Kütle Nedir? Bir Şeyin Neden Kütlesi Olur Ya da Olmaz?

Dünya üzerindeki bir nesnenin ağırlığını kütlesinden dolayı hissedebilirsiniz. Peki kütle dediğimiz şey tam olarak nedir?

Bir şeyin kütlesi anlaşılması gereken önemli bir özelliktir çünkü temeli, parçacık fiziğinin kökenine iner. Bazı parçacıkların kütlesi varken bazılarının yoktur. Bunun önemli olacağını düşünmeyebilirsiniz ama en büyük soru ise şudur: Parçacıkların neden kütlesi vardır?

Beğenseniz de beğenmeseniz de bir tartıya çıktığınızda ağırlığınızı görürsünüz. Bunun nedeni Dünya’nın sizi yerçekimi kuvvetiyle çekmesidir. Sizinle Dünya arasındaki kuvvet var çünkü hem sizin hem de Dünyanın kütlesi var. Ay’da aynı teraziye çıkarsanız, Dünya’daki ağırlığınızın çok küçük bir kısmını görürsünüz. Ağırlığınız daha azdır çünkü ayın kütlesi Dünya’nın kütlesinden daha azdır.

Ay’daki bir nesne, Dünya’daki ağırlığının yaklaşık altıda biri ağırlığında olur. Bunun nedeni de Ay’ın, Dünya’dan daha küçük bir yerçekimi kuvvetine sahip olmasıdır.

Kütle Nedir?

Bir nesnedeki proton, nötron ve elektron sayısını sayabilseydiniz (ki muhtemelen sayamazsınız), bulacağınız sayı o nesnenin kütlesi olurdu. Kütle aslında bir nesnede “ne kadar çok şey” olduğu ile ilgilidir. Bu çok bilimsel bir cevap olmasa da akılda kalması için aslında bunu bilmeniz yeterlidir.

Kütle siz dışarıdan bir şey ekleyip çıkarmadıkça değişmez. Bu nedenle de Dünya’da 80 kilogram olan biri, Ay’da da ya da herhangi bir başka gezegende de 80 kilogram olacaktır. Bu kişinin kütlesinin değişmesi için kilo vermesi ya da kilo alması gerekir. Pazardan bir kilo elma aldım dediğiniz zaman aldığınız elmaların ağırlığından değil kütlesinden bahsedersiniz.

Eğer atomların arasındaki boşluğu kaldırmayı başarırsak tüm insanlık olarak bir küp şekere sığabiliriz.

Kütlesi olan ve belirli bir hacim kaplayan her şeyi madde olarak tanımlarız. Çevremizdeki her şey maddeden oluşur. Dünya gezegenindeki her madde, tümü % 99’u boş alan olan milyonlarca ve milyonlarca atomdan oluşur.

Her atomun içerdiği tüm boş alanı kaldıracak ve tüm insanları sıkıştıracak olsaydınız, parçacıklarımızın toplam hacmi bir küp şekerden daha küçük olurdu. Ancak ağırlığımız aynı kalırdı. Bu, küp şekerin dünyadaki her insanın toplamı kadar ağır olacağı anlamına gelirdi.

Ağırlık Nedir?

Herhangi bir kütleye sahip olan herhangi bir şey, yerçekiminin etkisi altında kalır. Daha büyük kütleli nesneler daha fazla yerçekimine sahiptir. Kütle merkezinden uzaklaştıkça da kuvvet zayıflar. Yerçekimi nedeniyle nesneler yere düşer ve belli bir ağırlığımız olur.

Kütlesi olan nesneler ile yerçekimi arasında bir etkileşim vardır. Newton’a göre her kütleli cisim birbirini çeker. Yani dünya ve elmayı ele alacak olursak, elma ve dünya birbirine çekim kuvveti uygular. Bu kuvvete ağırlık denir. Ağırlık birimi Newton’dur. Bir şeyin kütlesini (m) biliyorsanız, ağırlığı (W) aşağıdaki şekilde bulunabilir:

Bu formülde g yerel yerçekimi alanıdır. Buradaki anahtar kelime “yerel” dir. Yerçekimi kuvvetinin bu hesaplaması yalnızca Dünya yüzeyinde çalışır. Dünya yüzeyinden 100 kilometre yukarıda iyi çalışmamaya başlar. Bu nedenle sadece Dünya yüzeyinde kilogram başına yaklaşık 9,8 Newton’luk bir sabit vardır.

Formüle 80 kilogramlık kişiyi yerleştirirsek, Dünya’da ağırlığının yaklaşık 784,5 Newton olduğunu görürüz. Ancak aynı kişi Ay’da 129,9 Newton ağırlıkta olacaktır. Bunun nedeni Ay’a gittiğimiz zaman g değerini 1,6249 m/s² biçiminde almamızdır.

Bu nedenle bir tartım yaparsanız elde edeceğiniz sonuç sadece kütledir. Ancak dünyada yaşadığımız için bunu ağırlık biçiminde de düşünmeniz çok sorun olmayacaktır. Ancak Mars’a bu tartıyı götürürseniz farklı bir çekim alanı olduğu için size doğru kütleyi vermez.

