8 Şekilde Evrenin Simetrisini Kıran Zayıf Kuvvet

8-şekilde-evrenin-simetrisini-kıran-zayıf-kuvvetZayıf nükleer kuvvet atomu parçalayarak nükleer enerji üretmemizi ve Güneş’in nükleer füzyonla yanmasını sağlıyor. Ancak, aynı zamanda evrendeki bütün simetrileri kırıyor. Uzay-zamanda asimetrik olan zayıf kuvvet, evrende antimaddenin nadir olmasından da sorumlu. Üstelik kainatta birden fazla evren varsa, bu evrenlerin birbirinden farklı olmasının asıl sebebi zayıf kuvvet olabilir. Peki zayıf kuvvet evrenin simetrisini 8 farklı şekilde kırarak bizi meydana getiren atomları nasıl oluşturuyor?

İhmal edilen en zayıf kuvvet

Evrende radyoaktif bozunumdan sorumlu olan zayıf nükleer kuvvet halk arasında çok ihmal edildi. Nasıl ihmal edildi derseniz belgesellerde gözümüzü boyayan diğer kuvvetleri sıralayalım: Kütleçekim kuvvetinin yol açtığı yerçekimi galaksileri, yıldızları, gezegenleri; kısacası evreni bir arada tutuyor.

Elektromanyetik kuvvetin eş yükler birbirini iter özelliği, oturduğumuz sandalyenin içine hayalet gibi gömülmemizi engelliyor. Güçlü nükleer kuvvet ise atomu parçalayarak veya kaynaştırarak nükleer enerji üretmemizi sağlıyor.

Oysa zayıf kuvvet nükleer radyasyondan, özellikle de radyoaktif atıklar ve beta bozunumu denilen karmaşık radyoaktif süreçlerden sorumlu. Bu yüzden de en geç keşfedilen kuvvet oldu. TV ekranlarını dolduran nükleer patlamalar, lazer ışınları ve sürekli bağırıp duran politikacılar varken halkın pek dikkatini çekmedi. O da evrenin simetrisini kırarak öç aldı. 🙂 Espri bir yana, evrenin simetrisini kırmak demek? Zayıf kuvvet nedir ve nasıl çalışıyor? Hepsini bu yazıda göreceğiz:

İlgili yazı: Yapay Zeka Nedir ve Nasıl Çalışır?

8-şekilde-evrenin-simetrisini-kıran-zayıf-kuvvet

Zayıf nükleer kuvvet, enerji açısından değil ama yapabildikleri açısından sanılandan çok daha güçlüdür. Radyoaktif bozunum, nükleer enerjiden ve başka birçok şeyden sorumludur. Hidrojen dışındaki bütün atomları ve izotopları ona borçluyuz.

 

Asi zayıf nükleer kuvvet

Fizik yasalarının simetri sayesinde evrenin her yerinde neden geçerli olduğunu zaman kristalleri yazısında anlattım ve simetri kırılmasının zamanın geleceğe akmasından sorumlu olabileceğini de belirttim. Bu yazıda ise evrenin simetrisini kırarak antimaddeyi yaratan ve elektron gibi parçacıklara kütle kazandıran aykırı zayıf kuvvetten söz edeceğiz.

Madde ve kütleyi yaratan kuvvet

Öncelikle varlığınızı zayıf nükleer kuvvete borçlusunuz; çünkü kütlenizin ve bu evrende bir ağırlığınızın olmasının sebebi zayıf nükleer kuvvettir. Elektron Neden Sol Elli yazısında belirttiğim gibi evrendeki elektron, kuark, proton ve nötrino gibi kütleli parçacıklar, kütlesini Higgs kuantum enerji alanıyla etkileşime girerek kazanır.

Ancak, evrendeki parçacıklar, Higgs alanı ile zayıf nükleer kuvvet yoluyla etkileşim kurar. Bu nedenle zayıf nükleer kuvvet, dolaylı olarak parçacıkların kütle kazanmasından sorumludur.

Her ne kadar kütle enerjinin türedi bir özelliği olsa da ve adı üstünde, kütleyi çeken kütleçekim kuvvetinden etkilense de maddeyi; yani kütleli parçacıkları zayıf nükleer kuvvete borçluyuz. Aksi halde elektronlarla diğer tüm parçacıklar, tıpkı elektromanyetik kuvvetin taşıyıcısı fotonlar ve güçlü nükleer kuvveti taşıyan gluonlar gibi ışık hızıyla giderdi.

