Özel ve Genel Görelilik Kuramı (Ateşan Aybars, 18 Mayıs 2012)

 

Özel ve Genel Görelilik Kuramı

David Hume’un önermelerini (sentetik/ analitik) okurken dogmatik uykusundan (dogmatic slumber) irkilen İ. Kant, Hume’un sentetik ve analitik önermelerini önsel  (apriori) ve sonsal (aposteriori) önermelerle birleştirerek ampirik ve ussal (rasyonel) ‘Alman İdealizmi’ni oluşturdu. İ. Kant’ın savunduğu gibi, evren hakkındaki bilgilerimizin yanlızca deney yolu ile mümkün olmadığını, örneğin zaman ve mekan sezgisinin zihnimizde önsel (apriori) olduğunu en iyi şekilde  A. Einstein’in olağanüstü sezgisinde gözlüyoruz. A.Einstein’ın Newton yasasında yaptığı değişiklikler insanlık tarihinin en en şık ve zarif sezgiciliğine örnek gösterilebilir. Zaten, A. Einstein kendinden önceki bilimsel bulguları, örneğin, Newton kütleçekim yasası, Maxwell’in elektromagnetik dalgasının ışık hızında gitmesi, Lorentz’in referans dönüşümleri vb. gibi yasaları biraraya getirip bütüncül resmi çizebilmesi de bu yeteneğini göstermektedir.

A. Einstein ‘Özel Görelilik’ kuramı (1905) ile Newton’un statik uzay ve zamanının ışık hızı ile sabitler ve hem zaman hem mekan görecelidir. Özel kuram, hızın değişmediği (ivmesiz) sistemler için geçerlidir. Havaalanı yada AVM’lerde kullanılan ‘yürüyen merdivenler’le görecelik kavramı çok basite indirgenebilir. Hızı 3 km/s olan bir yürüme merdiveni düşünün. Kenarda gözlem yapan birisi için yürüme merdiveninde sabit duran bir kişinin hızı 3 km/s’dir. Merdivendeki kişi 5 km/s hızla yürümeye başlarsa, kenardaki gözlemci için hız 8 km/s olur. Kime göre? Kenardaki gözlemciye göre. Merdivende yürüyen kişi ise kendi hızını 8 km/s olarak değil 5 km/s olarak gözler. Buraya kadar pasif Newton uzay ve zamanı. Ama nesneler ışık hızına yaklaşıldıkça, Einstein’ın aktif uzay-zaman kavramına geliriz ve sağduyumuzun algılamakda zorluk çekeceği garip olaylar başlar. Hızla giden nesne için zaman ve uzunluk kenardaki gözlemciye göre kısalmaya başlar (t’= δ.t; l’= δ.l olur. 0 < δ <1). Işık hızı 300.000 km/sn ile sabit referans olduğundan zaman ve mekan değil zaman-mekan bütünü bu sabite uyarlanır. Ancak, özel görelilik kuramı değişken hızı olan (ivmelenen) sistemler için geçerli değildir.

Peki, A. Einstein genel görelilik kuramına, yani hızın değiştiği (ivmeli) sisteme nasıl geçer? Popüler ikizler paradoksun’da ikizlerden birinin uzay yolculuğu dönüşünde kardeşinin çok yaşlandığını gördüğü bilinir. Ancak, dünyadaki ikiz, aslında uzay seyahatindeki kardeşinin durağan ama galaksinin etrafında çok hızlı döndüğünü ve yaşlanmanın uzay yolculuğuna çıkan ikizi için doğru olduğu paradoks’unu öne sürebilir. Dünyadaki ikiz ile uzaydaki kardeşi yer değiştirse fizik denklemleri açısından fark yoktur, aynı sonuç elde edilir, zira fizik yasaları her tür referans için simetriktir. Oysa, uzaylı ikizin ışık hızına doğru yükselmesi için hızının değişmesi (ivmelenmesi) simetrinin kırılması  demektir. A. Einstein’ın genel görelilik kuramı için simetri kırılmasının çözümü, yani ivmeli hareketi özel görelilik kuramı ile birleştirmesi gerekti. Nitekim, Newton yasalarını *Benzerlik (equivalence) Prensibi  ve doğrusal hareketi **‘geodezik’ kavramı ile değiştirerek bilim tarihinin en güzel, en zarif akıl yürütmesini sergileyerek genel görelilik kuramını başarmıştır.

