Temel Parçacıklar Tek Boyutluysa Cisimler Neden 3 Boyutlu?

parçacıklar-temel_parçacıklar-parçacık-kuark-protonMaddeyi oluşturan temel parçacıklar tek boyutlu nokta parçacıklar ise uzaydaki cisimler neden üç boyutlu? Mikroskobik moleküllerden insan vücudu ve dev galaksilere kadar cisimlerin neden belirli bir büyüklüğe sahip olduğunu birlikte görelim.

Atomlardan daha küçük

Eskiden maddenin daha küçüğe bölünemeyen temel parçacıklardan oluştuğunu düşünülüyordu ve Grek filozofları bunlara atom adını vermişti. Ancak, atom bombasından bildiğimiz gibi, nükleer fizik bize atomların daha küçük parçalara ayrılabileceğini gösterdi.

DNA gibi moleküller atomlardan; atomlar da proton, nötron ve elektronlardan oluşuyor. Atom çekirdeklerini proton ile nötronlara bölebildiğimiz gibi (ki nükleer santraller atomu parçalayarak enerji üretiyor), protonlarla nötronları da kuarklara ve bunları birbirine bağlayan gluonlara bölebiliyoruz.

Kısacası kuarklar ve gluonlar atom çekirdeğinin çevresinde dönen elektronlarla birlikte maddenin temel parçacıklarını oluşturuyor. Ancak, kuantum fiziğine göre bunlar tek boyutlu noktasal parçacıklar. Öyleyse nokta parçacıkların birleşmesiyle oluşan protonlar, nötronlar ve atomlar nasıl oluyor da ölçülebilen bir büyüklüğe sahip oluyor? Maddenin neden üç boyutlu olduğunu bu yazıda göreceğiz.

İlgili yazı: Renk Körlüğünü Düzelten Gözlük

parçacıklar-temel_parçacıklar-parçacık-kuark-proton 

Atom altı dünyaya yolculuk

Metrenin milyarda birine (10-9) nanometre diyoruz ve moleküller nanometre boyundaki oluşumlar. Atomlar ise metrenin on milyarda biri boyunda ve kuantum fiziğindeki belirsizlik ilkesi de bu ölçekte etkisini göstermeye başlıyor. Metrenin 10 milyarda birine (10-10) bir Angstrom diyoruz.

Aslında 1 Angstrom çekirdeğin çevresinde dönen elektronlarla birlikte bütün bir atomun büyüklüğü. Ancak, proton ve nötronlardan oluşan atom çekirdekleri bundan 100 bin kat daha küçük (10-15 metre). Elbette proton ve nötronlar çok daha küçükler; ama onları oluşturan kuarklarla gluonları fizikte nokta parçacık olarak kabul ediyoruz ve bunlara temel parçacıklar diyoruz.

Bu girişi yaptığımıza göre artık temel parçacıkların nasıl tek boyutlu nokta parçacıklar olduğuna bakabiliriz. Peki bunu hangi yöntemle tespit edebiliriz?

İlgili yazı: Düz Dünya Teorisini Çürüten 12 Kanıt

parçacıklar-temel_parçacıklar-parçacık-kuark-proton

İnsanlar atom altı parçacıklardan nasıl oluşuyor?

 

Nokta parçacıkların kökeni

Bildiğimiz kadarıyla bunu anlamanın tek yolu parçacıkları hızlandırıcılarda kafa kafaya çarpıştırmak. Eğer çarpışan parçacıklar daha küçük parçacıklara dönüşüyorsa nokta parçacıklardır. Yok, bölünüyorsa proton gibi üç boyutlu parçacıklardır.

Bunun için genellikle CERN hızlandırıcısını kullanıyor ve protonları çarpıştırıyoruz; çünkü elimizdeki en güçlü hızlandırıcı CERN bünyesindeki LHC ve kuarkların daha küçük parçacıklara ayrılıp ayrılmadığını anlamanın en iyi yolu da onları ulaşabileceğimiz en yüksek enerji değerinde çarpıştırmak.

İlgili yazı: 14 Yaşında Kendini Donduran Kız

parçacıklar-temel_parçacıklar-parçacık-kuark-proton

CERN parçacık hızlandırıcısı protonları kafa kafaya çarpıştırıp parçalayarak evrende yeni parçacıklar bulmaya çalışıyor. Resimde dedektör izlerini görüyorsunuz.

