Bilimde yeni bir kuram, eski kuram doğayı açıklamakta yetersiz kaldığında ortaya çıkar; çözülemeyen bir probleme yeni bir bakış açısı getirerek. Kuantum fiziğinin ilk kıvılcımı “kara cisim ışıması” denen olayı anlamaya çalışan Planck’ın beyninden çıkmıştır.
Planck için bu keyifli bir süreç olmamış. Ortama bakalım; sene 1895, Newton fiziği var, elektromanyetik teori var ama kuantum piyasada yok. Enerji ve madde ayrı varlıklar olarak biliniyor; ışık, ses, birer enerji biçimi ve dalga davranışı gösteriyorlar. Klasik fizikte, dalga ile parçacığın ayrımı mutlak; dalga, dalga gibi –titreşim, salınım, girişim yapar- davranır, madde de parçacık olarak davranır. Mekanik, parçacık hareketi ile ilgilenir, elektromanyetik teori ise dalga hareketi ile. Herkes haddini biliyor, sınırlar net.
Hepimiz biliriz, bir demiri ısıtırsak kızarır, iyice ısıtırsak akkor halini alır. Yani ısıtılan cisimler bir ışıma yapar-ışık yayar-. Kara cisim, üzerine düşen ışığı her frekansta soğurduğu için siyah görünen bir cisim, onu ısıtırsak ne olur: Bir yandan mümkün olan her dalga boyunda ışık yayar, bir yandan da üzerine düşen her dalga boyunda ışığı soğurur. Yani ışıma ya da soğuma spektrumları eşdeğerdir. Bu pek önemli bir fizik deneyi değil ama 19. yy sonunda eldeki bilgilerle (elektromanyetik kuram ve istatistiksel mekanik) elde edilen ışıma eğrisi kara cismin deneysel ışıma eğrisine uymamış. Fizikte bir kriz doğmuş; en iyi teoriler dandik bir deneyi açıklayamıyor. Planck, onu denemiş olmamış, bunu denemiş olmamış -ışığı hala dalga olarak düşünüyor bu arada- boşa koydum dolmadı doluya koydum almadı şeklinde bir süreç yaşamış. Sonunda çaresizlik içinde (kendisi de böyle söylüyor) ışığın dalga niteliğini bir yana bırakıp, elektromanyetik enerjinin(ışığın) paketler halinde enerji birimleri olarak aktarıldığını varsaymış: Bingo! Hesaplamaları tutmuş, gözlemlerle matematik formülleri birbirine uymuş, kara cisim ışıması açıklanabilmiş. O paketler var ya, işte onlar kuantum denen parçacıklar. Adını da Planck koymuş: Kuanta=enerji paketleri. Hesap yaparken E=h.v formülüne ulaşmış ki bunu gördüğümüz her yerde kuantumdan bahsedildiğini anlarız. E=parçacığın enerjisi, h=Planck sabiti, v= dalganın frekansı. Doğada böyle sabitler vardır, Planck sabiti, kara cisim ışıması deneysel eğrilerine göre belirlenmiş.
Şimdi bu E=h.v denklemi bizde kocaman bir kavramsal değişiklik yaratmak zorunda; öylesine bir denklem değil bu, bir tarafındaki parçacık (madde), bir tarafındaki dalga ile Planck sabiti aracılığıyla ilişkili. Yani ışık ile madde o zamana kadar sandığımızın aksine ayrı ayrı şeyler değiller. Planck özel hayatında, dünya görüşü olarak muhafazakar yapıda bir adam. Kuantaları, yani enerjinin paketler/parçacıklar halinde salınımını keşfettiğinde, klasik fiziğin bu denli dışında olan keşfine kendisi bile inanamamış. Hiç hoşnut değilmiş bulduğu şeyden. Oğluyla yaptığı gezintilerde düşüncelerinden söz eder; ya Newton’ınki kadar önemli, birinci sınıf bir keşifte bulunduğunu ya da hepten yanıldığını, bu iki duygu arasında kaldığını söylermiş. Keşfinin dünyayı kavrayışımızı kökten değiştireceğini sezmiş. Sonunda, 1900 yılının Aralık ayında kuanta varsayımını yayınlamaktan geri durmamış.
Ben böyle büyük bir keşfi yapan insan olmak istemezdim. Bu denli kökten bir değişikliği tek başına karşılamak yeterince sarsıcı ve ürkütücü bir deneyimken, tutucu bir kişilik olan Planck epey zorlanmış olmalı.
Planck’ın 1900’de sunduğu bulguların önemini ilk fark edenlerden biri Einstein. (Einstein görelilik ile bilinse de kuantum fiziğinin de öncülerindendir.) Kara cisim ışıması gibi bir olay daha var o dönemde, klasik fizikle açıklanamayan; fotoelektrik olay yani ışığın etkisiyle metallerden elektron kopması. Einstein, Plank’ın enerji paketleri kavramını kullanınca fotoelektrik etkiyi bir güzel açıklayabilmiş.
Ardından De Broglie; dalga, parçacık özellikleri taşıyorsa, parçacıklar da dalga özellikleri taşımalı demiş ; yani E=h.v ise, V=E/h olmalı ki gayet mantıklı. Sonuçta kuantum fiziğinin ilk fark ettirdiği şey, dalga ve parçacık arasında kesin bir ayrım olmadığı, dalga ve parçacığın aynı varlığın iki ayrı yüzü olduğudur. Bir süre sonra De Broglie’nin varsayımını kanıtlayan deneyler yapılmış.