Temel Fizik – Feynman

[Richard Phillips Feynman, The Feynman Lectures on Physics, Volume 1, Chapter 2: Basic Physics]

Giriş

Bu bölümde, fiziğin sahip olduğumuz en temel ilkelerini, nesnelerin doğasını şu anda nasıl gördüğümüzü inceleyeceğiz. Bütün bu fikirlerin doğrulanmalarının tarihine girmeyeceğiz, bunu zaman geçtikçe öğreneceksiniz.

Bilimsel olarak ulaştığımız şeyler sayısız şekilde ve nitelikte karşımıza çıkarlar. Örneğin, kıyıda durup denize baktığımızda suyu, dalgaları, köpükleri, çalkantıları, suyun sesini, havayı, rüzgârı ve bulutları, güneşi ve mavi gökyüzünü ve ışığı görürüz. Çeşitli renk, görünüm, sertlik ve dayanıklılıkta kum ve taşlar vardır. Belki mutluluk ve düşünme bile vardır. Doğadaki herhangi bir diğer görünüş de benzer çeşitlilikte nesneler ve etkiler barındırır. Nerede bulunursa bulunsun her zaman bunun kadar karmaşıktır. Merak, soru sormamızı sağlar; böylece öğrendiklerimizi bir araya getirir ve çeşitli yönlerden kazanılmış bilgiyi anlayamaya çalışırız. Nispeten az sayıda doğal nesnelerden ve etkiyen kuvvetlerden sonsuz türde birleşimler oluşabilmesi sonucuna vardığımız gibi.

Örnek olarak: Kum, kayadan farklı bir madde midir? Belki de kum, çok büyük miktarda minik kayadan başka bir şey değildir! Ay büyük bir kaya parçası mıdır? Kayaları anlarsak kumu ve ayı da anlamış olur muyuz? Rüzgâr, denizdeki suyun çalkantısı gibi havada oluşan bir çalkantı mıdır? Farklı hareketlerin ortak özellikleri nelerdir? Değişik türlerdeki seslerde ortak olan nedir? Kaç farklı renk vardır? Ve sorular böyle devam eder. Bu yolla her şeyi basamak basamak çözümleriz, başta farklı görünenleri toplar, farklı olanların sayısını indirmeyi umar ve sonuçta onları anlamaya çalışırız.

Birkaç yüzyıl önce bu tür sorulara kısmen cevap verebilmek için bir yöntem geliştirildi. Gözlem, çıkarım ve deney bizim bilimsel yöntem dediğimiz şeyi oluştururlar. Bu bilimsel yöntemin uygulanmasıyla elde edilen temel fikirler veta temel fizik dediğimiz yalın tanımlarla kendimizi sınırlayacağız.

Bir şeyi “anlamak”la neyi kastediyoruz? “Dünya”yı oluşturan bu karmaşık, hareketli nesneler dizisini tanrılar tarafından oynanan ve bizim de seyircileri olduğumuz büyük bir satranç oyununa benzetebiliriz. Oyunun kurallarının ne olduğunu bilmiyoruz; yapmaya izinli olduğumuz tek eylem onu seyretmek. Eğer yeterince uzun zaman seyredersek kurallardan birkaçını şüphesiz yakalayabiliriz. Oyunun kuralları bizim temel fizikle kastettiğimiz şeydir. Kuralların hepsini bilsek bile yapılan her hareketi anlamamıza imkân yoktur çünkü çok karmaşıktır ve beyinlerimizin kapasitesi sınırlıdır. Satranç oynuyorsanız kuralları öğrenmenin ne kadar basit olduğunu, buna karşılık doğru hareketi seçmenin ve bir oyuncunun niye o hareketi yaptığını anlamanın ne kadar zor olduğunu biliyorsunuzdur. Aynısı doğa için de geçerli, sadece biraz daha fazlası. Fakat en azından bütün kuralları bilebilmemiz mümkün. Aslına bakılırsa bütün kuralları şu an için de biliyoruz. (Arada sırada rok gibi hâlâ anlayamadığımız hareketler yapılıyor.) Bütün kuralların bilinmemesi bir yana, bu kurallarla açıklayabildiğimiz hareketler oldukça sınırlı çünkü neredeyse her durum fazlasıyla karışık. O kadar ki oyundaki hareketleri kuralları kullanarak izleyemiyoruz, gelecekte ne olacağını aşağı yukarı tahmin ediyoruz. Bu yüzden yapmamız gereken, daha basit olan oyunun kuralları sorusuyla kendimizi sınırlamak. Kuralları bilirsek kendimizi dünyayı “anladık” sayabiliriz.

Oyunu iyice çözümleyemiyorsak “tahmin ettiğimiz” kuralların gerçekten doğru olup olmadığını nasıl anlayacağız? Bunun kabaca üç yolu var. Birincisi, doğanın kendisinin oluşturduğu veya veya bizim doğada oluşturduğumuz, davranışını kesin olarak önceden bilebileceğimiz durumlar olabilir. Böylece kurallarımızın nasıl çalıştığını deneyebiliriz. (Satranç tahrasının bir köşesinde sadece birkaç taş olabilir ve biz de onları kesin olarak inceleyebiliriz.)

Kuralları sınamanın ikinci yolu iyi bir yolu da onlardan türetilen daha az özel kuralları kullanmaktır. Örneğin, satrançtaki filin kuralı sadece çapraz hareket etmesidir. İzleyici, yapılan hamle sayısından bağımsız olarak aklında tuttuğu filin her zaman beyaz bir karede olacağını bilebilir. Böylece bütün detayları incelemeden filin hareketiyle ilgili olan düşüncemizi beyaz karede olup olmamadığına bakarak her zaman sınayabiliriz. Uzun süre bulunmasını beklediğimiz yerde bulunacaktır, ta ki onu bir anda siyah bir karede bulana kadar. (Geçen zamanda bu fil alınmış ve bir piyon tahtanın diğer tarafına geçerek siyah bir karede bir file dönüşmüştür.) Fizikteki durum budur. Uzun bir süre için detaylarla ilgilenemediğimiz zaman bile mükemmel çalışan bir kuralımız vardır fakat bir gün yeni bir kural keşfederiz. Temel fizik açısından en ilginç yerler kuralların işlediği değil, işlemediği yeni yerlerdir. Bu, yeni kuralları bulma yöntemimizdir.

