
Fizikçilere bir artı birin ille de iki yapması gerekmediğini gösteren, Hintli fizikçi Satyendra Nath Bose kuantum mekaniği ile ışık ve madde kuramına giden yolu açmıştır. Bose 1894’te Kalküta’da doğmuş ve 80 yıl sonra, 1974’te aynı yerde ölmüştür. 1920’lerin başlarındaki en büyük başarısı o sıralarda ışımanın kuantum kuramını oluşturan yamalı bohça halindeki fikirleri alıp her şeyi tutarlı bir bütünde birleştirerek ışık paketçiklerinin matematiksel tarifini elde etmesidir.
Planck 19. yüzyılın sonunda ışıma ve maddenin nasıl etkileşim içinde olduğu tartışmalarına nicemleme (quantization) fikrini soktuğunda bu fikri kara cisim ışımasını açıklamak için geçici olarak kullanmıştı. Albert Einstein 1905’te ışığın kendisinin de enerji paketçikleri halinde ifade edilmesi gerektiğini ileri sürmüşse de, 1920’lerin başlarında pek çok fizikçi ışığın parçacıklar halinde var olduğuna inanmıyordu. Işık parçacığına ancak Bose ışığın kuantum kuramını sağlam bir matematik temele oturttuktan sonra 1926’da bir isim verilmesi (foton) tesadüf değildi.
Planck kara cisim sorununu elektromanyetik enerjiyi (matematiksel olarak) küçük parçacıklara bölerek çözmüştü. Fakat ışıma parçacıklarının herhangi bir fiziksel önemi olduğunu ileri sürmemiş, yalnız sıcak bir nesnenin enerji yaymasına sebep olan şeyin sadece belli büyüklükte enerjilerin yayılmasına izin verdiğini düşünmüştü. Işık ya da elektromanyetik ışımanın başka biçimlerinin sadece paketçikler halinde var olduklarını kimse, Planck’ın kendisi bile ileri sürmüyordu. 1920’lerin başında neredeyse herkes “ışık kuantumunun”(ışık enerji paketçiğinin) ışıkla maddenin etkileşiminin şaşırtıcı özelliklerini açıklayabileceğini biliyordu, fakat kimse bunun bir matematik hilesinden öte bir şey olduğuna inanmıyordu; ışığı hâlâ Maxwell denklemleriyle tanımlanmış bir dalga olarak görüyorlardı.

Fakat bir istisna vardı. Hindistan’da fizikçiler ışık kuantumunu ciddiye alıyorlardı. Öncü astrofizikçi Meghnad Saha 1919’da bir bilimsel makalesinde ışıma basıncını tarif etmek için ışık kuantumunu kullandı ve sonra Bose’yle ortaklaşa Einstein’ın genel görelilik kuramı üzerine yazdığı bilimsel makalelerinin ilk İngilizce çevirilerinden birini gerçekleştirdi. Bunun ardından gelen tartışmalar sonucunda Bose, Planck’ın kara cisim “yasası”nın, düzgün bir türevinin çıkarılması gerektiğini fark etti. Yalnız, ışık parçacıklarının bizim alışık olduğumuzun dışında farklı bir istatistiğe uyması gerekiyordu.
Bose’nin çalışmasında fotonları gündelik hayatta kullandığımızdan farklı bir istatistik yasasına uyarak bir oyuğu dolduran parçacık gazları gibi ele alıp Planck’ın denklemine ulaştı. Bunu anlamanın en kolay yolu aynı değerde yeni basılmış iki madeni parayı düşünmektir. Bu paralarla aynı anda yazı tura atarsanız üç ayrı sonuç görebilirsiniz. Eşit olasılığa sahip olan, iki yazı ya da iki tura ya da bir yazı bir tura. Fakat biraz düşününce bunun böyle olmadığını görürsünüz. İki parayı bir şekilde işaretleyerek birbirinden ayırt edilebilir duruma getirelim.
Şimdi iki yazı-yazı ya da iki tura-tura elde etmenin sadece bir yolu varken yazı-tura elde etmenin (bunu “yazı-tura” ve “tura-yazı” olarak düşünün) iki yolu var. Öteki tura geldiği süreci ikisinden biri “yazı” olabilir. O halde iki parayla yazı tura atmanın olası sonuçları dört tane olur artık. Her sonucun gelme şansı dörtte birdir, üçte bir değil. Yani eğer madeni paralar birbirinden ayırt edilemiyorsa yazı-tura İkilisi tura-yazı İkilisinden ayırt edilemez. Fakat parçacıklar ayırt edilebiliyorsa istatistikler farklıdır.
