Skip to content Skip to navigation

Bir Kuantum Mekaniği Bilmecesi: Spin

Özgün Mustafa Özşimşek
13/07/2016 - 16:18

Kısaca tarihsel sürecine bakılırsa, spin olgusunun kendisini ilk olarak 1896 yılında (Anormal) Zeeman olayında gösterdiği ve ardından 1922 yılında Stern-Gerlach deneyinde fiziğin açıklanmaya muhtaç, temel problemlerinden biri haline geldiği görülür. Açıklama ise 1925 yılında, sonraları Pauli’nin spin adını verdiği kavramı fiziğe sokan Uhlenbeck ve Goudsmit’ten gelmiştir.

Klasik fizik çerçevesinde, herhangi bir geometrik cisim kendi ekseni etrafında döndürüldüğünde, bu cismin spini olduğu söylenir. Spine sahip cisimler eğer yüklülerse, mıknatıs davranışı gösterirler. Yani manyetik alana tepki verirler. En bilindik mıknatıs hiç kuşkusuz bir pusula iğnesidir. Pusula iğnesi Dünya'nın manyetik alanının etkisiyle sapar. Eğer çevresinde fazladan başka bir alan mevcutsa bu alandan da etkilenir.

Klasik fizikte durum böyle; sağduyuyla barışık ve günlük yaşamdan tanıdık. Ancak boyutlar küçülüp kuantum mekaniği devreye girdiği zaman işler değişiyor. Örneğin en iyi bilinen ve keşfedilen ilk parçacık olan elektronu ele alalım. Bu yüklü parçacık kendi ekseni etrafında dönerse ne olur? Yazının giriş kısmındaki bilgilerimiz ve tecrübelerimiz doğrultusunda aynı sonuçları bekleyebiliriz. Fakat durum çok farklıdır.

Elektron yüklüdür ve atomun yörüngelerinde mıknatıs özelliği de gösterdiği bilinir. Ancak bu özelliği gösterebilmesi için, Einstein’ın özel görelilik kuramını ihlal edecek şekilde, kendi ekseni etrafında ışık hızından hızlı dönmelidir! Ayrıca noktasal bir parçacık olduğundan (geometrik bir şekli bulunmadığından) klasik olarak dönme kavramı bu parçacık için geçerli değildir.

Bir cisim döndüğü zaman, açısal momentum denilen ve “dönme miktarının ölçüsü” olarak tanımlanan niceliğe sahip olur. Klasik fizikte bu herhangi bir değer alabilirken, kuantum fiziğinde sadece belli miktarlarda (kuantlarda) değerler alabilir. Bu noktada da klasik fizikle kuantum fiziğinin ayrıldığını görmek mümkün.

İşte Uhlenbeck ve Goudsmit bu noktada devreye girerek elektronun kuantumlanmış iç açısal momentum (spin) taşıdığı fikrini öne sürdüler ve yapılan deneyleri bu sayede açıkladılar. Bir elektronun dönmeden açısal momentum özelliği göstermesi(!) yani bir anlamda dönüyor olması çelişkili gözükse de model çalışır ve kafaları da bir hayli kurcalar. Spinin ciddi bir şekilde devreye girdiği bir başka nokta da göreli denklemlerdir. Kuantum mekaniğini göreli enerji-momentum bağıntısını sağlayacak şekilde genişletirsek (Dirac denklemi) karşımıza yine spin kavramı çıkıyor ve bu sefer de başka bir olayın sonucuymuş gibi görünüyor. O zaman şu soruyu soralım: Spin hangi etkinin sonucu ortaya çıkıyor? İki model de deneylerle doğrulanabiliyor, ancak iki sonucu birden içerecek bir açıklama bulunamıyor.

Tıbbi görüntülemede sıkça kullanılan tomografinin altında yatan fizik spine dayanıyor. Ayrıca yapı analizlerinde de sıkça başvurulan bir yöntem. Daha da fazlası kuantum bilgisayarlar teknolojisinin de spin kavramı üzerine inşa edilmesi durumu söz konusu. Bir adım ötesindeyse kütleçekiminin kuantum kuramı için ipuçları sunuyor.

