Güneşimiz Nasıl Isı ve Işık Saçıyor?

Dünya’ya hayat veren Güneşimiz kuantum fiziğindeki belirsizlik ilkesi olmasa ısı ve ışık saçmak için gereken nükleer füzyon tepkimesini başlatamazdı; çünkü Güneş’in çekirdeği füzyon için yeterince sıcak değil. Oysa belirsizlik ilkesi, atomların birbirine daha kolay yapışarak füzyon başlatmasını ve Güneş’in yanmasını sağlıyor. Peki yıldızlarda nükleer füzyon nasıl gerçekleşiyor?

Çekirdek kaynaşması

Nükleer füzyonun adı bu ve füzyonun anlaşılmasını E=mc² denklemiyle Dünya’yı değiştiren Einstein’a borçluyuz. Bu denklem enerjinin maddeye ve maddenin de enerjiye dönüşebileceğini söylüyor. Nitekim atomu parçalayan nükleer bombaları ve atomu parçalayarak enerji üreten nükleer santralleri bu denkleme borçluyuz.

Ancak, küçük atomları birleştirip daha büyük atomlar oluşturarak da nükleer enerji üretebiliriz. İşte atomu parçalamaktan (fizyon) en az 10 kat fazla enerji üreten ve çok daha temiz olan bu tekniğe nükleer füzyon, yani çekirdek kaynaşması diyoruz.

İlgili yazı: Renk Körlüğünü Düzelten Gözlük EnChroma

 

Güneşimiz ve sıcak çekirdeği

Güneş’in merkezinde hafif atom çekirdekleri kaynaşıp daha ağır atom çekirdekleri üretirken az da olsa kütle kaybediyor. Aslında kayıp kütle enerji halinde uzaya salınıyor. Buna füzyon enerjisi diyoruz ve Güneşimiz söz konusu olduğunda 4 hidrojen çekirdeği kaynaşarak Helyum 4 çekirdeği üretiyor.

Aslında Helyum 4’ün kütlesi 4 hidrojen atomunun toplam kütlesinden daha küçük. İşte ilk bakışta arada kaybolan bu kütle aslında enerjiye dönüşüyor. Bu enerji Güneşimizin yanmasını sağlıyor.

İlgili yazı: Düz Dünya Teorisini Çürüten 12 Kanıt

 

Ancak bir sorun var

Güneş’in çapı 1 milyon 391 bin km ve çekirdek çapı yaklaşık 347 bin km. Dünya’nın çapı 12 bin km olduğuna göre Güneş’in dev gibi bir çekirdeği var; ama bu daha başlangıç. Güneş’in çekirdeği 15 milyon derece sıcaklık ve 265 milyar bar basınçla Venüs’ten çok daha sıcak bir cehennem!

Oysa odanızdan 625 bin kat sıcak olmasına ve deniz seviyesindeki basıncın 265 milyar katıyla ezilmesine karşın, Güneş’in çekirdeği nükleer füzyon için gereken enerjiye sahip değil. Nasıl olur derseniz protonların eş yüklere sahip olduğu için birbirini ittiğini ve birleşerek daha büyük atom çekirdekleri üretmeye direnç gösterdiğini belirtelim.

Temel parçacıklar tek boyutluysa cisimler neden 3 boyutlu yazısında, atom çekirdeklerini bir arada tutan güçlü nükleer kuvvet ile elektromanyetik kuvvet arasındaki etkileşimi (bir anlamda çekişmeyi) anlatmıştım. Ancak özetle şunu söyleyebiliriz: Küçük atomları birbirine itip birleştirerek daha büyük atomlar üretmek için önce onların birleşmeye olan direncini kırmalıyız.

İlgili yazı: İnternetinizi Uçuracak En İyi 10 Modem

 

Nükleer ceviz kıracağı

Güneş’in çekirdeği ezici bir basınca sahip ve yüksek sıcaklığıyla atomları birbirine doğru hızla itip çarpıştırarak yüksek enerji üretiyor. Ancak, bu muazzam enerji bile nükleer füzyon gerçekleştirmeye yeterli değil.

