Dört Temel Fizik Kuvveti Nedir ve Nasıl Çalışır?

Doğayı belirleyen ve yöneten dört temel fizik kuvveti evreni meydana getiren büyük patlama anında nasıl oluştu? 10 milyon kere trilyon kere trilyon dereceye eşit “mutlak sıcakta” elektromanyetik, güçlü ve zayıf nükleer kuvvetle yerçekimine yol açan kütleçekim kuvveti nasıl birleşti? Peki bu kuvvetler neden ayrıldı ve kuantum dünyasıyla yerçekiminin farklılaşması sonucunda bildiğimiz evren nasıl ortaya çıktı? İlk üç dakikada evrende neler olduğunu fizik kuvvetlerinin kökeniyle görelim.

İlk üç dakika

Doğaya hükmeden dört fizik kuvvetini görmek için bir not defteri, tost makinesi veya cam bardağı alıp ateşe attığınızı düşünün. Ateş yeterince sıcaksa dört eşya da eriyecek, yanacak ve duman çıkararak buharlaşacaktır. Bir şeyin yanması onun yavaş yavaş moleküllerine ve atomlarına ayrılmasıdır. Örneğin kamp ateşi yakarsanız odunu ana bileşeni olan karbon atomlarına ayırırsınız. Karbon tozuna kül, kurum ve is deriz fakat bu deney bize bir fikir veriyor: Evreni yeterince ısıtırsak bileşenlerine ayırabiliriz.

Evrenin bileşenleri atomlardır ama onların oluşmasını sağlayan şey dört temel fizik kuvvetidir (fiziksel etkileşimler). Bunlar elektromanyetik, zayıf, güçlü nükleer kuvvet ve kütleçekim kuvvetidir. Ancak, dört kuvvet evrende zaten ayrı ayrı etki ediyor. Tersine, fizikçiler evreni yeterince ısıtırsak bütün kuvvetlerin tek kuvvet halinde birleşeceğini öngörüyor. Evreni yok etmeden ulaşabileceğimiz en yüksek sıcaklık olan mutlak sıcak bize uzay-zamanın nasıl oluştuğunu gösterecek:

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

 

Fizik kuvvetleri ve mutlak sıcak

Odunu yakarsanız kül olur ama külün sıcaklığını binlerce dereceye çıkarırsanız elektronların yörüngeden koparak atomların iyonize olduğunu ve atom çekirdeklerinin çıplak kaldığını göreceksiniz. İşte bu maddenin plazma halidir. Sıcaklığı artırıp milyon dereceye ulaşarak atomları nükleer ateşte yakmaya başlarsanız çekirdeklerin de proton ve nötronlara ayrıldığını göreceksiniz.

Milyarlarca dereceye çıkarsanız proton ve nötronlar kuarklara ayrışacak ve evren nötrino, foton, elektron, kuark gibi temel parçacıklardan oluşan atomaltı plazmayla dolacaktır. Ancak, 10³¹ derece gibi kara delikler ve CERN parçacık hızlandırıcısının bile elde edilemeyeceği bir sıcaklığa erişirseniz başka bir şey görürsünüz: 4 fizik kuvveti tek kuvvet halinde birleşir.

Böylece sıcak büyük patlamadan bile daha sıcak olan mutlak sıcağa ulaştınız. Peki evren mutlak sıcaktan nasıl oluştu ve dört fizik kuvvetinin doğası nedir? Bu kuvvetler nasıl işliyor ve nereden geliyor? Evrenin ilk üç dakikasıyla görelim:

İlgili yazı: Kodlama İçin En Gerekli 16 Programlama Dili

 

Fizik kuvveti ve standart model

Modern parçacık fiziği teorisi olan standart modele göre madde 6 tür kuark, 6 tür lepton ve bunların karşıtı olan toplam 12 anti parçacıktan oluşuyor (ne olduğunu bilmediğimiz karanlık maddeyi saymazsak). Bu parçacıkları da 4 fizik kuvveti kontrol ediyor. Bunlar atom çekirdeklerini bağlayan güçlü nükleer kuvvet, beta radyasyonundan sorumlu olan zayıf nükleer kuvvet, elektrik ve ışığı belirleyen elektromanyetizma ile gökcisimlerinin Güneş çevresinde dönmesini sağlayan kütleçekim kuvvetidir.