Tam olarak sırrını çözemesek de spinden sıkça yararlanıyoruz. Bu kapsamda ünlü bilim felsefecisi Popper’i hatırlamakta fayda var. Popper bilimsel bilginin üretilmesi sürecinde üç dünya kavramından bahseder: Birinci dünya fiziksel nesnelerden ve olaylardan oluşur (mesela spin). İkinci dünya, bunu algılama biçimimizdir (açısal momentum vs.). Üçüncü dünya ise bu kavrayışımızın sonucu olarak ortaya çıkan nesnel eleştiriye, belki de daha doğru bir ifadeyle yanlışlamaya açık bilimsel kuramlardır.

Spinin doğasını hâlâ tam olarak bilmiyoruz, ancak Popper’in bilgi üretme sürecine paralel bir gelişimle bizi getirdiği yerde, nefes kesici teknolojilerin ve keşiflerin eşiğinde olduğumuzu söylemek mümkün.

İlgili İçerikler

Fizik

Bir katıyı başka bir katının üzerinde kaydırmak kolay değildir. Çok yüksek sürtünme kuvvetiyle baş etmeniz gerekir. Bu durumun bir istisnası ise buzdur. Buz o kadar kaygandır ki buz patencileri neredeyse hiçbir dirençle karşılaşmadan buzun üzerinde kayabilirler.

Fizik

Suyu yukarı yönde taşıyabilen aletlerin geliştirilmesine yönelik çalışmalar James Watt'ın buhar motorunun keşfine öncülük etti.

Fizik

Suyun kaç derecede kaynadığını biliyor musunuz? Muhtemelen cevabınız 100°C olacaktır. Çünkü suyun deniz seviyesindeki kaynama noktası 100°C’dir. Peki, suyu daha düşük ya da yüksek sıcaklıklarda kaynatmak mümkün olabilir mi?

Fizik

Bilim Genç Fotoğraflar köşesinde ekim ayında objektiflerinizi çevrenizdeki müze ve bilim merkezlerine odaklamanızı istemiştik. Bu süreçte #MüzelerveBilimMerkezleri etiketiyle Bilim Genç’te paylaştığınız fotoğraflar Bilim Genç ekibi tarafından değerlendirildi. 

Fizik

Bir grup araştırmacı yeni bir mikromotor geliştirdi. Ultrason dalgalarıyla harekete geçirilen ve manyetizma etkisiyle idare edilen motor, zarar vermeden canlı hücreleri bir yerden başka bir yere taşıyabiliyor.

Fizik

Gaz termometrelerinde ise sıcaklığı ölçülecek malzeme, içerisinde gaz bulunan bir hazneye temas ettirilir ve gazın genleşmesinden ya da büzüşmesinden yararlanılarak sıcaklık ölçümü yapılır.  Bu etkinliğimizde maliyeti uygun malzemeler kullanarak bir hava termometresi düzeneği tasarlayacağız.

Fizik

Montreal Üniversitesindeki Ötegezegen Araştırmaları Enstitüsünden bilim insanları üç yıl önce keşfettikleri, Dünya’ya yaklaşık 111 ışık yılı mesafedeki K2-18 sistemindeki bir gezegenin atmosferinde su buharı tespit etti.

Fizik

Boğaziçi Üniversitesi Elektroteknoloji Kulübü ve IEEE Öğrenci kolu tarafından düzenlenen Boğaziçi Enerji Zirvesi’nin beşincisi 16 Kasım’da Boğaziçi Üniversitesi Albert Long Hall Kültür Merkezi’nde gerçekleştiriliyor.

Fizik

Çoğu zaman farkında olmasak da dalga ve dalga hareketinin yaşamın ve hayatımızın her alanında etkisi var. Bazen hayatımızı kolaylaştıran dalgaların bazı zaman da yıkıcı etkileri ile karşılaşıyoruz. Peki, dalgalar olmasaydı hayatımız nasıl olurdu?

Fizik

Nobel Fizik Ödülü’nün 2019 yılı sahipleri Princeton Üniversitesinden James Peebles, Cenova Üniversitesinden Michel Mayor ve Cambridge Üniversitesinden Didier Queloz oldu.