28 Eylül 2011 Çarşamba

Kuantum Fiziğine Giriş 4

Quantum Fiziğinin Gelişmesi
________________________________________
1900 yılı öncesinde teorik fizikçiler evrende herşeyin çok küçük atom ve moleküllerden oluştuğunu anlamışlardı. Ayrıca, ışığın da ses ve deniz dalgaları gibi elektromanyetik dalgalar şeklinde yayıldığı konusunda geçerli teoriler kurulmuştu. 1900’lü yıllarda dalganın tanecik özelliği belirsizliği yetmezmiş gibi taneciğin dalga özellikleri gündeme getirildi. Zaman, mekan ve yerçekimi kavramları ile geleneksel düşünce sistemini kökünden değiştiren Einstein’ın görelilik teorileri, 1920’lerde farklı bir dünyanın kapılarını zorluyor ve farklı bir resim sunuyordu. Bugün teorik fizik hala bu resim ile uğraşıyor. Temel seviyede herhangi atomik bir deneyin sonuçları kesin olarak bilinemez. Gerçekten, evrendeki her olay ihtimaller ile yönetiliyor.
Quantum fiziğine giriş için en iyi başlangıç herhalde James Clark Maxwell’in elektromanyetik teorisidir. Buna göre hareket eden elektrik alanı yada akım (current.) etrafında sağ el kavramı ile manyetik alan oluşturur. Bir zaman ayrı iki fenomen olarak düşünülen elektrik ve manyetizma kuvvetlerinin elektromanyetik alanın ayrılmaz iki ögesi olduğu anlaşıldı. Maxwell denklemleri ile elektromanyetik alanın ışık hızında hareket ettiği ve dahası taşıyıcı fotonların ışığın ta kendisi olduğu ortaya çıktı. Öncesinde, Thomas Young deneyleri de ışığın dalga gibi kırıldığını ve yayıldığını göstermişti.
Quantum fiziğine ivme kazandıran ışığın parçacık olma özelliği 1900 yılında Max Planck ile başladı. Bir atom’dan yayılan en küçük enerji parçacığı (foton) enerjisi E=hδ’dür ve katları şeklinde yayılır. (h-planck sabiti=6.6. 10-34 Joule saniye).
Planck’ın en küçük enerji paketi kavram olarak önce pek benimsenmemişti ve matematik bir oyun gibi görüldü. O zaman henüz tanınmamış olan Einstein, ışığın hδ enerjili parçacıklar halinde olduğunu göstererek, Planck’ın matematik oyununu saygın bir fizik gerçekliğine taşıdı. Bütün fotonların enerjisi aynıdır ve bir fotonu daha fazla hızlandırmanın yolu δ’ yi artırarak ışık hızından hızlı hareket etmesiyle mümkündür. Planck’ın hδ enerjili foton kavramı başta Niels Bohr olmak üzere birçok fizikçinin önünü açtı. Niels Bohr, Rutherford’dan esimlendiği modeli geliştirerek bugün bildiğimiz çekirdek –elektron modelini ortaya attı. Ancak, 1920 lerde bir dizi sorun vardı. Örneğin, elektromanyetik dalga yayılımı (radyasyonu) bir değil iki teori olmalıydı. Bazen dalga gibi bazen de einstein’ın foton parçacıkları şeklinde yayılıyordu. 1924 yılında Louis de Broglie fizik çevrelerini sarsan bir soruya odaklandı. Eğer ışık dalgaları tane özelliği gösteriyorsa, tane olarak düşünülen elektron neden dalga gibi davranmasın? Aynı dönemde, Max Planck, Einstein’ın E=mc2 formülünün yardımı ile E=hδ denklemini önermişti. Fotonun kütlesi olmamasına rağmen momentumu vardır. Aksi halde, metal bir yüzeyden eletron koparamazdı. Broglie, bu iki denklemi E=pc=hδ’ye dönüştürdü (p=momentum). Buradan p=hδ/c (c/v= dalgaboyu). Yani, Broglie’ye göre bir foton için momentum, Planck sabitinin dalgaboyuna bölümüdür. Bu denklem ile elektronun dalgaboyu ölçülebilirdi. Ardından, Young, quantum fiziğinin özünü belirleyen ve ışık fotonlarının dalga özelliğini gösterecek (iki yarıklı) bir deney geliştirildi. Deney son derece kolaydı. Bir elektron kaynağı, iki yarığı olan bir ekran ve ardında bir dedektörden oluşan sistem ile tek yarıktan geçen elektronlar tanecik izleri bırakırken iki yarık açıldığında dalga izleri gözlendi. Bir tanecik net olarak tanımlanabilir, boşlukta hacmi vardır ve tanımlanabilir. Oysa, bir dalga için aynı şey söylenemez. Dalga sonsuza kadar yayılabilir ve parmağınızı üzerine bastırmak isteseniz bile tam olarak yerini bilemezsiniz. Atomaltı dünyanın düalitesi olan bu iki özelliğini nasıl açıklayabiliriz!.
Dalgayı tanecik olarak ifade etmek ve bir aralığa sıkıştırabilmek için matemeatikçiler Fourier analizi denilen bir teknik kullanırlar. Tek frekansı (dalga boyu) olan dalga yerine birçok farklı frekansı olan ve hep birlikte hareket eden dalga demeti düşünelim. Bu dalga kümesinde birbirini destekleyen genlikler ve bazen (ters yönde) birbirlerini yok eden genlikleri vardır. Fourier analizi ile, ∆X diyebileceğimiz ve elektron çapında olan dar bir aralık dışında, tüm genlikler birbirini yok edebilir ve dar aralık içindeki dalgalara ‘dalga paketi’ terimi kullanılır. Yani dalga paketinin uzunluğu ∆X’dir. Ama buna karşılık momentumdan feragat ettik. Saf bir dalganın tek frekansı vardır ve momentumu tekdir. Fakat dalga demeti kullanmakla bir momentum paketi kullanmış oluyoruz. Ne kadar fazla frekans kullanırsak o kadar momentum belirsizliği işin içine girer. Dolayısıyla, dalga paketinin yeri ne kadar net gösterilmeye çalışılırsa, momentumu o kadar belirsiz olacaktır. Dalga paketi yada tanecik için ∆P.∆X > h/2π belirsizliği Heisenberg belirsizliği olarak bilinir. Benzer şekilde, ‘conjuge variables’ denilen ∆E.∆T > h/2π belirsizliğide Heisenberg belirsizlikleri olarak bilinir. Atomaltı parçacıklar herhangi bir reaksiyona girdiklerinde sonucu olasılıklar belirler. (Einstein’a tanrı zar atmaz dedirten gerçek). Quantum fiziği ile klasik Newton fiziği arasındaki fark, herhangi bir parçacığın, örneğin, elektronun A’dan B noktasına gitmesinde gözlenen farktır. Klasik fizikte elektronun belirlenebilen hızı ve yönü varken quantum fiziğinde bu böyle değildir. Hiçbir zaman parçacığın pozisyonunu ve momentumunu birarada bilemeyiz. Richard Feynman, zaman ve uzay diagramları ile A-B arasındaki tüm olası parçacık yollarını (sum over histories) birlikte gösteren yöntemi geliştirmiştir.
1930 larda fizikçiler doğanın en temel bloklarını bulduklarını ve doğanın son derece basit olduğunu gösterirken birkaç yıl sonrasında çok daha karmaşık bir doğa ile yüzleşmek durumunda kaldıklarını anladılar ve 20 yıl içinde elementler kadar farklı temel parçacıkları keşfettiler. Aynı foton’un elektromanyetik alan taşıyıcısı (manifestosu) olduğu gibi tüm diğer parçacıklarında kendi alanlarının taşıyıcı olması düşüncesi evrenin birbiri ile sürekli girişim içinde olduğu birçok alandan mı oluşmalıydı? Alanlar farklı çeşitlerde oluşurlar. Vektör denilen bazılarında yön vardır. Yön algısı olmayan alanlar skalar’dır. Örneğin, bir odanın sıcaklığı skalar bir alandır. Termometre ile ölçülen değeri vardır ama yönü yoktur. Elektrik alanı öte yandan vektörel bir alandır. Herhangi bir yerde alanın kuvveti ve yönü ölçülebilir. Alana bırakılan pozitif yüklü bir parçacık kuvvet çizgileri yönünde hareket edecektir. Temel olarak iki farklı alan vardır. Fermionic ve Bosonic. Parçacın ve kuvvet alanı arasındaki farkı algılamamız bu olsa gerek.
Kuantum Elektro Dinamik (QED)
Elektron, foton ve elektromanyetik alan arasında girişimleri quantum terimleri çerçevesinde açıklayan bu teori, modern bilimin önemli bir yapı taşı olarak- elektromanyetik fenomenin muhasebesini yaparak- diğer girişimleri açıklayacak yeni teorilerin alt yapısını (blue-print) oluşturmaktadır. Fakat önemli bir eksikliği vardır. Elektron etrafındaki foton bulutu yada virtuel parçacıkların muhasebesi. Quantum fiziğine göre elektron, virtuel parçacıkların bulutu ile sarılıdır ve elektron tarafından absorbe edilmeden önce her an bu parçacıklar elektron-pozitron yada diğer virtüel parçacık çiftine dönüşebilir. Bu süreçte gerekli enerji kuvvet alanından ödünç alınabilir. Heisenberg belirsizlik ilkesine göre sonsuz sayıda çift oluşturulabilir. Elektron ve etrafındaki bulutsu parçacıklar birbirinden ayrıştırılamadığı için elektron kütlesi sonsuz olabilir. Bu zorluğun etrafından dolanmak saçma görülebilir ama doğru sonuç verir. Matematik olarak, bulutsu parçacıkların sonsuz kütlesine karşı elektronun sonsuz negative kütleli olduğu düşünülebilir ve matematik manipülasyonlarla bu iki sonsuz birbirini iptal eder ve elektronun ölçülen ve bilinen kütlesi elde edilir. Bu manipülasyon, Renormalizasyon olarak bilinir ancak iki sebeple yeterli değildir. Öncelikle, denklemin iki yanı sonsuz ile bölünür (okulda böyle öğretmediler), ikincisi ise elektronun kütlesi bu yöntemle doğru hesaplanamaz. Renormalizasyon ile sonlu bir elektron kütlesi elde edilir ama hangi kütle?. Teorik fizikçiler bu noktada elektronun bilinen kütlesinden hareket ederek denklemi sağlar ve güvenmek isterler.
QED, quantum fiziği çerçevesinde elektromanyetik alan ve parçacıkların davranışını, renormalizasyona rağmen son derece güvenle açıklar ve mükemmel olmamasına rağmen bilinen en iyi teori olmaya devam ediyor.
İki kuvvet alanı ve parçacıklar
Elektromanyetik kuvvet alanı, nötr bir atom içinde negative yüklü elektronlarla pozitif yüklü protonların davranışını açıklar. Ama nasıl olur da pozitif yüklü bir kaç proton birbirlerinden itilmek yerine birarada sarmaş dolaş durabilirler? İlk defa 1935 yılında Hideki Yukawa, protonların bir arada durabilmeleri için, elektromanyetik alandan daha güçlü bir başka alanın olması gerektiğini ortaya attı. Çok kısa mesafede etkili olan bu alanı günlük hayatımızda hissetmeyiz.

