Evreni Anlamak, En Büyükten En Küçüğe – 5: Kuantum Dünyasına Giriş

Büyüğü anlamak için küçüğü de anlamalıyız. Ancak tüm duyularınızı dışarıda bırakmalısınız anlamak için. Avucumuz kadar bir şeyi yaklaşık 26 kez ikiye bölersek elimizde kalan şeye atom diyoruz. Yani daha fazla parçalanamayan şeydir. Temel madde ve ışığın dünyasıdır aslında Kuantum dünyası.

Var olan en küçük atom hidrojendir. Hani yıldızların çekirdeğinde kaynaşarak başka atomları ve maddeleri oluşturan yan ürün olarak da güneşin ışımasını sağlayan atom. Evrende bilinen tüm maddenin yüzde 74’ünü oluşturan atom. Atom dediğimiz bir çekirdeğin çevresinde belli belirsiz elektrik yüklü dalgaların olduğu, belirsiz, yüklü ve kıpraşan elektron adını verdiğimiz ama ne olduğunu ve nerede olduğunu tam anlayamadığımız bir yapıdır.

Elektron gözlemlemediğimizde dalgamsı bir şeye benzer, baktığımızda ise bir parçacığa dönüşüverir. Elektronlar yüklü parçacıklardır. Yakalamak mümkün değildir ve bir yerde belirip başka bir yere sıçrayıverirler. Buna tünelleme diyoruz. Hiç zorlanmadan kuantum tünelleme yapabilir kuantum dünyadaki her şey. Ve onları durduracak hiç bir engel de yoktur. Kuantum alanı dediğimiz bir alana tabi olduklarından ki bu varsayımsal alan evrenin tamamını kaplamaktadır. Hiç boşluk bırakmadan hem de. Her yerdedir yani. Ve o alandan istedikleri kadar ödünç enerji alabildikleri için istedikleri gibi tünelleme yapabilir kuantum temel parçacıkları.

Elektromanyetik alan evrende her yerdedir Kuantum alanlarından biri. Evrendeki her bir elektronda bu alana aittir ve özdeştir. Tamtamına aynıdır hem de. Değiştirsek evren farkına bile varmaz. Bunu günlük hayattaki gibi düşünmemek gerek, bunu daha çok belki, tüm okyanustaki bir damla gibi düşünebiliriz, kendilerine ait özellikleri yoktur ama bütünün parçasıdır ve onun özelliklerini taşırlar ve yerleri belirlenemez, mümkün değildir yani. Ve asla beklendiği gibi de davranmazlar. Bir elektronun yerini bilirseniz eğer ne kadar hızlı hareket ettiğini bilemezsiniz, tersinden de elektronun enerjisini bilirseniz, bunu ne kadar süreyle koruyacağını bilemezsiniz.

Enerji ve zaman, konum ve hız, kuantum dünyada birbirinden bağımsız değildir. Tünelleme meselesi tuhaf gelebilir ancak 30 yıl kadar önce bu test edildi ve ondan yola çıkılarak yapılan taramalı tünelleme mikroskobunu bile kullanıyoruz yıllardır. 86’da Nobel bile aldı bu buluş.

Elektronların içinde daha küçük parçacıkları yoktur bildiğimiz kadarıyla. Daha fazla parçalanıp bölünemezler yani. O sebeple de ona temel parçacık diyoruz.

Tıpkı elektronlar gibi fotonlar da elektromanyetik alanın ifadesidir ve temel parçacıktır. Hem dalga hem parçacık gibi davranırlar üstelik. Bu alanın temel parçacığı olan bu ki madde birbirleriyle etkileşime geçebilir ve birbirlerine dönüşebilirler.

Bunu aslında gündelik yaşamda biliyoruz, güneşte durduğumuz zaman ısındığımızı hissederiz, Güneş ışıkları bize değdiğinde vücudumuzdaki elektronlar bir miktar foton yakalarlar. Yakalanan fotonlar elektronlara ama normalden biraz daha fazla kıpraşan elektronlara dönüşürler o da bizim ısınmamızı sağlar. Belirtmekte fayda var madde ve ışık birbirine dönüşebilirler ve her an dönüşüyorlar. Atomlar ayrıca elektronlarının yuttuğu ışığı dışarı atarak o maddenin yani bizlerin, cisimlerin o atomun ışığıyla ve rengiyle parlamasını sağlıyorlar. İşte bize ve diğer maddelere, çiçeğe, böceğe, kayaya rengini veren bu işlemdir. Kısaca elektronlar ve fotonlar olmasa birbirimizi ve ekmeği göremeyiz.

