Bilim & Teknoloji

Fiziğin Karmaşık Dünyası ve Kuantum Teorisine Giriş


Alper Akyüz 27 Kasım 12:59

İlkokul yıllarında fen dersinde işlediğimiz atomun yapısı konulu derste, atomu oluşturan temel parçacıklar bunların yüklerini öğrenmiştik. Çekirdekte pozitif (+) yüklü proton etrafında negatif yüklü (-) elektron dolaşmaktaydı. Sonraki günlerde konu ise elektrik yüklerine geldi. "Aynı yükler birbirini iterken zıt yükler birbirini çeker" diye cümleler devam ederken benim aklımda birkaç soru belirdi. Mesela çekirdekteki bütün protonlar artı yüklüydü. Hepsi birbirini iterse çekirdek asla bir arada kalamamalıydı. Başka bir soru ise elektronlar eksi yüklü halleriyle etrafta dolaşırken neden pozitif yüklü çekirdeğe düşmüyorlardı. Bu sorular gibi başkaları da aklımda yaktıkları küçük parıltıları merakım, büyük bir şenlik (kuantum) ateşine çevirecekti.

Doğanın dörtlüsü

Evrende bildiğimiz bütün etkileşimleri düşünelim. Bunlar ortaya koyan kuvvetleri düşündüğümüzde evrendeki tüm olaylar dört kuvvete indirgeyebiliriz. Bunları elektromanyetik, yer çekimi, zayıf ve güçlü kuvvet (zayıf ve güçlü nükleer kuvvet) sınıflandırabiliriz. Geçen yazılarımızda yer çekimden bolca bahsettik. Elektromanyetik kuvvetler yüklü parçalıkların veya manyetik alanların oluşturduğu fiziksel bir kuvvettir. İki kavram da iç içedir. Temel taşıyıcı parçacığı yüksüz fotonlardır. Fotonlar doğadaki en küçük temel parçacıktır. Doğada gördüğümüz birçok olayın arkasında bu kuvvet vardır.

Zayıf kuvvet aslında benim sorularımdan birinin cevabıdır. Çekirdekte duran pozitif yüklü parçacıklar çekirdekten birbirini zayıf kuvvet dolayısıyla atmazlar. Çekirdeğin bütünlüğü ve parçalanması bu kuvvetle alakalıdır. Atom bombası yapmak istiyorsanız önce parçacıkların nasıl bozulup çekirdeğini parçaladığını anlamalı; sonra bunu kullanmalısınız. Zayıf kuvvetin taşıyıcı parçacıkları W ve Z bozonlarıdır. "Bozon da ne?" derseniz; bir tür güç taşıyan belli özelliklere uyan taneciklere verilen addır.

Son olarak güçlü kuvvetten bahsedelim. Güçlü kuvvet; esasında atomunu oluşturan proton, nötron gibi parçacıkları oluşturan kuark adı verdiğimiz temel parçacıkları bir arada tutan kuvvettir. Evet, bildiğimiz üzere doğadaki en küçük yapı taşları kuarklardır. Altı çeşit kuark çeşitli kombinasyonlarla bir araya gelerek kararlı parçacıkları oluşturur. Örneğin proton iki yukarı ve bir aşağı kuarktan oluşur. 

Böylece bu dört kuvveti şöyle bir tanımış olduk. Buradan sonra gelmek istediğimiz nokta, standart model. 1960’lardan bu dört temel kuvveti ifade eden matematiksel modellerin birleştirilmesiyle Standart Model ortaya çıkmıştır. Standart Modelin yapısı gereği bu kuvvetlerin birbiriyle ilişkilerini iyi bir şekilde anlatabiliyor. Fakat işin içine birazcık kuantum kattığımızda yetersiz kalıyor. Standart Model ortaya çıktığından bugüne birçok öngörüde bulundu ve bunlar sonraları yapılan birçok deneyde kanıtlandı. Ama yeterli mi; maalesef... Daha önceden bahsettiğimiz karanlık madde ve karanlık enerjinin bu modelde maalesef karşılığı yok. O yüzden yeni modellere ihtiyacımız var.

