Yoksul İkizin Öyküsü Atom Altı Dünya

Yoksul İkizin Öyküsü

Evrenimizde görünen çok sayıdaki gökcisminin hepsi proton,nötron ve elektrondan oluşmuştur. Bilimadamları antimaddeden (antiproton, antinötron ve pozitron) oluşmuş bir galaksinin ya da tek bir yıldızın olmadığından emin görünüyorlar. Bu bir simetri eksikliği değil mi? Evet,en azından şu anda böyle.

Karşıt-madde kavramı Leibniz’e, 18.yy’a kadar gider. Leibniz, Newton’un çağdaşdır ve ondan bağımsız diferansiyel ve integral hesabın keşifçisidir. İkili arasındaki tartışma, aşağıdaki gibi anlatılabilir: Eğer bir cismi veya bir tür fiziksel süreci doğrudan doğruya veya aynada izlersek, cismin veya sürecin doğrudan veya yansımış görüntüsünün hangisinin doğrudan, hangisinin yansımadan görüldüğünü ayırt edemeyiz. Bir şeyin gerçeği ile aynadaki görüntüsü arasındaki tek fark, sağ ve solun değişmesidir. Bunun sonucunda,tüm cisimler ve süreçler, sağ ve sol değişmelerine karşı eşit olasılıkla oluşmuşlardır. Bu mantıksal kural, çekirdek ve elektromanyetik etkileşmeler için deneylerle doğrulanmıştır.

Atomaltı dünya'da neler var?

İlk Karşıtparçacık: Pozitron

Bir parçacığı tanımlayan dalga fonksiyonu, bir çeşit alan olarak düşünülebilir. Dalga fonksiyonu, Schrödinger denklemine uyar.;ama bu denklem Newton’un klasik mekaniğinin kuantum mekanik bir yorumudur; özel görelilik çerçevesine girmez. Bu nedenle de Schrödinger denklemi, göreli olmayan kuantum mekaniğini temsil eder. Peki kuantum mekaniğinin göreli bir biçimi var mıdır? Evet bu Dirac denklemidir. Bu denklem de dalga fonksiyonunu belirler. Ancak Dirac denklemi Schrödinger denkleminde bulunmayan birçok yeni özelliği içerir. Örneğin elektronların spin denilen bir özelliği vardır. . Dirac denklemi elektronun bu özelliğini kapsar. Bunu bir topacın kendi ekseni etrafında dönmesi ya da ışığın polarizasyonu gibi bir iç durumu temsil eder olarak düşünebiliriz. Her durumda spin, elektronun içsel açısal momentumuna karşılık gelir ve büyüklüğü ancak Planck sabiti birimlerinde 1/2 yönü de yalnızca yukarı (+1/2) ve aşağı (-1/2) olabilir. Öte yandan neyin yukarı neyin aşağı olduğuna karar vermek ise tıpkı ışığın iki keyfi dikey yöne polarizasyonuna karar vermek gibi keyfi bir şeydir.

Spin kuramı, atom spektrumları gibi olguları açıklamak üzere Dirac’tan önce de yürütülmüş olmasına karşın spinin Dirac denkleminde kendiliğinden çıkması göreli kuantum mekaniği için büyük bir zaferdi. Dirac denkleminin diğer bir yeni sonucu “antielektronun” yani “pozitronun” varlığını tahmin etmesiydi.Karşımaddenin öngörülmesi ve gözlenmesi, kuantum kuramının bir başka başarısıdır.

Dirac'ın bu kuramı, elektron spininin (bir elektronun kendi ekseni çevresinde dönmesi) kaynağını ve manyetik momentini açaklamakta başarılı oldu. Dirac, kuramında önemli bir zorlukla da karşılaştı. Denklemin iki çözümü vardı. Göreli(Rölativistik) dalga denkleminin negatif enerji halleri için çözümü gerekiyordu. Fakat negatif enerji halleri var olsaydı pozitif enerji halinde bulunan bir elektronun tepkime sırasında foton yayarak bu hallerden birine hızla bir geçiş yapması beklenirdi. Dirac bu zorluğu, tüm negatif enerji seviyelerinin (durumlarının) dolu olduğunu söyleyen postülatıyla aşmayı başardı. Negatif enerji düzeylerini işgal eden bu elektronlar, "Dirac denizi" olarak adlandırılır. Pauli dışarlama İlkesi, Dirac denizindeki elektronların dış kuvvetlerle tepkisine izin vermediğinden elektronlar doğrudan gözlenemez. Bununla birlikte, eğer bu negatif seviyelerden biri boş olsaydı ve dolu durum denizinde bir boşluk bıraksaydı, boşluk dış kuvvete tepki verecek ve gözlenebilir olacaktı(Bu, bir yarıiletkenin valans bandındaki boşluk davranışıyla benzerdir). Bu kuramın derinliğine ima ettiği: Her parçacığın bir de anti parçacığı olduğudur.

Antiparçacık ile parçacığın kütleleri aynı; ama yükleri zıt işaretlidir. Örneğin elektron ile pozitron, parçacık ve antiparçacıktır; bunların kütleleri aynı ama yükleri zıt işarettedir.

Ancak parçacık ve karşıtparçacığın tek ve bir oldukları durumlar da vardır: Işığın kuantumu, foton, böyle bir parçacıktır. Bunların kendi karşıtparçacıklarıyla aynı oldukları düşünülür. Bu durumda elektrik yükü doğal olarak sıfır olmalıdır. Ama fotonun elektrik yükünün sıfır olduğu ifadesiyle,yüklü parçacıkların foton yayımladıkları (elektromanyetik ışıma) ifadesinin kafaları karıştırmamasına dikkat edilmelidir. Birinci ifadenin anlamı ışığın kendisinin, ışığın kaynağı olamayacağıdır. Doğal olarak parçacığın kütlesi parçacığın türüne bağlıdır;bu sıfır da olabilir. Böyle olması halinde parçacık her zaman ışık hızında hareket eder. Böylesi bir parçacığın başlıca örneği fotondur. Kütleçekiminin kuantumu henüz gözlenmemekle birlikte, bu türden bir parçacık olması beklenir. Günümüzde üç tip atomaltı parçacık tanınıyor: İlk grup leptonlar;bu gruba muonlar ve nötrinolar giriyor. İkinci grupta hadron, proton, nötron ve pionlar var. Üçüncü grup ise bozonlar; evrende temel kuvvetlerin aktarımını sağlayan küçük mesajcı atomaltı parçacıklar bu üçüncü grubu oluşturur. Örneğin fotonlar elektromanyetik kuvveti taşırken, yerçekimi kuvvetini gravitonların taşıdığı düşünülüyor. Fizikçiler her bir parçacığın görünmez bir ayna görüntüsü de olduğuna inanıyorlar; bu ayna görüntüsüne de antimadde adını vermişlerdir.