Fermion ve Bosonlar
________________________________________
Atomaltı parçacıkların bir diğer özelliği ise ‘spin’dir. Elektron spin’leri atom etrafında nasıl dizildiklerin belirleyen temel bir kavramdır. Elektronlar kendi etrafında ya yukarı yada aşağı yönlü dönerler, yatay yada arada bir yerde dönmezler. Spin’de enerji gibi parçacık halinde (quantized) görülür ve birimi h-cross (h/2π) dir. Elektronun spin’i +1/2 yada -1/2 dir. Proton, nötron, elektron gibi gerçek olarak bildiğimiz parçacıkların spin’leri her zaman ½, 3/2, 5/2 şeklindedir. Fermi-Dirak istatistiğine göre hareket eden bu parçacıklara ‘Fermion’ denilir. Ancak, foton gibi Bose-Einstein istatistiklerine bağlı hareket eden ve spin’leri 1, 2, 3 vs. olan parçacıklara ‘Boson’ denilir. Yani, fotonlar ve elektronlar arasında temel farklar vardır. Fermion’lar evrende sabit olmakla birlikte foton’lar ephemeral’dir. Evimizde ışığı açmakla birçok foton üretebiliriz ama atomlar tarafından absorbe edilip fazla enerji geri verildiğinde tekrar kaybolurlar.
Fermion ve bosonların özelliklerini üzere basit bir örnekle anlamak istersek, fermion ailesiyle boson ailesinin otelde kalmak istediklerini düşünelim. Fermion ailesinin üyeleri bir odayı paylaşmak istemedikleri gibi herbir üye mümkün olduğu kadar birbirinden uzak odaları tercih ediyor (otel sahibi için ideal müşteri), boson üyeleri ise aynı odada üst üste kalmaya bile razı (kötü müşteri, bazı oteller bosonlara oda bile kiralamıyor)


