Açık fikirli istatistiksel mekanik uzmanı Marcel Brillouin tarafından 1901 yılında Paris’teki Collège de France’da radyasyon termodinamiği üzerine bir dizi konferans düzenlenmiştir. Almanya ve diğer ülkelerdeki fizikçiler tarafından 19. yüzyılın sonlarından bu yana kaydedilen önemli ilerlemelere rağmen, konu Fransız fizik camiasında henüz ele alınmamıştı. Enerji kuantları teorisini yeni geliştirmiş olan Max Planck, Wilhelm Wien ve diğer uzmanlar, sunum yapanlar tarafından yüksek sesle okunan raporlar sunmuşlardır. Bu yıl 150 yıl önce doğan ünlü Fransız fizikçi Paul Langevin, Wien’in konuyla ilgili kendi düşüncelerini aktardı.
1902’de Collège de France’a kaydolduktan sonra Langevin, I. Dünya Savaşı sırasında Alman denizaltıları için ultrason algılama yöntemleri geliştirmeden önce çalışmalarını elektron teorisi üzerinde yoğunlaştırdı. Ancak Langevin kariyeri boyunca radyasyon termodinamiği konusuna tekrar tekrar geri döndü. Langevin yeni fikirleri benimsedi, bunları başkalarıyla paylaştı ve seminerlerine en son kuantum teorisi araştırmalarını ekleyerek sohbeti teşvik etti. Bunu yaparak, Fransa’da kuantum mekaniğinin anlaşılmasını teşvik etti ve gelecek nesil fizikçilerin disipline önemli katkılarda bulunmaları için zemin hazırlanmasına yardımcı oldu.
The Elementary Quantities of Electricity, Ions, Electrons, and Corpuscles 1905 yılında Langevin tarafından yayımlanmıştır. Kitap, elektromanyetik mekanik üzerine bir bölümün yanı sıra Wien, Joseph Larmor, Henri Poincaré ve 1892’de elektron teorisini ortaya koyan Hendrik Lorentz’in katkılarını da içermektedir.
Nisan 1905’te Lorentz, Langevin’in daveti üzerine Fransız Fizik Derneği’nde bir toplantıya hitap etti. Sempozyum, termodinamik ve elektron teorilerini birleştiren kara cisim radyasyonu probleminin tartışılmasıyla sona erdi. O dönemde klasik fizikte hakim olan teori, emisyon frekansı UV aralığına yükseldiğinde, dengede olan ideal bir kara cismin giderek artan miktarda enerji yayacağını öngörüyordu.
Lorentz konferans sırasında “M. Planck’a borçlu olduğumuz son derece önemli bir radyasyon teorisine” atıfta bulundu. Planck, kara cismin belirli bir frekans için kademeli olarak daha fazla enerji yaymak yerine yalnızca kuanta olarak adlandırılan belirli miktarlarda radyasyon yayacağını teorize ederek, kara cisim radyasyon problemine bir çözüm önermişti. Langevin, metallerin termal özelliklerine dair en yeni anlayış olduğuna inandığı Lorentz’in metal elektron teorisini 1905-1906 yıllarında verdiği bir derse dahil etti. Bunu Lorentz’in konferanstaki düşüncelerini kullanarak ve Hollandalı fizikçiyle şüphesiz yaptığı konuşmalarla bunları detaylandırarak yaptı.
Langevin derste, Stefan-Boltzmann yasası ve Wien yer değiştirme yasası da dahil olmak üzere radyasyonun termodinamiğini tanımlamak için bir dizi teorik yasa oluşturan Boltzmann, Planck, Kirchhoff ve Wien’in çalışmalarını tartışmıştır. Langevin’in derslerinde verdiği ilkeler ve teoriyle uyumlu bulguları gösterdiği ve tartıştığı görülmektedir. Hiç şüphesiz Lorentz’den ilham almıştır. Langevin, kendi yasasının ispatı söz konusu olduğunda yalnızca Planck’ın 1900 tarihli makalesine erişebilmiştir. Langevin’in dersi, fizikte olasılıkları kullanmanın önemini vurgulamış ve erken kuantum teorisi kavramlarının Boltzmann ve diğer uzmanların ötesine ulaşmasına da yardımcı olmuştur.
Langevin 1908’de Edmond Bauer’in doktora tezini denetlemeye başladı. Kuantum teorisinin ilk kapsamlı Fransızca açıklamasını sunan bu tez 1912’de savunuldu. Düzenli olarak yabancı ülkeleri ziyaret eden Bauer, elektron fikrine ilgi duyan ve Planck’ın istatistiksel termodinamik kullanımını düşünen Boltzmann’ın Avusturyalı öğrencisi Paul Ehrenfest ile arkadaş olmuştu. Kara cisim radyasyonu Bauer’in araştırmasının ilk bölümünün odak noktasıydı. Ona göre bu konu fizikteki en zorlu ve dolayısıyla en önemli konulardan biriydi. “Einstein ve özellikle Planck bizi çözüme giden yola soktu” diye ekledi.
İstatistiksel Mekanik Uzmanlarından Biri Olan Albert Einstein
O dönemde az sayıdaki istatistiksel mekanik uzmanından biri olan Albert Einstein, Planck’ın enerji elementlerine yeni bir başlangıç yapıyordu. Kendisi 1905 yılında Planck’ın teorisinden bağımsız olarak bir ışık kuantumunun radikal formunda fiziksel bir süreksizlik inşa etmişti. Einstein başlangıçta Planck yasasına karşı çıksa da, daha sonra ikna oldu. Planck’ın ısıl osilatörlerinin elektromanyetik enerjisinin yalnızca kuantize bir biçimde salınabileceğini kanıtlayarak onları kuantize etti. Einstein, bu inceleme ve diğer araştırmalar sonucunda bir katının özgül ısısı ile kızılötesi spektrumunun ortaya çıkardığı doğal titreşim frekansları arasındaki bağlantıyı kurdu.
