William Daniel Phillips Kimdir?

William Daniel Phillips, lazerle atom soğutma çalışmalarıyla 1997 Nobel Fizik Ödülü’nü kazanan ve modern atom fiziğine yön veren Amerikalı fizikçidir.

William Daniel Phillips, atomların hareketini lazer ışığıyla yavaşlatma ve onları son derece düşük sıcaklıklara kadar soğutma üzerine yaptığı çalışmalarla tanınan Amerikalı fizikçidir. Modern atom fiziğinin gelişmesinde önemli pay sahibi olan Phillips, özellikle lazer soğutma ve atom hapsetme tekniklerine yaptığı katkılarla bilim tarihinde kendine kalıcı bir yer edinmiştir.

Onu geniş kitlelere tanıtan gelişme ise 1997 yılında geldi. Phillips, Steven Chu ve Claude Cohen-Tannoudji ile birlikte 1997 Nobel Fizik Ödülü’ne layık görüldü. Ödül, atomların lazer ışığı kullanılarak soğutulması ve hapsedilmesine yönelik geliştirilen yöntemler nedeniyle verildi.

Phillips’in bilimsel kariyerine bakıldığında Nobel Ödülü’nün tek başına ortaya çıkmış bir başarı olmadığı görülür. Çocukluk dönemindeki merakı, fizik eğitimine duyduğu ilgi, Massachusetts Teknoloji Enstitüsü’ndeki doktora çalışmaları ve daha sonra NIST’te yürüttüğü deneyler, onu yıllar içinde ultra-soğuk atom fiziğinin önde gelen isimlerinden biri haline getirdi.

William Daniel Phillips Biyografisi

William Daniel Phillips, 5 Kasım 1948 tarihinde Wilkes-Barre, Pennsylvania’da dünyaya geldi. Babası William Cornelius Phillips, Galler kökenli bir Metodist aileden geliyordu. Annesi Mary Catherine Savino ise İtalyan göçmen bir ailenin kızıydı. Anne ve babasının üniversite eğitimi almış olması, Phillips’in yetiştiği evde eğitime verilen önemi artıran unsurlardan biriydi.

Phillips’in öğrenmeye ilgisi oldukça erken yaşlarda fark edildi. Henüz sekiz yaşındayken üstün yetenekli öğrenciler için hazırlanan deneysel bir eğitim programına dahil edildi. Butler, Pennsylvania’daki bu programda yaşıtlarından daha ileri düzeyde matematik dersleri aldı ve Fransızca öğrendi.

Ailesi 1959 yılında Harrisburg yakınlarındaki Camp Hill’e taşındı. Phillips de eğitimine burada devam etti. Akademik başarısı lise döneminde de sürdü ve 1966 yılında liseden sınıf birincisi olarak mezun oldu.

Üniversite için Pennsylvania’daki Juniata College’ı tercih etti. Fizik eğitimi aldığı yıllarda bazı öğretmenleri onun bilimsel düşünce biçiminin gelişmesinde önemli rol oynadı. Özellikle fiziği matematikle birlikte ele alan eğitim anlayışı, Phillips’in teorik bilgilerle deneysel fiziği bir arada değerlendirmesine yardımcı oldu.

Başarılı bir öğrenciydi. Normalde daha ileri sınıflar için hazırlanan bazı laboratuvar çalışmalarını erken dönemde tamamlama fırsatı buldu. 1970 yılında Juniata College’dan en yüksek onur derecesi olarak bilinen “summa cum laude” ile mezun oldu.

Fakat fizik eğitimi onun için burada bitmedi.

MIT yılları ve fizik kariyerinin şekillenmesi

Phillips, lisans eğitiminin ardından doktora yapmak üzere Massachusetts Institute of Technology’ye (MIT) kabul edildi. MIT’ye gitmeden kısa süre önce lise yıllarından tanıdığı Jane Van Wynen ile evlendi. Çift daha sonra Boston’a taşındı.

MIT’de Phillips’in doktora danışmanı fizikçi Daniel Kleppner’dı. Doktora araştırmalarında su içindeki protonun manyetik momentinin oldukça hassas biçimde ölçülmesi üzerine çalıştı.

Bu dönem, Phillips’in bilimsel yaklaşımının şekillenmesi açısından önemliydi. Hassas ölçüm yapabilmek, küçük fiziksel değişimleri gözlemlemek ve deneylerin hata payını mümkün olduğunca azaltmak ileride yürüteceği atom fiziği araştırmalarında da belirleyici olacaktı.

Phillips 1976 yılında doktora derecesini aldı. Ardından yaklaşık iki yıl boyunca MIT’de doktora sonrası araştırmalarını sürdürdü.

1978 yılında aldığı bir karar ise kariyerinin yönünü değiştirecekti.

Phillips, Maryland eyaletindeki Gaithersburg’da bulunan Ulusal Standartlar Bürosu’na katıldı. Kurum daha sonra National Institute of Standards and Technology, yani NIST adını aldı.

Nobel Ödülü’ne uzanan deneylerin önemli bölümü de burada gerçekleştirilecekti.