*A.Einstein önce, Newton’un iki yasasının (F=g(mM)/d² ve F= m.a)  ‘Einstein odası düşünsel deneyim’i ile farklı olmadıklarını, her iki yasanın aynı şey olduğunu düşündü. Gerçekten kütleçekim diğer doğa güçleri gibi olmayıp serbest düşüş halinde hissedilmez. Newton’un kütleçekim yasası yerine uzay-zaman bütününün kütle ile eğrildiğini ve bu eğriliğin kütleçekim’e sebep olduğunu gösterdi. Kütlelerin sebep olduğu bu eğrilik çekimi (uzay bükülmesi) 1919 da A. Eddington tarafından gözlendiğiı gibi ışık (foton) dahil tüm maddeler için geçerlidir.

**Düzlem (Öklid) geometrisinde doğru olan ve Newton’un iki nokta arasında en kısa mesafenin bir doğru olduğu gerçeğinin, Einstein uzayında (Riemann Geometrisi) doğru olmadığını ve uzay geometrisinde eğimli de olsa herhangi bir nesne zaman içinde en kısa mesafe olan ‘Geodezik’ boyunca ilerleyeceğini düşündü. Üç adet ‘Geodezik’ (time/space/null) ve Minkowski’nin katkısıyla ışık konisini oluşturdu.

Newton’a göre herhangi bir nesneye kuvvet etki etmedikçe aynı doğrultuda yol alır. Einstein, Newton’un bu ifadesini  herhangi bir nesneye kütle çekim (gravity) dışında bir kuvvet etki etmedikçe ‘Timeline veya Null Geodezik’ doğrultusunda yol alır şeklinde değiştirdi. 

Ateşan Aybars (18 Mayıs 2012)

