Bir şeyi daha küçük bir hacmin içine (örneğin havayı bisiklet pompasının içine) sıkıştırdığınızda madde ısınır. Dolayısıyla Büyük Patlama da sıcak bir olaydır. Bunu ilk fark eden kişi Ukrayna kökenli Amerikalı fizikçi George Gamow oldu. Gamow’a göre, Büyük Patlama’nın sonrasındaki ilk anlarda evren, nükleer bir patlamanın yarattığı kor halindeki ateş topuna benzeyen bir şeydi.
Ancak patlamanın ardından geçen saatler ve günler içinde, nükleer bir ateştopunun ısı ve ışığı atmosferin içine dağılıp yok olurken, Büyük Patlama’nın neden olduğu ateş topundan kaynaklanan ısı ve ışık için bu durum geçerli değildir. Evren, tanım olarak, var olan her şeyi içerdiğinden, patlamanın sonrasında oluşan ısı ve ışığın gidebileceği hiçbir yer yoktu. Bu yüzden, Büyük Patlama’nın kalıntıları evrenin içine sıkışıp kaldı. Bunun anlamı, Büyük Patlama’dan geriye kalan ısı ve ışığın, görünebilir bir ışık olarak değil (çünkü patlamanın ardından geçen zaman içinde evrenin genişlemesiyle birlikte büyük ölçüde soğumuştur), çok soğuk cisimlerin yaydığı görünmez bir ışık türü olan mikrodalgalar halinde var olması gerektiğidir.
Akla gelebilecek en büyük tartıydı bu. Ah, evet, aynı zamanda ısıya karşı da dayanıklıydı. Aslında bu tartı o kadar büyüktü ki, bir yıldızın ağırlığını bile taşıyabilirdi. Ve o gün, en yakınımızdaki yıldızı, güneşi tartıyordu. Dijital panel en sonunda sabitlendiğinde, 2 x 10^27 tonu gösterdi. Yani 2’yi takip eden 27 tane sıfır – 2000 milyon milyon milyon milyon ton! Ancak o da ne, yanlış olan bir şey vardı. Tartının ölçüleri aşırı hassastı. Boyutu ve ısıya karşı dayanıklılığının yanında, bir başka çarpıcı özelliği de buydu. Ancak bir saniye sonra paneldeki rakamlar yeniden sabitlendiğinde, bir önceki değere göre, güneşin ağırlığı 4 milyon ton daha düşük çıktı. Neler oluyordu böyle? Gerçekten, güneş her bir saniye içinde, üzerinden bir süper-tankerin ağırlığını atacak kadar hafifliyor olabilir miydi?
Evet, bu doğru! Güneş, sürekli olarak ısı enerjisi kaybediyor ve uzaya saçılan bu enerji bize ışık olarak ulaşıyor. Ve enerjinin gerçekten de bir ağırlığı var. Böylece güneş dışarı ne kadar ışık verirse, aynı ölçüde hafifliyor. Fakat güneşin gerçekten de devasa olduğunu ve her bir saniye içinde kütlesinin yalnızca 10 milyon milyon milyonda birini kaybettiğini de aklımızdan çıkarmayalım. Bunun anlamı, doğumundan bu yana kütlesinin ancak binde birini kaybettiğidir.
Enerjinin bir ağırlığı olduğu gerçeği, bir kuyrukluyıldızın davranışında açık şekilde görülebilir. Bir kuyrukluyıldızın kuyruğu her zaman güneşi gösterir; tıpkı bir rüzgar tulumunun havada oluşmakta olan fırtınayı göstermesi gibi. Peki bu ikisi arasındaki ortak nokta ne olabilir? Her ikisi de güçlü bir rüzgar tarafından itilmektedir. Rüzgar tulumu için konuşacak olursak, bu, havadan oluşan rüzgardır. Kuyrukluyıldızın kuyruğu içinse, güneşten gelmekte olan ışık rüzgarı.
