Max Karl Ernst Ludwig Planck ( 1858-1947) Kimdir? Hayatı, Çalışma Alanları ve Eserleri Nelerdir?
Yirminci yüzyılda bilim adamlarının fizik bilim dalında yapılacak bir şey kalmadığı dediği dönemde radyoaktivite çalışmalarıyla fiziği yeniden dirilten Ernest Rutherford’un, “Fiziğin şahlandığı bir çağda yaşıyoruz.” şeklinde özetlediği dönemin öncülerinden biri Einstein ise, bir diğeri de Max Karl Ernst Ludwig Planck’tı.
Einstein, izafiyet teorisi (görecelilik kuramı) ile zaman ve yerçekimi kavramlarına yeni anlamlar kazandırırken, Planck da Kuantum Teorisi’nin temellerini atarak söz konusu şahlanışın öncülerinden oldu. Yirminci yüzyıla damgasını vuracak ‘Kuantum Teorisi’ni geliştirerek termodinamik yasaları üzerinde araştırmalar yapan, kendi adıyla anılmakta olan ‘Planck Sabiti’ni ve ‘Planck Işınım Yasası’nı ortaya çıkaran Planck’ın bu teorisi, o zamana dek kabul edilmiş olan fizik yasaları için bir devrim niteliği taşıyordu. Enerjiyi kesintisiz bir akış olarak gören klasik enerji teorisi yerine, Kuantum Teorisi’ni ortaya atan Alman fizikçisi Planck’ın deneysel araştırmalara dayanan bu çalışması, enerjinin kesik kesik ya da paket paket de olabileceğini öngörüyordu. Albert Einstein, Planck’ın bu teorisini 1905’te fotoelektrik olayını açıklarken kullandı. Danimarkalı fizikçi Niels Bohr da Kuantum Kuramı sayesinde atomdaki elektron düzenini ilk açıklayan kişi oldu.
Planck’ın Kuantum Teorisi, enerjinin sürekliliği fikrini temelden sarstı. Öyle ki; “Natura non facit saltus!” (Doğa asla sıçramaz) şeklinde Latince özdeyişin yanlış olduğu anlaşıldı ve klasik fiziğin temellerinden belki de en önemlisi çökmüş oldu.
Einstein’ın İzafiyet Teorisi’nden sonra doğa olaylarını ve olgularını mekanik modellere oturtmak yerine soyut matematiksel ilişkiler yoluyla açıklayan ikinci ve belki de daha önemli bilimsel devrim, Planck’ın ortaya attığı Kuantum Teorisi ile gerçekleşmiş oluyordu.
Max Karl Ernst Ludwig Planck, 18 Nisan 1858’de Almanya’nın Kiel şehrinde dünyaya geldi. Babası Kiel Üniversitesi’nde seçkin bir hukuk profesörü olan Planck, asker ve hukukçularla dolu ailesinin de bir parçası olduğu entelektüel bir çevrede yetişti. Orta öğrenimini Münih Max Milian Lisesi’nde tamamladı. Berlin’de Kirchoff ve Hemholtz gibi seçkin profesörlerin yanında öğrenim gördü. 1879’da Münih Üniversitesi’ni bitirdi. Münih’te 5 yıl ders verdi ve Kiel Üniversitesi’nde matematik profesörü olarak çalışmalarını sürdürdü. 1889’da Kirchoff’tan boşalan fizik kürsüsüne davet edildi ve 1928’de emekliye ayrılana kadar burada kaldı.
Oğlunu gözden çıkardı ama Nazilere boyun eğmedi
Fizik öğrenimi için üniversiteye başvurduğunda, dönemin büyük fizikçisi Hermann Helmholtz, “Fizik’te artık yapılacak fazla bir şey kalmadı; ilerlemeye açık başka bir bilim dalını seçsen daha iyi olur.” demişti. Ama fizikten vazgeçmedi ve ışıma ve paketçik çalışmalarıyla 1920 yılında Nobel Fizik Ödülü’nü kazandı. Rusya Bilimler Akademisi’nin sekreterliğine getirildi ve zamanla en çok saygı duyulan Alman fizikçilerinden biri oldu. 1930’da Başkanlığına getirildiği Berlin Kaiser Wilhelm Enstitüsü, II. Dünya Savaşı’nın ardından Max Planck Enstitüsü olarak isimlendirildi. Planck, Nazi rejimi döneminde Almanya’da kaldıysa da Hitler’in Yahudi meslektaşlarına yönelik uygulamalarına açıkça karşı çıkınca, 1937’de enstitüden zorla istifa ettirildi. Öte yandan özel hayatı, bilimde olduğu kadar parlak değildi. İlk eşini 1909’da, oğullarından birini ise Birinci Dünya Savaşı sırasında kaybetti. Yine savaş yıllarında iki kızı, torunlarını doğururlarken öldü. Yeniden evlendi ve bir oğlu oldu.
