Fizik

Planck Sabiti Nedir ve Evren Neden Ona Bağlıdır?

Netflix’de yayınlanan “Stranger Things” dizisine göre Planck sabiti, kötü niyetli bir alternatif evrene giden kapıyı kapatmak için gereken anahtarları içeren bir kasayı açan koddur. Bu kod 6.62607004 biçimindedir. Ancak gerçek dünyamızdaki Planck sabitinin ne olduğunu açıklamak neyse ki bundan daha kolaydır.

Planck sabiti, modern fiziğin oldukça önemli bir parçasıdır,. Ancak konuya yabancı olanlar için aynı zamanda bir miktar kafa karıştırıcıdır. Eğer yukarıda adı geçen diziyi izlemediyseniz, yine de adını kilogramın yeni tanımı esnasında duymuş olmalısınız. 20 Mayıs 2019 tarihinden beri günlük hayatımızda bir etkisini gözlemlemesek de bir kilogramın ne olduğu Planck sabitine bağlı olarak tanımlanıyor. Bu yazıda konuya uzak kalan kişiler için Planck sabitinin ne olduğuna bakalım.

Planck Sabiti Fikri Nasıl Ortaya Çıktı?

Max Planck adındaki Berlinli bir profesör 1900 yılında muhtemelen bir devrimi başlatacağı­nın farkında değildi. Dünya henüz Klasik fiziğin egemenliğinde idi. Fizikçiler mekanik, termodinamik ve elektromanyetizma gibi mükemmel teorilerin yardımıyla fiziksel dünyayı tamamen açıklayabildiklerini düşünüyorlardı. Ancak elbette açıklayamadıkları şeyler vardı. Örneğin henüz hiç kimse neden atomların belirli ışık frekansları yaydığını bilmiyordu. Ancak bu durumu Max Planck açıklamayı başaracaktı.

Kara cisim Işıması Nedir?

Plank sabitinin ne olduğunu anlamak için öncelikle kara cisimlerden bahsetmemiz gerekir. Bir kara cisim, üzerine düşen tüm radyasyonu emen, hiçbirini yansıtmayan veya iletmeyen teorik bir cisimdir. Bir kara cisim tarafından yayılan termal enerjinin spektral dağılımı (yani, bir dizi dalga boyu veya frekans üzerindeki radyasyon yoğunluğunun modeli) yalnızca sıcaklığına bağlıdır. Kara cisim ışımasının özellikleri birkaç yasayla açıklanmaktadır. Cismin sıcaklığı artırıldıkça rengi değişir. Önce gri, sonra sırasıyla kırmızı, sarı, beyaz ve mavi olur.

Yirminci yüzyılın başında kuantum mekaniğinin doğuşuna sebep olan bilimsel gelişmelerden biri, kara cisimlerle ilgili kuramsal tahminlerle deneysel veriler arasındaki uyumsuzluktu. Klasik fizik yasaları kullanılarak yapılan tahminler, kara cisimlerin daha kısa dalga boylarında (daha yüksek frekanslarda) daha çok ışıma yapacağını söylüyordu. Ancak, laboratuvar ortamında yapılan deneyler bu tahminleri doğrulamıyordu.

Max Planck, deneysel verileri açıklamak için, bir kara cisim tarafından belirli bir ν frekansında yayılan enerji miktarının n bir tam sayı ve h birimi Joule/saniye olan bir sabit olmak üzere ancak E=nhν olabileceğini varsaydı. Bu varsayımı kullanarak yapılan kuramsal tahminler, deneysel verilerle mükemmel uyum gösterdi. Albert Einstein ise Planck’in düşüncesini bir adım öteye taşıdı. Frekansı ν olan bir ışık ışınının her biri E=hν enerjiye sahip enerji paketlerinden ( kuanta) oluştuğunu öne sürdü.

Bunun sonucunda kara cisimlerin enerjisindeki değişimin kara cisimlerin kendi yapısal bir özelliği olmadığı anlaşıldı. Bu aslında ışığın, daha sonraları foton adı verilecek, enerji paketlerinden oluşmasından kaynaklanıyordu. Böylece kuantum mekaniğinin temelleri atılmış oldu.