 

Ancak bir sorun var

Kuarklar temel parçacık olmasa bile CERN hızlandırıcısı bunları parçalayacak kadar güçlü değil. Bu yüzden kuarklara bildiğimiz kadarıyla temel parçacık diyoruz. Dolayısıyla temel parçacık konusu henüz çözülemedi; ama bildiğimiz bir şey var: O da Planck sabiti.

Evrende ulaşılabilecek en yüksek enerji Planck enerjisi, evrende mümkün olan en kısa mesafe Planck uzunluğu ve evrende mümkün olan en kısa an da Planck zamanıdır. Örneğin, Planck enerjisinden daha yüksek enerjilerde fizik yasaları ortadan kalkıyor.

İşte bu yüzden evrende nihai temel parçacıklar olduğunu kesin olarak söyleyebiliriz; çünkü parçacıkların sonsuza kadar bölünebilmesi ve her seferinde daha küçük parçacıklar ortaya çıkması için fizik yasalarının da sonsuz enerjide geçerli olması gerekirdi. Oysa bu hem matematiksel açıdan hem de fiziksel açıdan imkansız.

Neden nokta parçacıklar?

Bu tamamıyla fizikte kullanılan formüllerin, yani matematiğin bir dayatması: Elimizdeki formüllere göre kuarklar ve diğer temel parçacıkların nokta parçacık olduğunu kabul etmek zorundayız. Bunun şimdilik başka bir açıklaması yok.

İlgili yazı: İnternetinizi Uçuracak En İyi 10 Modem

parçacıklar-temel_parçacıklar-parçacık-kuark-proton

 

Peki 3. boyut nasıl ortaya çıkıyor?

Yerçekimi hariç evrendeki bütün fiziksel etkileşimleri iki boyutlu matematik uzayında tanımlayabiliyoruz. Zaten evren bir simülasyon mu, sicim teorisi doğru mu ve evren içi boş bir hologram mı soruları buradan çıkıyor.

Ancak bu yazıda yukarıdaki sorulara değinmeden, sadece kuantum fiziğinin genel kabul gören kurallarına göre uzayda üç boyutlu cisimlerin nasıl ortaya çıktığını anlatacağım. Böylece mevcut bilgilerimize göre 3B cisimlerin nokta parçacıklardan nasıl türediğini göreceğiz.

İlgili yazı: İnternette teknik takip ve gözetimi önleme rehberi

parçacıklar-temel_parçacıklar-parçacık-kuark-proton

Evrendeki madde aslında nokta parçacıkların enerji alanlarıyla birbiriyle etkileşime girmesi sayesinde oluşuyor. Üç boyutlu cisimler aslında istikrarlı şekilde paketlenmiş enerjiden ibarettir, insanda dokunma hissi ve sertlik uyandıran dengeli enerji paketleridir.

 

Parçacık ve dalga ikiliği

Kuantum fiziğinde temel parçacıklara eşlik eden bir enerji dalgası var. Bu, o parçacığın kendi dalgası ve onun ayrılmaz bir parçası. Örneğin kuarkların kuark dalgaları, fotonların foton dalgaları ve elektronların da elektron dalgaları var.

Biz de bu yüzden küçük parçacıkları görmek için daha yüksek enerji düzeyleri kullanmak zorunda kalıyoruz. Yüksek enerji daha kısa dalga boylarına ve daha yüksek frekanslara karşılık geliyor. Örneğin atomları ve molekülleri X-ışınları ile görebiliyor ve molekülleri oluşturan atomların arasındaki elektron bağlarına bakıyoruz.

İlgili yazı: Dünyanın Derinliklerinde Yeraltı Okyanusu Bulundu

parçacıklar-temel_parçacıklar-parçacık-kuark-proton

Kuantum fiziğine göre kuarklar gibi bütün temel parçacıkların kendine eşlik eden bir enerji alanı ve dalgası var (dalga fonksiyonu). Enerji alanlarının etkileşimi (birbirini itmesi veya çekmesi) 3B maddeyi, cisimleri oluşturuyor. Büyütmek için tıklayın.