Son yıllarında Hitler rejimine karşı çıktığı için rejimin demir yumruğundan o da nasibini almakta gecikmedi. İkinci Dünya Savaşı’nda evi müttefiklerin bombardımanına hedef olunca, tüm notları ve çalışmaları yok oldu. Yedi çocuğundan tek hayatta kalanı; ikinci karısından olma oğlu Erwin, 1944’te Hitler’e suikast suçlamasıyla yakalandı. Naziler, Nazizme inanç ve bağlılık duyurusunu imzalaması karşılığında oğlunu serbest bırakmayı teklif ettiler. Ancak Alman fizikçi, tek çocuğunu kaybetme pahasına da olsa duyuruyu imzalamadı. Durumu öğrenen başka bir Alman fizikçi, Amerikalılardan Planck’ı daha güvenilir bir yer olan Göttingen’e götürmelerini istedi. Yaşamının son iki yılını burada saygın ve seçkin bir bilim adamı ve insan hakları savunucusu olarak geçiren Planck, 90’ıncı yaş gününü kutlamaya hazırlandığı sırada, 4 Ekim 1947’de, 89 yaşında hayata veda etti. Geride miras olarak fizik ile felsefeyi harmanlayarak insanoğlunun önünde yeni bir çığır açan Kuantum Fiziği’ni bırakmıştı.
Nobel Ödülü Getiren Çalışma: Kuantum Fiziği
Alman Planck’ın uzmanlık alanı ve şöhretinin kaynağı, termodinamik teori diye bilinen ısı bilimiydi. Planck, ışık radyasyonu üzerinde çalıştığı sıralarda ısıtılarak kor haline gelmiş bir metalin çıkardığı ısı ve ışık radyasyonu, birçok fizikçinin çözmeye çalıştığı bir problemdi. Klasik fizik teorilerine göre kor haline gelmiş metalin saldığı radyasyonun dalga uzunluğu, muhtemel en kısa dalgalardan ibaret olmalıydı. Yani ısınan küçük cisim bile son derece parlak bir ışık vermeliydi. Radyasyon enerjisi de süreğen bir akış olarak kabul edildiğinden, spektrumun yüksek frekans kesiminin oldukça geniş, hatta sınırsız olması gerekliydi. O dönemde çalışmalar daha çok yalnız sıcaklık faktörüne dayanan ‘siyah cisim’ denilen aydınlatma standardı olan radyasyon üzerinde toplanmıştı. Kara cisim (veya herhangi bir metal) spektrumu enerjinin farklı dalga uzunlukları arasında nasıl dağıldığını göstermekteydi.
Planck çalışmaya başladığında, bu enerji dağılımı zaten ölçülebiliyordu; ancak ölçüm sonuçları klasik teorilere göre olması gerekene uymuyordu. Sonuçlarda dalga uzunluğunun giderek kısalmasıyla, enerjinin sonsuza doğru arttığı görülüyordu. Dönemin fizikçiler de bu durumu ‘morötesi-katastrof’ diye niteliyorlardı. Ancak Planck’ın yaptığı deneylerde hiçbir maddenin, ne denli kızdırılırsa kızdırılsın, ne denli akkor haline getirilirse getirilsin, sonsuz enerji vermediği ortaya çıktı. Üstelik çıkan enerjinin büyük kısmı da orta dalga uzunluğundaydı. Deney sonuçlarına göre spektrumda çok değişik bir enerji dağılımı vardı. Bunu açıklamak için klasik teorilerden ve radyasyon enerjisinin sürekliliği varsayımından vazgeçmek gerekiyordu. Kabul edilen teoriler ile deney sonuçları arasındaki farklılık çok açıktı. Ancak o dönemde doğanın/enerjinin sürekliliği, bir hipotez ya da varsayım değil, kuşku götürmez bir gerçek gibi görülüyordu. Newton’un mekanik teorisinin yanı sıra Maxwell’in elektromanyetik teorisi de doğanın sürekliliğini temel almıştı. Planck, klasik teorilerle deneyleri arasındaki bu tutarsızlığı ve çözüm için sunduğu formülü açıkladığında, belki bunun, fiziği temelinden sarsabileceğini düşünmemiş, sunduğu çözüme de, ölçme sonuçlarını ve bu sonuçlar arasındaki ilişkiyi matematiksel olarak dile getiren masum bir formül gözüyle bakmıştı.
Planck’ın siyah cisim üzerinde yürüttüğü kuramsal çalışması ve sunduğu çözüm önerileri 1900’de yayımlandı. Sunduğu çözüm önerisini dayandırdığı temel düşünce şuydu: “Her maddenin kendine özgü radyasyon salan bir titreşim frekansı vardır. Vibratörler enerjiyi sürekli bir akıntı olarak değil, bir dizi kesik akımlarla salmaktadır.”
