tanışıklığa sahip olmadığımız bir konu olarak Kuantum, buna rağmen gündelik yaşamımıza, eğitimlerimize, tartışma ve yazılarımıza yerleşmiştir.

Bunun bilimsel temellerini oturtmak, doğru izahlara, doğru tanımlara ulaştırmak için bir çok yol ve yöntem elbetteki denenecektir. Kürt halkı gelecek perspektifine yön veren, mücadele stratejisini belirleyen Kuantumla ilişkisini her ne kadar önderliği üzerinden kurmuşsa da onun perspektifleriyle daha direkt daha içselleşmiş bir kavrayış düzeyini yakalayacaktır.

Biz de bu sürece böylesi bir çabayla katılmak istedik.

Çeşitli bilim çevreleri ve kişilerinin Kuantuma ilişkin değerlendirme ve yorumlarından yine bilimsel deney ve gözlemler sonucu ulaştıkları bulgu ve tanımlamalardan oluşan bu çalışmanın belli bir ihtiyaca yanıt olacağını düşünüyoruz.

Saygılarımızla

ROJ ÇALIŞMA GRUBU 2005 Ocak 05

BİLİM VE ÖZGÜRLÜK

R.MİTCHEL Bir önceki yazımda bilimin günümüzde dinin yerini aldığını ve egemen güçlerin kararlarını topluma "ahlaki kararlar" olarak dayatmalarının aracı olduğunu yazmıştım. Oysa bilim, bize doğruyu göstermeli, bizim için iyi olanı bulmamıza yardımcı olmalı değil mi? Bu yazıda neden böyle olamıyor ve nasıl böyle olabilir onu tartışmaya çalışacağım.

Bilimin tarih boyunca nasıl geliştiğini anlamak için önce paradigma kavramını açmak gerekiyor. Paradigma deyince bir değerler bütününü anlıyoruz. Bu değerler bütünü dar bir alanı kapsayabileceği gibi, toplumsal olarak geçerli tüm değerleri de kapsayabilir. Sözgelimi sanayi toplumu böyle bir paradigmayı ifade ediyor: Bir yanda ekonominin tüm toplumsal sorunlara bakışta belirleyici olması, pazara dayalı üretim ilişkileri, öte yanda merkezi örgütlenme, tüm kararlarda bürokrasinin belirleyici olması v.b. (devlet ya da şirket bürokrasisi). Dar bir alanı kapsayan bir paradigma olarak da fizikte bir dönem hakim olan mekanik anlayışı örnek verebiliriz: Her hareketin bir diğer cismin etkisiyle oluştuğunu varsayan bu paradigma, her şeyin sürekli hareket halinde olduğunu ve aslında hareketin nesnelerin birbirine göre zaman boyutunda göreli olarak yer değiştirmesi olduğu anlayışı ile aşılmıştı.

Bilim, sürekli olarak mevcut paradigmaların yeni bir paradigmayla aşılması süreci içinde gelişir. Yeni paradigma, daha önceki paradigmanın çözemediği sorunları çözdüğü sürece işlevini görür. Ancak ortaya çıkan yeni sorunlar yeni bir paradigmaya ihtiyaç yaratır ve bu durumda eski paradigma ayak bağı olmaya başlar. Toplumsal gelişmeyi de bu şekilde ele almak mümkün. Günümüzde hakim olan sanayi toplumu, her şeyden önce maddi ihtiyaçların yığınsal üretimle daha kolay karşılanmasını sağladı. Bu daha önceki toplumların çözemediği bir sorundu. Hatta sanayi toplumunun bu konuda yarattığı olanaklar o denli genişti ki, 20. yüzyılda sosyalist sol dahi, bir sanayi toplumu sosyalizmini hedefleyip, Batı'da üretilen her teknolojiyi sorgulamadan olduğu gibi benimseyen bir "sosyalizm" yarattı. Doğal olarak böyle bir sosyalizm, yoksulluğa ve eşitsizliğe çözüm olmakla birlikte, insanları ücretli köleler olmaktan kurtaramadı. Sosyalizmin asıl amacı olan insanın özgürleşmesi unutuldu. Eşitsizlik sorununun çözülmesi ile kendiliğinden özgürlük sağlanamayacağını ortaya koyan bu deneyimler sonuçta başarısızlığa uğradı.

Günümüzün kapitalist sanayi toplumuna dönecek olursak, geniş halk yığınlarının sermayenin çıkarları doğrultusunda ikna edilmesi ve uysal tüketiciler ordusu olarak davranmaları için feodal toplumda dinin gördüğü işlevi gören bir otoriteye ihtiyaç var. Oysa günümüzün toplumu laik ve akılcı bir toplum olma iddiasında. Bu koşullarda sanayi toplumu

paradigmasına hapsolmuş bilimler geçmişte dinin gördüğü işlevi görüyor. Friedman’ın liberal ekonomik kalkınma teorileri toplumsal sorunlara tek bilimsel çözüm olarak sunuluyor. Genetiği değiştirilmiş yiyecekler artan dünya nüfusunun doyurulması için tek çözüm olarak dayatılıyor. Bunların karşısında geleceğin paradigması ve bu paradigmaya dayalı seçenekler de ortaya çıkıyor: Yatay örgütlenmeler, hiyerarşik değil tüm bileşenlerin eşit olarak katıldığı ağ tipi yapılanmalar, bu yapılara uygun güneş enerjisi ya da organik tarım teknolojileri gibi. Ancak gelecek özgür toplumun kimi temel niteliklerini nüve olarak oluşturan bu değerler, mevcut paradigma içinde eritilmeye ya da uygulama alanları kısıtlanmaya çalışılıyor. Binbir türlü mekanizma ile sermayeye bağımlı olan üniversiteler ve diğer bilimsel kuruluşlar da ister istemez bu amaçlara hizmet ediyor.

Sonuç olarak, halkın çıkarlarına hizmet edebilmesi için bilimin özgürleşmesi gerekiyor. Bu da bilimin ekonomik çıkarlardan etkilenmeyerek kendi paradigmalarını yenilemesi ile mümkün. Egemen güçler, izledikleri politikaların seçeneksiz olduğunu kanıtlamak için bilimi kullandıkları sürece de bu özgürleşme olanaklı değil. Ancak, sanayi toplumunu her yönden aşmak durumunda olan özgür toplum, yalnız insanı değil bilimi de özgürleştirecektir.

ÖZGÜRLÜK MÜ? OTORİTE Mİ?

Günlük yaşamımızda bir çok sorunla karşı karşıya kalıyoruz. Bu sorunların önemli bir bölümü içinde yaşadığımız toplumun genel sorunlarının bir parçası ya da bize yansıması. Sözgelimi işsizlik sorunuyla karşılaşıyorsak, bu bizim kişisel olarak yaptığımız hatalardan çok hükümetin izlediği politikaların ya da küresel olarak gelişen ekonomik süreçlerin bir sonuçu. Çalıştığımız işyerinde bir sorun yaşıyorsak bu sorun genellikle işyerlerinde yerleşmiş kültürün bizim insani ihtiyaçlarımıza karşılık vermemesinden kaynaklanmaktadır. İnsanlar daha ilk uygarlıklar oluştuğu günden bu yana toplumsal sorunların daha kolay çözüleceği bir toplumun nasıl olması, nasıl örgütlenmesi gerektiği üzerine kafa yordular. Antik Yunanistan'da düşünürlerin kafa yordüğü en karmaşık sorunu belki de bu oluşturuyordu.

Başlangıçtan bu yana "nasıl bir toplum" sorununa kafa yoran düşünürlerin kafasında iki düşünüş tarzı her zaman çatışma içinde oldu. Bunlardan biri insanın giderek özgürleşmesi düşüncesi diğeri ise tersine insanın sürekli denetim altına alınması düşüncesiydi. Kimi düşünürler bunlardan birini kendilerine temel alırken kimileri de bu iki düşünce arasında bir uzlaşma noktası bulmaya çalıştılar. Özgürleşmeyi esas alanlardan kimileri insanın doğuştan iyi olduğunu varsayarken, kimileri ise insanın doğuştan olumlu potansiyeller taşıdığını ve bunların açığa

çıkmasının koşulları üzerine kafa yordular. Bunun karşısında yer alanlar ise insanın doğuştan ya da yaratılıştan kötü olduğunu, ancak bu kötü eğilimler kontrol altına alınırsa iyi yönlerin ortaya çıkabileceğini savundular. Bunlar baskıcı politik sistemlerden ve güçlü devletten yana oldular. Çünkü insanları denetleyen güçlü mekanizmalar, yasalar, onları uygulayan kolluk güçleri olmazsa "içindeki şeytana" kapılacak insanların toplumu kaosa sürükleyeceğini düşündüler.

Genel olarak otoriter bakış açısı olarak niteleyebileceğimiz, insanın baştan kötü eğilimlerle doğduğunu varsayan yaklaşımın tarih boyunca toplumlara hakim olduğunu ve günümüzde de egemen kültürleri belirlediğini saptamak durumundayız. Sözgelimi çocuğun "terbiye edilmesi" hep vurgulanır, olumlu potansiyellerinin açığa çıkarılması ise ikinci planda kalan bir iş gibidir. Hatta çoğu zaman ihmal edilir, çünkü bu potansiyeller para kazanmaya her zaman uygun değildir. Yalnızca para kazanmaya yönelik beceriler geliştirilmeye çalışılır.