Kuralları sınadığımız üçüncü yol baştan savma gelebilir ama hepsinden daha güçlüdür. Bu, kabaca yaklaştırmadır. Alekhine’in niye şu taşı oynadığını bilemeyiz ama belki onun şahını korumak için etrafını sardığını kabaca tahmin edebiliriz çünkü o durumda yapılabilecek en mantıklı hareket budur. Aynı yolla, çoğunlukla her küçük parçanın davranışını hesaba katamayan doğayı da aşağı yukarı anlarız.

Başlangıçta doğa olayları sınıflara ayrılmıştı: ısı, elektrik, mekanik, manyetizma, maddenin özellikleri, kimyasal olaylar, ışık (veya optik), X ışınları, çekirdek fiziği, kütleçekim, mezon olayları vb. Fakat asıl amaç bütün doğayı bir tek olay sınıfıyla görebilmektir. Temel teorik fiziğin bugünkü problemi budur. Deneyin arkasındaki yasayı bulmak ve bunları birleştirmek. Tarihsel olarak, bunları her zaman birleştirebildik ama gün geçtikçe yeni buluşlar yapıldı. Tam birleştirme yapıyorduk ki X ışınları bulundu. Sonra biraz daha birleştirdik ve mezonlar bulundu. Oyunun her safhasında işler karmaşıklaştı. Büyük bir miktar birleştirildi fakat her yöne sarkan teller ve ipler her zaman için var. Anlamaya çalıştığımız bugünkü durum bu.

Birleştirmenin tarihteki örnekleri şunlardır: Öncelikle ısı ve mekaniği ele alın. Atomlar hareketliyken, hareket ne kadar fazlaysa sistemdeki ısı o kadar fazladır. Böylece ısı ve bütün sıcaklık etkileri mekanik yasalarıyla betimlenebilir. Diğer büyük birleştirme elektrik, manyetizma ve ışığın aralarındaki ilişkinin keşfiyle oldu. Bunlar aynı şeye değişik yönlerden yapılan bakışlardı ve şimdi biz buna elektromanyetik alan diyoruz. Bir diğer birleştirme de kimyasal olayların, değişik türlerde maddelerin değişik özelliklerinin ve atomik parçacıkların davranışlarının birleştirilmesi ve kimyanın quantum mekaniğinin oluşturumasıdır.

Soru şudur: Her şeyin birleştirilmesi ve bu dünyanın bir tek şeyin değişik görünüşleriyle betimlenebilmesi mümkün olacak mıdır? Kimse bilemez. Bütün bildiğimiz, ilerledikçe parçaları birleştirebileceğimiz fakat bazı parçaların yine oturmadığını bulduğumuz ve yapbozu yapabilmek için çalışmaya devam ettiğimizdir. Sonlu sayıda parçanın olduğunu veya bulmacanın sınırlı olup olmadığını da bilmiyoruz. Bütün resmi tamamlayıncaya kadar da bilemeyeceğiz, tabii başarabilirsek. Burada yapmak istediğimiz, birleştirmenin ne kadar yapıldığını ve temel olayları en az sayıda ilkeyi kullanarak anlamak uğruna yapılan çalışmanın bugünkü durumunu görebilmek. Bunu daha basit yolla anlatmak için, maddeler neler içerir ve ne kadar az sayıda öğe vardır?

1920 Öncesi Fizik

Şimdiki görüşten başlamak biraz zor. Bu yüzden, 1920 civarındaki görüşlerle başlayıp bu resimden bir şeyler çıkaracağız. 1920’den önce dünya görüşümüz şuna benziyordu. Evrenin bulunduğu “sahne”, Öklit tarafından tanımlanmış olan üç boyutlu geometrik uzaydır ve olaylar zaman denilen bir ortamda değişirler. Sahnedeki öğeler parçacıklardır, mesela bazı özellikleri olan atomlar. İlk olarak, eylemsizlik özelliği: Bir parçacık hareketliyse üzerine kuvvetler etkimediği sürece aynı yönde yoluna devam eder. Öyleyse ikinci öğe iki çeşidi olan kuvvetlerdir: Birincisi çok karmaşık ve detaylı bir etkileşme kuvveti türüdür ve değişik atomları değişik dizilişlerde tutar, tuzun sıcaklık arttıkça daha çok mu yoksa daha mı çözüneceğini belirler. Bilinen diğer kuvvet uzun erimli bir etkileşme, düz ve sessiz bir çekimdi. Uzaklığın karesinin tersiyle değişiyordu ve adı kütleçekimdi. Bu yasa biliniyordu ve çok basitti. Nesnelerin hareketliyken hareketli kalmalarının sebebi veya niçin bir kütleçekim olduğu tabii ki bilinmiyor.

Burada uğraştığımız doğanın bir tanımıdır. Bu bakışla, bir gaz veya aslında bütün maddeler hareketli parçacık yığınlarıdır. Böylece deniz kıyısındayken gördüğümüz birçok şey bir anda birbirine bağlanıverir. Önce basınç: atomların duvarlara veya ne varsa onunla çarpışmasından gelir; atomların sürüklenmesi, eğer hepsi aynı yöndeyse buna rüzgâr denir; rastlantısal iç hareketler ısıyı oluşturur. Çok büyük youpunlukta, birçok parçacığın içinde toplandığı dalgalar vardır ve bunlar ilerledikçe birçok parçacığı iter. Bu çok yoğun dalga sestir. Bu kadarını anlamak bile çok büyük bir başarı.

Ne tür parçacıklar vardır? O zamanlarda 92 tane oldukları söyleniyordu. 92 değişik tür atom keşfedilmişti. Kimyasal özellikleriyle ilgili değişik isimleri vardı.