Planck, problemin çözümünü ararken Boltzmann’ın istatiksel yönteminden de faydalandı. Bir durumun meydana gelme ihtimalini belirleyen bu yöntem, inceleme konusu ilişkilerin sayılabilir olmasını gerektiriyordu. Bu yüzden, sayılabilir bir birim elde edebilmek için radyasyon enerjisinin bireysel bölümlerden oluştuğunun varsayılması; aynı şekilde enerjinin de birtakım kesinti veya bölümlerden ibaret olması gerekiyordu.
Mor-ötesi katastrof beklentisine düşmekten kurtulmaya çalışan Planck, enerji bölümlerini birleştirmeden bıraktı ve tam bu noktada formülünde dile getirdiği ilişkiyi belirledi. Çünkü paketler halinde olan enerji, sonsuza dek bölünemezdi. Bu da radyasyon enerjisinin sürekli veya sonsuz olmadığı anlamına geliyordu.
Planck, bu yoldan giderek Kuantum Kuramı’nın temel taşı olan basit formülüne ulaştı: (E = h.f) Formülde E enerji; f radyasyon frekansı; h ise ‘Planck değişmezi’ (Planck Sabiti) denen sayıyı (Joule-saniye) göstermektedir. Bu sabit bir sayı C.G.S. sisteminde 0.0000000000000000000000000066 veya kısaca 6.6×10-27 birim erg-saniye olarak simgelenmekteydi.
Bu formül, Planck’ın ‘kuantum’ dediği bir enerji parçacığıyla bir dalga frekansı arasındaki ilişkiyi ortaya koyuyordu. Bir enerji kuantumu, dalga frekansıyla Planck değişmezinin çarpımına eşittir. Ayrıca herhangi bir radyasyonda verilen enerji miktarı dalga frekansına bölünürse sonuç daima Planck sabitine (h) eşit çıkar. (Işık hızı gibi Planck sabiti de doğanın temel değişmezlerinden biri olarak kabul edilir).
Planck’ın bu buluşu, enerjinin sürekliliği fikrini temelden sarstı. “Natura non facit saltus/ Doğa asla sıçramaz” şeklindeki eski Latin özdeyişi yanlıştı. Çok geçmeden, Einstein’ın 1905’te ortaya koyduğu ‘Fotoelektrik etki’ diye bilinen teorisiyle ışık da kuantum teorisinin kapsamına girdi. Isı, ışık, elektromanyetizma gibi radyasyon türlerinin kuant biçiminde alınıp verildiği hipotezi böylece doğrulandı. Bohr, Schrödinger ve Heisenberg gibi bilim adamlarının da yapacağı katkılarla bugünkü kuantum mekaniğine kuramı oluşmuş oldu.
“Kuantum fiziği sizi şok etmediyse …”
Planck, büyük bir devrime öncülük yapmıştı. Tüm bu rakamlar ve garip ifadeler muhtemelen kafanızı karıştırdı değil mi? Öyle ise doğru yoldasınız; zira, ünlü bilim adamı Bohr’un da dediği gibi: “Kuantum fiziğiyle ilk kez karşılaşanlar eğer şok olmadılarsa, muhtemelen onu anlamamışlardır!”
Planck, enerjinin kuantlaşmış doğasına ilişkin bu keşfi için 1918’de Nobel ödülünü kazandı. Ödülü ise ancak bir yıl sonra alabildi. Çağımızın ünlü fizikçisi Max Born, Planck’ın bilimsel kişiliğini kısaca şöyle tarif etmişti: “Tutucu bir kafa yapısı vardı, devrim yapmaya yönelik hiçbir arzusu veya eğilimi yoktu. Spekülasyonları sevmezdi. Ancak deney sonuçlarına olan saygısı ve güveni nedeniyle, fiziği temelinden sarsan en devrimci düşünceyi de ileri sürmekten geri durmadı.”
Çevremizde ve evrende var olan maddi varlıkların içinde derinlere daha derinlere gidildikçe hangi taneciklerin var olduğunu, oralarda hangi olayların nasıl meydana geldiğini, kısacası mikro-evren dediğimiz bu evreni yöneten yasaları araştıran Kuantum Fiziği’nin fikri temellerini atan Planck, insanoğlunun ufkunda patlamalar meydana getirmişti. Bu patlamalar artarak devam etmekte. Bugün elektronların sihirli dünyasından, bilgisayar işlemcilerinin nasıl çalıştığına, beynimizde olan bitenlerden, otomobillerin fren sistemindeki balataların nasıl çalıştığına varıncaya kadar her bir şeyi inceleyen kuantum fiziği, temel olarak atom altı parçacıklarla ilgilidir ve evrendeki her şey de, atomlardan müteşekkildir. Belki de kuantum fiziği, mikroskobik seviyedeki her türlü madde davranışını; kısaca hayatın ta kendisini inceler. Bunun mimarı da Planck’tır!