Antimaddenin babası olarak anılan Paul Dirac, birçok uzmana göre Newton’dan sonraki en büyük İngiliz fizikçiydi. Araştırmaları, doğada hiç görülmemiş bir varlığı yalnızca kuramsal gerekçelerle öngören ilk çalışma oldu. Bu sonuç, deney değil, hayal gücü ve soyut matematik tarafından yönlendirildi. Dirac, bu başarısıyla 1933’te, otuz bir yaşında Nobel Fizik Ödülünü aldı.
Yirminci yüzyıl fizik bilimine iki büyük kuram armağan etti. Görelilik kuramı en hızlı parçacıkların davranışını tanımladı; kuantum kuramı ise maddenin en küçük birimlerinin yasalarını ortaya koydu. Aynı bilimsel kökenden gelseler de bu iki kuram uzun süre birbirine yaklaşmadan gelişti. Bu ortak kökün adı Albert Einstein’dı.
Paul Dirac da tıpkı Einstein gibi fiziksel denklemlerin taşıdığı estetik yapıya büyük önem verirdi. Matematiksel güzelliğin doğru fiziksel yasaları işaret ettiğine inanırdı. Sosyal açıdan çekingen fakat çalışma disiplininde kararlıydı.
1925 yazında Heisenberg, Cambridge’de matris mekaniğini tanıttı. Bu yaklaşımının ne kadar köklü bir yenilik olduğunu o sırada kimse fark etmemişti. Konuşmanın metni Dirac’ın eline geçtiğinde, Dirac metindeki matematiksel yapının gücünü hemen gördü ve Heisenberg’in fikirlerini daha geniş bir kuramsal çerçeveye taşımak için çalışmaya başladı.
Paul Dirac Çok da Şanslı Sayılmazdı
Dirac, çalışmalarını yayımlarken zamanlama açısından sürekli talihsizlik yaşadı. Heisenberg’in fikirlerinden yola çıkarak dalga denklemlerine dayanan bir kuram geliştirdi, fakat Erwin Schrödinger kendi denklemine daha erken ulaşıp yayımladı.
Belirsizlik ilkesini de bağımsız olarak çıkardı, ancak Heisenberg bu sonucu ondan önce duyurdu. Matris mekaniğini kullanarak hidrojen atomunun tayfını hesapladı, fakat Wolfgang Pauli makalesini yalnızca üç gün önce yayımlamıştı.
Kuantum alan teorisini de aynı dönemde geliştirdi, fakat Pascual Jordan bu konuda öne geçti. Çok sayıda elektronu tanımlayan kuantum istatistiklerinde ise Enrico Fermi aynı sonuca bağımsız biçimde ulaştı. Neyse ki bu çalışmaya Dirac’ın adı da kondu ve Fermi–Dirac istatistikleri olarak bilinir hale geldi.
Ancak tüm bu girişimleri, aslında birer ısınmaydı. Dirac bütünüyle başka bir şeyle tanınır. Einstein’ın özel görelilik kuramı ile kuantum kuramını uzlaştırmayı başaran kişidir.
Paul Dirac Ve Anti Maddenin Keşfi
Dirac, Einstein’ın özel görelilik kuramı ile kuantum mekaniğini tek bir denklemde birleştirmeye çalıştı. Elinde kuramı destekleyen bir deney kanıtı yoktu. Sadece matematiksel güzelliğin doğruluğun bir işareti olduğuna inanıyordu. Farklı seçeneklerle uğraştıktan sonra tüm estetik ölçütlerine uyan bir çözüm buldu.
Dirac Denklemi, hem çok küçük hem de çok hızlı olan elektronların ışık hızına yakın durumlarda nasıl davrandığını açıklar. Bu başlı başına etkileyici bir başarıydı, ancak sonuçları bununla sınırlı kalmadı.
Denklem yalnızca negatif yüklü elektronlar için değil, pozitif yük taşıyan ve elektron gibi davranan bir parçacık için de çalışıyordu. Dirac denklemini çözdüğünde birkaç şaşırtıcı öngörü buldu. Bunlardan biri antimaddenin varlığıydı.
Yani elektrona denk, fakat pozitif yüklü bir parçacık olmalıydı. Başta bu parçacığın bir proton olabileceğini düşündü, fakat protonun kütlesi çok büyüktü. Dirac’ın denklemi, protondan yaklaşık iki bin kat daha hafif bir parçacığı işaret ediyordu.
