Ana Sayfa Fiziksel Bilimler Kuantum mekaniği kimya bilimini nasıl fethetti?
Mg iyonu ile polietilenimin zincirinin, John Pople tarafından başlatılmış Gaussian 09 yazılımı ile modellenmesi.
Kuantum mekaniği, temel bilimler içerisinde çok ama çok önemli bir yer tutar. Fizikten biyolojiye kadar pek çok alanı doğrudan etkilemekle kalmamış, çok farklı doğa olaylarını açıklayabilen tek teori olarak süre gelmiştir. Bugün pek çok bilim insanı, kuantum teorisini temel bilimlerde ortaya konan en büyük devrim olarak tanımlar.
Popüler yazılarıyla da tanınan ve geçmişte ülkemizde de seminerler vermis olan fizikçi Michio Kaku, Türkçe’ye de çevrilmiş olan “The future of the Physics”de böyle bir devrimin bir daha olmayacağını, bundan sonraki ilerlemelerin sadece bildiklerimizin üzerine inşa edileceğini iddia ediyor. Ona göre yapılabilecek işler artık sonuçların daha çabuk elde edilmesine veya eldeki bilgilerin daha yararlı bir şekilde kullanılmasına yönelik olacak.
Paul Dirac (1933-Wikimedia Commons)
Nitekim kuantum mekaniğinin kurucularından biri olan Paul Dirac 1929 tarihli bir makalesinden pek çok yerde alıntılanan ifadesinde şunu söylüyor.
“Fiziğin çok büyük bir kısmının ve kimyanın tamamının matematiksel incelemesini yapacak temel yasalar büyük ölçüde bilinmektedir, güçlük sadece bu yasaların uygulanması sonucunda çıkan denklemlerin çözülemeyecek derecede karmaşık olmasındadır”.
Dirac burada biyolojiden bahsetmiyor ama 1929 yılında da moleküler biyolojinin henüz tanımlanmamış bir alan olduğunu unutmayalım. Aslında Dirac bu yorumunda artık temel bir yasaya ihtiyaç olmadığını söylemekle beraber, pratik sonuçların elde edilebilmesinden de çok uzak olduklarını belirtiyor.
Kuantum mekaniğinin tarihçesi hakkında yazılmış belki yüzlerce kitap vardır ama kanımca bu tarihçeyi tam olarak derlemek pek de mümkün değil. D. Styer “The strange world of quantum mechanics” kitabında da aynı zorluğu vurguluyor. Bilim tarihçisi olmak için hem o alanı bütün yenilikleri ile beraber anlayacak kadar bilmek hem de o dönemin aktörlerini iyi tanımak gerekir. Öncelikle kuantum mekaniği pek çok sayıda bilim insanının katkısı ile ortaya kondu. Aralarında birbirlerinin öne sürdükleri fikirleri alıp daha da geliştiren bir ekol oluşmuş olmakla beraber bu tarihin içerisinde rekabetler, kavgalar ve Schrödinger’in metresleri, Heisenberg’in Nazilerle iş birliği gibi dedikodular da var. Bütün bu ‘insani’ ilişkiler arasından kimin kimi ne şekilde etkilediği, hangi fikirlerin hangi koşullarda oluştuğunu ayıklamak oldukça zor.
Planck ve kuantum mekaniğinin doğuşu
Max Planck’ın 1900 yılı sonunda açıkladığı ve ışığın enerjisinin, frekansı ile olan ilişkisi kuantum mekaniğinin doğuşu olarak kabul edilir. “Quantum” sözcüğü eski İngilizcede kullanılmış ve kökü Latince’den gelmekte olup miktar belirten (ne kadar gibi) bir kelimedir ve bilimsel anlamda ilk olarak Planck tarafından kullanıldığı düşünülüyor.
Planck’ın kara cisim ışıması problemi için öne sürdüğü fikirler, sonraları pek çok bilimci tarafından geliştirilip kuantum mekaniğinin oluşmasına neden oldu. Kuantum teorisine katkıları nedeniyle verilen Fizik Nobel ödülü sayısı oldukça yüksek. Bu sayıyı tam olarak vermek istemiyorum çünkü kuantum teorisinin gelişimi nedeniyle alınan ödüller olduğu gibi bu teoriyi kullanarak alınan ödüller de var.
Kuantum mekaniğinin geliştirilmesine yönelik Fizik Nobel ödülleri
Kimya ve kuantum mekaniği nasıl bir araya geldi?
