MADDENİN MADDESİZLEŞMESİ (DEMATERIALIZATION)

Birincil-ikincil nitelikler ayrımının, George Berkeley’in eşitleyici çözümlemelerine rağmen bilimde nasıl temel bir yer tuttuğu, Euler’in sözleriyle açıkça görülür:

“Doğa bilimlerinin tümü, cisimlerin bir değişiklik olduğunda ne durumda olduklarını ve neden tam da o değişikliğin meydana geldiğini göstermeye dayanır.”

Helmholtz daha da açık konuşur:

“Fizik biliminin görevi, doğadaki tüm olguları, yalnızca maddi cisimler arasındaki karşılıklı uzaklığa bağlı olan çekim ve itme kuvvetlerine indirgemektir. Ancak bu problem çözüldüğünde, doğanın kavranabilir olduğundan emin olabiliriz.”

Bu görüşler, mekanik felsefe, teorik determinizm ve tüm bilimlerin fiziğe indirgenmesi gibi bir dizi anlayışı yansıtır. Hepsi de örtük bir atomculuktan doğar. Tarihsel olarak bu, klasik birincil-ikincil nitelikler ayrımına benzer bir şeye dönüşür. “Benzer” kelimesi burada önemlidir.

Berkeley maddenin “gerçek” nitelikleri üzerine spekülasyon yapmıştır. Klasik birincil-ikincil ayrımının geçersiz olduğunu düşünmüştür.
Ona göre bu nitelikler, gerçekliği bilme bakımından aynı düzeydeydi. Berkeley’nin çağdaşı bir bilim insanı bunu kabul edebilir ama hâlâ aynı ayrımı, farklı bir düzlemde — felsefi olarak değil, fiziksel olarak — sürdürebilirdi.

Berkeley’nin buyruğu şuydu:

“Birincil niteliklerden felsefi olarak ‘gerçek’ olarak söz etme!”

Bu, günümüzdeki başka bir buyruğa dönüşmüştür:

“Birincil niteliklerden fiziksel olarak ‘gerçek’ olarak söz etme!”

18. Yüzyılda bir bilim insanı ilk buyruğu kabul edip ikinciyi reddedebilirdi. Günümüzde ise, çoğu kişi ikinci buyruğu kabul edebilir, felsefi tutumu ne olursa olsun.

Dolayısıyla, maddenin kendisinde gerçekten bulunan birincil nitelikler ile yalnızca bizde oluşan ikincil nitelikler ayrımı açısından bakıldığında — Berkeley’nin epistemolojik eleştirisi yıkıcıydı.

Yine de bu ayrım doğa felsefesi içinde — felsefi değil, fiziksel gerçeklik düzeyinde — geçerli olmaya devam etti.
Fiziksel gerçeklik, yalnızca görünüşlerle (ortak gözlemle kavrananlarla) değil, sürekli, sabit, gözlem koşullarına bağlı olmayan özelliklerle ilgilidir.

Örneğin:

Suya batırılmış bir çubuğun gerçekte düz olması, onun eğri görünmesiyle çelişir.

Katı hâlde CO₂’nin gerçekte soğuk olması, onu yakıcı sıcak gibi algılamamızla çelişir.

Berkeley’nin ilgisi ise bu bilimsel ayrımın felsefi boyutuna yönelmiştir. O, şu soruyla ilgilenmiştir:

“Peki, madde bu tür özelliklerden hangilerine gerçekten sahiptir?”

Bilim insanı için bu ayrım, “tüm koşullarda gözlemlenen” ile “yalnızca özel koşullarda gözlemlenen” arasında bir karşıtlıktır.
Filozof ise daha derin bir soru sorar ve Berkeley bu soruya şöyle yanıt verir:

“Bir şeyin düzenli olarak gözlemlenen özelliklerini onun gerçekten sahip olduğu nitelikler olarak kabul etmek için elimizde özel bir neden yoktur; aynı şey düzensiz olarak gözlemlenen özellikler için de geçerlidir.”

Bilim insanları fiziksel gerçek özellikler içinde birincil-ikincil ayrımını sürdürmüştür. Bunu yapmadan tutarlı bir atomculuğu sürdürmek mümkün değildi.

Ancak Berkeley’in amacı bilimsel değildi; bu ayrımı felsefi olarak geçersiz ilan etti.