Sorunun diğer bölümü kısa erişimli kuvvetlerin neler olduğu oluşturuyordu. Niye karbon bir veya iki oksijeni çeker de üç oksijeni çekmez? Atomlar arasındaki etkileşimin mekanizması nedir? Kütleçekim midir? Cevap hayır. Kütleçekim çok zayıf. Kütleçekimine paralel, uzaklığın karesinin tersiyle orantılı fakat çok daha etkili bir kuvvet düşünün. Fakat bir tek farkı var: Kütleçekimde her şey her şeyi çeker ama burada iki cins şey olduğunu düşünün ve bu yeni kuvvette (tahmin ettiğiniz gibi elektriksel kuvvet) aynı olanlar birbirini itsin, farklı olanlar çeksin. Bu güçlü etkileşmeyi içeren “şey” yüktür.

Şimdi elimizde ne var? Birbirini çeken iki farklı yük olsun, bir artı ve bir eksi. Birbirlerine iyice yapışırlar. Biraz uzakta başka bir yük daha olsun. Çekim hisseder mi? Pratikte hiç etkimez çünkü ilk ikisi boyutça birbirlerine eşitse birinin çekimi diğerinin itimini dengeler. Böylece kayda değer her uzaklıkta çok küçük bir kuvvet hissedilir. Diğer taraftan, eğer sonradan eklediğimiz yükü diğerlerine çok yaklaştırırsak çekim artar çünkü aynı olanların itimi ve farklı olanların çekimi farkları yaklaştırmaya, aynıları uzaklaştırmaya çalışır. Artı ve eksi elektrik yüklerinden oluşan atomların birbirlerinden uzaklaştırıldıklarında çok az kuvvet hissetmelerinin (kütleçekiminden ayrı olarak) sebebi budur. Yaklaştıklarında birbirlerinin “içini görebilirler” ve yüklerini tekrar düzenlerler. Bunun sonucunda da çok kuvvetli bir etkileşmede bulunurlar. Atomlar arasındaki en önemli etkileşme elektrikseldir. Bu kuvvet devasa olduğundan bütün artılar ve bütün eksiler gelebildikleri kadar birbirlerinin yakınına geleceklerdir. Her şey, biz bile etkileyici bir düzende çok küçük artı ve eksi birimlerden oluşuyoruz. Arada bir, kazayla birkaç artı veya eksi yük kaybederiz (eksileri kaybetmek genelde daha kolaydır) ve elektriksel kuvvet dengesizleşir. Sonuçta bu elektriksel çekimin etkilerini hissederiz.

Elektriğin kütleçekimden ne kadar daha kuvvetli olduğu hakkında bir fikir edinmek için birer milimetre çapında iki kum tanesi düşünün. Aralarında otuz metre uzaklık olsun. Aralarındaki kuvvet dengelenmemişse, aynı yüklerin birbirini itmesi yerine herşey birbirini çekseydi ve hiç dengelenme olmasaydı ne kadar kuvvet etkili olurdu? İki kum tanesi arasındaki kuvvet üç milyon tonluk bir kuvvet olurdu! Gördüğünüz gibi, kayda değer elektriksel etkiler yapabilmek için artı ve eksi yüklerden çok az miktarda ölçüsüzlük olması yeterli. Elektrik yükü olan ve yüklü olmayan iki nesne arasındaki farkı görememe nedenimiz bu. Çok az parçacık işin içinde ve bu da nesnenin ağırlığında veya kütlesinde bir değişme oluşturmuyor.

Bu görüşle atomların anlaşılması daha kolaydı. Merkezde pozitif elektrik yüklü ve çok ağır bir “çekirdek” olduğu düşünüldü. Çkirdek çok hafif ve negatif yüklü belli miktarda “elektron” tarafından kuşatılmıştır. Şimdi hikâyede biraz daha ileri gidelim ve çekirdeğin de iki tür parçacıktan oluştuğuna dikkat çekelim: neredeyse aynı büyüklük ve ağırlıkta protonlar ve nötronlar. Protonlar elektrik yüklü, nötronlar ise yüksüzdür. Çekirdeğinde altı proton olan bir atomumuz varsa altı elektronla çevrelenmiştir (olağan maddesel dünyada bütün eksi yüklü parçacıklar elektronlardır ve bunlar çekirdeği oluşturan proton ve nötronlara kıyasla çok hafiftirler) ve kimyasal tabloda atom numarası altıdır, adı karbondur. Atom numarası sekiz olanın adı oksijendir, vb. Bunun sebebi kimyasal özelliklerin dıştaki elektronlara, daha doğrusu sadece ne kadar elektron olduğuna bağlı olmasıdır. (Kimyacıların elementlerinin hepsi 1, 2, 3, 4, 5, gibi de adlandırılabilirdi. “Karbon” demek yerine “altı elementi” diyebilirdik fakat elementler ilk keşfedildiğinde bu tür bir numaralandırma yapılabileceği bilinmiyordu. Ayrıca bu şekilde işler daha da karışabilirdi. Her şeyi sayılarla anmaktansa bunları isim ve semboller bulmak daha iyi oldu.)

Elektriksel kuvvet hakkında daha çok şey keşfedildi: Elektriksel etkileşimin doğal yorumu iki nesnenin basitçe birbirini çekmesidir: eksiye karşı artı. Fakat bunun tasvir için yeterli olmadığı anlaşıldı. Durumun daha uygun bir betimlemesi, artı yükün varlığının “bir şekilde” uzayı değiştirerek bir düzen meydana getirdiği ve eksi yükü buraya koyduğumuzda bir kuvvet hissetmesidir. Bu kuvvet oluşturrma potansiyeline elektrik alan denir. Bir elektronu elektrik alana koyduğumuzda “çekildi” deriz. Şimdi iki kuralımız oldu: (a) yükler bir alan oluştururlar ve (b) alanların içindeki yüklere kuvvetler etki eder ve hareket kazandırlar. Bunun sebebi sonraki şu olayı tartışırken daha iyi anlaşılacak: Bir cismi elektriksel olarak yüklersek, (mesela bir tarağı) sonra biraz uzağa yüklü bir kâğıt parçası koyar ve tarağı ileri geri hareket ettirirsek kâğıt her zaman tarağı gösterecek şekilde hareket eder. Tarağı daha hızlı sallarsak kağıdın geride kaldığı görülür: Harekette bir gecikme vardır. (İlk durumda tarak daha yavaş hareket ettirilirken adı manyetizma olan yeni bir soruyla karşılaşırız. Manyetik etkiler göreli hareket eden yüklerle ilgilidirler. Bu yüzden, manyetik kuvvetler ve elektriksel kuvvetler tek alana bağlanabilirler. Aynı şeyin değişik cepheleri gibi. Değişen bir elektrik alan manyetizmasız olmaz.) Yüklü kâğıdı daha geriye alırsak gecikme artar. Sonra ilginç bir şey gözlenir. Yüklü iki cisim arasındaki kuvvetler aradaki uzaklığın karesinin tersi gibi gitmeliyse de yüklerden birini salladığımızda etkinin ilk bakışta tahmin ettiğimizden çok daha fazla olduğunu görürüz. Etki ters kareden daha yavaş düşer.

