Kendi Kendine Bardaktan Taşan Süper Sıvılar

Fizikçiler kendi kendine bardaktan dökülen sürtünmesiz süper sıvılar üretti. Süper soğuk Helyum 3 ve Helyum 4 süper sıvısı, geleceğin nükleer füzyon roketleri ve uçan otolarında üstün verimlilikli akaryakıt olarak kullanılacak. Dahası uzay-zaman ve karanlık madde bile süper sıvı olabilir. Peki sürtünmesiz süper sıvılar nasıl akıyor?

En garip sıvılar süper sıvılar

Süper sıvılar elektriği direnç göstermeden ileten süperiletkenlere benzer. Süperiletkenleri oluşturan atomların elektronları, elektrik akımı verildiği zaman komşu atomlara sürtünme olmadan sıçrıyor. Bu da süperiletkenlerin elektriği enerji kaybetmeden iletmesini sağlıyor. Böylece yüksek hızlarda aşırı ısınarak kısa devre yapmadan çalışan işlemciler üretmek teoride mümkün oluyor.

Süper sıvılar da kaplar ve borularda sürtünmesiz aktığı için süperiletkenlere benziyor. Ancak, elimizde oda sıcaklığında süperiletken olan malzemeler bulunmuyor. Bunları deniz seviyesi basıncında en az -135°C ve Jüpiter çekirdeğindeki muazzam basınçta da -23 dereceye kadar soğutmak gerekiyor.

Yakıt depoları ve motor gövdesinde sürtünmeden aktığı için üstün verimlilikli akaryakıt olan, yani 1 litre yakıtta maksimum enerji üretme kapasitesine sahip olan süper sıvılar da bu özelliği ancak aşırı soğutulduğu zaman kazanıyor. Süper sıvılar bardağın kenarından tırmanıp kendi kendine dışarı taşıyor.

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

Oda sıcaklığında süper sıvılar

 

Yarı süper sıvılar

Elbette oda sıcaklığında çalışan yarı-süper sıvılar da var. Ancak, bu akışkanların bardaktan kendi kendine dökülmesi için bardağı devirerek ilk hareketi yapmanız gerekiyor. Sonrası çorap söküğü gibi geliyor:

Yarı-süper sıvının yoğun molekülleri bardaktan dökülürken diğer moleküllere yapışıyor ve bunları da mıknatıs gibi çekerek bardağı boşaltıyor. İyi ki kahveler süper sıvı olmuyor ve kupadan kendi başına dökülmüyor. Yoksa kahve sektörü diye bir sektör olamazdı! 🙂

Helyum 3 gibi süper soğuk süper sıvılar da gelecekte insanları Mars’a, dış gezegenlere ve komşu yıldızlara taşıyacak olan nükleer füzyon roketlerinde süper verimli akaryakıt olarak kullanılacak. Bilim insanları bunun için helyum 3 zaman kristallerinden yararlanacak.

Öyle ki evrenin dokusu olan uzay-zamanı ve galaksileri bir arada tutan ek yerçekimini sağlayan karanlık maddeyi bile süper sıvı olarak açıklamaya çalışan fizikçiler var. Peki yakıt memesinde sürtünmesiz akan ve kupada karıştırınca kendi başına saatlerce dönen mucize süper sıvılar nasıl üretiliyor ve nasıl çalışıyor?

İlgili yazı: Bilim İnsanları Ölü Domuz Beyni Canlandırdı

 

İmkansız süper sıvılar

Yukarıdaki örnekler ilk bakışta kulağa imkansız gelebilir. Ne de olsa sıvıları dibe çeken yerçekimi diye bir şey var. Öte yandan, sürtünme olmazsa sıvıların sahip olduğu yüzey gerilimi özelliği; bardaktan dökülen moleküllerin geri kalan molekülleri de çekip yanında götürmesini sağlıyor.

Ancak, bunu gerçekten başarmak için önce helyum 4 gazını alacak ve -270 dereceye kadar soğutacaksınız ki bugünkü teknoloji ile hiç kolay bir şey değil; çünkü helyumu derin dondurucuda soğutamazsınız. Bunun da basit bir nedeni var: -270 derecede çalışan derin dondurucu yoktur.

