Bozon ve Fermiyonlar

Bozon ve Fermiyonlar: 1924 yılında Dakka Üniversite’sinden Satyendra Nath Bose adlı otuz yaşındaki bir fizikçi, o dönem Berlin’de olan Albert Einstein’a gönderdiği mektubuna ek olarak “Planck Kanunu ve Işık Kuantası Hipotezi” başlıklı bir yazı iliştirir. İngilizce yazılmış bu yazı, kısa bir süre önce ünlü İngiliz dergisi Philosophical Magazine tarafından reddedilerek geri çevrilmiştir.

Kim bilir neden? Uzak bir diyardaki adı sanı belirsiz birinden geldiği için mi? Ele aldığı konu “varsayımsal” ışık kuantası (bunun için o dönemde gerçekten güçlü kanıtlar vardı) olduğu için mi? Her ne kadar yeni bir yolla da olsa, zaten bilinen bir sonuca Planck’ın radyasyon içeren bir kovukta farklı frekanslar arasındaki enerji dağılımı kanunu-ulaştığı için mi? Britanyalı editörler bilmese de önemli bir şey yaptığını bilen Bose, yaşayan en ünlü fizikçiye ulaşmaya karar verir. (Bose, Einstein’ ın görelilik metnini Hindistan’daki bilim dünyası için Almancadan İngilizceye çevirmiştir). Einstein yazıyı okur, önemini derhal teslim eder, metni bizzat Almanca‘ya çevirir ve vakit kaybetmeksizin önemli bir Alman derisi olan Zeitschrift für Physik’te basılmasını sağlar.

Bose’nin yaptığı, Planck yasasından çıkarsama yapmak ve bir kovuktaki ışınımın birbirleriyle etkileşime geçmeyen ve başka bir ışık kuantumunun daha öncesinden bu durumu işgal edip etmemiş olmamasından bağımsız olarak, herhangi bir enerji durumunda olabilen “ışık kuantasından” (modern terminoloji ile fotonlardan) oluşmuş bir “gazdan” ibaret olduğunu varsayım olarak kabul etmektir. Gazdaki parçacıklar toplam enerjiyi korumalı (bir kuantumda artarsa, diğerinde azalmalı) ve istatistiksel mekaniğin genel ilkelerine uymalıydılar.

Einstein Bose’nin çalışmasının, Bose’nin halen hipotez olarak adlandırdığı, ancak Einstein in yaklaşık yirmi yıl önce öne sürdüğü ve doğru olduğundan hiçbir kuşku duymadığı ışık kuantumunu destekleyen üçüncü bir dayanak olduğunu derhal kavradı. Önceki iki dayanağın birincisi, metal bir yüzeyde soğurulan her ışık kuantumunun tüm enerjisini bir elektrona verdiğini gösteren fotoelektrik etkiydi. Diğeri ise bir önceki yıl Amerikalı fizikçi Arthur Compton tarafımdan keşfedilmiş olan ve X ışını fotonunun atomdaki bir elektrondan bir bilardo topu diğerinden sekermişcesine sektiğini ortaya koyan Compton etkisiydi.

Einstein Bose’nin çalışmasına onun fikirlerini alarak geliştirdiği iki sayfalık bir yazı kaleme alarak gereken ilgiyi göstermiş oldu. Özel olarak Einstein, etkileşimsiz atomlardan- maddesel parçacıklardan- oluşan bir gazın yeterli düşüklükte bir sıcaklıkta daha sonra Bose-Einstein yoğunlaşması olarak adlandırılacak olan şekilde bir yoğunlaşma göstereceğini öngören kişi oldu.