Şöyle bir benzetme yapabiliriz: Bir su havuzundayız ve çok yakınımızda yüzen bir tıpa var. Suyu başka bir tıpayla iterek onu “doğrudan” hareket ettirebiliriz. Sadece iki tıpayla bakarsanız gördüğünüz, birinin hareketine karşılık ötekinin hemen hareket etmesidir. Aralarında bir “etkileşme” vardır. Şüphesiz, tek yaptığınız suyu hareket ettirmektir, diğer tıpayı da su harekete geçirir. Şöyle bir “yasa” ortaya koyabiliriz: Suyu biraz iterseniz suyun içinde yakındaki bir cisim hareket eder. Daha uzakta olsaydı suyu yerel olarak hareketlendirdiğimiz için ikinci tıpa çok az hareket edecekti. Diğer taraftan, tıpayı sallarsak işin içine yeni bir olay girer. Burada suyu hareketlendiren yine suyun hareketidir ve dalgalar iletilir. Sallamayla doğrudan etkileşimle anlaşılamayan daha büyük, salınımlı bir etki oluşturur. Bu sebepten dolayı, doğrudan etkileşme fikri suyun varlığıyla veya elektriksel durumda veya elektriksel durumda elektromanyetik alan dediğimiz fikirle değiştirilmelidir.

Elektromanyetik alan dalga taşıyabilir; bu dalgaların bazıları ışıktır, diğerleri de radyo yayınlarının iletiminde kullanılır; fakat genel isimleri elektromanyetik dalgalardır. Bu salınımlı dalgalar çeşitli frekanslara sahip olabilirler. Bir dalganın diğerinden gerçekten farklı olan tek yanı salınım frekansıdır. Bir yükü zamanla hızlanarak ileri geri sallar ve etkilerine bakarsak, tek bir sayıyla, saniyedeki salınım sayısıyla belirlenen değişik türlerde etkiyle karşılaşırız. Bir binanın duvarları içindeki devrelerdeki elektrik akımlarının frekansı saniyede yaklaşık yüz devirdir.

Frekansı saniyede 500 veya 1000 kilodevire çıkardığımızda (1 kilodevir = 1000 devir) artık “yayındayız” çünkü bu frekans aralığı radyo yayınları için kullanılır. Frekansı artırmaya devam edersek FM ve TV için kullanılan aralığa geliriz. Daha ileri gidersek kısa dalgalar kullanırız mesela radar. Daha da yüksekte elde ettiğimizi görmek için araca ihtiyacımız yoktur, insan gözüyle görebiliriz. Saniyede 5*10^14’ten 5*10^15 devire kadar olan frekans aralığında gözümüz, yüklü tarağı salınımını, o kadar hızlı sallayabilirsek, frekansa bağlı olarak kırmızı, mavi veya mor ışık olarak görebilir. Bu aralağın altında kalan frekanslara kızılötesi, üstündekilere de morötesi denir. Elektromanyetik spektrumun bir kısmının bizce görülebilmesi bir fizikçi açısından onu diğerlerinden daha etkileyici kılmaz fakat normal bir insan için doğal olarak daha ilginçtir. Çok daha yükseğe çıkarsak X ışınlarıyla karşılaşırız. X ışınları çok yüksek frekanstaki ışıktan başa bir şey değildir. Daha da yukarıda gama ışınlarına ulaşırız. Bu iki terim, X ışınları ve gama ışınları genellikle eşanlamlı olarak kullanılırlar. Atomun çekirdeğinden gelen elektromanyetik ışınlar genelde gama olarak adlandırılırken atomlardan gelen yüksek enerjiye sahip olanlar X ışınları olarak isimlendirilirler. Fakat aynı frekansta kaynakları ne olursa olsun fiziksel olarak ayrılamazlar. Daha da yüksek frekanslara gidersek, mesela saniyede 10^24 devire, buradaki dalgaları yapay olarak elde edebileceğimizi anlarız. Burada, Caltech’deki sinkrotronda yaptığımız gibi. Çok daha büyük frekanslata sahip hatta bin kat daha hızlı salınan elektromanyetik dalgalar da bulabiliriz. Bu dalgalar kozmik ışınlarda bulunur. Bu dalgaları biz kontrol edemeyiz.