Işığın, Evrenin Üzerinde Kurulu Olduğu Kaya, Zaman ve Uzayın ise Hareket Halindeki Kum Tanecikleri Olduğunu Nasıl Keşfettik
Herkes için gelmiş geçmiş en tuhaf 100 metre yarışıydı bu. Atletler çıkış takozlarından fırlayıp kulvarlarında koşmaya başladığında, tribündeki seyircilere sanki incelmiş gibi göründüler. Coşkulu kalabalığın önünden geçerlerken, krep kadar düzleşmişlerdi. Ancak olan en tuhaf şey bu değildi.
Atletlerin kolları ve bacakları, sanki havanın değil de ağdalı bir sıvının içinde koşuyorlarmış gibi, ultra-yavaş hareketler sergiliyordu. Kalabalığın alkış ve tezahüratları gittikçe yavaşladı. Seyircilerden bazıları biletlerini yırtıp öfkeyle havaya fırlatıyordu.
Bu zavallı tempoyla, atletlerin finiş ipini göğüslemesi bir saati bulabilirdi. Sonunda canından bezen seyirciler yerlerinden kalkarak, teker teker stadyumu terk etti.
Böyle bir sahne size tümüyle saçma gelmiş olabilir. Fakat burada hatalı olan tek unsur atletlerin hızıdır. Eğer ki 10 milyon kat daha hızlı koşabilselerdi, stadyumdaki herkes yukarıdaki gibi bir sahne yaşardı. Nesneler ultra-yüksek hızlara çıktığında, zaman yavaşlarken uzay da büzülür. Bu durum önemli bir gerçeğin kaçınılmaz bir sonucudur: ışığı yakalamanın imkansızlığı.
Yakalanamayacak olan tek şeyin ancak sonsuz hızla yol alan bir cisim olabileceğini düşünebilirsiniz. Ne de olsa sonsuzluk, tasavvur edilebilen en büyük sayı olarak tanımlanmaktadır. Hangi sayıyı düşünürseniz düşünün, sonsuzluk ondan daha büyüktür. Bu nedenle, sonsuz hızla yol alabilecek bir şey olsaydı bile onu asla yakalayamayacağımız açık bir şekilde ortadadır. Böyle olsaydı, evrendeki nihai kozmik hız sınırını temsil eden, sonsuz hız olurdu.
Işık muazzam bir hızla yol alır -boşlukta saniyede 300.000 kilometre- fakat bu hız da, sonsuz olarak nitelendirdiğimiz hızın yanında anlamsız kaçmaktadır. Yine de ne denli hızlı olursanız olun, bir ışık huzmesini yakalayamazsınız. Evrende, kimsenin tam olarak anlamlandıramadığı nedenlerden ötürü, ışık hızı sonsuz hızın yerini almıştır. Fiili durumdaki kozmik hız sınırımız ışık hızıdır.
Bu tuhaf gerçeği fark eden ilk kişi, 16 yaşındayken kendine şu soruyu soran Albert Einstein oldu: Yakalayabilecek olsaydınız, ışık huzmesi nasıl görünürdü?
Einstein’ın böyle bir soru sorarak cevaplandırabilmeyi umması ancak İskoç fizikçi James Clerk Maxwell’in bir keşfi sayesinde mümkün olmuştur. 1868 yılında Maxwell, elektrik motorlarının çalışmasından mıknatısların davranışlarına kadar, bilinen tüm elektrik ve manyetik olaylarını, bir dizi harikulade matematiksel denklemle bir araya getirdi. Maxwell’in denklemlerinin sürprizi ise o güne dek bilinmeyen bir dalganın varlığını öngörüyor olmalarıydı: elektrik ve manyetizma dalgasının.
Uzayda, göletteki küçük bir dalga gibi yayılan Maxwell dalgasının çok çarpıcı bir özelliği olduğu anlaşıldı. Bu dalga saniyede 300.000 kilometre hızla yol alıyordu; yani ışıkla aynı hızda. Bunu yalnızca bir tesadüf saymak imkansızdı. Maxwell, elektrik ve manyetizma dalgasının bir ışık dalgasından farksız olduğunu düşündü. Maxwell’ e dek hiç kimse (belki elektriğin öncülerinden Michael Faraday’ı bir kenara koyabiliriz bu noktada) , ışığın elektrik ve manyetizmayla bağlantılı olduğuna dair en ufak fikre sahip değildi. Ancak öyleydi; tam da Maxwell’in denklemlerinde yazdığı gibi: Işık elektromanyetik bir dalgaydı.
