Madde Yerine Fotonlardan Oluşsanız Ne Olurdu?

İnsan bedeni başta proton, nötron ve elektronlar olmak üzere maddeden yapılmıştır. Peki ya ışıktan, fotonlardan yapılsak ne olurdu? Işığı oluşturan fotonlar gibi zamanın akışından etkilenmeyen ve sonsuza dek yaşayan ezeli canlılar olur muyduk? Kütle, enerji ve momentum arasındaki ilişkiyi görerek ışıktan madde üretip üretemeyeceğimizi inceleyelim. Ne de olsa Uzay Yolu’ndaki holografik güverteler (holodeck) fotonlardan madde üretiyor. Holomatris teknolojisi gerçek olabilir mi?

Fotonlardan maddeye geçiş

Evrenin içeriği genel olarak iki kategoriye girer: Madde ile ışık ve bunları birbirinden ayıran şey kütledir. Işığı oluşturan foton parçacıklarının kütlesi yokken maddeyi oluşturan parçacıkların (baryonlar) kütlesi vardır. Önceki yazıda gördüğümüz gibi bunun nedeni fotonların Higgs alanıyla etkileşime girmemesi ama kuarklar, elektronlar ve benzerinin Higgs alanı etkileşimleriyle kütle kazanmasıdır.

Bununla birlikte evrenin içeriğini kütleyle sınıflandırmak konuyu anlatmak için yapılan bir seçim. Fizikte madde ve enerjiyi kütle ile ayırmayız; çünkü kütle enerjiden türeyen bir özelliktir. Enerjiyi belirli bir hacimde sınırlandırdığınız zaman hızlanma ve yavaşlamaya direnç gösterir. Buna eylemsizlik deriz ve eylemsizlik bildiğimiz anlamda kütleyi üretir.

Öyle ki fotonlardan kütle üretebilir ve bunu kara deliklerle gösterebiliriz. Kara delikler büyük kütleli yıldız çekirdeklerinin kendi içine çökmesi veya nötron yıldızı çarpışmalarıyla oluşarak içine düşen maddeyle büyür. Oysa kara deliklerin içine sadece madde düşmez. Işık da kara deliklerin içine girebilir ve E=mc² gereği ışık enerjisi kara deliğin kütlesini artırarak büyümesine neden olur.

Hatta kara deliklerin 10⁶⁶ yıl gibi muazzam bir süre sonra buharlaşmaya başlamasının, kara deliklerin çok uzun ömürlü olmasının nedeni de budur. Ancak evren yeterince yaşlanıp genişledikten sonra kara deliklerin içine düşen madde ve ışık Hawking radyasyonu ile buharlaşarak küçülmelerini önleyemeyecek kadar azalır. Dahası bizzat Hawking radyasyonu termal fotonlardan oluşur!

Fotonlardan kara delik üretmek

Almanların Kugelblitz, ışık topu dediği senaryoda evrende atom kadar küçük bir hacme süper güçlü lazerlerle ateş ederseniz ışığı (enerjiyi) çok küçük bir alanda sınırlayarak büyük miktarda kütle oluşturursunuz. Bu da ışıktan kara delik oluşturmanıza izin verir ki evreni kurtarmak için gezegenlerin yarısını yok etmeye yeminli süper güçlü Thanos olsam Dünya’yı onu kuşatan uzayda kara delik oluşturarak yok ederdim. Peki bunun insanlar ışıktan yapılsa ne olurdu sorusuyla ne ilgisi var?

İlgili yazı: Kodlama İçin En Gerekli 16 Programlama Dili

 

Fotonlardan insan yaratmak

Çok ilgisi var ama öncelikle yüzde 99 oranında kütlesiz parçacıklardan oluştuğumuzu bilelim! Zaten kütlesiz parçacıklardan oluşuyoruz; çünkü atom çekirdeklerini oluşturan protonlarla nötronlar üçer kuarktan oluşur fakat kuarklar nükleonların kütlesinin yalnızca yüzde 1’ini sağlar. Çekirdek kütlesinin yüzde 99’u ise kuarkları proton-nötron çapındaki küçücük bir alanda sınırlanarak birbirine bağlayan KÜTLESİZ gluonlardan oluşur.

Gluonlar kuarkların arasında ışık hızıyla hareket eder ve bu sınırlanmış enerji kütleyi oluşturur. Bedeninizin kuarklar ve elektronlardan oluşan yüzde 1’lik kütlesi kütlesiz parçacıkların yanında devede kulak kalır. Öyleyse ışıktan yapılan bir melek olsanız bile kütleniz olurdu.

Foton enerjisi bedeninizin içinde sınırlanacağı için kütle üretirdi. Hatta fotonları protonlar gibi atomaltı parçacıklar içinde sınırlandırmak yerine, koca bir insan bedenine hapsettiğiniz için vücudunuz çok büyük miktarda enerji içerirdi. Böylece bir yıldız gibi yanarak ışıl ışıl parlardınız. Bu nedenle ışıktan oluşan varlıklar safsatası pek ilginç değil. Peki neden maddeden oluşuyoruz?

