Doğaya Hükmeden 10 Temel Fizik Etkisi

Atomlardan uzayın derinliklerine ve günlük hayata kadar doğaya hükmeden en temel 10 fizik etkisini görelim: Doppler, Casimir ve kelebek etkisi, kuantum tünelleme, Meissner-Ochsenfeld ile Aharonov-Bohm etkisi, Fotoelektrik Etki, Hall Etkisi, Tenis Topu ve Hawking etkisi. Dört ana fizik kuvvetinden türeyen bu 10 fiziksel süreç doğayı nasıl yönetiyor derseniz şunları sorarak başlayabiliriz:

En merak edilen fizik soruları

Kuantum ışınlama nedir ve parçacıklar duvarın içinden nasıl hayalet gibi geçiyor? Gelecekte Mars’a gidecek olan roketlerin iyon/plazma motorlarını çalıştıracak olan Hall fizik etkisi nedir? Evren boşluktan nasıl enerji üretiyor? Kuantum salınımları ile evreni genişleten karanlık enerji arasındaki ilişki ne?

Peki ya kara delikleri kuşatan birikim diski burgaçlarından günlük hayatın kaosuna kadar kargaşa ve karmaşayı belirleyen kelebek etkisi nasıl çalışıyor? Kara delikler neden buharlaşıyor? Güneş panelleri ışıktan nasıl elektrik üretiyor?

Tenis topu havada dönüp neden falso alır? Elektromanyetik alan gücü sıfır olan uzay boşluğunda bile bile elektronların nasıl enerjisi olabilir? Elektriği direnç göstermeden ileten süperiletkenler nasıl çalışır? Ambulansın sesi yaklaşırken neden tizleşir? İşte bu soruların yanıtı okuduğunuz yazıda bulacaksınız.

İlgili yazı: Kodlama İçin En Gerekli 16 Programlama Dili

 

1. Doppler fizik etkisi

Doppler etkisi ses yayan bir kaynağın alıcıya göre hız veya yön değiştirmesiyle ortaya çıkan ve ses dalgalarının frekansının artması ya da azalmasına yol açan bir etkidir. Ambulansın sesi size yaklaşırken neden tizleşiyor ve sizden uzaklaşırken neden pesleşiyor sorusunun cevabı Doppler etkisidir.

Ambulans örneğinde siren sesinin size yaklaşması, sirenin yaydığı yeni ses dalgalarıyla eski ses dalgaları arasındaki mesafenin ambulansın hareket yönünde kısalmasına yol açıyor. Bu da kalabalık koridorda aniden duran bir kişinin arkasında kuyruk birikmesine benziyor.

Ses dalgaları üst üste binince duyulan sesin dalga boyu kısalıyor ve frekansı artıyor. Bu da tizleşmeye neden oluyor. Öte yandan ambulans sizden uzaklaşırken ses dalgaları arasındaki mesafe artıyor ve bu da işittiğiniz sesin pes frekanslara kaymasına sebep oluyor.

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

 

Kırmızıya ve maviye kayma

Doppler etkisi sadece ses dalgalarında değil elektromanyetik dalgalarda da görülür. Işık da elektromanyetik bir dalga olduğu için hem görünür ışık hem lazer ışınları hem de dünyada kablosuz haberleşmeyi sağlayan radyo dalgaları Doppler etkisinden etkilenir.

Örneğin evrenin genişliyor olması nedeniyle uzak galaksilerle aramız sürekli açılıyor ve onlardan gelen ışığın yolu uzuyor. Bu da ışığın kırmızıya kaymasına yol açıyor (seste karşılığı pesleşme). Ancak, Andromeda galaksisi de 3,5 milyar yıl sonra yaşadığımız Samanyolu galaksisiyle çarpışmak üzere bize yaklaşıyor. Bu nedenle Andromeda’nın ışığı maviye kayıyor.