İlgili yazı: Kodlama İçin En Gerekli 16 Programlama Dili

8-şekilde-evrenin-simetrisini-kıran-zayıf-kuvvet

 

1. Varlığımızı zayıf kuvvete armağan

Nitekim bugün evren madde, enerji ve radyasyondan oluşuyor (fotonlar). Oysa kütleli parçacıklar olmasaydı ve dolayısıyla bütün parçacıklar ışık hızında gitseydi evren sadece enerji ile radyasyondan oluşacaktı.

E=mc2 denkleminin asıl yazılışında olduğu gibi (m=E/c2), enerji kütleyi türetebilecek potansiyele sahip olsa da bu potansiyel tam olarak gerçekleşmeyecekti; çünkü protonları ve nötronları oluşturan kuarklar kütlesiz olacaktı. Buna rağmen birleşerek proton ve nötronları oluştursalar bile bu parçacıklar da kütlesiz olacağı için kendi aralarında birleşerek atom çekirdeklerini oluşturamayacaktı.

Kısacası evrende atomlar ve elementler; yani bildiğimiz anlamda madde olmayacaktı. Biz insanlar da var olmayacaktık (Sahi nasıl var olduk?) Öyleyse bizi yaratan zayıf nükleer kuvveti daha yakından tanıyalım. Evrendeki simetriyi kırarak antimaddenin oluşmasına nasıl yol açtığı ve parçacıkların kütle kazanmasına nasıl katkıda bulunduğunu anlayalım. Artık sadece 10-18 metre mesafeye kadar etkili olan zayıf nükleer kuvvetin hakkını verelim.

İlgili yazı: Düz Dünya Teorisini Çürüten 12 Kanıt

8-şekilde-evrenin-simetrisini-kıran-zayıf-kuvvet

W ve Z bozonları zayıf nükleer kuvvetin taşıyıcısıdır. Zayıf kuvvet metrenin milyar kere milyarde biri mesafeye kadar etkili.

 

Geç keşfedilen zayıf kuvvet

Yerçekimini tanımlayan Newton mekaniği 1666’da, elektromanyetik kuvveti tanımlayan Maxwell denklemleri 1855-97 arasında yayınlandı. Max Planck kuantum fiziğini 1905’te keşfetti ve Einstein görelilik teorisini 1915’te formüle etti. Modern nükleer fiziğin temelleri bile Niels Bhor’la birlikte 1913’te atıldı. Doğrusu insanlık bir daha 1855-1955 yılları arasındaki kadar hızlı ilerleme kaydetmedi.

Oysa zayıf kuvvetin radyoaktiviteden sorumlu olduğunu bulmak için 1960’ları beklememiz gerekti! Ünlü fizikçi Steven Weinberg, Sheldon Salam ve Abdus Glashow, 1960’larda zayıf kuvvetin radyoaktif bozunuma yol açtığını söylediler. Buna göre, plütonyum gibi radyoaktif atomlar, zayıf kuvvet kaynaklı beta bozunumu ile bir nevi kilo vererek daha dengeli ve hafif atomlara dönüşüyordu.

Weinberg ve meslektaşları, zayıf kuvvetin taşıyıcısı olarak W ve Z bozonlarının (bir tür parçacık) varlığını öngördü. Hatta 1979 yılında, bütün evreni tek bir denklemle açılayan her şeyin teorisini geliştirmek için önemli bir adım atıldı ve zayıf kuvvet, güçlü kuvvet VE elektromanyetik kuvvet tek teori altında birleştirildi. Bu kuvvetler kuantum elektrorenk dinamiği altında tanımlandı.

Ancak, W ve Z bozonlarının Avrupa Nükleer Araştırma Merkezi’nde (CERN) gözlemlenmesi ve zayıf kuvvetin varlığının, dolayısıyla da kuantum elektrorenk dinamiğinin doğru olduğunun kanıtlanması için 1983 yılını beklememiz gerekti. İşte zayıf kuvvet o kadar geç keşfedildi; çünkü:

İlgili yazı: Gerçek Adem: ilk insan ne zaman yaşadı?

8-şekilde-evrenin-simetrisini-kıran-zayıf-kuvvet

Ağır atomları ve dolayısıyla galaksiler, gezegenler, yıldızlar, kara delikler ile nötron yıldızlarının varlığını zayıf nükleer kuvvete borçluyuz.

