Newton denge topları

Kuantum fiziğini anlatmaları gerektiğinde zorlanmışlar, şimdi müfredattan kalkar, öğrenciye kolaylık olur, sınavda da sorulmaz, böylece Türkiye Yüzyılında memleket kuantum belâsından kurtulmuş olur demişler sanki. Gel gör ki farkında olunmayan, görmezden gelinen iki büyük sorun var:

1. Sıradan maddenin, katıların, sıvıların, temelde atomların yapısını kuantum mekaniği olmadan anlamak mümkün değil.
2. Çağdaş teknolojinin neredeyse tamamı kuantum fiziğine dayanıyor.

* *  *

Sayın Cumhurbaşkanı yeni müfredatla ilgili ideolojik ve siyasî gündemle yüklü bir konuşma yaptı.  Eleştirilerin sırf ideolojik olduğunu, müfredat taslağını incelemeden yapıldığını yazdı. Bu doğru değil: Eğitimle ilgili birçok kurum ve uzman, ayrıca ders konularında uzman bilim insanları yeni müfredatı dikkatle incelediler, inceliyorlar. Bu müfredatın hemen kabul edilip uygulanacağı baştan belliydi. Ayrıntılı incelemelerin amacı yanlışları göstererek iyi bir eğitim programını ortaya çıkarmak. Türkiye’nin geleceği için iyi bir eğitim öncelikle doğru bilgi vermeli, bilginin kanıtlarını ve doğru bilginin nasıl sınanabileceğini göstermeli. Bu yazıda yeni fizik ders programının ciddî eksik, yanlış ve tutarsızlıklarını ele alacağım. Günlük gazete okuyucusu özellikle ‘sözelciler’ için yazıyorum. Fiziktir diye anlaşılmaz saymayın, okuyun. Zaten eğitim sisteminin öteden beri sakatlıklarından biri bilgiyi anlaşılmaz sırlara dönüştürmek değil mi? ‘Bunu sözelciler anlamaz, şunu sayısalcılar anlamaz, testte çıkarsa şöyle yaparız’ gibi tuhaf çekmecelere; ‘Bu nedir, doğru mudur? Nereden biliyorum?’ noktasından uzak sanal dünyalara tıkılıyoruz.

* * *

Önceki yazılarda ‘Temel Felsefe ve Özel Amaçlar’ bağlamında ele aldığımız, değerler atıflı, yanlış ve cahilce, en azından ilgisiz söylem yeni müfredatta fizik ders programlarının dökümüne de giydirilmiş. Fizik dersi öğretim programı konu listesi olarak ilk bakışta eskisinden çok farklı değil. Her sınıfta aynı konuların tekrarlanması, az konuyu farklı yıllarda daha derinlemesine işlemek yerine çok sayıda konunun az ders saatiyle ayrıntılı ama yüzeysel yaklaşılması gibi iyi olmayan özellikler korunmuş. Yeni fizik müfredatında nedense akışkanlar konusu her yıl Newton hareket yasalarından önce işleniyor. Esasen Newton hareket yasalarından temellenen bu konunun neden öne çıkarılıp Newton yasalarından önce ele alındığı tartışılabilir.

Ders Programları Dökümünde en çarpıcı yanlış eski müfredatta işlenen kuantum fiziğinin dışarda bırakılması. Modern fizik adı altında klâsik fiziğin açıklayamadığı, kuantum mekaniğine yol açmış olan önemli deneyler uzun uzun anlatılıyor, ama bu deneylerden ne öğrenildiği, anlatılan konuların neden, nasıl fizikte radikal bir değişikliği, kuantum fiziğini gerektirdiğine girilmiyor. Kuantum fiziğinin ne olduğuna ve olayları nasıl açıkladığına hiç yer verilmiyor. Kuantum fiziği müfredattan çıkarılmış, hatta açıkça öğretmenlere kuantum fiziğinden bahsetmemeleri ihtarı yapılıyor. Sanki bu programı yazanlar kendi Fizik Eğitimi tahsillerinde modern fizik diye verileni bir şekilde geçmişler de kuantum dersi almışlarsa anlamamışlar; belki hocaları da anlamıyordu. Öğretmen olarak bu konuları anlatmaları gerektiğinde zorlanmışlar, şimdi müfredattan kalkar, öğrenciye kolaylık olur, sınavda da sorulmaz, böylece Türkiye Yüzyılında memleket kuantum belâsından kurtulmuş olur demişler sanki. Gel gör ki farkında olunmayan, görmezden gelinen iki büyük sorun var:

