Var Olmayan Parçacıklarla Gerçekliğin Çözümlenmesi

‘Parçacık’ sözcüğünü duyduğunuzda, zihninizde neler canlanıyor? Belki, küçük bilardo toplarına benzeyen bir şeyler aklınıza gelmiş olabilir. Bu hayal dünyasında, bölünemez parçacıklar birbirleriyle ça..
Görsel Telif:

Parçacık’ sözcüğünü duyduğunuzda, zihninizde neler canlanıyor? Belki, küçük bilardo toplarına benzeyen bir şeyler aklınıza gelmiş olabilir. Bu hayal dünyasında, bölünemez parçacıklar birbirleriyle çarpışıp dururlar ya da sıkışık bir düzende yer kapmaya çalışırlar.

Fakat kuantum teorisi hakkında bilginiz varsa, parçacıkların işleyişini belki de zihninizde en iyi şekilde canlandırabilirsiniz. Kuantum teorisine göre, her ne kadar maddeyi oluşturan bileşenlerin bir ağırlığı varsa da, parçacıklar uzayda tam olarak sıfır metre boyunda bir noktayı işgal ederler.

Bu durum üzerinde kafa yorarken, kuantum teorisinin sıfır beden parçacıklarının tek seferde birden fazla alanı işgal etmesi durumunu ya da dolaşıklık durumunu göz önünde bulundurabilirsiniz. Fakat bunları bilmek bile bazı durumları daha net anlaşılır kılmak için yetmeyebiliyor.

Şimdi aklınızdaki bilardo toplarını silin. Şekil değiştiren parçacıkların alternatif türü bölünebilir, ağırlığını değiştirebilir ve diğer öğelerle birleşerek parçacıklar toplamından çok daha fazlasını yapabilir. Bu parçacıkların durumu her ne kadar size mantıklı gelmese de, bilim insanları bu parçacıkları istekleri doğrultusunda düzenlemeye başladılar bile. Bu çalışmaların sonuçlar ile de, teknoloji yeniden şekilleniyor. Süper-iletkenlerden kuantum bilgisayarlara kadar birçok yenilik hayatımıza girmeye başlıyor. Ayrıca bu parçacıklar ile gerçekliğin dokusunun daha önce olduğundan çok daha derinlemesine incelenmesi mümkün hale geliyor.

Einstein, gerçekliğin temel yapı taşları ile aklımızı ilk bulandıran kişiydi. 1905 yılında ışık, genel olarak oylum dolduran dalga olarak değerlendirilirken, Einstein aynı zamanda ışığın parçacık olarak da davranabildiğini öne sürdü ve ‘foton’ tanımı yapıldı.

Kuantum teorisinin ‘merkezi gizemi’ olarak bilinen dalga-parçacık ikiliği de başlamış oldu. Bu prensibe göre, dalga ya da parçacık tanımları kendi başlarına ışığın fotonunu, bir atomun etrafında dolaşan elektronu ya da atomik çekirdeğin kalbindeki herhangi bir parçacığı tanımlamak için yeterli değildi. Tanımlama yaparken bazen fotonun parçacık özelliğine ve bazen de dalga özelliğine başvurmak gerekliydi.

Bu ikilik sayesinde meselelerin özünü kavrayacak içgörüyü kazandığımız aşikar. Fakat daha da fazlasını anlayabilmemiz için, bu ikiliği yalnızca serbest uzayda dolaşan parçacıklara değil aynı zamanda katı malzemeleri oluşturan parçacıklara da uygulamak gerekiyor.

Sofra tuzunun ısıtılması durumunu ele alalım. Sofra tuzu ısıtılmaya başlandığı zaman, tekil her bir atom daha da fazla hareketlenmeye başlar ve titreşim salınımları oluştururlar. Sovyet Sosyalist Cumhuriyetler Birliği ’nden fizikçi Igor Tamm, 1932 yılında, bu dalgalara en azından matematiksel olarak parçacıklar gibi davranabileceğini keşfetti. Bunları da ‘fonon’ olarak tanımladı.