 

2. Evrendeki en garip kuvvettir

Öncelikle fizikçilerin 1963 yılında yaptıkları bir deneyle aniden zayıf nükleer kuvveti keşfettiğini düşünmeyelim. Dediğim gibi ilk gözlemlerden ilk kanıta kadar 20 yıl geçmesi gerekti. Ancak, fizikçiler 20. yy’ın başından beri; yani radyoaktivitenin keşfedilmesinden beri, evrende bir nükleer kuvvet olması gerektiğini biliyordu.

Özellikle de kuantum atom teorisinin geliştirilmesinden sonra, ileride zayıf nükleer kuvvet olarak adlandıracakları yeni bir kuvvetin varlığından kuşkulanmaya başladılar. Bu da bizi fizikte yanlış anlaşılan ve fizik kuvvetleriyle ilgili olan bir terim karmaşasından kurtulmaya zorluyor:

Daha önceki yazılarımda, fizikçilerin fizik yasaları yerine fiziksel etkileşimler terimini kullandıklarını açıklamıştım. Gerçekten de evrende dört temel fiziksel etkileşim var ve biz de bunlara dört fizik kuvveti diyoruz: Zayıf-güçlü nükleer kuvvet, elektromanyetik kuvvet ve kütleçekim kuvveti.

Öte yandan, fizik kuvvetleri ile fiziksel etkileşimler aynı şey değildir. Aralarında kuantum fiziği denklemlerini çözerken dikkate almamız gereken küçük bir fark var. Bu fark, standart popüler bilim yazılarını takip eden ve bilimle genel kültür seviyesinde ilgilenen okurlar için önemli olmayabilir. Ancak, zayıf kuvveti anlamak için çok önemli. Neden derseniz:

İlgili yazı: İnternetinizi Uçuracak En İyi 10 Modem

Büyütmek için tıklayın.

 

Fotonlar zayıf kuvveti hissediyor

Evrendeki parçacıkların Higgs alanı ile zayıf etkileşim kurarak kütle kazandığını söyledik. Buna karşın fotonların kütlesiz olduğunu biliyoruz. Bu da Higgs alanıyla etkileşime girmediklerini, dolayısıyla da kütlesiz olduklarını gösteriyor. Ancak, fotonların zayıf kuvvetle etkileşim kurmaması demek zayıf nükleer kuvveti hissetmedikleri anlamına gelmez.

Detaylar bizi konudan saptıracağından burada keseceğim; ama gelecek okumalar için bir örnek vermek istiyorum: Fizikte, hem de kuantum fiziğinde değil, Einstein’ın klasik fiziğin zirvesi olan genel görelilik teorisinde; kütlenin enerjinin türedi bir özelliği olduğunu gördük. Bununla birlikte, modern kuantum fiziği de bir kuantum alan kuramıdır. Kuantum alan kuramları ise enerji alanlarıdır.

Öyle ki kuantum alanlarının içindeki bütün radyasyonla parçacıkları, madde ve enerjiyi boşaltsanız bile bu alanların enerjisi sıfıra inmez; çünkü kuantum alanlarının, belirsizlik ilkesi yüzünden rastgele dalgalanarak kendi kendisiyle etkileşime girmesi söz konusudur. Bu da boş kuantum alanlarının bile, minimum enerji değerine sahip olmasına yol açar; yani boş uzayın da bir enerjisi ve ağırlığı vardır.

İlgili yazı: Evrenin En Büyük Yıldızı UY Scuti mi?

Radyoaktivitenin ana nedeni zayıf nükleer kuvvettir.

 

3. Zayıf kuvvet ve ışık hızı

Öyleyse m=E/c2 uyarınca boş uzayın sahte vakum enerjisi (ki bizzat evreni doğuran büyük patlamayı tetiklemiş olabilir) fotonun boşluktaki hızını yavaşlatan bir çekim alanı yaratacaktır. Kısacası ışık hızından, evrenimizdeki uzay boşluğunun temel enerji değeri (sahte vakum değeri) sorumludur. Öyle ki hiçbir şey ışıktan hızlı gidemez ve ışık bu evrende saniyede yaklaşık 300 bin km hızla gider. Ancak, fizik yasaları başka olan bir evrende ışık hızı saniyede 3 km veya 1 milyon km de olabilir!

Toparlarsak: Işık zayıf etkileşime girmez ve Higgs alanı ile etkileşim kurmaz; ama bu ışığı oluşturan foton parçacıklarının, Higgs kuantum alanı ile zayıf nükleer kuvveti taşıyan W ve Z bozonlarının enerji alanlarını “hissetmeyeceği” anlamına da gelmez.