Derslerimde kimyayı, kimyasal bağı inceleyen bir bilim olarak anlatırım. Bu bağların oluşumu ve kuvvetleri neredeyse bütün kimyasal problemlerin temelinde yatan kavramlardır.
Günümüzde bu bağları anlamanın yolunun aslında Dirac’ın alıntısındaki kompleks denklemlerde olduğunu biliyoruz. Ama çözümlerinin zor olması nedeniyle uzun süreler kimyacılar kuantum mekaniğine, güzel ama işe yaramayan bir oyuncak olarak baktılar. Hatta bu teorilere inanmayan ve bunu saklamaktan da kaçınmayan ünlü kimyacılar da vardı. Atom yapısının anlaşılmasının bile çok uzun zaman aldığını düşünürsek, atomlara göre çok daha karmaşık olan moleküllerle de ilgilenilmemesi anlaşılabilir.
En basit olarak düşünebileceğimiz H2+ (iki proton ve bir elektron) probleminin çözümü bile 1950’li yılların başındadır. Moleküler kuantum mekaniği hesabı yapmanın zorluğunun temelinde kullanılan yaklaşık yöntemler yatar. Bu hesaplar çok yüksek sayılarda entegralin hesaplanması ve bu entegralleri kullanarak gene yüksek boyutta matris denklemlerinin çözümünü içerir, üstelik bu işlemlerin defalarca tekrarlanması da söz konusudur. 1950’li yıllarda bu işlemler elle yapılıyordu; bilgisayarların ortaya çıkışıyla basit moleküllerin çalışılması mümkün oldu. İlk hesaplarda kullanılan bilgisayarların belleklerinin kB, disklerinin de MB boyutunda olduklarını da unutmayalım. Bilgisayar teknolojisinin hızlı gelişiminden en çok yararlanan alanlar biri kimya oldu. Hem hızlanan işlemciler hem de bilgisayarların saklama kapasitelerinin artışı sonucunda, kimyasal bağı anlamak için kuantum mekaniğinin işe yarayacağı fikri kabul görmeye başladı.
Ve 1950’li yıllardan sonra kuantum mekaniği uygulamaları Kimya alanında Nobel ödülleri almaya başladı:
Hesaplamalı kimyanın doğuşu
John Pople, (AIP Emilio Segrè Visual Archives, Physics Today Collection)
Walter Kohn (Fotoğraf Bill Brooks, AIP Emilio Segrè Visual Archives, Physics Today Collection)
Kanımca kuantum mekaniğinin kimyayı fethetmesinde en önemli rolü oynayanlar 1998 Nobel Ödülü’nü paylaşan Walter Kohn ve John Pople olmuştur.
Bir matematikçi olarak bilim hayatına başlayan Pople, daha sonra kimya alanında etkisini göstermeye başlamıştı. Nükleer manyetik rezonans (NMR) (MR olarak bildiğimiz görüntüleme tekniklerinin çıkışı) konusunda yazdığı kitap uzun seneler referans kitabıydı. Pople daha sonra kuantum moleküler hesapları yapabilen yazılımları üretmeye başladı, bir dizi yaklaşık yöntem öne sürdü ve kimyasal problemlerin teorik olarak açıklanabileceğini gösterdi. Ama kimyacıları esas etkilemesi o zamanlar Princeton’da çalışan Paul von Ragué Schleyer ile başlattığı işbirliği sayesinde oldu. Saygı gören bir deneyci olan Schleyer ile yaptıkları çok sayıda yayınla, kuantum mekaniği ile kimya yapılabileceğini ispatladılar.
Walter Kohn ise Avusturyalı doğumlu bir Amerikalı fizikçidir. 1960lı yıllarda geliştirdiği yöntemler önce katı hal fiziğinde daha sonraları ise kimyasal problemlerde etkili bir şekilde kullanılmaya başlandı.
Artık her yıl binlerce kimya makalesi, deneysel çalışmaların yanında bir kuantum hesabı da içerecek şekilde yazılıyor. 2000’li yıllardan bu yana ise “teorik kimya” olarak bilinen bilim dalı “Hesaplamalı kimya” olarak isim değiştirdi.
“Hesaplamalı kimya” ülkemize nispeten geç girmiş olmakla beraber düzenli konferansların ve ciddi bilimsel yayınların yapıldığı bir alan oldu.
Önceki İçerikPsikolojide (toplumsal) cinsiyet farklarına nasıl bakmalıyız?
Sonraki İçerikModern bilimin simgesi sarkaç