Hepimiz Werner Heisenberg’in adını biliyoruz. En kötü ihtimalle, onun ortaya koyduğu ‘Belirsizlik prensibi’ni biliyoruz: Bir elektronun aynı anda hem hızını, hem de bulunduğu yeri bilemeyiz; ancak birinden birini bilebiliriz.

Fakat bu belirsizlik ilkesi aslında Heisenberg’in bize söylediği, insanlığın doğayı anlama yolunda bilgi hazinesine kattığı en önemli şey değil.

Heisenberg’in esas katkısı sadece 24 yaşındayken bulduğu kuantum mekaniği. Bugün o mekanik sayesinde ben bu yazıyı bilgisayarda yazıyorum, başka bir bilgisayar onu internete yolluyor, siz de cep telefonunuzdan okuyorsunuz.

Sadece elektroniği, onun çekirdeğinde yer alan mikroişlemcilerin var olmasını sağlamadı Heisenberg’in kuantum mekaniği; insanlığa doğayı anlama yönünde büyük bir sıçrama yaptırdı. Bugün hala onun yaptırdığı sıçramanın içinde yaşıyoruz; henüz ileriye doğru bir sıçrama daha yapmış değiliz.

Tam da bu yüzden bundan 100-120 yıl önce yaşanan devrimi anlamak için üst üste kitaplar okuyup duruyorum, kaç haftadır da burada yazıyorum.

Geçen hafta fizikçilerin doğanın kesintili olduğunu keşfetmesinin hikayesini anlattım. ‘Doğa boşluk sevmez’ lafı boş bir laftı, tam tersine doğa boşlukları olan bir şeydi. Atomun içine baktığınızda, atomun çeperindeki elektron ile çekirdeği arasında ciddi bir boşluk vardı.

Kaldı ki o elektron da hayal etmenin hayli kolay olduğu gibi çekirdeğin etrafında çeşitli yörüngelerde sürekli dönen bir şey değildi zaten. Elektronun içinde çok sayıda sır gizliydi. Örneğin elektron bir enerji seviyesinden diğerine anında yükseliyordu, enerjisi öyle parça parça artmıyordu, burada bu seviyedeyken onu bir an sonra başka bir yerde başka bir seviyede görüyorduk.

Tabii bu ‘Görüyorduk’ lafın gelişi; bundan 100 yıl öncenin teknolojisi elektronları ‘görmemize’ imkan tanımıyordu.

Sir Isaac Newton ‘klasik’ fiziği kurarken bir matematik ve bu fiziğin işleyiş kurallarını anlatıp izah eden, o fizik içinde hesaplama yapmamıza olanak sağlayan bir ‘mekanik’ de kurmuştu. Çeşitli denklemlerden oluşan bu ‘mekanik’e bugün ‘Newton Kanunları’ adını veriyoruz.

Gezegenlerin ve büyük kütlelerin hareketlerini kütle çekim kuvvetiyle birlikte izah eden bu kanunlar bugün hala büyük ölçüde geçerliğini koruyor.

Peki acaba benzer bir ‘mekanik’i kuantum dünyası için de yapabilir miydik? Yani atomun içinde olup bitenleri Newton Kanunları gibi kanunlaştırabilir miydik?

İşte bu büyük sorunun cevabını bize 1901 yılında doğmuş bir adam verdi henüz 24 yaşındayken. O adamın adı Werner Heisenberg’di.

Tam 100 yıl önce bugünlerde o genç adam bu ‘kuantum mekaniği’ni bulmak için resmen doğum sancıları çekiyordu. Neredeyse bunalıma girmişti, bu bunalım onda fiziki ağrazlara sebep olmuştu.

Kendine gelmek için Almanya’nın Kuzey Denizi’ndeki bir adasına, Helgoland’e gitti. Amacı kafa dinlemek, çok sevdiği uzun doğa yürüyüşleri yapmak, dağlara tırmanmaktı. Ama tabii adaya beynini de getirmişti ve beyni onu tırmalayan kuantum mekaniği probleminden ayrılamıyordu. Bir gün ilham geldi, oturup bu mekaniği kurmaya başladı (Bu konuda enfes bir kitap okumak isterseniz, büyük bir fizikçi olduğu kadar büyük bir yazar da olan Carlo Rovelli’nin Helgoland kitabını tavsiye ederim, yazar kuantum mekaniğinin temellerini çok güzel anlatıyor. Bu linkte yazarın kitabı hakkında katıldığı bir podcast var, onu da dinlemek isteyebilirsiniz).

Heisenberg sadece fizik konusunda değil matematik konusunda da dahi seviyesindeydi ama yine de, kuantum mekaniğini kurarken kendi kendine ‘icat ettiği’ matematik alanında pek de iyi değildi. Ne bulduğunu biliyordu, ama nasıl bulduğunu anlatmakta güçlük çekiyordu.

Kısa süre sonra anlaşıldı: Aslında yeni bir matematik icat etmemişti, bugün bilgisayar bilimiyle uğraşan herkesin yakından aşina olmak zorunda olduğu ‘lineer cebir’i bulmuştu kendi kendine. Lineer cebir veya ‘matrix matematiği.’