Atomları lazerle soğutmak ne anlama geliyor?

William Phillips’in çalışmalarını anlamak için önce “atomları soğutmak” ifadesinin ne anlama geldiğine bakmak gerekir.

Bir gazın içindeki atomlar sürekli hareket halindedir. Sıcaklık yükseldikçe bu hareket genel olarak daha hızlı hale gelir. Atomların çok hızlı hareket etmesi ise onları hassas biçimde incelemek isteyen fizikçiler için ciddi bir sorun oluşturur.

Araştırmacılar atomların davranışlarını mümkün olduğunca ayrıntılı inceleyebilmek için onların hareketini yavaşlatmak ister.

İşte lazer soğutma tekniklerinin temel fikri burada ortaya çıkar.

Işık yalnızca aydınlatmaz; fotonlar aracılığıyla momentum da taşır. Uygun biçimde ayarlanmış lazer ışığı bir atomun hareketine karşı yönlendirildiğinde atom üzerinde son derece küçük bir itme etkisi oluşturabilir.

Tek bir etkileşim çok küçük görünse de süreç sürekli tekrarlandığında atomun hızı önemli ölçüde düşürülebilir.

Başka bir ifadeyle lazer ışığı, atomların hareketini frenlemek için kullanılabilir.

Phillips’in bilimsel çalışmalarının merkezinde bu fiziksel prensibin deneysel olarak geliştirilmesi bulunuyordu.

Zeeman yavaşlatıcısı ve Phillips’in önemli katkısı

NIST’te çalışan Phillips ve meslektaşları, lazer ışığını kullanarak atom demetlerini yavaşlatmanın daha etkili yollarını araştırdı.

Phillips’in bu alandaki en önemli teknik katkılarından biri Zeeman yavaşlatıcısı (Zeeman slower) olarak bilinen sistemin geliştirilmesiydi.

Bu sistemde lazer ışığı ve değişen manyetik alan birlikte kullanılarak hareket eden atomların hızının kontrollü biçimde azaltılması amaçlanıyordu. Atomlar yavaşladıkça lazer ışığıyla etkileşim koşulları değiştiği için manyetik alan da buna uygun şekilde düzenleniyordu.

Sonuçta fizikçiler atom demetlerini daha önce mümkün olmayan ölçüde kontrol edebilir hale geldiler.

Bu gelişmeler yalnızca laboratuvar tekniği açısından önemli değildi. Atomların düşük hızlarda nasıl davrandığını incelemek, kuantum mekaniğinin bazı temel özelliklerini deneysel ortamda gözlemlemeyi de kolaylaştırıyordu.

Phillips’in araştırmaları ilerledikçe şaşırtıcı bir sonuçla karşılaşıldı.

1988’de ortaya çıkan şaşırtıcı sonuç

O dönemde lazerle soğutulmuş atomların ulaşabileceği minimum sıcaklığın belirli bir teorik sınırı olduğu düşünülüyordu.

Fakat Phillips ve çalışma arkadaşlarının yaptığı ölçümler bu beklentiyle tam olarak uyuşmadı.

1988 yılında atomların öngörülen teorik sınırdan yaklaşık altı kat daha düşük sıcaklıklara ulaşabildiği görüldü.

Bu sonuç fizikçiler açısından oldukça önemliydi çünkü mevcut teorik açıklamaların tek başına yeterli olmadığını gösteriyordu.

Claude Cohen-Tannoudji ve diğer araştırmacılar daha sonra bu beklenmedik durumun teorik açıklaması üzerinde çalıştı. Böylece atomları daha da düşük sıcaklıklara indirebilecek yeni yöntemlerin önü açıldı.

Bilimsel ilerlemenin ilginç taraflarından biri de tam olarak budur. Bazen deney, teorinin öngördüğünden farklı bir sonuç verir ve ortaya çıkan uyumsuzluk yeni bir araştırma alanının kapısını açar.

Phillips’in deneyleri de ultra-soğuk atom fiziğinde böyle bir etki yarattı.

Lazer soğutma ve atom hapsetme tekniklerinin gelişmesi fizikçilerin daha önce ulaşamadıkları sıcaklıklarda deneyler yapabilmesini sağladı.

Bu çalışmaların en dikkat çekici sonuçlarından biri, Bose-Einstein yoğunlaşmasının deneysel olarak gözlemlenmesine giden yolu açmasıydı.

Bose-Einstein yoğunlaşması, Albert Einstein ve Satyendra Nath Bose’un çalışmalarına dayanan sıra dışı bir madde durumudur.

Atomlar son derece düşük sıcaklıklara indirildiğinde klasik fizikte alışık olduğumuz davranışlardan farklı özellikler gösterebilir. Bazı koşullarda atomlar ayrı ayrı parçacıklar gibi davranmak yerine ortak bir kuantum durumu içerisinde hareket etmeye başlar.

Bu durum ilk kez 1995 yılında deneysel olarak gözlemlendi.

Bose-Einstein yoğunlaşmasını gerçekleştiren çalışmalar daha sonra Carl Wieman, Eric Cornell ve Wolfgang Ketterle’ye 2001 Nobel Fizik Ödülü’nü kazandırdı.