Kuantum Fiziği

Elektromanyetik alan fikrini tanıttık ve artık bu alanın dalga taşıyabildiğini biliyoruz. Birazdan bu dalgaların aslında hiç de dalga geğilmiş gibi tuhaf bir davranış sergilediklerini göreceğiz. Yüksek frekanslarda daha çok parçacık gibi davranırlar! Bu tuhaf davranışı açıklayan, 1920’den hemen sonra bulunmuş kuantum mekaniğidir. 1920’den önceki yıllarda uzayın üç boyutlu resmi ve zamanın bunlardan ayrı olduğu fikri Einstein tarafından değiştirildi. Önce uzay-zaman dediğimiz birleştirme, sonra daha ileri giderek kütleçekimini açıklayabilmek için eğri uzay-zaman fikirleri ileri sürüldü. Böylece “sahne”, uzay-zaman; kütleçekim de uzay-zamandaki bir değişim anlamına çevrildi. Bundan sonra parçacıkların hareketlerini açıklayan kuralların yanlış olduğu bulundu. “Eylemsizlik” ve “kuvvetler” kuralları yanlıştı. Newton kuralları -atomlar dünyasında- yanlıştı. Bunun yerine, küçük ölçekteki nesnelerin, büyük ölçektekinden çok farklı davrandığı bulundu. Fiziği zor -ve ilginç- kılan budur. Zordur çünkü küçük ölçekteki nesnelerin davranışları oldukça “doğaldışıdır”; onlarla doğrudan etkileşemeyiz. Buradaki nesneler bildiğimiz hiçbir şey gibi davranmaz. Bu yüzden davranış analitik yollar haricinde açıklanamaz. Bu iş zordur ve oldukça fazla hayal gücü gerektirir.

Kuantum mekaniğinin birçok yönü vardır. İlk adımda, bir parçacığın belirli bir konumu ve hızı olması fikri geçerli değildir, yanlıştır. Klasik fiziğin ne kadar yanlış olduğuna örnek vermek gerekirse, kuantum mekaniğinde bir şeyin nerede olduğunun ve hangi hızda hareket ettiğinin aynı anda bilinemeyeceğini söyleyen bir kural vardır. Momentumun belirsizliğiyle konumun belirsizliği birbirini tamamlar ve bu ikisinin çarpımı sabittir. Yasayı şu şekilde yazabiliriz: “Delta x çarpı Delta p büyük eşittir Plank Sabiti bölü 2 pi” Bu kural çok gizemli bir paradoksun açıklamasıdır: Atomlar artı ve eksi yüklerden oluşmuşlarsa eksi yükler niçin artı yüklerin üstüne oturmazlar (birbirlerini çekerler) ve niye çok yakına gelerek onları nötrlemezler? Atomlar niçin bu kadar büyük? Niçin çekirdek merkezde ve elektronlar etrafında bulunur? Önceleri çekirdek çok büyük olduğu için böyle olduğu sanıldı ama hayır, çekirdek çok küçüktür. Bir atomun çapı yaklaşık 10^-8 cm’dir. Çekirdeğin çapı ise yaklaşık 10^-13 cm’dir. Elimizde bir atom olsaydı ve çekirdeğini görmek isteseydik bütün atom geniş bir oda boyutuna gelinceye kadar büyütmemiz gerekirdi. Böylece çekirdek gözle ancak görebileceğimiz bir nokta haline gelirdi fakat atomun neredeyse tüm ağırlığı bu son derece küçük çekirdeğin içindedir. Elektronları çekirdeğin içine düşmekten ne alıkoyar? Şu ilke: Eğer çekirdeğin içinde olsalardı konumlarını kesin olarak bilebilecektik ve buna karşılık belirsizlik ilkesine göre çok büyük (fakat belirsiz) momentumları olması gerekecekti. Bunun anlamı çok büyük kinetik enerjidir ve bu enerjiyle çekirdekten kopup gidebilirlerdi. Bu uzlaşma sağlar: Kendilerine belirsizlik için biraz yer bırakıp bu kurala uygun olarak en az hareketle salınım yaparlar. (Bir kristalin mutlak sıfıra kadar soğutulduğunda atomların hareketine son vermediklezler. Niçin? Eğer hareketsizleşselerdi nerede olduklarını ve sıfır hareketleri olduğunu bilirdik ve bu da belirsizlik ilkesine aykırıdır. Nerede olduklarını ve hangi hızla hareket ettiklerini bilemeyiz; bu sebepten dolayı orada hiç durmadan kıpırdamaları gerekmektedir!)

Kuantum mekaniğiyle bilim felsefesine ve fikirlerine getirilen diğer bir ilginç fark da şudur: Hiçbir durumda ne olacağını kesin olarak öngörmek olası değildir. Örneğin, ışık yaymaya hazır bir atom düzeni bulmak mümkündür ve bir foton parçacığını yakalayarak kısaca açıklayacağımız gibi ışık yaydığı zamanı bulabiliriz. Buna rağmen, ne zaman ışık yayacağını veya birçok atom varsa hangisinin ışık yayacağını önceden bilemeyiz. Bunun, bizim yeterince yakından bakamadığımız bazı iç “çarklardan” kaynaklandığını söyleyebiliriz. Hayır, iç “çark” yoktur. Bugünkü anlayışımıza göre doğa, verilen bir deneyde sonradan kesin olarak veren, tam doğru bir öngörü yapmamızın olanaksız olması temeline sahiptir. Bu korkunç bir şey: Aslında, filozoflar önceleri aynı şartları oluşturduğumuzda aynı şeyin olması bilimin bir şartıdır demişlerdi. Bu doğru değildir; bu, bilimin temel şartlarından biri değildir. Doğru olan, aynı olayın gerçekleşmediği, gerçekleşecek olana istatistiksel ve ortalama bir yaklaşımımızın olmasıdır. Buna rağmen bilim tamamen yıkılmaz. Filozoflar bu arada, bilim için neyin mutlaka gerekli olduğu hakkında da birçok söz söylemişler ve herkesin görebileceği gibi onu oldukça cahilce, hatta yanlış bulmuşlardır. Örneğin, bir filozofa göre bilimsel çabanın temeli şudur: Eğer bir deney mesela Stockholm’de yapılmışsa ve sonra Kyoto’da tekrarlanmışsa aynı sonuçlar bulunmalıdır. Bu oldukça yanlıştır. Bilimin bunu sağlaması gerekmiyor; deneyin bir ilkesi olabilir ama gerekli değildir. Örneğin, Stockholm’deki deneyin konusu gökyüzünü inceleyip aurora borealis’i görmekse, aynı şeyi Kyoto’da göremezsiniz; bu başka bir olgu. Fakat “bu dış ortamla ilgili bir şey, kendinizi Stockholm’de bir kutuya kapatıp perdeyi de çekseniz bir fark görür müsünüz?” diyebilirsiniz. Bağlantı yeri sabit bir sarkaç alır, çekip bırakırsak sarkaç tam olmasa da neredeyse bir düzlemde salınır. Stockholm’de yüzey değişmeyi sürdürür fakat Kyoto’da durum öyle değildir. Perdeler de kapalıdır. Bunun sonucu olarak bilim yıkılmaz. Bilimin temel varsayımı, temel felsefesi nedir? Herhangi bir fikrin tek doğrulanma yolu deneydir. Eğer Stockholm’de yapılan deneylerin birçoğu Kyoto’da da aynı sonucu verirlerse, bu “birçok deney” genel bir yasayı formülleştirmekte kullanılır. Aynı sonucu vermeyen deneylerin ise Stockholm’deki doğadan kaynaklandığı söylenir. Deneyin sonuçlarını özetleyen bir yol geliştiririz ve bu yolun neye benzeyeceğinin önceden bize söylenmesi zorunluluğu yoktur. Aynı deneyin her zaman aynı sonucu verdiği söylenirse her şey çok güzeldir fakat biz aynı deneyi yaptığımızda aynı sonucu vermezse, her zaman aynı sonucu vermiyor olur. Sadece ne gördüğümüzü dikkate almalı ve fikrimizin geri kalanını deneyimlerimizle formüle etmeliyiz.