Kütle Nedir? Sorusunun Cevabını Her Zaman Vermemiz Kolay Değildir

Sonuç olarak kütle, yer çekimi etkileşiminin yüküdür ve o olmadan hiçbir yer çekimi kuvveti mevcut değildir. İnsan ölçeğinde kütle ölçmek oldukça basittir, ancak daha küçük şeyleri ölçmeye çalıştığınızda bu hesaplama çok daha karmaşık hale gelir. Bunun nedeni enerji ve kütlenin temelde birbiri ile ilişkili olmasıdır.

Burada ‘E’ cismin enerjisini, ‘m’ cismin kütlesini temsil ediyor; ‘c’ ise evrensel bir sabit olan ışık hızı.

E=mc² denklemi, evrenin dokusuna işlemiş gizli bir birliği açıklayan, dünyanın en ünlü denklemidir.Bu formül bize enerji, ışık ve madde arasındaki bağı anlatır. Bu nedenle Kütle-Enerji eşitliği olarak da bilinmektedir. Bu denklem bize kütle ve enerjinin aynı şeyin farklı biçimleri olduğunu söyler. Yani kütle bir enerji biçimidir. Bu nedenle kuarkları basitçe bir tartı ile ölçemezsiniz. Ancak enerjileri ve momentumları arasındaki ilişki aracılığıyla kütlelerini hesaplayabilirsiniz.

Peki kütle olmadan yerçekimi de olmaz. Aslında var. Fotonlar buna örnektir. Ancak bir foton Güneş tarafından çekilir. Güneş’in çekim alanının ışığı büktüğü gerçeği, 1919’da genel göreliliğin doğru olduğunu kanıtlamak için de kullanılmıştır. E=mc² denklemi, bize enerji ve kütlenin eşdeğer olduğunu söyler. Bir foton çok küçük bir miktar enerji taşır, dolayısıyla güneş tarafından çok az etkilenir. Enerjinin çekime maruz kalması önemlidir, çünkü etrafımızdaki kütlenin büyük kısmı aslında enerjidir.

Birşey nasıl kütle kazanır?

Parçacıklar Higgs alanıyla ne kadar etkileşirse kütleleri de o kadar büyür. Tam tersi de doğrudur ki; parçacık alanla ne kadar az etkileşirse kütleleri o kadar az büyür.

Modern temel parçacık fiziği, Higgs bozonunun nihayet keşfedildiği 2012 yılında bize bu sorunun cevabını verdi. Büyük Patlama’dan sonra kısa bir süre için tüm parçacıklar kütlesizdi. Ancak çok geçmeden sıcaklık bir trilyon derecenin altına düştüğünde, Evren’in simetrisi bozuldu. Simetri kırılmasına sebep olması muhtemel, özel bir alana Higgs alanı denir.

Bu alanla etkileşime giren bazı parçacıklar yavaşladı, bazıları ise yavaşlamadı. Bunun sonucunda protonlar ve nötronlar gibi olanlar kütle kazanırken, fotonlar ve gluonlar gibi diğerleri kütlesiz kaldı. Bu kütleye sahip olan parçacıklar atomları oluştu ve nihayetinde de biz oluştuk

Her şeyin Kütlesini Hesaplamak Henüz Mümkün Değil!

Parçacık fiziğindeki büyük bir bilmece nötrinodan doğar. Bir nötrino, bir elektrona çok benzeyen, ancak elektrik yükü olmayan atom altı bir parçacıktır. Nötrinolar, evrendeki en bol parçacıklardan biridir. Ancak madde ile çok az etkileşime girdikleri için tespit edilmeleri inanılmaz derecede zordur.

Evrendeki nötrinoların bu biçimde dağıldığı düşünülmektedir. Bilim insanları her saniye vücudunuzdan trilyonlarca nötrino geçtiğini söyler. Ve bunu yaparken vücudunuzdaki atomlarla en ufak bir etkileşime dahi girmezler.

Nötrinolar genellikle hayalet parçacıklar lakabı ile anılırlar. Çünkü kütleleri neredeyse sıfırdır. Diğer temel parçacıkların durumundan farklı olarak, nötrinoların kütle kazandığı kesin mekanizma bilinmemektedir. Bunun için Standart Modelin ötesinde fiziğin varlığını gereklidir.

Aynı şekilde, karanlık maddenin kütlesini tam olarak nasıl elde ettiği de bilim insanları için bir diğer bilinmezliktir. Sonuç olarak gördüğünüz gibi kütle ve ağırlık gibi kavramlar size çok basit gelebilir, ancak arka plandaki fizik çok daha gizemlidir.

Kaynaklar ve ileri okumalar

For the Last Time: The Difference Between Weight and Mass. Yayınlanma tarihi: 10 Ekim 2018; Bağlantı: For the Last Time: The Difference Between Weight and Mass.wired.com
How to Find Mass: Physics Explains the Complicated Relationship Between Mass and Weight. Yayınlanma tarihi: 9 Mayıs 2023; Bağlantı: How to Find Mass: Physics Explains the Complicated Relationship Between Mass and Weigh

Matematiksel

Etiketler