Fononlar, elektronların malzeme içerisinde neredeyse sıfır dirençle akmasını sağlayan süper-iletkenliğin ve ısıyı elektriğe çevirebilen cihazların önünü açıyor. Daha geleneksel parçacıkların hareketlerinden ortaya çıktıkları için de fononlar, kuazi parçacıklar ya da yalancı parçacıklar olarak adlandırılıyorlar.

University of London’dan fizikçi Jon Goff’un belirttiğine göre: ‘’Fononlar tam olarak gerçek değiller. Fononlar aslında çok karmaşık bir problemin basitleştirilme yöntemi.‘’

Bu durumun daha iyi anlaşılması için bir benzeşim kurabiliriz. Spor müsabakalarında yapılan Meksika dalgası hareketini düşünün. Meksika dalgası sırasında insanlar ellerini havaya kaldırıp ayağa kalkarak geri yerlerine otururlar ve fiziksel bir hareket gerçekleştirirler. Fakat bu hareket belirli bir düzende yapıldığı için, kalabalık içerisinde bir şey hareket ediyormuş gibi görürüz. İşte buradaki enerjinin hareketi de kuazi parçacıklara işaret ediyor.

Tamm’in çalışmasından bu güne bilim insanları, katı malzemelerin içerisindeki bu çeşit parçacıkların büyük bir ailesini keşfetti. Diğer türler manyetizmanın temelindeki kuantum özelliği olan dönü (spin) esaslı. Dönü, bir atom üzerinde kuzeyi ya da güneyi gösteren bir ok gibi çalışıyor. Eğer bütün bu okları hizalayabilirseniz, mıknatıs meydana getirmiş oluyorsunuz. Fakat dönüler hem bir düzen içerisine girebilir hem de bu düzenden çıkabilirler, bu durum Meksika dalgası etkisi yaratıp magnon olarak bilinen parçacığı oluşturur. Fononlar gibi magnonlar da oldukça kullanışlılar. Magnonlar sayesinde düşük güçle çalışan ve elektron akımlarından değil de atomik dönülerden faydalanan spintronik bilgisayarların geliştirilmesi mümkün.

Fononlar ve magnonlar, anlaşılması güç olayların nasıl işlediğinin çözümlenmesinde oldukça kullanışlı olmalarına rağmen, kendi özlerinde var olup olmadıkları yine de şüpheli. Fakat bu yarı mevcut parçacıklar aslında bir parçacığın yarısı bile değil. Kuazi parçacıklar, ortada bir şey olmasa bile var olabilirler.

Bu keşif, programlama tarihi için oldukça önemli bir yıl olan 1947 yılına dayanıyor. Katı faz fizikçisi William Shockley ve araştırma takımı, elektronları eksik olan yarı iletkenleri kullanarak transistor geliştirmeye çalıştılar. Bu durum, tıpkı bir yapbozun içerisindeki boş bir kutucuk gibi boşluklara sebep olabilir. Fakat bu boşlukların, yalnızca bir elektron yokluğundan fazlası olduğunu kimse düşünmemişti. Shockley, bu boşluğun pozitif yük taşıyan bir elektron gibi kendi kendine bir parçacık olduğunu öne sürdü.

Shockley’in önermesi, oldukça önemli bir adım olarak tarihe geçti. Bu önerme sonrasında geliştirilen sistemler, günümüz bilgisayar çiplerinin de temelini oluşturdu.

O günden sonra, bir elektron ve bir boşluğun kombinasyon kurabileceğini öğrendik. Fakat burada +1 ile -1’in toplamından ‘0’ sonucu çıkmıyor, tamamen yeni bir tip parçacık meydana geliyor. Bu parçacığın adı da ekskiton ya da diğer adıyla ‘uyarılmış nükleon’. Bitkiler bu parçacıktan, biz bilmeden çok daha önce de faydalanıyorlardı. Artık biliyoruz ki, ekskiton fotosentez sürecinde de var.

