Fotonlar Gölge Yaparsa Ne Olur?

Işığı oluşturan parçacıklara foton diyoruz. Peki fotonlar gölge yapıyor mu? Sahi gölge nedir ve fotonlar gölge yaparsa ne olur? Nitekim günlük hayatta birçok şey gölge yapar: Bulutlar, ağaçlar, kuşlar, masalar, insanlar ve hatta Ay tutulması ile uydumuz Ay… ki gölgeye de mat bir cismin ışıkla aramıza girmesiyle oluşan ışık yokluğu deriz. Peki ya gölgenin gri renkli yumuşak geçişli kenarları? Foton saçılması ile gölge olayını astrofizik ve tıp biliminde nasıl kullandığımızı görelim.

Fotonlar ve elektromanyetik alanlar

İlk bakışta fotonların gölge yapması zor görünüyor; çünkü bildiğimiz anlamda cisim değiller. Parçacıklar tamam ama fotonlar aynı zamanda elektromanyetik dalgadır ve denizdeki su moleküllerinden oluşan mekanik dalgaların tersine, elektromanyetik dalgalar doğrudan kendisiyle etkileşime girmez. Örneğin gitar telleri birbirine çarpabilir ama elektromanyetik dalgalar enerji olup iç içe girer, yani girişim yapar.

Deniz dalgaları ise mendirekten seker ve sahilde kumları iter. Fotonların doğrudan gölge yapmıyor olması aslında çok yararlıdır. Aksi takdirde Güneş ışığı radyo sinyallerini bloke ederdi. Bu da kablosuz internet ve telefon bağlantısını önlerdi. Dahası ışık gölge yaparak çevreyi aydınlatmak yerine bizi kör ederdi.

Yine de fotonların dolaylı olarak birbiriyle etkileşime girdiği üç istisnai olayı görelim. Kanser tedavisinde kullanılan tıbbi görüntüleme cihazlarımız bu sayede çalışıyor ve astrofizik araştırmaları için uzaydaki enerji kaynaklarını görünür ışıktan farklı radyasyon türlerine bakarak inceleyebiliyoruz:

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

 

Fotonlar neden doğrudan gölge yapmaz?

Fotonların elektrik yükü yoktur. Bizim gölge dediğimiz şey ise ışıkla aramıza giren duvar veya ayna gibi bir şeyin fotonları sünger gibi emmesi veya yansıtmasıyla oluşur. Sonuçta fotonlar elektromanyetik enerji dalgası paketleridir (fotonlar elektromanyetik kuvvetin taşıyıcısıdır) ve sadece elektrik yükü olan cisimlerle etkileşime girerler. Fotonların elektrik yükü olmadığı için kendisiyle doğrudan etkileşime girmesi, fotonların misket gibi birbiriyle çarpışması imkansızdır.

Oysa fotonların etkileşime girdiği üç durum vardır: 1) Bir foton elektrona çarparak (elektronun elektrik yükü var) momentum transferi yapabilir (bkz. ışık yelkeni). Böylece elektronu uzayda iter ve o da başka bir fotona çarpabilir. Bu durumda fotonlar dolaylı olarak birbiriyle etkileşime girdi deriz. Bu fotonların gölge yaptığı anlamına gelmez ama Compton Saçılması denilen bir olaya yol açar. İşte bu astrofizik ve kuantum fiziği deneyleri yapmak için çok faydalıdır. Peki Compton Saçılması nedir?

İlgili yazı: Kodlama İçin En Gerekli 16 Programlama Dili

 

1. Fotonlar ve Compton Saçılması

Fotonların elektron gibi yüklü parçacıklarla etkileşime girerek yolundan sapması ve torbadan yere boşaltılan bir grup misket gibi etrafa dağılmasına yol açan Compton Saçılmasını 1919’da Arthur Holly Compton keşfetti. Ancak, fotonların elektronlarla çarpışmak için normalde çok küçük olduğuna dikkat edin. Bunu yapmak için foton enerjisinin çok yüksek olması gerekiyor (yüksek frekans ve kısa dalga boyuna sahip olmalı). Örneğin X-ışınları ve gama ışınları bunu yapabilir.

