Kütle enerjiye dönüşür mü?

Yanmakta olan bir parça kömür düşünün. Kömürün dışa vermekte olduğu ısının bir ağırlığı olduğundan, kömür yandıkça kütle kaybeder. Eğer yanma sürecinde oluşan kül ve çıkan gazlar gibi tüm yan ürünlerin ağırlığını ölçebilseydik, kömürün ilk halinden daha düşük bir ağırlığa ulaşırdık.

Kömür yanarken, ısı enerjisine dönüşen kütle enerjisinin miktarı ölçülemeyecek kadar küçüktür. Bununla birlikte doğada, önemli miktarda kütlenin diğer enerji türlerine dönüştüğü bir yer bulunuyor. Bu yeri, 1919 yılında İngiliz fizikçi Francis Astan atomları “tartarken” tespit etti.

Doğada bulunan 92 atomun her birinin, iki ayrı atomaltı parçacıktan -proton ve nötron- meydana gelen bir çekirdek içerdiğini hatırlayın.6 Bu nükleonların kütleleri aşağı yukarı aynı olduğundan, en azından ağırlığı mevzubahis olduğunda, çekirdeğin tek bir yapı taşından oluştuğu düşünülebilir. Bunu bir Lego taşı olarak düşünelim. Bu bağlamda, en hafif çekirdeğe sahip hidrojen tek bir Lego taşından oluşurken, en ağır element uranyum 238 Lego taşından oluşmaktadır.

19. yüzyılın başlarında, belki de evrenin başlangıcında yalnızca tek bir tür atomun (en basit atom olan hidrojenin) var olduğundan şüpheleniliyordu. Bu düşünceye göre, başlangıç anından itibaren diğer tüm atomlar, hidrojen Lego taşlarının birleşmesi yoluyla oluşmuştu. Bu düşüncenin, İngiliz fizikçi William Prout tarafından 1815 yılında öne sürülen kanıtı ise lityum gibi bir atomun hidrojenden tam olarak altı kat, karbon gibi bir atomun ise hidrojenden tam olarak 12 kat (ve diğer atomlar için de bu şekilde devam etmektedir) daha ağır olduğuydu.

Devamını oku “Kütle enerjiye dönüşür mü?”

Bozonlar Neden Bir Arada Olmaktan Hoşlanır

İki bozon parçacığının küçük bir alanda uçtuğunu düşünelim. Biri güzergahı üzerinde bir engelle karşılaşarak, diğeri de bir başka engele çarparak seksinler. Engellerin ne olduğunun bir önemi yok, çekirdek ya da herhangi bir başka şey olabilir. Önemli olan hangi yönde sekecekleridir. Ve bu yön her ikisi için de aynıdır.

Eğer ki iki bozon farklı türden parçacıklarsa, aralarında bir girişim yaşanamaz. Bu nedenle de, dedektörün seken iki parçacık saptaması olasılığı, ilk dalganın yüksekliğinin karesi artı ikinci dalganın yüksekliğinin karesidir. Şimdi, olan şu ki -ve bu noktanın doğruluğuna güvenmek durumundayız- iki olasılığın az çok aynı olduğu ortaya çıkmaktadır. Dolayısıyla genel olasılık da, kendi başlarına gerçekleşen her bir olayın olasılıklarının iki katıdır.

Şimdi, iki bozonun özdeş parçacıklar olduğunu varsayalım. Bu durumda, iki olasılık ayırt edilemez. Ve ayırt edilemez olduklarından ötürü de, bu olasılıklarla bağlantılı dalgalar birbirleriyle girişimde bulunabilir.

Bu sayı, bozonların özdeş olmadığı durumun iki katını vermektedir. Diğer bir deyişle, iki bozon özdeş olduğunda, aynı yönde sekmeye, farklı oldukları duruma nazaran iki kat daha fazla meyilli olmaktadır. Ya da şu şekilde ortaya koyalım: Bir bozonun belli bir yönde sekmesi, bir başka bozon da aynı yönde sekmişse, iki kat daha olasıdır.