Oysa Einstein, 1920’lerde kuantum fiziğindeki belirsizlik ilkesini eleştirmek için Tanrı evrenle zar atmaz demişti. Elbette amacı Tanrı’yı savunmak değil (gerçek anlamda dindar sayılmazdı), klasik fizikteki determinizm ilkesini savunmaktı. Oysa birazdan göreceğimiz gibi Tanrı bu anlamda gerçekten zar atıyor ve Güneşimiz belirsizlik ilkesi sayesinde, gücünün yetmediği ölçüde nükleer füzyon gerçekleştirerek yanıp tutuşuyor.

İlgili yazı: Mobil İnternette Video İzleme Rehberi

 

Atom çağının başlangıcı

1920’lerde fizik dünyası iki devrim yaşadı: 1) Genel Görelilik uzay ve zamanı birleştirdi ve uzay-zamanın bükülmesinin yerçekimine yol açtığını ortaya koydu (ancak, yerçekimi gücüne yol açan kütleçekim kuvvetinin ne olduğunu henüz çözemedik).

2) Kuantum mekaniği evrende bilinen tüm parçacıkları tanımladı (bazılarını öngördü) ve aynı zamanda bunların dalga olarak davrandıklarını açığa çıkardı. Ancak, kuantum fiziğinin klasik fiziğe ait görelilikten en büyük farkı belirsizlik ilkesidir.

Kuantum fiziği determinist bir teori değil: Bir elektronun iki saniye sonra sağdan mı, soldan mı gideceğini kesin olarak bilemeyiz (belirsizlik). Ancak, sağdan veya soldan gitme olasılığını kesin olarak hesaplayabiliriz (Hatta bazı fizikçiler olasılıkların kesin olarak hesaplanması yüzünden kuantum fiziğine yarı klasik fizik diyor).

İlgili yazı: Yerçekimi Kuantum Salınımlarıyla mı Oluşuyor?

 

Güneşimize gelince

1920’lerin en büyük fizikçilerinden olan Albert Einstein ve Niels Bohr belirsizlik ilkesini ömürlerinin sonuna kadar tartıştılar. Bohr için belirsizlik ilkesi acayip bir şeydi; ama gerçekti. Einstein ise belirsizliğin bir yanılgı olduğunu düşünüyordu ve kuantum fiziğinin bir gün klasik fizikle düzeltileceğini umdu.

Einstein haklı mıydı?

Bilmiyoruz. Bugüne kadar bu soruları kuantum fizikçiler bile yanıtlayamadılar; çünkü kuantum mekaniği ile görelilik teorisini birleştirmeyi başaramadılar. Oysa Güneşimiz söz konusu olduğunda nasıl ısı ve ışık saçtığını nükleer fizikle açıkladılar! Doğrusu şansları yaver gitti.

Kuantum mekaniği 1920’lerde keşfedildiğinde fizikçiler evrendeki 4 fizik kuvvetinden sadece ikisini biliyordu: Yerçekimi ve elektromanyetizma. Nükleer fiziğin temeli olan diğer iki kuvvet ise (güçlü ve zayıf nükleer kuvvet) henüz bilinmiyordu. Bunlar kuantum mekaniğiyle birlikte geliştirildi ve nükleer fizik kuantum dünyasının en büyük başarısı oldu.

İlgili yazı: İnternette teknik takip ve gözetimi önleme rehberi

 

Öyleyse Güneş’in içinde ne oluyor?

Nükleer fizik diyor ki bir yıldızın rengi sıcaklığıyla doğrudan alakalıdır ve yıldızın sıcaklığı da kütlesiyle doğru orantılıdır. Bundan yola çıkarak hesaplama yaptığımızda görüyoruz ki Güneş saniyede 4 × 10²⁶ watt enerji üretiyor (400 trilyon trilyon watt veya 1,44 trilyon trilyon trilyon kilowatt saat).