________________________________________

Bir fermion herhangi bir parçacık olup spin’leri (1/2, 3/2, 5/2 vs..) dir. Quark lepton, proton, neutron fermion’dur

Bosonlar spin’leri (0, 1, 2...) olan parçacıklardır. Tüm kuvvet taşıyıcı parçacıklar boson’dur,
Bir atom çekirdeği proton ve nötron sayılarının tek yada çift olmasına göre fermion yada bosondur. Teorik fizikçiler bunun olağanüstü koşullarda bazı atomların tuhaf davranmalarına yol açtığını gösterdiler. Örneğin, çok soğuk helyum.



Buraya kadar toparlama yapılırsa…
________________________________________
Şu sorulara yanıt verildi, "Dünya neden yapılmıştır?" ve "Herşeyi bir arada tutan nedir?"
Dünya altı quark ve altı leptondan yapılmıştır. Gördüğümüz herşey quark ve leptonların bir arada olmasıyla şekillenir.
Dört temel kuvvet ve herbiri için kuvvet taşıyıcı parçacıkları vardır.


Ayrıca, Bir parçacığın durumu (state) yada quantum numaraları ve aralarında girişimleri (interactions) inceledik.
Bu kavramlar Standard Model’in önemli özellikleridir ve bugüne kadar temel parçacıkların durumu ve girişimleri konusunda en tatmin edici bilgilerdir.