Fizik bilimi, Whewell’in yazdığı dönemde henüz bu Berkeleyci özeleştiriden geçmemişti. O zamanlar, maddenin birincil fiziksel özelliklerine dair kavramlarla oynamak akla bile gelmezdi. Ama artık bu kavramsal sınırlar, 19. Yüzyıldaki kadar bağlayıcı değil.

Bugün, elektron gibi temel parçacıkların anlaşılması, klasik fiziksel birincil nitelik kavramları içinde mümkün değildir.
Başarılı bir elektron kuramı geliştirmek için, elektron kavramı klasik “direnme” ve “hareket etme” niteliklerinden arındırılmalıdır.

Oysa Whewell şöyle diyordu:

“Maddeden direnme ve hareket etme gücünü çıkarırsak… artık onun hakkında açık seçik akıl yürütemeyiz.”
(Aynı eser, aynı yer)

Ama günümüzde elektronlar hakkında açık seçik biçimde akıl yürütebiliyoruz — her ne kadar onlar hâlâ bize oldukça yabancı maddesel nesneler gibi görünse de.

II. ELEKTRON HAKKINDA “KLASİK” SORULARA GÜNCEL YANITLAR

Elektron — yani en temel parçacıklardan biri — hakkında klasik sorulara verilen bazı temsilî yanıtları ele alalım:

Elektronun çapı nedir?
Kuramsal olarak, yaklaşık 6 × 10⁻¹³ cm mertebesindedir. Deneysel olarak belirlemek ise mümkün değildir. Bu büyüklük, gereken enerjilerdeki pion ve nükleon çift-yaratımı nedeniyle saptanması çok zordur (80 GeV civarında). Bu çap kavramı şu formüle dayanır:

 d = 2e² / m₀c² ≈ 5.7 × 10⁻¹³ cm
 veya
 r = e² / m₀c² ≈ 2.82 × 10⁻¹³ cm

Bu teorik değerlere karşı çıkan bir kanıt yoktur; ancak hassas ölçüm günümüz teknikleriyle yapılamamaktadır.

Bazı kuramcılar, çapın sıfır olduğunu savunur. Bu, 1 GeV’de yapılan elektron-proton saçılma deneyleriyle uyumludur. Bu mesele, küçük mesafelerdeki kuantum elektrodinamiğini doğrudan ilgilendirir.

Peki şekli nedir?
Küresel mi, noktasal mı? Bu konuda da deneysel bir bilgi yoktur. Elektron yükünün küresel olarak dağıldığı varsayılır, tıpkı manyetik momenti gibi.
Ama deneyciler genellikle elektronu nokta parçacığı olarak ele alırlar. Bu soru da, Stanford’da planlanan çok yüksek enerjili elektron-elektron saçılma deneyleri gibi testleri beklemektedir.

Elektronun “katılığı” hakkında ne söylenebilir?
Ne kuram ne deney bu konuda yardımcı olur. Bazı kuramcılar bu kavramın anlamsız olduğunu düşünür. Bazıları, elektronun içine girdikçe karar vermenin zorlaştığını çünkü çok sayıda yeni parçacığın ortaya çıktığını belirtir. Başka bazılarıysa, 10⁻¹³ cm gibi bir merkezde “katı” bir çekirdek olabileceğini düşünür.

Eğer böyle bir çekirdek yoksa, elektron yalnızca sanallardan oluşan bir parçacık bulutu ve merkezde çıplak bir yük noktası olarak tarif edilebilir.

Diğer bazı özellikler belirlenebilir durumdadır:

Çarpışmalar iyi anlaşılmıştır; kuantum elektrodinamiği sağlam teorilere ve bol miktarda saçılma deneyine sahiptir.

Elektronun durağan kütlesi (renormalizasyondan sonra):
  m₀ = 9.1083 × 10⁻²⁸ gram
  Bu değer, farklı deneylerle doğrulanmıştır.

Spin-açısal momentumu:
  Her zaman 1/2’dir.
  Zeeman etkisi ve diğer deneylerle iyi biçimde saptanmıştır.

Durağan enerjisi:
  m₀c² — elektron-pozitron çift yaratımıyla açığa çıkar.