Bu tür bir analiz Einstein’dan önce başkaları tarafından da kullanılmıştır. Gazların kinetik teorisinde uzmanlaşmış bir İngiliz teorisyen olan James Jeans de termal radyasyon konusunda bir dizi kitap yazmıştır.
Kara Cisim Işıması Sorununa Çözümler
Tezinin ikinci bölümünde Bauer, Einstein, Jeans ve Planck’ın çalışmalarını inceledikten sonra kara cisim ışıması sorununa çözümler önerdi. Burada Bauer, “M. Planck, parlak bir sezgiyle, basit bir olasılık hipotezi keşfetti. Bu teoriyi hemen önermeyeceğiz çünkü alışılagelmiş uygulamalarımızla tamamen çelişiyor ve herhangi bir varsayımsal destekten yoksun.
Bauer, Ehrenfest tarafından yakın zamanda tanımlanan bir tekniği kullanarak olasılık ve istatistiksel mekanik ilkelerinin radyasyon termodinamiğine ilişkin yeni sonuçlara uyacak şekilde değiştirilmesini önerdi. Ehrenfest’in çalışmalarının erken kuantum teorisinin ilerlemesindeki önemini fark eden ilk fizikçilerden biri olan Bauer, aynı zamanda bu çalışmaların Fransız akademik çevrelerinde yayılmasına da yardımcı olmuştur.
Kuantalar Üzerine Tartışma
Bauer doktora tezini tamamlarken, Bauer’in akıl hocası Langevin, Solvay Konferansı’nın açılışına katılıyordu. Konu kuantum ve radyasyondu. Langevin, 30 Ekim-3 Kasım 1911 tarihleri arasında Brüksel’de toplanan 20 kadar kişinin büyük çoğunluğu gibi, dünya sahnesindeki önemi nedeniyle davet edilmişti.
O dönemde Ehrenfest, Einstein, Lorentz, Planck ve konferansın başlıca düzenleyicisi Walther Nernst de dahil olmak üzere sadece birkaç uzman, radyasyon gibi henüz çok yeni olan bir konuda araştırma yapıyordu. Langevin, bilimsel sekreteri Maurice de Broglie ile birlikte Brüksel’e gitti. Konferans raporu ertesi yıl iki adam tarafından yayınlandı.
Langevin 1912 ve 1913 yılları arasında Collège de France’da konferansta duyduğu bazı bilgilerden yararlanarak bir ders verdi. Bu kurs için, aralarında gençlerin, Paris üniversitelerinden mevcut ve eski öğrencilerin yanı sıra yakın arkadaşı ve istatistikçi Émile Borel’in de bulunduğu meslektaşlarından oluşan çok çeşitli bir katılımcı grubu topladı.
Notlardan Langevin’in hiçbir ara adımı atlamadan eksiksiz ve kapsamlı hesaplamalar yaptığı anlaşılmaktadır. Derse bir tür teorik, entelektüel ve kavramsal tutarlılık kazandırmak için Lorentz’in elektron teorisini düşüncesinin temel taşlarından biri haline getirmiştir. Langevin’in bakış açısı bazı yönlerden Planck’ın 1906 tarihli Leçons kitabındaki bakış açısıyla karşılaştırılabilir. Ancak Langevin, analizini James Clerk Maxwell’in elektromanyetik teorisine dayandıran Planck’ın aksine, Lorentz’in elektron teorisini kullanmış ve dersini yeni teorik materyaller içerecek şekilde genişletmiştir.
Sınıf, Langevin’in en son fizik araştırmalarını öğretmenin yanı sıra kendi analiz ve bulgularını yaratıp test ettiği bir tür entelektüel laboratuvar işlevi gördü.
Örneğin, elektronun radyasyon dalgalanmalarının bir sonucu olarak kazandığı Brown hareketine ilişkin bir hipotez oluşturmuştur. Matematikçi David Hilbert tarafından geliştirilen ve integral denklemler tekniğine dayanan aksiyomatik ısı radyasyonu teorisi de dersin ilk baskısında ele alınmıştır. Langevin’in bir diğer katkısı da, Hilbert’in Kirchhoff yasasının ispatına dahil ettiği geometrik optik teoremiyle sonuçlanan yeni kavramların yaratılmasıydı.
Kursu bitirdikten sonra Langevin kuantum bulmacası hakkında düşünmeye devam etti. 1913’te Fransız Fizik Derneği’nde bir konferans verdi ve süreksizlik fikrinin fiziğe nasıl yeni girdiğini vurguladı: Bunlar arasında madde, enerji ve bir sistemin olasılık durumlarının tanımlanmasındaki süreksizlikler yer almaktadır.
Süreksizliğin fizikte temel bir değişimi ve yeni, birleştirici bir fikri temsil ettiğine inanıyordu.
Kuantum mekaniği teorisinin anlaşılmasındaki en az bir ilerleme Langevin’in süreksizliğe yaptığı vurguya atfedilebilir. Birinci Dünya Savaşı’ndan sonra Collège de France’a dönen Langevin, 1918’de Louis de Broglie’nin doktora tezine rehberlik etmeye başladı. Louis, birkaç yıl önce ağabeyi Maurice ile birlikte yazdığı Solvay Konferansı raporunu incelemişti. Louis, 1924’teki tezinde elektronların hem parçacık hem de dalga davranışı sergilediğine dair artık meşhur olan fikri öne sürdü.
Kaynak: PhysicsToday