Öyle ki uzay boşluğunun minimum enerji değeri, 4 fizik kuvvetinin kendi kuantum alanları ile evrendeki bütün parçacıkların kuantum alanlarının sahip olduğu minimum enerji değerlerinin türevidir. İşte size zayıf kuvvetin bir garipliği!

İlgili yazı: Solak Evren: Elektron Neden Sol Elli?

Güneş öncelikle zayıf nükleer kuvvet sayesinde yanıyor; çünkü füzyon yakıtını zayıf kuvvet oluşturuyor.

 

4. Zayıf kuvvet ve kütlenin oluşumu

Şimdi diyeceksiniz ki “Ama hocam, bu özellik bütün fizik kuvvetleri için geçerli. Neden zayıf kuvvetin kendine has bir garipliğiymiş gibi anlattınız?” Anlattım; çünkü bu kuvveti diğer kuvvetler gibi tek bir bozon değil, iki bozon taşıyor. Oysa kütleçekim kuvvetini muhtemelen graviton, elektromanyetik kuvveti foton ve güçlü nükleer kuvveti de gluon parçacığı taşıyor; yani her kuvvetin tek bozonu var.

Ancak, zayıf kuvvet resmen çete kurmuş: Bu kuvveti W ve Z bozonları birlikte taşıyor ki bunların da çeşitli türleri bulunuyor. W bozonu pozitif veya negatif elektrik yüklü olabiliyor (W+ ve W). Dolayısıyla bunlar birbirinin antimaddesi oluyor. Z bozonunun elektrik yükü ise sıfır ve bu da kendi kendisinin anti parçacığı oluyor. Bütün bu detaylar zayıf kuvveti karmaşık bir hale getiriyor. Neden mi?

Sonuçta zayıf kuvvetin evrendeki parçacıkları etkilemesinin çok çeşitli yolları bulunuyor. Hatta birazdan göreceğimiz gibi, evrendeki ağır elementlerin ve katı maddenin oluşmasını da diğer üç fizik kuvvetinden çok daha karmaşık olan zayıf etkileşimlere borçluyuz.

Elbette zayıf kuvveti taşıyan türlü türlü bozonlar, diğer ara parçacıklarla birlikte Higg bozonuyla olan etkileşimleri de karmaşıklaştırıyor. Ancak, kafanız karışmasın. Burada çok basit bir şey söylüyorum: Elektron ve proton gibi parçacıkların kütlesini zayıf etkileşime borçluyuz; çünkü zayıf etkileşimin karmaşık süreçleri, bu parçacıkların Higgs alanıyla olan etkileşimini de değiştiriyor.

Bize ne derseniz

Bence yatıp kalkıp şükretmelisiniz: Proton, nötron ve hele elektronun kütlesi daha büyük veya daha küçük olsaydı biz insanlar bugün burada var olamazdık. Evrende gezegenler, galaksiler ve hayat da oluşmazdı. Bunların kütlesine gereken ince ayarı zayıf kuvvet yaptı. Ancak bu hikaye burada bitmez, daha yeni başlıyor!

İlgili yazı: Gezegenler Güneş Çevresinde Nasıl Dönüyor?

Serbest nötronlar zayıf kuvvet yüzünden hızla bozunur, ama protonla eşleşen nötronlar YİNE zayıf kuvvet yüzünden korunur. Büyütmek için tıklayın.

 

5. Zayıf kuvvet ve ağır elementler

Dahası bu kuvvetin gariplikleri, proton ve nötronların radyoaktif bozunum yoluyla başka parçacıklara dönüşmesine yol açıyor. Bunu kurşunu altın yapan felsefe taşı efsanesi gibi düşünebilirsiniz.

Örneğin, protonlar beta bozunumu ile bir nötron, bir pozitron (antimadde parçacığı) ve bir nötrinoya dönüşürler. Oysa protonlar bozunum sırasında üretilen bu parçacıklardan oluşmaz, kuarklardan oluşurlar. Öyleyse beta bozunumuna yol açan zayıf kuvvet fiziğin simyası sayılır!

Nitekim atom çekirdeklerini oluşturan proton ve nötronların beta bozunumuyla birbirine dönüşmesi, nükleer santrallerde atomu parçalayarak enerji üretmemizi sağlıyor. Aynı zamanda uranyumu daha ağır olan plütonyuma dönüştürerek nükleer bomba imal etmemizi de izin veriyor.