Manyetizma, mıknatısın çevresindeki uzayı kaplayan görünmez bir güç alanıdır. Bir mıknatıs çubuğunun manyetik alanı, yakınında bulunan metal objeleri kendine çeker. Bir de elektriksel alan vardır; elektrikle yüklü bir kütlenin etrafındaki uzayı sarmış olan, görünmez bir güç alanıdır bu. Örneğin naylon bir süvetere sürtülen plastik bir tarak, küçük kağıt parçalarını kendisine çekebilir.
Maxwell denklemlerine göre ışık, suda yayılan dalgaları andıracak şekilde, bu görünmez güç alanlarında yayılan bir dalgadır. Su dalgası için konuşacak olursak, dalga geçip giderken değişen unsur suyun düzeyidir – bu düzey artar ve azalır, azalır ve artar. Işıkta ise değişkenlik gösteren unsur manyetik ve elektrik güç alanlarının düzeyidir – güç seviyeleri artar ve azalır (aslında bir alan büyürken diğeri sönümlenir, ancak bunun şu an için bir önemi yok).
Peki ama, elektromanyetik dalganın ne olduğu konusuna neden böylesine girdik? Bunun nedeni, Einstein’ın sorusunu tam olarak anlayabilmemiz için hunun gerekli olması: Yakalayabilecek olsaydınız ışık huzmesi nasıl görünürdü?
Otoyolda ilerlerken, saatte 1 00 kilometre hızla yol alan bir otomobili yakaladığınızı düşünelim. Yan yana geldiğiniz esnada diğer otomobil nasıl görünecektir? Elbette ki, durağan bir görüntüsü olacaktır. Camınızı açacak olursanız, motor gürültülerinin üzerinden diğer otomobilin şoförüne bağırabilirsiniz bile. Aynı şekilde, bir ışık huzmesini yakalayabilecek olsaydınız, bu huzme durağan bir görüntü kazanırdı; tıpkı gölet üzerinde donup kalmış bir dizi dalga gibi.
Öte yandan (ve 16 yaşındaki Einstein tarafından fark edilen esas nokta da budur), Maxwell denklemlerinin donmuş bir elektromanyetik dalga, bir diğer deyişle, elektrik ve manyetik alanları ne büyüyen ne de sönümlenen, sonsuza dek hareketsiz duran bir dalga üzerine önemli bir çıkarımı bulunuyor: Böyle bir şey yok! Durağan bir elektromanyetik dalga, imkansızdır.
Einstein böylece yaşına göre çok erken sorulmuş bu önemli sorusuyla, parmağını fiziğin kurallarında önemli bir paradoksun -ya da tutarsızlığın- üzerine koymuş oldu. Bir ışık huzmesini yakalayabilecek olsaydınız, varlığı imkansız olan durağan bir elektromanyetik dalga görecek olurdunuz. Ve imkansız şeyleri görmek de imkansız olduğundan, bunun anlamı hiçbir zaman bir ışık huzmesini yakalayamayacağınızdır! Diğer bir ifadeyle, evrende sonsuz hızın yerini almış olan, asla yakalanamayacak şey, ışıktır.
Spin, yalnızca mikroskobik dünyada görülen bir durum. Spin durumundaki parçacıklar, küçük topaçlar gibi sanki kendi etraflarında dönüyorlarmış gibi davranırlar. Tek fark, aslında bunu yapmıyor oluşları. Yani kendi etraflarında dönmüyorlar! Bir kez daha, mikroskobik dünyanın idrak edilemez temeline iniyoruz. Parçacıkların spini, içsel öngörülemezlikleri gibi, gündelik dünyamızda doğrudan örneğini veremeyeceğimiz bir durum. Mikroskobik parçacıklar farklı miktarlarda spine sahip olabilir. Var olan en düşük spine sahip parçacık elektrondur; bu da onun iki farklı yönde dönebilmesini sağlar. Bu dönüş ya saat yönünde ya da saat yönünün tersinde olabilir (aslında hiç dönmüyor olsa da!).
