Gördüğümüz her şey göremediğimiz pek çok şeyi içeriyor. Mesela şu bitki.
Bir gövdesi, ona bağlı dalları ve dalların üzerinde yaprakları var. Peki o yaprakları bölseydik ne görürdük? Hücreler. Peki ya hücreleri bölseydik? Moleküller. Peki ya molekülleri bölseydik? Atomlar.
Peki ya atomları bölseydik?
Bölünemez demişti Yunan filozof Democritus, Atomos! (Yunanca’da bölünemez demek.) “Bütün şeyler, bölünemez bazı ufak şeylerden oluşur.”
Evet bir yerlerde bitmesi lazım bu bölünme işleminin. Sezgisel olarak maddeyi oluşturan şeylerin, bölünemez tek bir şeyden oluştuğu fikrine biraz düşünürsek bizler de varabiliriz.
Böyle bir bitkiyi, şöyle parçalarla gösterelim. Bir kaç çeşit lego parçasını birbirine farklı şekillerde bağlayınca bu çıkıyor ortaya. Bunu böle böle parçalarına ayırırsam en küçük yapı taşlarına ulaşıyorum. Yani bu lego parçaları atom. Çünkü atomos, bölünemez!
İşte binlerce yıldır öyle olduğunu zannediyorduk. Oysa bundan daha küçük bir çekirdek, ondan daha küçük subatomik parçalar ve onlardan da küçük temel parçacıklar var. Hem de 17 tane. Asıl bölünemeyenler onlar.
İşte bu videoda onların ne olduğunu tek tek inceleyeceğiz.
Bu atom. Daha doğrusu en basit atom modeli. Merkezinde bir çekirdeği var. Etrafında da elektronlar bulunuyor ve bunlar bir yörüngede çekirdeğin etrafında dolanıyorlar. Proton ve nötron, çekirdeğin içerisinde birbirine oldukça yakın bulunuyor. Etrafımızda gördüğümüz maddeleri oluşturan atomun temel modeli bu. Fakat bu model eksik.
Elektronları, tıpkı Güneş’in etrafında dönen gezegenler gibi düşünmüştük. Fakat aslında bu kadar klasik bir hareketi yok. Kuantum mekaniği bizi bu atomdan…
Bu atoma götürdü. Burada çekirdeğin etrafında görünen renk dağılımı, aslında elektronun her bir konumda bulunma olasılığını bize söylüyor. Elektronu daha parlak olan yerlerde bulma olasılığımız daha fazlayken, daha sönük olan yerlerde daha az. Bazı yerlerdeyse hiç yok. Yani elektron kesin olarak buradadır ve böyle dolanıyordur demekten, elektron buralarda bir yerlerde olmalıya geçiş yaptık. Kuantum mekaniğinin belirsiz dünyası, bizi olasılıksal ve pek de sezgisel olmayan sonuçlara ulaştırdı.
Kuantumun bize öğrettiği en önemli sonuçlardan biri dalga-parçacık ikiliği oldu. Daha öncesinde parçacıkları bilardo topları gibi düşünüyorduk. Belirli bir hızda, belirli bir yönde ilerliyorlar, birbirlerini çarpıp itiyorlardı. Bu “parçacık” düşüncesiydi. Fakat atom altı parçacıklar, sadece parçacık değillerdi. Aynı zamanda birer dalga gibi de hareket ediyorlardı.
Normalde çift yarıktan geçen bilardo toplarının, karşıdaki duvarda iki çizgi oluşturmasını bekleriz. Parçacık modeline göre böyle olmalıydı. Ama elektron ya da foton gibi atom altı parçacıkları fırlattığımızda, tıpkı bir su dalgası gibi hareket ettiklerini de gördük. Adeta denizdeki dalgalar gibi bir girişim modeli oluşturuyorlar, fakat bazı durumlarda da parçacık gibi davranıyorlardı.
Şimdi bu atoma dönelim. Klasik olan. Elektron çekirdeğe ne kadar yakın görünüyor. Oysa gerçekte durum çok daha farklı. Her ne kadar elektronun tam olarak nerede olduğunu söyleyemesek de…
En basit hidrojen atomu için, eğer çekirdek yalnızca bir pinpon topu büyüklüğünde olsaydı, elektron yaklaşık olarak 1 kilometre ötede bulunurdu. Yani atomun kendisi, çekirdekten 100,000 kat daha büyük.
Peki aradaki bunca mesafede ne var? Boşluktan mı ibaret? Neden elektron, çekirdeğin üzerine düşmüyor? Neden proton ve nötron bir arada çekirdekte, ama elektron dışarıda? Örneğin neden elektron çekirdekte nötronla beraberken proton dışarıda değil?
Bugün bunları ve daha fazlasını, elimizdeki çok iyi bir araçla açıklayabiliyoruz.
Parçacık fiziğinin Standart Modeli.