Kuantum mekaniğine ve temel fizğe geri dönelim. Burada kuantum mekaniğinin ilkelerinin ayrıntılarına girmeyeceğiz çünkü anlaşılmaları oldukça zordur. Orada olduklarını varsayıp, bazı sonuçları üzerinde duracağız. Dalga özelliği taşıyan nesnelerin parçacık, parçacık özelliği taşıyanlarınsa dalga özelliğinin de bulunması bu sonuçlardan birisi. Aslında her şey bu şekilde davranır. Dalga ve parçacık arasında bir ayrım yoktur. Böylece kuantum mekaniği alan ve dalgaları fikriyle parçacıkları bir araya toplar. Frekans düşük olduğunda olayın alan yönü daha baskındır ve veya günlük yaşam için daha iyi yaklaştırma verir. Fakat frekans arttığında ölçüm yaptığımız aletlerde olayın parçacık yönü daha çok ortaya çıkmaya başlar. Aslında her ne kadar değişik frekanslardan bahsetmişsek de frekansı doğrudan içeren hiçbir olay saniyede 10^12 devirden daha yüksekte gözlenmemiştir. Yüksek frekansları, parçacıkların enerjilerinden kuantum mekaniğinin parçacık-dalga fikrinin doğru olduğunu varsayan ilke yoluyla ortaya çıkarırız.

Böylece elektromanyetik etkileşme için yeni bir görüş elde ederiz. Elektrona, protona ve nötrona ekleyeceğimiz yeni bir tür parçacığımız daha olur. Bu yeni parçacık fotondur. Elektronlar ve protonlar arasındaki etkileşmeyi açıklayan elektromanyetik teorinin herşeyin kuantum mekaniğine uygun olduğu bu yeni yaklaşımına kuantum elektrodinamiği denir. Madde ile ışığın ya da elektrik alanla yüklerin bu temel kuramı fizikte şimdiye kadarki en büyük başarılarımızdan biridir. Bu kuramda kütleçekim ve nükleer süreçler için olanlar dışında olağan bütün olgular için temel kurallara sahibiz. Örneğin, elektriksel, mekanik ve kimyasal bilinen bütün yasalar kuantum elektrodinamiğinden gelir: Bilardo toplarının çarpışması, tellerin manyetik alanlarda hareketi, karbon monoksidin özgül ısısı, neon levhaların rengi, tuzun yoğunluğu ve hidrojenle oksijenden su yapan tepkimelerin yasaları hep bu tek yasanın sonuçlarıdır. Bütün bu ayrıntılar, eğer durum bir tahmin yapmamız için yeterince basitse, ki hiçbir zaman değildir, hesaplanıp çıkartılabilir, ama çoğu zaman ne olduğunu az çok anlayabiliriz. Şimdiki durumda, çekirdekler dışında, kurantum elektrodinamik yasalarına istisna bulunmadı, orada bir istisna olup olmadığını da bilmiyoruz çünkü basitçe çekirdeklerde olup biteni bilmiyoruz.

Genelde, demek ki, kuantum elektrodinamiği bütün kimyanın ve eğer yaşam sonuçta kimyaya ve kimya zaten fiziğe indirgenmiş (fiziğin kimyada işe karışan bölümü zaten biliniyor) olduğu için, fiziğe indirgenirse, yaşamın kuramıdır. Dahası, aynı kuantum elektrodinamiği, bu büyük şey, daha bir yığın şeyi önceden haber veriyor. Öncelikle, çok yüksek enerjili fotonlar, gama ışınları, ve benzerinin özelliklerini anlatıyor. Çok dikkate değer başka bir şeyi de müjdeliyor: Elektronun yanı sıra aynı kütleye ama karşıt yüke sahip, pozitron denen başka bir parçacık olabilir ve birlikte gelen bu ikisi ışığın ya da gama ışınlarının yayılmasıyla birbirini yok edebilirler. (Bu bir yana, ışıkla gama ışınları tamamen aynıdırlar, onları farklandıran noktalar sadece frekans ölçüleridir.) Bunun genelleşmişi, her parçacığın bir karşıt parçacığı vardırı doğruya dönüştürür. Elektronlar durumunda, karşıt parçacık başka bir ad almıştır, ona pozitron denir ama öteki parçacıkların çoğu için bu, karşıt proton, karşıt nötron gibi, karşıt şu, karşıt bu olarak adlandırılmıştır. Kuantum elektrodinamiğinde iki sayı verilmiş ve dünyadaki öteki sayıların içinde oldukları varsayılmıştır. Verilen bu iki sayıya elektronun kütlesi ve elektronun yükü denmiştir. Alsında bu, tam doğru değildir, çünkü kimya için çekirdeklerin ağırlıklarını söyleyen tam bir sayılar dizimiz var. Bir sonraki kısımda bize bu yok gösteriyor.