Öte yandan kuantum fiziğine baktığımız zaman 24 parçacık ile 4 kuvvetin aynı kökten geldiğini görüyoruz. Bunların hepsi büyük patlama anında var olan yüksek enerjiden türemiştir. Yaşadığımız gözlemlenebilir evren için zaman Planck anında başladı. Bu da yaklaşık 10^-43 saniyedir (sıcaklık 10³² K). Gerçi Planck anından önce de fizik yasaları olabilir ama bunlar bizim evrenimizin fizik yasaları değildir.

Dahası evrenimiz Planck anından daha sonra, 10^-32. saniyede oluşmuştur. Bu nedenle varoluşun ilk çağına Planck Çağı deriz (10^-44 saniye). Sonra 10⁴³ ila 10^-35 saniye arasında Büyük Birleşme Çağı gelir.

Ardından ve en erken 10^-34. saniyede gerçekleşen soğuk büyük patlama ile Enflasyon Çağı başlar. Kozmik enflasyon en geç 10^-32. saniyede sona erer ve sıcak büyük patlamayla bildiğimiz uzay-zaman ortaya çıkar. Bütün bunları linklerden ulaşabileceğiniz yazılarda anlattım ama bu kez farklı bir şey yapıyoruz. Evrenin saatini geri alarak dört fizik kuvvetinin izinden gidiyoruz:

Planck anında 4 fizik kuvveti tek kuvvet halinde birleşmişti ve en geç 10^-42. saniyede kütleçekim kuvveti kuantum dünyasında geçerli olan diğer üç kuvvetten ayrıldı. Biz de bu yüzden kuantum fiziğiyle Einstein’ın yerçekimini tanımlayan görelilik teorisini birleştiremiyoruz.

Her şeyin başlangıcı

Kuvvetlerin birleşmesi gerektiğini biliyoruz ama yerçekiminin ayrıldığı 10³² derecelik müthiş sıcaklıkla yaklaşık 10¹⁹ gigaelektronvoltluk (GeV) enerjiye çıkamıyor ve fizik kuvvetlerinin birleşmesini test edemiyoruz. Bildiğimiz evren ise uzay biraz daha soğuyunca oluşuyor:

İlgili yazı: Zamanda Yolculuk Etmenin 9 Sıra Dışı Yolu

 

Fizik kuvveti ve Büyük Birleşme

Evren Planck anında bir protondan daha küçüktü: En çok 10^-33 metre, yani metrenin yaklaşık 1000 katrilyon kere katrilyonda biri boyundaydı. Evreni Planck Çağında tanımlayan bir fizik teorisi yok ama henüz kanıtlanmamış olan sicim teorisi ve halka kuantum kütleçekim kuramı evrenin oluşumunu açıklamak için geliştirdiğimiz en kapsamlı modellerdir.

Planck anından sonra 10^-35. saniyeye kadar süren Büyük Birleşme Çağı geliyor (GUE). Bu çağda evrenin sıcaklığı 10³² derece, enerjisi 10¹⁵ GeV ve büyüklüğü de 10^-30 ila 10^-28 cm idi (metrenin katrilyon kere katrilyonda biri ila 10 trilyon kere katrilyonda biri). GUE çağının başlangıcında kütleçekim kuvveti diğer kuvvetlerden ayrıldı.

GUE çağının geriye kalanında güçlü ve zayıf nükleer kuvvet ile elektromanyetik kuvvet birleşikti. Birleşik kuvvete elektronükleer güç diyor ve bu dönemi Büyük Birleşme Teorileri (GUT) ile tanımlıyoruz. Tüm detaylara sahip değiliz ama kuantum elektrorenk dinamiği ile üç kuvveti birleştirmeyi başardık.