Astronomlar cisimlerin bizden ne hızla ve yönde uzaklaştığını kırmızıya kaymaya bakarak anlıyor ki maviye kayma da yaklaşma için geçerli. Elbette galaksilerin hareketini büyük patlamadan kalan ve bütün evreni sararak sabit bir referans çerçevesi sağlayan kozmik mikrodalga artalan ışımasına bakarak ölçüyoruz.

Kırmızıya kayma oranı galaksi ve yıldızların uzaklığına işaret ederken, kırmızıya kayma oranının zamanla artması da uzaklaşma hızının zamanla artmakta olduğunu gösteriyor. Ayrıca ışığı kırmızıya kayan birden fazla yıldızı ölçtüğümüz zaman, bunları karşılaştırarak galaksinin bizden ne yönde uzaklaştığını (sağa mı, yoksa sola mı kaydığı vb.) anlamak mümkün oluyor.

İlgili yazı: İnternetinizi Uçuracak En İyi 10 Modem

 

Ultrason ve terahertz radarlar

1) Ana karnındaki bebekleri görmekte kullanılan klasik ultrason cihazları, 2) havalimanlarında röntgen çeker gibi insanın içine göstererek üst baş aramakta kullanılan terahertz tarayıcılar ve 3) maden ya da gömülü arkeolojik kalıntı aramak için yeraltına nüfuz eden radyo dalgaları gönderen özel radarlar doğrudan Doppler etkisinden yararlanmıyor.

Buna karşın radyo dalgalarının frekansı tıpkı suyun içinden geçen ışığın kırılması gibi değişiyor. Böylece insan vücudundaki yumuşak dokuları, yeraltındaki kaya katmanlarını, yeraltı mağaraları ve toprak tabakalarını ayırt eden tarayıcılar üretmek mümkün oluyor.

Doppler etkisi kullanan cihazlar ise farklı yoğunluktaki doku ve katmanlara ek olarak sıvıların akış yönü ile hızını da tespit ediyor. Örneğin Doppler ultrason cihazları kan damarlarındaki kan akışını, Doppler radarları ise yaklaşan bulut ve fırtınaları ya da yeraltı sularını saptamakta kullanılıyor.

İlgili yazı: Düz Dünya Teorisini Çürüten 12 Kanıt

 

2. Gerçek kelebek fizik etkisi

Popüler deyişle ifade edecek olursak bir kelebeğin kanat çırpışları bile iki hafta sonra gideceğiniz tatil yöresinin güneşli veya yağmurlu olmasına yol açabilir. Ancak, kelebek etkisi aslında determinist kaos denilen matematik teorisinin basitleştirilmiş hali ve iki anlama geliyor.

Birincisi: Fiziksel bir sistemdeki değişiklikler azar azar artar ama bu etkiler birikimlidir ve bardağı taşıran son damla gibi aniden güçlü bir etki gösterebilir. Örneğin 541 milyon yıl önce başlayan Kambriyen Patlamasından önce Dünya’nın dış çekirdeği içten içe yeni katılaşmaya başlamıştı.

Ancak, dış çekirdeğin sıvı olduğu son 4 milyar yılda volkanik hareketler de düzenli aralıklarla görülmüş ve bu da Dünya ikliminin sık radikal değişiklikler görülmeden Kambriyen Patlamasına kadar sakin sakin gelmesini sağlamıştı. Kısacası Kambriyen öncesinde fiziki ve coğrafi şartlar oldukça kararlıydı, bu da canlı türleri için güçlü bir evrimsel baskıya yol açmıyordu.

Sonuç olarak 540 milyon yıl öncesine kadar evrim birikimli olarak ve küçük mutasyonlarla ilerledi; ama iç çekirdeğin katılaşması deniz canlılarının karaya çıkmasını tetikleyen ani depremlerle volkanik etkinlikleri tetikledi. Bu da bardağı taşıran son damla olarak türlerin sadece 13-25 milyon yıl süren Kambriyen Patlamasında çok hızlı evrim geçirmesine neden oldu ve canlıların çeşitliliği hızla arttı.