1. Sıradan maddenin, katıların, sıvıların, temelde atomların yapısını kuantum mekaniği olmadan anlamak mümkün değil.
2. Çağdaş teknolojinin neredeyse tamamı kuantum fiziğine dayanıyor. Ve son gelişmelerle kuantum bilgisayarlarıyla kuantum fiziği en temel kavramlarıyla daha da damardan yeni teknolojilerin geliştirilmesine yol açacak.

Oysa Maarif Modelinin girişindeki Ortak Metin’de “Bilim ve teknolojinin üretici ve yöneticisi olan, dijital yetkinliğe ve hayat boyu öğrenme kültürüne sahip fertler yetiştirmek hedeflenir” deniyor. Teknoloji tekrar tekrar vurgulanıyor. Lise ve üniversite eğitiminde fizik dersinin modern teknolojiye dönük olması için kuantum fiziğini anlatması lâzım. Kauntum fiziğinin lise programlarından çıkarılmasında konuyu anlamama, cehalet, korku rol oynamış olabilir. Matematikten integral konusunun çıkarılması gibi. Niye? Kuantum mekaniğinin temeli çok acayip; insanın günlük yaşantısında, sezgimizde karşılığı olmadığı için acayip, ama gayet basitçe anlatılabilir ve anlaşılabilir: Elektron, proton, nötron, atom gibi parçacıklar aynı zamanda dalga özelliklerini taşıyor. Elektronlar bir engele (meselâ duvara) geldiklerinde etrafından dolaşabiliyor, duvarda iki delik varsa ikisinden birden geçebiliyor, geçip öbür tarafta iki yeni dalga oluşturabiliyor, bu dalgalar birbirleriyle girişim yapabiliyor. Tıpkı ışık gibi, ses veya su dalgaları gibi.

*. * *

                           

İlk resimde su dolu bir kaba eşit zamanlarda girip çıkan iki çubuğun oluşturduğu su dalgaları görülüyor. Çubukların hareketi olmasa kaptaki suyun yüzeyi dümdüz yatay ve durgun olur. Tek çubuk ile dalgalar çubuktan etrafa halka halka yayılır. Bazı yerlerde dalga durgun su seviyesinden yüksek (tepe), bazı yerlerde daha alçak (çukur) olur. Eş zamanlı hareket eden iki çubuk olduğunda bazı noktalara iki kaynaktan da tepe, veya iki kaynaktan da çukur aynı anda gelir. Bu noktalarda iki dalga birbirni destekler. Öyle bazı noktalar da varki buralara bir çubuktan gelen dalga tepe yaparken öteki çubuktan gelen dalga çukur oluyor. Öyle ki bu özel noktalardasu yüksekliği hep durgun seviyede kalıyor. İkinci resimde aynı olayı iki delikten eş zamanlı geçen ışık dalgalarıyla görüyoruz. Bu deney okul kitaplarında var; okullarda kolayca yapılabilir, hele şimdi lazerle çok kolay ve ucuz; keşke bütün okullarda yapılsa. Görüldüğü gibi hep karanlık kalan ve hep parlak olan yerler var. Ses dalgaları için de ayni durum var. Bu yüzden konser salonları düzenlenir, amfi sistemleri kurlurken salonda sessiz veya çok gürltülü noktalar olmasın diye tasarıma özen gösterilir. Dalga olayı bu. Eski müfredatta da yeni müfredatta da anlatılıyor.

Üçüncü resim şimdiki 12. sınıf fizik ders kitabında bu olayın elektronlar içinde geçerli olduğunu gösteriyor. Bu kuantum fiziğinin püf noktası. Buraya kadar dalgalar anlatılacak, bu kısım kalkacak!

