Bilgisayar başında bu makaleyi okurken, üzerinizde etkili olan pek çok fiziksel kuvvetin farkında bile olmayabilirsiniz. Oysa sokakta yürümekten uzaya roket fırlatmaya, buzdolabına bir mıknatıs yapıştırmaktan atom altı parçacıkların hareketine kadar her şey, belirli fiziksel kuvvetlerin etkisiyle gerçekleşir. Dahası, tüm bu karmaşık etkileşimleri yalnızca dört temel kuvvete indirgemek mümkündür.
Dört temel kuvvet olmadan, siz ve evrendeki diğer tüm maddeler varlığını sürdüremezdi. Şimdi bu temel kuvvetlerin her birine, ne işe yaradıklarına, nasıl keşfedildiklerine ve birbirleriyle nasıl ilişkili olduklarına kısaca göz atalım.
Kütleçekim Kuvveti
Bizim gezegende durmamızı, gezegenlerin yörüngelerinde kalmasını sağlayan ve sağduyumuzla en kolay algıladığımız kuvvet olan kütleçekimi — ya da bilinen adıyla yerçekimi — aynı zamanda açıklaması en zor olan kuvvettir.
Newton, yerçekimini; kütleyle doğru orantılı, aralarındaki mesafenin karesiyle ters orantılı olan ve herhangi iki nesne arasında etki eden bir çekim kuvveti olarak tanımladı. Yüzyıllar sonra Albert Einstein, genel görelilik kuramıyla yerçekiminin aslında bir kuvvet değil, kütleli cisimlerin uzay-zamanı bükmesi sonucu oluşan bir etki olduğunu ortaya koydu.
Yıldızlar ve gezegenler gibi devasa kütleli cisimlere baktığımızda, kütleçekiminin son derece güçlü bir kuvvet olduğunu görürüz. Ancak ölçeği atom altı parçacıklara indirdiğimizde bu durum tersine döner; yerçekiminin etkisi neredeyse yok denecek kadar zayıftır. Bunun nedeni, parçacıkların kütlelerinin son derece küçük olmasıdır. Bu nedenle kütleçekimi, aslında doğadaki en zayıf temel kuvvet olarak kabul edilir.
Elektromanyetik Kuvvet
Adından da anlaşılacağı üzere, elektromanyetik kuvvet iki bileşenden oluşur: elektrik kuvveti ve manyetik kuvvet. Fizikçiler başlangıçta bu kuvvetleri birbirinden bağımsız sanıyordu; ancak daha sonra bunların aynı temel kuvvetin farklı yönleri olduğu anlaşıldı.
Elektriksel bileşen, yüklü parçacıklar arasında — ister hareket ediyor olsunlar ister sabit kalsınlar — etki eder. Bu parçacıklar, oluşturdukları elektrik alanlar aracılığıyla birbirlerini etkiler. Ancak yüklü parçacıklar hareket etmeye başladığında devreye elektromanyetik kuvvetin ikinci bileşeni girer: manyetik kuvvet.
Hareket eden yükler çevrelerinde bir manyetik alan oluşturur. Örneğin, bilgisayarınızı ya da telefonunuzu şarj ederken, elektronlar kablo boyunca hızla hareket eder ve bu hareket, kablonun çevresinde bir manyetik alan yaratır.
Elektromanyetik kuvvet, günlük yaşamda deneyimlediğimiz pek çok olgunun temelinde yatar: sürtünme, esneklik, cisimlerin şeklini korumasını sağlayan kuvvetler ve hatta masanın üzerine konmuş bir kitabı orada tutan normal kuvvet gibi. Örneğin, masanın yüzeyindeki elektronlar, kitapta bulunan elektronlarla itişir; bu elektrostatik itme kuvveti sayesinde kitap masanın üzerinden aşağı düşmez. Yerçekimi hâlâ kitaba etki etse de, elektromanyetik kuvvet, onun masa yüzeyini delip geçmesini engeller.
Güçlü Nükleer Kuvvet
Güçlü nükleer kuvvet (veya güçlü nükleer etkileşim), doğadaki dört temel kuvvetin en güçlüsüdür. Kütleçekimden yaklaşık 6 bin trilyon trilyon trilyon (yani 6’nın ardından 39 sıfır!) kat daha güçlüdür. Proton ve nötronları oluşturan kuarkları bir arada tutar; ayrıca bu kuvvetin bir kısmı, proton ve nötronların atom çekirdeğinde bağlı kalmasını sağlar.
Güçlü kuvvetin ilginç bir özelliği, diğer temel kuvvetlerden farklı olarak parçacıklar birbirine yaklaştıkça zayıflamasıdır. Bu kuvvet en yüksek gücüne parçacıklar birbirinden en uzak konumdayken ulaşır. Kuarklar bu mesafe içinde olduğunda, gluon adı verilen kütlesiz bozonlar güçlü kuvveti aktarır ve kuarkları adeta birbirine “yapıştırır.”