www.kadikoydusunceplatformu.blogspot.com

Kuantum Fiziğine Giriş 6

Farklı Girişimler (Interactions)
Elektromanyetik, zayıf ve güçlü nükleer girişimler parçacık bozunmasına yol açarlar. Ancak, sadece zayıf nükleer kuvvetlerin girişimleri temel parçacıkların bozunmasına yol açabilir.
Zayıf nükleer kuvvet bozunması:
Sadece zayıf girişimler temel parçacıklar diğer zayıf parçacıkları oluşturabilir. Fizikçiler bu tür parçacıklara ‘flavors’ diyorlar. Zayıf girişimler çekici quarkları tuhaf quarklara dönüştürürken (çekici ve tuhaf flavor’dur) bir virtual W boson’u yayarlar. Sadece zayıf girişimler (W boson vasıtası ile) flavor değiştirebilir ve temel parçacığa dönüşmeyi sağlarlar.
Electromanyetik bozunma:
0 (nötr pion) bir meson’dur. Quark ve Antiquark birbirlerini yok edebilirler; bu yokolma (annihilation) sonucu iki foton oluşur. Bu elektromanyetik bozunma için bir örnektir.
Güçlü nükleer bozunma:
parçacığı bir meson’dur ve güçlü nükleer bozunma sürecinde hadron denilen iki gluon ortaya çıkar.
Güçlü nükleer kuvvet taşıyıcısı olan gluonlar renk değişimini sağlayan dönüşüme aracılık ederler. Zayıf nükleer kuvvet taşıyıcı parçacıkları, W+ ve W-, parçacıkların flavor (ve elektrik yükü) dönüşümüne aracılık ederler.
Yokolma (Annihilations)
Yokolma, şüphesiz bozunma değildir ama bu fenomen virtual parçacıklarla gerçekleşir. Bir yokolma olayında madde ve antimadde tamamen enerjiye dönüşürler.
Yani, birbirleri ile girişim sonucu, önceki varlıklarını son derece hareketli kuvvet taşıyıcı enerji parçacıklarına ( gluon, W/Z, yada foton gibi) dönüştürürler. Bu parçacıklar daha sonra diğer parçacıklara dönüşürler.
Bozunma ve yokolma’dan bir hayli bahsettiğimize göre örneklere geçebiliriz.
Nötron Beta bozunması
Bir nötron (udd) bozunarak; bir proton (uud), bir elektron ve bir antinötrino’ya dönüşür. Bu olaya Nötron beta bozunması denilir.
• Küme 1: Nötron (yük = 0) up, down,down (upp) quarklardan oluşur.
• Küme 2: Down quarklardan birisi up quarka dönüşür. Down quark -1/3 ve up quark 2/3 yük taşıdığından, bu prosesin virtual W- parçacıkları tarafından aracılık edildiği görülür. Zira, bu parçacıkların yükü (-1) dir ve enerji korunmuştur.
• Küme 3: Yeni up quark, W- çıkışıyla oluşmuş ve nötron proton’a dönüşmüştür.
• Küme 4: Virtual W- boson’dan bir elektron ve antinötrino oluşur.
• Küme 5: Yeni proton, elektron ve antinötrino birbirlerinden uzaklaşırlar.
Bu oluşum sürecinde ara kümeler görülmez ve herşey saniyenin milyarda, milyarda, milyarda birinde gerçekleşir.
Açıklanamayan sırlar (Standard Model Sonrası)
Standard Model, altı quark, altı lepton ve dört kuvvet taşıyıcılarının yapısı ve stabilitesi üzerine birçok soruyu cevaplayabilir ama henüz tamamlanmış değildir. Hala cevaplanamayan birçok soru vardır.
Neden evrende maddeleri gözleyebildiğimiz halde simetrisi olduğunu düşündüğümüz anti maddeleri hemen hemen hiç gözleyemeyiz?
Kosmos’da yerçekimi etkisi olduğu bilinen ve görünmeyen ‘Kara Madde’ nedir?
Neden Standard Model parçacık kütlesini tahmin edemiyor?
Quarklar ve leptonlar gerçekten temel parçacıklarmıdır yada daha farklı temel parçacıklardan mı oluşurlar?
Neden quarklar ve leptonlar tam olarak üç jenerationdan oluşur?
Bütün bunlara yerçekimi etkisi nedir?
Teori olarak Standard Model
Standard Model deneylerle gözlenen fenomenleri tatmin eder bir şekilde açıklamasına rağmen henüz tamamlanmış bir teori değildir. Bazı parçacıkların neden varoldukları bu teori ile açıklanamıyor. Örneğin, fizikçiler tepe quark dışında tüm quarkların kütlelerini yıllardır bilmelerine rağmen, tepe quark kütlesi sadece deneylerle tahmin ediliyor ve Standart Model parçacık kütlesi için makul bir açıklama getiremiyor.
Öyleyse, Standard Model yanlışmıdır?
Hayır – fakat, Einstein’ın rölativite teorisi ile Newton klasik mekaniğini aşması gibi Standard Model’in de ötesine gitmek zorundayız. Isaac Newton'un mekanik yasası elbette yanlış değildir. Ancak teorisi sadece ışık hızı altında kalındığında geçerlidir. Einstein, çok yüksek hızlarda Newtonyan fiziğini nasıl aştıysa, Standard Model’inde kütle, yerçekimi ve diğer fenomenleri açıklayabilecek seviyelere çıkarılması gerekir.
Üç nesil

Üç grup quark ve lepton çiftlari vardır.Herbir grup nesil (Jenerasyon) olarak tanımlanır. Up/down quarklar ilk nesil quarklar olarak bilinirken elektron/elektron nötrino leptonları ilk nesil leptonlardır.
Neden tam olarak maddelerin üç nesli vardır?
Nesiller kütle olarak artarlar ve yüksek jenerasyonlar bozunarak düşük jenerasyonlara dönüşürler. Günlük yaşamımızda sadece ilk nesil parçacıklarını (elektrons ve up/down quarklar) gözleyebiliriz. Gerçek dünyamızın neden iki nesile daha ihtiyaç duyduğunu ve neden toplam üç nesil olduğunu bilmiyoruz.


Peki, ya Kütle?
Standard Model parçacıkların neden kütlesi olduğunu açıklayamıyor. Örneğin, hem foton hem W parçacıkları kuvvet taşıyıcı parçacıklar olmasına rağmen, foton neden kütlesizdir? W parçacığı aşırı kütlelidir?
Teorik fizikçiler Higgs alanı, ile girişimlerin parçacık kütlesini oluşturduğuna ilişik teori geliştirmişlerdir. Higgs alanı parçacıkları Higgs boson’larıdır Higgs Bosonları henüz gözlenmemiş olmakla birlikte heyecanla araştırılmaya devam ediliyor.
Grand Unified Theory (GUT)
Bugün parçacık fiziğinin en önemli amaçlarından biri, evrenin organizasyonunu çok şık bir şekilde açıklamayı amaçlayan ve Grand Unified Theory denilen bu teori çerçevesinde değişik temel güçleri birarada yorumlayan bir teori geliştirmektir. Böyle bir basitleştirme sayesinde güncel sorular ve gelecek çalışmalar daha da kolaylanır.
James Maxwell , elektrik ve manyetizmayı birarada yorumlayarak, fizikçilerin önünü açmış ve bugün yüksek enerji alanında elektromanyetik ve zayıf nükleer kuvvetlerin aynı güçlerin parçası olduğu anlaşıldı. Einstein son yıllarında elektrik ve yerçekimini yeni bir teori çerçevesinde açıklamak istedi ama başaramadı…