İlgili yazı: Dünyada 12 Metrelik Eksen Kayması Oluştu

 

Belirsizlik değil bilinemezlik

İkincisi: Kelebek etkisi fizik değil bir matematik teorisidir. Bu sebeple de kuantum fiziğindeki Heisenberg’in belirsizlik ilkesinden ayrılır. Belirsizlik ilkesi, parçacıkların davranışlarının özünde rastlantısal olduğuna vurgu yaparak bir sistem hakkında ancak sınırlı bilgiye sahip olabileceğimizi söylüyor. Buna karşın o sistemdeki bilginin tamamını makul sürede elde edebileceğimizi belirtiyor.

Kelebek etkisi ise determinist kaostan türüyor. Buna göre bir sistem hakkında yüzde 100 kesin bilgiye ulaşabiliriz. Ancak, söz konusu sistem o kadar karmaşık olabilir ve her an o kadar çok bardağı taşıran son damla etkisi devreye girebilir ki biz sistemin üreteceği bilgilere makul sürede ulaşamayız. Dolayısıyla determinist kaos sadece görünüşte rastlantısaldır ama pratikte bizim için kaotiktir.

İlgili yazı: Yerçekimi Alanı Bir Fizik Kuvveti mi?

 

Türbülans fizik etkisi ile örnek verelim

Deniz veya ırmak akıntılarındaki burgaçları veya turbojet motoru yakıt memesindeki türbülanslı yakıt akışını düşünün. Kelebek etkisi denen bu fizik etkisi uyarınca (çünkü matematikten çıkan bu ilke fiziksel sistemleri tanımlar) türbülans halindeki sıvıların akışını kesin olarak öngörmeniz mümkündür.

Motorun başlangıç anında motora ait bütün parçaların kesin yerini bilirseniz bugün ve 20 yıl sonra çalıştırıldığı her anda yakıtın ne tür bir türbülansa yol açacağını da bilirsiniz. Ancak, kelebek etkisine göre uçak motoru veya İstanbul hava durumu gibi karmaşık bir fiziksel sistemin anlık koşullarını kesin olarak bilmeniz imkansızdır.

Determinist kaosta bilgi sınırsız ve kesindir; ama bu çok büyük veriye ulaşmanız en güçlü süper bilgisayarla bile 1 milyar yıl sürebilir. O zamana kadar İstanbul hava durumu defalarca değişebilir. İşte kelebek etkisindeki belirlenemezcilik ile Heisenberg’in belirsizlik ilkesi arasındaki fark budur.

Kuantum kaos etkisi

Buna ek olarak uçak motorunun atomları kuantum fiziğine o da belirsizlik ilkesine tabidir. Bu sebeple kelebek etkisinde kesin öngörülerde bulunmayı pratikte imkansız hale getiren görünüşteki rastlantısallık, kuantum fiziğini hesaba kattığımız zaman gerçek rastlantısallık ve belirsizliğe dönüşür.

İlgili yazı: Çoklu Adem: İnsan Türünün Birden Fazla Kökeni Var

 

3. Meissner-Ochsenfeld etkisi

Bu etki uyarınca elektriği neredeyse hiç direnç göstermeden ve dolayısıyla ısınmadan ileten süperiletkenlerin içinde manyetik alan oluşturamazsınız. Bu şekilde anlatınca pek anlaşılmıyor ama bilimkurgu filmlerinde manyetik alanlar üzerinde uçan arabaların (diyamanyetik uçan otolar) temelinde bu etki vardır. Siz de bunu internetteki videolarda görmüş olabilirsiniz.