Bu nasıl oluyor derseniz: Bir atomun çekirdeğinde çok fazla proton veya nötron varsa o çekirdek kararsız bir enerjiye olur. Böylece proton veya nötronlar beta bozunumuyla birbirine dönüşürler. Bu da çekirdekteki proton sayısını, dolayısıyla da atom numarasını değiştirir. Bir elementin beta bozunumuyla başka bir izotopa veya bambaşka bir elemente dönüşmesini sağlar.

İlgili yazı: Hall İyon Roketleriyle Mars’a 60 Günde Gidin

8-şekilde-evrenin-simetrisini-kıran-zayıf-kuvvet

Simyacı filozoflar uzun yıllar boyunca kurşunu altına çevirecek felsefe taşını aradılar. Tabii ki tamamen duygusal sebeplerle; ama bu arada kimyayı keşfettiler. 🙂

 

6. Zayıf kuvvet ve nükleer enerji

Örneğin, nükleer reaktörlerde üretilen plütonyum 239, radyoaktif beta bozunumu ile Uranyum 235’e dönüşür (Plütonyum 239’un yarı ömrü, yani yarısının uranyum 235’e dönüşmesi için gereken süre ise 24 yıldır). Aslında zayıf kuvvet bütün bu sebeplerle nükleer santrallerde atomu parçalayarak enerji üretmemize de yardım eder.

Dahası Güneş’in nükleer füzyon reaksiyonlarıyla ısı ve ışık üretmesini de zayıf kuvvete borçluyuz. Sonuçta Güneş, hidrojen atomu çekirdeklerini kaynaştırıp helyum çekirdekleri sentezliyor; ancak hidrojen çekirdeklerini basitçe birbirine yapıştırıp kaynaştıramazsınız. Hidrojen ham maddesi tek başına füzyon için yeterli değil. Bize yarı mamul de lazım. İşte bu yarı mamulleri zayıf kuvvet üretiyor.

Nasıl derseniz: Güneş’in çekirdeğindeki serbest nötronlar beta bozunumuyla bir proton, bir elektron ve bir nötrinoya dönüşüyor. Öte yandan, bir proton ve nötrondan oluşan ağır hidrojen (döteryum) çekirdeği nötronların bozunmasını önlüyor. Bu sayede Güneş döteryumu kaynaştırıp helyum 3 sentezliyor. Bu da Güneş’in Dünya’ya hayat veren ısı ve ışığı yaymasını sağlayan enerjiyi üretiyor!

İlgili yazı: İnsanların Soyu Ne Zaman Tükenecek?

8-şekilde-evrenin-simetrisini-kıran-zayıf-kuvvet

Zayıf nükleer kuvvet, atomların radyoaktif bozunum yoluyla başka atomlara dönüşmesini sağlayan gerçek felsefe taşıdır. Atomu parçalayarak nükleer enerji ve nükleer silah üretmemizi sağlayan nötronların varlığını bile zayıf kuvvete borçluyuz.

 

7. Zayıf kuvvet ve büyük patlama

Nitekim yazının başında varlığınızı zayıf kuvvete borçlusunuz demiştim. Şimdi bunu açıklamanın zamanı geldi. Zayıf kuvvet, yıldızların ağır elementler sentezlemesini sağlayan nötronların süregelen varlığından sorumludur.

Nötronları zayıf kuvvet yaratmadı (bunu güçlü nükleer kuvvet yaptı). Ancak, zayıf nükleer kuvvet, nötronların bugüne dek gelerek bildiğimiz atomları oluşturmasına izin verdi; çünkü yaşadığımız gözlemlenebilir evreni oluşturan sıcak büyük patlama anında eşit sayıda proton ve nötron yaratıldı.

Oysa nötronlar kararsızdır ve beta bozunumuyla protona dönüşmek isterler; ama evrendeki bütün nötronlar protona dönüşseydi, bedenimizi meydana getiren karbon ve kalsiyum gibi ağır elementler oluşmazdı! Evrende katı madde diye bir şey olmazdı. Her şey en hafif element olan hidrojen gazından oluşurdu. Hidrojenin fazladan nötron içeren döteryum gibi izotopları bile olmazdı.