Parçacık fiziğinin standart modeli olarak adlandırılan bu tablo, bizi tek bir atomdan, 17 farklı temel parçacığa götürdü. Elementlerin periyodik tablosuna benzeyen bu tabloyu, benzer şekilde özelliklerine göre gruplandırıyoruz. Her şeyin aslında ikiye ayrıldığını görüyoruz. Madde parçacıkları ve kuvvet parçacıkları. Madde parçacıklarına fermiyon adını veriyoruz ve adı üzerinde aslında maddeyi oluşturuyor. İkinci grup ise kuvvet parçacıkları, bunlara da bozon adını veriyoruz.
Önce kuvvet parçacıklarının ne olduğuna bakalım.
Evrende dört temel kuvvet var.
Bunlardan biri, kütle çekim. Yani gravitasyon. Einstein’ın genel görelilik teorisi, bu kuvvetin nasıl çalıştığını açıklıyor. Gezegenlerin hareketini, bir karadeliğin etrafındaki uzay-zamanı nasıl büktüğünü bunun sayesinde açıklıyoruz.
Diğeri elektromanyetizma. Elektriğin olduğu her yerde bu kuvvet söz konusu. Teknolojilerimizin çoğu, elektromanyetizmayı daha iyi anlamamız sayesinde gelişti.
Tıpkı gezegenlerin yıldız etrafındaki yörüngesini açıklayan kütle çekim gibi, elektromanyetizma da kuantum mekaniğinin de desteğiyle atom çekirdeği etrafında elektronun hareketini açıklıyor. Atomların birbirleriyle nasıl bağ yapıp molekülleri oluşturduğunu onun sayesinde anlıyoruz.
Elektromanyetik kuvvetin bir de taşıyıcı parçacığı var. Foton. Yani ışık.
Fotonun, herhangi bir kütlesi yok ve ışık hızında hareket ediyor. Daha doğrusu onun hızına, ışık hızı adını veriyoruz. Foton, diğer her şey gibi belirli bir enerjiye sahip. Maviden kırmızıya gördüğümüz her renk aslında farklı enerjili fotonlardan oluşuyor. Fakat fotonlar sadece gözümüzle gördüğümüz renklerden ibaret değil. Hatta bu elektromanyetik spektrumun çok küçük bir kısmı. Çok daha düşük enerjili radyo dalgaları, mikrodalgalar ve kızılöte de bunun parçası. Öte yandan bir de yüksek enerjili olan moröte, X-ışınları ve çok daha yüksek enerjili olan gama ışınları var. Aslında radyasyon derken kast ettiğimiz iyonize edici radyasyon da tam olarak bu yüksek enerjili fotonlar.
Çünkü bu fotonlar bir atoma çarptığında orada bulunan elektronu etkileyebiliyorlar. Eğer fotonun enerjisi çok düşükse, elektrona bir şey olmuyor. Fakat yüksekse, elektronu bir sonraki enerji seviyesine taşıyabiliyor. Hatta fotonun enerjisi çok daha yüksekse, bu elektronu o atomdan koparabiliyor. Yani iyonize ediyor.
Yani foton, elektromanyetik kuvvetin taşıyıcı parçacığı oluyor. Bu nedenle bu dört parçacıktan biri foton. Fotonu gama işareti ile gösteriyoruz.
Bir diğer kuvvet de güçlü kuvvet. Protonun ve nötronun var olmasını güçlü kuvvete borçluyuz. Çünkü elektronun aksine, proton ve nötron temel bir parçacık değil. Kuarklardan oluşuyor. Proton iki up kuark, bir down kuarktan yani iki yukarı bir aşağı kuarktan oluşuyor. Öte yandan nötron ise iki aşağı bir yukarı kuarktan oluşuyor.
Bu kuarkları bir arada tutan şey güçlü kuvvet. Aynı zamanda kuarklardan oluşan proton ve nötronlar da bu sayede bir arada duruyorlar. Bu yüzden çekirdeği parçalamamızla açığa çıkan enerjiden onlar sorumlu. Yani atom bombasından. Adının neden güçlü kuvvet olduğunu anlamışsınızdır.
Tıpkı elektromanyetik kuvvette olduğu gibi, güçlü kuvvette de bir taşıyıcı parçacık var. Buna da gluon diyoruz. Çünkü tıpkı bir glue, yani yapıştırıcı gibi kuarkları bir arada tutuyor. Bu güçlü kuvvet nedeniyle kuarkları asla tek başlarına görmüyoruz. Güçlünün g’si, daha doğrusu gluon’un g’si ile ifade ediyoruz bunu da.
Proton ve nötron için yalnızca iki kuarktan bahsetmiş olsak da toplamda altı kuark bulunuyor. Bunlardan ikisi proton ve nötronu da oluşturan up ve down kuark. Diğerleri ise charm, strange, bottom ve top kuark. Bunlar bir grup oluşturuyorlar ve buna jenerasyon adını veriyoruz. Strange ve bottom kuark aslında down kuarkın ağır versiyonları gibi. Keza charm ve top kuark da up kuarkın ağır versiyonları gibi.
Dördüncü kuvvet ise zayıf kuvvet. Adından da tahmin edebileceğiniz üzere, güçlü kuvvet kadar güçlü değil. Zayıf kuvvetin başka bir özelliği var. Bozunmalardan sorumlu olması.