Eğer ki biri saat yönünde, diğeri ise saat yönünün tersine bir spinle, iki elektron birlikte yaratılırsa, elektronların spini birbirini götürür. Fizikçiler bu durumda toplam spinin sıfır olduğunu söyleyecektir. Elbette tam tersi de geçerlidir. İlk elektron saat yönünün tersine, ikincisi ise saat yönünde bir spine sahip olsaydı da, toplam spin yine sıfır olurdu.
Atomlar Hakkında Bilmek İsteyeceklerimizin Tamamını Neden Hiçbir Zaman Bilemeyeceğiz ve Neden Bu Gerçek Atomları Olası Kılıyor
Kuantum topraklarının içlerine doğru ilerledikçe, yolcularımız birçok ilginç olaya daha tanık oldu. Bunlardan biri de, küçük kütleleri yüzünden nerede oldukları zar zor belirlenebilen kuantum sivrisinekleriydi. George Gamow
Aklını kaçırmış olmalıydı. Gıcır gıcır Ferrari’sini daha az önce garajına park etmişti. Hatta garaj kapısı otomatik olarak kapanırken önünde bir süre dikilmiş, duyduğu gurur ve keyfi son anına dek yaşamak istemişti. Ardından çakıllı yoldan evine doğru yürürken birdenbire rüzgar çıktı ve zemin hafif şekilde sarsıldı. İstemdışı olarak, gerisingeri garaj yoluna doğru yürüdü. Ferrari ‘si kapalı olan garaj kapısının önündeydi! Bu türden Houdini tarzı kaçış olayları elbette ki gündelik hayatımızda görülmez. Öte taraftan ultra-küçük parçacıkların dünyasında, bu olaylar sürekli vuku bulan şeylerdir.
Bir an için, bir atomu mikroskobik bir hücrenin içine kilitlersiniz ve bir an sonra, kelepçelerini kırıp atarak sessizce gecenin içine doğru süzülmüş bir atomunuz olur. Kaçmanın olanaksız olduğu hücrelerden bu mucize kabilinden kaçma becerisi, mikroskobik parçacıkların, dalgaların yaptığı her şeyi yapabilmesine imkan tanıyan dalgasal yüzüyle bağlantılıdır. Ve dalgaların yapabildiği şeylerden biri de, geçilemez görünen engelleri aşıp geçmektir.
Bu, apaçık şekilde ortada olan ya da herkes tarafından bilinen bir dalga özelliği değildir. Fakat bu özellik, cam bir blokun içinde yol alan ve blokun dışına kaçmaya çalışan bir ışık huzmesiyle gözlemlenebilir. Burada önemli olan, cam blokun havayla birleştiği sınır noktasında ne olduğudur.
Işık bu sınıra, yani camın kenarına dar bir açıyla çarpacak olursa, tekrar cam blokun içine doğru yansıtılır ve havaya kaçma girişimi başarısızlıkla sonuçlanır. Işık görünürde cam blokun içinde hapistir. Öte yandan blokun hemen yanına (aralarında ancak dar bir hava boşluğu kalacak kadar uzaklıktaki bir noktaya) bir başka cam blok konulduğunda, bambaşka bir şey gerçekleşir.
İkinci blokun yerleştirilmesinin ardından, cama çarpan ışığın bir kısmı -ilk durumda olduğu gibi- geri yansıtılır. Ancak bu defa, ışığın bir kısmı da, bloklar arasındaki hava boşluğunu aşarak ikinci cam blokun içinde yoluna devam eder.