Elektrona çarpan X ve gama ışınları Uzay Yolu’ndaki Yıldız Gemisi Atılgan’ın güç kalkanından sapan lazer ışınları gibi yolundan sapacaktır. Bu sırada enerjisini kısmen elektrona aktaran fotonların frekansı azalacak ve dalga boyu uzayacaktır. Bir de bunun tersi olan şey… Ters Compton Saçılması vardır. O zaman da elektron gibi bir parçacık enerjisini fotona aktarır. Bu ne işe yarar?

Bu da radyobiyolojide kullanılan görüntüleme cihazlarında, kansere karşı radyasyon tedavisinde işe yarar; çünkü X ve gama ışınlarının enerjisini kısmen tümörlere aktararak onları imha edebiliriz ya da X-ışınlarını görüntü almakta kullanabiliriz. Aslında net röntgen çekmek için X-ışınlarının saçılmasını önlemeye çalışırsınız. Bunun için X ışınlarını dokuya odaklarsınız. Peki foton saçılmasını astrofizik araştırmalarında nasıl kullanıyoruz?

İlgili yazı: Zamanda Yolculuk Etmenin 9 Sıra Dışı Yolu

 

2. Kara delikleri nasıl görüntülüyoruz?

Kara delikleri saran gaz disklerini (birikim diskleri) ters Compton saçılmasıyla görüntüleyebiliriz. Bu durumda sıcak gaz diskindeki elektronlar fotonların enerjisini artırır ve X-ışınları oluşturmasını sağlar. Bu ışımayı uzaydaki X ışını teleskoplarıyla gözlemleriz (0,2 – 10 kiloelektronvolt, KeV tayfında).

Dahası evrenin genişlemesiyle bizden uzaklaşmakta olan galaksilerdeki sıcak iyonize gaz bulutlarında bulunan elektronlar da galaksinin ışığını oluşturan fotonların enerjisini artırır. Buna Sunyaev–Zel’dovich etkisi deriz ve bu sayede galaksilerin bizden uzaklaşma hızını ölçebiliriz.

Normalde galaksilerin ışığı evrenin genişlemesi nedeniyle galaksi bizden ne kadar uzaktaysa o kadar çok kırmızıya kayar. Ayrıca galaksilerin uzaklaşma hızının geçmişte ne zaman arttığını gösterecek şekilde ışık tayfında daha sert olarak kırmızıya kayar (tayftaki renkler keskin bir şekilde kırmızıya kayar).

Oysa Sunyaev–Zel’dovich etkisi kırmızıya kaymadan bağımsızdır ama galaksilerin bizden uzaklaşma hızına bağlıdır. Sonuçta galaksiler ne kadar hızlı uzaklaşıyorsa elektronları o kadar hızlıdır ve galaksi ışığına enerji yükleyip galaksiyi o kadar parlatırlar. Eğer evrenin geçmişte ve bugün ne hızda genişlediğini ölçmek istiyorsanız Sunyaev–Zel’dovich etkisinden yararlanırsınız.

Fotonlar galaksilerde ne işe yarıyor?

En parlak galaksiler bizden en hızlı uzaklaşanlar olacaktır ama bazen galaksiler bizden düz bir çizgi üzerinde değil de çapraz olarak uzaklaşır; yani hem bizden uzaklaşır hem de yakındaki galaksilere yaklaşırlar. Kırmızıya kayma ile sadece galaksilerin bizden uzaklaşmasını ölçebiliriz fakat Sunyaev–Zel’dovich etkisi galaksilerin yanal hızlarını ölçerek evrendeki konumlarını tespit etmemizi sağlar.

İlgili yazı: İnternetinizi Uçuracak En İyi 10 Modem

 

Fotonlar ve yerçekimi

E=mc² uyarınca fotonların enerjisi kütle cinsinden de gösterilebilir. Öyle ki gama ışınları kütlesizdir ama çok yüksek enerjiye sahip olduğu için uzayı yerçekimiyle bükebilir yakından geçen fotonları da yolundan saptırabilirler. Ancak bu da fotonların gölge yapmasını sağlamaz; çünkü en enerjik gama ışınlarının ürettiği yerçekimi bile bir virüs DNA’sı ipliğinden daha zayıftır.