Bu konuda sağlıklı bir bakış açısı geliştirmek için doğaya bakabiliriz. Bir çam ağacının kozalağı ya da genel olarak bir bitkini tohumu her zaman kendisini yeniden en iyi özellikleri ile üretecek potansiyele sahiptir. Ancak bu potansiyelin gerçekleşmesi için gerekli koşullar vardır. En başta uygun bir toprak, ardından su ve tohum yeşerdikten sonra yeterli güneş v.s. Bu koşulların sağlanamadığı koşullarda tohum ya çürüyecek ya da sağlıksız veya cılız bir sekilde gelişecektir. Burada tohumun taşıdığı kötü “potansiyel”den söz edebiliriz. Tohum yok olma, sağlıksız büyüme ve hatta bulaşıcı bir hastalığa yakalanma “potansiyel”ine de sahiptir. Ancak esas olan ve normal koşullarda gerçekleşen o bitkinin tüm olumlu özellikleri ile kendini yenilemesidir. Tersini düşünmek doğadaki evrimsel gelişmeyi inkar etmek anlamına gelir. Olumsuzlukların bir başka güç tarafından bastırılması gerekmiş olsaydı, giderek daha karmaşık canlıların oluşumuna olanak sağlayan doğal evrim insanı ortaya çıkaramazdı.

İnsan için ise bitkinin yetiştiği toprak toplumdur. Daha küçük yaştan itibaren temel gereksinimleri karşılanmayan bir insan sağlıklı bir şekilde gelişemeyecek ve gerçek potansiyelleri ortaya çıkmayacaktır. Sağlıklı beslenmeyen veya çevresinden sevgi ve saygı görmeyen ya da yeteneklerini geliştirmek yönünde teşvik edildiği değil, sürekli davranışlarının kontrol altına alındığı bir ortamda büyüyen çocuk baştan sağlıksız yetişiyor demektir. Çocukluğunda sağlıklı yetişse dahi kendi potansiyellerini gerçekleştirme olanağı bulamayan bir insan çürümeye başlayacaktır ve kötü “potansiyel” açığa çıkacaktır.

Sonuç olarak; insanlığı daha ileriye götürecek bir toplumu amaçlıyorsak, insanı baştan kötü varsayarak kontrol altına almak yerine onun olumlu potansiyellerini açığa çıkaracak özgürlüğe vurgu yapmak ve

özgürlükçü bir toplumu hedeflemek durumundayız. Böyle bir toplumda insanlar yaratıcılıklarını çok farklı alanlarda ortaya koyabilecek ve yaratılan zenginlikler birbirini kontrol altına alma kaygısı olmadan paylaşılabilecektir.

Not: Her ne kadar bu yazıda çok geçen iyi ve kötüyü nasıl ayırt edeceğimiz açık değilse de bu ileride başka bir yazının konusu olacak.

Nihayet köşeme bir ad buldum: "Küçük Adımlar". Çünkü bir değişim kültürü yaratmanın bugünden atılacak küçük adımlara bağlı olduğunu düşünüyorum.

KOZMOSTAN KUANTUMA

Kozmoloji

Kozmoloji evreni, başlangıcını, yapısını ve evrimini matematiksel ve fiziksel olarak inceler. Evrenin içinde yer alan gökcisimleri, galaksiler, yıldızlar, karadelikler, gezegenler, uydular, bunların hareketlerinin, oluşumlarının, evrimlerinin, ölümlerinin, birbirleriyle olan ilişkilerinin deneysel ve kuramsal olarak incelenmesi bu bilim dalı içine girer. Astronomi ve astrofizik kozmolojinin yanında yer alır.

Evren

Evreni düşünen ilk insanlar Sümerlerdi. Onları Mısırlılar, Çinliler ve eski Yunanlılar takip etti. Yunanlılar yaratılışın temelinde toprak, hava, ateş ve suyun bulunduğuna inanıyorlardı. Dünya'nın, evrenin merkezinde yer aldığı sanılıyordu. Evrenin ilk bilimsel incelenmesi Ptolemaios tarafından yapıldı. Ptolemaios ilk yıldızlar haritasını yaptı. Güneş ve yıldızların Dünya'nın etrafında döndüğünü söyledi. Bu inanış 16. yüzyıla kadar devam etti.

Polonyalı bilgin Nikolaos Kopernikus 1543 yılında yayımladığı kitabında, Dünya ve diğer gezegenlerin Güneş'in etrafında döndüklerini belirterek modern astronomiyi kurdu ve kendinden önce 1300 yıl boyunca inanılan Dünya merkezli inanışı yıktı. Kopernikus gezegenlerin Güneş etrafındaki hareketlerinde tam bir daire çizdiklerini de belirtti. 1582'de Danimarkalı Tycho Brahe ilk gözlemleri yaparak gezegenlerin pozisyonlarının hassas ölçümlerini buldu ve bir yılın uzunluğunu bir saniyelik hassasiyetle hesapladı. Asistanı Alman Johannes Kepler, Brahe'nin hesaplarını kullanarak gezegenlerin çizdikleri yörüngelerin birer elips şeklinde olduğunu keşfetti.

1608 yılında teleskop bulundu. Teleskopla ilk bilimsel gözlemleri İtalyan Galileo yaptı. Galileo, Jüpiter'in etrafında dönen uyduları ve Samanyolu içindeki sayısız yıldızların varlığını gördü. Daha sonra Newton bugünün modern teleskoplarının dayandığı eğri yüzü olan aynalı teleskopu imal etti. 1781'de William Herschel 124 cm'lik aynalı teleskopla Uranüs ve kuyrukluyıldızları keşfetti. Kopernikus'u takip eden 400 yıl içinde astronomide büyük gelişmeler oldu. Fakat esas gelişme, Einstein'ın genel relativite teorisi, kuantum mekaniği, Doppler etkisinin bulunmasından sonra meydana geldi. 20. yüzyılın başlarında modern kozmolojinin temelleri atılmış oldu.

Modern kozmoloji astronomiyi, matematik, relativite, parçacık fiziğini de geliştirdi. Doppler etkisi ile galaksilerin bir- birlerinden büyük hızlarla uzaklaştıkları bulundu. Parçacık fiziği evrenin milyarlarca yıl önce tek bir noktadan başlamış olabileceği fikrini doğurdu. Radyo astronomi bulundu, uzay teleskopları imal edildi ve evrene ait birçok sır çok kısa bir süre içinde çözülmüş oldu. İnsanoğlu artık içinde yaşadığı evreni anlamıştı.

Evrenin bugün bilinen genişliği 1024 kilometre, yani trilyon kere trilyon km kadardır. Bir küre şeklinde olan ve her an müthiş bir hızla genişlemeye devam eden evrenin içinde yaklaşık 100 milyar galaksi bulunmaktadır. Galaksiler içlerinde gaz ve toz bulutlarından oluşan nebulaları, yıldızları, gezegenleri ihtiva eder. Bazı galaksilerde onlarca milyon yıldızın bulunmasına karşın bazılarında yüzlerce milyar yıldız vardır. Birbirine yakın olan galaksiler grupları, onlar da dev galaksi gruplarını oluşturur. Şu ana kadar 3000 adet galaksi grubunun kataloğu yapılmıştır.

Galaksilerin içlerinde birçok olay geçmektedir. Her an yeni yıldızlar şekillenmekte ve birçok yıldız da ölmektedir. Galaksiler spiral, eliptik, dağınık gibi birçok çeşitli şekillerde olurlar. Radyo astronomi ile bugün 1021 km uzaklıktaki galaksiler tanımlanabilmektedir. Galaksilerin bize olan uzaklıkları Cepheid denilen değişken yıldızlar kanalı ile hesaplanır. Cepheid'lerin parlaklıklarındaki değişiklikler 1-50 gün arasında hassas olarak meydana gelir. 1784'ten beri bilinen bu değişken yıldızların hassas periyotları ve gerçek parlaklıkları arasındaki oran evrensel uzaklıkları hesaplamakta referans olarak kullanılmaktadır.

İçinde yer aldığımız galaksiye Samanyolu ismi verilir. Galaksimiz 200 milyar adet yıldızı ihtiva etmektedir. Bunların çoğunun gezegenlere sahip olduğu tahmin edilmektedir. 100.000 ışık yılı genişliğindeki Samanyolu etrafında spiral kolları olan bir disk şeklindedir. Yıldızların çoğu 30.000 ışık yılı genişliğindeki orta merkez bölgesindedir. Eteklerde ise yıldızlar seyrek olarak dağılmış olup, genellikle gaz ve toz bulutları vardır. Bu toz ve gaz bulutlarından meydana gelen genç yıldızlar da genellikle eteklerde yer alır. Merkezde ise yaşlı ve kızıl yıldızlar mevcuttur. Etrafında dönmekte olduğumuz Güneş galaksinin merkezinden 28.000 ışık yılı uzaklıkta spiral kollardan birinin ortalarında yer almaktadır. Birçok kozmik olayın olduğu yoğun merkezden uzak ve sakin bir yerde bulunduğumuz için şanslı sayılırız.

Evrendeki her cisim hareket halindedir. Galaksiler birbirlerinden uzaklaştıkları gibi kendi eksenleri etrafında da dönerler. Samanyolu'nun Güneş'in yer aldığı bölge merkezin etrafında saniyede 230 km hızla dönmekte olup bir tam dönüşünü 220 milyon yılda tamamlar. Merkezden 60.000 ışık yılı uzaklıktaki bölgenin dönüş hızı ise yaklaşık saniyede 300

kilometredir. Galaksimizin merkezinden şiddetli şekilde X-ışınları gelmektedir. Bu ışınlardan orada yıldız çarpışmalarının, süpernova patlamalarının olduğu ve ayrıca merkezde büyük bir kara deliğin yer aldığı anlaşılmaktadır.