Örneğin bir nötronu ele alalım. Aslında nötronlar tek başlarına kararlı parçacıklar değildirler. Yaklaşık 15 dakika gibi bir bozunma süresine sahiptirler ve bu sürenin sonunda down kuarklardan biri up kuarka dönüşür. Böylelikle nötron artık bir proton olur ve bu sırada bir elektron ile elektron nötrino yayınlanır. Nötrinonun ne olduğuna değineceğim. Ama işte nötronun protona dönüşümüne beta bozunumu diyoruz ve bundan sorumlu kuvvet de zayıf kuvvet.
Yine tıpkı elektromanyetik kuvvet ve güçlü kuvvette olduğu gibi, zayıf kuvvetin de taşıyı parçacığı, hatta parçacıkları var. Bunlara W ve Z bozonları diyoruz. Bu üç kuvvet arasından yalnızca zayıf kuvvet tüm parçacıklara etki edebiliyor. Buna az önce bahsini ettiğimiz nötrino da dahil.
Nötrinolar oldukça sıradışı parçacıklar. Bu videoyu izlerken trilyonlarcası içimizden öylece geçip gidiyor. Çünkü oldukça zayıf etkileşiyorlar ve bu yüzden onları tespit etmek de oldukça zor. Üç farklı tipte nötrino var, bunlara çeşni (flavor) adını veriyoruz. Elektron nötrino, muon nötrino ve tau nötrino. Bu üç çeşni, yolculukları sırasında birbirlerine dönüşebiliyorlar. Buna nötrino osilasyonu diyoruz. İsimleri de tesadüf değil, aslında bu ismi diğer üç temel parçacık olan tau, müon ve elektrondan alıyorlar. Bunların üçü de negatif yüklü temel parçacıklar. Fakat kütleleri oldukça farklı. Müon, elektrondan yaklaşık 200 kat daha ağırken Tau yaklaşık 3500 kat daha ağır. Müonlar aynı zamanda nötrinoları gözleyebilmemiz için oldukça kritik bir öneme sahipler.
Dört temel kuvvetten bahsettik, fakat yalnızca bu üçünün taşıyıcı parçacığından konuştuk. Kütle çekim için bir taşıyıcı parçacık yok mu? Aslında bunun graviton adını verdiğimiz bir parçacık tarafından taşındığını düşünüyoruz. Fakat gravitonun varlığını doğrulayan bir gözlemimiz henüz yok, dolayısıyla standart modelin eksik parçalarından biri olarak duruyor.
İşte Standart Model’in en büyük problemlerinden biri de bu. Üç kuvvetin etkileşimini oldukça iyi açıklayabiliyoruz, fakat kütle çekim eksik. Aslında bu küçük ölçeklerde kütle çekimin etkisi son derece zayıf. Fakat esas problem, Einstein’ın genel göreliliği ile kuantum mekaniğini birleştiremiyor olmamız. Quantum gravity olarak sürekli duyduğumuz kuantum çekim kuramlarının keşfedilme çabaları da bu yüzden. Her şeyi kapsayan bir teori arıyoruz. Bu hala fiziğin büyük, yanıtlanamamış problemlerinden biri.
Bir diğer büyük problem de jenerasyon problemi. Kuarklarda bahsettiğimiz jenerasyon, aslında diğer temel parçacıklarda da var. Bunlar kuantum çeşni numaraları ve kütleleri farklı olan, fakat elektrik ve güçlü etkileşimleri benzer olan parçacık grupları. Birinci grupta down kuark, up kuark, elektron ve elektron nötrino yer alıyor. İkinci grupta ise strange kuark, charm kuark, muon ve muon nötrino; üçüncü grupta ise bottom kuark, top kuark, tau ve tau nötrino yer alıyor. Problem ise, neden üç jenerasyon olduğu. Kimisi dördüncü bir jenerasyon daha olabileceğini iddia etse de bu pek mümkün görünmüyor. Sicim teorisi birden fazla jenerasyon için bir açıklama getirse de neden spesifik olarak üç tane olduğunu açıklamak hala güç.
Özetle elimizde harika çalışan, deneylerle, gözlemlerle son derece uyumlu muhteşem bir model var. Standart model. Fakat bir yandan da bazı eksikleri, içimizi kemiriyor.
Haaah, unutmadan… Ortası da boş değil. Bilin bakalım burada ne var? Haaah’ın H’si 🙂 Higgs bozonu. Maddeye kütlesini kazandıran o temel parçacık. CERN’deki Büyük Hadron Çarpıştırıcısı’nın en büyük keşiflerinden biri. Kimileri tarafından ‘Tanrı parçacığı’ olarak da adlandırılıyor. Fakat kimi fizikçiler de bu isme karşı. Çünkü bu tabloda sadece onun varlığına borçlu değiliz her şeyi. Her birinin, ayrı ayrı bir önemi var. Hepsi birbiriyle bir şekilde etkileşerek bir ahenk oluşturuyorlar. Bu kuralları anlamak demek, her şeyi anlamak demek. Çemberin içindekini bilmek, dışındakileri anlamak, daha da dışına gitmek, aralarda bir yerlerde olabilecekleri keşfetmek…
İşte parçacık fiziğinin standart modeli.