İlköğretim fen dersinde çevremizdeki doğal dünyanın temellerini öğrenirken büyük olasılıkla okulda maddenin üç hali olduğunu öğrenmişsinizdir: Katı, sıvı ve gaz. Ancak durum, ders kitaplarında anlatıldığı kadar basit değil.
Bu üçü, Dünya yüzeyinde sıkça karşılaştığımız hâllerdir. Kayalar ve buzlar katı, su ve çeşitli yağlar sıvı, soluduğumuz atmosfer ise gaz hâlindedir. Ancak bu üç bilinen hâl, yalnızca yüksüz (nötr) atomlara dayanır; oysa Evren böyle bir sınırlamaya bağlı değildir.
Bir atoma yeterli miktarda enerji verilirse, elektronları kopar ve geriye iyonlaşmış bir gaz kalır. Bu hâl, plazma olarak bilinir ve maddenin dördüncü hâlidir. Ancak madde yalnızca bu dört hâlden ibaret değildir. Bilim insanları iki ek hâl daha tanımlamıştır: Bose–Einstein yoğunlaşması ve Fermiyonik yoğunlaşma. Bunlar sırasıyla maddenin beşinci ve altıncı hâli olarak kabul edilmektedir.
Maddenin 4. Hali Olan Plazma Nedir?
Plazma, maddenin en yüksek enerjiye sahip hâlidir. Bir gaz aşırı derecede ısıtıldığında, atomları titreşim enerjisiyle dolup elektronlarını kaybeder. Elektronlarından ayrılan bu atomlar, pozitif yüklü iyonlara dönüşür. Böylece, serbest elektronlar ile iyonların birlikte bulunduğu bu karışım plazma adını alır.
Dünya’da genellikle katı, sıvı ve gaz hâllerini görürüz; ancak Evren’e daha geniş bir ölçekte baktığımızda, maddenin en yaygın hâli plazmadır. Güneş ve tüm yıldızlar, iyonlaşmış gazlardan oluşan dev plazma küreleridir. Yıldırımlar, kutup ışıkları, kıvılcımlar, neon ve floresan lambalardaki parlayan gazlar da plazma örnekleridir. Aslında Evren’in %99’undan fazlası bu hâldedir.
Bir gazın plazmaya dönüşmesi, yani iyonlaşması, o gazın atomlarının ne kadarının elektron kaybettiğine bağlıdır. Atomların yalnızca küçük bir kısmı etkilenmişse “zayıf iyonlaşmış plazma”, büyük bir bölümü etkilenmişse “yoğun iyonlaşmış plazma” olarak adlandırılır. Sıradan bir mum alevi zayıf iyonlaşmış bir plazmadır; yıldırımlar ve Güneş yüzeyi ise son derece yoğun iyonlaşmış plazmalardır.
Plazmaların en dikkat çekici özelliği, elektrik ve manyetik alanlara tepki verebilmeleridir. Serbest elektronlar negatif, iyonlar pozitif yüklü olduğundan plazmalar elektriği iletir. Bu nedenle gazlar elektriği iletmezken, plazmalar güçlü bir şekilde iletir. Bu özellik, plazmaları “dördüncü madde hâli” yapan temel farktır.
Ayrıca plazmalar ışık yayar. Bu ışıma, uyarılmış elektronların enerjilerini kaybedip yeniden atomlarına dönerken yaydıkları fotonlardan kaynaklanır. Bu süreç, alevlerdeki, yıldırımlardaki ve neon tabelalardaki renkli parıltıların nedenidir. Renkler, iyonlaşmış elementin türüne göre değişir: helyum plazmaları pembe, neon turuncu-kırmızı, sodyum buharı plazmalarıysa karakteristik sarı renktedir.
Maddenin 5 ve 6. Hali Nedir?
Evren’deki her parçacık yalnızca iki gruptan birine girer: fermiyonlar ve bozonlar. Fermiyonlar maddenin yapıtaşlarını oluşturur. Elektron, proton ve nötron bu sınıfa girer. Fermiyonlar Pauli dışarlama ilkesine uyar; bu nedenle aynı kuantum durumunu paylaşamazlar. Bu özellik, atomların düzenini ve maddenin katı yapısını belirler.