22 Eylül 2011 Perşembe

Kuantum Fiziğine Giriş 3

Evreni birarada tutan kuvvetler nelerdir? Mahşerin dört atlısı.
Bildiğimiz ve sevdiğimiz evren, temel parçacıkların girişimi (interaksiyon) ile varolur. Bu girişimler, çekici (attractive), itici (repulsive), çözünme (decay) ve yokolma (annihilation) şeklindedir.
Parçacıklar arasında dört temel girişim vardır ve dünyadaki her güç bu dört temel girişim sayesinde oluşur. Evet, düşünebildiğiniz her güç, sürtünme, yerçekimi, nükleer çözünme vs. bu dört temel girişimden kaynaklanır.
Temel girişim ve kuvvet arasında ne fark vardır?
Bunun tanımı biraz zor. Ama dar anlamda güç, bir parçacık üzerinde diğer parçacıkların varlığından kaynaklanan etki olarak düşünülebilir. Bir parçacığın girişimi ise kendisini etkileyen tüm güçleri içerir ve aynı zamanda çözünme, yokolma gibi serüvenleri de hesaba katar. (Bir sonraki bölümde çözünme ve yokolma daha etraflı incelenecektir).
Birçok insanın ve hatta teorik fizikçilerin bile kuvvet ve girişimi aynı anlamda kullanmaları kafa karıştırıyor gibi görülsede girişim genel olarak amaca uygundur. Örneğin, girişime sebep olan parçacıklara ‘güç taşıyıcı parçacıklar’ demek yanlış olmaz ama fark gözardı edilmemelidir.
Madde nasıl girişim yapar?
Teorik fizikçilerin yıllardır kafasını karıştıran soru?..
Maddenin parçacıkları nasıl girişim yapar.?
Problem, parçacıkların birbirine değmeden girişimleri!. İki manyetik çubuk nasl birbirlerini hissediyor, etkileniyor ve tip çekiyorlar!.güneş nasıl dünyayı çekiyor? Bu sorulara cevabın manyetizma ve yer çekimi olduğunu biliyoruz, ama, nedir bu güçler? Temel seviyede parçacıkları etkileyen sadece güç değil aynı zamanda parçacıkların içinden geçen birşey.
Görülmeyen etki
Aşağıdaki durumu gücün bir benzeri olarak düşünebiliriz. İki kişi (basketbol oyuncuları) buz üzerinde duruyor, ayaklarında sürtünme yok. Biri diğerine görülmeyen birşey (basketbol topu) atıyor ve kendisi geriye doğru kayıyor. Görülmeyen şeyi tutan diğeride geriye doğru kayıyor. Yani basketbol topu güç taşıyıcı olarak ikisi üzerinde etki yapıyor.
Anlaşılan odur ki maddeyi etkileyen tüm girişimler ‘güç taşıyıcı parçacıklar’ın alış verişinden kaynaklanıyor. Basketbol topu gibi bu parçacıklar madde parçacıkları (basketbol oyuncuları) üzerinde etki yapıyor. Basketbol analojisi, şüphesiz, sadece itici güçleri açıklayan ama çekici güçler halinde parçacıklara ne olacağı konusunda fikir vermeyen kaba bir örnek.
Güç taşıyıcılar için bilinmesi gereken önemli bir kavram, herhangi bir güç taşıyıcısı sadece etkilendiği güç alanı tarafından absorbe edilir yada başka bir parçacığa dönüştürülebilir. Örneğin, elektron ve protonların elektrik yükü vardır dolayısıyla sadece elektromagnetik alanda güç taşıyıcıları (foton) absorbe edebilirler yada üretebililer. Öte yanda nötrinoların elektrik yükü yoktur ve fotonları ne üretebilir ne de absorbe edebililer.
Electromanyetizma
Elektromagnetik güç aynı türden yükleri iterken ayrı yükleri çeker. Günlük hayatımızda sürtünme, magnetizma gibi güçler elektromanyetik alandan kaynaklanır.
Elektro manyetik gücün taşıyıcı parçacıkları foton’lardır ( ). Enerjileri farklı olan fotonlar x-ışınları, görülen ışık, radyo dalgaları vs..geniş bir spektrum oluşturur.
Fotonların kütlesi bilindiği kadarıyla sıfırdır ve her zaman ışık hızı ile hareket ederler (300.000 Km/sn) ama momentum vardır.
Elektromanyetik güç atomları molekül oluştumak üzere birbirine bağlayan güçtür. Dünyadaki bütün yapılar proton ve elektronun zıt yükleri olmasından biraradadırlar.
Peki Çekirdeğe bakalım?
Atom ile bir başka problemimiz var! Çekirdeği bir arada tutan güç nedir? Atom çekirdeği birçok birbiri ile kucaklaşan proton ve nötrondan oluşur. Nötronlar yüksüz olduğuna göre, pozitif yüklü protonlar birbirlerini itecek yerde nasıl bir arada durabiliyor? Neden çekirdekten itilip kaçmıyorlar? Biliyoruz ki + ve – yükler birbirini çeker, aynı yüklü olanlar birbirini iter!.
Çekirdeğin birarada durmasını elektromanyetik güç ile açıklayamayız. Başka ne olabilir? Yerçekimi? Hayır..Yerçekimi elektromanyetik güç yanında çok cılız kalır.
Öyleyse bu çıkmazı nasıl açıklayabiliriz?
Güçlü nükleer kuvvetler
Çekirdek içinde ne olduğunu anlamamız için, proton ve nötronları oluşturan “quark”ları daha iyi tanımamız gerekir. “Quark”ların elektromanyetik yükleri yanısıra daha farklı olan renk yükleri de vardır. Renk yüklü parçacıklar arasında çekim çok güçlüdür. Bu güç, güçlü nükleer kuvvet olarak bilinir.
Güçlü nükleer kuvvet “quark”ları birarada tutarak Hadron’ları oluşturur ve bu kuvveti taşıyan parçacıklar ‘Gluon’ olarak adlandırılır.
Renk yükü elektromanyetik yüklerden farklıdır. Gluonların renk yükü olmasına rağmen elektromanyetik yükü olan fotonlar gibi değildir. Quarkların da tek başına renk yükleri vardır ama hadron olarak biraraya geldiklerinde (ki her zaman böyledir) renk yükleri nötr’dür. Bu sebeple, güçlü nükleer kuvvet quark girişimlerinde düşük seviyelerde katılır ve günlük hayatımızda biz bu güçlerin farkında olmayız.
Color Charge
Elektromanyetik girişimlerde- foton alışverişi- olduğu gibi quark ve gluon renk yüklü parçacıklardır ve güçlü nükleer kuvvet girişimlerinde renk yüklü parçacıklar “gluon” alışverişi yaparlar. İki quark birbirine yakınlaşınca “gluon” değişimi yaparak birbirlerine bağlanırlar. “Quark”lar birbirinden açıldıkça aralarında çekim gücü (color force field) artar.” Quark”lar sürekli olarak aralarında “gluon” mübadelesi ile renk yüklerini değiştirirler.
Renk yükü nasıl işler?
Üç renk yükü ve bu yükleri tamamlayan (complementary colors) üç anti-renk yükü vardır. Herbir “quark” üç ayrı renk yükünden birine sahiptir ve her anti-quark üç ayrı anti-renk yüküne sahiptir.
Renk korunumu göz önüne alındığında, “gluon”ların emisyonu ve yutulması ile renk değişimi olduğuna göre, “gluon”lar renk ve anti-renk taşıyıcılarıdırlar. Renk-anti-renk kombinasyonları dokuz adet olduğuna gore, dokuz farklı” gluon” olduğu düşünülebilir. Ama, matemetik sadece sekiz farklı gluon olduğunu gösteriyor. Maalesef, bu sonucun hiçbir makul açıklaması yok.
Quark Hapsedilmesi (Confinement)
Renk yükü parçacıklar hiçbir zaman tek olarak görülmezler. Yani, renk yükü olan quarklar grup halinde (hadron) varlıklarını sürdürebilirler ve hadronların renk yükü nötr’dür. Hadronlar, baryon adı altında üç quark, mezon adı altında bir quark ve bir anti-quark şeklinde var olurlar.
Renk yükü alanı
Bir hadron içindeki quarklar delicesine gluon alışverişi yaparlar. Bu yüzden teorik fizikçiler, renk yükü alanını, gluonların bir dizi quarkı bir arada tuttukları
Eğer hadronun bir quarkı çevresinden uzaklaşırsa, renk yükü alanı gerilir ve quarkların daha güçlü olarak geri çekilmesine yol açar. Ancak, aşırı bir gerilmede renk yükü alanı enerji olarak daha verimli olan quark-anti-quark çiftine dönüşüm de sağlayabilir. Böylece, renk yükü alanının enerjisi yeni quark oluşmasına yol açarken kendi üzerindeki gerilimi atarak enerjinin korunumunu da sağlanmış olur.
Quarklar, birbirinden uzaklaştıkça renk yükü alanı artan çekim oluşturduğundan tek başlarına var olamazlar.
Quarklar Gluon saçar
Renk yükü her zaman korunur.
Quark, bir gluon saçar yada yutarsa, renk yükünün korunumu için rengi değişir. Örneğin, kırmızı quark mavi quarka dönüşürse kırmızı/anti-mavi bir gluon saçar.
Hadron içindeki quarklar sürekli olarak gluon saçıp yuttukları için tek bir quarkın rengini gözlemek mümkün değildir. Ancak, iki quarkın gluon alışverişi ile renk değiştirmesi hadron için her zaman net renk yükü sonuçlandırma şeklindedir.
Residual Güçlü Nükleer Kuvvetler
Quarkların renk yükü taşıması ile güçlü nükleer kuvvetlerin quarkları birarada tuttuğunu biliyoruz. Ama bu bile çekirdeğin birarada nasıl tutulduğunu açıklamıyor. Zira, çekirdek içinde pozitif elektrik yüklü protonlar, elektromanyetik etki ile birbirini iter ve proton ve nötron net renk yükü taşır.
Öyleyse, çekirdeği bir arada tutan güç nedir?
Kısaca, güçlü nükleer kuvvetler isimden de anlaşılacağı gibi çekirdek içinde elektromanyetik güçlerden daha güçlüdür. Yani, protonlar içindeki quarkları bir arada tutan güçlü nükleer kuvvetler itici electromanyetik kuvetlerden daha güçlüdür (residual güçlü nükleer kuvvet) ve çekirdek bir arada kalır.
Zayıf Nükleer Kuvvetler
Altı çeşit quark ve altı çeşit lepton varlığından bahsetmiştik. Ama evrendeki tüm dengeli (stabil) maddelerin iki adet kütleli (yukarı ve aşağı) quarklar, en düşük yüklü lepton (elektron) ve nötrino’lardan oluştuğunu görüyoruz.
Zayıf nükleer kuvvetler, kütlesi yüksek olan quark ve leptonları daha hafif quark ve leptonlara dönüştürürler. Temel parçacıkların çözünmesi oldukça tuhaftır. Önce parçacığın yok olup yerine daha küçük iki yada daha fazla parçacığın ortaya çıktığını gözleriz. Ama kütle ve enerji korunması geçerlidir. Kütleli parçacığın bir kısmı enerjiye dönüşürken ardında daha küçük yeni parçacıkları oluşturur. Etrafımızdaki maddeleri oluşturan en küçük quark ve leptonlar son derece stabil olduğundan daha küçük parçacıklara çözünmezler.
Bir quark yada lepton değiştiğinde (örneğin, muon’un elektrona dönüşmesi) flavor. değişimi olarak bilinir. Tüm flavor değişimleri zayıf nükleer kuvvetler ile tetiklenir.
Zayıf nükleer kuvvetlerin taşıyıcı parçacıkları W+, W-, ve Z parçacıklarıdır. W’lar elektrik yüklü ama Z nötrdür.
‘Elektroweak’ teori, elektromanyetik ve zayıf nükleer güçleri birarada ifade edebilmek üzere geliştirilmiş ve kanıtlanmış bir teoridir..
Electroweak
Teorik fizikçiler uzun süre zayıf nükleer kuvvetlerin elektromanyetik güçlerle yakın ilişkisi olduğunu düşünmüşlerdir.
Nihayet, çok küçük aralıklarda (10-18 metre) bu iki gücün kıyaslanabileceğini anladılar. Öte yanda, örneğin 30 kat mesafede (3x10-17 m) zayıf nükleer kuvvetler elektromanyetik kuvvetlerin 10.000 de birine azalıyor. Bir proton yada nötron içindeki quarkların 10-15 m aralıkları düşünülürse bu kuvvetler daha da cılızlaşır. Sonunda teorik fizikçiler zayıf nükleer kuvvetlerle elektromanyetik kuvvetlerin aynı yada yakın güçlerde olduğuna karar verdiler. Zira, girişimler hem taşıyıcıların kütlesine hemde hemde mesafeye bağlıdır. Güçler arasındaki fark, W ve Z güç taşıyıcılarının foton’dan çok daha kütleli olmasından kaynaklanıyor.
Yerçekimi
Yerçekimi nedir?
Yerçekimi biraz tuhaf. Kesinlikle temel güçlerden bir tanesi. Ama ‘Standart Model’ açıklayamıyor. Bugün fizik biliminin açıklayamadığı kavramlardan biri. Alanı, denklemi yok ve taşıyıcı parçacığı (graviton) varsayılıyor. Neyseki, diğer kuvvetlerle karşılaştırıldığında etkisi çok az ve standart model, yerçekimi denklemlerini ihmal etmesine rağmen oldukça güvenilir sonuçlar verebiliyor.
SORU/CEVAP
Gezegenlerin kendi eksenlerinde dönmeleri hangi kuvvetledir?
Cevap
Gravitasyon (kütle çekimi). Gezegenler kendi eksenleri etrafında güneş çekimi ile dönerler. Kütle çekimi zayıf bir kuvvet olmakla birlikte dünyaya etkileri son derece önemlidir.
Nötrinoyu etkileyen kuvvet hangisidir?
Cevap
Zayıf nükleer kuvvetler ve gravite
Hangi kuvvetin taşıyıcısı aşırı yüklüdür?
Cevap
Zayıf nükleer Kuvvet (W+, W-, and Z)
Sizin protonlarınıza hangi kuvvetler etkilidir?
Cevap
Hepsi.
Hangi taşıyıcılar ayrıştırılamaz? Neden?
Cevap
Gluonlar, zira renk yükünü kendileri taşır.
Hangi taşıyıcı gözlenememiştir.?
Cevap
Gravitonlar. (Gluonlar indirek olarak gözlendi)