Bazı metaller -180 derece veya daha fazla soğutulduğu zaman süperiletken özelliği kazanır. Örneğin, sıvı helyum ile soğutulmuş böyle bir metal alır ve manyetik alan yayan bir mıknatıs üzerine yerleştirirseniz süperiletken metal havada yüzecektir. Bunun nedeni, manyetik alan çizgilerinin metalin çevresinden geçerken metal parçaya tıpkı alttan üflenen hava gibi kaldırma kuvveti uygulamasıdır.

Bu bağlamda Japonlar manyetik kaldırma teriminin İngilizce kısaltması olan maglev trenlerini 1964’ten beri kullanıyor. Bunun için de süperiletken Meissner-Ochsenfeld etkisinden yararlanıyor. Yamanaşi Maglev Sergi Salonu’nda saatte 500 km’den hızlı giden manyetik kaldırma özellikli bir kurşun tren bulunuyor.

Japonya 2027’de Tokyo ve Osaka’yı çok daha hızlı bir maglev trenle bağlayacak ve bu hat üzerinde ortalama 500 km saate erişip iki şehir arasındaki mesafeyi istasyona yanaşmayla birlikte 67 dakikaya indirecek. Sonuçta maglev trenler manyetik hava yastıklarının üstünde yükseldiği için raylara sürtünüp sarsılmadan havadan gidiyor. Böylece saatte 500 km hıza ulaşabiliyor.

İlgili yazı: DNA Testi Yaparsanız Neler Öğrenirsiniz?

 

4. Aharonov–Bohm Fizik Etkisi

Kuantum dünyasında görülen bu etki aslında temel bir fizik etkisi değil, ama yine de temel etkiler arasında yer alması gereken bir etki: Öyle ki elektron gibi elektrik yükü olan (yani elektrik yükü 0 olmayan) bir parçacığı alırsanız ve manyetik alan ile elektrik alanının 0 olduğu deneysel bir vakum odasına kapatırsanız elektronun enerjisinin sıfıra düşmediğini görürsünüz. Boş uzayda bile elektron en azından elektromanyetik potansiyele sahip olacaktır (φ, A).

Başka bir deyişle bu elektron boş uzaydaki elektromanyetik potansiyelden etkilenerek faz kaymasına uğrayacaktır. Evet, biraz teknik ve soyut bir açıklama oldu ki bu neden önemli derseniz şuna dikkatinizi çekmek isterim: Elektronun faz kaymasına elektromanyetik alan değil, elektromanyetik potansiyel yol açıyor. Bu da boş uzayın bile enerjisi olduğunu gösteriyor!

Uzaydaki bütün parçacıklar ve enerjiyi çıkarırsanız geriye boşluğu dolduran kuantum alanlarının potansiyel enerjisi kalacaktır. Buna boş uzayın enerjisinin 0’a yakın ama 0’dan büyük olmasına sebep olan kuantum salınımları veya sanal parçacıklar da diyebilirsiniz.

Ben de üç paradoksla evren nasıl oluştu yazısından başlayarak sırasıyla yerçekimi kuantum salınımlarıyla mı oluşuyor, kuantum köpük ve evren yok eden vakum köpükleri var mı yazılarında boş uzayın bile enerjisi olduğundan söz etmiştim. Ancak, bunu nasıl kanıtladığımızı söylememiştim.  Nitekim boş uzaydaki elektromanyetik potansiyeli detektörler ve mikroskoplarla göremezsiniz; ama elektronları görebilirsiniz! Dolayısıyla boş uzayın elektronlarda yarattığı faz kaymasını da görebilirsiniz. Biz de boş uzayda kuantum alanları olduğunu bu tür dolaylı yollarla ispat ettik.

İlgili yazı: 18 Ayda Nasıl 24 Kilo Verdim?

 

5. Tenis topu fizik etkisi

Hep kuantumdan bahsetmeyelim diye bu kez size günlük hayatta ayağı yere basan tenis etkisini anlatacağım: Elinize üç boyutlu bir nesne alır ve onun kendi çevresinde topaç gibi dönmesini sağlayarak havaya atarsanız bu nesnenin havada sağa ya da sola doğru bir eğri çizerek uçtuğunu göreceksiniz. Tenis topunun falso almasının ve futbol topunun kaleciyi aşıp gol olmasının sebebi budur!

