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

Bilim Genç olarak ODTÜ Saçılmalı Demet Hattı ve İVME-R’de yürütülen çalışmalarla ilgili ODTÜ Fizik Bölümü Öğretim Üyesi ve İVME-R Müdürü Prof. Dr. Bilge Demirköz ile bir söyleşi gerçekleştirdik.

Fizik

Bundan yüzyıllar önce Dünya’nın kendi etrafında dönüp dönmediği, ayrıca Dünya’nın mı Güneş’in etrafında yoksa Güneş’in mi Dünya’nın etrafında dolandığı bilim insanları arasındaki en hararetli tartışma konularından biriydi. 

Fizik

Rice Üniversitesinde Prof. Dr. James M. Tour önderliğinde çalışmalar yapan bir grup araştırmacı, karbon içeren atıklardan grafen üretmeye imkân veren bir yöntem geliştirdi. Araştırma ile ilgili makale Nature’da yayımlandı.

Fizik

Gençleri bilim insanlarıyla bir masa etrafında buluşturan TÜBİTAK Bilim Genç Kafe 11 Şubat Uluslararası Bilimde Kadınlar ve Kız Çocukları Günü’nde Ankara, İstanbul ve Samsun’da düzenleniyor. Etkinliğin Ankara’daki konuğu 2019 yılı TÜBİTAK Teşvik Ödülü’nü kazanan Dr. Öğr. Üyesi Emine Ülkü Sarıtaş.

Fizik

Tasarla ve Yap köşesinin bu etkinliğinde maliyeti uygun malzemeler ile cisimlerin nasıl elektriklendiğini gösteren bir düzenek tasarlıyoruz.

Fizik

Işık nasıl yayılır? Dalgalar gibi mi yoksa madde parçacıkları gibi mi? Bu soru bir zamanlar bilim dünyasını ikiye bölmüştü. Deneyler köşesinin yeni etkinliğinde ışığın yapısını çift yarık deneyi ile inceliyoruz.

Fizik

Günümüzde güneş gözesi üretmek için yaygın olarak silisyum kullanılıyor. Ancak bu güneş gözeleri hem pahalıya mal oluyor hem de üretim süreçleri çok zahmetli. Yüksek verim elde etmek için silisyum atomlarının çok düzenli bir yapı oluşturması ve bu yapının içine toz ya da başka yabancı maddelerin karışmaması için üretimin tozsuz odalarda yapılması gerekiyor.

Fizik

İster dinleyelim, ister mırıldanalım, ister bir müzik aleti ya da herhangi bir nesne ile müzik yapalım, ister dans ederek eşlik edelim; müzik hayatımızda önemli bir yere sahip. Biz de ocak ayında objektiflerinizi müziğin hayatınızdaki yerine odaklamanızı istiyoruz. Fotoğraflarınızı Bilim Genç’te paylaşırken açıklama bölümüne #HayatımdakiMüzik etiketini eklemeyi unutmayın.

Fizik

Geride bıraktığımız yılda bilim ve teknoloji alanında birçok gelişmeye şahit olduk. 2019 yılında gerçekleşen önemli bilimsel ve teknolojik gelişmeleri sizin için derledik.

Fizik

Dünya’nın kendisi de bir mıknatıstır. Dünya’nın manyetik kuzey ve güney kutupları coğrafi kuzey ve güney kutuplarının yakınında bulunur ve yavaş da olsa hareket eder. Bu etkinliğimizde maliyeti uygun malzemeler kullanarak mıknatısın çevresinde oluşan manyetik alanı gözlemleyeceğiz.