Bozonlar arttıkça bu etki çok daha önem kazanır. Ortada n tane bozon varsa, bir tane daha parçacığın aynı yönde sekme olasılığı, başka hiçbir bozon olmadığı durumdan n kat daha büyüktür. Burada sürü psikolojisinden bahsediyoruz! Var olan diğer bozonların bir şey yapıyor olması, bu bozonlara eklenecek bir yenisinin de aynı şeyi yapacak olması olasılığını ciddi ölçüde arttırmaktadır.

Bozonların söz konusu girişkenliğinin, bizim için çok önemli sonuçları olduğu ortaya çıkmıştır: Örneğin ışığın yayılmasının pratik uygulamaları açısından.

Neden Atomların Tümü Aynı Değil?

Bir kilise orgu içinde hapsolmuş ses dalgalarının ancak kısıtlanmış yollardan titreşim sağlayabildiğini hatırlayın. Aynı durum, atomun içine hapsolmuş bir elektronla bağlantılı dalgalar için de geçerlidir. Her bir farklı titreşim, bir elektronun, atomun merkezindeki çekirdeğe göre belirli bir mesafede bulunan olası bir yörüngesine ve belirli bir enerji düzeyine denk gelmektedir (elbette ki, elektron ya da diğer mikroskobik parçacıklar için yüzde 100 kesinlikte bir rota olmadığından, söz konusu yörünge bir elektronu bulmak için en olası yer olarak kabul edilir).

Fizikçiler ve kimyagerler yörüngeleri numaralandırmaktadır. Taban durumu (ground state) olarak da bilinen en içteki yörünge 1, ardı sıra gelen yörüngeler ise içten dışa doğru 2, 3, 4 … şeklinde numaralandırılmıştır. Bu kuantum numaralarının mevcudiyeti, mikroskobik dünyada (söz konusu olan elektron yörüngeleri olduğunda bile) her şeyin nasıl ara değerler olmaksızın, ayrık adımlarla meydana geldiğini ortaya koymaktadır.

Elektron bir yörüngeden, çekirdeğe daha yakın olan bir başka yörüngeye “sıçradığında,” atom enerji kaybeder ve bu enerji dışa bir ışık fotonu olarak yayılır. Bu fotonun enerjisi tam olarak, iki yörünge arasındaki enerji farkına eşittir. Bunun zıt doğrultusunda bir atlamada ise atom, iki yörünge arasındaki enerji farkına eş düzeyde enerji taşıyan bir fotonu soğurur. Bu durumda, elektron bir yörüngeden çekirdeğe daha uzak olan bir başka yörüngeye sıçrar.

Devamını oku “Neden Atomların Tümü Aynı Değil?”

Özdeş Şeylerin Çarpışması

Çarpışan iki atom çekirdeğini ele alalım. Bu türden bir çarpışma, çekirdeklerin zıt yönlerden birbirlerine doğru geldiği, çarpıştığı ve ardından yine zıt yönlerde uzaklaştığı bir bakış açısından değerlendirilebilir (ki bu bakış açısının doğruluğuna güvenmek durumundayız). Genel olarak, içeri ve dışarı doğru olan bu yönler aynı değildir. Bu durumu bir saat üzerinde düşünelim. Eğer ki çekirdekler çarpışma noktasına saat 9:00 ve 3:00 yönlerinden gelecek olursa, çarpışmanın ardından saat 4:00 ve 10:00 yönlerinde uzaklaşabilirler. Ya da 1:00 ve 7:00 yönlerinde. Önemli olan, yönlerin birbirine zıt olmasıdır.