Gluonlar kütlesizse neden kuarkları fotonlar bağlamıyor? Bunun basit bir yanıtı var: Gluonlar kuarklara atomaltı ölçekte etkili olan güçlü nükleer kuvvetle bağlanıyor ve bu kuvveti gluonlar taşıyor. Fotonlar ise elektromanyetik kuvvetin taşıyıcısıdır. Atomaltı ölçekte güçlü kuvvet elektromanyetizmadan güçlüdür. Oysa evrensel sabitleri değiştirebilsek gluonlardan oluşan ışık ve fotonlardan oluşan madde oluşturabilirdik. Bunlara boşuna ayar bozonları demiyoruz. Evreni ayarlıyorlar. 😉

Fotonik madde

Her durumda Uzay Yolu’ndaki holografik güverte teknolojisi teorik olarak mümkündür. Fotonları atom ölçeğinde sıkıştırarak ışıktan geçici “atomlar” oluşturabiliriz. Hiper bilgisayar gerektirecek karmaşık algoritmalarla bu atomların dokunma hissi, sıcaklık ve yerçekimi yaratarak gerçek madde gibi davranmasını sağlayabiliriz. Fotonik maddeden oluşan holomatrisler mümkündür ama pratikte bunları oluşturacak yüksek enerjiye ulaşıp ulaşamayacağımız ayrı konudur.

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

 

 

Fizik her şeydir

Fizik özünde her şeydir; çünkü inanç, duygu ve değerlerimiz gibi maneviyat yükleyebilecek bütün soyut düşünceler beynimizde gerçekleşen bilinçsiz bilişsel faaliyetlerle üretilir. Beynimiz hangi inanca sahip olursa olsun bu inançları fizik yasalarına göre işleyecektir. Kütlenizin yüzde 99’unun metrenin katrilyonda birinde sınırlanmış kütlesiz gluonlardan oluşması bunu pek güzel ifade ediyor.

Oysa size daha heyecan verici bir sorum var. Mademki insan bedeninin ışıktan yapılması halinde pek bir şey fark etmeyeceğini gördük öyleyse tek bir foton hakkında ne söyleyebiliriz? Fotonlar kütlesiz derken bunu hiç düşünmeden kabul ediyoruz. Oysa fotonların kütlesiz olması momentumunun da sıfır olmasına yol açardı. Fizikte ise momentumu sıfır olan bir parçacık yoktur. Yoktur derken fotonların momentumu sıfır olsa yok olmaları gerekirdi! 😮

Neden derseniz: Momentum kütle x hıza eşittir ve bunu p=mv olarak yazarız (m kütle ve v hız) Öyleyse fotonlar nasıl kütlesiz olabilir? 🤔 Fotonlar ışığı oluşturuyor, evreni ışıkla görüyoruz ve dahası foton momentumunun sıfırdan büyük olduğunu da biliyoruz. Güneş ışınları uzaydaki ışık yelkenlerini momentum aktarımı ile itiyor. Peki momentumu sıfırdan büyük olup da kütlesi sıfır olan foton problemini nasıl çözeriz?

İlgili yazı: Düz Dünya Teorisini Çürüten 12 Kanıt

 

Fotonlardan ışık hızına geçelim

Bunun için ışık hızına bakacağız. Özellikle biz Türkiye’de yaşayanlar yürümekten çok oturup kilo almayı tercih ederiz ama insanlar yürür ve bunu yaparken saatte 4,5 ila 4,8 km hıza ulaşırız. Uzun süreli koşu hızımız ise antrenmanlı isek 13 km/h’ye çıkabilir. Otomobille saatte 140 km ve daha hızlı gideriz. Yolcu uçaklarında hızımız 800-1000 km/h’ye çıkar ve savaş jetlerinde kısa süre için sesten 2,5-3 kat hızlı gidebiliriz. İnsanların uzayda ulaştığı maksimum hız ise saatte <40 bin kilometredir.

Bununla birlikte ışık saniyede yaklaşık 300 bin kilometre hızla gider. Işık çok hızlı ve evrendeki en hızlı şeydir ki ışık dahil hiçbir şey ışıktan hızlı gidemez. Dahası ışık gerçek anlamda yavaşlamaz bile! Örneğin atomlar camın içinden geçen fotonları sürekli emerek tekrar tekrar yayınlar. Bu da ışığın camdan geçmesini geciktirir ama fotonlar her zaman ışık hızında gider. Öte yandan hızınız arttıkça momentumunuz da artar ve bu nedenle kütleli cisimlerin ışık hızına ulaşması imkansızdır.

Işık hızına yaklaşan kütleli bir cismin momentumu sonsuz olur ve bu da sonsuz enerjiye karşılık gelir. Günlük dilde söylersek (kök sebebi farklıdır) hiçbir roket sonsuz enerji üretemeyeceği için ışık hızına ulaşamazsınız fakat fotonların kütlesi yoktur. Kütlesi olmadığı için de momentumunun sıfır olması gerekir. Buna rağmen fotonlar var ve hep ışık hızında gidiyor. İşte bunu matematikle çözmemiz lazım.