Yani hiçlikten oluştuğu düşünülen parçacıkla, halihazırda var olan parçacığın kombinasyonu ile daha fazlasını elde edebiliyoruz. Peki parçacıklar ile ilgili hayal dünyamızda ne kadar esnek olabiliriz?

Kırmızı çizgilerimizden bir tanesi, parçacıkların kütlesi olabilir. Fakat bu bile grafen gibi malzemelerin varlığı ile yaralanmış durumda. Grafen genellikle elektrik iletkenliği ile bilinir. Grafenin tek bir atom kalınlığındaki karbon kağıt benzeri yapısından dolayı, elektronlar birbirleri ile daha kolay etkileşim haline girerler. Buradaki kolektif hareket sayesinde de, oldukça yüksek hızda elektron iletimi gerçekleştirilir.

Grafenin bir özelliğini açıklarken, elektron popülasyonundan söz ettik. Fakat buradaki elektronların da neredeyse ağırlıksız olduklarını düşünmek gerekiyor. Bu durumun, tıpkı Tamm’ın fononlarında olduğu gibi, matematiksel hile olduğunu söylemek mümkün. Grafenin elektronlarının ağırlığının daha düşük olduğunu kabul etmeden de, bu malzemenin şaşılacak düzeydeki elektrik iletkenliğini açıklamak bir hayli zorlaşacaktır.

Grafen yalnızca bir başlangıçtı. Bilim insanları, doğada görülmeyen parçacık-benzeri etkileri yaratacak şekilde katıların mühendisliğinin yapılabileceğini farkettiler. Majorana fermionlarını ya da diğer adıyla Majorana parçacıklarını ele alalım. Bu parçacıkların herhangi bir yükü ya da enerjisi bulunmayan kendi antiparçacıkları var. 1930’lu yıllarda İtalyan fizikçi Ettore Majorana tarafından ilk olarak ortaya atılan bu parçacıklar, nötrinoların kendi antiparçacıkları olabileceğinin doğrulanmamış önermesinin dışında, vahşi doğada bulunmuyorlar.

Fakat bu parçacıklar artık laboratuvarlarda yapılabiliyorlar. 2013 yılında Leo Kouwenhoven’in öncülük ettiği araştırmacılar, tek boyutlu kablonun içerisinde çok küçük bir manevra boşluğuyla sıkıştırılmış elektronlarla bir deney gerçekleştirdiler. Bu deneyde elektronların hareketini yine Meksika dalgasına benzetebiliriz. Araştırmacıların keşfine göre, kablonun her iki ucundan sıyrılan parçacıklar Majorana çifti gibi davranıyor. Bu parçacıkların gelecekte, süper-güçlü kuantum bilgisayarlarda ‘bit’ olarak kullanılma potansiyelleri var.

Tabii ki liste bu kadarla da sınırlı değil. Bir de Weyl fermionları var. Geçtiğimiz yıl, 3 araştırma grubu bu parçacık çiftlerini yaptığını rapor etti. Birbirlerinin ayna görüntüleri olan bu parçacıklar, dönünün temelindeki dalgalardan yapılmalar ve bir nevi sağdan ve soldan bağlanmış düğümlere benziyorlar. Bu parçacıkların özellikleri, spintronik programlamaya ya da dönüş tabanlı elektronik bilgisayarlara yeni bir boyut kazandırabilir.

Bütün bu kullanışlılıklarının yanında, kuazi parçacıkların hala duman ve ayna olarak düşünülmesi normal. Yani bu parçacıklar yalnızca birer matematiksel hile. Bu parçacıklar ile maddenin yapı taşları olan parçacıklar arasında hala bir ayrım mevcut- bu ayrımı parçacık hızlandırıcılarda çarpıştırıp çarpıştıramama üzerinden değerlendirmek mümkün olabilir.