Klasik fiziğin hüküm sürdüğü zamanlarda fizikçiler bir gazdaki atomların bir anlamda özdeş olsalar da-örneğin helyum atomları, her şeye karşın tanılanabilir ölçüde farklı olduklarını varsayarlardı. 1 numaralı helyum atomu, 2 numaralı helyum atomu vs. diyebilirdiniz. Prensip olarak 1 numaralı atomu izleyebilir ve izini kaybetmeksizin seyahatlerini takip edebilirdiniz. Bu tip bir atom yığınının belli bir sıcaklık altında ortalama olarak nasıl hareket ettiği, on dokuzuncu yüzyılın sonunda yasamış iki büyük bilim adamı, Britanyalı fizikçi James Clerk Maxwell ve Avusturyalı fizikçi Ludwig Boltzmann’dan ismini alan ve matematiksel olarak Maxwell-Boltzmann istatistiği adı verilen yolla tanımlanabilirdi. Kuantum etkileri göz ardı edilirse, örneğin oda sıcaklığında helyum gazı yüklü bir kap söz konusu olduğunda, bu açıklama halen geçerli görünmektedir.

Bose ve Einstein Maxwell ve Boltzmann’ın İstatistiği

Bose ve Einstein Maxwell ve Boltzmann’ın istatistiğini, kuantum kuramına göre özdeş parçacıkların hakikaten özdeş, hakikaten birbirlerinden ayırt edilemez oldukları gerçeği doğrultusunda modifiye etmişlerdir. Bir grup özdeş parçacık içerisinden bir tanesini seçerek etiketlemek ve hareketini izlemek gibi bir şey prensipte bile söz konusu olamaz. Maddenin dalga doğası ve olasılık yasalarının hüküm sürmesi bunu olanaksız kılmaktadır. Hakiki özdeşlik hesaba katıldığında yeni bir istatistik ortaya çıkar ve buna Bose-Einstein istatistiği adı verilir. Normal sıcaklıktaki seyreltik gazlarda Bose-Einstein istatistiği, Maxwell-Boltzmann istatistiğinden farklılık göstermez. Ancak yeteri kadar düşük sıcaklıklarda parçacıkların kuantum özdeşligi önem kazanmaya başlar. Dolayısıyla öngörülen Bose-Einstein yoğunlaşması da klasik beklentiye tamamıyla ters düşer.

Bozon Nedir?

Bose ve Einstein’ın çalışmalarını, Pauli’nin elektronlar için dışarlama ilkesini geliştirmesinden bir yıl önce gerçekleştirmiş olduklarını hatırımızda tutalım. Pauli’nin ilkesi, özdeş parçacıklara yaklaşım açısında bir dönemeç oldu. Bose ve Einstein özdeş parçacıklarının aynı hareket durumunda olabileceğini varsaymışlardı. Elektronlar ve sonrasında tamsayının yarısı spine sahip parçacıklar ise ayni hareket durumunda olamazlardı. Dolayısıyla özdeş parçacıklar ikiye ayırılırlar. İtalyan Enrico Fermi ve Britanyalı fizikçi Paul Dirac dışarlama ilkesine uyan parçacık grupları üzerine olan çalışmalardır. Öne çıkan bilim insanları da oldular. Bugün Fermi-Dirac istatistiği dediğimiz çalışmalarını gerçekleştirdiklerinde her ikisi de yirmilerindeydi.

Fermiyon Ne Demek?

İsimlendirmeye dönersek, özdeş parçacıklar iki ayrı çeşit olduğu için farklı isimler gerekiyordu. Bose-Einstein istatistiğine uyan parçacıkların bozon olarak adlandırılmalarını öneren Paul Dirac oldu. (Kim bilir belki de Einsteinon demenin ağzı yoracağını veya Einstein’ın zaten yeterince ünlü olduğunu düşünmüş olabilir). Peşi sıra aynı Dirac, alçak gönüllüğü ile ünlü bu bilim insanı, Fermi-Dirac istatistiğine uyan parçacıkların da fermiyon olarak adlandırılmalarını önerdi. Her iki önerisi de tuttu.

Alfa Yayınlarından Derlenmiştir.

Yazar: Kenneth W.Ford

101 Soruda Kuantum Adlı Eserinden