Buna karşın, bir proton ve nötron birleşerek döteryum çekirdeği oluşturduğu zaman, aralarında özel bir zayıf kuvvet etkileşimi görülüyor. Böylece serbest nötronları bozan zayıf kuvvet, protonlara bağlanan nötronların bozunmasını önlüyor. Bu da yıldızların çekirdeğinde ve süpernova sırasında döteryumu diğer atom çekirdekleriyle kaynaştırarak ağır elementler sentezlenmesine izin veriyor.

İlgili yazı: Kuantum Zaman: Gözünüz 12 Milyar Yıllık Işıkla Dolanık

8-şekilde-evrenin-simetrisini-kıran-zayıf-kuvvet

Güçlü nükleer ve elektromanyetik kuvvet ile kütleçekim kuvveti tümüyle simetriktir. Işık elektromanyetik kuvvete tabi bir dalgadır ve ışığı oluşturan fotonlar da bu kuvvetin taşıyıcısıdır. Bu yüzden ayna görüntünüz simetriktir.

 

8. Zayıf kuvvet ve simetriler

Buraya kadar zayıf kuvvetin 7 farklı şekilde evrenin simetrisini kırdığını söyledik. Hatta daha yazının başında, zayıf kuvvetin büyük patlama anında yaşanan simetri kırılmasına katkı yaparak bugünkü evrenin oluşmasını sağladığını belirttik. Geriye son simetri kırılması kaldı.

Ben de bunu oldukça özet olarak geçeceğim. Steril nötrino, karanlık madde, Higgs alanı, elektrozayıf kuvvetin antimadde ile ilişkisi ve evrendeki fizik yasalarını tanımlayan kuantum alanlarını oluşturan asıl simetri kırılmalarını ise gelecek yazılara bırakacağım. Bu bölümde basitten başlayarak gidelim. 🙂

Simetri kırılması, en basitinden, fizikçilerin bir deney yaparken o deneyin sonuçlarını değiştirmeden yapabildikleri bütün değişikliklerdir. Bunlar da o kadar karmaşık şeyler değil aslında. Örneğin ben bir deney yaparken arkamda veya önümde durabilirsiniz.

Ancak, özellikle konumunuz üzerinde bir deney yapmıyorsam, deney sonuçlarının durduğunuz yere göre değişmemesi gerekir. İyi tasarlanmış ve uygulanmış bir deneyin temel kuralı budur. Bu aynı zamanda simetriye ve fizik yasalarının simetrik olduğu için evrende her yerde, her zaman ve her ölçekte geçerli olmasına bir kanıttır.

İlgili yazı: Zamanda Yolculuk İçin Büyükbaba Paradoksu Çözüldü

Oysa zayıf nükleer kuvvet uzay ve zamanda simetrik değildir. Bu nedenle ayna evrende bile farklı davranır.

 

Gelelim simetri kırılmalarına

Fizikçiler 1900’lerde şunun da farkına vardılar: Bir fotoğrafı soldan sağa ve tersi yönde değiştirmek, yukarı aşağı değiştirmek ve hatta ters yüz etmek (negatifini almak) fotoğraftaki şekilleri değiştirmiyordu. Örneğin benim fotoğrafımın negatifini alırsanız ağzım-yüzüm kaymaz, dağılmaz. Elbette insanlar bunu evvel eski bilirler; ama bu simetrinin matematiği 1900’lerde geliştirildi.

Ancak bir de P simetrisi var: Üç boyutlu uzayda geçerli olan ve yukarıda sıraladığım simetrileri tek tek değiştirirince bir bozulma olmuyorsa hepsini birden değişince de bozulma olmaz. İşte buna P simetrisi, yani eşitlik simetrisi diyoruz.

Günlük hayattan bir örnek daha verelim: Bir saatin yelkovanının saat yönünde veya saatin tersi yönünde dönmesi ne kadrandaki saniye çizgilerinin aralığını değiştirir, ne zamanın akış hızını değiştirir ne de zamanın geçmişe akmasını sağlar. Bu da üç fizik kuvvetinin P simetrisine uyduğunu gösteriyor.

Öyle ki evrenimizin ayna görüntüsünü alsaydık bu üç fizik kuvveti aynen işlerdi. Peki P simetrisinin zayıf nükleer kuvvetle ne ilgisi var derseniz: Bütün fizik kuvvetleri üç boyutlu uzayda etki ediyor. Zayıf nükleer kuvvetin de bir fizik kuvveti olarak üç boyutlu simetriye uyması beklenir; ama dedik ya, o asi bir kuvvet olarak farklı olmak zorunda. Zayıf etkileşimler eşiklik simetrisini kırıyor. :p

İlgili yazı: Kuantum Silgisi ile Zamanı Silmek Mümkün mü?