Samanyolu, içinde yirmiden fazla galaksinin yer aldığı bir galaksi grubundadır. Buna yerli grup denir. Grubun boyu 3 milyon ışık yılı kadardır. En yakın komşularımız, 31.000 ışık yılı genişliğinde ve bizden 150.000 ışık yılı uzaklıktaki Büyük Magellan ve 24.000 ışık yılı çapında ve bize 173.000 ışık yılı mesafedeki Küçük Magellan Bulutları'dır. Bunlar güney yarımküreden çıplak gözle görülebilirler. Her iki bulut, Samanyolu'nun gravitasyon kuvveti ile birbirinden ayrılmış fakat birbirine oldukça yakın konumda bulunmaktadır. Büyük bulutun içinde 200 ışık yılı genişliğinde Tarantula Nebulası adı verilen ve 100 adet çok parlak yıldız tarafından aydınlatılan geniş ve parlak bir bölge vardır.

Daha uzaklardaki, yerli grubun en büyük üyesi ve bir spiral galaksi olan Andromeda bizden 2.3 milyon ışık yılı uzaklıkta olup içinde bir trilyon yıldızı barındırır. Çapı 130.000 ışık yılı kadardır. Yerli grubun içinde ayrıca ikili ve üçlü sistemler halinde diğer galaksiler bulunmaktadır. Grubumuzun dışında çok büyük diğer gruplar da mevcuttur. 50 milyon ışık yılı uzaklıktaki Virgo galaksiler grubu en büyüklerindendir

Büyük Patlama

İnanılması zor da olsa, 15 milyar yıl önce içinde sonsuz yoğunlukta ve sonsuz sıcaklıkta maddenin sıkışmış olduğu ‘iğne ucu' büyüklüğündeki bir nokta birden patladı ve bu müthiş patlamanın şiddetiyle etrafa yayılan madde bugün içinde yaşadığımız evreni meydana getirdi. Bütün veriler bunu göstermektedir. Evrenin oluşumuna ait bugünün tek ve en ciddi teorisi Big Bang adı verilen Büyük Patlama'dır.

1842'de Avusturyalı Christian Doppler yaklaşan ve uzaklaşan ses dalgalarının duran bir gözlemciye göre konumlarını keşfetti. Buna göre, gözlemciye yaklaşan ses dalgaları daha sık aralıklarda ve kısa dalga boylarında geliyor, ses kaynağı uzaklaştıkça dalgaların boyları uzuyordu. Daha sonra bu durum ışık dalgalarına tatbik edildi ve aynı şey bulundu. Uzaklaşan ışık kaynağından çıkan ışınların çıkardığı çizgilerin spektrumun kırmızı tarafına kaydığı görüldü.

1868'de William Huggins bu tekniği kullanarak Sirrus yıldızının Dünya'dan uzaklaştığını ve uzaklaşma hızını hesap etti. 1929'da Edwin Hubble aynı metodu kullanarak bütün galaksilerin birbirlerinden büyük hızlarla uzaklaştıklarını gösterdi. Uzaklardaki galaksilerin uzaklaşma hızları

ise daha büyüktü. Yani evren durmadan genişliyordu. Bir zamanlar ise bir nokta halindeydi. Bu keşif, Büyük Patlama teorisinin başlangıcı oldu.

Teoriye göre, sonsuz yoğunluk ve sıcaklıktaki bir nokta halindeki madde birdenbire patladı ve düşünülemeyecek miktarda bir enerji serbest kaldı. Patlama ile birlikte ‘zaman' akmaya başladı. Galaksiler, yıldızlar oluştu. Büyük Patlamadan önce bir uzay yoktu. Uzay, Büyük Patlama ile meydana geldi. Hesaplamalar patlamanın 15 milyar yıl önce olmuş olduğunu göstermektedir.

Şişmekte olan bir balonun üzerinde bulunan noktaların, balon şişerek genişledikçe, birbirlerinden uzaklaşmaları gibi, evren de hâlâ şişmeye devam etmekte ve içindeki bütün madde, galaksiler, yıldızlar, birbirlerinden durmadan uzaklaşmaktadır. Evrenin merkezinde hiçbir şey yoktur ve hiçbir şey de evrenin merkezi değildir. Merkezde sadece bir zamanlar bir nokta halinde olan sonsuz yoğun madde bulunmaktaydı.

1956'da George Gamow, eğer böyle bir patlama olduysa ondan arta kalan bir ısının evrende bugün bile bulunması gerektiğini matematiksel olarak ifade etti. Isı 1964 yılında bulundu. Bulunan 2.74 K sıcaklığındaki ısı, 15 milyar yıl önce olmuş patlamadan bugüne kadar gelebilmiş bir kırıntıydı. 2.74 K'lık, arka alan radyasyonu denilen bu ısı kırıntısının bulunması, galaksilerin birbirlerinden uzaklaşmakta olmalarının keşfi, hidrojen atomunun bugünkü değerinin geriye gidilerek patlama anındaki değeri ile karşılaştırıldığında bulunan uyumluluk, fotonun proton ve nötronlara oranı, patlamadan hemen sonra şekillenen proton ve nötronun oranları arasındaki uyum, Büyük Patlama'yı destekleyen en önemli delillerdir.

Büyük Patlama modeli birtakım soruları da birlikte getirdi. 2.74 K'lık arka alan radyasyonu neden her taraftan aynı şiddette ve üniform şekilde alınmakta, galaksiler nasıl şekillendi, evrendeki madde miktarı nedir, evren genişlemeye ne süre devam edecek ve bir gün genişleme son bulup evren kendi içine çökmeye başlayacak mı, vs? Bütün bunlara çeşitli cevaplar verildi. Büyük Patlama üzerinde yapılan muhtelif düzeltmelerin en önemlisi 1980'de Alan Guth'dan geldi.

Guth, enflasyon modelini ileri sürdü. Bu modele göre Büyük Patlama'dan hemen sonraki genişleme üniform bir şekilde olmadı. Patlamanın hemen sonrasındaki çok kısa bir süre içinde doğal kuvvetlerin operasyonu değişti ve gravitasyonun etkisi tersine döndü. Gravitasyon kuvveti çekici yerine itici hale geldi. Gravitasyon kuvveti, cisimler arasındaki, cisimlerin kütlelerinin büyüklüğü ile doğru orantılı, aralarındaki uzaklığın karesi ile ters orantılı olan bir kuvvettir. Temel maddenin sonsuz yoğunlukta olması itici gravitasyonun düşünülemeyecek büyüklükte bir ikinci patlamayı meydana getirmesine neden oldu. Bu esnada oluşan evren

çok küçük ve sıcaklığı ise çok büyük olduğundan derhal ısısal eşdeğerine ulaştı. Bu da arka alan radyasyonunun üniformluğunu sağladı.

İlk saniyenin çok ufak bir kesrinde evren 1030 kat büyümüştü. Doğa yasaları ortaya çıkmıştı. Sonra çabuk soğuma oldu ve parçacıklar şekillenmeye başladı. İlk saniyenin bir milyonuncu anında kuarklar, proton ve nötronları oluşturmaya başladılar. Bu sırada, proton ve nötronların sıcaklığı onları bir arada tutacak bağlanma enerjisinin çok üzerinde olduğundan atom şekillenemiyordu.

Birinci saniyenin sonunda sıcaklık 10 milyar K'ye inince hidrojen ve helyum gibi en hafif çekirdekler gözüktü. Bu çekirdekler ancak 100.000 yıl sonra etraftaki elektronları tutarak bir atomu meydana getirebildiler. Sıcaklık 10.000 K'ye düşmüştü. Atomun yapısı kurulunca normal gravitasyon tekrar işlemeye başladı. Gravitasyonun işlemesiyle galaksileri oluşturacak madde şekillenmeye başladı.

Enflasyon modeline göre patlamadan çıkan arka alan radyasyonunun günümüze kadar ulaşmış olması ve uzayın her yönünden aynı sıcaklık ve şiddette alınması uyumlu bulunmaktadır. 1990 yılında COBE yapay uydusundan alınan veriler enflasyon modelini teyit etmektedir. COBE'nin verdiği bilgilere göre, Büyük Patlama'dan 10-43 saniye sonra enerjide bir değişiklik oldu ve ani bir genişleme meydana geldi. Bu ikinci genişlemeden 300.000 yıl sonra galaksilerin malzemesini oluşturacak bir üçüncü genişleme daha meydana geldi. Ve evrenimiz bugün 15 milyar yıl sonraki genişliğine ulaştı

MODERN FİZİK

Relativite

Relativiteye dilimizde izafiyet veya görecelilik de denmektedir. Relativite kuramları, öğrencilik yılları oldukça zor geçen, İsviçre'deki patent bürosundaki memurluğu sırasında teorik fizik konusunda okuduğu makalelerle kendisini yetiştiren Albert Einstein tarafından ortaya atıldı. Ondan beş yıl önce Max Planck tarafından başlatılan kuantum teorisinin de gelişmesine neden olan Einstein'ın teorilerine bilim adamları uzun süre şüphe ile baktılar. Çünkü teorileri Newton tarafından 1666'da kurulmuş olan klasik fiziği yıkıyor ve evren boyutunda geçerli olan yepyeni, modern fizik bilimini getiriyordu.

Einstein'ın relativite teorileri iki bölümde incelenir. 1905 yılında yayımladığı özel relativite ve 1916 yılında yayımladığı genel relativite teorisidir. İlk teorisi yayımlanmasından sekiz yıl sonra kabul gören Einstein bu buluşu ile bilimde yeni bir çığır açtı ve modern fiziğin başlamasına

neden oldu. Einstein, teorilerine o zamana kadar hiç kimsenin aklına gelmeyen, ışığı ve zamanı soktu ve kendisinden önceki bilimsel inanışları tamamen değiştirdi.