Çekirdekler ve Parçacıklar

Çekirdekleri oluşturan nedir ve onlar nasıl birlikte dururlar? Çekirdeğin olağanüstü büyük kuvvetlerde bir arada tututldukları bulunmuştur. Bunlar serbest kaldıkları zaman, açığa çıkan enerji, kimyasal enerjiye oranla, atom bombası patlamasına karşı TNT bombası gibi, aynı oranda olağanüstüdür, çünkü TNT patlaması atomların dışındaki elektronların değişmesiyle olurken atom bombası patlaması çekirdeklerin içindeki değişikliklerle olur. Soru, protonları ve nötronları çekirdeklerin içinde bir arada tutan kuvvetin ne olduğudur. Yukawa, protonlarla nötronlar arasındaki kuvvetlerin, tıpkı bir parçacığa, fotona, bağlı elektriksel etkileşim gibi, bir tür alana da sahip olduğunu ve bu alanın salındığı zaman parçacık gibi davrandığını öne sürdü. Bu nedenle, dünyada protonlar ve nötronlar yanında başka bazı parçacıklar olabilirdi ve o, çekirdeklerin zaten bilinen karakteristiklerinden bu parçacıkların özelliklerini çıkarabildi. Örneğin, kütlelerinin bir elektron kütlesinin iki ya da üç yüz katı olması gerektiğini tahmin etti; ve kozmik ışınlarda işte bu kütleye sahip bir parçacık daha keşfedildi! Ama daha sonra bunun yanlış parçacık olduğu ortaya çıktı. Ona m-meson ya da muon adı verildi.

Ama yine de, kısa bir süre sonra 1947 ya da 1948’de Yukawa’nın ölçüsüne uyan başka bir parçacık, p-meson ya da pion, bulundu. O zaman çekirdek kuvvetlerini elde edebilmek için protonlar ve nötronların yanına pionu da eklemeliyiz. Şimdi siz, “Oh ne âlâ, bu kuramla pionları kullanarak kuantum nükleodinamiği kurarız, ve tıpkı Yukawa’nın yapmak istediği gibi eğer işlerse her şey açıklanmış olacaktır,” diyorsunuz. Ama şansınız yok. Bu kuramda işe karışan hesapların kuramın sonuçlarını hiç kimsenin çözemeyeceği ya da deneyle doğrulamayacağı kadar zor olduğu ortaya çıktı ve şimdi hemen hemen yirmi yıldır olan bu!

Böylece bu kuramda takılıp kaldık ve onun doğru mu yoksa yanlış mı olduğunu bilmiyoruz, ama biraz yanlış ya da en azından tamamlanmamış olduğunu biliyoruz. Biz bu kuramın sonuçlarını kuramsal olarak çevrede sallanırken deneyciler bir şeyler keşfediyorlar. Örneğin, bu m-meson ya da muon’u zaten bulmuşlardı ve biz hâlâ nereye uygun olduğunu bilmiyoruz. Ayrıca, kozmik ışınlarda çok sayıda başka “ekstra” parçacıklar bulundu. Bugün otuz kadar parçacığa sahip olduğumuz anlaşıldı, bu parçacıkların hepsinin ilişkilerini ve onlar için hangi niteliğin umulduğunu ya da birbirlerine bağlantılarını anlamak çok zordur. Bugün bu çeşitli parçacıkları aynı şeyin farklı yanları olarak kavramıyoruz ve öylesine çok ilişkisiz parçacığa sahibiz ki bu aslında iyi bir kuram olmaksızın ilişkisiz pek çok bilgiye sahip olduğumuzu gösteriyor. Büyük kuantum elektrodinamiği başarısından sonra, protonlarla nötronlar arasında bir kuvvet tipi kabul edilen ve nasıl oluşacağı gösterilen ama kuvvetin nereden geldiği gerçekten anlaşılamayan, yarı deney yarı kuram kaba bilgi türünde belli bir miktar çekirdek fiziği bilgisi var. Bu bir yana, çok az ilerledik. Çok büyük sayıda kimyasal element biriktirdik. Kimyayla ilgili durumda, bu elementler arasında, beklenmediği halde ansızın ortaya çıkan ve Mendeleyev periyodik tablosunda somutlaşan bir ilişki vardır. Örneğin, sodyumla potasyum hemen hemen aynı kimyasal özelliklere sahiptir ve Mendeleyev tablosunda aynı sütunda bulunurlar. Yeni parçacıklar için de Mendeleyev tipi bir tablo arıyorduk. Birleşik Devletler’de Gell Mann ve Japonya’da Nishijima birbirinden bağımsız olarak böyle bir tablo yaptılar. Onların yaptığı sınıflandırmanın temeli, her bir parçacığı saptayabilen, “tuhaflık” sayısı S denilen, elektrik yükü gibi, yeni bir sayıdır. Bu sayı, çekirdek kuvvetlerinin yer aldığı tepkimelerde, elektrik yükü gibi, korunuyordu.

Nötronlar ve protonlarla birlikte olan bütün parçacıklara baryonlar denir ve şunlardan biri olarak var olurlar: 1154 Mev kütleli bir “lamda” ve kütleleri hemen hemen aynı eksi, yüksüz ve artı sigmalar denilen üç tane daha vardır. Yüzde bir ya da iki farkla hemen hemen aynı kütleye sahip gruplar ya da çoklular vardır. Çoklulardaki her parçacık aynı tuhaflık sayısına sahiptir. İlk çoklu ptoton-nötron ikilisidir ve sonra belki tekli (lamda), ondan sonra sigma üçlüsü, son olarak da ksi ikilisi vardır. Çok yenilerde, 1961’de, birkaç parçacık daha bulundu. O kadar kısa ömürlüydüler ki, biz, yeni parçacıklar mı yoksa parçalanma halindeki lamda ve pi arasında üreyen kesinlikle belli bir enerjinin bir tür “seselim” etkileşimi olarak mı düşüneceğimizi bilemeyeceğimiz kadar hızlı, biçimlenir biçimlenmez, hemen hemen aynı anda, parçalanıyorlardı.