Fizik etkisi sebebine gelince

Tenis topu kendi çevresinde dönerken (spin atarken) stabil olacaktır; ama bu sadece en kısa ve en uzun eksen için geçerlidir. Tenis topu kendi çevresinde en kısa ekseni ve en uzun ekseni üzerinde dönerken stabil olacaktır; yani yalpalamadan dönecektir. Ancak, birbirine dik açı yapan uzun ile kısa ekseni birleştiren bir köşegen eksen üzerinde stabil olmayacak ve kendi çevresinde yalpalayarak dönecektir.

Şimdi diyeceksiniz ki “Ama hocam tenis ve futbol topu yuvarlaktır. Hatta simetrik küre şeklindedir ve dolayısıyla iki ekseni yoktur. Dünya gibi tek ekseni vardır.” İdeal olarak öyle ama şunları hesaba katın: 1) Evrende kusursuz küre yoktur. Tenis topu da kusursuz bir küre değildir. Bu sebeple boş uzayda az da olsa falso alacaktır.

2) Dünya atmosferinde ise sürtünme sebebiyle falso alacaktır. Hatta beysbol topundaki dikişler biraz da topun falso almasını kolaylaştırmak için kullanılır. Tenis topunun tüylü yüzeyi ve futbol topunun kabartmalı yüzeyi hem topların ağırlık merkezini değiştirerek hem de sürtünmeye yol açarak falso almalarını sağlar. Biz de bu fizik etkisi ile maçta güzel goller seyrederiz. 😊

İlgili yazı: Dünyanın Manyetik Alanında Dev Delik Açıldı

 

Dünya’nın ekseni de kayıyor

Ancak, yalpalayarak eksen değiştirme etkisini topun falso almasıyla karıştırarak anlattım. Dilerseniz topa vuran futbolcunun yönlendirmesini, topun yüzeyini ve atmosferik sürtünme, hatta rüzgarı devre dışı bırakarak bu etkiyi tekrar gösterelim.

Aşağıda uzay istasyonundaki mikro-yerçekimi ortamında minimum sürtünme ile dönen bir manivelanın nasıl yalpalayıp dönme eksenini değiştirdiğini görebilirsiniz. Güneş Sistemi’ndeki gezegenler de hem bu etki yüzünden hem de diğer gezegenlerin yerçekimi sebebiyle eksen kaymasına uğrayabilirler.

Örneğin Dünya’nın kendi çevresinde dönme ekseni 23,5 derecedir. Oysa Ay bir yerçekimi çapası olarak Dünya’yı tutmasaydı gezegenimiz zaman zaman Mars’ın yerçekimi yüzünden göbeği (ekvator) üstüne yatacaktı. Bu sebeple her 300-500 milyon yılda ekvator kutuplar gibi soğuk olacaktı.

Bu aşırı iklim şartlarında dört mevsim yaşamak imkansız olacak ve muhtemelen Yeryüzünde bildiğimiz anlamda hayat olmayacaktı. Kaldı ki biz de küresel ısınma yüzünden kutuplardaki buzulları erittiğimiz için Dünya’nın eksenini 12 metre kaydırdık. Sözün özü tenis topu etkisini ve bu etkiyi güçlendiren diğer faktörleri çok ciddiye alın. 😉

İlgili yazı: İlkin Karanlık Madde Evrenden Eski Olabilir mi?

 

6. Hall fizik etkisi ile Mars’a gitmek

Bu başlığı kullandım; çünkü fizikçiler Hall etkisini kullanarak Mars’a gitmek için tasarlanan iyon ve plazma roketlerine turboşarj yapmayı planlıyor. Bu şekilde güçlendirilen roketlerle Mars’a az yakıt yakarak daha hızlı gitmek istiyor. Peki bu etki nasıl etkiyor?

