Atomları dünya gözüyle görmek >> Atom mikroskobu ve kuantum ışınlama ile “kütleçekimin” resmini çekeceğiz

Son yıllarda fizik biliminde buluşlar birbirini kovalıyor. Eskiden, optik mikroskoplarla bakterilerden daha küçük detayları seçemiyorduk. Oysa şimdi, ışığı doğada bulunmayan ters açılarda büken metamateryaller sayesinde, yeni optik mikroskoplar geliştiriyor ve hücrelerin içindeki molekülleri gün ışığına çıkarabiliyoruz…

 

Ancak, küçüğün küçüğü var ve “atom mikroskobu” işte bu noktada devreye giriyor

Atomlar moleküllerden çok daha küçük ve bu kadar küçük oldukları için de bugüne dek yapamadığımız kadar hassas ölçümler yapmamızı sağlayabilirler. Bu hassas ölçümler, bilimde büyük gelişmelerin kapısını aralayabilir.

Örneğin, 1600’lerde yaşayan Isaac Newton’dan beri yerçekimini biliyoruz.

Kütleçekimin Ay’ı, Dünya’yı, Güneş’i birbirine bağladığını ve komşu yıldızlarla galaksiler dahil, çok uzak mesafelerde etkili olduğunu da biliyoruz.

Ancak, yerçekiminin birkaç milimetre ve daha kısa mesafelerde etkili olup olmadığını bilmiyoruz! Çünkü tek tek atomları doğrudan göremiyoruz ve yerçekiminin bu atomlar üzerindeki etkisini ölçemiyoruz.

Elektron mikroskobu, bize atomları dolaylı yoldan görme şansı veriyor ama bu ölçümler, yerçekiminin varlığını kısa mesafelerde ölçecek kadar duyarlı değil.

Atom mikroskopları ise farklı. “Atom Optiği” ile, yerçekimini atom ölçeğinde test edebilir, gizemli kütleçekim dalgalarını keşfedebilir ve bu sayede kuantum kütleçekim kuramını modelleyebiliriz.

Bugüne kadar evrendeki 3 temel etkileşimi bilimsel olarak açıklamayı başardık: Elektromanyetik etkileşimin yanı sıra güçlü ve zayıf nükleer etkileşimi biliyoruz (bunlara eski terminoloji ile fizik yasaları veya doğa kuvvetleri diyorduk).

Ancak, kütleçekimin gizemini henüz çözemedik ve bu nedenle, Einstein’ın Görelilik Teorisini, Kuantum Fiziğine bağlayamıyoruz. Denklemler hata veriyor. Oysa kütleçekim dalgaları, iki teoriyi birbirine bağlayarak kuantum kütleçekim kuramını geliştirmemize yardım edebilir. Doğadaki bütün fiziksel etkileşimleri tek bir “Her Şeyin Teorisiyle” açıklamak harika olur. Bunun yolu, atom mikroskobundan geçiyor.

 

Atom mikroskopları kuantum ışınlama teknolojisinden yararlanıyor.

Atomlar çok küçük dedik ve çok küçük oldukları için de çok hassaslar. Öyle ki bir atoma mikroskopla bakarken bile, o atomun özelliklerini yanlışlıkla değiştirebilirsiniz: Atomun ışığını gözümüze taşıyan fotonlar, atomun uzaydaki konumu veya hızını değiştirebilir (Buna fizikte Heisenberg’in Belirsizlik İlkesi diyoruz).

Demek ki atomları seçecek kadar keskin gözlü bir atom mikroskobu yapmak yetmiyor. Marifet, atomları “doğal ortamında rahatsız etmeden” gözlemleyebilen bir mikroskop yapmakta… Kuantum ışınlama teknolojisi böyle bir atom mikroskobu yapmamızı sağlayacak.

Peki nasıl?

Kuantum ışınlamada küçük bir hile yapıyoruz. Atomlara doğrudan bakmıyoruz. Bunun yerine atomların aynadaki görüntüsüne bakıyoruz. Benim fotoğrafımı çekmek yerine, temiz bir aynadan yansıyan görüntümün resmini çektiğinizi düşünün…. Bu küçük hile sayesinde atomları, onlara bakmadan görebiliriz. Aşağıda bunu anlatacağım ama önce kütleçekim dalgalarına kısaca göz atalım.