16 Eylül 2011 Cuma

Kuantum Fiziğine Giriş 2

Hadrons, Baryons, and Mesons
Aile üyesi sosyal filler gibi, quarklar hiçbir zaman yanlız olmazlar ve diğer quarklarla birlikte görülürler. Quarklardan oluşan birleşik parçacıklara HADRON denir.


Tek tek quarkların yükleri kesirli olmakla birlikte, birarada hadron oluşturduklarında net elektrik yükleri tam sayıdır. Hadronların diğer bir özelliği ise net renk yükleri yoktur. Quarkların tek tek renk yükleri vardır. İki çeşit Hadron grubu vardır.

...Üç quark’dan oluşan Hadron’lardır (qqq).

İki yukarı quark ve bir aşağı quark’dan oluşan (uud), protonlar Baryondur. Aynı şekilde neutron’larda (udd) Baryondur.
...Tek bir quark (q) ve tek bir antiquark ( ).

Örnek, pion ( +), yukarı quark ve bir aşağı anitiquark’dan oluşur. Mezon parçacık ve anti-parçacıkdan oluştuğu için dengesizdir. Kaon (K-) mezonu diğer mezonlardan çok daha uzun ömürlü olmasıyla ‘tuhaf’ quarklara ismini vermiştir.
Diğer tür madde parçacıkları lepton’lardır.
Üçü elektrik yüklü, üçü yük taşımayan altı lepton vardır. İç yapısı olmayan nokta cinsi parçacıklardır. En iyi bilinen lepton electron (e-) dur. Diğer elektrik yüklü ama aşırı kütleli iki lepton muon( ) ve tau( )dır. Diğer üç lepton ise elektrik yükü olmayan, çok küçük kütleli ve gözlenmesi çok zor olan neutrino ( ) lardır.
Quarklar son derece sosyaldır ve sadece diğer quarklarla birlikte birleşik halde görülür. Oysa, leptonlar tek başına parçacıklardır.
Varlığı gözlenmeyen elektrik yüklü leptonları kediye ait nötrino böceği gibi düşünebilirsiniz. Her lepton için anti-maddesi anti-lepton vardır (anti-elektron için özel isim ‘pozitron’)

Daha kütleli olan muon ve tau sıradan maddelerde görülmez. Zira, üretildikleri andan itibaren hızla çözünürler yada daha hafif leptonlara dönüşürler. Bazen, bir tau leptonu quark’a, anti-quark’a yada tau nötrino’ya dönüşebilir. Elektronlar ve diğer üç çeşit nötrinolar stabildir ve her zaman gözlenebilirler.