* * *

Elektronların ve klâsik fiziğe göre parçacık olan diğer nesnelerin bazan parçacık bazan dalga gibi davrandıklarını deneyler gösteriyor. Bu temel bir doğa yasası. Deneyler gerçekten de böyle olduğunu gösteriyor. Öte yandan klâsik fizikte dalga özelliği baskın olan ışık ve diğer elektromanyetik dalgalar bazan da ‘foton’ adı verilen parçacıklar olarak gözleniyor. Aynı şekilde ses dalgaları da bazı durumlarda ‘fonon’ adı verilen parçacık özelliği gösteriyorlar. Işığın bazan parçacık gibi davrandığının ilk direkt gösterimi olan fotoelektrik olayının tam da ışığın hem dalga hem parçacık olduğu kavramı ile açıklandığını Einstein 1905 yılında göstermişti. Nobel Ödülü’nü de aynı yıl geliştirdiği görelilik (rölativite) kuramı için değil de fotoelektrik olayını çözdüğü için kazanmıştı.  Einstein’in açıklaması bir dalga özelliği olan titreşim frekansı f ile parçacık özelliği olan enerji e arasında e = h f şeklindeki basit orantının foto-elektrik olayını açıkladığı şeklindeydi. Daha önce, 1900 yılında Max Planck siyah cisim olayı denen, klâsik fiziğin açıklayamadığı çok temel bir olayı (madde ile elektromanyetik dalgaların arasındaki denge durumunu) çözmek için öne sürmüştü. Bu basit ilişkide geçen h orantı sabiti Planck sabiti adıyla anılan temel bir doğa ölçeğidir. Einstein ve Planck açıklamaları çok farklı iki olayda dalga – parçacık ikiliğini gündeme getiriyordu. Bu temellerden başlayan kuantum fiziği 1926 yılında Schrödinger denklemi ile tam bir matematiksel ifadeye kavuştu. Kısa süre içinde atomların, moleküllerin, katı ve sıvı cisimlerin yapıları, kimya, elektronik ve malzeme bilimlerinin temelleri ilk kez bu acayip dalga-parçacık ikiliği üzerinden, ve ancak bu şekilde anlaşılabildi. O zamandan beri gelişen bütün teknoloji buna dayanıyor. Evet, acayip çünkü dalga-parçacık ikiliğini günlük hayatımızda insan ölçeklerinde göremiyoruz: Planck sabitinin âşina olduğumuz birimlerle değeri h = 6.6  10 ^-34 Joule – saniye: buna göre 66 kg ağrılığında, saniyede 1 metre hızla yürüyen bir insanın frekansı saniyede 50 milyar kere  trilyon kere trilyon titreşim, dalga boyu ise 10 metrenin trilyonda birinin trilyonda birinin trilyonda biri. Onun için dalga –parçacık ikiliğinin bizim günlük dünyamızda algılayabildiğimiz bir karşılığı yok. Doğanın bu ikili özelliği atomlar boyutunda temel bir rol oynuyor ve dolayısıyla atomlardan oluşan maddenin özelliklerini belirliyor.

* * *

Şimdi değiştirilen 2018 ders programında olduğu gibi yeni Türkiye Yüzyılı Maarif Modelinde de dalgalar konusu klâsik fizik bağlamında ışık, ses, su dalgaları gibi örnekleriyle işleniyor. Kuantum fiziğine yol açan fotoelektrik olayı ve siyah cisim işlemesi de ele alınıyor. Bunların getirdiği kuantum fiziği konusu ise 2018 programında uygun biçimde yer alırken Türkiye Yüzyılı Maarif Modelinde yok. Şunlar var:

FİZ.12.3.1. Planck sabitinin modern fiziğin doğuşundaki etkisini çözümleyebilme

1. a) Planck sabitinin modern fiziğin ortaya çıkışındaki etkisini siyah cisim ışıması olgusu

üzerinden belirler.

1. b) Planck sabiti ile fotoelektrik etkinin ilişkisini belirler.