Bunun için de çekirdeğinde saniyede 4 × 10³⁸ proton kaynaşarak helyum üretiyor (400 trilyon trilyon trilyon hidrojen çekirdeği).

İlgili yazı: Ekim Ayında Dünya’ya Büyük Asteroit Çarpmayacak

 

İnanılmaz! Nasıl bu kadar enerji üretebilir?

Şaşırmayalım: Güneşimiz 10⁵⁷ parçacık içeriyor (trilyon trilyon trilyon trilyon milyar parçacık). Bunların sadece yüzde 10’u çekirdekte yer alıyor; yani Güneş aslında o kadar verimli bir yıldız değil. Her ne kadar nükleer füzyon gerçek güneş önerisi olsa da yıldızımız kütlesine göre çok az enerji üretebiliyor.

Zaten yıldızların asıl sorunu; yani yıldız ömrünü kısaltan asıl sorun da bu: Yıldızlar nükleer yakıtını (hidrojen) çok hızlı yaktığı için kısa ömürlü olmuyor. Sahip oldukları hidrojenin sadece yüzde 10’unu çekirdeklerinde son derece verimsiz yaktıkları ve geri kalanını da güneş rüzgarı vb. süreçlerle heba ederek bir türlü yakamadıkları için kısa ömürlü oluyorlar.

Sadece evrendeki en yaygın yıldız türü olan kırmızı cüceler 10 milyar yıldan uzun yaşıyor. Büyük yıldızlar ise 5–30 milyon yılda süpernova halinde patlıyor ya da doğrudan çökerek kara deliğe dönüşüyor. İyi ki öyle; yoksa uzay Dünya’yı yakacak kadar sıcak olurdu.

İlgili yazı: 5 Soruda Paralel Evrenler

 

Güneşimize dönersek

• Güneş’in çekirdeğindeki protonlar yüksek basınçlı süper yoğun gaz ortamında (gaz basınçtan dolayı şişip genleşemiyor) saniyede 500 km ile gidiyorlar. Bu da neredeyse Samanyolu’nun görünüşte bağlı olduğu ve binlerce galaksiden oluşan üst süper galaksi kümesi Laniakea’nın hızına eşit.
• Yüksek basınç ve sıcaklık nedeniyle saniyede 1 milyar proton birbiriyle çarpışıyor (Gerçi CERN parçacık hızlandırıcısında protonlar ışık hızının yüzde 99’undan daha hızlı olarak çarpışıyor; ama CERN’de birkaç proton çarpışana kadar Güneşimiz 1 milyar proton çarpıştırıyor).
• Buna rağmen çarpışmaların enerji verimliliği çok düşük (Amerika’nın Kuzey Kore’ye karşı kullanacağı öne sürülen termonükleer bombalardaki füzyon evresi daha verimli): Öyle ki 100 trilyon trilyon protonda sadece 1 proton, H₂ dediğimiz ve bir nötron ile bir protondan oluşan döteryuma (ağır hidrojen) dönüşüyor.

İlgili yazı: Düz Dünya Teorisini Çürüten Gerçek Video

 

İşler şimdi sarpa sarıyor

Nükleer fizik okuyan arkadaşlar sayıları alıp bir hesap yapsınlar: Bakalım Güneşimizin çekirdeği yanıp tutuşarak ısı ve ışık üretmesine izin verecek kadar enerji üretiyor mu? Özellikle çekirdekteki protonların içeride nasıl dağıldığına bakalım ve çekirdeğin sahip olduğu potansiyel enerji karşısında ne kadar net enerji ürettiğini hesaplayalım.

Spoiler olacak ama cevabı hemen vereyim: Net enerji sıfıra eşit; çünkü protonların arasındaki elektrik kuvveti onların kaynaşarak birleşmesine izin vermiyor. Bu büyük bir problem, devasa bir problem, muazzam bir problem! Sonuçta Güneşimiz evrendeki yıldızların yüzde 95’inden daha büyük, ağır ve sıcak bir yıldız.