İlgili yazı: 5 Soruda Paralel Evrenler

 

Fizik kuvveti ve kozmik enflasyon

Evren 10^-34 yaşında ve 10²⁸ derece sıcaklıktayken güçlü nükleer kuvvet elektrozayıf kuvvetten ayrıldı. Böylece yerçekiminden sonra 2. fizik kuvveti bütünden ayrılmış oldu. Güçlü nükleer kuvvetin ayrılması bir şekilde kozmik enflasyonu tetikledi: Evren 10^-34 ila 10^-32 saniye yaşındayken uzay ışıktan hızlı şişti ve her 10^-28 saniyede büyüklüğü iki katına çıktı. Buna Kozmik Enflasyon Çağı diyoruz:

Evrenin büyüklüğü 100 kez ikiye katlandıktan sonra kozmik enflasyon sona erdi ve uzay bugünkü gibi ışıktan yavaş genişlemeye başladı. Bu sırada protondan daha küçük olan evren greyfurt büyüklüğüne erişti. Kozmik enflasyon sırasında evrenin sıcaklığı 10²² dereceye düştü.

Ancak, enflasyon sona erince birikmiş enerji uzayı yeniden 10²⁸ dereceye ısıttı (10 trilyon kere katrilyon derece). Enflasyonun sona ermesi böylece sıcak büyük patlamayı tetikledi. Günümüzde birçok fizikçi sıcak büyük patlama anını (yani belgesellerde gördüğünüz büyük patlama) Elektrozayıf Çağ olarak adlandırıyor. Büyük patlamadan hemen sonra elektromanyetik kuvvet ile zayıf nükleer kuvvet birleşikti ve kuantum elektrodinamiğinde (QED) gösterildiği üzere elektrozayıf kuvvet olarak davranıyordu.

Şunu söylemek istiyorum: Belgesellerden bildiğimiz klasik büyük patlama anında evrendeki tek birleşik kuvvet elektrozayıf kuvvetti. Kütleçekim kuvveti ve güçlü nükleer kuvvet bildiğimiz evren oluşmadan önce birbirinden ayrılmıştı. Evrenin yaşı saniyenin trilyonda birine (10^-12 saniye) geldiğinde ise Kuark Çağı başladı. Bu dönemde 1) Elektromanyetik ve zayıf kuvvet birbirinden ayrıldı. 2) Kuarklar oluştu ve evreni dolduran kuark-gluon plazması oluştu (gluonlar güçlü kuvveti ileten parçacıklardır).

İlgili yazı: Düz Dünya Teorisini Çürüten 12 Kanıt

 

Fizik kuvveti ve parçacıkların oluşumu

Buraya kadar yaşadığımız gözlemlenebilir evrenden önce gelen erken evreni ve gözlemlenebilir evrenin en erken dönemlerini gördük. Şimdi Kuark Çağıyla birlikte parçacık çağı başlıyor. Artık temel parçacıklar oluşuyor. Zayıf kuvvetin ayrıldığı ve menzilinin kısaldığı Kuark Çağının başlangıcında evrenin sıcaklığı 1 katrilyon derece (10¹⁵ derece) ve enerjisi de 160 ila 100 GeV’di. Fizikte genel kabul gören görüşe göre zayıf kuvvet 100 GeV enerjisinde elektromanyetizmadan ayrılmıştır.

Yine de evren o sırada çok sıcaktı. İçinde kara delik olan yarım yıldızlardan bile daha sıcaktı. Öyle ki 50 megaton ile patlatılan en güçlü termonükleer bomba olan Sovyetler Birliği eseri Çar Bombası bile bu sıcaklığı üretemedi. Bu değerlerin üzerine ancak CERN parçacık hızlandırıcısındaki Büyük Hadron Çarpıştırıcısı (LHC) çıkabiliyor. Sonuç olarak Kuark Çağı 10^-12 ila 10^-6 saniye arasında sürdü ve bu sırada evrenin sıcaklığı 10 katrilyon dereceden 1 katrilyon dereceye düştü.