Baryonlara ek olarak çekirdeksel etkileşime karışan öteki parçacıklara mezonlar denmiştir. Önce artı, eksi ve yüksüz, üç türde ortaya çıkan pionlar vardır, olar da başka bir çoklu oluştururlar. K-mezonlar denilen ve K* ve K0 gibi bir ikili oluşturan kimi yeni şeyler de bulduk. Üstelik, kendi kendisinin karşıt parçacığı olmadıkça her parçacığın bir karşıt parçacığı vardır.

Tıpkı, çok iyi olan Mendeleyev tablosuda, aslında bir takım nadir toprak elementlerinin gevşekçe tablonun dışına sarkmasında olduğu gibi, bu tablonun dışına sarkan bir takım şeylerimiz var; çekirdeklerde kuvvetli etkileşim yapmayan ve kuvvetli bir etkileşime sahip olmayan parçacıklar (çekirdeksel enerjinin güçlü etkileşim türü demek istiyorum). Bunlara leptonlar denilmiştir. Bu basamakta çok küçük, sadece 0.510 Mev, kütleye sahip elektron vardır. Sonra bir başkası, mu-meson, muon vardır ki bu elektronunkinden 206 kattan biraz daha büyük bir kütleye sahiptir. Şimdiye kadar yapılan bütün denemelerde elektronlar muon arasında kütleden başka hiçbir fark yoktur. Birinin biraz daha ağır olması dışında herşey muon için de elektron için olduğu gibi işler. Niçin biraz daha ağır bir başkası var; ona ne gerek var? Bilmiyoruz. Ayrıca, yüksüz olan bir lepton var, nötrino deniliyor ve bu parçacık sıfır kütleye sahip. Aslında, şimdi nötrinoların, biri elektronlarla öteki muonlarla ilişkili iki farklı türü olduğu biliniyor.

Son olarak, çekirdeksel olanlarla kuvvetli etkileşim yapmayan iki başka parçacığımız daha var: biri bir fotondur ve belki, eğer kütleçekim alanı da kuantum mekaniksel bir benzeşime sahipse (kütleçekimin kuantum kuramı henüz hazırlanmış değil) o zaman sıfır kütleye sahip bir parçacık, bir graviton olacaktır.

“Sıfır kütle” nedir? Burada verilen kütleler parçacıkların hareketsiz kütleleridir. Aslında bir parçacık sıfır kütleye sahip demek, bir biçimde, o hareketsiz olamaz demek. Bir foton hiçbir zaman hareketsiz değildir. O her zaman saniyede 186.000 mille hareket eder. Zamanı gelip görecelik kuramını kavradığımız zaman kütlenin anlamını daha çok anlayacağız.

Böylece, birlikte maddenin temel bileşenleri olarak görünen çok sayıda parçacıkla karşılaşmış oluyoruz. Neyse ki, bu parçacıklar birbirleriyle etkileşimlerinde tamamıyla farklı değillerdir. Aslında, parçacıklar arasında, azalan kuvvetlilik sırasına göre, çekirdeksel kuvvet, elektriksel etkileşimler, beta bozunması etkileşimi, ve kütleçekim gibi dört tür etkileşim varmış gibi görünüyor. Foton bütün yüklü parçacıklarla bağlanmıştır ve etkileşim kuvveti 1/137 gibi bir sayıyla ölçülmüştür. Bu, bağlanmanın ayrıntılı yasası diye bilinmektedir ve bu kuantum elektrodinamiğidir. Çekim bütün enerjiye bağlanmıştır ama bu bağlanma olağanüstü zayıf, elektriğinkinden çok daha zayıftır. Bu yasa da biliniyor. Sonra zayıf bozunmalar –göreli olarak yavaşça proton, elektron ve nötrinoya parçalanmak üzere nötrona neden olan beta bozunması- diye bilinenler vardır. Bu yasa sadece kısmen biliniyor. Sözde kuvvetli etkileşim, mezon-baryon etkileşimi bu basamakta 1 kuvvetine sahiptir ve her ne kadar, “baryonların numarası herhangi bir tepkimede değişmez” gibi, bilinen bazı kurallar varsa da yasa hiç bilinmiyor.

Öyleyse günümüz fiziğinin korkunç durumu budur. Özetleyerek şunu söyleyebilirim: çekirdeğin dışında, herşeyi biliyor gibi görünüyoruz; içinde kuantum mekaniği geçerlidir –kuantum mekaniği ilkeleri başarısız bulunmamıştır. Bilgimizin tamamını üzerine koyduğumuz sahne, göreli uzay-zamandır diyebilirdik; belki uzay-zamanda kütleçekim de işe karışmıştır. Evren nasıl başladı bilmiyoruz ve hiçbir zaman, uzay ve zamanın fikirlerimizi küçücük bir uzaklığın altında doğru bir biçimde sınayan bir deney yapmadık, o nedenle fikirlerimizin sadece şu uzaklığın üstünde işlediğini biliyoruz. Oyunun kurallarının kuantum mekaniği ilkeleri olduğunu ve bu ilkelere başvurarak, şimdiye kadar olduğu gibi, eskileri olduğu kadar yeni parçacıkları da anlatabileceğimizi eklemeliyiz. Çekirdeklerdeki kuvvetlerin kökeni bizi yeni parçacıklara yöneltiyor, ama ne yazık ki onlar çok fazla miktarda ve her ne kadar aralarında kimi çok şaşırtıcı ilişkiler bulunduğunu zaten biliyorsak da karşılıklı ilişkilerini tam olarak kavramaktan yoksunuz. Atomaltı parçacıklar dünyasının kavranmasına doğru el yordamıyla ilerliyor gibi görünüyoruz, ama bu görevde şimdiye kadar ne kadar ilerlediğimizi gerçekten bilmiyoruz.

Bir Cevap Yazın

E-posta hesabınız yayımlanmayacak. Abonelik için e-posta yazmalısınız. Yorumda html etiketleri kullanabilirsiniz.

Gönderen: sonsuz -->

Kategori: Bilim, Felsefe - Etiketler:, , , , , , , , , , , , , , ,