Oysa bu durum hile yapmanıza engel olmaz: Helyumu alır ve tümüyle kapalı bir kapta sıvı azotla -210 dereceye kadar soğutursunuz ve gaz büzülür. Sonra helyum buharını vakum pompayla kaptan dışarı atarak geri kalan atomların enerji kaybetmeyi sürdürmesini sağlarsınız. Böylece helyum -270 dereceye dek soğur ki bu da mutlak sıfırdan sadece 3,15 derece yüksektir.

Süper sıvılar yerine helyum buzu

Şimdi diyeceksiniz ki “Ama hocam, suyu soğutunca donup buz kesiyor. Helyumu soğutursak o da donmaz mı?” Hayır. Helyum gazını mutlak sıfıra kadar soğutsanız bile donduramazsınız. Fizik kuralları gereği helyum donmaz ama süper sıvı olabilir. Şimdi nasıl olduğunu görelim.

İlgili yazı:  Büyük Patlama Öncesinde Ne Vardı?

 

Süper sıvılar Nobel kazandırıyor

Bu garip akışkanlar 1972, 1996 ile 2003 yıllarında teorik ve deneysel fizikçilere Nobel ödülleri kazandırdı. Süper sıvıların nasıl çalıştığını anlamak için parçacıkların nasıl davrandığını anlamamız gerekiyor. Kuantum fiziği sebebiyle parçacıklar ve atomlar yalnızca belirli enerji düzeylerinde olurlar.

Örneğin, elektronlar atomların çevresinde belirli yörüngelerde döner ve ara yörünge diye bir şey söz konusu değildir. Ayrıca Pauli dışarlama ilkesi uyarınca iki elektron aynı enerji düzeyinde olamaz ve bir yörüngeyi eş enerji düzeyinde işgal edemez. Bu da bir atom yörüngesinde aynı anda maksimum kaç elektron olabileceğini belirler. Kimyasal reaksiyonların gerçekleşmesi bu ilkeye bağlıdır.

Bu açıdan bakarsak elektronların sadece tam sayılardan oluşan enerji değerleri alabildiklerini görüyoruz. Dolayısıyla atomlar ve moleküller de 1 veya 2 gibi enerji değerlerini alabilir fakat 1,2 gibi ondalık değerler alamaz. Bu etkiyi günlük hayatta göremeyiz; çünkü gözle görülebilir nesneleri oluşturan trilyonlarca parçacık kuantum etkilerini büyük ölçüde gözden siler.

İlgili yazı: İnternetinizi Uçuracak En İyi 10 Modem

 

Süper soğuk süper sıvılar çok farklı

Özellikle de helyuma gelince çok farklılar. Helyum deniz seviyesi basıncında asla donmaz, en fazla sıvılaşabilir ve bunun asıl nedeni helyum atomlarının hafif olması değil de kuantum fiziğidir:

Şöyle ki helyumu soğuturken, atomları mutlaka tam sayı değerler olmak üzere gittikçe daha düşük enerji düzeylerine çekiyorsunuz; yani belirsizlik ilkesinden kaynaklanan rastgele titreşimleri saymazsak bu atomlar dış etkiler nedeniyle hiç titremiyor.

Sonuçta kaba koyduğunuz atomların tümü mümkün olan en düşük enerji seviyesine geriliyor ve sadece kendi başına titrediği için dış etkilerden pratikte tümüyle yalıtılmış oluyor. İşte o zaman kuantum fiziğinin önceki yazılarda anlattığım dolanıklık ve süperpozisyon özellikleri devreye giriyor.

-270 derecede helyum sıvısı oluşturan bütün atomlar birbiriyle dolanıklığa giriyor ve tek bir dev atom olarak davranıyor. Evet, kapta çıplak gözle görebileceğiniz kadar büyük olan helyum sıvısı matematiksel olarak tek atom gibi davranıyor! Bu duruma Bose-Einstein yoğuşması diyoruz:

Uslu ve itaatkar süper sıvılar

Süper sıvılar için en iyi aday olan Helyum 4 işte bu noktada kabın içinde hiç sürtünmeden akmaya başlıyor. Örneğin helyum 4 atomları birbirine çarpmıyor veya normal sıvılar gibi birbiriyle etkileşime girmiyor. Uslu çocuklar veya süper disiplinli askerlerin yürüyüş düzeni gibi sakince yan yana, üst üste diziliyor ve toplu halde aynı hareketleri yaparak titriyor. Bu açıdan zaman kristallerine benziyor.

İlgili yazı: Yapay Zeka Nedir ve Nasıl Çalışır?