Kuvvetler ve GUT
Fizikçiler, Grand Unified Theory ile Elektromanyetik, güçlü ve zayıf nükleer kuvvetler arasında girişimleri bir arada yorumlama çabasındalar. Birkaç öneri olmakla birlikte daha fazla çalışma ve zaman gerekiyor.
Eğer ‘Grand Unification’ ile tüm girişimler mümkün olsaydı, gözlediğimiz tüm girişimler unified interaction’ın bir parçası olacaktı. Ancak, bu böyle olsaydı, nasıl olurda, elektromanyetik, zayıf ve güçlü girişimler güçleri ve etkileri açısından bu kadar farklı olabilirdi ? Tuhaf bir şekilde güncel bilgiler ve teori, çok yüksek enerji seviyelerinde bu farklılıkların tümünün tek bir güç alanında birleştikleri açıklanabiliyor.
Supersimetri
Bazı fizikçiler yerçekimi ve diğer kuvvetleri bir arada yorumlamak üzere önemli ipuçları elde ettiklerini öneriyorlar. Her temel parçacığın kütleli bir gölge taşıyıcı parçacığı ve her güç taşıyıcısının gölge madde parçacığı vardır. Madde parçacıkları ve kuvvet taşıyıcıları arasındaki ilişkiyi supersimetri olarak tanımlıyorlar.Örneğin, her quark parçacığın ‘Squark’ denilen karşı parçacığı yada simetrisi vardır.
Bugüne kadar supersimetri parçacıkları gözlenmemiştir ama CERN and Fermilab bu çabalar sürdürülmektedir.
String Teorisi
Quantum fiziği, görelilik ve yerçekimi konularında Modern Fizik oldukça tatmin edici teoriler geliştirmiştir. Ancak, bu teoriler bir arada pek istenen sonuçları vermemektedir. Alıştığımız üç boyutlu evrende çözüler zorlanmakta fakat daha fazla boyutlar (saklı boyutlar) ile problemlerin çözülmesi bekleniyor.
String Teorisi, modern fiziğin önerdiği son teori, üç boyut yanısıra birçok daha küçük boyutlar önermektedir.
Üç boyut ötesinde nasıl boyut olabilir?
İp üzerinde bir cambaz ve böcek düşünülürse, cambaziçin ileri-geri bir boyut olmakla birlikte, böcek bu iki yön yanında sağa-sola yada iki boyut içinde hareket edebilir.
Ateşan Aybars.

Kuantum Fiziğine Giriş 5

Parçacık bozunması (Decay) ve Yokolma (Annihilations)
Bozunma (Decay) nedir?
Standard Model bazı parçacıkların neden bozunduğunu açıklar.
Nükleer bozunmada atom çekirdeği daha küçük çekirdeklere bölünebilir. Bu normaldir ama bozunma değildir. Bozunma temel parçacık yani daha fazla bölünemeyen parçacıklara özgüdür. Yani, parçacık bozunması temel parçacığın diğer bir temel parçacığa dönüşümüdür. Bu biraz tuhaf. Zira, bozunan parçacık tamamen farklı bir temel parçacığa dönüşür.
Şimdi biraz da bozunma türleri, nasıl olduğu ve hangi koşullarda bozunmanın gerçekleşip gerçekleşmediğine bakalım.
Radyoactivite
1800 lü yılların sonuna doğru Alman fizikçi Wilhelm Röntgen, bir elektron demetinin meyal yüzeye çarpmasıyla "x ışınları" denilen yeni bir ışın oluştuğunu gözledi..
İki ay sonrasında Fransız fizikçisi Henri Becquerel, Uranyumun doğal olarak –herhangi birenerji verilmeden- benzer ışınları saçtığını gözledi. Bozunma sebebiyle stabil olmayan atomların saçtığı enerjili parçacılara radyoactivite denildi.