1800'lerin ortalarında ışığın bir elektromanyetik dalga hareketi olduğu anlaşılınca, onun ancak bir ortam içinde yol alabileceğine inanıldı. Bu ortama eter adı verildi. Bütün evrenin eter denilen madde ile kaplı olduğu sanılıyordu. Zira ses hava, katı veya sıvı gibi bir ortam içinde gittiğine göre ışığın da yol alabilmesi için bir ortamın bulunması gerekliydi. 1880'lerde herkesi sürpriz içinde bırakan bir deney yapıldı. Dünya, Güneş'in etrafındaki yörüngesinde uzayda bir eter içinde yol aldığına göre, yeryüzündeki bir kaynaktan Dünya'nın gidiş yönünde çıkan bir ışık demetinin ilerideki bir noktaya gidip yansıdıktan sonra kaynağa geri dönmesi için geçen sürenin, Dünya'nın gidiş yönünün yan tarafındaki aynı eşit uzaklığa gidip geri dönmesi için geçecek süreden daha az olması gerekirdi. Deney sonucu, ışığın her iki yönde gidiş ve geri dönüş süreleri eşit çıktı.

Albert Michelson ve Edward Morley tarafından yapılan bu deneye ilk tepki George F. Fitzgerald‘dan geldi. Fitzgerald, maddenin hareket yönünde büzüleceğini ileri sürdü. Daha sonra Hendrick A. Lorentz hareket yönünde kütlenin artacağını belirtti. Michelson-Morley deneyi ve Fitzgerald ve Lorenz'in çalışmalarında uzayda bir eterin izine rastlanmadı. Işığın içinde yol alabileceğine inanılan eterin bulunamaması bilim adamlarının kafasını karıştırdı. Ta ki Einstein'ın 1905'te yayımladığı özel relativite teorisine kadar.

Özel Relativite Teorisi

1905'te yayımlanan özel relativite teorisi, birbirlerine göre hızlanma ve yavaşlama olmaksızın yani ivmesiz, sabit hızlarda hareket eden cisimleri inceler. Özel relativitenin birinci sonucu uzayda eterin mevcut olmadığını açıklar. Evrendeki bütün cisimler hareket halindedir ve hiçbiri sabit ve durağan değildir. Eğer bir eter bulunmuş olsaydı bunlar sabit hızlara sahip olacaklardı. Evrendeki cisimlerin hareketlerinde referans olarak alınabilecek bir sabit cisim bulunmamaktadır.

Uzayda bütün yıldızlardan uzak, boşlukta bir gemi içinde yol alan bir insan hareket edip etmediğini asla anlayamaz. Çünkü civarında referans alabileceği bir gökcismi yoktur. Hareket ettiğini ancak görebileceği başka bir cisme göre söyleyebilir. Bir cismin hareketi sadece başka bir cisme göre tarif edilebilir ve ancak bu durumda hareket mutlaktır. Gerçekte evrendeki bütün hareketler relatif yani izafidir. Yeryüzü üzerinde yol alan bir cisim, hareketini ve hızını ancak üzerinde bulunduğu Dünya'ya göre tarif edebilir.

Aynı cisim uzay boşluğunda ise hareket ettiğini bilemez. Dolayısıyla, evrende eter denilen bir madde yoktur ve olsaydı bile Dünya'dan tespit edilemezdi.

Özel relativitenin ikinci konusu ışık hızıdır. Buna göre ışık hızı sabittir, asla değişmez. Işık, ışığın çıktığı yönde veya tersi yönde çok büyük hızla giden hangi cisimden çıkarsa çıksın daima aynı hızda yol alır. Işık hızına ne bir hız ilave edilir ne de ondan başka bir hız çıkartılır. Boşlukta ışık hızı son hızdır ve bu evrendeki en büyük hızdır. Hiçbir şey ışık hızından daha hızlı gidemez. Bu durum doğada sadece ışığa ait olan bir özelliktir.

Bir cismin hızı arttıkça boyu kısalır. Işık hızına ulaşınca cismin boyu sıfır olur ve cisim ortadan kaybolur. Cismin hızı arttıkça o cismin kütlesi artar ve ışık hızına ulaşınca cismin kütlesi sonsuz olur. Yani ışık hızında cisimlerin boyu sıfır, kütleleri sonsuz olur. Dolayısıyla bunlar olamayacağından ışık hızına asla ulaşılamaz. Bir cismi ışık hızına ulaştırmak için ona sonsuz miktarda enerji vermek gerekir ki bu da imkânsızdır.

Bir cismin hızı yükseldikçe kütlesi artar. Kütle artınca onun enerjisi de artar. Çünkü eşit hızlarda, ağır bir cismin enerjisi hafif cisimden daha fazladır. Hız yükseldikçe kütle artacağından, kütleye gelen ilave kütleye ait enerji, kütle ile birlikte fazlalaşır ve ışık hızına ulaşıldığında cisimdeki kütle ve enerji eşit olur. Bu durum E=mc2 (Enerji = kütle x ışık hızının karesi) formülü ile ifade edilir.

Hız arttıkça geçen zaman yavaşlar. Işık hızına ulaşıldığında zaman tamamen durur. Hareket eden iki uzay gemisinin içindeki insanların saatleri birbirine göre yavaşlamış görünür. Bunun nedeni, gemiler arasında yol alan ışık dalgalarının bir gemiden diğerine ulaşması için geçen zamanın aralığıdır. Işık hızına yakın hızlarda uzaktaki bir yıldıza yolculuk eden bir insan için gidiş ve dönüş süresi çok kısa olmasına karşılık, onu Dünya'dan uğurlayan insanlara bu süre çok uzun görülecektir. Buna zamanın genleşmesi adı verilir.

Işık hızının %80'i bir hızda 4 ışık yılı uzaklıktaki bir yıldıza yolculuk yapan bir insan için gidiş ve dönüş süresi 6 yıl olur. Onun Dünya'da bıraktığı ikiz kardeşi için ise bu süre 10 yıl olarak hesap edilir. Seyahat eden kardeş dönüşünde ikizinden 4 yıl daha genç olur. Dolayısıyla, hızlı hareket eden insanlar daha uzun süre yaşarlar. Ve ışık hızına ulaşabilenler ise hiç ölmezler. Fakat bu durum daha önce belirtilen nedenlerden dolayı mümkün olamaz. Günlük yaşamda zaman bir cisme veya bir olaya dayanılarak ölçülür. Zaman için ideal olan standart ışık hızı olup, relatif olan zaman hareket eden ve duran gözlemciler için farklı bir şeydir.

Genel Relativite Teorisi

1916 yılında yayımlanan genel relativite teorisi, birbirine göre hızlanan veya yavaşlayan yani sabit olmayan ivmeli hızlarda hareket eden cisimleri inceler. Bu teori, özel relativitenin daha genişletilmiş hali olup, Einstein'ın en büyük eseri ve tarihin en önemli kuramlarından biridir. Kütlelerin birbirine yaptıkları çekim kuvveti üzerine kurulmuş olan teori uzay ve zamanın mutlak olmadığını açıklar.

1687'de Isaac Newton, evrende kütlesi bulunan bütün cisimlerin birbirlerini çektiklerini bularak, evrensel gravitasyon kuvvetini yaratmıştı. Newton teorisinde gezegenlerin Güneş etrafındaki hareketlerinde daireye çok yakın bir eliptik yörünge çizdiklerini de öngörmüştü. Genel relativiteye göre, gezegenlerin yörünge düzlemleri aynı konumda kalmayıp dönmektedir. Çok küçük miktarlarda olan bu düzlemsel dönüşler ancak milyonlarca yıl sonra tam bir dönüş haline gelmektedir.

Genel relativite gravitasyonun kütleler arasındaki bir kuvvet olmadığını belirtir. Teoriye göre evrendeki ağır cisimler uzayı ağırlıklarından dolayı çukurlaştırmaktadır. Cismin ortasında yer aldığı bu çukura civarındaki daha az ağır cisimler çekilmektedir. Güneş'in etrafında milyarlarca yıldan beri dönüp duran gezegen ve Ay'lar, onun uyguladığı çekim kuvvetinden değil, Güneş'in çukurlaştırdığı ve eğdiği uzay-zaman içinde kalıp çukurun dışına çıkamadıkları için dolanmaktadır. Nitekim, Güneş'in arkasındaki uzak bir yıldızdan Dünya'ya gelen ışık ışını Güneş'in yanından geçerken onun etrafındaki uzay-zamanın eğriliğine girer, yolunu değiştirerek Dünya'ya ulaşır. Böylece kütlesel çekim yerini uzay-zaman devamlılığında ağır cisimlerin oluşturdukları bükülmüş uzay-zamana bırakmış oldu.

Teori, büyük kütleli cisimler üzerindeki zamanın, küçük kütleli cisimlerdeki zamandan daha yavaş akacağını da öngörmektedir. Dünya'daki saatler Güneş'te yavaşlar. Ay'daki bir saat Dünya'dakine göre daha hızlı çalışır. Aynı şekilde Dünya üzerindeki bir yüksek binanın üst katında bulunan bir saat alt katta bulunan saatten daha hızlı ilerler. Bunun sebebi, Dünya'nın çekim merkezine daha yakın olan alt kattaki saatin çekim merkezinin etkisinde kalmasıdır.