Bir muon, muon nötrino’ya çözünürken, elektron, elektron antinötrino’ya çözünür.

Görüldüğü gibi, elektron, muon, and tau enerjileri korunmuştur.
Hangi lepton çözünümü mümkündür? Neden?

(Bir tau lepton elektrona çözünür, electron ise antinötrino ve bir tau nötrino.)
Cevap
Evet! yük, tau numarası, elektron numarası ve enerji. Hepsi korundu.

(Bir tau lepton, muon ve tau nötrinoya çözünür.)
Cevap
Hayır! Muon numarası korunmadı. Bir muon’un numarası . Denklemin sağ tarafında muon numarası 1 ama sol tarafta 0
Diğer bir soru:

(Bir electron, bir muon, bir muon antinötrino, ve bir elektron nötrinoya çözünüyor.)
Cevap
Hayır! Sürpriz! elektron ve muon numaraları korunmasına rağmen, enerji korunamadı. Muon kütlesi elektrondan çok daha fazladır ve bir lepton kendisinden daha kütleli bir parçacığz çözünemez.!
Neutrinos
Nötrinolar da leptondur.elektrik yükleri olmadığından diğer parçalarla reaksiyona girmezler. Nötrinoların çoğu hiçbir atom ile reaksiyona girmeden evreni biruçtan diğerine geçerler.
Nötrinolar diğer parçacıkların çarpışmasından ortaya çıkarlar, özellikle çözünmelerden. Nitekim, radyoaktif çözünmelerde nötrino varlığı teorik fizikçiler tarafından hep düşünülmüştür.
Örnek: (1) Radyoaktif bir çekirdek çözünerek bir proton ve electron oluşturur.


Soru:
Proton neden yapılmıştır?
Cevap
Protonlar iki yukarı ve bir aşağı quarkdan oluşur ve uud olarak ifade edilir.
Elektron neden yapılmıştır?
Cevap
Hiçbirşeyden! Bildiğimiz kadarıyla electron temel parçacıktır.
Aşağıdakilerden hangisi quarklardan yapılmıştır?
Baryonlar?
Cevap
Evet, üç quarkdan yapılmıştır.
Mesonlar?
Cevap
Evet, bir quark ve bir anti-quarkdan yapılmıştır.
Baryonlar?
Cevap
Evet, amcanın kızıda quarklardan yapılmıştır.

Maddenin jenerasyonları
________________________________________
Dikkat edilirse, hem quarklar hemde leptonlar üç ayrı set şeklinde varolurlar. Quark ve lepton yüklerine göre her bir set maddenin jenerasyonu olarak bilinir (jenerasyonda aşağı gidildikçe yükler +2/3, -1/3, 0, and -1). Jenerasyonlar kütle artışına göre organize edilir.
Evrende görünen her madde birinci jenerasyon parçacıklarından yapılanır (yukarıquark, aşağı quark ve electron). Zira, diğer jenerasyonların parçacıkları son derece dengesizdir ve kolayca birinci jenerasyon parçacıklarına çözünerek denge ararlar.
Bir dakika, eğer 2 ve 3.cü jenerasyonlar kolayca çözünür ve etrafımızdaki dengeli (stabil) maddelere dönüşüyorsa, neden mevcudiyetleri var?
İyi soru!. Nitekim muon ilk keşfedildiğinde teorik fizikçilerde aynı soruyu sordular..


Öyleyse, neden maddenin jenerasyonları mevcut, neden üç ayrı set?
Bilmiyoruz. 2.ve 3.cü jenerasyonların neden var olduğunu anlamadıkça, henüz keşfedilmemiş yeni quark ve leptonların olabileceği savını gözardı edemeyiz. Belkide quarklar ve leptonlar temel parçacıklar değillerdir!.
Artık dünyamızın neden oluştuğunu biliyoruz. En temel madde parçacıkları altı quark ve altı lepton.

Düşünen heykelin dediği gibi ‘Herşey quark ve leptondan yapıldıysa işler kolay olmalıydı! Belkide doğru, ama biraz daha karmaşık. Hatırlayınız, quarklar hiçbir zaman tekbaşına gözlenemiyor. Sadece, Hadron denilen grup içinde gözleniyorlar ve her madde için anti-madde mevcut.
Parçacıkları birarada tutan nedir? Evrenin 4 kuvveti
Dünyanın quark ve leptonlardan oluştuğuna dair iyi bir fikrimiz olduğuna göre;
devam edecek...
Ateşan Aybars

13 Eylül 2011 Salı

Mitokondrial DNA

Tüm çokhücrelilerde sadece anneden çocuğa nakledilen halkasal kod dizisi
birincil olarak; Prokaryot hücreden ökaryot hücreye geçiş konusuna ışık tutar zira mitokondri ve benzeri organellerin kendi dna dizilerine ve çift katlı membranlara sahip oluşları, prokaryot hücreden ökaryot hücreye geçiş sürecinde bir diğer hücre tarafından fagositozla hapsedilmiş ancak sindirilmek yerine hücre içinde özel görevler alarak simbiyont bir yaşam seçmiş organizmalar oldukları konusundaki tezi destekler niteliktedir. İkincil olarak; evrim konusunda çok önemli çalışmalara dayanak olmuştur. Eşeyli üreyen çokhücrelilerde döllenme esnasında sadece öosit yani yumurta hücresindeki mitokondriler zigot içinde kalır, spermatozoidin çoğunlukla tek olan mitokondrisi ise döllenme gerçekleştiğinde spermle birlikte ölür böylede normal diploid hücre dna'sı hem anne hem de babanın genlerinin birleşimi ile oluşurken, mitokondriyal dna sadece anneden alınmış olur. mitokondriler her hücre bölünmesinde ayrıca bölünerek canlıdaki tüm hücrelere yayılırlar.
Bu konsept şu düşünceyi akla getirmiştir: mitokondriyal dna'nın hücre dna'sına göre çok daha kısa olan kod dizisi incelenir, bu kod dizisi insanlığın başlangıcından beri sadece ve sadece mutasyonlarla değişim göstermiş ve mayoz bölünme geçirmemiş olduğundan, mutasyon oranları karşılaştırılarak ve geriye doğru takip edilerek insanlığın nerede ortaya çıktığı, hangi mutasyon evresinde nerede bulunduğu, hangi yolları izleyerek dünyaya yayıldığı bulunabilir. Ve hatta hatta insanlığın annesi olan havva ya da havvalara ulaşılabilir!
mtdna 16,569 baz çiftinden oluşan halkalı yapıda bir dna'dır, her mitokondride 2-10 arası mtdna bulunur ve bu dna'lar matrikste bulunur, çift zincirden oluşur. Dıştaki zincir guanin ve sitozin bakımından zengin ağır zincir, içteki zincir adenin ve timin bakımından zengin hafif zincirdir. Zincirlerin d loop denilen bölgesinde 2 değil 3 iplik vardır bu yüzden bu bölge pcr'da en zor açılan bölgedir anneden kalıtılır. mtdna'da intron yoktur tamamıyle exonlardan oluşur bu yönden bakteri dna'sına benzemektedir.Üzerinde 37 tane gen vardır.