Garajından kaçan Ferrari ve cam bloktan kaçan ışık arasındaki paralellik çok net olmayabilir. Ancak pratikte, Ferrari için kapalı garaj duvarı nasıl geçilemezse, bloklar arasındaki hava boşluğu da ışık için aynı şekilde aşılamaz olmalıdır. Işık dalgasının, önündeki engeli aşarak cam bloktan kaçabilmesinin nedeni, dalganın belli bir yerde bulunan değil, uzayda yayılan bir şey olmasıdır.
Işık dalgaları camhava engeline saldırıp yeniden camın içine yansıtıldığında, çarparak yansıtıldıkları yer aslında camın kenarı değildir – camın ötesindeki havanın içinde kısa bir mesafe katetmektedirler. Dolayısıyla çıktıkları cam blokun içine tekrar dönmeden önce bir başka cam blokla karşılaşırlarsa, yollarına devam edebilirler. İlk cam blokun hemen dibine, aralarında ancak bir saç teli kadar boşluk olacak şekilde bir başka blok yerleştirin; ışık çoktan aradaki hava boşluğunu atlamış ve tutulduğu hücreden kaçmıştır bile!
Geçilemeyeceği düşünülen engelleri geçebilme yetisi, ışık dalgalarından ses dalgalarına ve atomlarla bağlantılı olasılık dalgalarına dek, tüm dalga türleri için geçerlidir. Dalgaların bu özelliğini mikroskobik dünyada görebiliriz. Bu konu üzerine verilebilecek muhtemelen en çarpıcı örnek, alfa parçacığının atom çekirdeği gibi kaçmanın imkansız olduğu düşünülen bir hapishaneden kaçabildiği alfa bozunumu olayıdır.
Çekirdekten Kaçış
Alfa parçacığı helyum atomunun çekirdeğidir. Kararsız -radyoaktif- bir çekirdek, kendisini daha hafif ve kararlı bir çekirdeğe dönüştürmek için umutsuz bir girişimde bulunarak dışarı bir alfa parçacığı tükürebilir.
Şu anda basit bir şekilde ortaya koyuyor olsak da, bu süreç bizim için ciddi bir bilmece durumunda. Çünkü bildiklerimizin ışığında, bir alfa parçacığının bulunduğu çekirdeğin içinden çıkamaması gerekiyor. Yüksek atlama dalında yarışan bir olimpiyat atletinin önüne beş metrelik bir engel konduğunu düşünün. Bu atlet dünyanın en iyilerinden biri de olsa, bu yükseklikteki bir çıtayı aşması imkan dahilinde değildir. Dünya üzerindeki hiçbir insanın bu denli yüksek bir engeli aşmasını sağlayacak derecede güçlü bacakları yoktur.
Atom çekirdeği içindeki alfa parçacığı da benzer bir durumla karşı karşıya sayılabilir. Parçacığı çekirdeğin içinde tutan engel, çekirdekteki nükleer kuvvetler tarafından oluşturulmuştur ve beş metrelik çıta bir atlet için ne denli aşılamaz durumdaysa, çekirdek içindeki engel de alfa parçacığı için aynı şekilde aşılamaz olmalıdır.
Fakat alfa parçacıkları atom çekirdeğinin içinden kaçabilmektedir. Ve çekirdeğin içinden kaçabilmeleri parçacıkların dalgasal yüzüyle bağlantılıdır. Cam bir blok içine hapsolmuş ışık dalgalan gibi, parçacıklar da önlerindeki geçilemez sanılan engeli aşarak sessizce dış dünyaya karışırlar.
Bu sürece kuantum tünellemesi (quantum tunnelling) denmektedir – alfa parçacıklarının atom çekirdeğinin içinden çıkabilmek için kendilerine bir tünel açtıkları söylenir. Kuantum tünellemesi aslında belirsizlik denilen ve mikroskobik dünya hakkında ne bilebileceğimiz ve ne bilemeyeceğimiz üzerine esas sınırı ortaya koyan, çok daha genel bir olayın tezahürüdür. Ve çift yarık deneyi belirsizliğin harikulade bir örneğidir.