Genel relativite, üç boyutlu evrene bir dördüncü boyut olan zamanı ilave etti. Uzay ve zaman birbirinden bağımsız olmayan değerlerdir. Evrendeki bütün cisimler biri zaman, diğer üçü de uzay olan dört boyutlu uzay-zamanda hareket etmektedir. Uzay-zaman ağır cisimlerin etrafında eğrilmiş olduğundan ağır cisimlerin etrafından geçen daha hafif cisimler eğrilmiş yüzeyin eğriliğini takip eder. Gravitasyon kuvveti, uzay-zamanın bu eğriliğinin yerini almaktadır. Ağır ve hafif cisimlerin birlikte bir gravitasyon alanı içinde hareket etmeleri ve cisimlerin kütleleri ne olursa

olsun, hareketleri uzay-zamanın eğriliğine bağlıdır. Bu yüzden ağır ve hafif iki cisim aynı hızla düşer.

Genel relativitenin sonuçlarından evrenin, genişlemekte olan açık bir evren olduğu hesap edildi. Evrenin ortalama yoğunluğunun kritik bir değere olan oranı, evrenin durumunu belirtecektir. Bugünkü bilgiler ortalama yoğunluğun kritik değerin altında olduğunu göstermektedir. Dolayısıyla evren devamlı genişlemektedir

Atom Teorisi

Cisimlerin gözle görülemeyecek kadar küçük nesnelerden meydana gelmiş olduğu fikri ilk defa Demokritos tarafından ileri sürüldü. Eski Yunanlı filozof Demokritos bu nesnelere atom adını verdi. Atom teorisinin babası olan Demokritos'tan 2200 yıl sonra John Dalton atomu tarif etti ve atomların görülemeyen ve değişmez parçacıklar olduğunu söyledi.

Daha sonra J. J. Thomson katot tüpünde yaptığı bir deneyde, katot ışınlarının floresan ekran üzerinde belirgin noktaların bir manyetik alan içinde saptıklarını gördü ve bunların pozitif kutupta çekildiklerini, negatif kutupta ise itildiklerini gözledi. Thomson bu noktada parçacıkların negatif yüklü olduklarını, sonradan bunlara elektron adı verilecek yeni parçacıklar olduğunu anladı. Sapmaların miktarından bu yeni parçacıkların kütlelerini hesaplayarak bir hidrojen atomunun kütlesinden 2000 defa daha küçük olduklarını keşfetti. Böylece bir atomdan daha küçük olan ilk parçacık bulunmuş oldu.

Atomun kendisinden daha küçük olan bir parçacığının bulunduğunun anlaşılması üzerine onun yapısı üzerindeki çalışmalar yoğunlaştırıldı. Bu sıralarda Ernest Rutherford radyoaktivite üzerinde çalışıyordu ve radyoaktif cisimlerden çıkan ışınların pozitif yüklü alpha ve negatif yüklü beta ışınları olduğunu ve alpha ışınlarının helyum atomunun çekirdeklerinden meydana geldiğini biliyordu.

Rutherford alpha parçacıklarını çok ince bir altın levhaya ateşledi. Parçacıklardan çoğu levhadan geçip gitti. Her 20.000 parçacıktan biri ise levhaya çarpıp geri döndü. Geri dönen bu parçacıklar Rutherford'u çok şaşırttı ve Rutherford bu olaydan atomun içinin boş olduğunu ve ayrıca alpha parçacıkları gibi pozitif yüklü bir merkezi olabileceğini tahmin etti. Zira, aynı yüklerin birbirini ittiği halen biliniyordu ve pozitif yüklü alpha parçacıkları aynı yüke sahip merkeze çarpıp geri dönüyor olmalıydı.

Rutherford 1911 yılında atom modelini kurdu. Buna göre, atomun merkezinde yer alan pozitif yüklü bir çekirdek bütün atom hacminin sadece çok küçük bir kısmını işgal ediyordu. Çekirdeğin etrafındaki geniş boşlukta da negatif yüklü elektronlar yer alıyordu. Rutherford, çekirdekte bulunan pozitif yüklü parçacığın elektrondan 1800 kat daha ağır olduğunu hesaplayarak bu parçacığa proton adını verdi. Çekirdekle ters yüklü olan elektronlar onun etrafında hızlı bir şekilde dönebilmek için kendilerine ait birer enerjiye sahip olmalıydılar. Rutherford, çekirdek etrafındaki yörüngelerinde dolanan elektronların çekirdeğin çekim kuvvetini dengeleyecek miktarda bir açısal hıza sahip olduklarını ileri sürdü. Ayrıca bir atomun elektriksel bakımdan nötr olabilmesi için her protona karşılık bir adet elektronun bulunması gerektiğini de belirtti.

Hidrojen atomu, çekirdeğinde bir adet proton ve bir adet elektrona sahiptir. Helyum atomu iki proton ve iki elektron, lityum üç proton ve üç elektrona haizdir. Rutherford, iki tane protona sahip olan helyum çekirdeğinin kütlesinin iki kat olması gerektiğini hesap etti. Önceleri helyum çekirdeğinde ikisinin iki adet elektronla nötrleştirildiği dört proton bulunduğunu düşündü, sonra çekirdekte proton ile aynı kütleye sahip yüksüz başka bir parçacığın da bulunması gerektiğini anladı. Bu yüksüz yeni parçacık onun asistanı James Chadwick tarafından 1934'te keşfedildi ve adına nötron dendi. Rutherford tarafından bulunan bu klasik atom modeli tarih boyunca yapılmış en büyük keşiflerden biri olmuştur.

Hidrojen, çekirdeğinde nötron bulunmayan tek atomdur. Tek protonu ve tek elektronu vardır. Helyum atomunda iki proton iki nötron ve iki adet de elektron bulunur. Bu sayılar diğer atomlarda böylece devam eder. Çekirdeklerdeki proton adetleri atomik sayıları ifade eder. Proton sayıları birer adet ilave edilerek, hidrojenden 92 protonlu uranyum atomuna kadar devam eder ve farklı ağırlıklardaki elementleri meydana getirir. Doğadaki elementlerin en ağırı 92 adet protonu bulunan uranyumdur.

Çekirdekteki nötronların sayısı protonlar gibi birer sayı ilavesiyle çoğalmaz. Birçok ağır atom çekirdeğinde proton sayısından daha fazla nötron bulunur. Keza, birçok aynı sayıda protona sahip aynı elementin atom çekirdeğinde farklı sayıda nötron yer almaktadır. Uranyum atomlarının birçoğu 238 proton kütlesine sahip olup, bunun 92'si proton, 146'sı ise nötrondur. 235 sayılı uranyumun 92 protona karşılık 143 adet nötronu vardır.

Atomlar özel biçimlerde birleşerek kimyasal bileşimleri oluştururlar. Atomların bu birleşmelerini çekirdek etrafında dönen elektronlar sağlar. Böyle birleşmelerin özellikleri de atomdaki elektronların, dolayısıyla protonların sayısı ile ifade edilir. Aynı sayıda protonu fakat farklı sayıda nötronu olan atomlara izotop adı verilir. İzotopların fiziksel özellikleri nötronların sayısı ile belirlenir. Nötron sayısı daha fazla olan ağır atomlar pek dayanıklı olmayıp kırılarak iki proton ve iki nötrondan oluşan alpha parçacıkları çıkarır. Çekirdekten iki proton eksilince atom farklı bir atom haline gelir ve farklı kimyasal özelliklere sahip bir element ortaya çıkar. Bu tür elementlere de radyoaktif element denir.

Danimarkalı Niels Bohr, Rutherford'un atom modelini yeterli bulmadı. Bohr, bir dairesel yörüngede durmadan dönen elektronun gittikçe hızlanacağını, devamlı radyasyon çıkaracağını ve enerji kaybederek sonunda spiral bir hareketle çekirdeğe çarpacağını iddia etti. Bu problemin çözümü olarak Bohr, elektronların sadece ve sadece belli ve izin verilmiş yörüngelerde dönmeleri gerektiğini söyledi. Elektronlar bu belli yörüngelerde dolanırken radyasyon çıkarmamalıydılar. Her elektron kendi

yörüngesinde belli bir enerjiye sahipti ve sahip olduğu potansiyel enerjisi çekirdekten olan uzaklığına, kinetik enerjisi de onun hareketine bağlıydı. Her bir yörünge özel bir enerji seviyesini belirtiyor ve her bir elektron aniden yüksek bir enerji seviyesinden düşük bir enerji seviyesine hareket edebiliyordu. Böyle farklı enerji seviyeleri arasında sıçrama olunca aradaki enerji farkı bir kuanta veya özel bir frekansa sahip bir elektromanyetik radyasyon paketi olarak dışarı çıkacaktı.

Bohr'un bu modeli Erwin Schrödinger tarafından tamamlandı. Schrödinger dalga mekaniğini ileri sürdü ve bunu 1926'da matematiksel olarak izah etti. Daha sonra De Broglie elektronların bir dalga karakterine sahip olduklarını ispat etti. Böylece Bohr'un modeli de tamamlanmış oldu.

Rutherford-Bohr modeline göre yörüngelerde dönen elektronların sayısı çekirdekteki protonların sayısına eşittir. Her bir yörüngede yer alan elektron sayısı limitli olup, birinci yörüngede ikiden fazla, ikinci yörüngede sekizden fazla, üçüncü yörüngede on sekizden fazla elektron yer alamaz. Ve bu böyle devam eder. Eğer bir elektron enerji kazanırsa bir üst yörüngeye sıçrar. Her yörüngenin kendine ait bir enerji seviyesi vardır ve elektronlar yörüngeler arasında gidip geldikçe ya enerji kaybederler ya da enerji kazanırlar. Elektron bir üst yörüngeden bir alt yörüngeye indiğinde kaybettiği enerji, elektromanyetik radyasyonun parçacığı olan foton şeklinde atomun dışına çıkar. Dışarı çıkan fotonlar da ışığı meydana getirir

Kuantum Teorisi

Kuantum teorisi bir atomun içinde bulunan, atomdan daha küçük boyutlardaki parçacıkları inceler. Teorinin fikir babası olan Max Planck bir atomun içindeki parçacıklardan her birinin kendine ait özelliklere ve kuanta denilen enerjilere sahip olduğunu ortaya attı. Planck ile başlayan ve sonraki yıllarda geliştirilen kuantum teorisi, bilim tarihinin en başarılı buluşlarından biri olarak, doğadaki olayların çoğunun anlaşılmasına yardımcı olmuştur.