Tam olarak ne zaman ortaya çıktı bilmiyoruz ama bu sırada temel parçacıklara kütlesini kazandıran Higgs alanı da oluştu ve kuarkların kütleli olmasını sağladı. Şunu da belirtelim madde ve antimadde kuark çağından hemen önce oluştu ve yine tam bilinmeyen bir sebeple madde parçacıkları antimadde parçacıklarından 100 milyarda bir daha fazla oluştu; yani sizi oluşturan madde, büyük patlamada oluşan maddenin yüz milyarda biridir! 😮 Peki sonra?

İlgili yazı: Higgs Parçacığı Nedir ve Nasıl Çalışır?

 

İlk saniye: Madde ve antimadde yok oluyor.

Evren saniyenin on binde biri yaşındayken sıcaklık 10 trilyon dereceye düştü. Bu sırada madde ve antimadde büyük ölçüde birbirini yok etti ve geriye yıldızları, gezegenleri, bizi oluşturan madde kaldı. Bunun sonucunda madde parçacıklarından çok daha fazla sayıda foton oluştu. Bu sayı evrenin 13,78 milyar yıllık geçmişinde gittikçe arttı tabii:

Bildiğiniz gibi fotonlar ışık parçacıklarıdır ve yıldızlar ışık saçar. Evren bugüne dek 4 x 10⁸⁴ foton üretti. Buna karşılık evrende 10⁸⁸ proton ve eşit sayıda elektron var. Artık evren 1 saniye yaşında ve yaklaşık 100 trilyon km çapında (~10 ışık yılı). Nihayet evrenin büyüklüğü astronomik boyutlara ulaştı. Bu arada protonlarla birlikte sentezlenen nötronları da atlamayalım. Bunların sayısı protonları 6’da birine eşittir.

Evren 100 saniye (1,5 dk) yaşındayken sıcaklığı 1 milyar dereceye düştü. Bir kısım elektron ve pozitron birbirini yok ederek foton sayısını artırdı. Proton ve nötronlar geçici olarak birleşip döteronları oluşturdu. Bunların neredeyse tamamı helyum atom çekirdeklerine dönüştü. Bu sırada evren yüzde 75 oranında hidrojen, yüzde 25 oranında helyum ve çok az miktarda lityumdan oluşuyordu.

Evren 1 aylık olduğunda evrenin ısınma hızı uzayın genişleme hızının altına düştü. İşte bugün bütün uzayı kaplayan ve bebek evreni gösteren kozmik mikrodalga artalan ışıması (CMB) evrenin 1 aylık halini gösteriyor. Ancak, CMB evrenin sıcaklığı 3000 derecenin altına düştüğünde uzaya yayıldı. Bu durum da evren 380 bin yaşındayken gerçekleşti. Boş uzay ortaya çıktı ve ilk ışık uzaya yayıldı.

İlgili yazı: İnternetinizi Uçuracak En İyi 10 Modem

 

4 fizik kuvveti nasıl çalışıyor?

Buraya dek temel fizik kuvvetlerinin nasıl oluştuğunu gördük. Şimdi filmi hızla ileriye saralım. 13,78 milyar yıl sonra günümüzdeyiz. Uzay boşluğunun sıcaklığı -270 derece ve enerjisi 0,25 elektronvolt (eV). Elektromanyetik kuvvetle yerçekimini karşılaştırarak başlıyoruz. Her ikisi de genel olarak klasik fizik denklemleriyle açıklanabiliyor (Maxwell’in denklemleri ve Einstein’ın görelilik teorisi). Elektromanyetik kuvvet sadece kuantum detaylarında genel görelilikten temelde farklılaşıyor.

Oysa klasik fizikteki denklemleri şekildeki gibi çok benziyor. Göreliliğin basitleştirilmiş sürümü olan Newton’ın evrensel yerçekimi yasasına bakarsak G terimi evrensel kütleçekim sabitidir. Coulomb’un elektrik yüklü cisimler arasındaki elektrik kuvvetini gösteren denklemindeki k terimi de Coulomb sabitidir.