Güçlü kuvvetin küçük bir parçası olan artık güçlü kuvvet ise proton ve nötronlar arasında etkilidir. Çekirdekteki protonlar aynı yüke sahip oldukları için birbirlerini iter, fakat artık güçlü kuvvet bu itme etkisini yenerek parçacıkların çekirdek içinde bağlı kalmasını sağlar.
Zayıf Nükleer Kuvvet
Zayıf kuvvet (veya zayıf nükleer etkileşim), parçacıkların bozunmasından sorumludur. Bu süreç, bir tür atom altı parçacığın başka bir türe dönüşmesi anlamına gelir. Fizikçiler bu etkileşimi, bozon adı verilen kuvvet taşıyıcı parçacıkların alışverişiyle açıklar.
Doğadaki dört temel kuvvetin üçü — elektromanyetik kuvvet, güçlü kuvvet ve zayıf kuvvet — özel türdeki bozonlar aracılığıyla aktarılır. Zayıf kuvvette bu parçacıklar, W ve Z bozonlarıdır. Proton, nötron veya elektron gibi parçacıklar birbirine yaklaştığında bu bozonları değiş tokuş eder. Sonuçta atom altı parçacıklar yeni parçacıklara dönüşerek bozunma gerçekleşir.
Zayıf kuvvet, Güneş’i besleyen nükleer füzyon reaksiyonları için kritik öneme sahiptir. Bu sayede Dünya’daki yaşamın ihtiyaç duyduğu enerjinin büyük kısmı üretilir. Ayrıca bu kuvvet sayesinde arkeologlar, eski kemikler, ağaç parçaları ya da diğer organik kalıntıları tarihlendirmek için karbon-14 yöntemini kullanabilir.
Karbon-14, altı proton ve sekiz nötrona sahiptir. Zamanla bu nötronlardan biri protona dönüşür ve ortaya yedi proton ile yedi nötrondan oluşan azot-14 çıkar. Bu bozunma sabit bir hızda gerçekleştiği için bilim insanları, kalıntıların yaşını hesaplar.
4 Temel Kuvveti Birleştirmek
Fizikteki en büyük sorulardan biri, dört temel kuvvetin aslında evrenin tek ve büyük bir kuvvetinin farklı görünümleri olup olmadığıdır. Eğer öyleyse, her birinin diğerleriyle birleşebilmesi gerekir — ve bunun mümkün olduğuna dair şimdiden bazı kanıtlar mevcuttur.
Fakat bu birleşim hiç de kolay değil. Büyük ve özellikle de astronomik ölçeklerde kütleçekimi baskın hâle gelir ve en iyi Einstein’ın genel görelilik teorisi ile açıklanır. Buna karşılık, moleküler, atomik ve atom altı ölçeklerde kuantum mekaniği doğayı en iyi şekilde açıklar. Şimdiye kadar kimse bu iki dünyayı birleştirecek bir teori ortaya koymayı başaramadı.
Her ne kadar bu temel etkileşimler evrendeki fiziksel olayların çoğunu açıklasa da, bilinen kuvvetlere dayalı olarak açıklanamayan bazı olgular hâlâ vardır. Bu durum, fizikçileri acaba başka kuvvetler de mi iş başında sorusunu sormaya yöneltmiştir.
Beşinci kuvvetin aranışı uzun soluklu bir yolculuk ve oldukça geniş kapsamlı bir bilimsel girişimdir. 1980’lerde MIT’deki bilim insanları bir süreliğine antigravitasyonu beşinci kuvvet adayı olarak düşündüler. 2000’lerin başında ise “quintessence” adı verilen başka bir fikir popülerlik kazandı. Son dönemde Chicago’daki Fermilab’da yürütülen muon g-2 deneyi, beşinci kuvvetin izine rastlanabileceği umudunu doğurmuştu. Ancak deneyin nihai sonuçları büyük ölçüde Standart Model’i doğruladı.
Şimdilik arayış sürüyor, fakat bilim insanları fiziğin temellerini değiştirebilecek bir cevaba adım adım yaklaşıyorlar.
Kaynaklar ve ileri okumalar:
- The Four Fundamental Forces of Nature; Yayınlanma tarihi: 1 Ekim 2019. Bağlantı: The Four Fundamental Forces of Nature
- Jha, Ramanand & Sinha, Krityunjai. (1988). A possible model for fifth force. Pramana. 31. 10.1007/BF02846963.
- Nath, Atanu & Wu, Yongyi & Valetov, Eremey. (2023). Measurement of the Positive Muon Anomalous Magnetic Moment to 0.20 ppm. Physical Review Letters. 131. 161802. 10.1103/PhysRevLett.131.161802.
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
Büyük ihtimalle Atomaltı parçacıkların dahada alt kırılımlarında başka kuvvetler olabilir. Birde buradan elde edilebilecek nukleer enerji gibi enerjilerde ilginç olabilir.