Ancak, kütle ile yük arasındaki ilişki hâlâ sorunludur. (Mesela, kütleyi kendi enerjisiyle açıklama girişimleri başarısız olmuştur.)

Buradaki kritik nokta şudur:
Elektron hakkında birçok şey biliyoruz. Ancak bu bilinenler, klasik madde anlayışıyla bağdaşmaz.

Klasik parçacıklar için bir parçacığın durumu; yani konumu ve hızı aynı anda ifade edilebilirdi. Kuantum kuramında ise bu imkânsızdır. Konum ve momentum operatörleri şu kurala göre yönetilir:

 P·M – M·P = (h / 2πi) · I

Bu şunu ima eder: Elektron hakkında yalnızca ya konumunu, ya da momentumunu tam olarak söyleyebiliriz — ikisini aynı anda asla.
Bu, temel bir ilkedir, eksiklik değil.

Bu ilke sadece mikro seviyeye özgü değildir. Makro düzeyde de örneklenebilir:

Bir Geiger sayacı, kararsız bir izotoptan çıkan beta parçacıklarını tespit ederken, tam olarak ne zaman klik edeceği öngörülemez.
Bu belirsizlik fiziksel değil, mantıksaldır — kuantum fiziğinin doğasında vardır.
Bu yüzden böyle bir sayaç, kusursuz bir rastgelelik üreticisidir.

Daha fazla klasik özellik de kuantum kuramı tarafından sarsılmıştır:

Elektronun katılığı — geçerli bir kuramı veya deneyi yoktur.

Elektrona “dokunma” gibi kavramlar — anlamlı değildir.

Parçacık yaratımı:
 1930’larda keşfedilen bu süreç, ışınımdan parçacık üremesi fikrini ortaya koydu. O zamana dek, maddenin ancak başka bir maddeden oluşabileceği varsayılırdı. Ama artık enerjiden madde üretilebileceği biliniyor.

Elektron yaratıldığında, klasik anlamda durumu, şekli veya katılığı tanımlanamaz.
Aynı yerde iki elektronun aynı anda bulunamaması Pauli dışlama ilkesiyle açıklanır — ama bu da henüz hiçbir deneyle ihlal edilmemiş olsa da, kuramsal olarak sarsılmaz değildir.

Elektronun yaşından ya da yoğunluğundan söz edilemez — çünkü bu tür kavramların kuantum kuramında yeri yoktur. Bu, örneğin Venüs hakkındaki bilgisizlik gibi değildir. Venüs hakkında daha fazla bilgi edinebilsek, ne olacağını biliriz.

Ama elektron söz konusu olduğunda, hangi kavramlarla daha fazla bilgi edinebileceğimizi bilemiyoruz — çünkü mevcut teorilerin yapısı bu sınırları belirliyor.

Özetle:

Newton’a göre madde; tam belirlenebilir bir durum, nokta biçim ve katı cisim demekti.

Bugün ise, bu özellikler elektronlarda yoktur — hatta teorik olarak olamazlar.

EK

Elektron-pozitron kuramımızın önemli özelliği, onun bir kuantum alan kuramı olmasıdır.
Bu, alanların (örneğin ϕ(x)) bir elektronun durumunu temsil eden sıradan fonksiyonlar değil, operatörler olduğu anlamına gelir.

Örneğin:

ϕ(x) bir pozitron yaratır veya bir elektronu yok eder.

ϕ⁺(x) bunun tersini yapar.

Bu kuramı ayrıntılı biçimde betimlemek mümkün değildir, fakat şu fiziksel gerçek önemlidir: Bu kuramda elektronlar ve pozitronlar yaratılabilir ve yok edilebilir.

Yüksek enerjili bir γ-ışını (E > 2mc²) bir çekirdek çevresindeki Coulomb alanından geçerken bir elektron-pozitron çifti oluşturabilir.

Böyle bir durumu sıradan bir dalga fonksiyonu ile betimlemek mümkün değildir.
Bunun yerine, temel durumları farklı parçacık sayılarına sahip olan soyut (ve ayrılmayan) bir Hilbert uzayında bir durum vektörü ile betimlenir.