FİZ.12.3.2. Fotoelektrik etkinin bağlı olduğu koşullar ve foton kavramına ilişkin tümevarımsal akıl yürütebilme

1. a) Fotoelektrik etkinin bağlı olduğu değişkenleri gözlemler.
2. b) Fotoelektrik etkinin matematiksel modeline ulaşır.
3. c) Fotoelektrik etki ve foton kavramı arasındaki ilişkiyi geneller.

Peki nereye varıyoruz? Teknolojik önemi dolayısıyla programa alınan ama nasıl bir şeyler oldukları ve neden bu özelliklere sahip olduğu anlaşılmayan yarı iletkenler konusuna bakalım. Yeni Lise 11. sınıf programından alıntılayayım.

FİZ.11.1.1. Yarı iletkenlerin kullanım alanları ve önemi ile ilgili sorgulama yapabilme

1. a) Yarı iletkenleri tanımlar.
2. b) Yarı iletkenler hakkında sorular sorar.
3. c) Yarı iletkenler hakkında bilgi toplar.

ç) Yarı iletkenlerle ilgili toplanan bilgilerin doğru olup olmadığını değerlendirir.

1. d) Yarı iletkenlerle ilgili toplanan bilgiler üzerinden yarı iletkenlerin kullanım alanları ve önemine yönelik çıkarım yapar.

Şimdi yarı iletkenlerin (bu arada iletken ve yalıtkanların da) temel özelliği belli enerjilerdeki elektronların bu malzemelerin içinde var olamamaları, bu elektron enerjilerinde (voltajlarda) malzemenin elektrik akımı geçirmemesidir. Bunun sebebi de elektronların dalga olmasıdır: yukarda gördüğümüz gibi dalgaların girişimi (üstüste gelmesi) yüzünden elektronlar belli özelliklerde (yerlerde, enerji değerlerinde) bulunamazlar çünkü cismin içinde farklı yollardan gelen dalgaların artıları eksileri birbirini götürür, bu şekilde sıfırlanan dalgalar ortamda var olamazlar. Dalga özelliklerini tekrar tekrar anlattıktan sonra kuvantum fiziğini çıkartırsanız olayı anlamanın elinizde eski programda bulunan anahtarını çöpe attınız demektir. Şu dile bakın: öğrenci yarı işletkenleri ‘tanımlar’ – anlamadığı şeyi nasıl tanımlayacak? ‘Değerler’ yaklaşımının bilgi ile ilgili yanılgısı bütün müfredatta ve programlarda olduğu gibi burada da karşımıza çıkıyor: bilgi tanımla olan, tanımla başlayan birşey değildir. Ve ardından öğrenci

‘ sorular sorar; … bilgi toplar; … toplanan bilgilerin doğru olup olmadığını değerlendirir; … toplanan bilgiler üzerinden yarı iletkenlerin kullanım alanları ve önemine yönelik çıkarım yapar…’ NASIL?

12. Sınıf programına bakalım, kuantum fiziği konusunda:

FİZ.12.3.5. Modern atom kuramı ile ilgili bilgileri yapılandırabilme

1. a) Atomun yapısındaki temel parçacıkları inceleyerek aralarındaki ilişkileri ortaya koyar.

1. b) Temel parçacıklarla ilgili bilgilerini kullanarak atomun yapısını ortaya koyar.

Ve ardından,

“Atomun kuantum mekaniksel özelliklerinden, Bohr atom modelinden ve matematiksel modellerden KAÇINILIR. Feza Gürsey ve Asım Orhan Barut’un atom fiziği konusunda çalışmalar yaptığı vurgulanır. Atomu oluşturan temel parçacıkların etkileşimlerini keşfederek modern atom kuramına göre atomun yapısını kimya disipliniyle de ilişki kurarak açıklar. Bu ilişkiyi ortaya koyarken yaratıcı drama, rol oynama gibi tekniklerden biri (E2.5, OB9) kullanılır. Öğrencilerden atomu oluşturan parçacıkların kuarklardan atoma kadar olan etkileşimini yapboza dönüştürerek görselleştiren bir tasarım içeren performans görevi istenir.”