 

Kütleçekim dalgaları, evreni oluşturan Büyük Patlamadan kaldığı düşünülen yerçekimi dalgalarıdır.

Kütleçekim dalgaları fizikçiler için önemli: Bu dalgalar yaklaşık 13 milyar yıl önce, evrenin doğumu sırasında oluştukları için, evrenin bebekliğiyle ilgili önemli bilgiler taşıyor. Kütleçekim dalgalarının aradan geçen zamanda çok zayıflamış olmasına rağmen, biz bu dalgaları atom mikroskobu ile gözlemleyebiliriz.

Çalışmalar çoktan başladı: NASA Goddard Uzay Uçuşları Merkezi’nden Fizikçi Babak Saif, Stanford Üniversitesi ve AOSense şirketiyle birlikte, atom mikroskobu geliştirmek için NASA’dan teşvik aldı.

 

Kütleçekim dalgaları başka ne işe yarayacak?

Kütleçekim dalgaları, Dünya gibi gezegenlerin ve asteroitlerin kütlesini daha hassas bir şekilde ölçmemizi sağlayabilir. Böylece, asteroitlerin ne kadarının demirden, ne kadarının kayadan yapıldığı anlayabiliriz.

Asteroitlerin hangisinde, ne kadar hafif metal olduğunu bilirsek bu bilgiler, Google’ın asteroid kuşağından metal çıkarmayı hedefleyen Uzay Madenciliği projesini kolaylaştıracaktır (Şu yazıda anlatıyorum).

Ayrıca, kütleçekim dalgalarını, Einstein’ın Görelilik Teorisini test etmekte ve yakıt tasarrufu için, uzay gemilerinin rotalarını daha hassas bir şekilde çizmekte kullanabiliriz. Kütleçekim dalgaları, karadelikler gibi doğrudan ışık saçmayan ve yıldızların veya galaksideki gaz ve toz bulutlarının gölgesinde kalan gezegenleri bulmamıza da yarayabilir.

 

Kütleçekim dalgaları felaketin habercisidir

Korkmayın, yakınlarda bir yerde kıyamet kopmuyor. Kütleçekim dalgaları felaketin habercisidir ama geçmişte yaşanmış doğa felaketlerinin izlerini taşır. Ancak, bu dalgalar zamanla zayıfladığı için, tsunami dalgaları gibi vurduğu yeri harebeye çevirmez.

Kütleçekim dalgaları evrende görülen en şiddetli, en enerjik olayların izlerini taşıyor: Çarpışan nötron yıldızları ve “karadelik kazaları”, uzaya gama ışını radrasyonu yayıyor ve güçlü kütleçekim dalgaları oluşturuyor.

Einstein’ın Görelilik Teorisinde öngördüğü bu kozmik çarpışmalar o kadar güçlüdür ki, uzay ve zamanın dokusunu neredeyse bir kumaş gibi yırtar. Uzay belki tümüyle yırtılıp parçalanmaz ama tıpkı fırtınalı deniz yüzeyi gibi dalgalanmaya başlar. Bu dalgalar, kütleçekim dalgalarıdır.

 

Evrenin inşaat ustası kütleçekim dalgaları

Evrenin doğuşunda oluşan kütleçekim dalgaları, kainatı sarsacak kadar şiddetliydi. Hatta evrenin bazı bölgelerinin boş, bazı bölgelerinin ise galaksiler ve yıldızlarla dolu olmasının bir sebebinin de kütleçekim dalgaları olduğunu tahmin ediyoruz. Kütleçekim dalgaları, burada ayrıntıya girmeye gerek olmayan bazı nedenlerle, evrenin pot yapan bir kumaş gibi kırışmasından kaynaklanmış ve galaksilerin belli bazı bölgelerde topaklanmasına sebebiyet vermiş olabilir.

Ancak, bugüne kadar kütleçekim dalgalarını saptamak mümkün olmadı. Einstein’in Görelilik Teorisini test etmek için geliştirilen Dünya Lazer Kütleçekim Dalgaları Girişimölçer Gözlemeviyle bile, bu dalgaları sadece dolaylı yollardan gözlemleyebildik.