8-şekilde-evrenin-simetrisini-kıran-zayıf-kuvvet

Evrenimiz sol ellidir.

 

Solak evren ve zayıf kuvvet

Bu da bizi yazı dizimizin birinci bölümü Solak Evren: Elektron Neden Sol Elli yazısına geri getiriyor. Nitekim zayıf nükleer kuvvet uyarınca bütün kütleli parçacıkların sarmallık (helisite) denilen bir özelliği vardır ve sarmallık da simetrik değil, asimetriktir. Bunu kısaca görerek bu bölümü toparlayalım:

Sarmallık matematiksel olarak bir parçacığın momentumu (hareket yönü) ile kendi çevresinde dönme yönünün (spin veya açısal momentum) bileşimidir. Bunu hayal etmek için çifte sarmal DNA’yı veya bir oteldeki sarmal merdivenleri (döner merdiven) ya da burgulu vidayı gözünüzde canlandırın.

Hatta Gezegenler Güneş Çevresinde Nasıl Dönüyor yazısını okursanız Güneş Sistemi’ndeki gezegenlerin bile bir tür helisitesi olduğunu görürsünüz. Peki evrenin solak olması ne demektir?

Elektronlar solaktır ve hareket yönü ne olursa olsun kendi çevresinde hep sola dönerler. Örneğin, elektron bu yazıyı okuduğunuz ekranda soldan sağa doğru gidiyorsa o yöne göre kendi çevresinde soldan sağa dönüyor olacaktır. Ekranda sağdan sola gidiyorsa yine o yönde sola dönüyor olacaktır. Sarmallık budur.

İlgili yazı: Madde ve zamanın kökeni nedir?

Fermi-Dirac istatistiklerine uyan parçacıklara fermiyon denir. Bunların yarım spini vardır; yani sağ elli ve sol elli olabilirler. Elektron sol ellidir; çünkü hareket yönüne göre kendi çevresinde hep sola döner. Ancak, bu durum elektronun zıt hareket yönlerinde zıt döneceği anlamına gelir: Sağa ve sola dönme durumu yarım spin olarak tanımlanır ve bu spinler şekildeki gibi birbirini tamamlayarak tam spin oluşturur. Dolayısıyla sağ ve sol elli elektronlar vardır. Ancak sağ elli elektronlar ayna evrendedir. Elektron ancak ayna evrenle birlikte simetriktir.

 

Sarmallık bir simetri kırılmasıdır

Geçen yazıda anlattığım Kobalt 60 atomu deney sonuçları bunu gösterdi: Kobalt 60 atomundan uzaya saçılan elektronlar; gözlem hizasına göre hem atomdan yukarı fırlıyorsa soldan sağa dönüyor, hem de atomdan aşağı fırlıyorsa soldan sağa dönüyorlar! Bu durumda aşağı giden elektronlar, yukarı giden elektronlara göre kendi çevresinde sağa dönüyor ve tersi de geçerli oluyor. 

Oysa bütün elektronlar sol ellidir. Demek ki buna sadık kalmak için dönme yönünü değiştiriyor ve hep hareket yönüne göre soldan sağa dönmeyi tercih ediyorlar. Bu da P simetrisinin, yani eşitlik simetrisinin kırılması anlamına geliyor ve P simetrisini de zayıf nükleer kuvvet kırıyor.

Öyle ki zayıf nükleer kuvvet sadece saat yönünde dönen madde parçacıklarını ve saatin ters yönünde dönen antimadde parçacıklarını etkiliyor. Özetle madde ve antimaddeyi farklı etkileyen tek fizik kuvveti oluyor. Böylece evrende maddenin fazla, antimaddenin az olmasını gösteren bir ipucu oluşturuyor.

Ne de olsa zayıf kuvvet P simetrisine ek olarak yük simetrisini (C simetrisi) ve zaman simetrisini de kırıyor (T simetrisi); yani zayıf nükleer kuvvet, zaman geçmişe akıyor olsaydı farklı davranırdı. İşte bu yüzden zaman simetrisinin kırılması, evrende antimaddenin nadir olmasının nedeni olabilir. Nitekim yeni yapılan parçacık deneylerinde, zaman simetrisi kırılmasının, antimaddenin normal maddeye dönüşmesini kolaylaştırdığını görüyoruz:

İlgili yazı: Zamanın Akışı Yavaşlıyor mu ve Bir Gün Duracak mı?