Peki atomların çekirdeğinde ne var. Bir atomu diğerlerinden ayıran elektronların varlığı değil, onların hepsi aynıdır, sayılarıdır. En küçükleri Hidrojen ve bir tane elektronu vardır. İkinci Helyumun ise 2 elektronu vardır. Ve orbitallere derecelerine göre yerleşirler. Bu ikisinin elektronları ilk derece orbitallerdedir. Detaylı araştırmak isteyenler için bunun adı Pauli dışlama kuralıdır.

Oksijen atomunun ise 8 tane elektronu olur. Hidrojenden çok daha büyük. İlk katman haliyle doludur 2 elektronla, ikinci katmanda ise 6 tane elektron vardır. İkinci katman 8 elektronluk yer barındırır. Yani 2 kişilik daha yer var. Hidrojen atomunun elektronları bu fırsatı kaçırmak istemezler çevredeki iki hidrojenin birer elektronu oksijenin dış katmanına yerleşiverir. Elektronlar özdeş olduklarından sorun yoktur. Bu iki hidrojen ve 1 oksijen elektronları yerleşince bu üç atom birlikte yaşamak zorunda kalıyorlar, çünkü yapı kararlılığa ulaşmış oluyor ve ne başkasına yer var artık ne de bölünmeye. Bu üçlü bizim bildiğimiz suyu oluşuyorlar. Buna molekül diyoruz. H2O

Dünyada yaşamın oluşması için gereken moleküllerin tamamının oluşabilmesi için 6 tane atom gerekliydi bize. Karbon, hidrojen, nitrojen, oksijen, fosfor ve sülfür. CHNOPS denir kısaca.

Bazen de atomların elektronları koparılır. Örneğin güçlü bir foton çarptığında elektron kaybeder atom, işte bir ya da daha fazla elektron kaybetmiş atoma da iyon diyoruz. İyonlar doğal olarak bağlanacak ve molekül oluşturacak bir şey arama eğilimindedirler. Elektron ararlar yani. Fizikte buna reaktifleşme denir.

Evrendeki tüm atomların dış katmanları elektronlardan oluşur, bunlar koparılabilen, dalgaya benzer güçlü elektrik yüklerinden oluşur. Elektromanyetik alanın temel parçacığıdır bu ve kişisel alanları konusunda tutucudurlar. Pauli dışlama ilkesi, iki elektronun uzay zamanda aynı yerde olmasını yasaklar. Pauli ilkesi farklı atomların yapısal farklarını da açıklar.

Bizi meydana getiren madde hakkında öğrenebileceğimiz pek çok şeyi biliyoruz artık .

Quark Structure Of Neutron

Atomun çekirdeğinin şeklini tam bilemiyoruz, belli bir şekli yok gibidir. İçindekinin kütlesi vardır. Elektrondan daha ağırdır 1836 kat daha ağır. Bir de yüklüdür ve elektronun tam tersi yükle yüklüdür. Adı protondur. 1911’de keşfettik. Proton temel parçacık değildir. Çekirdeğe girdiğinizde inanılmaz bir güçle karşılaşırsınız. Şimdiye kadar bildiklerimizden farklı bir güçle.

Protonun içinde elektromanyetik ışık demetlerinden oluşan sayısız sanal parçacık görünür ve kaybolur. Bunlar yepyeni bir kuvvetin taşıyıcılarıdır. Bu kuvvet ait olduğu kuantum alanıyla beraber maddeye kararlığını veren güçtür. Bunlar ışıktaki elektromanyetik kuvveti taşıyan fotonlardan yüzlerce kat daha güçlüdür. Bu güce Güçlü Etkileşim Kuantum Alanı denir. Protonun içinde 3 adet kuark dediğimiz şeyler vardır. Kuarklar tek başına duramazlar çift olmak zorundadırlar ve 6 çeşittir. Onları çiftleri yani inanılmaz bir güçle bir arada tutan Güçlü Etkileşim Kuantum Alanının taşıyıcılarına ise gluon diyoruz. Tüm protonlar onlardan oluşur. Kuarklar da temel parçacıktır. Bilinen kuvvetlerin en güçlüsü olan Güçlü Nükleer Kuvvetin taşıyıcısı da gluonlardır. Bu güçlü kuvvet, kuarklar ve gluonlardan oluşan kuvvet, vücudumuzun %99,97 sini meydana getirir. Ortalama bir insandan gluon ve kuarklarını alsak yaklaşık 18 grama düşer ve haliyle de ölür.