Radyoaktif Parçacıklar
Bilim adamları nihayet radyoaktif bozunma ile oluşan birkaç tür radyasyonu anladılar. Yunan alfabesi ile gösterilen üç çeşit radyasyon: (alfa), (beta), and (gama) olarak kabul edildi.
Helyum çekirdeğinin alfa parçacığı (2 p, 2 n)
Hızlı elektronlar (Beta parçacıkları)
Gama radyasyonu yüksek enerjili fotonlar
Üç parçacık da magnetik alandan etkilenir,
• Pozitif yüklü alfa parçacığı bir yöne sapar,
• Negatif yüklü beta parçacığı ters yönde sapar,
• Ve yüksüz gama radyasyonu sapmaz.
Alfa parçacığı bir kağıt ile tutulurken, beta parçacığı bir aluminyum kağıt ile engellenebilir. Ama gama ışını için kalın bir demir tabakası gerekir..

Radyoaktif bozunma (decay) üzerine bazı kafa karıştıran konular
Bazı ağır metaller daha hafif elementlere dönüşürler ama yakın bir inceleme kafa karıştıran meseleleride beraberinde getiriyor.
Örneğin uranyum-238 bozunmasına bakalım.
Bir uranyum-238 parçası sabit bir oranda 4,460,000,000 yıl boyunca kütlesini yarıya indirir. Fakat belirli bir uranium atomunun ne zaman bozunacağını söylemek mümkün değildir. 5 dakika sonra da olabilir bir milyar yıl sonrada! Bir atom neden sadece olasılıklar çerçevesinde bozunacaktır?
Uranyum-238in kütlesi 238.0508 atomik kütledir(u). Alfa parçacığı (4.0026 u) saçarak bozunur ve Toryum’a (234.0436 u) dönüşür.Ama uranyum'un kütlesi azalmıştır. Neden kütle azalmıştır?
Çekirdeğin içine bakalım
Bu sorulara cevap vermeden önce, çekirdeğin doğasına ve quantum mekaniğine bakalım.
Protonlar pozitif yüklüdür ve elektrik olarak birbirlerini iterler. Eğer gluonlar vasıtası ile bir arada tutulmasalardı çekirdek parçalanırdı. Buna güçlü nükleer kuvvet diyoruz.
Çekirdeği sıkıştırılmış bir yay olarak düşünürsek, itici güç elektrik itmedir. Etrafına sarılan halat ise güçlü nükleer kuvvet olarak düşünülebilir. Yay’da birkmiş büyük bir enerji olmasına rağmen halat sağlam olduğundan yay açılamaz.

Bir olasılık varsa o olacaktır.
Atomaltı parçacıklar günlük hayatta alıştığımız gibi davranmazlar. Bir parçacığın ne yapacağını söylemek mümkün değildir, sadece ne yapabileceğini söyleyebiliriz.
Proton ve nötronlar çekirdek içinde hareket ederken alfa parçacığı olup (2p-2n) çekirdek dışına çıkma olasılığı uranium gibi büyük çekirdeklerde daha fazladır.
Alfa parçacığı güçlü nükleer kuvveti yenip çekirdek dışına (radyasyon) çıkabilir.

Kayıp kütle
Soruya hala cevap vermek durumundayız. Radyoaktif bozunma ile eksilen kütle nerede? Uranyum çekirdeği radyoaktif bozunma ile kaybettiği kütlesi kinetik enerjiye dönüşür.
Parçacık bozunmasının taşıyıcıları
Atom çekirdeği bölünmekle daha küçük parçaları oluşturmakla birlikte temel parçacıklar nasıl olur da daha küçük temel parçacıklara dönüşebilirler? Temel parçacıklar bölünemez ama başka parçacıklara dönüşebilirler.
Bir temel parçacık bozunarak daha az kütleli bir parçacığa dönüşürken yanında kuvvet taşıyıcı (her zaman W boson) oluşur. Bu kuvvet taşıyıcılar (force carrier) daha sonra yeni parçacıklara dönüşebililer.
Çok defa bu geçici kuvvet taşıyıcılar enerji korunumu yasasını ihlal eder gibi görünsede, ömürleri çok kısadır ve ‘Heisenberg Belirsizlik Prensibi, çerçevesinde değerlendirildiğinde kaide bozulmaz. Bu parçacıklara ‘virtual parçacıklar denilir.

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.

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)

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

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.