Sistemin Hamiltonyeni, bu farklı parçacık sayılarına sahip durumlar arasında matris elemanlarına sahiptir. Bu nedenle şu geçiş mümkündür:
γ → e⁺ + e⁻

Şimdi parçacık sayısının korunduğu ve sıradan dalga fonksiyonunun yaklaşık da olsa işe yaradığı “göreli olmayan sınır durumu” hakkında birkaç söz:
Bu durum, fiziksel olaylarda yer alan enerjilerin bir elektronun durağan enerjisinden çok daha küçük olduğu koşullarda ortaya çıkar.

Bu sınır, çoğu atom fiziği ve kimya için geçerlidir.
(Küçük göreli düzeltmeler — örneğin ince yapı, Lamb kayması — dışında.)

Bu durumda dalga fonksiyonları, Pauli dışlama ilkesine uyan ve parçacık değişiminde tekil olan fonksiyonlardır.

Bu düzlemde klasik birincil sorulara açık yanıtlar verilebilir:

Elektron doğası gereği noktasal bir parçacıktır,

Spini ½’dir,

Kütlesi belirgindir.

Burada “noktasal” demek, onu tanımlayan dalga fonksiyonunun içsel yapıya dair herhangi bir değişken içermemesi (spin dışında) demektir.
Elektronun yükü, bir noktada sonsuz yoğunlukta toplanmıştır (δ-fonksiyonu gibi).
Yaşı anlam taşımaz;
Katılığı anlam taşımaz (bir nokta sıkıştırılabilir mi?);
Şekli anlam taşımaz (bir noktanın şekli olur mu?).

Elbette, dalga fonksiyonu u(x,t), konum, momentum, enerji gibi büyüklüklerin olasılık dağılımını verir.

Bir örnek yararlı olabilir:

P(x,t) = |u(x,t)|² → x için olasılık dağılımı
p(x,t) → gözlemlenebilir yük dağılımı

Kurama göre:
p(x,t) = e · P(x,t) = e · ∫ δ(x − x′) · P(x′,t) d³x′

Buradaki δ(x−x′), elektronun noktasal yük doğasını temsil eder.

Olasıdır ki p ve P arasındaki ilişki farklı olabilirdi:
Mesela δ(x−x′) yerine f(x−x′) gibi yayılmış bir δ-fonksiyonu yer alabilirdi.

Bu durumda f, elektronun içsel yük dağılımını temsil ederdi.

Ancak atom spektrumlarının kuramsal ve deneysel verilerle çarpıcı biçimde uyuşması, f’nin gerçekten δ-fonksiyonu olduğunu (ya da en azından çok küçük uzamsal yayılımı olduğunu) gösterir.
(Lamb kayması, bu yayılımın küçük bir sonucu olarak görülŞimdi daha kapsamlı kurama geçelim.

“Elektron” kelimesinin anlam bakımından belirsiz olduğunu vurgulamak gerekir.
Yani, ‘bir elektron’ ya da ‘bir pozitron’ dediğimizde neyi kastettiğimiz, parçacığın diğer alanlarla — özellikle elektromanyetik alanla — etkileşimi hesaba katılmadan tam olarak tanımlanamaz.

Örneğin, şöyle yazmaya çalışabiliriz:
Ψ = φ₊(e⁺) + φ₋(e⁻)

Burada φ₊ pozitron yaratır, φ₋ elektron yok eder.
Ancak bu ayrım, etkileşim yoksa geçerlidir.

Eğer Coulomb potansiyeli varsa, farklı bir ayrım yapılır:
φ′₊(e⁺) + φ′₋(e⁻)

Bağlı bir elektronu (örneğin hidrojen atomundaki temel durumu) serbest temsilde ifade etmeye çalışırsak, bu ifade, bir serbest elektron durumu ile çeşitli sayıda elektron-pozitron çiftinin süperpozisyonu olur.

Bu durumda doğru yaklaşım, bağlı temsilin esas olduğunu kabul etmek ve “elektron”u bu şekilde tanımlamaktır.

Durum, elektromanyetik alan gibi daha gerçekçi (ve kuantumlaştırılmış) etkileşimler ele alındığında daha karmaşık hale gelir.
(Fotolar da yaratılabilir ve yok edilebilir.)

Bu noktada şunlar arasında ayrım yapılır:

“Çıplak” elektron: Etkileşimlerin hesaba katılmadığı serbest temsile karşılık gelir.
Perturbatif yöntemlerde başlangıç noktasıdır.