Örneğin, Dünya’nın içinden geçen kütleçekim dalgaları, gezegenimizi oluşturan atomların kalp kası gibi büzülüp genişlemesine, yani “dalgalanmasına” neden oluyor ve biz de bu tür etkileri dolaylı olarak ölçebiliriz. Atom mikroskobu ise doğrudan görmemizi sağlayacak.

 

Atom mikroskobu 200 yıl öncesine dayanan bir fikir

…Ve yukarıda söylediğimiz gibi, kuantum ışınlama teknolojisinden yararlanıyor. Kuantum ışınlama ile ilgili teknik detayları Kuantum Şifreleme yazımda okuyabilirsiniz. Ancak, atom mikroskobunun nasıl çalıştığını anlatmak amacıyla, kuantum ışınlamaya kısaca değineceğim.

Atom mikroskobunun temel prensibi olan atom girişimi tekniği, ağır sanayide hassas mühendislik ölçümleri yapmak için 200 yıldır kullanılıyor.

Atom girişimi ölçümlerine laboratuvara yerleştirdiğimiz bir lazer tabancası ile başlıyoruz. Bu tabancadan çıkan lazer ışınını, ışın bölücü denilen bir prizma ile ikiye bölüyoruz. Işının ilk yarısı, laboratuar duvarına sabitlenmiş bir aynadan yansıyarak deney odasındaki detektöre çarpıyor. Detektör bu ışını kaydediyor.

Işının diğer yarısı ise, bilim adamlarının fiziksel özelliklerini veya boyutlarını ölçmek istediği objeyi aydınlatıyor (bu bir demir kolon, yapı krişi, makine dişlisi veya yeni inşaat malzemesi olabilir).

Ölçtüğümüz objeyi aydınlatan ışın yarısı, yoluna devam ederek başka bir aynaya çarpıyor ve aynadan yansıyarak ışın bölücü prizmaya geri dönüyor. Buradan da ilk ışın yarısının aydınlattığı detektöre ulaşıyor.

Sonuç olarak, ışın yarılarından biri daha dolambaçlı bir yol izlese de (objeyi aydınlatmak için), her ikisi de aynı yere, aynı detektöre ulaşıyor. Kuantum ışınlamada bu sistem kullanılıyor.

 

Işık hem dalga hem parçacıktır.

Işık sadece parçacık özelliği taşısaydı ve ışık dalgaları diye bir şey olmasaydı, odanızın lambasından çıkan ışık yalnızca vurduğu yeri aydınlatırdı; sizi ve duvarlarıyla birlikte bütün odayı aydınlatmazdı.

Atom girişimölçer dediğimiz ve atom mikroskobunun temel parçası olan aygıt da ışığın bu dalga özelliğinden yararlanıyor, ışık dalgalarının yol açtığı girişimi ölçüyor. Nasıl mı?

Yukarıdaki sözünü ettiğimiz ikinci ışın yarısı, detektöre ulaşmadan önce, test objesini aydınlatmak için daha uzun bir mesafe kaydediyor. Ayrıca, ilk ışın yarısından farklı bir yol izliyor. Daha sonra, her iki ışın yarısı da aynı detektörde “üst üste binerek” birleşiyor. Bu sırada, ışın dalgaları, tıpkı iki elin parmakları gibi iç içe geçerek girişim oluşturuyor. Bilim adamları bu sayede son derece hassas ölçümler yapmış oluyor.

Sonuçta atom girişimölçerleri, kuantum mekaniğinin etkili olduğu çok küçük nesnelerle, yani atomlarla çalışıyor. Işık dalgalarının nasıl girişime yol açtığını da bize kuantum mekaniği açıklıyor. Hem ışığı meydana getiren fotonlar hem de atomlar kuantum mekaniğinin egemenlik alanına girdiğinden, atomları da ışık dalgaları gibi girişime yol açacak şekilde etkileyebiliyoruz.

Çünkü…

Bir atomun hızını ve konumunu aynı anda kesin olarak bilemeyiz.