Kısacası Güneşimizin gücü nükleer füzyona yetmiyorsa evrendeki yıldızların yüzde 95’inin gücü hiç yetmez. Öyleyse Hasan Kaçan’ın eski karikatür yaratısı Buluş Bill gibi sorarsak: Nasıl oluyor da oluyor? Füzyon nasıl gerçekleşiyor?

Kuantum belirsizlik sayesinde

Protonlar hem parçacık hem dalga gibi davranıyor. Bunların konum ve hızları olasılık dalgasına (dalga fonksiyonuna) bağlı bulunuyor. Dalgalar da eşlik ettikleri parçacıklardan daha kolay şekilde birbiriyle temas ediyor ve iç içe girerek girişim yapıyor (tıpkı denizdeki dalgaların denizin üstünü çizgi çizgi yapması gibi).

İlgili yazı: Kök Hücrelerle Körlük Tedavisi Ne Zaman Geliyor

 

Kuantum tünelleme

Kuantum tünelleme ile ışıktan hızlı iletişim mümkün mü yazısında, belirsizlik ilkesinin kuantum tünelleme denilen bir olaya yol açtığını söyledim (belki ışıktan hızlı yolculuğa izin veren mikroskobik solucandelikleriyle gerçekleşiyor).

Buna göre protonlar (proton dalgalarına yol açan belirsizlik sayesinde) komşu protonlara çok yaklaştıkları zaman, kuantum tünelleme gerçekleştirerek komşu protonun tam yanına ışınlanıyorlar. Protonlar birbirine düşük olasılıkla da olsa çok yaklaştığında, adı üstünde güçlü çekirdek kuvveti, pozitif yüklerin birbirini itmesine bağlı direnci kırıyor ve protonları birbirine yapıştırıyor.

Böylece protonlar birleşip helyum 4 oluşturuyor ve Güneşimiz nükleer füzyonla enerji üretiyor. Kuantum fiziğindeki belirsizlik ilkesine bağlı kuantum tünelleme olmasaydı, protonlar asla kaynaşamaz ve evrendeki yıldızların yüzde 95’i tutuşamazdı.

O zaman da Dünyamıza ısı, ışık ve hayat veren Güneş olmazdı. Yine de bu gerçek Einstein’ın yanıldığını göstermez. Nitekim holografik evren ilkesini geliştiren fizikçi Leonard Susskind ve arkadaşlarına göre, kuantum tünelleme bir tür mikroskobik solucandeliği olabilir. Öyle ki Einstein’ın kuantum fiziği hakkındaki görüşleri bir açıdan haklı çıkabilir.

İlgili yazı: Interstellar Filmindeki Solucandeliği Ne Kadar Gerçekçi?

 

Einstein’ın rövanşı

Twitter hesabımda geçen hafta yazdığım gibi, solucandeliklerini Albert Einstein ve Nathan Rosen öngördü. Gerçekten de görelilik teorisinin özel bir çözümü olan ve birbiriyle dolanıklığa girmiş kara deliklerden oluşan solucandeliklerinin teknik adı Einstein-Rosen Köprüsü’dür.

Solucandelikleri ışık hızını aşmadan ışıktan hızlı yolculuğa ve zamanda yolculuğa, hatta ışınlamaya izin veriyor olabilir. Peki Dünya’daki enerji sorununu çözmek için temiz nükleer füzyon enerjisi üretmeye hazırlandığımızı biliyor musunuz?

Yeryüzünde evcil güneşler yakmak anlamına gelen bu teknolojiyi de Almanya’dan nükleer füzyon atağı ve mobil füzyon reaktörü yazılarında okuyabilirsiniz. Hepinize iyi haftalar ve verimli günler.

Güneş’in çekirdeği

¹Tracking solar gravity modes: the dynamics of the solar core
²The Physics of Inertial Fusion