1600'lerin ortalarında Isaac Newton ışığın çok küçük parçacıklardan oluşmuş bir yağmur şeklinde ilerlediğini belirtmişti. 1807 yılında Thomas Young bunun doğru olmadığını ve ışığın dalgalar halinde yayıldığını ileri sürdü ve bu durumu meşhur çift yarık deneyi ile ispat etti. Birbirine yakın iki dar yarığın içinden geçen bir ışık demetinin arkadaki bir ekran üzerinde çıkardığı girişim şeklinden, ışığın dalgalar halinde ilerlediği anlaşılıyordu. Bu durum, Einstein'ın ışığın parçacıklar halinde yol aldığını ispatlamasına kadar devam etti. 1905 yılında Einstein'ın fotoelektrik etkiyi bulması ile ışığın hem dalgalar halinde hem parçacıklar halinde yayıldığı anlaşılmış oldu.

Evrendeki bütün cisimler, dalga boyları sıcaklıklarına bağlı olmak üzere, elektromanyetik radyasyon çıkarırlar. Çok sıcak cisimlerin çıkardığı radyasyonun dalga boyları spektrumun görünen ışık bölgesinde olup çok kısa dalga uzunluklarındadır. Soğuk cisimlerin çıkardıkları dalgaların boyları ise daha uzundur. En uzun dalga boyuna sahip dalgalar ise en soğuk bölgelerden geçen mikrodalga ve radyo dalgalarıdır.

Klasik fiziğe göre, dalga boyu kısaldıkça daha büyük enerji ortaya çıkar. Bunun sebebi, sabit olan ışık hızında dalga boyu ve frekansın birbiri ile ters orantılı olmasıdır. Yani dalga boyu büyüdükçe frekans azalır veya tersi olur. Dolayısıyla, enerji ile frekans orantılıdır. Bu teoriye göre, morötesi ışınımın enerjisinin çok yoğun ve büyük, dalga boyunun da çok kısa olması gerekirdi. Halbuki durum böyle değildir. Nitekim, çok kısa dalga boylu x-ışınları insanları yakıp kavurmaktadır. Teoride bir yanlışlık olmalıydı. Problemin çözümünü 1900 yılında Max Planck yaptı.

Planck, ışık dahil bütün elektromanyetik radyasyonun sadece durmadan yayılan dalgalar olmadığını, aynı zamanda, kuanta adını verdiği çok küçük enerji paketleri seli olduğunu ve çıkan bu enerji paketçiklerinin belli bir minimum ölçünün üzerinde bir boyutta bulunduklarını ileri sürdü ve bu paketlerin enerjisi ile frekansları arasındaki ilişkinin E=hf (E=enerji, f=frekans, h=6.6262x10-34 Joule x saniye) formülü ile ifade edilebileceğini gösterdi.

Bilim tarihinin en önemli formüllerinden biri olan bu eşitlik birçok olayı açıklığa kavuşturmuştur. Elektronların atom çekirdeğinin etrafında sadece belli enerji seviyelerine sahip yörüngelerde yer alabilecekleri, bir yüksek enerji seviyesinden düşük enerji seviyesine sıçradıklarında bir radyasyon neşredecekleri, yüksek sıcaklık ve frekanslarda bir radyasyon çıkarabilmek için büyük enerjinin gerektiği vs. bu formülle izah edilmiştir.

Planck'ın çalışmasından etkilenen Einstein 1905 yılında fotoelektrik etkiyi buldu. Buna göre, ışık veya bir elektromanyetik radyasyon bazı metal cisimlerin üzerine düştüğünde metalden elektron çıkarıp fırlatır. Einstein bu olayın sadece Planck'ın teorisinin doğru olması halinde, yani ışığın kuanta denilen küçük enerji paketleri ve belli enerji seviyelerinde ve dalga boylarında olması durumunda, geçerli olabileceğini ileri sürdü. Böylece ışığın, dalga karakterinin yanında belli enerji seviyesinde ve belli dalga boyunda paketçikler halinde yayıldığı ispat edilmiş oldu. Einstein, bu ışık paketçiklerine foton ismini verdi.

Louis de Broglie, Einstein'ın buluşunu elektronlara uyguladı ve elektronların da ışık gibi, hem dalgalar hem de parçacıklar halinde hareket ettiklerini ispat etti. De Broglie, bir parçacığın dalga uzunluğunun, Planck sabitinin parçacığın momentumuna bölümüne eşit olduğunu gösterdi. Planck sabiti 6,6262x10-34 gibi son derece küçük bir değer olduğundan,

büyük momentumlara sahip günlük yaşamdaki cisimler çok küçük dalga boyuna sahip olup, onların dalgasal hareketleri fark edilememektedir. Momentumu küçük olan atomdan daha ufak parçacıklar ise, bu formüle göre, uzun dalga boylarındadır.

Maddenin günlük yaşamdaki halinde gözlenemeyen dalga-parçacık ikiliği, atomik boyutlardaki her davranışta görülür. Sonuçta, doğadaki maddeyi oluşturan bütün nesnelerin hem dalgalar hem de parçacıklar halinde davrandıkları açıklığa kavuşmuş oldu.

1927 yılında Werner Heisenberg, atomik boyutlarda maddenin ölçüm ve gözlem hassasiyetlerinin farklı olduğunu, bir parçacığın pozisyonunu hassas olarak ölçmek için yapılacak bir uğraşın onun hızını etkileyip değiştireceğini ve keza hızının ölçülmesinin pozisyonunu etkileyeceğini ileri sürdü. 1600'lerden beri kullanılan klasik fizik cisimlerin belli bir andaki pozisyon ve hızlarının hesaplanabileceğini öngörüyordu. Ve bu durum Dünya üzerindeki elle tutulur büyüklükteki cisimler için geçerliydi. Atom boyutlarındaki küçük nesneler için ise durum tamamen farklıydı. Heisenberg ise, çok küçük parçacıkların hız ve yerlerinin, aynı bir an içinde, hassas olarak ölçülemeyeceğini, birinin ölçülmesinin diğerini bozacağını belirterek, teorisine belirsizlik ilkesi adını verdi. Pozisyondaki belirsizlik miktarı ile momentumdaki belirsizlik miktarının çarpımının, 6.6262x10-34 olan Planck sabitine eşit veya ondan büyük olduğunu hesapladı.

Böylece Newton'un kurduğu klasik fizik son buldu ve yepyeni bir fizik olan kuantum mekaniği ortaya çıktı. Atomu yani maddeyi meydana getiren, atomdan daha küçük boyutlardaki parçacıkların hiçbir kaideye uymayan tuhaf davranışlarını açıklayan kuantum mekaniği bilimde bir çığır açtı. Bir atomun içindeki dünyalar anlaşıldı, parçacık fiziği, nükleer fizik ortaya çıktı, elektronik gelişti, maser ve laser, bilgisayar, hesap makineleri gibi binlerce cihaz onun sonucu olarak, daha küçük boyutlarda daha hızlı ve verimli olarak üretildi. (BİLİM TEKNİK DERGİSİ-2003 YILLIĞI)

ZAMAN, UZAY VE HAREKET

5. Fizikte Devrim

İki bin yıl önce, Öklid geometrisinin evrenin yasalarını bütünüyle kapsadığı düşünülürdü. Söylenecek daha fazla bir şey yoktu. Her dönemin yanılsamasıdır bu. Newton’un ölümünden epey sonra, bilimciler onun doğa yasaları hakkında son sözü söylemiş olduğunu düşünüyorlardı. Laplace, yalnızca bir evrenin bulunduğundan ve onun da tüm yasalarını keşfetme bahtiyarlığına Newton’un eriştiğinden yakınıyordu. Newton’a ait ışığın parçacık teorisi, iki yüz yıl boyunca, Hollandalı fizikçi Huygens’in ışığın bir dalga olduğunu savunan teorisi karşısında genel kabul gördü. Daha sonra parçacık teorisi, J. B. L. Foucault’nun sonradan deneysel olarak doğrulayacağı bir dalga teorisi ortaya atan Fransız A. J. Fresnel tarafından yadsındı. Newton, boş uzayda saniyede 186.000 mil hızla ilerleyen ışığın, suda daha hızlı hareket edeceğini öngörmüştü. Dalga teorisinin savunucularıysa daha düşük bir hız bekliyorlardı ve haklı oldukları görüldü.

Bununla birlikte dalga teorisinin büyük atılımı 19. yüzyılın ikinci yarısında seçkin İskoç bilimci James Clerk Maxwell tarafından gerçekleştirildi. Maxwell ilkin kendisini Michael Faraday’ın deneysel çalışmalarına dayandırdı. Faraday, elektromanyetik indüksiyonu keşfetmiş ve dünyanın uçlarına kadar uzanan görülmez kuvvetler barındıran iki kutbuyla, yani kuzey ve güney kutuplarıyla mıknatısın özeliklerini incelemişti. Maxwell bu deneysel keşifleri matematiğe aktararak onlara evrensel bir biçim verdi. Çalışmaları, daha sonraları Einstein’ın kendi genel görelilik kuramını dayandıracağı alan kavramının keşfedilmesine yol açtı. Kuşaklar, kendilerinden öncekilerin omuzları üstünde yükselir, önceki keşifleri hem korur hem de geçersiz kılar, bu keşifleri sürekli bir biçimde derinleştirir ve onlara daha genel bir biçim ve içerik kazandırırlar.