 

Parçacık hızlandırıcıların rolü

Protonların içini görmek için X-ışını ve elektron mikroskopları bile yeterli olmuyor. Bunun için parçacıkları çarpıştırıp parçalamalı ve içinden neler çıktığına bakmalıyız. CERN ve diğer hızlandırıcılar bunu yapabiliyor. Biz de protonların kuark ve gluonlardan oluştuğunu böyle öğrendik.

Örneğin, Büyük Hadron Çarpıştırıcısı’nın (LHC) maksimum enerji düzeyinde bile kuarkları parçalayamıyoruz. Bu yüzden kuarkların (varsayımsal olarak) ancak 10-19 metreden daha küçük parçacıklardan oluşabileceğini söyleyebiliriz. İşte bu sebeple kuarklara nokta parçacık veya temel parçacık diyoruz.

Hatta daha ileri giderek üç boyutlu uzayın bildiğimiz kadarıyla 10-19 metrede; yani metrenin 10 milyar kere milyarda birinde ortaya çıktığını söyleyebiliriz. Kısacası kuark ve gluonlar gibi temel parçacıklar 1) Belirli enerji düzeylerinde 2) Belirli fizik kuvvetleriyle (kuarklar için güçlü çekirdek kuvveti) ve 3) Belirli kuantum durumlarında (parçacık özelliklerine bağlıdır) etkileşime girdiği zaman üçüncü boyut ortaya çıkıyor.

İlgili yazı: En Titrek Nötron Yıldızı: ODTÜ Yeni Tür Atarca Keşfetti

parçacıklar-temel_parçacıklar-parçacık-kuark-proton

Sandalyeye otururken neden hayalet gibi içinden geçmiyoruz; çünkü üç boyutlu bir cisimiz.

 

Yok mu basit bir örnek?

Var. Örneğin, sandalyeye oturunca kaba etinizin atomlarını saran elektronlar ve sandalye atomlarının dış yüzeyindeki elektronlar birbirini itiyor (çünkü elektromanyetik kuvvette eş yükler birbirini iter). Öyle ki derinizdeki atomlar ile sandalyenin atomları birbirine değmiyor bile!

Kısacası siz sandalyeye değil de sandalyenin elektronlarının üzerine oturuyorsunuz. Dokunma hissi, sandalyenin sert olması gibi özellik ve duyular işte böyle ortaya çıkıyor. Dokunma ve sertlik sizde üç boyutlu bir cisimle temas ettiğiniz algısı uyandırıyor. Elbette Maxwell denklemleriyle bunu ifade edebiliriz; ama işin mantığını anladınız.

İlgili yazı: Evren Bir Simülasyon mu?

parçacıklar-temel_parçacıklar-parçacık-kuark-proton

İşte protonun içi. Protonu oluşturan 3 kuarkı ve onları birbirine bağlayan gluonları, yay gibi esnek olan güçlü çekirdek kuvvetini tanımlayan sarı helozonlarla birlikte görebilirsiniz. Temsili resim. Oklar kuark spinini gösteriyor.

 

Ancak daha net ifadesiyle

Parçacıklar birbirini ittiği veya birbirini çektiği, böylece atom çekirdekleri veya moleküller oluşturduğu zaman; daha doğrusu temel parçacıklar herhangi bir şekilde birbiriyle etkileşime girdiği zaman uzayda üçüncü boyut beliriyor.

Bu yüzden, özellikle sicim teorisi uzmanları üçüncü boyutun temel bir boyut değil de kuantum fiziğinden çıkan bir bileşik (türedi) boyut olduğunu düşünüyor.

Aslında sicim teorisine göre kuarklar ve gluonlar da özel bir şekilde titreşen tek boyutlu enerji sicimlerinin birbiriyle etkileşime girmesiyle oluşuyor. Bu sebeple üçüncü boyut fizikte çok tartışmalı konu.

İlgili yazı: Şaşırtan varsayım >> Evren 2 boyutlu başladı, 4B oldu ve gelecekte 5 boyutlu olacak

parçacıklar-temel_parçacıklar-parçacık-kuark-proton

Bebek evren atomların ve atom çekirdeklerinin oluşamayacağı kadar sıcaktı. Bu sırada kuark ve gluonlar uzayda süper sıcak plazma halinde yüzüyordu. Madde sıcak bir kuark-gluon çorbasından ibaretti.