Bir araştırmacı, iki çekirdeğin hangi yönde sektiğini, hayali bir saat kadranı üzerinde zıt yönlere dedektörler yerleştirerek ve saati çevirerek gözlemleyebilir. Dedektörlerin 4:00 ve 10:00 noktalarında olduğunu düşünelim. Bu durumda, çekirdeklerin dedektörler tarafından algılanmasının iki olası yolu vardır. Çekirdekler birbirlerini sıyırarak geçebilir ve 9:00 yönünden gelen çekirdek 4:00’deki dedektöre, 3:00 yönünden gelen çekirdek ise 10:00’daki dedektöre çarpabilir. Ya da kafa kafaya çarpışırlar ve 9:00 yönünden gelen çekirdek neredeyse geldiği yönde geri sekerek 10:00 noktasındaki dedektöre; 3:00 yönünden gelen çekirdek ise aynı şekilde geldiği yöne doğru sekerek 4:00 noktasındaki dedektöre çarpar.

Devamını oku “Özdeş Şeylerin Çarpışması”

Özdeşlik ve Farklılığın Kökleri

Bir sabah uyandığımda, tüm eşyalarım çalınmış ve tıpatıp aynı olan eşleriyle değiştirilmişti.

Steven Wright

Yukarı doğru akan nehri görmek için her yerden geldiler. Nehir balıkçı limanını geçip bitişik nizam evlerin arasından tırmanarak, yamacı yılankavi bir şekilde aşıyor ve kasabaya tepeden bakan sarp zirveye ulaşıyordu. Şaşkın martılar nehre dalıp çıkıyor, heyecanlanan çocuklar yanı başında koşturuyorlardı. Ve nehrin aşağı kesimleri boyunca uzanan meyhanelerin önündeki piknik masalarında, bardaklardan tırmanan biralar kendilerini usulca yere dökerken, günübirlikçiler doğanın bu mucizesi karşısında yerlerine mıhlanıp kalmıştı.

Gerçekten de, yerçekimine bu şekilde meydan okuyarak yukarı doğru akacak bir sıvı türü olabilir mi? Evet, olabilir! Ve bu da, kuantum teorisinin bir başka marifeti.

Atomlar ve türevleri imkansız birçok şey yapabilir. Örneğin aynı anda iki yerde birden bulunabilir, aşılamaz sanılan engelleri rahatlıkla geride bırakabilir ve evrenin iki ayrı ucundayken bile birbirlerinin durumları hakkında anında bilgi sahibi olabilirler. Ayrıca bütünüyle öngörülemez bir durumdadırlar; yaptıkları hiçbir şeyin nedeni yoktur. Belki de karakteristik özelliklerinden en şaşırtıcı ve rahatsızlık verici olanı da budur.

Bütün bu özellikler, elektron, proton ve türevlerinin dalga/parçacık karakterinden kaynaklanır. Ancak mikroskobik nesneleri gündelik dünyanın bilindik cisimlerinden böylesine farklı kılan, yalnızca kendilerine özgü bu ikili doğaları değildir. Bir şey daha söz konusudur: ayırt edilemezlikleri. Her elektron diğer bir elektronla, her foton diğer bir fotonla özdeştir.

İlk bakışta bu, çok dikkate değer bir özellik gibi görünmeyebilir. Ancak gündelik dünyadaki nesneleri düşünün. Mesela aynı model ve renkte iki otomobil aynıymış gibi görünse de, aslında aynı değildirler. Dikkatli bir muayeneyle boyalarının düzgünlüğü, lastiklerinin hava basıncı gibi binlerce açıdan farklı oldukları anlaşılabilir.

Bu durumu küçük şeylerin dünyasıyla karşılaştıralım. Mikroskobik parçacıklar herhangi bir şekilde işaretlenemez. Bir elektronu mimleyemezsiniz! Köküne dek ayırt edilemez bir durumdadırlar. Aynı şey, fotonlar ve mikroskobik dünyanın diğer sakinleri için de geçerlidir. Bu ayırt edilemezlik, bizim için yabana atılmayacak bir yeniliktir ve hem mikroskobik dünya hem de gündelik hayatımız açısından çok mühim sonuçları vardır. Aslına bakılacak olursa, içinde yaşadığımız dünyanın var olmasının tek nedeninin bu olduğu söylenebilir.