3. Antimadde saçılımı

Çok yüksek enerjili gama ışınlarını oluşturan fotonlar birdenbire parçacık ve anti parçacık çiftlerine dönüşebilir. Örneğin bir foton aniden bir elektron ve bir pozitrona dönüşebilir. Elektron ve pozitronlar da diğer fotonları emebilir veya yolundan saptırabilir. Bu durum Compton Saçılmasından farklıdır. Sonuçta Compton etkisinde fotonlar uzaydaki serbest elektronlarla etkileşime giriyor. Oysa bu durumda etkileşime girecekleri elektronları fotonlar üretiyor (elektron ve pozitrona bozunuyorlar).

Son olarak istisnai bir olaya değinelim: Fotonların direkt birbiriyle etkileşime girmesi… Bunun için madde ile enerji yoğunluğu çok yüksek olan ortamlar gerekir ve bu yüzden direkt foton saçılması son derece nadir bir olaydır. CERN dışında doğada aktif kara delikler, kuasarlar, süpernovalar ve nötron yıldızı çarpışmaları buna yol açabilir. Fizikçiler nasıl başardı derseniz:

CERN’de çalışan fizikçiler ağır kurşun atomu çekirdeklerini ışık hızına yakın hızda birbiriyle çarpıştırdı. Hızlanma sırasında oluşan ve atom çekirdeklerini saran foton bulutları da birbiriyle çarpışmış oldular. Fotonların çoğu elektromanyetik dalga olarak birbirinin içinden hayalet gibi geçti ama birkaçı belirsizlik ilkesi nedeniyle parçacık gibi davranıp birbiriyle çarpıştı.

Bu fizik bilimi açısından bir kilometre taşı oldu; çünkü standart model çerçevesinde zayıf nükleer kuvvetin nasıl çalıştığını gösteren kuantum elektrodinamiği teorisinin (QED) doğru olduğunu kanıtlamış olduk: Doğrudan foton etkileşimi teoride öngörüler bir olaydı. Mademki buraya kadar dolaylı foton gölgesinin nasıl oluştuğunu gördük, şimdi bonus bilgi zamanı:

İlgili yazı: 5 Soruda Paralel Evrenler

 

Bonus foton etkisi

CERN testi fotonların nadiren gölge yapabildiğini gösterdi ama bunun evren de yapabilir; çünkü 92 milyar ışık yılı çapında bir küre olan gözlemlenebilir evren çok büyüktür. Üstelik evrende madde parçacıklarından (proton vb.) 1 milyar kat daha fazla foton vardır. Öyleyse evrende fotonlar nasıl çarpışıyor?

Kozmik mikrodalga artalan ışıması olan CMB büyük patlamadan kalan ışık olup bütün evreni kuşatan ve gökyüzünde her yerde görebileceğimiz bir ısı haritasıdır. Bu harita evrenin 1 aylık halini gösterir. Evrenimiz de 13,78 milyar yaşında olduğu için aradan uzun geçmesi ve çok sayıda foton olması sayesinde bazı fotonların CMB ışığını oluşturan fotonlarla çarpıştığını görmek mümkündür.

Haydi CERN’de elde edilenin tersine buna doğal foton gölgesi diyelim. Peki fotonların aşırı yüksek basınç altında madde yoğunluğunun çok arttığı plazma bulutu gibi ortamlarda ses dalgaları oluşturduğunu biliyor musunuz?

Fotonlar ışıktır, nasıl ses dalgası yaratabilir derseniz büyük patlamadan kalan ses dalgalarını hemen okuyabilir ve ışığın nasıl kütleye dönüştüğünü madde ile zamanın kökeni yazısında görebilirsiniz. Hızınızı alamayarak ışıktan yaratılan kara delik Kugeblitz’e de bakabilirsiniz. Bilimle kalın ve bol kitap okuyun. 🙂

Başka galaksiden gama ışını gölgeleri

¹Direct real photons in relativistic heavy ion collisions (pdf)
²Compton scattering near threshold
³Comptonization in the vicinity of black hole horizon