 

Süper sıvalar için sızdırmazlık zor

Bu durumda, süper soğuk helyum sıvısını oluşturan atomlar birbirine çarpıp sürtünmeye yol açmıyor ve hiç sürtünmeden akıyor. Elbette bulundukları kabın çeperlerine sürtünüyorlar.

Ancak, toplu halde hareket ettikleri için o kadar usulca sürtünüyorlar ki bir tencereyi dolduracak kadar küçük miktardaki süper sıvının, kaptan dışarı dökülmeden önce sürtünmeyle ısınarak durması mümkün olmuyor. Kısacası kaba sürtünmek süper sıvıların kendi başına dışarı çıkmasını engellemiyor.

Nitekim süper sıvı akaryakıt kullanan bir nükleer füzyon roketi yapmak bu yüzden zor. Sonuçta süper sıvılar bir kabın dibindeki mikroskobik (neredeyse atom boyundaki) küçük çatlaklardan bile dışarı çıkıp yere dökülebilirler.

Siz de nükleer füzyon reaktörünün akaryakıtı olan helyum süper sıvısının yakıt deposundan dökülmesini istemezsiniz. Tabii süperiletkenlerle güçlü manyetik alanlar üreterek bu sorunun önüne geçebiliyoruz; ama normalde nötr olan helyum sıvısını ısıtmadan iyonize edemeyiz ve bu nedenle de manyetik alanlarla kontrol edemeyiz. En iyisi biz helyum 4 ile devam edelim.

İlgili yazı: Kodlama İçin En Gerekli 16 Programlama Dili

 

Süper sıvılar ve helyum 4

Tipik bir laboratuar kabındaki helyum 4 süper sıvısında milyon milyon milyon milyon helyum atomu bulunuyor. Bu kadar çok atomun süper sıvı olarak davranması kolay değil.

Nitekim Helyum 4 evrendeki en dengeli ve sade atomlardan biridir ki sırf bu yüzden, kimyasal reaksiyona girmeyen en asal gaz olarak biliniyor. Helyum 4 atomunda iki proton, iki nötron ve iki dış elektron bulunuyor.

Elektronların yörüngesi çok kararlı olduğu için helyum 4 istisnalar dışında kimyasal bileşik oluşturmuyor. Helyum 4 atomları bu özel nükleon-elektron kombinasyonu sayesinde bozon parçacıkları gibi davranabiliyor:

Elektromanyetik kuvvetinin taşıyıcısı olan fotonlar ve diğer bozonlar, Pauli dışarlama ilkesine uymadıkları için aynı enerji durumunda bulunabilir. Helyum 4 de dengeli yapısı sayesinde komşu helyum 4 atomlarıyla aynı enerji seviyesinde olabilir.

Dikkat ederseniz

Bu durum, süper sıvı halinde soğutulan helyum 4 atomlarının Bose-Einstein yoğuşması oluşturarak tek atom gibi davranmasını kolaylaştırıyor. Yalnızca bu özelliklere sahip olan atomlar -270 derece civarında süper sıvıya dönüşebiliyor. Oysa helyum 3 atom çekirdeğinde iki proton ve sadece bir nötron var. Bu nedenle helyum 3 tek başına süper sıvı olamaz.

İlgili yazı: 10 Adımda kara deliğe düşen astronota ne olur?

 

Süper sıvalar ve helyum 3

Hani oluyordu? Oluyor ama helyum 3 atomları sadece Cooper çiftleri oluşturduğu zaman bunu yapabiliyor. Cooper çiftleri tam olarak molekül sayılmaz; ama helyum 3 atomlarının birbirini dengeleyerek süper sıvıya dönüşmesini sağlıyor.

Bununla birlikte helyum 3 ve 4 süper sıvıları bulundukları kaplarda farklı şekilde davranıyor. En basitinden, helyum 3 süper sıvısı elde etmek için bu elementi 3 mili Kelvin’den daha çok soğutmanız gerekiyor.

0 Kelvin yaklaşık -273,15 derece ile mutlak sıfıra eşit ve mili Kelvin de 1 Kelvin’in binde biri olduğuna göre bunu başarmanın ne kadar zor olduğunu tahmin edersiniz. Mutlak sıfırın üç binde birine erişmek güçtür.

İlgili yazı: Güneşte Ne Zaman Yağmur Yağıyor?