Şu andaki araştırma sonuçları insanlığın afrika'da ortaya çıkmış olduğu ve afrika dışına iki büyük göç gerçekleştiği savını destekler niteliktedir. İlginç bir sonucu daha aktarmakta yarar var: mutasyon oranları global olarak incelendiğinde, beş farklı genotip havuzuna ulaşılmakta yani insanların mitokondriyal dna kodları, her biri homojen beş farklı gruba dahil edilebiliyor, örnekle açıklamak gerekirse: grup1 ve grup2 arasında (atıyorum) yüzde 1 gibi bir fark varken, grup1'in içine dahil edilen bireylerin dizileri arasındaki fark yüzde 0,1 i geçmiyor.Bu beş grup da 33 alt gruba ayrılabiliyormuş son çalışmaların gösterdiği üzere, (yöntem aynı)
buradan çıkarılabilecek iki netice var: Ya insanlığın ilk dönemlerinde büyük bir mutasyonu tetikleyen, popülasyonu sindiren bir olay gerçekleşti ve beş farklılaşmış mitokondriyal dna'ya sahip sadece beş [ya da 33] dişi soyunu devam ettirebildi ya da insanlığın başlangıcında bir değil beş [ya da 33] adet "havva" var.
Kısaca mtdna ya da mitokondri dna’sı denilen bir bölge anneden çocuğa aynen geçer, çocuğun erkek olmasını sağlayan y kromozomlarının büyük bölümü de hiç bozulmadan babadan oğula geçer. Bilim insanları, kadınların mtdna’sında ve erkeklerin y kromozomunda zamanla biriken mutasyonları karşılaştırarak, göçebe toplulukların yollarının nerede ve ne zaman ayrıldığı konusunda kabaca fikir sahibi olabiliyor.
Döllenmede spermden gelen mitokondri olmayacagi ya da cok az olacagindan annenin mitokondrilerinde herhangi bir mutasyon varsa aktarilan bu olacaktir dolayisiyla bir ailede hasta bir annenin tum cocuklarinda ayni hastaligi gordugumuzde bunun mitokondriyel geçisli oldugunu soyleyebiliriz, isin kotu tarafi ise, mitokondriyel dna'nin heteroplazmi gosteren bir gecisi olmasidir yani hasta kiside mitokondri dagiliminda bir degiskenlik olmasidir bir baska deyisle, falsolu mitokondrilerin toplamda orani fazla ise hastaligin klinik bulguları artacaktir. Bunu bir torbadan top çekmeye benzetebiliriz toplarin yarisi beyaz yarisi siyah olabilir, ama biz torbanin yarisindaki toplari aldigimizda onun hepsi beyaz toplar olacaktir diye bir koşul yoktur o yuzden genetik danisma verilirken mitokondriyel hastalik öyküsu olan bir anneye cocuklarinda hastaligin ne siddette olacagini onceden soyleme sansi yoktur, boyle de kotu bir yonu vardir.

11 Eylül 2011 Pazar

Kuantum Fiziğine Giriş 1

En Temelde Ne Vardır? Nihai Soru?
İnsanlar hep sorarlar,
"Dünya neden yapılmıştır?"
ve
"Onu birarada tutan nedir?"
Dünya neden yapılmıştır?
İnsanlar, doğayı inşa eden birkaç “temel” maddeyi, parçayı anlamak zorundadır. ‘Temel’ sözcüğü parçalara ayrılamayan anlamında kullanılıyor. Yani “temel parçacık” bölünemeyen en küçük parça anlamına geliyor.
Eski Yunan filozofları maddenin özünü, yani “arkesi”ni, dört eleman olarak toprak, hava, su ve ateş diye açıklarlardı. Bugün toprak, hava, su ve ateş’den daha temel elemanlar olduğunu biliyoruz. Bu yöndeki ilk düşüncenin, yani temel eleman olarak parçacık, a-tom düşüncesinin kökleri Demokrit’e kadar gitmektedir.
ATOM
Atomlar, 1900 yılından sonra içinde karşıt elektrik yükleri barındıran ve geçirgen bir parça olarak düşünülüyordu.
Ama Atom temel parçacık mı?
Kısa zamanda ‘elementlerin peryodik tablo’sunda olduğu gibi benzer kimyasal özellikleri taşıyan atomlar gruplar halinde gösterildi.
Dahası, atom üzerinde deneylerle atomun pozitif bir yük ve negatif bir elektron bulutu olduğu anlaşıldı (e_).
Atom çekirdeği temel parçacık mı ?


Küçük, yoğun ve katı olduğu için bilim adamları bu kez çekirdeği temel parçacık sandı. Sonrasında, çekirdeğin proton (+) ve yüksüz nötron’dan oluştuğu anlaşıldı.

