Fizik

Neden 137 Sayısı Fizikteki En Büyük Gizemlerden Birisidir?

Evrenin gizemlerini çözmenin anahtarı nedir? Sorunun cevabı 137 sayısı olabilir. Fizikçi Richard Feynman (1918-1988), bu sayının, tüm teorik fizikçilerin “endişelenmesi gereken” bir sayı olduğunu düşünüyordu. 137 sayısını “fiziğin en büyük gizemlerinden biri: insanın anlayamadığı sihirli bir sayı” olarak adlandırmıştı. Hesaplamaları, 137’den sonraki elementlerdeki elektronların, çekirdeğe çarpmamak için ışık hızından daha hızlı hareket etmesi gerektiğini ve bu nedenle görelilik kurallarını ihlal ettiğini gösterdi. Kısacası 137 periyodik tablodaki son element numarasıydı.

137 Sayısı Fizikte Nerede Karşımıza Çıkar?

Uğraştığımız niceliklerin çoğu birimlerle ifade edilir. Ancak bu nicelikler birbirine oranlandığı zaman birimler ortadan kalkar. Geriye boyutsuz, birimsiz bir sayı kalır. Boyutsuz niceliklerin özellikle büyüleyici bir birleşimi vardır. Bu birleşim Plank sabiti (h), ışık hızı (c) ve bir elektronun taşıdığı elektrik yükü (e) bir araya geldiği zaman ortaya çıkar. Bu üç sabit birbirine oranlandığında, tüm birimler birbirini götürür. Sonuç, h.c/e2 yaklaşık 137,036’ya eşit boyutsuz bir sayıdır.

137,036 neden sadece ilgi çekici değil, aynı zamanda önem­lidir? Çünkü tersi, e2/h.c = 1/137.03599920611 biçimindedir. Bu sayıda yaklaşık olarak 0,007’ye eşittir. Bu sayıya bağlan­ma sabiti denir; yüklü parçacıkları elektromanyetik enerjinin kuantum taşıyıcıları olan fotonlara bağlar. Bu sayı ince yapı sabiti olarak bilinir.

İnce yapı sabitinin arkasındaki matematik

İnce yapı sabitinin en önemli özelliği doğanın temel sabitlerinden üçünün birleşimi olmasıdır. Bu da onu görelilik, elektromanyetizma ve kuantum mekaniği gibi fiziğin kilit alanlarının kesişme noktasında götürmektedir. Bu değişmez sayı yıldızların nasıl yandığını, kimyanın nasıl gerçekleştiğini ve hatta atomların var olup olmadığını belirler.  İnce yapı sabiti (Yunanca “alfa” – α ) elektronlar ve protonlar gibi temel parçacıklar arasındaki elektromanyetik kuvvetlerin gücünü gösterir. Madde ve ışıkla ilgili formüllerde karşımıza çıkar.

İlk olarak 1915 yılında Alman fizikçi Arnold Sommerfeld tarafından keşfedilen ince yapı sabiti  başlangıçta 0.00729 olarak kabul ediliyordu. Ancak 1929’da, İngiliz astrofizikçi Arthur Eddington tarafından 1/137 olarak ifade edilmeye başlandı. Bu sayı devamında, Nobel Ödülü sahibi Wolfgang Pauli (1900-1958) da dahil olmak üzere tüm büyük fizikçileri meşgul etti. Pauli’nin konuya olan ilgisi aşağıdaki söylemi ile daha net anlaşılabilir.

Öldüğümde Şeytan’a ilk sorum şu olacak: İnce yapı sabitinin anlamı nedir?

Wolfgang Pauli

İnce Yapı Sabiti Ne İşe Yarar?

İzole edilmiş bir atom, çizimin üst kısmında gösterildiği gibi, belirli dalga boylarında ışık yayabilir. Bu çizgilerin frekansları her kimyasal elementin karakteristiğidir. Bazı elementlerde bu çizgilerden biri bölünebilir. Bu bölünmenin miktarı, ince yapı sabiti ile orantılıdır. Uzayda yukarıda bahsedilen bölünmüş spektral çizgilerle karakterize edilen soğuk bir gaz bulutu olduğunu hayal edin. Bu gazın içinden sürekli bir ışık spektrumunun geçirilmesi, iki yakın soğurma hattı oluşturur. Emisyon hatlarında olduğu gibi, soğurma hatları arasındaki boşluk da ince yapı sabitiyle orantılıdır

Bu ilginç sayının bir kullanımı, elektron gibi yüklü parçacıkların elektromanyetik alanlarla etkileşimini ölçmektir. Alfa, bir atomun bir fotonu ne kadar hızlı yayabileceğini belirler. Ayrıca atomların yaydığı ışığın detaylarını da etkiler. İnce yapı sabiti, ışık ile elektronlar ve müonlar gibi yüklü temel parçacıklar arasındaki elektromanyetik etkileşimin gücünü tanımlar. Birimleri ve boyutları olmayan bu saf sayı, standart fizik modelinin işleyişinin anahtarıdır.

Doğa neden bu rakamda ısrar ediyor?

Onca sayısal değer içerisinden neden 137? Kimse bilmiyor. Bu fizikçilerin günün birinde yanıtını bulmayı ümit ettikleri bir soru. İnce yapı sabiti, Arnold Sommerfeld tarafından gerçekleştirilen hidrojen atomunun kuantum mekaniksel yapı çözümlemesinde belirdiği 1916 yılından bu yana gizemini koruyor. Alfa sabiti sonraki yüzyıl boyunca fizikçileri uğraştırıp durdu. Adından anlaşıldığı üzere, sabitmiş gibi görünüyordu. İlerleyen yıllarda yapılan araştırmalarda, eğer değeri farklı olsaydı, yaşam için gereken karmaşıklıkta bir evrenin asla mümkün olamayacağı ortaya çıktı. Ama yine de hiç kimse, onun gerçekten sabit olması için iyi bir neden bulamıyordu. Sabitlenmemiş bir sabit, kütleçekim, elektromanyetizma, güçlü etkileşim ve zayıf etkileşime ek olarak, beşinci bir kuvvetin varlığına işaret olabilirdi. Başka bir deyişle, alfa bilinmeze açılan bir pencere olabilirdi.

Büyük Birleşik Teori, parçacık fiziğinde; elektromanyetik, zayıf ve kuvvetli etkileşimleri tek bir güç haline getirebilecek bir modeldir. Uzun zamandan beridir fizikçiler bu modeli inşa etmeye çalışmaktadır. Model üzerinde yapılan bir çok çalışmada da bu sayı gizemli bir biçimde ortaya çıkıyor. Bu bağlamda, 1/137 sayısı, Büyük Birleşik Teori’nin ipuçlarını içeriyor olabilir…

İleri Okumalar:

Matematiksel

Sibel Çağlar

Merhabalar. Matematik öğretmeni olarak başladığım hayatıma 2016 yılında kurduğum matematiksel.org web sitesinde içerikler üreterek devam ediyorum. Matematiğin aydınlık yüzünü paylaşıyorum. Amacım matematiğin hayattan kopuk olmadığını kanıtlamaktı. Devamında ekip arkadaşlarımın da dahil olması ile kocaman bir aile olduk. Amacımıza da kısmen ulaştık. Yolumuz daha uzun ama kesinlikle çok keyifli.

Bir cevap yazın

E-posta hesabınız yayımlanmayacak. Gerekli alanlar * ile işaretlenmişlerdir

Başa dön tuşu