Grafiğe bakın

Hızınız arttıkça momentumunuz artar. Öyle ki hız ile momentum arasında doğrusal ilişki vardır fakat bu sadece ışıktan çok yavaş hızlarda geçerlidir. Grafiğin sol tarafında momentumun hızla doğru orantılı olarak artması kuralındaki hata payı yüzde 1’in altındadır. İnsanlar ise bugüne dek ışık hızının yalnızca on binde 4’üne ulaşmıştır. Doğrusal orantı pratikte bizim için doğrudur.

Işık hızına yaklaşırken momentumun doğru orantılı artmadığını görüyoruz. Momentumla hız arasındaki ilişki gittikçe zayıflayarak hata payı sonsuza ulaşıyor ve bunu anlamak için görelilik teorisinde momentumun nasıl yazıldığını görmemiz gerekiyor: Özel görelilikte momentumun kesirli bir denklemi vardır. Üstelik hem üst satır hem de alt satırda hız (v) işareti bulunur. İşte fotonların ışık hızında gitmesine rağmen momentumu olmasının sırrı burada yatıyor:

İlgili yazı: İnternetinizi Uçuracak En İyi 10 Modem

 

Özel görelilikte momentum

Kütleli bir cisim olarak insan ışık hızına yaklaşırken kesrin altındaki değer azalarak sıfıra ulaşır. Bu da kesrin üst tarafıyla birlikte x/0 gibi bir ifadeye yol açar ki bir şeyi sıfıra bölmek sonsuzluk verir. Bu yüzden bir sayıyı sıfıra bölmek tanımsızdır ve kütleli cisimlerin ışık hızına ulaşması için momentumunun sonsuz olması gerektiği de bu denklemden çıkar. Oysa matematikte özel bir yasal boşluk var ve bu boşluk fotonların nasıl ışık hızında gidebildiğini gösteriyor. Buna belirsiz form diyoruz:

Bazı durumlarda sıfır ve sonsuzluklarla (∞) yapılan aritmetik işlemleri sıfır olmayan sonlu sayılar verir. Bunu anlamak için sıfırın sadece bir rakam değil, doğal sayılar kümesine dahil olduğunu kabul etmek gerekir. Eğitim sisteminde sıfırı sayılara dahil edip etmemek tercihi olmakla birlikte fizik için bu şarttır (Bunu fizikle matematiğin aynı şey olmaması ama fiziğin matematikle yazılması açısından düşünün).

Şimdi belirsiz formları sıralayalım: 0/0, ∞/∞, 0 * ∞, ∞ – ∞, 0⁰, ∞⁰. Fotonların kütlesi sıfır olduğuna göre özel görelilikteki momentum denklemi 0/0 sonucunu verecek ve bu da fotonlara sıfır olmayan sonlu bir momentum sağlayacaktır. Her durumda ışık hızına yaklaşırken kütleli cisimlere garip şeyler olur. Cisimlerin boyu hareket yönünde kısalır, zaman genleşir (yavaşlar). Üstelik tüm bu etkiler görelidir.

Fotonlardan göreliliğin türeyişi

Siz Dünya’dan bakınca ışık hızına yaklaşan roketin uzunluğu kısalır ve zamanı yavaşlar. Rokete göre ise Dünya yassılaşır ve zamanı yavaşlar. Bu da görünüşte ikizler paradoksuna yol açar. Fotonların zamansız olması, onlar için zamanın geçmemesi ve fotonların hiç yaşlanmamasının sebebi budur. Fotonlar için bütün evren yassılaşır ve uzayın genişliği sıfırlanır. Uzay yassılaşarak 2B olur. Bu nedenle fotonlara göre onlar uzayda hiç hareket etmez ve oluştuğu anla yok oldukları an aynıdır.

İlgili yazı: Gezegenler Güneş Çevresinde Nasıl Dönüyor?

 

Fotonlardan nedenselliğe

Işık hızı işte bu yüzden sabit olup evrende nedenselliğin hızıdır. Görelilik teorisinde uzay ve zaman ışık hızına göre ölçülür. Dolayısıyla ışık evrenin tek mutlak referans çerçevesidir ki bu nedenle ve her ne kadar Uzay Yolu’nu sevsem de ışık hızını aşmayı başarabileceğimizi hiç sanmıyorum. Bunu yapmak evrenin dışına çıkmak anlamına gelir ve evren olmadan biz de var olamayacağımıza göre bu imkansız olurdu.

Peki ışık hızını aşmadan ışıktan hızlı yolculuk etmenin bir yolu var mı? Onu da warp sürüşü ile solucandeliklerinde görebilir, ikizler paradoksunu şimdi çözebilir ve kuantum fiziğinin ışıktan hızlı iletişime izin verip vermediğine bakabilirsiniz. Bir yaz sever olarak sıcakların artmasına hiç de üzülmediğim şu haftada enerjiniz bol, moraliniz yüksek ve sağlınız yerinde olsun. Keyifli okumalar. 😊

Fotonların momentumu

¹Photon mass drag and the momentum of light in a medium
²Photon momentum and optical forces in cavities
³An Effective Photon Momentum in a Dielectric Medium: A Relativistic Approach