Bu kadar hafif ve pozitif yüklü bir parçacık henüz hiç gözlenmemişti. Yine de denklemi onu öngörüyordu. Dirac bu parçaya anti-elektron adını verdi. 1931’de yayımladığı bir makalede, bu henüz gözlenmemiş parçacık bir elektronla çarpıştığında iki parçacığın birbirini yok edeceğini öngördü.
Dirac daha sonra her parçacığın neredeyse aynı özelliklere sahip, yalnızca elektrik yükü zıt olan bir karşı parçacığa sahip olması gerektiğini savundu. Proton, nötron ve elektron nasıl atomları ve maddeyi oluşturuyorsa, antiproton, antinötron ve antielektronun yani pozitronun da antiatomları ve antimaddeyi oluşturacağını öne sürdü. Bu bulgular onu bir antimadde evreninin bile var olabileceğini düşünmeye yöneltti.
Ertesi yıl, deneysel fizikçi Carl Anderson kozmik ışınları incelerken sis odasında tuhaf bir iz gördü. Bir parçacık elektron gibi kıvrılarak ilerliyordu, fakat eğrisi ters yöndeydi. Bu durum pozitif yüklü olduğunu düşündürüyordu.
Anderson, Dirac’ın öngörüsünden habersizdi. 1932’de bu konuda bir makale yayımladığında editörü parçacığa pozitron adını önermişti. Dirac ertesi yıl denklemiyle Nobel Ödülünü aldı, Anderson ise pozitron keşfiyle 1936’da ödüllendirildi.
Sonuç Olarak;
Antimadde, yirminci yüzyılın en heyecan verici keşiflerinden biriydi. Dan Brown gibi yazarlar bu fikri kurgularına taşıdığı için birçok kişi antimaddeyi uzak ve kuramsal bir kavram sanır, oysa antimadde bugün her gün üretiliyor. Üstelik antimadde araştırmaları evrenin nasıl işlediğini anlamamıza gerçek katkı sağlıyor.
Antimadde, karşıt parçacıklardan oluşan bir maddedir. Bilinen her parçacığın kendisine neredeyse tamamen benzeyen fakat zıt yüke sahip bir karşı parçacığı olduğu düşünülür. Örneğin elektron negatif yüklüdür. Elektronun karşı parçacığı olan pozitron aynı kütleye sahiptir fakat pozitif yüklüdür. Bir parçacık ile karşı parçacığı karşılaştığında birbirini yok eder ve bu yok oluş bir ışık patlamasıyla ortaya çıkar.
Westminster Abbey, Londra’nın Westminster kentinde yer alan önemli bir kilisedir. Bu kilisenin zeminine yazılmış iki denklemden biri Dirac denklemidir. Diğeri ise Stephen Hawking’in kara deliklere ilişkin denklemidir.
“Fiziğin tüm denklemleri arasında belki de en büyülü olanı Dirac denklemidir”; diyor Amerikalı fizikçi Frank Wilczek. Bu da bize Paul Dirac’ın hayatı boyunca peşinden koştuğu matematiksel güzelliği elde ettiğini kanıtlıyor.
Kaynaklar ve ileri okumalar
- How Dirac predicted antimatter. Yayınlanma tarihi: 12 Mayıs 2009. Kaynak site: New Scientist. Bağlantı: How Dirac predicted antimatter
- ‘The most magical equation in physics’. How Paul Dirac accidentally revealed the strange world of antimatter. Yayınlanma tarihi: 5 Ağustos 2023. Kaynak site: LİveScience. Bağlantı: ‘The most magical equation in physics’. How Paul Dirac accidentally revealed the strange world of antimatter
Size Bir Mesajımız Var!
Matematiksel, matematiğe karşı duyulan önyargıyı azaltmak ve ilgiyi arttırmak amacıyla kurulmuş bir platformdur. Sitemizde, öncelikli olarak matematik ile ilgili yazılar yer almaktadır. Ancak bilimin bütünsel yapısı itibari ile diğer bilim dalları ile ilgili konular da ilerleyen yıllarda sitemize dahil edilmiştir. Bu sitenin tek kazancı sizlere göstermek zorunda kaldığımız reklamlardır. Yüksek okunurluk düzeyine sahip bir web sitesi barındırmak ne yazık ki günümüzde oldukça masraflıdır. Bu konuda bizi anlayacağınızı umuyoruz. Ayrıca yazımızı paylaşarak da büyümemize destek olabilirsiniz. Matematik ile kalalım, bilim ile kalalım.
Matematiksel
