2023 Nobel Fizik ödülü attosaniye fiziğine gitti. Dinleyin… Duyuyor musunuz? Bu bir kalbin atım sesi. Biraz yavaş… Her saniyede bir defa atıyor. Eğer bu kalp, ta evrenin ilk gününden beri böyle atıyor olsaydı, yaklaşık bu kadar kez atmış olacaktı. 18 basamaklı bir sayı bu.
Bu sayıyı yukarıya doğru yuvarlayalım şimdi. Evrenin kalbi olsaydı bugüne kadar 1 kentilyon kez atmış olurdu. Kentilyon da ne?
Peki ya evrendeki tüm saniyeler 1 saniyede geçseydi… O zaman saniyeler attosaniyeye dönüşürdü.
Yalnızca bir saniyenin içerisinde, yani bu duyduğumuz kalp atımı kadar geçen sürede, işte bu kadar attosaniye var! İşte bu öylesine küçük bir zaman dilimi. Bir saniyenin kentilyonda biri.
Şimdi, o kadarcık kısa bir süre içinde olup bitenleri anlayabildiğinizi bir düşünün. Tüm evrenin varlığı boyunca tek bir kalp atışına odaklanabildiğinizi…
İşte 2023’ün Nobel Fizik ödülü, bu küçücük attosaniye ölçeğinde ışık atımlarını üretebilen teknolojinin geliştirilmesine verildi.
Artık elektronların dünyasına giriyoruz!
Bu sayede ilk defa elektronun madde içerisindeki dinamiklerini, daha önce hiç ölçemediğimiz kadar hassas ölçebilecek ve göremediğimiz şeyleri anlamaya başlayacağız. Einstein’a Nobel ödülü getiren fotoelektrik olaya daha yakından, yavaş çekim olarak bakabileceğiz. Bu sayede daha hızlı elektronikler geliştirecek, tıpta önemli ilerlemeler kaydedeceğiz. Peki ama nasıl?
Gündelik hayatımızda saniyeyi bile pek kullanmıyoruz. Saat kaçta burada olacaksın, kaç dakikaya gelirsin… Hassas zaman gerektiren yarışlarda bile milisaniye, yani saniyenin binde biri ölçeği bizim için fazlasıyla yeterli. İşte milisaniye saniyenin binde biri. İşler biraz daha ciddiye binince, onun da binde biri olan mikrosaniye ölçeğine gidiyoruz. Proteinlerin katlanması bu zaman ölçeğinde gerçekleşiyor ya da bir müon parçacığının ömrü bu civarlarda. Bir kere daha bine bölersek, nanosaniyeye gidiyoruz. Artık bu ölçekte gerçekleşen olaylara verebileceğim örnekler atomik düzeylerde. Fakat bu süre hala çok fazla, çünkü birkaç nanosaniyede ışık, odamda bir uçtan öbürüne ulaşıyor. Bu atomdan çok daha büyük bir ölçek. O yüzden bu yeterli değil.
Işık atom içerisinde bir noktadan diğerine giderken ne kadar süre geçiyor? Bir kere daha bine bölelim! Pikosaniye. Yetmedi, ışık bu sürede 0.3 mm yol kat ediyor. Gözümle göreceğim neredeyse. Bir kere daha bine bölelim. Femtosaniye… Görünür bölgedeki ışığın periyodu birkaç femtosaniye aralığına düşüyor. Ortalama bir kimyasal reaksiyonun süresi bu mertebelerde.
İşte fizikçiler için uzun bir süre femtosaniye bir limitti. Moleküldeki atomlar femtosaniye ölçeğinde hareket ediyor olmalarına rağmen, önemli bir şey bundan daha hızlı hareket ediyor: Elektron.
