Sokakta yürümekten uzaya bir roket fırlatmaya, buzdolabınıza mıknatıs yapıştırmaya kadar her yerde fiziksel güçler iş başındadır. Ancak her gün bazen bilinçli bazen de bilinçsiz tüm fiziksel deneyimlerimizi aslında sadece dört temel kuvvete indirgemek mümkündür. Bu kuvvetler; Kütleçekim kuvveti; Zayıf Nükleer Kuvvet; Elektromanyetik Kuvvet; Güçlü Nükleer Kuvvet biçimindedir. Aslında bu dört temel kuvvet evrende gerçekleşen her şeyi yönetirler.
Kütleçekim Kuvveti
Bizim gezegende durmamızı, gezegenlerin yörüngelerde olmasını sağlayan ve sağduyumuzla en rahat algılayabildiğimiz kuvvet olan kütleçekim kuvveti ya da bilinen adı ile yerçekimi, aynı zamanda açıklaması en zor kuvvettir. Yerçekimi fikri hayatımıza ağaçtan düşen bir elmadan esinlenen Isaac Newton ile girdi.
Kendisi yerçekimini iki nesne arasındaki gerçek bir çekim olarak tanımladı. Yüzyıllar sonra, Albert Einstein, genel görelilik teorisi sayesinde, yerçekiminin bir çekim ya da güç olmadığını, bunun yerine, uzay-zaman büken nesnelerin bir sonucu olduğunu öne sürdü.
Yıldızlar ve gezegenler gibi çok yüksek kütleli cisimlere baktığımızda kütle çekimini oldukça güçlü bir kuvvet olarak görüyoruz. Fakat atomik seviyeye indiğimizde etkisi çok azalıyor. Çünkü atomik seviyede parçacıkların kütleleri çok az. Bu seviyelerde karşımızda en güçsüz kuvvet olarak gözükmekte.
Zayıf Nükleer Kuvvet
Bu kuvvet pek çok parçacığın ve hatta pek çok atom çekirdeğinin kararsız olmasından sorumludur. Kuvvetin etki ettiği parçacık, bozunarak, kendisiyle akraba bir parçacığa dönüşür. Bu esnada bir elektron ile bir nötrino çiftini ortaya çıkartır.
Fizikçiler bu etkileşimi bozon denilen, kuvvet taşıyan (nakleden) parçacıkların değişimi yoluyla açıklarlar. Zayıf kuvvetten, elektromanyetik kuvvetten ve güçlü kuvvetten belirli türdeki bozonlar sorumludur. Zayıf kuvvet içinde, bozonlara W ve Z bozonları adı verilen parçacıklar yüklenmiştir.
Protonlar, nötronlar ve elektronlar gibi atom altı parçacıklar 10-18metreye yani kabaca protonun çapının % 0.1’ine denk geldiğinde, parçacıklar bu bozonları değiştirebilirler. Sonuç olarak atom altı parçacıklar yeni parçacıklara dönüşür.
Atom çekirdeği ve daha küçük ölçeklerde gözlenen bu kuvvetin etkisini günlük hayatta doğrudan fark edemeyiz. Zayıf kuvvet, güneşe güç veren ve Dünya’daki çoğu yaşam formu için gerekli olan enerjiyi üreten nükleer füzyon reaksiyonları için kritik öneme sahiptir.
Bu kuvvet ayrıca arkeologların antik eserleri tarihlemek için karbon-14’ü kullanabilmesinin de nedenidir. Karbon-14’ün altı protonu ve sekiz nötron vardır. Bu nötronlardan biri bozunarak, yedi proton ve yedi nötron içeren nitrojen-14’ü yapmak için bir protona dönüşür. Bu bozulma öngörülebilir bir oranda gerçekleşir. Bu da bilim insanlarının eski eserlerin kaç yaşında olduğunu belirlemelerine olanak tanır.
Elektromanyetik Kuvvet
Kütleçekim kuvveti bizleri Dünya üzerinde, gezegenleri de Güneş çevresinde tutar. Elektronları atomda tutan kuvvet ise elektromanyetik kuvvettir ve kütleçekim kuvvetinden çok daha şiddetlidir. Elektromanyetik kuvvet uzun erimlidir.
Ayrıca kütleçekim kuvvetinin aksine, hem çekim hem de itme etkisine sahiptir. Elektromanyetik etkileşim yüklü parçacıklar arasında gerçekleşir. Bunlar + ve – yüklerdir. Aynı yükler birbirlerini iterler, zıt yükler ise birbirlerini çekerler. Bu yüklerin etkileşimi ise foton değişimi ile gerçekleşir.
Adından da anlaşılacağı gibi, elektromanyetik kuvvet iki kısımdan oluşur: elektrik kuvveti ve manyetik kuvvet. İlk başta fizikçiler bu kuvvetleri birbirinden ayrı olarak tanımlasalar da araştırmacılar daha sonra ikisinin aynı kuvvetin bileşenleri olduğunu fark etmişlerdir.
Hareketli elektrik yükleri manyetik alan üretir ve değişen manyetik alan da elektriksel gerilim üretir. Elektromanyetik kuvvetler, yüklü parçacıklar arasında, aynı zamanda ışığın parçacık bileşenleri olan ve foton olarak adlandırılan, kütlesiz, kuvvet taşıyan bozonların değişimi yoluyla transfer edilir. Elektromanyetik kuvvet, sürtünme, elastikiyet, hava direnci gibi birçok olaydan sorumludur. Bu eylemler, birbirleriyle etkileşime giren yüklü (veya nötrleştirilmiş) parçacıklar nedeniyle oluşur.