Zayıf nükleer kuvvet evrenin simetrisini kırıyor.

 

Buna CPT asimetrisi diyoruz

Örneğin, zayıf kuvvet yüzünden, B0 mezonu denilen parçacıklar farklı hızlarda antimaddeye dönüşüyor (B0 -> B-0); yani antimezonlar hızla maddeye dönüşürken mezonların antimezona dönüşmesi çok yavaş gerçekleşiyor. Buna ek olarak, sadece kütleçekim kuvveti ve zayıf nükleer kuvvetle etkileşime giren nötrinolar da kendi kendisinin antimaddesi olabilir. Bu teori doğruysa antimaddenin nadir olmasının asıl sebebi nötrinolardır! 😮

Ancak, bütün bu simetri kırılmaları zayıf kuvvettin zamanın ileri akmasından sorumlu olduğu anlamına gelmez. Zamanın oku termodinamiktir. Zayıf kuvvet zamanın yönünü belki dolaylı olarak belirleyebilir; ama şimdiye dek termodinamik yasalarını kuantum fiziğinden türetemedik.

Her durumda, zayıf kuvvetin kırmadığı simetri kalmamıştır (CPT asimetrisi). Zayıf nükleer kuvvet tümüyle asimetriktir ve dahası, kainatta birden fazla evren varsa belki de bu evrenlerin birbirinden farklı olmasının ana sebebi bu kuvvettir.

Oysa güçlü nükleer kuvvet, elektromanyetik kuvvet ve kütleçekim kuvveti bütün simetrilere uyuyor (CPT). Bunlar CPT’ye göre simetrik oluyor ve eğer asimetrik olsalardı bildiğimiz evren yok olurdu. Öte yandan, zayıf kuvvetin de asimetrik olmak yerine simetrik olması evrenimizi yok ederdi. İşte bu nedenle zayıf nükleer kuvvet tüm fizik kuvvetleri içinde en aykırı olanıdır.

İlgili yazı: Fizikçiler Zamanı Tersine Çevirdi

Işığı oluşturan fotonlar gibi bütün bozonlar tam spinlidir; yani bunların spini hep tam sayıya eşittir. Ayrıca fotonlar ayna evren dahil, olası tüm paralel evrenlerde simetriktir. Zayıf kuvvet ise tüm evrenlerde asimetriktir.Sağ-sol, yukarı-aşağı, ileri-geri ve zamanda ileri-geri olarak asimetriktirler. CPT asimetrisine sahiptir.

 

Evrenimizi asimetriye borçluyuz

Bilim insanlarının doğayı fizik yasalarıyla anlayıp öngörebilmesinin tek yolu, fizik yasalarının evrende simetrik olmasıdır dedik. Zayıf kuvvetin asimetrik olması ise evreni anlamamızı oldukça zorlaştırıyor; ama aynı zamanda ona fark katıyor. Sonuçta bugünkü fizik kuvvetlerinin büyük patlama anında var olan tek bir kuvvetten ayrışarak yaşadığımız evreni meydana getirmesini, zayıf kuvvet benzeri simetri kırılmalarına borçluyuz.

Tabii CPT simetrisini ihlal eden zayıf nükleer kuvvetin, en azından yaşadığımız evrende madde ve antimaddenin eşit sayıda olmasını önlemesi de güzel bir şey. Sonuçta madde ve antimadde temas ettiği anda birbirini yok eder ki eşit sayıda olsalardı evren ölü doğardı.

Peki antimadde varsa anti yerçekimi de olabilir mi? Yoksa kütleçekim kuvveti kuantum salınımlarıyla mı oluşuyor? Sahi, kara delik çarpışmalarında oluşan ve bizzat uzay-zamanı dalgalandıran kütleçekim dalgaları büyük patlamayı anlamamızı nasıl sağlayabilir? Bütün bunların cevabına şimdi bakabilir ve evrenin akıbeti için karanlık enerjinin değişip değişmediğine de göz atabilirsiniz. İşiniz, dersleriniz ve sağlığınızın iyi gittiği dinamik bir hafta olsun.

Evrenin simetrisini kıran parçacık


1Fundamental Forces
2The Weak Force:From Fermi to Feynman (pdf)
3Experimental Test of Parity Conservation in Beta Decay
4Kaon Physics: CP Violation andHadronic Matrix Elements

Add a Comment

E-posta hesabınız yayımlanmayacak. Gerekli alanlar * ile işaretlenmişlerdir