Erwin Schrödinger ile 1933 Nobel Fizik Ödülü’nü paylaşan İngiliz teorik fizikçi Paul Dirac, kuantum fiziğinin gelişimindeki kilit oyunculardan biriydi. Ancak bu çekingen ama parlak zekâ 1927 yılına kadar “güzel matematik” arayışına girmemişti ve bunu yaparken de en büyük katkılarından biri haline gelecek olan Dirac denklemini yarattı.
Yazar Marcus Chown, “Bilmeniz Gereken Tek Şey” adlı kitabının antimadde bölümünden yaptığı bu alıntıda Dirac’ın alışılmışın dışındaki taktiklerinin ve tavırlarının, etrafımızdaki dünyayı şekillendiren temel fiziği anlamamıza nasıl yardımcı olduğunu anlatıyor.
Doğa, temel yapı taşlarının sayısının ikiyle çarpılmış haliyle karşımızda durmaktadır. Şaşırtıcı bir şekilde, her atom altı parçacık için, elektrik yükü gibi zıt niteliklere sahip bir “antiparçacık” vardır. 1927’den önce hiç kimse böyle bir “antimadde” gezegeninin varlığından şüphelenmiyordu. Ancak aynı yıl, İngiliz bilim adamı Paul Dirac, neredeyse ışık hızında hareket eden bir elektron için yazdığı denklemde garip bir şey gözlemledi.
Dirac, atomların ve bileşenlerinin mikroskop altı ölçekte tanımlanma biçiminde devrim yaratan kuantum teorisinin öncülerindendi. Atomların ve benzerlerinin, 20. yüzyılın ilk çeyreğinde deneylerde keşfedilen hem sınırlı parçacıklar hem de yayılan dalgalar olarak davranma yeteneği, teori tarafından uzlaştırıldı. Uzayda yayılan kuantum olasılık dalgalarını temsil eden Schrödinger denklemi, 1926 yılında Erwin Schrödinger tarafından geliştirildi.
Schrödinger denkleminin bir kusuru da yirminci yüzyılın diğer fizik devrimini göz ardı etmesidir. Einstein 1905 tarihli özel görelilik teorisinde, kütle içeren bir nesne ışık hızına yaklaştıkça uzay ve zamanda olağandışı şeyler meydana geldiğini göstermiştir.
Schrödinger denklemi, çekirdekteki sadece birkaç protonun elektrik kuvvetinin ışık hızından çok daha yavaş bir yörüngede dönmesine neden olduğu küçük bir atomdaki elektronu tanımlarken mükemmel bir şekilde işlemektedir. Ancak denklem, çekirdekte çok sayıda protonun bulunduğu ve kozmik hız sınırına çok yakın hızlarda döndükleri daha ağır atomlardaki elektronları tanımlamakta başarısız olur. Dirac, özel görelilik kuramıyla uyumlu bir görelilik denklemi bulmak için yola çıktı, çünkü böyle bir denkleme ihtiyaç vardı.
Dirac, bugün kesinlikle otistik spektrum bozukluğu olarak etiketlenecek tuhaf bir adamdı. Bütün hafta çok çalıştıktan sonra Cambridge yakınlarındaki kırsalda uzun yürüyüşlere çıkma ve ceketini giyip kravatını takarak yüksek ağaçlara tırmanma eğilimi vardı. Uzun boylu, çetrefilli ve bir sopa böceğine benziyordu. Fiziğin Mr. Spock’ı gibiydi, kalın kafalılık derecesinde gerçekçiydi. Derslerinden birinde bir öğrenci elini kaldırıp “Profesör Dirac, tahtadaki denklemi anlamıyorum” demişti. “Bu bir yorum, soru değil” diye cevap verdi ve devam etti.
Dirac’ın fizik felsefesi de en az kişiliği kadar tuhaftı. Dirac, matematiksel bir denklemde yakalamaya çalışmadan önce tanımlamayı amaçladıkları olayların sıradan benzerlerini bulmaya çalışan diğer fizikçilerin aksine, sadece bir kalem ve kağıtla oturup bir denklemin şekli konusunda eğitimli bir tahminde bulunma cesaretine sahipti. Dirac, denklemlerle oynamaya ve fiziksel bir önemi bile olmayabilecek zarif matematiksel ilişkiler aramaya yönelik tuhaf bir eğilimi olduğunu itiraf etti. “Bazen öyle olurlar” şeklinde açıklamalar da bulunurdu.
John’s College’daki seyrek döşenmiş lojmanında “güzel matematik” ararken, Kasım 1927’nin sonlarında Dirac denklemini adeta yoktan var etti.