 

Şimdi üç boyutlu cisimlere gelelim

Mıknatıslarda eş kutuplarının birbirini itmesi veya sandalyeye oturunca atomlarımızın iç içe geçmemesi gibi elektromanyetizmadan alınan örneklerle uzayda üçüncü boyutun nasıl ortaya anlatabiliriz.

Ancak, “tek boyutlu temel parçacıklar aralarında birleşip nasıl belirli büyüklüklere sahip olan üç boyutlu parçacıkları ortaya çıkarıyor” derseniz bunu maddenin temel parçacıkları olan kuarklarla anlatmamız lazım. Kuarklar birleşerek proton ve nötronları nasıl oluşturuyor?

Evrende altı tür kuark var ve bunlar aralarında iki farklı şekilde üçer üçer birleştiklerinde protonları ya da nötronları oluşturuyorlar ki bunu bir protonun doğuşu yazısında anlattım. Protonların neden üç boyutlu olduğunu ise burada anlatacağım:

İlgili yazı: Dünyanın Manyetik Alanında Dev Delik Açıldı

parçacıklar-temel_parçacıklar-parçacık-kuark-proton

 

Renk yükü

Kuantum renk dinamiğine göre kuarkların hem elektrik yükü var, hem de gluonlar gibi renk yükü var (kuarkların rengi yok, ama fizikte kolay olsun diye renk yükü diyoruz). Bildiğiniz üzere elektrik yükü pozitif veya negatif olabilir ve eş yükler birini iter, zıt yükler de çeker (buzdolabına yapıştırdığınız hatıra manyetlerinin mıknatıslarında olduğu gibi).

Ancak, atom çekirdeklerindeki protonları ve nötronları bir arada tutan güçlü çekirdek kuvvetinden çıkan renk yükleri her zaman birbirini çekiyor; yani kuarklar her zaman birbirini çekiyor. Birbirlerine çok yaklaşan kuarklar aralarında neredeyse ışık hızında gluon alışverişine başlıyor.

Kuarklar arasında gidip gelen ve güçlü çekirdek kuvvetini taşıyan gluon parçacıkları kuarkları birbirine yapıştırıyor. Böylece nötron ve protonları inşa ediyor.

Kısacası proton ve nötronlar dışarıdan bakınca kabaca bilyeye benzeyen birer enerji alanıdır: Kuark ve gluon adlı nokta parçacıklar arasındaki fiziksel etkileşimlerden türeyen üç boyutlu bir enerji alanı ve biz de bu tür enerji alanlarına cisim diyoruz. Bu enerji alanlarından oluşan daha büyük nesnelere de (atomlar, moleküller, bileşikler, mineraller, et, kemik, insan) yine cisim diyoruz.

İlgili yazı: Enformasyon Paradoksu: Kara Delikler Evreni Siler mi?

parçacıklar-temel_parçacıklar-parçacık-kuark-proton

 

Atom yayları yahut kara delikler

Atomların içindeki protonlar neden birbirine yapışıp iç içe geçmiyor? Neden kuarklar protonların içinde üçlü gruplar halinde belirli bir büyüklükte dolanıyor da kendi üzerine çöküp daha küçük noktalarda gittikçe daha büyük ve ağır parçacık yığınları oluşturmuyor?

Kısacası ister proton boyutunda olsun, ister tüy kadar hafif veya dünya kadar ağır; evrendeki cisimlerin büyük kısmı neden kendi üzerine çöküp kara deliğe dönüşmüyor? İşte bunun sebebi protonları birbirine çekerek atom çekirdeğinde birleştiren güçlü çekirdek kuvvetinin şiddetinin yay gibi esnek ve değişken olması. Öyle ki:

1) Protonlar güçlü çekirdek kuvvetiyle birbirine yaklaşıp yapışınca (yay sıkışınca) güçlü çekirdek kuvveti neredeyse sıfıra iniyor ve elektromanyetik kuvvet de serbest kalıp (güçlü çekirdek kuvvetinin çekim baskısından kurtularak) protonları birbirinden uzağa itiyor; çünkü eş yükler birbirini iter.