Bozonlar ise enerjiyi taşır. Aynı kuantum durumuna geçebilir, bu da ışığın ve diğer dalga biçimlerinin güçlenmesini sağlar. Örneğin lazer ışığı, çok sayıda fotonun aynı enerji durumuna geçmesiyle oluşur.
Evren’de şimdiye kadar keşfedilen her parçacık ya fermiyon gibi davranır ya da bozon gibi. Arada kalan bir tür yoktur. Bu ayrım, maddenin ve enerjinin kuantum düzeyde nasıl davrandığını anlamamız açısından temeldir. Bose–Einstein ve Fermiyonik yoğunlaşmalar da işte bu farktan doğar: bozonların birlikte hareket etme eğiliminden ve fermiyonların birbirinden kaçınma zorunluluğundan.
Bose–Einstein yoğunlaşması
Doğru fiziksel koşullar sağlandığında —örneğin bir grup bozonu soğutarak aynı bölgede sıkıştırdığında— bu parçacıkların hepsi en düşük enerji düzeyine yerleşebilir. Bozonlar aynı kuantum durumunu paylaşabildiği için, bu en düşük enerji hâline kaç tanesini yerleştireceğinin bir sınırı yoktur. Tüm bozonlar tek bir kuantum durumunda birleştiğinde, maddenin beşinci hâline ulaşılır: Bose–Einstein yoğunlaşması.
Helyum, bu beşinci madde hâline ulaşan ilk bozon olmuştur. Yeterince düşük sıcaklıklarda helyum, süperakışkan hâline gelir; yani viskozitesi sıfır olan, sürtünmesiz biçimde akan bir sıvıya dönüşür.
Daha sonra aynı durum, çeşitli gazlarda, moleküllerde, yarı-parçacıklarda ve hatta fotonlarda da yeniden elde edilmiştir. Bose–Einstein yoğunlaşması günümüzde hâlâ yoğun biçimde araştırılan, kuantum fiziğinin en ilgi çekici alanlarından biridir.
Fermiyonik yoğunlaşma
Fermiyonlar, bozonlardan farklı olarak, aynı kuantum durumunu paylaşamaz. Peki, bu koşullarda maddenin altıncı hâli olan Fermiyonik yoğunlaşma nasıl ortaya çıkar? Cevap 1950’lere, Nobel ödüllü fizikçi Leon Cooper’ın olağanüstü keşfine uzanır. Cooper, belirli koşullar altında fermiyonların ikili hâlde davranabileceğini gösterdi. Fermiyonların normalde imkânsız olan bu birleşmesi, altıncı madde hâlinin kapısını aralar.
Düşük sıcaklıklarda tüm parçacıklar, enerjilerini en aza indirerek temel (veya en düşük enerji) durumlarına yönelir. Bir iletken metali yeterince soğuttuğunda, zıt spinde olan iki elektron birbirine zayıf bir çekimle bağlanır. Bu birleşme, elektronların tek tek hareket ettiği hâle göre daha kararlı ve düşük enerjili bir yapı oluşturur.
Bir Fermiyonik yoğunlaşma oluşturmak, olağanüstü koşullar gerektirir. Maddenin sıcaklığı 50 nanokelvenden daha düşük olmalı ve değişken bir manyetik alan uygulanmalıdır. Bu koşullar yalnızca en gelişmiş laboratuvarlarda sağlanır.
Sonuç olarak;
Bu sıra dışı hâller, yalnızca laboratuvar deneyleriyle sınırlı değildir. Evren’in karanlık derinliklerinde, nötrinoların ya da karanlık maddenin benzer biçimlerde yoğunlaşması mümkündür. Belki de kozmik yapıların oluşumunu, karanlık enerjinin doğasını ve Evren’in kaderini anlamanın yolu, maddenin bu en uç hâllerini çözümlemekten geçmektedir.
Kaynaklar ve İleri Okumalar:
- Matter: Definition & the Five States of Matter; yayınlanma tarihi: 20 Ekim 2022; Bağlantı: https://www.livescience.com/
- All the States of Matter You Didn’t Know Existed; Yayınlanma tarihi: 19 Ağustos 2019; Bağlantı: https://www.popularmechanics.com/
Matematiksel