“Fiziksel” elektron:
Etkileşimlerin tüm etkilerini içerir.
Bu durum, çıplak elektrondan başlar ve etkileşimler “açıldığında” oluşur.

Bu fiziksel elektronun belirli bir kütlesi ve spini vardır; fakat muhtemelen etkileşim kaynaklı içsel bir yapısı da vardır.
Bu yapı:

Sanal çıplak fotonlar,

Sanal elektron-pozitron çiftlerinden oluşan bir bulut ve

Buna ek olarak bir adet çıplak elektron içerir.

Bu ifade daha çok matematiksel formalizmin bir karakterizasyonudur; fiziksel anlamı sınırlıdır.

Uzayda bu yapı, yaklaşık olarak:
h / mc kadar bir mesafeye,
zamanda ise h / mc² kadar bir süreye yayılır.

Fiziksel elektron, fiziksel boyutlara ve bazı özelliklere (şekil, yük yoğunluğu, dağılımı — bunlar temelde aynı şeydir) sahiptir.
“Elektronun yaşı” kuramda önemli bir rol oynamaz; davranışı yaşına bağlı değildir.

Bu etkileşimlerin oluşturduğu yapı, deneysel olarak şu yollardan doğrulanmıştır:

Lamb kayması

Elektronun anormal manyetik momenti

Hiper-ince yapı üzerindeki etkisi

Coulomb alanından saçılma üzerindeki etkisi

Bu yapı, yerel alanlara dayalı bir kuramdan gelir:
Yani çıplak alanlar noktalıdır ve etkileşimler bir noktada gerçekleşir.

Bu kuramla yapılan hesaplamalar, yukarıdaki dört deney türünde son derece doğru sonuçlar vermektedir.

Ek olarak şunu da belirtmek gerekir: Çıplak parçacıkların kendilerinin noktasal olmayan bir iç yapıya sahip olması da mümkündür.
Şu anda buna dair bir kanıt yoktur. Ancak bu konuda önemli bir yüksek enerjili elektron-elektron saçılma deneyi Stanford Üniversitesi’nde sürmektedir.

Mevcut kuram bu deneyin sonuçlarını önceden tahmin etmiştir. Eğer deney bu öngörülerle uyumlu çıkarsa:

Elektronun, etkileşim kaynaklı yapısı dışında bir iç yapıya sahip olmadığı anlaşılacaktır.
(Bu yapı, 10⁻¹⁰ cm boyutlarında olup deneyde hesaba katılabilir.)

Ancak bu doğrulama yalnızca 10⁻¹⁴ cm’den büyük mesafeler için geçerli olacaktır.

Eğer deney beklentilerle uyuşmazsa, 10⁻¹³–10⁻¹⁴ cm altındaki fizik yasalarının şimdikinden farklı olabileceği anlamına gelir.

Gelecekteki deneyler, bu kuantum elektrodinamiğinin çöküşü ihtimalini, daha da küçük uzay-zaman bölgelerinde test edecektir.

Özetle:

1. Etkileşmeyen (çıplak) elektron, 10⁻¹³ cm’den büyük mesafelerde iç yapı göstermemektedir.  Stanford deneyi, bu durumun daha küçük mesafelerde de geçerli olup olmadığını test edecektir.                                               

2.Ancak, kuantumlaştırılmış elektromanyetik alanla etkileşimler,fiziksel elektrona iç yapı kazandırmaktadır. Bu yapı, ilkeler doğrultusunda hesaplanabilir ve h/mc mertebesine kadar uzanır.                                                                               

 3. Daha geniş ölçekte, elektronun dalga paketinin oluşum şekliyle ilişkili belirsizlikler görülebilir. Ancak bunlar, elektronun iç yapısını temsil etmez.                     ______________________                                                   
Norwood Russell Hanson

 (17 Ağustos 1924 – 18 Nisan 1967) Amerikalı bir bilim felsefecisiydi . Hanson, gözlemin teori yüklü olduğu, gözlem dili ve teori dilinin derinlemesine iç içe geçmiş olduğu ve tarihsel ve çağdaş anlayışın da benzer şekilde derinlemesine iç içe geçmiş olduğu argümanını ileri süren bir öncüydü . En temel entelektüel kaygısı, bir keşif mantığının anlaşılması ve geliştirilmesiydi.