Elektrik yükü olan iletken bir levhayı alıp manyetik alan içine yerleştirirseniz manyetik alan da plakanın yüzeyindeki elektronların hareketini etkileyecektir. Özellikle de bu levhayı manyetik alan çizgilerine dikey olarak hizalarsanız plakanın iki ucundan elektrik akımının geçtiğini görüp voltajını ölçebilirsiniz. Dahası voltaja bakarak manyetik alanın şiddetini de ölçebilirsiniz.

Dahası plakalar çok inceyse, sıfırın altında -100 derece veya daha fazla soğutulmuşsa ve manyetik alan çok güçlüyse Condor-Tivoli etkisini de görebilirsiniz. Öyle ki plakadaki elektronlar elektrik akımı yaratırken kısa sıçramalar yaparak hareket edecektir. Buna Hall etkisi deriz ve şurada belirttiğim gibi Hall etkisi iyon motorlarının verimliliğini artırmakta kullanılır.

Plaka üzerinde oluşan elektrik akımı bize dinamo etkisini de hatırlatıyor: İletken bir malzeme alıp bunu manyetik alan içinde döndürürseniz elektrik akımı üretirsiniz ve tersini yaparsanız bu kez de manyetik alan üretirsiniz. Dünya’nın atmosferini Güneş’in morötesi ışınları ve güneş rüzgarından koruyan manyetik güç kalkanı bu şekilde oluşuyor. Keza enerji santrallerindeki türbinler böyle elektrik üretiyor.

İlgili yazı: Yıldızlararası Uzay Gemisi Yapmanın 4 Yolu

 

7. Hawking Fizik Etkisi

Stephen Hawking 1970’lerde kara deliklerin Hawking radyasyonu ile buharlaştıklarını buldu. Kara delikler Hawking radyasyonu olarak adlandırılan bir tür termal ışınım yayıyor (uzaya ısı yayıyor) ve ısı yaydıkça kütle kaybına uğrayarak küçülüyor. Bu sebeple kara delikler çok uzak bir gelecekte buharlaşarak yok olacaklar.

Hawking etkisi aslında Unruh etkisine ve kara deliklerin olay ufkuna bağlıdır. Hawking radyasyonu ve Unruh etkisini önceden yazdığım için burada tekrarlamayacağım. Sadece iki konuyu birleştiren temel detayları belirtmekle yetineceğim:

Görelilik teorisinden türeyen tamamlayıcılık ilkesine göre, uzaydaki parçacıkların gözlemlenmesi onlara bakan kişinin bakış açısına bağlıdır. Örneğin kara deliğe düşmekte olan bir astronotun zamanı dışarıdan bakan birine göre gittikçe daha yavaş akar ve tam kara deliğin üzerinde zaman donar.

Astronotun görüntüsü de donup kalır, bize göre aşırı kırmızıya kayarak soluklaşıp görünmez olur. Bu nedenle bizim için astronot kara deliğe asla düşmemiştir. Oysa astronotun kendisi kara deliğe düştüğünü görecektir. Tamamlayıcılık ilkesine göre her iki gözlem de aynen geçerlidir!

İlgili yazı: Işık Hızının Yüzde 99’una Ulaşan Sarmal Motor

 

Yine de sıkıntı yok

Ne astronot bize kara deliğin içinden sinyal gönderebileceği ne de biz kara deliğin için görebileceğimiz için birbirinin tersi olan bu iki gerçeklik bir çelişkiye yol açmaz. Ancak, bu aynı zamanda kara deliğin bizden kopuk olan evren içinde bir cep evreni olması demektir.