Phillips’in çalışmaları doğrudan bu Nobel’in konusu değildi ancak lazer soğutma tekniklerinin gelişmesi, bu tür ultra-soğuk atom deneylerinin yapılabilmesi için önemli bir bilimsel altyapı oluşturmuştu.

1997 Nobel Fizik Ödülü

William Daniel Phillips’in kariyerindeki en önemli dönüm noktalarından biri 1997 yılında yaşandı.

William Phillips, Steven Chu ve Claude Cohen-Tannoudji, atomların lazer ışığıyla soğutulması ve hapsedilmesine yönelik geliştirdikleri yöntemler nedeniyle 1997 Nobel Fizik Ödülü’nü birlikte kazandı.

Üç bilim insanı aynı alan üzerinde çalışmış olsa da araştırmalarında farklı deneysel ve teorik katkılar bulunuyordu.

Phillips özellikle atomların ulaştığı sıcaklıkların hassas biçimde ölçülmesi, beklenenden daha düşük sıcaklıkların ortaya çıkarılması ve atom demetlerinin yavaşlatılmasına yönelik teknikleriyle dikkat çekti.

Nobel Ödülü onun bilim dünyasında elde ettiği tek takdir değildi.

1996 yılında Franklin Enstitüsü tarafından Albert A. Michelson Medal ile ödüllendirildi. 1998’de Amerikan Fizik Derneği’nin verdiği Arthur L. Schawlow Prize in Laser Science ödülünü aldı.

1995 yılında Amerikan Sanat ve Bilimler Akademisi’ne, 1997 yılında ise ABD Ulusal Bilimler Akademisi’ne seçildi. Ayrıca NIST Fellow unvanına sahip oldu ve farklı bilim kuruluşlarında görev aldı.

Çalışmaları bugün neden önemli?

Ultra-soğuk atomlar, modern fiziğin birçok alanında önemli bir araştırma aracı haline geldi.

Atomların hareketleri çok düşük sıcaklıklarda yavaşladığında fizikçiler onları çok daha hassas biçimde kontrol edebilir ve kuantum özelliklerini inceleyebilir.

Bu tekniklerin uygulama alanlarından biri kuantum simülasyonudur. Araştırmacılar kontrol edilebilen atom sistemlerini kullanarak başka karmaşık kuantum sistemlerinin davranışlarını taklit edebilir.

Bir başka çalışma alanı kuantum bilgi işlemedir. Atomların kuantum özelliklerinin hassas biçimde kontrol edilebilmesi, kuantum teknolojileri üzerine yürütülen araştırmalar için önemli imkanlar sunmaktadır.

Phillips’in ilgi gösterdiği alanlardan biri de atomtronik olarak bilinen araştırma alanıdır. Atomtronikte, atomların elektronik devrelerde hareket eden elektronlara benzer biçimde kontrol edilmesi üzerine çalışılır.

Lazerle soğutulmuş atomlar aynı zamanda atom saatleri ve diğer hassas ölçüm sistemleri açısından da önemlidir.

Bu nedenle Phillips’in yıllar önce üzerinde çalıştığı yöntemler yalnızca belirli bir fizik deneyinin parçası olarak kalmadı; modern kuantum fiziğinin deneysel araçları arasına girdi.

Bilim ve din üzerine düşünceleri

William Phillips’i birçok Nobel ödüllü fizikçiden ayıran konulardan biri de bilim ve din arasındaki ilişki üzerine açık biçimde konuşmasıdır.

Phillips, Metodist Hristiyan geleneğine bağlı olduğunu ifade eden bir bilim insanıdır. Eşi Jane ile birlikte 1979 yılında Maryland’deki Fairhaven United Methodist Church topluluğuna katıldı.

Ona göre bilimsel araştırmalar ile dini inanç arasında zorunlu bir çatışma bulunması gerekmiyor.

Phillips ayrıca International Society for Science & Religion adlı oluşumun kurucu üyeleri arasında yer aldı. Bu kuruluş, bilim insanlarıyla din ve teoloji alanında çalışan kişilerin aynı ortamda fikir alışverişi yapmasını amaçlamaktadır.

2004 yılında Papalık Bilimler Akademisi’ne akademisyen olarak seçilmesi de onun bilim ve inanç arasındaki tartışmalarda yer alan isimlerden biri olmasını sağladı.

Ancak Phillips’in bilimsel ününün temelinde her zaman deneysel fizik çalışmaları bulunmuştur. Din üzerine yaptığı açıklamalar, daha çok bilim insanı kimliğinin yanında taşıdığı kişisel ve düşünsel yönünü gösterir.

William Daniel Phillips’in bilim tarihindeki asıl yeri, atomları daha iyi görebilmek için onları yavaşlatmayı başaran fizikçilerden biri olmasıdır.

Bu çalışmalar hem Nobel Fizik Ödülü’nü getirdi hem de ultra-soğuk atomlar ve kuantum teknolojileri üzerine bugün devam eden pek çok araştırmanın gelişmesine katkıda bulundu.