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.