Enerjiyi yok edemeyeceğimiz için kara deliğin dışındaki evren kara deliğin erişime engellediği uzay parçasının enerjisine karşılık gelen bir ısı enerjisinin görülmesine yol açar. Bu radyasyona Unruh Etkisi deriz. Unruh etkisi de kara deliklerin buharlaşmasına yol açan Hawking radyasyonuna neden olur.

İlgili yazı: Güneş Nasıl Sönecek ve Beyaz Cüce Olacak?

 

8. Fotoelektrik etki

Einstein tarafından bulunan fotoelektrik etki, elektronların fotonlar yoluyla enerji kazanarak yörüngesinde döndükleri atomların üst yörüngelerine çıkmaları ve yeni bir foton yayarak ekstra enerjiyi kaybedip orijinal yörüngelerine geri dönmeleriyle ortaya çıkıyor. Biz de bu etki sayesinde güneş ışığını elektriğe çeviren güneş panelleriyle güneş enerjisi üretiyoruz.

Örneğin güneş panelleri küçük fotosellerden oluşuyor. Fotoseller de ışığa duyarlı malzemelerden üretiliyor. Bu durumda gün ışığı fotosel elektronlarını uyararak üst yörüngelere atıyor. Ardından elektronlar enerji kaybediyor. Açığa çıkan enerji de fotosellerin özel tasarımı sayesinde elektriğe dönüşüyor.

Güneş panellerinin nasıl çalıştığını ayrıca anlattım. Burada dikkat etmemiz gereken asıl nokta ise ışığın frekansının belirli bir eşiğin üstünde olması gerektiği. Bu eşik de ışığın aydınlattığı metal plaka veya foteselin fiziksel özelliklerine bağlıdır. Öyle ki ışığın frekansı düşükse fotoseli ne kadar aydınlatırsanız aydınlatın elektronları yerinden oynatıp elektrik üretemezsiniz (loş ışıkta elektrik üretememek gibi).

Einstein 1905 yılında fotoelektrik etkiyi keşfettiğinde Max Planck’la birlikte kuantum fiziğinin kurucu babalarından biri oldu. Einstein ışığın enerji paketlerinden (kuantum) oluştuğunu buldu. Bu enerji paketlerine foton parçacıkları diyoruz ve fotonların enerjisi frekansıyla doğru orantılıdır; yani yüksek frekanslı fotonlar daha enerjiktir. En yüksek frekanslı ışık ise ölümcül gama ışınlarıdır.

İlgili yazı: Çıplak Tekillik: Kara Deliklerin İçini Neden Göremiyoruz?

 

9. Casimir fizik etkisi

Yukarıda boş uzayın bile kuantum alanlarıyla dolu olduğunu söylemiştim. Ancak, kuantum alanlarının varlığını kanıtlayan bir deneysel fizik etkisi daha var: Casimir etkisi. Hepimiz zıt yüklerin birbirini çektiğini biliriz. Siz de biri negatif ve diğeri pozitif yüklü iki metal plakayı vakumda birbirine çok yaklaştırırsanız bunların birbirini çektiğini göreceksiniz.

Öte yandan nötr plakalar da vakumda birbirini çeker. Bu da kuantum salınımlarından kaynaklanır. Nasıl oluyor derseniz tam açıklaması kuantum köpük yazısında; ama özetle iki levhanın arasındaki boş uzay, iki levhanın dışındaki uzaydan küçüktür. Dolayısıyla iki levhanın arasındaki kuantum salınımlarının sayısı da levhaların dışındaki kuantum salınımlarından azdır.

Bu da negatif basınca yol açar ve levhaların birbirine yaklaşmasına yol açar. Gerçi levhaları dış uzaydaki kuantum salınımlarının ittiğini sanmayın. Bunun yerine levhalar arasında oluşan negatif basınç iki levhayı içeriden birbirine doğru çekiyor (Sağduyuya aykırı bu durumu kuantum köpük başlığına ek olarak karanlık enerji yazısında da okuyabilirsiniz).