Maxwell’in ölümünden yedi yıl sonra Hertz, Maxwell’in öngördüğü elektromanyetik dalgaları ilk kez saptadı. Newton’dan bu yana hüküm süren parçacık teorisi, Maxwell’in elektromanyetiği tarafından yok edilmiş gibi görünüyordu. Bir kez daha bilimciler her şeyi açıklayabilecek bir teoriye sahip olduklarına kendilerini inandırdılar. Açıklığa kavuşturulması gereken sadece birkaç sorun vardı, ondan sonra artık evrenin işleyişi hakkında bilinmesi gereken her şeyi gerçekten de biliyorduk. Şüphesiz, sorun çıkaran birkaç uyumsuzluk vardı, ama bunlar gönül rahatlığıyla ihmâl edilebilecek küçük ayrıntılar olarak görülüyordu. Ne var ki, birkaç onyıl içerisinde, bu “küçük” uyumsuzlukların tüm yapıyı yerle bir etmeye ve gerçek bir bilimsel devrime yol açmaya yettiği açığa çıktı.

Dalga mı Parçacık mı?

Herkes bir dalganın ne olduğunu bilir. Bu, suyla ilişkili çok genel bir özelliktir. Tıpkı havuzda yüzen bir ördeğin dalgalara yol açabilmesi gibi, yüklü bir parçacık da, meselâ elektron, uzayda hareket ettiğinde bir elektromanyetik dalgaya neden olabilir. Elektronun titreşim hareketleri elektrik ve manyetik alanları uyararak tıpkı havuzdaki dalgalar gibi sürekli olarak yayılan dalgalara sebep olur. Su dalgası ile elektromanyetik dalga arasında temel bir farklılık vardır. Elektromanyetik dalgalar, su dalgaları gibi, yayılabilmek için sürekli bir ortama ihtiyaç duymazlar. Elektromanyetik bir titreşim, maddenin elektriksel yapısı içinde yayılan periyodik bir uyarımdır. Yine de karşılaştırma, konunun netleşmesine yardımcı olabilir.

Bu dalgaları göremiyor oluşumuz, varlıklarının günlük hayatımızda bile saptanamayacağı anlamına gelmez. Işık dalgalarıyla ve radyo dalgalarıyla ve hatta X-ışınlarıyla doğrudan deneyimlerimiz olmuştur. Bunlar arasındaki tek fark frekanslarıdır. Sudaki bir dalganın, dalganın şiddetine bağlı olarak –bir ördeğin neden olduğu dalgacıkları bir sürat teknesinin çıkardığı dalgalarla karşılaştırın– suda yüzen bir cismin az ya da çok hızlı bir biçimde aşağı yukarı inip çıkmasına sebep olacağını biliriz. Benzer biçimde, elektronların titreşimi ışık dalgasının şiddeti ile orantılı olacaktır.

Hertz ve diğerlerinin deneyleri tarafından desteklenen Maxwell denklemleri, ışığın, elektromanyetik karakterli dalgalardan oluştuğu teorisini kanıtlamak için güçlü bir delil sağladı. Ne var ki, yüzyılın dönümüyle birlikte, bu teorinin yanlış olduğunu akla getiren kanıtlar da birikiyordu. 1900 yılında Max Planck, klasik dalga teorisinin pratikte doğrulanmayan öngörülerde bulunduğunu gösterdi. Işığın ayrı ayrı parçacıklar ya da “paketler” (quanta) olarak geldiğini ileri sürdü. Farklı deneylerin farklı şeyleri kanıtlaması, durumu iyice karmaşıklaştırdı. Elektronu bir flüoresan yüzeye çarptırarak ve bunun sonucu ortaya çıkan parıltıları gözleyerek; ya da bir sis odasında* elektronun izlerine bakarak; veya oldukça duyarlı bir fotoğraf filmi üzerinde görülen küçücük noktalardan, elektronun bir parçacık olduğu anlaşılabiliyordu. Ama diğer taraftan, bir levha üzerine iki küçük delik açılıp, bu deliklerin üzerine tek bir kaynaktan çıkan elektronlar gönderilirse, elektronlar bir girişim deseni oluşmasına yol açıyordu ki, bu da bir dalganın varlığını gösteriyordu.

Ne var ki en tuhaf sonuç, tek bir elektronun, arkasında fotoğraf filminin bulunduğu iki yarık içeren bir levha üzerine gönderildiği ünlü çift yarık deneyinden elde edilmişti. Elektron hangi yarıktan geçmişti? Film tabakası üzerindeki girişim deseni apaçık bir çift yarık desenidir. Bu durum ise, elektronun her iki yarıktan da geçip bir girişim deseni oluşturmuş

olması gerektiğini kanıtlamaktadır. Tüm sağduyu kurallarına aykırıdır bu, ama çürütülmez bir olgu gibi gözükmektedir. Elektron hem bir parçacık hem de bir dalga olarak davranmaktadır. Aynı anda iki (ya da ikiden de fazla) yerde bulunmaktadır ve aynı anda birkaç hareket durumuna sahiptir!

Banesh Hoffman şu yorumda bulunuyor:

Sanmayın ki, bilimciler bu yeni fikirleri sevinç çığlıklarıyla kabul ettiler. Bu sonuçlardan kaçmaya dönük beyhude çabalar içerisinde her çeşidinden tuzaklar hazırlayarak ve alternatif hipotezler uydurarak ellerinden geldiğince mücadele edip direndiler. Ama 1905 gibi erken bir tarihte ve hatta daha öncesinde bile ışık hususunda göze batan paradokslar olduğu yerde duruyordu ve yeni kuantum mekaniğinin gelişine kadar bu paradoksları çözmek için kimsenin ne cesareti ne de herhangi bir fikri vardı. Yeni fikirler, kabul edilmesi çok güç şeylerdir, çünkü Heisenberg kesinsizlik ilkesine rağmen, bu fikirleri içgüdüsel olarak hâlâ eski moda parçacıkla betimlemeye çabalıyoruz. Elektronu, hareketli ama bir konumu olmayabilen ve bir konumu olan ama hareket ya da eylemsizlik olmayabilen bir şey olarak gözümüzün önüne getirmekten hâlâ çekiniyoruz. [1]

Burada yadsımanın yadsınmasının işlediğini görüyoruz. İlk bakışta, bir kısır döngüdeymişiz gibi görünüyor. Newton’un ışığın parçacık teorisi, Maxwell’in dalga teorisi tarafından yadsındı. Bu da, sırası gelince, Planck ve Einstein tarafından geliştirilen yeni parçacık teorisi tarafından yadsındı. Ama yine de bu, eski Newtoncu teoriye geri dönüş anlamına değil, bilimde gerçek bir devrimi içeren ileriye doğru nitel bir sıçrama anlamına geliyordu. Bilimin tümü dikkatlice elden geçirilmeliydi, Newton’un kütleçekim yasası da dahil.

Bu devrim Maxwell denklemlerini geçersiz kılmaz, bu denklemler muazzam genişlikte bir faaliyet alanında geçerli olmaya hâlâ devam ederler. Bu devrim yalnızca, belli sınırların ötesinde klasik fiziğin düşüncelerinin artık uygulanabilir olmadığını göstermiştir. Atomaltı parçacıklar dünyasının olguları klasik mekaniğin yöntemleriyle anlaşılamaz. Bu noktada kuantum mekaniği ve görelilik devreye girer. Yaşadığımız çağın büyük bölümünde, fiziğe, görelilik teorisi ve kuantum mekaniği hakimdi, ama bunlar, başlangıçta eski fikirlere kopmazcasına sarılan bilimsel kurumlar tarafından derhal reddedilmişlerdi. Burada çok önemli bir ders söz konusudur. Evrene bakışımıza “nihai bir çözüm” dayatmaya dönük her girişim başarısızlığa mahkûmdur.

Kuantum Mekaniği

Kuantum fiziğinin gelişimi, bilimde dev bir ileri adımı, “klasik” fiziğin aptallaştırıcı mekanik determinizmden (Engels’in adlandırdığı şekliyle “metafizik” yöntemden) kesin bir kopuşu temsil etti. Bunun yerine çok daha

esnek ve dinamik –yani tek kelimeyle diyalektik– bir doğa görüşüne sahibiz. İlkin küçücük bir ayrıntı, neredeyse bir anekdotmuş gibi görünen kuantumun varlığını Planck’ın keşfetmesiyle birlikte, fiziğin tüm çehresi dönüşüme uğradı. Radyoaktif dönüşüm olgusunu açıklayabilen ve spektroskopinin karmaşık verilerini ayrıntılarıyla analiz edebilen yeni bir bilim söz konusuydu. Bu da doğrudan doğruya yepyeni bir bilimin kurulmasına yol açtı; eskiden çözümsüz kalan sorunları çözme yeteneğindeki teorik kimya. Yeni kalkış noktası benimsenir benimsenmez, genelde bütün bir teorik zorluklar yığını bertaraf ediliyordu. Yeni fizik, atom çekirdeğine hapsolmuş şaşırtıcı kuvvetleri ortaya çıkardı. Bu ise doğrudan doğruya nükleer enerjinin –dünyadaki yaşamın potansiyel imhasına giden yolun– istismarını ya da nükleer füzyonun barışçıl kullanımı sayesinde akla hayale sığmaz, sınırsız bir bolluk ve toplumsal ilerleme manzarasını beraberinde getirdi. Einstein’ın görelilik teorisi, kütle ve enerjinin eşdeğer olduğunu açıklar. Eğer bir cismin kütlesi biliniyorsa, bunu ışık hızının karesiyle çarptığımızda enerji haline gelir.