Yörüngede dolaşan elektronlar

Nötronlar ve protonlar kuarklardan oluşur. Elektronlar, kuarklar gibi birçok parçacık kendisini oluşturan daha küçük parçacıklar olmadığı için temel parçacık olarak adlandırılır. Sınıflandırmaları çok uzun ve detay olacağından bahsetmeyeceğim. Elektronlar çekirdeğin etrafındaki dönüşü bizim klasik modellerde basitçe algıladığımız ayın dünyanın etrafında dönüşü gibi değildir. Çünkü atom altı dünyasına küçüldüğümüzde; bizim gördüğümüz dünyadaki fizik kanunları, burada yerini kuantum denilen karmaşık hatta kaotik bir dünyaya bırakır.

Elektron çekirdeğin etrafında dönmektense çekirdeğin etrafında belirli enerji düzeylerinde bulunabilir. Enerji düzeyi düştükçe bulunma olasılığı artacak şekilde bulunabileceği yerlerin herhangi birinde olabilir. O yüzden bir noktadan ziyade noktalar kümesinden oluşan bir bölgenin içerisinde olacaktır. Bunu kuantum denklemlerinden çıkartıp yorumlayarak elde ediyoruz. 

Bu kadar şeyi şunu anlatmak için konuştuk. Elektron atomun etrafında ışık hızının %99,98’i gibi bir hızla döner. Hızı olan her şeyin bir momentumu, kuvveti yani enerjisi vardır. Bundandır ki elektron şayet çekirdeğe yaklaşırsa hızı aynı olmasına rağmen yörüngesi küçüleceğinden gitmesi gereken mesafe azalacak görece hızı artacağından çekirdeğe düşmeyecek daha geniş bir yörüngeye geçecek. Tam tersini düşünürsek çok hızı artan elektron gittikçe dış yörüngelere hareket edecek. Ta ki enerjisi ileri gitmesine izin vermeyeceği yörüngeye ulaşıncaya kadar.

Masallar ülkesi kuantum

Kuantum teorisine yavaşça yaklaşalım. Çünkü duyduklarımız bizi çok şaşırtacak. Einstein ve daha nice dâhileri şaşırttığı gibi... Kuantum teorisinin doğru olduğunu her gün binlerce kez kanıtlıyoruz. Telefonlarımız, bilgisayar, araba elektronik olan her şeyi neredeyse kuantum sayesinde yapabildik. Kuantum dünyasında her şey başka türlü yaşanıyor. Bizim gibi yer çekimi altında evrimleşmiş makro dünyanın içerindeki kurallara alışkın canlılar, kuantum dünyasındaki gariplikleri algılamakta zorlanmaktadır.

Kuantum dünyasında parçacıklar bir anda oldukları yerden çok uzaklara ışınlanabilir. Bir sabah kalktığımızda dünyanın güneşin etrafında değil de Sirius-A yıldızının etrafında döndüğünü düşünün. 9 ışık yılı öteye ışınlanmak heyecanlı olabilir. Sadece bu kadar da değil. Parçacıkların aynı anda birkaç noktada olması kuantum dünyasında sıradan bir olay. Oysa güneşin aynı anda yedi farklı yerde olduğunu düşünün. Pek makul değil! Bu dünyayı daha yakından tanıyacağız ama ileriki yazılarımızda. Çünkü insan kendi haricindeki dış faktörlere hâkim olmadan kendi düşüncelerini kıyaslayabileceği referans noktası elde edemez. Biz dış dünyadan etkilendiğimiz gibi atomlardan oluştuğumuzu unutmamalıyız. Atomların dünyası, bizim hikayemizin ışıltılı tozlarından başka bir şey değil.

Bu yazıyı kargala!
0 Yorum