E=hν oldukça basit görünümlü bir denklem olmasına rağmen fizikte bir devrimin parçası olmayı başarmıştır. Bu “kuantanın” varlığını anlamak, takip eden birkaç on yıl içinde kuantum mekaniğinin gelişmesine yol açtı. Bu çalışmalarının sonucunda da Planck 1918 Nobel Fizik Ödülü’nü aldı.

Planck Sabiti Nedir?

Burada E, Joule cinsinden ölçülen her ışık paketinin (veya ‘kuantasının’) enerjisidir; f, hertz cinsinden ölçülen ışığın frekansıdır; ve h elbette Planck sabitidir

Fotonların frekansı ile enerjisini ilişkilendiren E=hν eşitliğindeki h sabiti bugün Planck sabiti olarak adlandırılıyor. Geçmişte araştırmacılar çeşitli deneysel yöntemler kullanılarak bu sabitin sayısal değerini hassas bir biçimde belirlemeyi başardılar. Bu sayı 6,63 x 10-34 Joule/saniyeye ( 6,62607004 x10-34 – Dizide de bu sayı verilmişti ) biçimindedir. Planck sabitini tanımlayan denklem Planck-Einstein ilişkisi olarak adlandırılmaktadır. Ancak bu sabit birçok farklı denklemde de karşımıza çıkmaktadır.

Planck sabiti yıllar içinde değişti. Daha karmaşık araçlar yardımı ile 2018’de Planck sabiti güncellenecekti. Sonrasında da Uluslararası Birimler Sisteminin bir parçası oldu. Şimdi ise değeri 6.62607015 x 10 -34. Dizide bu rakamlar değil, Planck sabitinin 2017 yılındaki değeri kullanılmıştır.

Evren Neden Bu Sayıya Bağlıdır?

Güneş’te gerçekleşen füzyon reaksiyonu, dört hidrojen atomunu bir helyum atomu ,ile birleştirir. Bu süreçte, hidrojen kütlesinin yaklaşık yüzde 0,7’si, Einstein’ın ünlü denklemi E=mc2  denklemi aracılığıyla enerjiye dönüşmektedir. Bu çok fazla görünmese de, son 4,5 milyar yıldır gezegenimizi ısıtmak için yeterlidir. Bilim insanları bu yüzden 0,7 sayısına “Goldilocks sayısı” derler. Çünkü bu sayı yaşama izin vermek kesinlikle doğru sayıdır.

Eğer bu sayı yüzde 0,8 olsaydı, helyum çok kolay oluşur ve su oluşturmak için yeterli hidrojen kalmazdı. Eğer yüzde 0,6 olsaydı, helyum oluşturulamayacak kadar soğuk olacaktı. Helyum, geri kalan elementleri üretmeye yönelik ilk adım olduğundan, sizin ve benim oluşturduğumuz daha ağır elementler de oluşmayacaktı. Diğer bir deyişle, Planck sabiti daha büyük veya daha küçük bir sayı olsaydı, çevremizdeki tüm dünya tamamen farklı olurdu.



Kaynaklar ve ileri okumalar:


Dip Not:

Matematiksel, 2015 yılından beri yayında olan ve Türkiye’de matematiğe karşı duyulan önyargıyı azaltmak ve ilgiyi arttırmak amacıyla kurulmuş bir platformdur. Sitemizde, öncelikli olarak matematik ile ilgili yazılar yer almaktadır. Ancak bilimin bütünsel yapısı itibari ile diğer bilim dalları ile ilgili konular da ilerleyen yıllarda sitemize dahil edilmiştir. Bu sitenin tek kazancı sizlere göstermek zorunda kaldığımız reklamlardır. Yüksek okunurluk düzeyine sahip bir web sitesi barındırmak ne yazık ki günümüzde oldukça masraflıdır. Bu konuda bizi anlayacağınızı umuyoruz. Ayrıca yazımızı paylaşarak da büyümemize destek olabilirsiniz. Matematik ile kalalım, bilim ile kalalım

Matematiksel

Başa dön tuşu