Yukarıdaki cümlenin sonunda ‘olabilir’ kelimesinin kullanılmasının bir amacı var.Çünkü bu konuda yanlış düşünüyor da olabiliriz. Mayıs ayında duyurulan, Rupert Huber ve araştırma takımının geliştirdiği ilk kuazi parçacık çarpıştırıcısı bu noktada kafaları karıştırıyor. Bilim insanları yaptıkları bu çalışmada, tungsten diselenür olarak adlandırılan bir yarı iletkeni kullandılar ve bu malzeme içerisindeki ekskitonları, bileşenleri olan bir elektron ve bir boşluğa lazer darbeleri ile ayırdılar. Daha sonra darbeleri tersine çevirerek bu iki biti birbirleriyle çarpıştırdılar (Nature, vol 533, p 225).

Ekskitonlar, gerçek parçacıklardan beklendiği şekilde davrandılar. Elektron ve boşluk, karşılıklı olarak yok oldular ve foton oluşturdular. Bu davranışa, bir elektronun kendi antimadde eşleniği olan positrona yüksek hızlı çarpmasında da rastlıyoruz.

Huber’in bu yöntemi, diğer kuazi parçacıklarla ilgili bildiklerimize de yenilerini ekleyebilir. Bu listenin başında da trionların olduğunu söyleyebiliriz. Bu kuazi parçacıklar, iki elektrondan ve bir boşluktan oluşuyorlar. Ekskitonların aksine, trionların kendi başlarına hızlandırılıp birbirleriyle çarpıştırılmaları mümkün olabilir. Huber’e göre, yapılacak böyle bir deney ile kuazi parçacıkların hangi noktada gerçek gibi davranmayı bıraktıklarının çözümlenmesi mümkün olabilir.

Bütün bu kafa karışıklığından sonra, yeniden sorumuza dönelim. Parçacık nedir? Bu soru, Einstein’ın ilk defa ışığın parçacıklardan yapılma olduğunu öne sürmesinden beri kafamızı kurcalamaya devam ediyor. Belki de nihayetinde bütün bu durumun matematik olduğunu ve denklemlerin maddenin işleyişini anlamamız noktasında bize rehberlik edebileceğini kabul edeceğiz. Fakat bundan daha derin ve net bir cevap istiyorsak, atomların arasındaki boşluklarda bulunmayan parçacıkların izini sürmek en iyi seçeneğimiz olabilir.


Kaynak ve İleri okuma:

Lessons in reality from particles that don’t exist, New scientist, September 10, 2016 pg: 32-35
Lightwave-driven quasiparticle collisions on a subcycle timescale, Nature 533, 225–229 doi:10.1038/nature17958
Truth of the matter: The Majorana particle mystery, New Scientist, Retrieved from https://www.newscientist.com/article/mg21428641-500-truth-of-the-matter-the-majorana-particle-mystery/
Spin: The quantum twist coming to a computer near you, New Scientist, Retrieved from https://www.newscientist.com/article/mg22129510-900-spin-the-quantum-twist-coming-to-a-computer-near-you/


Bu içerik BilimFili.com yazarı tarafından oluşturulmuştur. BilimFili.com`un belirtmiş olduğu “Kullanım İzinleri”ne bağlı kalmak kaydıyla kullanabilirsiniz.

Etiket
  • Projelerimizde bize destek olmak ister misiniz?
  • Dilediğiniz miktarda aylık veya tek seferlik bağış yapabilirsiniz.
  • Destek Ol
Yorum Yap (0 )

Yorum yapabilmek için giriş yapmalısınız.

Bunlar da ilginizi çekebilir

Bağış Yap, Destek Ol!
Projelerimizde bize destek olmak isterseniz,
Patreon üzerinden
bütçenizi zorlamayacak şekilde aylık veya tek seferlik bağışta bulunabilirsiniz.
E-Bülten Üyeliği
Duyurulardan e-posta ile
haberdar olmak istiyorum.
Reklam Reklam Ver
Arşiv