Şu anda Londra’daki Westminster Abbey’nin altındaki kaldırım taşlarına yazılmış iki denklemden biri. Diğeri ise Stephen Hawking’in bir kara deliğin sıcaklığına ilişkin formülüdür. Amerikalı fizikçi Frank Wilczek’e göre, “Tüm fizik denklemleri arasında Dirac denklemi belki de en büyülü olanıdır”. En tuhaf ve şaşırtıcı sonuçlara sahip olan, deneylerden en az etkilenen ve en özgürce icat edilen denklemdir.
Dirac, rölativistik bir elektronun enerjisi gibi özelliklerini ifade etmek için tek bir sayı kullanamadığı için matris olarak bilinen ikiye iki bir sayı tablosu kullanmak zorunda kalmıştır.
Bu “ikilik” kafa karıştırıcı bir elektron özelliğine açıklık getirdi. Çalışmalar, parçacığın ya saat yönünde ya da saat yönünün tersine dönüyor gibi göründüğünü göstermişti. Einstein bir elektronun ışıktan daha hızlı dönmesinin imkânsız olduğuna inansa da, eğer böyle bir şey varsa, ancak o zaman davranışını anlayabilirdi. Bilim insanları elektronun “dönüşünün” yepyeni bir olgu olduğu sonucuna varmak zorunda kaldılar. Bu, kuantum evreninin temel bir özelliğiydi ve dış dünyada bir karşılığı yoktu. Ve işte oradaydı, Dirac fark etti, not ettiği formülden aniden ortaya çıkıyordu.
Dirac, “Denklemim bir elektron için gereken özellikleri tam olarak veriyordu” dedi. “Bu benim için gerçekten beklenmedik bir bonus oldu, tamamen beklenmedik.” Dirac’ın elektronun spinine ilişkin açıklaması Amerikalı bilim adamı Van Vleck tarafından “bir sihirbazın ipek şapkadan tavşan çıkarmasına” benzetilmişti.
Spin fenomeni tuhaf bir şeydi. Ancak Dirac’ın denkleminin ortaya çıkardığı daha garip bir unsur daha vardı. Dirac denklemi yazdığında denklemin mekanizmasının beklenmedik bir kopyasını keşfetti. Denklem hem elektronla aynı kütleye sahip pozitif yüklü bir parçacığı hem de negatif yüklü bir elektronu tanımlıyor gibi görünüyordu.
O zamanlar sadece üç atom altı parçacık biliniyordu: foton, bir ışık parçacığı ve atomun çekirdeği etrafında dönen elektron. Bir başkasına ihtiyaç yokmuş gibi görünüyordu. Heisenberg ve Pauli gibi dönemin en büyük bilim insanları bile Dirac denkleminin yanlış olduğuna inanıyordu. Ancak, Cambridge’den 8.000 kilometre uzakta yapılan bir deneyin daha sonra göstereceği gibi, Dirac haklıydı ve onlar yanılmıştı.
Amerikalı fizikçi Anderson 1932 yılında California Teknoloji Enstitüsü’nde çalışıyordu ve yüksek enerjili uzay parçacıkları olan kozmik ışınlar üzerinde çalışıyordu. Atmosferdeki atomlara çarpacaklarını ve bunun sonucunda elektronlarını serbest bırakacaklarını tahmin ediyordu. Bu tür salınan elektronların enerjisini ölçebilirse, kozmik ışınların enerjisini tahmin edebileceğini düşündü. Elektronlar yüksek enerjiye sahipse ve hızlı hareket ediyorsa, manyetik alan bölgesinde çok az zaman geçireceklerini ve düşük enerjiye sahip olup orada daha fazla zaman geçirdiklerinden daha az sert bir şekilde büküleceklerini hesapladı. Bunu başarmak için çok güçlü bir manyetik alan kullanarak elektronları büktü.
Anderson elektronları görünür kılmak için bir “bulut odası” kullandı. Aletin içinde elektron izleriyle birlikte oluşan küçük su damlacığı izlerinin fotoğraflarını çekebildi. Anderson, 2 Ağustos 1932’de bir fotoğraf plakasını işlerken manyetik alan tarafından bir elektrondan zıt yönde bükülen bir elektron kütlesinde bir parçacık keşfedince şok oldu. Dirac’ın öngörüsünden habersizdi. Yine de Dirac’ın “pozitron” adını verdiği pozitif yüklü elektronunu hemen keşfetmişti.
Kaynak: livescience