Klasik Newton mekaniğinde, diyelim bir gezegenin hızını (momentum) ve konumunu tam olarak biliyorsanız, bir sonraki, hatta 100 yıl sonraki konumunu da hesaplayabilirsiniz. Newton bu mekaniği kurmak için yeni bir matematik dalı icat etmişti, ona bugün ‘kalkülüs’ diyoruz, hareket halindeki cisimlerin matematiğini bu sayede yapabiliyoruz (Uçağınız saat kaçta inecek, Newton sayesinde hesaplıyoruz. Veya telefonda açtığınız seyrüsefer uygulaması sizin tahmini varış zamanınızı böyle hesaplıyor).

Acaba aynı şey elektron için de yapılabilir miydi? Hayır, yapılamadığını biliyoruz. Peki, yapabilmek için ne gerekiyordu? İşte Heisenberg bu hesabın peşindeydi, az önce anlattım.

Bir sürü çok önemli detayı bu yazıyı okunmayacak hale gelecek kadar uzatmamak için atlıyorum maalesef, sonuç olarak Heisenberg’in matriksleri bize atomun içindeki elektronların olası yeri ve momentumu hakkında bir dizi olasılık verir.

Matriks matematiğine alışık olmama, alışıklığı bırakın aşina olmama konusunda Heisenberg yalnız değildi; çoğu fizikçi onunla aynı durumdaydı. Tam o sırada bir başka dahi fizikçi, Avusturyalı Erwin Schrödinger ortaya başka bir ‘kuantum mekaniği’ ile çıktı.

Onun mekaniği fizikçiler için fazlasıyla tanıdıktı; Schrödinger fizikte en azından Maxvell’den beri kullanılan dalga alan fonksiyonu matematiğini kullanarak bir denklem yazmıştı.

Burada önemli olan şu: Heisenberg denklemlerini elektronların temelde bir parçacık olduğu varsayımı üstüne oluşturmuştu. Schrödinger ise elektronların dalga olduğu varsayımıyla yazmıştı denklemini.

Elbette elektronun aynı anda hem dalga hem parçacık gibi davrandığını her ikisi de iliyordu, bu zaten çözülmeyi bekleyen bir büyük meseleydi.

Esas şaşırtıcı olan, ister Heisenberg’in matrikslerini kullanın ister Schrödinger’in alan denklemlerini, sonucun aynı olmasıydı. Yani birbirinden neredeyse taban tabana farklı iki ayrı matematik aynı sonucu veriyordu.

Fizikçiler, kullanması daha kolay olanı, Schrödinger’in alan denklemlerini tercih etti. Bugün bile elektronların davranışlarını tahmin için bu denklemleri kullanıyoruz. Denklem gayet iyi çalıştığı için de bugünkü modern hayata ve teknolojilere sahibiz.

Heisenberg 1932 yılına ait Nobel ödülünü kuantum mekaniğini kurduğu için aldı. Ama 1933 Nobel’i de Schrödinger’e verildi, sebep aynıydı.

Heisenberg zaman zaman aynı sonucu verdiğini ve kullanmanın daha kolay olduğunu itiraf etse bile hiçbir zaman Schrödinger’in yaklaşımını benimsemedi. Schrödinger kendi alan denklemlerinin insanın elektronu gözünün önünde daha kolay canlandırmasını sağladığını söylüyordu. Oysa Heisenberg’e göre bütün dünyayı yanlış bir bakış açısına götüren kapı da tam burada açılıyordu: Elektronları sanki sıradan gündelik objeler gibi gözümüzde canlandırmaya hiç kalkışmamalıydık, bu zaten imkansızdı, ayrıca bizi tamamen yanlış yollara götürecekti.

Heisenberg’e göre elektron, dalga gibi davranabilen bir parçacıktı; parçacık gibi davranabilen dalga değil. Önemli olan parçacığın kesintili davranışıydı. Musluktan akan su kesintisiz akış izlenimi verebilir ama yakından baktığınızda gerçek farklıdır, akan su kesintisiz değildir, boşluklu boşluklu ‘akar’ musluktan.

Elektronun bu kesintili hali de onu öncelikle parçacık yapar Heisenberg’e göre ve bunu gözde canlandırmaya çalışmak nafile çabadır.

Bakın, unutmayın 100 yıl önceden, 1925 yılında yapılmış bir tartışmadan söz ediyoruz burada. Tartışma o kadar önemli ve o kadar hepimizin hayatını ilgilendiriyor ki, aslında bugün de aynı şeyi konuşmaya devam ediyoruz, henüz meseleyi çözmekten, tartışmayı kesin sonuca bağlamaktan da uzağız.

Bu yazı mecburiyetten çok uzadı, gelin haftaya geride kalan 100 yılı belirleyen ve muhtemelen geleceği de belirleyecek olan bu çok müthiş tartışmayı anlatmaya devam edeyim.

Çünkü bütün bu tartışmaların ortasında fizik biliminin iki dev ismi, Albert Einstein ve Niels Bohr da var.