2) Oysa protonlar birbirinden az uzaklaşınca (yay gerilince) güçlü çekirdek kuvvetinin şiddeti tekrar artıyor ve protonları tekrar birbirine doğru (çekirdeğe doğru) çekiyor. Böylece elektromanyetizma yüzünden atom çekirdeklerinin kendi kendine atom bombası gibi patlayarak parçalanmasını önlüyor (gerilen yayı serbest bırakırsanız katlanır).

İlgili yazı: Çifte Tılsım: Protondan 4 Kat Ağır Yeni Parçacık Bulundu

parçacıklar-temel_parçacıklar-parçacık-kuark-proton

 

Güç dengesi

İşte milyarlarca yıl boyunca bozunmadan (çürümeden) varlığını sürdüren protonları ve milyarlarca yıl boyunca bozulmadan var olan atom çekirdeklerini elektromanyetik kuvvet ile güçlü çekirdek kuvveti arasındaki bu çekişmeye borçluyuz! Atomların parçalanmadan dengede kalması bu sayede mümkün oluyor.

Öyleyse noktasal temel parçacıklar olan kuarklarla gluonların enerji alanları arasındaki fiziksel etkileşimler proton denilen 3B bileşik parçacıkları oluştururken, proton ve nötron denilen enerji alanlarının arasındaki etkileşimler de atom denilen enerji alanlarını oluşturuyor.

İlgili yazı: CERN Proton Çarpıştırıcısı 5 Yeni Parçacık Keşfetti

parçacıklar-temel_parçacıklar-parçacık-kuark-proton

 

Kısacası okulda size yanlış öğrettiler

Evrende madde yok, bir anlamda sadece enerji var. Biz insanların ölçebileceği sürelerde bozulmadan kalan dengeli ve istikrarlı enerji alanlarına üç boyutlu madde diyoruz. İstikrarlı enerji paketlerini madde veya üç boyutlu cisim olarak adlandırıyoruz.

Elbette görelilik teorisine göre madde ile enerji birbirine dönüşebiliyor ki güneş panellerini, atom bombalarını, nükleer santralleri ve nükleer füzyonu buna borçluyuz. Bu açıdan madde ve enerji fiziksel olarak birbirinden farklı şeyler. Ancak, bildiğimiz kadarıyla madde enerjiden türüyor. Enerji ise maddeye dönüşebiliyor fakat maddeden türemiyor.

Kuantum fiziğine göre enerji maddeden daha temel bir fiziksel gerçekliktir. Madde ve enerjiyi kelimelere dökmekte zorlanmamızın asıl sebebi ise fizik bilgilerimizin yetersiz olması: Sonuçta kütleçekim kuvveti ile kuantum fiziğini henüz tek bir formülle, her şeyin teorisiyle birleştiremedik.

Yine de tek boyutlu nokta parçacıklardan üç boyutlu cisimler nasıl oluşuyor derseniz cevabı bu: İnsan vücudu trilyonlarca ve trilyonlarca küçük enerji alanının (parçacığın) birbiriyle ölçülemeyecek kadar karmaşık olarak etkileşmesinden meydana gelen oldukça kararlı bir enerji alanıdır. Keza sandalye de öyle ve bu bize 3B cisimlerin doğası hakkında bir fikir veriyor.

İlgili yazı: Evren İçi Boş Bir Hologram mı?

parçacıklar-temel_parçacıklar-parçacık-kuark-proton

 

Sonsöz

Bu yazıda üç boyutlu cisimlerin ve bileşik parçacıkların tek boyutlu temel parçacıklardan (nokta parçacıklar) nasıl oluştuğunu anlattık. Bunu yaparken de atom çekirdeklerini bir arada tutan ve atom altı parçacıkları oluşturan güçlü çekirdek kuvvetine değindik.

Yazının devamında ise zayıf çekirdek kuvvetini ve Güneş’e enerjisini veren nükleer füzyonun nasıl gerçekleştiğini anlatacağım. Ancak, dünyada nasıl nükleer enerji ürettiğimizi merak ediyorsanız NASA Mars’a nükleer roketle gidecek ve Kuzey Kore ile nükleer savaş çıkar mı yazılarını okuyabilirsiniz. Okulların açıldığı yeni ders döneminde hepinize başarılar dilerim.

Atomlar ne kadar büyük?


1The Strong Interaction

9 Comments

Add a Comment

E-posta hesabınız yayımlanmayacak. Gerekli alanlar * ile işaretlenmişlerdir

*