Bunun neresinden tutayım: Atomun bütün özellikleri sadece kuantum mekaniğiyle, elektronların dalga özelliğiyle açıklanabilir. Bu da olayın özünü yansıtan basit bir model olan Bohr modeli ile lise öğrencilerine pekâlâ anlatılır. Bundan kaçınırsanız doğru bir şey anlatamazsınız.

Ve ayrıca Feza Gürsey ve Asım Barut atom fizikçisi değillerdi. Onların zamanında kuantum mekaniği çoktan, gelişmiş, atom fiziği anlaşılmıştı. Gürsey ve Barut temel parçacıklar, yani elektron, atom çekirdeğini de oluşturan proton ve nötronlar, onları da oluşturan veya dönüşebildikleri diğer parçacıklar yani temel parçacıklar ve etkileşmeler üzerinde çalıştılar.

Ve ayrıca atomu anlamak için çekirdeğin içindeki temel parçacıklar proton ve nötronun etkileşmelerini anlamak gerekmez. Çekirdek ile elektronlar arasındaki elektrik etkileşmesini, elektronların dalga özelliklerini kullanarak ele almak atomu anlamak için yeterlidir. Atomun yapısı kimya disipliniyle anlaşılmaz, tam tersine kimyanın tamamı ancak atomun kuantum mekaniğine dayanan yapısı ile, elektronların dalga özelliğiyle açıklanır.

Ve bu müfredatla evet eğitim yapboza dönüştürülerek, yaratıcı değil karartıcı absürt melodrama ile ve bilhassa ve hassaten kötü bir müsamerede rol oynanıyor. 

* * *

Kuantum fiziği ve atom hakkında basit yazılarım için Bilim Akademisinin popular bilim sitesi sarkaç’a bakılabilir.

https://sarkac.org/2023/08/kuantum-mekanigi-dalga-parcacik-ikiligi/

https://sarkac.org/2019/04/atom-nedir/

https://sarkac.org/2019/05/atom-nedir-bohr-atom-modeli/

https://sarkac.org/2019/04/planck-sabiti-nedir/

Ali Alpar kimdir? Astrofizikçi. Sabancı Üniversitesi Emeritus öğretim üyesi. Bilim Akademisinin kurucu başkanı. 1968'de Robert Akademi'den, 1972'de ODTÜ Fizik bölümünden mezun oldu. 1977'de Cambridge Üniversitesi'nden fizik doktorasını aldı. Boğaziçi Üniversitesi, Columbia Üniversitesi, University of Illinois at Urbana-Champaign, TÜBİTAK Temel Bilimler Araştırma Enstitüsü, ODTÜ ve Sabancı Üniversitesi'nde çalıştı. Araştırma alanları nötron yıldızları ve pulsarlardır. 1993-1997 arasında Türkiye Bilimler Akademisi (TÜBA) Konseyi, TÜBİTAK Bilim Kurulu ve TÜBİTAK Popüler Bilim Kitapları'nı başlatan yayın kurulu üyesiydi. ODTÜ (1994) ve Sabancı Üniversitesi'nde (2003) mezuniyet sınıfı öğrencilerinin seçtiği en iyi öğretim üyesi ödüllerini aldı. TÜBİTAK Teşvik Ödülü 1986, Sedat Simavi Ödülü 1988, TÜBİTAK-TWAS Bilim Ödülü 1992, ODTÜ Mustafa Parlar Vakfı Bilim Hizmet ve Onur Ödülü 2018 sahibi. Hükümetin KHK ile Türkiye Bilimler Akademisine (TÜBA) üye tayin etmesi üzerine TÜBA'nın 82 aslî üyesinden istifa eden 52 üye arasındaydı. 25 Kasım 2011'de Bilim Akademisi'nin 17 kurucu üyesi arasında yer aldı. 2011-2021 yılları arasında Bilim Akademisi'nin ilk başkanlığını yaptı. Türk Astronomi Derneği üyesi ve eski başkanı. Academia Europaea, American Philosophical Society, European Astronomical Society, International Astronomical Union üyesi.