Einstein, şimdiye dek bir dalga olarak tasavvur edilen ışığın bir parçacık gibi davrandığını gösterdi. Diğer bir deyişle ışık yalnızca maddenin bir başka biçimidir. 1919 yılında, ışığın kütleçekim kuvvetinin etkisiyle büküldüğünün gösterilmesiyle bu kanıtlandı. Daha sonraları Louis de Broglie, parçacıklardan oluştuğu düşünülen maddenin, dalgaların tabiatını andırdığına dikkat çekti. Madde ve enerji arasındaki ayrılık böylece ilk kez ve ebediyen yerle bir edildi. Madde ve enerji ... aynı şeydir. Bilim açısından muazzam bir ilerlemeydi bu. Ve diyalektik materyalizm açısından da madde ve enerji aynı şeydir. Engels, enerjiyi (“hareket”), “maddenin varoluş tarzı, kendi doğasına içkin niteliği” olarak tanımlamıştı.[2]

Parçacık fiziğinde yıllarca hüküm süren tartışma, foton ve elektron gibi atomaltı parçacıkların parçacık mı yoksa dalga mı olduğu sorunu nihayet, atomaltı parçacıkların hem bir parçacık hem de bir dalga gibi davranabileceğini ve davrandığını ortaya koyan kuantum fiziği tarafından çözüme kavuşturuldu. Işık, tıpkı bir dalga gibi, girişim yapar, ama bir ışık fotonu aynı zamanda tıpkı bir parçacık gibi atomdan elektron da söker. Biçimsel mantığın yasalarına aykırıdır bu. “Sağduyu” bir elektronun aynı anda iki yerde birden olabileceğini nasıl kabul edebilir? Ve üstelik de aynı anda inanılmaz hızlarla ve farklı doğrultularda hareket ettiğini? Işığın hem bir dalga hem de bir parçacık olarak davranması katlanılmaz bir çelişki olarak görüldü. Atomaltı dünyanın çelişik olgularını biçimsel mantıkla açıklama teşebbüsleri akılcı düşünüşün hepten terk edilmesine yol açar. Kuantum devrimiyle ilgili bir çalışmasının sonuçlar bölümünde, Banesh Hoffman şunları yazabiliyordu:

O halde, Tanrının olağanüstü güçlerine daha ne kadar şaşıracağız? Yeri ve göğü bir ilk özden öylesine ince bir güzellikle yaratmıştır ki, bununla, beyinleri ve akılları, kendisinin gizemlerine nüfuz etmeleri için ilâhi bir vahiy yeteneğinin ateşiyle donabilmiştir. Salt Bohr ya da Einstein’ın aklı, bizi onun gücü hakkında şoke ediyorsa, onları yaratan Tanrının ihtişamını övmeye nereden başlayabiliriz.[3]

Ne yazık ki istisnai bir örnek değil bu. Bilim hakkında bizzat bilimciler tarafından yazılmış olanları da dahil, modern literatürün büyük bir kısmı böylesi mistik, dini ya da yarı-dini inançlarla tıka basa doludur. Birçok bilimcinin bilinçli ya da bilinçsiz olarak benimsediği idealist felsefenin doğrudan bir sonucudur bu.

Kuantum mekaniğinin yasaları “sağduyu”ya (yani biçimsel mantığa) meydan okur ama diyalektik materyalizmle tam bir uyum içerisindedir. Meselâ nokta kavramını ele alalım. Tüm geleneksel geometri, daha sonra bir doğru, bir düzlem, bir küp vb. haline gelen bir noktadan türer. Ama daha yakından bir gözlem, noktanın varolmadığını ortaya koyar.

Nokta, uzayın en küçük ifadesi, boyutu olmayan bir şey olarak düşünülür. Gerçekte, böyle bir nokta atomlardan –elektronlar, çekirdek, fotonlar ve daha da küçük parçacıklardan– oluşur. Eninde sonunda, kuantum dalgalarının durmak bilmez girdabında yok olup gider. Ve bu sürecin bir sonu yoktur. Hiçbir sabit “nokta” yoktur. Sözümona gözlenebilir nesnel gerçekliğin “ötesinde” yatan kusursuz “biçimler” bulma uğraşısındaki idealistlere verilecek son yanıt budur. Bilim-kurgunun en inanılmaz serüvenlerinden biçim ve süreçlerin biteviye çeşitliliği itibariyle çok daha harikulade olan yegâne “nihai gerçeklik”, sonsuz, ebedi ve her an değişen nesnel evrendir. Sabit ve değişmez bir konumdan –bir “nokta”– ziyade, bir sürece, asla sonlanmayan bir akışa sahibiz. Buna, bir başlangıç ya da bir son biçiminde bir sınır dayatma girişimlerinin tümü kaçınılmaz olarak başarısızlığa uğrayacaktır.

Maddenin Yok Oluşu mu?

Göreliliğin keşfedilmesinden uzun zaman önce, bilim iki temel ilke keşfetmişti; enerjinin korunumu ve kütle korunumu. Bunların ilki 17. yüzyılda Leibniz tarafından ayrıntılı olarak incelenmiş ve ardından 19. yüzyılda bir mekanik ilkesinin doğal sonucu olarak geliştirilmişti. Çok daha önceleri, ilk insanlar, sürtme yardımıyla ateş yaktıklarında ve böylelikle de verili bir enerji miktarını (iş) ısıya dönüştürdüklerinde, işin ve ısının eşdeğerliliği ilkesini pratik olarak keşfetmişlerdi. Bu yüzyılın başlarında, kütlenin enerji biçimlerinden sadece biri olduğu keşfedilmişti. Bir madde parçacığı oldukça yüksek düzeyde yoğunlaşmış ve lokalize olmuş enerjiden

başka bir şey değildir. Bir parçacıkta yoğunlaşan enerji miktarı onun kütlesiyle orantılıdır ve toplam enerji miktarı her zaman sabit kalır. Bir çeşit enerjinin kaybı, bir başka çeşit enerjinin kazanılmasıyla telâfi edilir. Enerji sürekli olarak biçimini değiştirirken yine de her zaman aynı kalır.

Einstein, bizzat kütlenin şaşılacak miktarda bir enerji barındırdığını kanıtlamakla bir devrim gerçekleştirmişti. Kütle ve enerjinin eşdeğerliği E = mc2 formülüyle ifade edilir, burada m kütle, c ışık hızı (yaklaşık olarak saniyede 300.000 km) ve E de durgun cismin barındırdığı enerjidir. m kütlesinde içerilen enerji, ışığın muazzam hızının karesiyle bu kütlenin çarpımına eşittir. Kütle bu nedenle enerjinin oldukça yoğunlaşmış bir biçimidir, bu enerjinin gücü hakkında şu gerçek bizlere bir fikir verebilir; bir atom bombasının patlamasıyla açığa çıkan enerji, enerjiye dönüşen kütlenin binde birinden daha azdır. Normalde, madde içinde hapsolmuş bu muazzam enerji kendini dışa vurmaz ve bu nedenle de göze çarpmaz. Ama atom çekirdeğinin içindeki süreçler belli bir kritik noktaya ulaşırsa, bu enerjinin bir kısmı, kinetik enerji olarak dışarı salınır.

Kütle, yalnızca bir enerji biçimi olduğundan, madde ve enerji ne yaratılabilir ne de yok edilebilir. Diğer taraftan enerji biçimleri son derece çeşitlidir. Örneğin, güneşteki protonlar bir helyum çekirdeği oluşturmak üzere birleştiklerinde nükleer enerji ortaya çıkar. Bu enerji, ilkin, çekirdek hareketinin kinetik enerjisi olarak görünür, ki bu da güneşten gelen ısı enerjisine katkıda bulunur. Bu enerjinin bir kısmı elektromanyetik enerji parçacıkları içeren fotonlar biçiminde güneşten yayılır. Bu enerji sırası geldiğinde, fotosentez süreci tarafından, bitkilerde depolanan kimyasal enerjiye dönüştürülür. Bu kimyasal enerjiyse, kaslar, kan dolaşımı, beyin vb. için gereken enerji ve sıcaklığı sağlamak üzere, insanlar tarafından bitkilerin ya da bitkileri yiyen hayvanların yenmesiyle edinilir.

Klasik fiziğin yasaları genellikle atomaltı düzeydeki süreçlere uygulanamaz. Ne var ki, doğada istisna kabul etmeyen bir yasa da mevcuttur; enerjinin korunumu yasası. Fizikçiler, ne bir pozitif yükün ne de bir negatif yükün hiçlikten oluşturulamayacağını bilirler. Bu olgu elektriksel yükün korunumu yasasıyla ifade edilir. Böylece, bir beta parçacığı üretme sürecinde, (yüksüz olan) nötronun ortadan kaybolması zıt yüklü bir parçacık çiftinin ortaya çıkmasına yol açar; pozitif yüklü bir proton ve negatif yüklü bir elektron. Birlikte ele alındıklarında bu yeni iki parçacık sıfıra eşit olan bir toplam yüke sahiptirler.

Eğer bunun tam tersi olan süreci ele alırsak, bir proton, bir pozitron salarak bir nötrona dönüştüğünde, ilk parçacığın (protonun) yükü pozitiftir ve sonuçta ortaya çıkan parçacık çiftinin (nötron ve pozitronun) toplam yükü yine pozitiftir. Tüm bu sayısız dönüşümlerde, elektriksel yükün korunumu yasası sıkı bir şekilde yürürlüktedir, tıpkı tüm diğer korunum