Bu nedenle de bir atom aynı anda iki farklı yerde birden bulunabilir…

 

Gerçekten de atomlar, özel şartlar altında, ışık dalgaları gibi davranabilir ve ışık dalgaları gibi girişime yol açabilir. Örneğin, atomları lazer ışınıyla vurarak atomların hızını düşürebilir ve nihayet durdurarak, atomları neredeyse mutlak sıfıra kadar soğutabiliriz. Daha sonra, lazerle “dondurulan” bu atomları kısa süreli lazer ışınlarıyla tekrar vurarak, atomların aynı anda iki farklı “kuantum durumunda” birden olmasını sağlayabiliriz.

Bu tür bir süper soğuk atom bulutundaki bütün atomlar birbirinden etkilenecek, birbiriyle dolaşık halde olacak; yani hepsi de aynı anda iki kuantum durumunda birden bulunacaktır. Bu durumu aynı anda hem sağa hem sola dönen bir topaç gibi düşünebilirsiniz.

Daha basit ifade edecek olursak, atom bulutundaki bütün atomlar tek bir atom gibi davracaktır (Askeri geçitlerde, askerlerin aynı anda adım atarak rap rap yürümesi gibi).

Daha sonra, birbiriyle eşitlenen (senkronize olan) bu atom bulutunu bir parçacık ışınına dönüştürebiliriz ve bu “atom ışınını” ikiye bölerek, iki parçacık ışın yarısı halinde yukarıdaki deneye tabii tutabiliriz.

Aslında birbirinin kopyası olan iki parçacık ışını yarısını farklı yollara gönderdikten sonra, ışınların aynadan sekmesini sağlayarak, parçacık ışın dalgalarını aynı detektörde “üst üste bindirebiliriz” (Atomların dalga özelliği sayesinde, parçacık ışınları detektörde bir girişime yol açacaktır).

Stanford Üniversitesi’nde atom mikroskobu geliştiren araştırma ekibini yöneten Mark Kasevich bunu şöyle açıklıyor: “Atomların aynı anda iki farklı yerde bulunma özelliği var. Bu da ışık girişim ölçüm teknolojisi ile aynı şeydir”. Bunun detaylarını yine Kuantum Şifreleme yazımda bulabilirsiniz.

 

Atom girişimi yöntemini kullanan atom mikroskopları çok duyarlı ölçümler yapabilir.

Test ortamında karşılaştırdığımız “iki ayrı atom ışınının” birinde meydana gelebilecek ufacık bir sapma, ışınlardan birinin rotasındaki küçük bir değişiklik, bizim uzayı dalgalandıran en zayıf kütleçekim dalgalarını bile fark etmemizi sağlayacaktır: Çünkü bu ışınlardan birini referans olarak alacağız ve diğerindeki muhtemel sapmaları ölçeceğiz.

Bilim adamları, Stanford Üniversitesi’nde bu tür bir atom mikroskobu inşa edecekler. Bu mikroskop 10 metre yüksekliğindeki bir kulenin içine yerleştirilecek. Araştırmacılar, önce mikroskobun içine bir atom bulutu püstürtecekler. Sonra bu bulutu lazer ışını ile donduracaklar ve bütün atomların iki ayrı kuantum durumunda üst üste binerek, bulutta tek bir atom gibi davranmalarını sağlayacaklar. Sonra da yukarıdaki deneyi yaparak, atom girişimölçerleri yardımıyla, kütleçekim dalgalarının etkilerini tespit etmeye çalışacaklar.

 

Uzay deneyleri

Bilim adamları, son yıllarda kütleçekim dalgalarını saptamak için başka girişimölçer sistemleri de geliştiriyorlar. Bunlardan biri Lazer Girişimölçer Uzay Anteni. Diğeri ise, yine Stanford ekibinin kendi tasarladığı uzay deneyi…

Bu deneyde, birbirinden 500 ila 5000 kilometre uzakta yer alan ve birlikte dev bir üçgenin köşelerini oluşturan 3 adet uzay sondası kullanılacak. Üç sondanın arasında lazer ışınları gidip gelecek ve bilim adamları, sürekli olarak sondaların uzaydaki konumu ile birbirlerine olan mesafelerini ölçecek. Süper hassas ölçümlerdeki en ufak kayma, örneğin sondalardan birinin az da olsa rotadan çıkması, kütleçekim dalgalarının varlığına işaret edecek.

Sonrası… Sonrası kütleçekim dalgalarını kullanarak gerçek bir kütleçekim kuramı geliştirecek olan bilim adamlarının yaratıcılığına kalmış.