Elektron femtosaniye mertebesinde çok hareketli. Dolayısıyla ona baktığımız zaman bir nevi bulanık bir görüntüyle karşılaşıyoruz. Tıpkı bir sinekkuşunun kanat çırpışını izlemek gibi. Kameramız saniyede 30 kareyle video çekiyor ama, sinekkuşu saniyede 70 kere kanat çırpabiliyor! Saniyede 30 kere kanat çırpsaydı bile tek bir karede kanadı yukarıdan aşağıya gidip gelecekti ve biz yine hareketli, böyle bulanık bir görüntü görecektik. Yani kanat çırptığını görebilmek, kanadın şeklini anlayabilmek, üzerindeki desenlere bakabilmek… Bütün bunları yapabilmek için daha da hassas zaman ölçeğinde kayıt alabilmeliyiz! İşte attosaniye fiziğiyle elektronun dinamiğini bu şekilde daha iyi anlayabileceğiz.
Fakat bu sadece bir analoji tabii. Gerçekte elektron, böyle bir top gibi bir şey değil. Parçacık dediğimizde aklınıza katı cisimler gelmesin. Elektron öyle şak diye fotoğrafını çekebileceğimiz bir şey değil. Atomun etrafında bir olasılık bulutunda yer alıyor. Peki o zaman tam olarak biz neyi ölçeceğiz? Bu attosaniye atımlar üreten lazerler tam olarak ne yapıyor?
Einstein’a Nobel ödülü getiren fotoelektrik olayı hatırlayalım. Işık, yani fotonlar, bir materyale çarptığında oradan elektron koparıyorlar. Einstein bunu 120 yıl kadar önce buldu ve o günden bugüne teknolojimizi şekillendirdi. Şimdi çok basit bir soru soralım: Burada ışık, elektrona çarptığında tam olarak ne oluyor? Misal o elektron oradan anında mı fırlıyor? Yoksa önce foton soğuruluyor, biraz zaman geçiyor, elektron sonra mı fırlıyor? İşte bu kadar basit bir soruyu sorsaydınız, uzunca bir süre muhtemelen şu cevabı alırdınız: Elektron anında fırlıyor. Ama kimse emin değildi. Fizikçilerin böyle düşünmüş olmaları şaşırtıcı değil, çünkü bu zaman ölçeklerine erişmek o zamanlar imkansızdı. İşte attosaniye fiziği ölçümleri sayesinde, bu tür olayları daha yakından görmek mümkün hale geldi. Bu ölçeklerde her şey donukmuş gibi duruyor. Tıpkı bir yavaş çekimde olduğu gibi, sadece sinekkuşunun kanatlarının, elektronun hareketini izliyoruz. O gecikmeleri, farklı davranışları izleyebiliyoruz.
Peki bu nasıl mümkün kılındı? Videonun başındaki kalp atımlarını hatırlıyor musunuz? Hah işte bu ses… Kalp atımları… Attosaniye lazerler de bunun gibi atımlar üretiyor. Pulse dedikleri bu. Işık paketleri bunlar. Sadece attosaniye süre boyunca varlar. Işığın nabzı… Fakat bunları oluşturmak o kadar kolay değil. Hatta uzunca bir süre lazer laboratuvarı 6 femtosaniyenin altına inemedi. 1980’li 90’lı yıllarda bir takım deneyler yapıldı. Yüksek güçte infrared lazerler bazı gazlara doğru ateşlendi. Bunu yaptığınızda atomik düzeyde şöyle olaylar gerçekleşiyor.
Atomun etrafında bulunan elektron, bir alanın içerisinde hapsolmuş durumda. Bu yüzden atomu tek başına terk edemiyor. Fakat yüksek güçlü infrared lazerden gelen alan sayesinde elektron, bu potansiyel bariyerini kuantum tünelleme yoluyla aşıyor. Normalde bizler duvardan geçemiyoruz ama parçacıklar kuantum tünelleme yoluyla bu tür bariyerleri aşabiliyorlar. Hatta yıldızların içerisinde gerçekleşen nükleer reaksiyonları buna borçluyuz. Neyse, bu lazerden gelen alan öyle ki, elektron tam alıp başını gidecekken tam ayarında değişiyor ve elektron geri ivmeleniyor. Geriye, ilk haline döndüğünde de bir sürü ekstrem ultraviyole foton yayıyor. Bu sürece high-harmonic generation (HHG) adı veriliyor.