Güçlü alan da elektromanyetik alan da tüm evreni kaplar. Bunlar elektron ve fotonlarla değil, kuarklar ve gluonlarla meydana gelir. Elektriksel yüke sahip olan kuarklar hem güçlü etkileşim alanına hem de elektromanyetik alana aittirler. Işık gluonlar üstünden iki alanının kuvvet taşıyıcılarıyla etkileşime girebilirler. Kuarklar ve gluonlar birbirlerine dönüşebilirler. Asil ilginç olanı ise yoktan var olabilir ve birden yok olabilirler.

Çekirdekte protonu kuşatan bir de elektriksel anlamda yüksüz olan nötr olan Nötronlar vardır.

Yıldızların merkezinde olan şey bu konuyla ilgilidir tam olarak. Füzyona uğrayan küçük atomlar daha büyük atomlara dönüşür. Yani nötronlarla protonlar sürekli birleşirler. Birleşince de kuarkları koruyabilecek o kadar çok sanal gluona ihtiyaçları kalmaz ve yıldızın merkezindeki bu fazla gluonlar ve kuarklar boşa çıkarlar. Enerji eşittir kütle olduğu için bunlar boşa çıkınca çekirdek bir miktar hafifler. Bu boşa çıkan parçacıklar da yıldızın parıldamasına sebep olur.

Evrenimize hükmeden 4 kuvvet

Evrenimize hükmeden 4 kuvvetin sonuncusu Zayıf Nükleer Kuvvet. Güçlü kuvvet gibi o da sadece çekirdek üstünde etkilidir. Etki alanına ise Zayıf Nükleer Kuvvet Kuantum Alanı denir. Radyoaktivite dediğimiz atom çekirdeğinin kendiliğinden parçalanması bu alanın özelliklerinden biridir. Radyoaktif bozunma da denir. Yani bir atomun bozunarak daha küçük atomlara dönüşmesi sürecidir. Bu bozunma da etrafa çok fazla enerji ve parçacık çıkarır. Bunlardan biri de daha önce görmediğimiz Nötrino‘dur. Bugüne kadar hayal edebildiğimiz en küçük parçacık budur. Vücudumuzdan her saniye 60 milyar nötrino geçer. Radyoaktif bozunmada Nötrino dışında gamma ışını da ortaya çıkar. Gamma ışınları çok aktif foton çeşitleridir ve vücudumuzda yanıklar yaratabilirler. Radyoaktivite atomları parçalar, bizi öldürebilir ama dünyamız için yaşamsal öneme sahiptir. O olmasa biz de olmazdık.

1979’da Nobel ödülü alan 3 fizikçi Elektromanyetizma ile zayıf kuvvetin başka bir kuvvetin iki yönü olduğunu keşfettiler. Bu ikisinin evrenin ilk zamanlarında tek bir kuvvet olduklarını yani elektro zayıf alan olduğunu buldular.

Yine değiniriz bunlara yazının diğer bölümünde.

Y.Emir Emirmahmudoglu 

Matematiksel

 

Yazıyı Hazırlayan: Emir Emirmahmudoglu

Y.Emir Emirmahmudoglu
1973 K.Maraş doğumlu, İTÜ’de Matematik ve mühendislik okuduktan sonra, Ankara Üniversitesinde Hukuk okudu. Uzun yıllar Ankara ve İstanbul’da dershanelerde Matematik, Fizik ve Felsefe öğretmenliği yaptı. Amsterdam’da Vrije Universiteit’da Yapay Zeka eğitimi aldı ve halen yeniden burada Matematik öğretmenliği okuyor. Rotterdam’da yaşıyor. Halen evreni ve varoluş sorunlarımızı düşünmekten büyük zevk alıyor. Ve bu zevki çocuğu da dahil tüm çocuklara aşılamak istiyor.

Bunlara da Göz Atın

Entropi İlkesinin Kadim Düşmanı: Maxwell’in Cini

Makro evrenin ısı ve iş kavramlarıyla ilintili değişkenlerini inceleyen ve tüm mühendislik dallarında ayrıntısıyla okutulan, …

Bir Cevap Yazın

E-posta hesabınız yayımlanmayacak. Gerekli alanlar * ile işaretlenmişlerdir

ga('send', 'pageview');