Bu basit örnekle sadece parçacıkların birbirinden ayırt edilebilir olması durumunda istatistiklerin farklı olacağını görmüş oluyorsunuz. Başka bir deyişle, birlikte hareket eden çok sayıda parçacığın davranışını tarif edecek istatistikler ne tür parçacıklarla uğraştığınıza bağlıdır. Fotonlar birbirlerinden ayırt edilemezler ve foton dünyasında fotonların istatistiki davranışı kendi aralarında enerji paylaşımını etkiler. Foton davranışının başka şaşırtıcı özellikleri de vardır.
Fotonlar korunmazlar. Odanızın duvarları, gözleriniz, dünyanın yüzeyi vs. fotonları durmadan soğurur. Fakat bu süreç denge halinde değildir ve evrendeki foton sayısı durmadan değişir. Bu, parçacık olarak düşünmeye alıştığımız elektronların davranışına hiç benzemez. Elektronlar ne yaratılabilir ne de yok edilebilir, fakat bir elektronla onun “karşı-parçacığı” olan pozitron özel şartlarda birlikte yaratılabilir (ya da yok edilebilir). Evrendeki toplam elektron sayısı aynı kalır. Sonuçta elektron gibi parçacıklar için farklı bir tür istatistiğin geçerli olduğu anlaşılıyor; kuantum fizikçileri buna Enrico Fermi ve Paul Dirac’ın çalışmalarına istinaden “Fermi-Dirac” istatistikleri diyor. Bose-Einstein istatistiklerine uyduğu bilinen foton gibi parçacıklar topluca “bozon” olarak biliniyorlar; Fermi-Dirac istatistiklerine uyan elektron gibi parçacıklara ise “fermiyon” deniyor.
Peki neden Bose-Einstein da, sadece “Bose istatistikleri” değil?

Satyendra Nath Bose, 1924’te keşiflerini anlattığı makalesini Einstein’a gönderdi. Einstein bu çalışmadan çok etkilendi. Makalenin içerimleri müthişti. Bose fotonları belli bir tür istatistiğe uyan ve kuantum gazı gibi davranan gerçek parçacıklarmış gibi ele alıp elektromanyetik ışıma için kara cisim denklemini elde etmişti. Einstein yeni istatistik fikrini kendi ele alıp üç ayrı makalede başka sorunlara uygulayarak kuantum kuramına son önemli katkılarını yapmıştır.
1924’te Einstein, Louis de Broglie’nin doktora tezini okur ve eksik parçalar tamamlanır. De Broglie elektron gibi parçacıkların dalga gibi hareket edebileceğini dile getiriyordu bu tezinde. De Broglie’nin çalışması Einstein’ın onayından sonra ciddiye alınır, Erwin Schrödinger tarafından geliştirilerek kuantum dünyasının tarifine, dalga mekaniğine dönüştürülür. Schrödinger daha sonra, “dalga mekaniği istatistiklerden doğdu,” demiştir.
Ne var ki Bose’nin kendisi sonraki birkaç yıl kuantum kuramının heyecan verici gelişiminde yer almamıştır. Bunun yerine daha önceki ilgi alanına, genel görelilik kuramına dönmüş ve Einstein’ın peşinden gidip daha sonra bir çıkmaz sokak olduğu anlaşılan birleşik alan kuramı araştırmasına girişmiştir. Einstein 1955’te ölünce bu yöndeki araştırmalar gücünü yitirdi ve Bose’nin katkıları büyük ölçüde unutuldu, Bose de hayatının son yirmi yılını bilimi popülerleştirmeye, öğretmeye ve bilimin halk tarafından anlaşılmasını geliştirmeye adadı.
“Bir kuyruklu yıldız gibiydim, bir kere gelmiş ve bir daha geri dönmemiş bir kuyruklu yıldız,” diye yorumda bulunuyordu Satyendra Nath Bose hayatının sonlarına doğru. Fakat o kuyruklu yıldızın saçtığı parlak ışık fizikçilerin 1920’lerdeki düşünme biçimlerini ve o zamandan beri fiziğin ilerleme biçimini değiştirmiştir.
Kaynak: John Gribbin – Schrödinger’in Yavru Kedileri, syf: 108-113
Matematiksel
Bildirimleri açtığım tek sitesiniz. Tebrik ediyorum, iyi iş çıkarıyorsunuz