Öyleyse, proton ve nötron temel parçacık mı?
Fizikçiler zamanla, proton ve nötronun da ‘quark’ denilen daha da küçük temel parçacıklardan oluştuğunu fark ettiler.
Bilindiği kadarıyla, quarklar geometride bir nokta gibiler ve herhangi birşeyden oluşmuyorlar, yani temel parçacık niteliğine sahipler.
Modern Atom yapısı...
Nötron ve protonlar üçer quarktan , çekirdekler nötron ve protonlardan ve atomlar merkezdeki çekirdek ile etrafındaki elektronlardan oluşmaktadır.
Yandaki atom şeması oldukça orantısız. Gerçekte, proton ve nötron çapı 1 cm olsa, electron ve quarkların çapı saç kılından daha incedir ve atom’un çapı 30 futbol sahasından daha büyüktür. Yani, atomun %99.99999999999 u boşluktur.

Atomun Ölçüsü .
Atom küçük olmakla birlikte, çekirdeği 10 binlerce defa, quark ve elektronlar ise 100 binlerce defa daha küçüktür. Tam olarak quark ve elektronların ne kadar küçük olduklarını bilinmemekle birlikte 〖10〗^(-18) metre cıvarında olduğu tahmin ediliyor.
Bütün bu küçüklüğe rağmen quark ve elektronların temel parçacık oldukları konusu hala kesin değil ve muhtemelen daha küçük temel parçacıklar bulunabilir (aman allahım, bu çılgınlık ne zaman sona erecek!!)
Fizikçiler sürekli yeni parçacıklar aramaya devam ediyor ve bulduklarında evren parçacıklarının nasıl etkileşim içinde olduklarını anlamak üzere kategorize ediyorlar. Şimdilik hepsi 12’si temel yapıtaşı olan 200’den fazla parçacık tanımlandı.
Teorik fizikçiler dünyanın ne olduğunu ve nasıl birarada tutulduğunu ‘Standard Model’ kuramı ile açıklıyorlar. Basit ve kapsamlı olan bu teori 200’ü aşkın parçacığın karmaşık etkileşimini sadece temel niteliği olan 6 quark, 6 lepton (en iyi bilinen lepton elektrondur ve sonraki sayfalarda açıklıyacağım) ile foton gibi güç taşıyıcı parçacıklarla açıklıyorlar.
Bilinen madde parçacıklarının hepsi (quarklar ve leptonlar) güç taşıyıcıları takas ederek etkileşim halindedirler.

Standard Model teorisi yeterli olmamakla birlikte oldukça iyidir. Deneyler, akıl almaz hassasiyetle beklentileri doğrulamış ve yeni parçacıklar bu teori ile ispatlanmıştır. Ancak, herşeyi açıklamakta yeterli değildir. Örneğin, yerçekimi (Gravitasyon) bu model ile açıklanamaz.
Yerküre neden oluşmuştur? (Quarklar and leptonlar)
Belirtildiği gibi galaksilerden dağlara, moleküllere her şey quark ve lepton’lardan oluşmuştur. Ancak, mesele burada bitmiyor çünkü her tür madde için bir anti-madde ve her tür parçacık için bir anti-parçacığın varlığı söz konusudur.
Anti-parçacıklar ilişkili oldukları parçacıklarla aynı davranışı sergilerler, sadece yükleri karşıttır. Örneğin, bir proton’un pozitif yüklü olmasına karşı anti-proton negatif elektrik yüklüdür. Yerçekimi de madde ve anti-maddeyi aynı şekilde etkiler, zira yerçekimi elektrikle yüklü olma özelliği taşımaz. Madde ve anti-madde parçacıkları çarpıştıklarında saf enerjiye dönüşürler.
Hoppala! "Antimadde?" "Saf energi?" Nedir bu, Star Trek?
Anti-madde fikri oldukça saçma gelebilir, zira evren tamamen maddeden oluşmaktadır. Anti-madde evrende bildiğimiz herşeye ters gibi görünüyor. Fakat, yandaki “Sis Odası” fotografında anti-maddeyi görmek mümkün. Düzenekteki manyetik alan negatif parçaları sola, pozitif parçaları sağa yönlendiriyor.
Eğer anti-madde ve madde ters yüklü ama eşit miktarda ise neden evrende anti-maddeden çok daha fazla madde var. Ehh... Pek bilmiyoruz.
Teorik fizikçileri uykusuz bırakan bu olsa gerek…

Quark’lar
Quark’lar bir çeşit madde parçacığıdır. Etrafımızda görülen maddelerin çoğu quark’lardan oluşan proton ve nötronlardır.

6 çeşit quark vardır ama fizikçiler onları üç çift olarak görürler: yukarı/aşağı, çekici/tuhaf, tepe/dip (her quark için bir anti-quark olduğu unutulmasın)
Proton (+1) ve electron’dan (-1) farklı olarak quarkların elektrik yükleri kesirlidir. Ayrıca, daha sonra açıklanacağı gibi farklı bir elektrik yada renk yükleri (color charge) vardır.
Tepe quarkı, 20 yıl teorik çalışmalar sonucu 1995 de keşfedildi.

Quarkların isimlendirilmesi...
1964 yılında, Murray Gell-Mann and George Zweig, yüzlerce parçacığın sadece üç temel parçacık açısından ifade edilebileceğini önerdiler. Gell-Mann "quarks," ismini seçti. Hesapların tutması için quark’lara 2/3, -1/3 gibi kesirli yükler atanmalıydı. Bu çeşit yükler doğada hiç gözlenmediğinden, bu quarklar matematik bir oyun gibiydi. Ancak, sonrasında yapılan deneylerle quark’ların mevcut olması yanında üç değil altı adet oldukları gözlendi.
Quarklar aptalca isimleri nasıl aldılar?
Altı farklı quark çeşidi (flavors) var ve en hafif ikisi yukarı ve aşağı quark olarak bilinir.
Üçüncü quark tuhaf (strange) olarak bilinir. Quark içeren çok uzun ömürlü K parçacığı olarak bilinen kompozit parçacığa atfen isimlendirilmiştir.
Zarif yada çekici (charm) olarak bilinen dördüncü quark, 1974 yılında eş zamanlı olarak Stanford Linear Accelerator Center (SLAC) ve Brookhaven National Laboratory’da bulundu.

Aşağı (bottom) quark ilk defa 1977 yılında Fermi National Lab (Fermilab),’da Upsilon ( ) denilen kompozit parçacıklar bulundu
Tepe (top) quark, 1995 yılında yine Fermilab’da son quark olarak bulundu. En yoğun olan quark. Uzun süre varlığı tahmin edilmekle birlikte 1995 yılında bulundu.
Devam edecek…..
Ateşan Aybars.