Denklemlerde iki cisim arasındaki yerçekimi gücünün uzaklığın karesiyle ters oranda azaldığını görüyoruz; yani Dünya’dan iki kat uzaklaşırsanız yerçekimi 4 kat azalır vb. Öte yandan denklemde enerjinin asla sıfıra inmediğini de görürsünüz. Potansiyel enerjinin 0’a inmesi için sonsuz uzaklık gerekir. Bunun da yerçekimi güç alanının işleyişi bakımından ilginç bir sonucu var:

Gözlemlenebilir evren 92 milyar ışık yılı çapla sonlu olduğuna göre evrenin iki ucundaki iki protonun birbirini çekmesi için kütleçekim yükünün pozitif, yerçekimi alanının ise negatif olması gerekir. Sonuçta protonların arasındaki potansiyel enerji 0 ise bunların birbirine yaklaşmak gibi bir iş yapması için boşluktan enerji çekmesi gerekiyor. Bu da gözlemlenebilir evren sonlu olsa da yerçekimi alanının negatif potansiyele sahip olmasını gerektiriyor. Peki bu ne demek?

İlgili yazı: Neuralink İnsan Beyni ve Bilgisayarları Birleştirecek

 

Elektromanyetik fizik kuvveti

Dünya’dan ne kadar uzaklaşırsanız uzaklaşın yerçekimi sizi etkileyecek demek. Bu etki uzakta ihmal edilecek kadar zayıf olabilir ama vardır. Gelelim elektromanyetizmaya: Elektromanyetik kuvvet de yerçekimi gibi sonsuz menzillidir. Hatta yerçekiminden 10³⁶ kat daha güçlüdür. Öyleyse neden yerçekimi evrende pratikte en uzun menzilli kuvvet? Başat kuvvetin elektromanyetizma olması gerekmez mi? Bunun nedeni nötr atomlardır:

Gezegenlerle insanlar gibi büyük cisimleri oluşturan atomların ezici çoğunluğunun elektron-pozitron sayısı eşittir. Kısacası evrendeki cisimlerin çok büyük bir kısmı nötrdür. Bu yüzden artı ve eksi yükler birbirini siler. Elektromanyetik kuvvet de ancak kısa mesafelerde etkili olur. Yine de elektromanyetizma dünyamızı etkiliyor.

En basitinden ışık ve radyo sinyalleri elektromanyetik kuvvettir. Atomları birbirine bağlayıp molekülleri oluşturan elektronlar da elektromanyetik kuvvete tabidir. Bütün kimya ve yaşamı oluşturan biyokimya elektromanyetik kuvvetten türer. Üstelik elektromanyetik kuvvet özellikle kısa mesafelerde yerçekiminden çok güçlüdür. Öyleyse atom çekirdekleri patlamadan nasıl duruyor?

Sonuçta atom çekirdekleri proton ve nötronlardan oluşuyor. Protonlar ise eş yüklüdür ve elektromanyetik kuvvette eş yükler birbirini iter. Protonlar bir arada duruyor; çünkü onları evrendeki en güçlü kuvvet olan şey… güçlü kuvvet bir arada tutuyor. Nötr parçacıklar olan nötronlar da çok sayıda proton içeren atom çekirdeklerinde protonların arasına girerek ağır elementlerin oluşmasını sağlıyor.

İlgili yazı: DNA Testi Yaparsanız Neler Öğrenirsiniz?

 

 

Güçlü fizik kuvveti

Coulomb yasasına göre iki nötron ve iki proton içeren helyum çekirdeğindeki protonlar birbirini yaklaşık 9 kg’lık bir güçle iter. Proton gibi atomaltı bir parçacık için bu müthiş bir kuvvet! Yine de güçlü nükleer kuvvet onları bir arada tutuyor. Nitekim elektromanyetik kuvvetten 100 kat, yerçekiminden 10³⁸ kat güçlüdür.

