Kuantum mekaniğinin kurucularından İngiliz teorik fizikçisi Paul Adrien Maurice Dirac, 1902'de Bristol'de doğdu. 20 Ekim 1984'de Amerika'da, emekliliğini geçirdiği Florida'da yaşamaya devam etti. Matematiğe olan yeteneğini çok erken yaşta belli eden Dirac, önce Bristol Üniversite'sinde elektrik mühendisliği eğitimi gördü. Bu dönemde öğrendiği yaklaşıklık yöntemlerinden ileriki çalışmalarında önemli ölçüde yararlanmıştır. Dirac, problem çözerken sezgisel yaklaşıma öncelik veren fizikçilerdendi. Ona göre, fazlasıyla karmaşık olan gerçek doğaya ilişkin olgular, kısa ve kesin matematik kurallarıyla tam açıklanmış olamazlardı; bir fizikçi, fikirlerini ancak gerçekliğin yaklaşık bilgileriyle geliştirebilirdi.

1921'de üniversiteyi bitiren Dirac, teorik fizik çalışmalarına başlamadan önce iki yıl daha matematik okudu. Daha sonra teorik fizik çalışmak üzere Cambridge'de St. John's College'a girdi. Dirac'ın fiziğe ilk temel katkısı, 1926'da yazdığı bir makalede, kuantum mekaniğinin soyut bir matematik formülasyonunu vermesiyle olmuştur. Almanya'da Max Born, Pascual Jordan ve Werner Heisenberg, Dirac'tan hemen biraz önce matris mekaniğini geliştirmiş bulunuyorlardı. Bunlardan bağımsız olarak, İsviçre'de Erwin Schrödinger, kuantum kurallarının dalga mekaniğini keşfetmişti. Dirac'ın kuantum mekaniği, bu iki yaklaşımı da içeren, çok daha kapsayıcı ve mantıksal açıdan daha basitti. Kuantum mekaniğinin keşfi nedeniyle 1932 Nobel Fizik Ödülü Heisenberg'e verilirken 1933 ödülünü Dirac ve Schrödinger paylaştılar. Dirac; ödülden bir yıl önce, mezun olduğu ve ders verdiği Cambridge Üniversitesi'nde, geçmişte Isaac Newton'un bugün Steven Hawking'in işgal ettikleri Lucas kürsüsü Matematik Profesörlüğü'ne atanmış bulunuyordu.

Dirac'ın kuantum fiziğine ikinci temel katkısı, 1928'de özel rölativite teorisini kuantum mekaniğine uyuşturması olmuştur. Dirac, ışık hızına yakın hızlarda hareket eden bir elektronun ancak birbirine bağlı dört diferansiyel denklemi sağlayan dört dalga fonksiyonuyla tanımlanabileceğini gösterdi. Dirac'ın tek bir matris denklemine eşdeğer rölativistik dalga denklemleri, kuantum teorisinde bir çığır açmıştır.

Dirac denkleminin doğal öngörülerinden birisi, elektronların spin açısal momentumu taşıdıklarını göstermesidir. Elektronun spin taşıdığı daha önceden deneylerle kanıtlanmıştı, ancak spinin gözlenen nitelikleri kuantum mekaniğinde dağol bir açıklamaya kavuşturulamamıştı. Ancak Dirac denkleminin esas hayranlık uyandıran yönü doğada anti-parçacıkların varlığını öngörmesidir. Dirac denklemi, bağlı elektronların eksi enerji düzeylerinin kaçınılmaz varlığını gerektirir. İlk bakışta bunun fiziksel gerçekliğe uymayacağı açıktır. Dirac, daha sonraki makalelerinin birinde tümü dolu eksi enerji düzeylerinden bir elektronun çıkarılması halinde, geriye kalan kısmın ortamda kısa ömürlü artı elektrik yüklü bir parçacık gibi davranacağını buldu. Dirac'ın bu öngörüsü, 1932'de Carl Anderson'un çektiği sis odası resimlerinde; kütlesi elektronunkine eşit, elektrik yükü ters işaretli pozitron adı verilen elementer parçacığın kozmik ışınlarda varlığının kanıtlanmasıyla doğrulandı. Çok daha sonra 1955'de anti-proton da bulundu. Böylece anti parçacıkların varlığını öngören Dirac denklemi tam bir başarıya ulaştı. Dirac'ın yaratıcı zekası bunlarla yetinmedi. Çekirdek-altı parçacıkların yaratılmasını ve yok olmasını açıklayan kuantumlu elektrodinamik alan teorisinin inşaasında ilk adımları attı. Bir diğer çalışmasında Maxwell teorisini manyetik monopolları kapsayacak biçimde genelleştirdi. Öte yandan, özdeş elektron sistemlerinin sağladığı Fermi-Dirac istatistiğini kurdu. Bütün bu çığır açan keşiflerin sahibi Dirac, daha 1932'de teorik fiziğe ilişkin görüşlerini açıklarken "doğanın temel yasaları, olguların altında yatan ama insan zihninin hiçbir zaman tam olarak algılayamayacağı bir tezi denetler" demekteydi. Dirac, bu görüşüne sadık kalarak hiçbir çalışmasında, matematik simgelerle tanımladığı olguların görüntüsel modelini ya da felsefi yorumunu vermeye yanaşmamıştır.

Bilim ve Teknik Eylül, 94

Kuantum kuramına göre, uyarılmış durumdaki bir atomen düşük enerjili duruma ne zaman olacağı tahmin edilemeyen bir anda dışarıya bir foton atarak geçer. "Dışarıya atılan foton o andan önce neredeydi?" sorusunun yanıtıysa "hiçbir yer"dir. Foton geçiş anında yaratılır.