 

Helyum 4’e gelince

Helyum 4’ü süper sıvı yapmak içinse 2,1 Kelvin’e soğutmak yeterli; ama bu da çok soğuk. Tüm evreni saran ilk ışığın kalıntısı olan kozmik mikrodalga art alan ışıması bile 3 Kelvin, yani -270,15 derece ile helyum 3 süper sıvısından sıcaktır. Kısacası Helyum 3 süper sıvısı uzay boşluğundan daha soğuktur!

Bununla birlikte, helyum 3 Cooper çiftleri ile Bose-Einstein yoğuşması elde eder ve titreşim periyodunu da zaman kristalleri gibi ayarlarsak, Uzay Yolu dizisindeki Atılgan’ı çalıştıran antimadde yakıtını kontrol etmekte kullanılan dilityum kristallerine benzeyen bir madde elde edebiliriz.

Bunun detaylarını Helyum 3 Zaman Kristalleriyle Çalışan Nükleer Füzyon Roketleri yazısında anlattım; ama özetle helyum 3 süper sıvısı, süper verimli bir nükleer füzyon roketi yakıtıdır diyebilirim. Öte yandan, Dünya’daki helyum 3 miktarı normal helyum 4’ün sadece yüz binde birine eşittir.

Bu nedenle nükleer radyasyona yol açmayan nükleer füzyon reaktörleri için Ay toprağı veya Uranüs atmosferinden helyum 3 çıkarmamız gerekiyor. Öyleyse süper sıvılar üretmek zordur; ama helyum 3’ten süper sıvı üretmek o kadar zordur ki bunu basitleştirmek size kesin Nobel ödülü kazandırır. 😉

İlgili yazı: İnternette teknik takip ve gözetimi önleme rehberi

 

Peki neden uğraşıyoruz?

Evreni anlamaya çalışıyoruz: Evrendeki en yoğun gökcisimleri olan nötron yıldızlarının çekirdeğinde basınç o kadar yüksek ki atomlar parçalanıyor, protonlarla elektronlar ezilerek birleşiyor ve nötronlara dönüşüyor.

Kısacası nötron yıldızları içindeki maddeyi ezip yozlaştırarak atıl nötronlara dönüştürüyor. Nötronlar da yüksek basınç altında süper sıvı gibi davranıyor. Süper sıvıları araştırarak bunları içeren nötron yıldızlarını anlayabiliriz.

Süper sıvılar süperiletkenleri de anlamamızı sağlayabilir. Böylece sadece Jüpiter gibi gaz devlerinin en derin katmanlarındaki yüksek basınçta oluşan metalik hidrojen gibi sıvıları kullanarak elektrikli uçan otolar için üstün verimlilikli akaryakıtlar üretebiliriz.

Süperiletkenler cep telefonu boyunda süper bilgisayarlar, oda sıcaklığında çalışan kuantum bilgisayarlar, 1000 gün idare eden piller vb. üretmemizi de sağlayabilir. Özellikle de mucize materyal grafenle birlikte kullanırsak bunları yaparız.

İlgili yazı: Kuantum Deneyi Nesnel Gerçeklik Yok Dedi

 

Süper sıvılar ve karanlık madde

Son olarak evrenini oluşturan uzay-zaman dokusu da süper sıvı gibi davranıyorsa mesafeleri sonsuza dek bölebildiğimiz klasik fiziğe tabi olan ve yerçekimini tanımlayan görelilik teorisi ile kuantum fiziğini birleştiren bir kuantum kütleçekim kuramı geliştirebiliriz.

Sonuçta sıvılar sonsuza dek bölünebilen enerji alanları gibidir ve modern kuantum fiziği de kuantum alanlarından oluşur; ama bu alanlar parçacıklarla tanımlanır. Süper sıvılarda ise bütün parçacıklar tek parçacık gibi davranır ve bu da yerçekimi alanıyla kuantum alanlarını birleştirmemizi sağlayabilir.

Belki de bu sorunun cevabını bulmamızı karanlık madde sağlar. Karanlık maddenin ne olduğunu bilmiyoruz; ama teorik fizikçiler arasında karanlık maddenin de süper sıvılar arasında yer aldığını düşünenler var.

Peki bütün evreni tek denklemle açıklayacak olan her şeyin teorisini geliştirmek için karanlık maddeyi nasıl kullanabiliriz? Onu da Karanlık Madde Süper Sıvı mı? yazısında görebilirsiniz. Keyifli okumalar.

Süper soğuk süper sıvılar

¹Evidence for a New Phase of Solid HE^3
2Superfluidity
³Introduction to superfluidity (pdf)