Görünür evrende gözlemlediğimiz her şeyin yapı taşı atom.

Maddenin bu en küçük birimi hakkında son 100 yılda olağanüstü bilgi sahibi olduk. Artık proton ve nötronların oluşturduğu atom çekirdeğini, onu sarmalayan elektronları ve tüm sistemi kontrol eden elektromanyetik kuvveti biliyoruz.

Ve daha alttaki parçacıklardan da haberdarız.

Kuantum dünyasının tuhaf özellikleri ile donatılmış bu parçacıkların tümüne kuantum parçacıkları diyoruz.

Atomaltı parçacıkların sahip olduğu en kafa karıştırıcı özelliklerin başında "spin" geliyor.

Kuantum ölçeğinde karşı karşıya kaldığımız bazı şeyleri anlayabilmemiz açısından spin çok önemli ancak bu özellik zihinlerde tam olarak yerine oturmuyor.

Aslına bakarsanız spin fikrini ortaya atan ve geliştiren bilim insanları bile başlangıçta bu fikrin yanlış olması gerektiğini düşünmüşlerdi. Ama bazı olaylara da spin kavramı olmadan anlam kazandıramıyorlardı.

Örneğin elektronlar; eğer bu özelliğe sahip olmasalardı, tüm periyodik element tablosu çökebilir ve kimya bilimi diye bir şey olmazdı. 

Spin ve hikâyesi

20. yüzyılın ilk çeyreğinde kuantum öncüleri, atomik spektrumları inceleyerek atomun kuantum teorisini geliştirmeye çalışıyorlardı. 

Hemen hatırlayalım: Atomik spektrum, bir atomun elektronlarının emebileceği veya yayabileceği ışık fotonlarının enerjilerini içerir. Her element atomunun kendine özgü karakteristik bir atomik spektrumu bulunur.

1925 yılında Fizikçi Wolfgang Pauli, atomik spektrumun doğasını ve periyodik tablonun yapısını anlamaya çalışırken, elektronların iki farklı değere sahip olması gerektiği sonucuna vardı. Ancak bu değerlerin elektronun hangi fiziksel özelliğine karşılık geldiğini tam olarak açıklayamıyordu. Pauli'ye göre bu iki ayrık değer, açısal momentum denen bir özellikle ilintili olmalıydı. Ama nasıl?

Bu sırada Samuel Goudsmit ve arkadaşı George Uhlenbeck Hollanda Leiden Üniversitesi'nde iki fizik yüksek lisans öğrencisiydiler ve onlar da Wolfgang Pauli'nin elektronlar için ileri sürdüğü açısal momentum özelliğinin nasıl ilişkilendirileceğini anlamaya çalışmaktaydılar.

Açısal momentum

Biliyorsunuz açısal momentum, klasik fizikte dönen cisimlere özgü bir özellik olarak bilinir. Dönmekte olan cismin dönüş hızı ve kütlesi ile orantılıdır.

Spin ve açısal momentum klasik gösterimi

Bir nesne kendi ekseni etrafında ne kadar hızlı dönerse, o kadar fazla açısal momentuma sahiptir, ancak nesnenin şekli ve kütlesi de açısal momentuma katkı verir. Kütlesi büyük cisimlerin açısal momentumu, aynı hıza sahip daha hafif olanlara göre daha fazladır.

Üzerinde yaşadığımız yerküre hem kendi ekseni hem de Güneş etrafında döner. Dolayısıyla Dünya'nın kendi ekseni etrafında dönüşünden kaynaklanan bir açısal momentumu olduğu gibi Güneş etrafında dönmesinden kaynaklanan bir açısal momentumu daha vardır. Ancak Dünya'nın kendi ekseni etrafında dönüşüne dayalı momentumu diğerinden çok daha fazladır.

İki genç fizikçi, elektronun Dünya'nın Güneş etrafında dönerken kendi ekseni etrafında da dönmesi gibi elektronların da kendi eksenleri etrafında dönüyor olabileceğini düşündüler. Ancak bu dönüş, Dünya örneğinde olduğu gibi tek yönlü olmayıp iki yönde, saat yönünde veya saat yönünün tersi olmalıydı. Bu yolla Pauli'nin "iki değerlilik" tezi açıklanabilirdi.

Bu arada fizikçi Ralph Kronig de onlardan bağımsız olarak aynı görüşteydi.

Goudsmit ve Uhlenbeck bu düşüncelerini geliştirerek danışman hocaları Paul Ehrenfest'e götürürler. Einstein'ın yakın arkadaşı olan Ehrenfest, fikri ilgi çekici bulur ve büyük fizikçi Hendrik Antoon Lorentz'den görüşünün alınmasını ister.

Ancak beklenenin aksine Lorentz onlartın fikrine katılmaz; elektronun Pauli'nin öngördüğü açısal momentumu üretemeyecek kadar çok küçük olduğunu ve bu açısal momenti sağlaması için elektronun ışık hızından daha hızlı hareket etmesi gerektiğini ileri sürer.

Biliyorsunuz bu imkansızdır. Ayrıca elektronların dönüyor olmaları da imkansızdır.

Gençler büyük hayal kırıklığı yaşarlar.

Kuantum spin

Gençlerin akıllarına başka bir fikir gelir: Nesneler dönmeden de bir açısal momentuma sahip olamazlar mı?

Bir dış manyetik alan içinde elektronlar

Kısa süre sonra, aralarında Paul Dirac'ın da içinde bulunduğu bilim insanları kavramsal zorluklara açıklama getirirler ve "kuantum spin" fikri doğar. Böylece, elektronun iki yönden birinde bulunabilen içsel bir "spin"e sahip olması fikri, iki değerlikli yapıyı açıklayabilmektedir.

Dahası kuantum spin, yalnızca elektronların değil, tüm atom altı parçacıkların temel özelliklerinden biri olarak kabul görür.

Goudsmit ile Uhlenbeck, bu devrimsel keşfin ortak yaratıcılarıdır.

Oysa Lorentz'in eleştirisi sonrasında büyük hayal kırıklığı yaşayan bu iki genç fizikçinin hocası Ehrenfest, onları teselli ederken "İkiniz de bir aptallığı kaldırabilecek kadar gençsiniz" demişti. 

Bununla birlikte, Goudsmit ve Uhlenbeck çeşitli kereler aday gösterilmelerine rağmen Nobel ödülüne ulaşamadılar. Bunun nedeni olarak Pauli ve Ralph Kronig de dahil başka bilim insanlarının spin tartışmalarına dahil olması gösteriliyor.

Bilim dünyası spin kavramının dahice bir fikir olduğu konusunda hemfikir. Temel mekanizmasını tam olarak anlamasak da, algımızla çelişen çoğu şeyi anlamak için ona ihtiyacımız var.

Kuantum dünyasını daha anlaşılır kılmak için daha çok bilimsel veri ve belki de çok daha fazla matematik gerekecek, deniyor. 

Yani insan aklı, bu sihirli parçacıkların sırlarını çözmede kararlı!

Kaynakça

https://www.lorentz.leidenuniv.nl/history/spin/goudsmit.html

https://www.nature.com/articles/d41586-022-03367-3

https://www.scientificamerican.com/article/6-times-quantum-physics-blew-our-minds-in-2022/?utm_term=Autofeed&utm_medium=Social&utm_source=Twitter#Echobox=1672722792