Yine önceden bilinemeyen bir anda radyoaktif bir çekirdek beta bozunumuna uğrar; yani birbaşka çekirdek, bir elektron ve bir nötrinoya bozunur. "Bu andan önce elektron ve nötrino neredeydiler?" sorusunun yanıtı yine "hiçbir yer"dir. İkisi de bozunum anında yaratılır.

Bir atom bir fotonu soğurur ve uyarılmış bir duruma geçer. "Soğurmadan sonra foton nerede?" sorusunun yanıtı yine "hiçbir yer". Foton artık yok. Peki parçacıkların nasıl yaratılıp nasıl yok olduklarını açıklayan bir kuram var mı? Evet kuantum alan kuramı.. Kuantum alan kuramı fotonlar, elektronlar, pozitronlar, protonlar, nötronlar, mezonlar ve diğer her tür parçacığın yaratılışı, yok edilmesi ve saçınması ile ilgili olasılıkları hesaplamak için kullanılan bir dil, bir tekniktir.

Kuantum alan kuramının ortaya çıkmasına yol açan soru; atomların uyarılmış durumlardan dışarıya bir foton atarak en düşük enerjili duruma nasıl geçtiği ya da sıçradığıdır. Einstein bunun için 1916 yılında bir mekanizma önerdi fakat nicel bir sonuç bulmak için gerekli yöntemleri geliştiremedi. Daha sonraları bu problemi çözmek için özel görelilik kuramı ile kuantum kuramının bir araya getirilmesinin gerektiği anlaşıldı ve çabalar bu yöne yoğunlaştırıldı. Rölativistik (göreli) kuantum kuramını kurma yönünde ilk önemli adım 1926 yılında İngiliz fizikçi Paul Dirac'tan geldi. Dirac, Schrödinger denklemine benzer ve günümüzde Dirac denklemi adıyla anılan rölativistik bir denklem geliştirdi. Bu denklem negatif enerjili parçacıklar gibi bir takım anormalliklere yol açtı. Zamanla bütün bu problemlerin çözümünün farklı bir bakış açısı gerektirdiği anlaşıldı. Çözümün, alanların, örneğin Maxwell'in elektromanyetik alanının, kuantum kuramının kurulmasında yattığı ortaya çıktı. O ana kadar alanların ve parçacıkların birbirlerinden farklı ve bağımsız olgular olduklarına inanılıyordu. Kuantum alan kuramıyla birlikte, alanlarla parçacıkların aynı olgunun iki farklı görünümü olduğu kanıtlandı. Her temel parçacığı bir kuantum alanı temsil eder. Ya da başka bir değişle her temel parçacık bir kuantum alanının kuantumudur. Örneğin fotonlar elektromanyetik alanın, elektronlar bir Dirac alanının, nötrinolar bir başka Dirac alanının, gluonlar güçlü etkileşimi ileten kuantum alanının, Higgs parçacığı Higgs alanının temel kuantumudur. Ne kadar temel parçacık varsa o kadar da kuantum alanı vardır.

Kuantum alan kuramı maddenin doğasıyla ilgili birçok temel sorunun çözümünü bulmuş olmasından dolayı kendine fizikte çok önemli bir yer edindi. Kuantum alan kuramı Dirac denkleminde ortaya çıkan negatif enerjili parçacıkların aslında negatif enerjili olmadıklarını, onların pozitif enerjili antiparçacıklar olduklarını gösterdi. Neden iki temel parçacık türü (fermiyonlar ve bozonlar) olduğunu, ve bu parçacıkların özellikleriyle spinleri arasındaki ilişkiyi açıklamayı başardı. Bütün temel parçacıkların; örneğin fotonların, elektronların, pozitronların, kuarkların, gluonların ve diğerlerinin nasıl ortaya çıkıp nasıl yok olduklarını açıkladı. Özdeş parçacıkların, örneğin iki elektronun, neden özdeş olduklarını (aynı kuantum alanının kuantumları oldukları için) gösterdi.

Kuantum elektodinamiği elektrik yüklü temel parçacıkların, örneğin elektronların, etkileşmesinin kuramıdır. Etkileşimi ileten elektromanyetik alandır. Elektrozayıf etkileşimin alan kuramı elektrodinamikle zayıf etkileşimin birleştirilmiş kuramıdır. Bu birleştirilmiş kuramda etkileşimi ileten parçacıklar fotonlar ve W+, W- ve Z0 parçacıklarıdır. Güçlü etkileşimi açıklayan alan kuramı ise kuantum renk dinamiğidir. Bu kuramda temel parçacıklar kuarklar ve gluonlardır. Elektrozayıf etkileşimin kuantum alan kuramıyla kuantum renk dinamiğine birlikte standart model adı verilir.

Standart model şu ana kadar yapılmış olan temel parçacıklarla ilgili bütün deneyleri başarıyla açıklamış bulunuyor. Buna rağmen fizikçiler standart modeli yetersiz buluyorlar. Bunun nedeni bu kuramın temel parçacıkların kütlelerinin, yüklerinin ve diğer özelliklerinin neden ölçülen değerler olduğunu, neden bu değerlerin kuantize olduğunu, yani sadece belli değerler ve onların tam sayı katları olduklarını açıklayamıyor. Bir başka sorun ise kütle çekiminin kuantum kuramının hala kurulamamış olması.

Bilim ve Teknik, Ekim 2000