Güçlü Nükleer Kuvvet
Güçlü nükleer etkileşim olarak da adlandırılan güçlü nükleer kuvvet, doğanın dört temel kuvvetinin en güçlüsüdür. Bunun nedeni, daha büyük parçacıklar oluşturmak için maddenin temel parçacıklarını birbirine bağlamasıdır.
Bir atomun çekirdeğinde bulunan Protonlar, nötronlar ve diğer parçacıklar kuark çiftlerinden ya da kuark üçlülerinden oluşmuşlardır. Güçlü nükleer kuvvet bu kuarkları bir arada tutar. Bu kuvvet diğer temel kuvvetlerin aksine, atom altı parçacıklar birbirine yaklaştıkça zayıflar, parçacıklar birbirinden en uzaktayken maksimum güce ulaşır. Güçlü ve zayıf kuvvet taşıyıcıları, 1980’li yıllarda şekildeki Süper Proton Sinkrotronu adı verilen dev hızlandırıcıda yapılan deneylerde gözlenmiştir.
4 Temel Kuvveti Birleştirmek
Dört temel kuvvetin en önemli sorusu, aslında evrenin tek bir büyük kuvvetten oluşup oluşmadığını anlamaktır. Eğer öyleyse, her biri diğerleriyle birleşebilmelidir ve aslında bunun mümkün olduğuna dair de kanıtlar vardır.
1979 yılında, Londra Imperial College’dan Abdus Salam ile Harvard Üniversitesi’nden fizikçi Sheldon Glashow ve Steven Weinberg, elektromanyetik kuvveti zayıf kuvvetle birleştirerek elektrozayıf etkileşim kavramını oluşturdu ve bu buluş ile Nobel Fizik Ödülü’nü kazandı.
Devamında fizikçiler elektrozayıf etkileşim ile güçlü kuvvet birleştirerek parçacık fiziğinde; elektromanyetik, zayıf ve kuvvetli etkileşimleri tek bir güç haline getirebilecek bir model olan Büyük Birleşik Teoriyi ortaya çıkardılar. Bulmacanın son parçası bu kuvvetler ile kütleçekim teorisi birleştiğinde tamamlanacak.
Ancak bu o kadar da kolay bir süreç değil. Çünkü bunun için fizikçilerin mikroskobik dünyayı makroskopik olanla birleştirmeleri gerekiyor. Astronomik ölçeklerde, yerçekimi hakimdir ve en iyi Einstein’ın genel görelilik teorisi tarafından tanımlanır. Ancak moleküler, atomik veya atom altı ölçeklerde kuantum mekaniği doğal dünyayı en iyi şekilde tanımlar. Ve şimdiye kadar kimse bu iki dünyayı birleştirmenin iyi bir yolunu bulamadı.
Karanlık Madde ve Karanlık Enerji
Bu tanımı olası kılmak için, Kuantum yerçekimini inceleyen fizikçiler, kuvveti kuantum dünyasına göre tanımlamayı amaçlıyorlar. Kütleçekim kuvveti için de taşıyıcı parçacıklar olduğu sanılmaktadır, henüz gözlenmemekle birlikte bu parçacıklar da “graviton” olarak adlandırılmaktadır.
Bu yaklaşımın temeli, yerçekimi kuvvetinin teorik kuvvet taşıyan bozonu olan gravitonların keşfi olacaktır. Bilim insanları gravitonların atom altı seviyede var olmasını bekliyorlar – araştırmacılar henüz bu parçacıkları bulamadılar. Hikayeyi daha da karmaşık hale getiren, evrenin kabaca% 95’ini oluşturan karanlık madde ve karanlık enerjidir.. Karanlık madde ve enerjinin tek bir partikülden mi yoksa kendi kuvvetlerine ve haberci bozonlarına sahip bütün bir partikül kümesinden mi oluştuğu belli değil.
Şu ana kadar var olduklarına dair bir kanıt bulunamasa da görünen ve görünmeyen evren arasındaki etkileşimlere aracılık eden teorik karanlık fotonların bulunuşu fizikçileri çözüme götürebilir. Karanlık fotonlar varsa, karanlık maddenin görünmez dünyasını tespit etmenin anahtarı olurlar. Sonucunda bu da beşinci bir temel kuvvetin keşfedilmesine yol açabilir.
Ek kaynaklar:
- Khan Academy’den doğanın temel güçleri hakkında bir video izleyebilirsiniz.
- CERN’den temel güçlerin birleştirilmesi hakkında daha fazla bilgi edinebilirsiniz..
- Yine Cern’den Temel kuvvetlerin Standart Modelde nasıl çalıştığı hakkında daha fazla bilgi edinebilirsiniz.
Kaynak: The Four Fundamental Forces of Nature; https://www.livescience.com/
Matematiksel
Büyük ihtimalle Atomaltı parçacıkların dahada alt kırılımlarında başka kuvvetler olabilir. Birde buradan elde edilebilecek nukleer enerji gibi enerjilerde ilginç olabilir.