İlgili yazı: Fizikçiler Karanlık Madde Süper Sıvı Olabilir Dedi

 

10. Kuantum tünelleme fizik etkisi

Böylece geldik Casimir etkisini anlamak kadar zor olmasa da en ilginç kuantum fiziği etkisine. Kuantum tünelleme veya diğer adıyla doğal kuantum ışınlama temelde iki şeye yol açar: 1) Birbirine yakın iki parçacığın aniden birbirine değecek kadar yakınlaşması (adeta kendilerini birbirinin yanına ışınlamaları) ve 2) kuantum parçacıkların beton duvarın içinden sanki hayalet gibi geçmesi.

Bunların her ikisi de belirsizlik ilkesine bağlıdır. Ancak, ilkini belirsizlik ilkesiyle anlatmak daha kolay: Belirsizlik ilkesine göre bir parçacığın konumu ve momentumunu aynı anda aynı kesinlikle bilemeyiz. Bu sebeple parçacıklar rastlantısal olarak kısa mesafelere anında sıçrayabilir ve adeta ışınlanabilirler.

Örneğin Güneş’in çekirdeğindeki yüksek ısı ve basınç altında atomlar kaynaşarak enerji üretiyor. Bu da Güneş’in Dünyamıza hayat verecek şekilde ısı ve ışık saçmasına yol açıyor. Oysa çekirdekteki basınç bile atomları sıkıştırıp yapıştırarak kaynaşmasını sağlamaya yeterli değil. Neyse ki protonlar kuantum tünelleme sayesinde diğer atom çekirdeklerine çok yaklaşıyor ve yapışarak atomları kaynaştırabiliyor.

2) İkinci tür ışınlama ise en garip olanı: Bir kuantum parçacığının, örneğin fotonun konumu ve hızını olasılık dalgası belirler. Şimdi bu fotonun önüne bir duvar koyalım. Ne olacak? Duvarı oluşturan yoğun atom grupları fotonun duvarın içinden geçme olasılığını azaltacak. Teknik ifadesiyle fotonun olasılık dalgalarına filtre uygulayacak ve sadece belli bazı dalgaların duvarın içinden geçmesine izin verecek.

Foton duvarın içinden geçiyor

Fotonun duvarın içinden geçme olasılığı çok düşüktür. Buna izin veren olasılık dalgaları da gür saçlı bir insanın başından kopardığı iki saç teli kadar azdır. Ancak bu olasılık vardır! Ayrıca atomların yüzde 99’u da boşluktur. Böylece bu düşük olasılık gerçekleştiğinde foton duvarın içinden hayalet gibi geçerek öteki tarafa ışınlanmış gibi olur.

İlgili yazı: Evren Neden Var? Nötrinolar ve Leptonlar Açıklayabilir

 

10 temel fizik etkisi biterken

Hep evrene hükmeden dört temel fizik yasasından söz edecek değiliz ya! Bu kez de elektromanyetik kuvvet, zayıf ve güçlü nükleer kuvvet ile kütleçekim kuvvetinden türeyen 10 temel fizik etkisini gördük. Tenis topunun falso almasıyla başladık ve manyetik alanların üzerinde uçarak giden süper hızlı trenlere kadar geldik.

Bununla da yetinmeyerek kuantum ışınlama ve sanal parçacıklar gibi kuantum fiziği olaylarına değindik. Kısacası atomlardan galaksilere uzanan bir yolculuğa çıktık. Peki kara delikler kendi içinde yeni evrenler doğuruyor mu? Peki ya her parçacıkta başka bir evren var mı? Gerçi bunu sorarken yoksa elektron mikroskobik kara delik mi diye sormak da gerekiyor. Hep merak edin ve bilimle kalın.

Kuantum tünelleme nasıl çalışıyor?

¹Magnus Hall Effect
²Dynamical Casimir effect in curved spacetime
³Hawking Radiation and Black Hole Thermodynamics
⁴Teaching the Doppler Effect in Astrophysics