İşte bu oluşan moröte HHG’ler, doğru koşullar altında hassas bir şekilde ayarlanırsa, hepsi bir araya geldiğinde birleşiyor ve attosaniyelik pulseları, atımları oluşturuyor. Tıpkı bir gitarın telleri gibi. Her biri ayrı ayrı farklı frekanslarda çalsalar da, bir arada çaldıklarında birleşerek bir tını oluşturuyorlar. İşte o tını, elektronun dinamiğini anlamamıza yardımcı olacak.
Ders sırasında telefonu çaldığı için dersi bırakıp dışarıya çıkan şu kadına bir bakın! Öğrenciler içeride beklerken o kıkır kıkır gülüyor bir de! Bu kadın Anne L’Huillier, 2023 Nobel Fizik Ödülünü paylaşan üç kişiden biri. Attosaniye ölçekte atımlar üretebilmemiz için gerekli ilk teorik hesaplamalar onun ekibinden 1987 yılında çıkıyor. Oluşan spektrumu deneylerle örtüşecek şekilde tahmin etmeyi başarıyorlar. Ve merak etmeyin, Nobel haberini aldığı için dersten çıktıktan sonra dersine de geri dönüyor! Derste de ne anlatıyor bilin bakalım 🙂 Atomdaki elektron geçişlerini… Bu fotoğraf o sırada bir öğrencisi tarafından çekilmiş. O öğrenciler için unutulmaz bir ders olsa gerek 🙂
Nobel’i paylaşan diğer iki kişiden Pierre Agostini, 2001’de ilk defa 250 attosaniye süren ardışık ışık atımları oluşturmayı başarıyor. Aynı sırada Ferenc Krausz da farklı bir deney üzerinde çalışırken 650 attosaniye süren tek bir atım oluşturmayı başarıyor.
Peki o kadar anlattık elektronu izleyip, daha iyi anlayacağız diye. Bu durum Heisenberg’ün belirsizlik ilkesi ile çelişmiyor mu? Kuantum mekaniğine göre belirsizlikten kurtulamıyor olmamız lazım değil mi?
Aslında burada kuantum mekaniğiyle çelişen hiçbir şey yok. Tam aksine L’Huillier’in yaptığı hesaplamalar da kuantum mekaniğinin baş tacı olan Schrödinger denkleminin çözümlerinden geliyor. Elektron bir katı cisim olmadığı için, onu gündelik hayatta bir şeyleri izler gibi görmeyeceğiz. Dolayısıyla belirsizlik ilkesini ihlal eden bir şey olmayacak. Tam olarak lazerin çalışma prensibinde olduğu gibi gözlemleyeceğiz aslında. Hani elektron potansiyele şöyle döndü böyle yaptı dedik ya. E bunları da video izler gibi görmedik aslında. Gözlemlerimiz sayesinde neler olduğunu, teorilerimizle harmanlayarak kestirebiliyoruz. Teoriyle gözlem uymuyorsa, bilmediğimiz bir şeyler keşfediyoruz. O yüzden attosaniye fiziği, aynı zamanda kuantum fiziğinin sınırlarını test etmemize de yardımcı olacak. Einstein’ın fotoelektrik etkisi sayesinde gelişen teknolojide olduğu gibi, attosaniye fiziği sayesinde de daha hızlı elektroniklere sahip olacağız.
Evrenin hımmlayan sesini duyduktan sonra, bir de elektronun atımlara… Verdiği tepkiyi ölçeceğiz.
Tüm evrenin varlığı boyunca tek bir kalp atışına odaklanacağız.