Kuantum Teorisine Göre Gündelik Dünya Nasıl Oluşur?

Kuantum teorisine göre, farklı durumların süperpozisyonlarının var olması yalnızca mümkün olmakla kalmaz, aynı zamanda garanti altındadır. Bir atom aynı anda birçok yerde bulunabilir ve birçok şey yapabilir. Mikroskobik dünyada gözlemlenen tuhaf olayların birçoğuna yol açan, bu olasılıklar arasındaki girişimdir. Ancak çok sayıda atom gündelik dünyadaki nesneleri oluşturmak için bir araya geldiği halde, bu nesnelerin hiçbir zaman kuantum davranışları göstermemesinin nedeni nedir? Örneğin bir ağaç hiçbir zaman aynı anda hem evinizin önünde hem de arkasında takılamaz (tek bir ağacınız olduğu sürece bu imkansızdır) ya da hiçbir hayvan aynı anda hem bir kurbağa hem de zürafa gibi davranmaz.

Bu güç çelişkiyi açıklığa kavuşturmaya yönelik ilk girişim, 1920’li yıllarda, kuantumun öncülerinden Niels Bohr tarafından Kopenhag’da gerçekleştirildi. Kopenhag Yorumu, evreni farklı kanunlarla yürüyen iki alana ayırır. Bir tarafta, kuantum teorisi tarafından yönetilen çok küçük parçacıkların dünyası; diğer tarafta ise normal ya da klasik kanunlarla işleyen çok büyük şeylerin dünyası bulunmaktadır. Kopenhag Yorumu’na göre, atom gibi bir kuantum parçacığı klasik bir nesneyle etkileşime girdiğinde, bu parçacık şizofren süperpozisyonundan çıkmak ve “akla uygun” davranmak zorunda kalır. Bu klasik nesne bir ölçüm cihazı, hatta bir insan bile olabilir.

Peki ama, klasik nesne, kuantum parçacığını kuantumluktan çıkarmak için tam olarak ne yapıyor? Daha da mühimi, klasik anlamıyla “nesneyi” meydana getiren ne? Sonuçta, insan gözü her biri kuantum teorisine riayet eden çok sayıda atomdan oluşmaktadır. Bu ikilem Kopenhag Yorumu’nun zayıf noktasıdır ve yaklaşımın, gündelik dünyanın nasıl oluştuğunu açıklamakta yetersiz kalmasının esas nedenidir.

Devamını oku “Kuantum Teorisine Göre Gündelik Dünya Nasıl Oluşur?”

Atomlar ve Kilise Orglarına Dair

Kuantum dünyasında geçerli olan şeylere her zaman birçok farklı yoldan bakılabilir; bu yollardan her biri, insanın asabını bozacak kadar ikircikli bir gerçeği ortaya koymaktadır. Bunlardan biri de, bir atomun elektronlarıyla bağlantılı olasılık dalgalarını, bir kilise orguna hapsolmuş ses dalgaları olarak düşünmektir. Kilise orgundan, istenilen her notanın çıkarılmasının imkanı yoktur. Ses titreşimi ancak her biri kesin bir perde ya da frekansa sahip sınırlı sayıda yoldan sağlanabilir.

Ancak bu durum, yalnızca ses dalgalarının değil, tüm dalgaların genel bir özelliği olarak ortaya çıkıyor. Dalgalar, hapsoldukları bir uzayda ancak belli, kesin frekanslar olarak var olabilir.

Bir atom içindeki elektronu düşünün. Bu elektron bir dalga gibi davranmaktadır. Ve bu elektron aynı zamanda atom çekirdeğinin elektrik kuvvetiyle sıkı bir şekilde kontrol altına alınmıştır. Bu durum fiziksel bir hazne içinde tutulmakla tam anlamıyla aynı şey olmayabilir.

Devamını oku “Atomlar ve Kilise Orglarına Dair”