Proton ve nötronları oluşturan kuarkları gluonlar yoluyla birbirine bağlayan güçlü kuvvet aslında protonun içindeki kısa mesafelerde oldukça zayıftır. Bu yüzden kuarklar protonların içinde boş kutunun içinde çalkalanır gibi neredeyse ışık hızında sağa sola savrulur. Yine de birbirinden kopup protonu parçalayamaz; çünkü nükleer kuvvet yay gibi gerilir:

Kuarklar protonların içinden çıkmaya kalktığı anda onları gergin bir yay gibi aniden geri çeker. Siz de bir yayı başta kolay gerdiğinizi ama gerdikçe işinizin zorlaştığını ve çok gerilen bir yayı bırakırsanız şak diye kapanacağını bilirsiniz. Yine de güçlü kuvvetin menzili proton çapını aşmaz. Aksi taktirde bütün maddeyi kendi üstüne çeker ve her şeyi kara deliğe dönüştürürdü.

Ayrıca güçlü nükleer kuvvette 3 yük vardır ve bunlar elektromanyetik kuvvetten farklıdır. Örneğin nötronların elektrik yükü nötrdür ama onlar da güçlü kuvvetten etkilenir. Güçlü kuvvet protonları bağlayarak öyle iyi iş çıkarır ki atomu parçalayarak atom bombası veya nükleer enerji üretirsiniz. Küçük atomları birleştirip büyük atomlar sentezleyerek de nükleer füzyon enerjisi üretirsiniz.

İlgili yazı: Evrenin En Büyük Yıldızı UY Scuti mi?

 

Zayıf fizik kuvveti

Yerçekiminden sonra en zayıf kuvvet şey… zayıf nükleer kuvvettir. Bu da beta radyasyonu denilen radyoaktivite türünden sorumludur. Özünde ağır ve dengesiz atomların bozunup hafifleyerek kurşun gibi daha hafif atomlara dönüşmesini sağlar. Hatta atom çekirdeklerindeki nötron ve protonların birbirine dönüşmesine, bu süreçte proton ve nötron parçalarının çekirdekten kopmasına neden olur. Bu durum çekirdeği hafifletirken ölümcül alfa ve nötron radyasyonuna yol açar.

Özellikle de atom çekirdeğinde olmayan serbest nötronların beta bozunumu ile protona dönüşüp uzaya elektron ve antinötrino yaymasını zayıf kuvvete borçluyuz. Yoksa uzayda çok sayıda nötron olur ve bunlar da protonların birleşip ağır elementler oluşturmasını engellerdi.

Demek ki zayıf kuvvet ölümcül radyasyona yol açsa da ağır elementlerin kararlı olmasını sağlayarak biz insanların da ortaya çıkmasını sağlamıştır. Zayıf kuvvete boşuna zayıf demiyoruz: Menzili proton çapının binde biridir.

Peki atomları kaynaştırmamızı ve atomu parçalamaktan 10-100 kat daha fazla enerji üretmemizi sağlayan nükleer füzyon nasıl çalışıyor? Onu da şimdi okuyabilir ve zayıf kuvvetin yol açtığı radyoaktiviteyi Çernobil nükleer kazasında görebilirsiniz. Elektromanyetik kuvveti solak elektronlarla inceleyebilir ve yerçekimini genel görelilik ve zamanuzay başlıklarında ele alabilirsiniz. Fizik kuvvetlerini birleştirip evreni tek denklemle açıklayan her şeyin teorisine de hemen bakabilirsiniz. Masmavi sularda bol yüzmeli muhteşem bir hafta sonu dilerim. 😊

4 kuvveti birleştiren kuantum kütleçekim

¹Grand Unification without Proton Decay
²Grand Unified Theory with a Stable Proton
³Grand Unification in High-scale Supersymmetry
⁴A phase of confined electroweak force in the early Universe
⁵Algorithmic Theories of Everything
⁶Quantum gravity