Kayıp Maddeye Ne Oldu?

Kayıp Maddeye Ne Oldu?

20.yy bilimin en büyük buluşu karşı-madde. Madde ve karşıt-maddesi tam olarak bakışımlıdır. Yani neredeyse özdeş ikizlerdir. Ancak tek bir noktada birbirlerinden ayrılırlar: yükleri karşıttır. Bunların bir başka özelliği, birbirleriyle karşılaştıklarında birbirlerini yok etmeleri.

Karşıt-hidrojen atomu, normal hidrojenle aynı fotonları yayar.. Bizim yapımızda onlar yok. İki şekilde Dünyamızda bulunuyorlar: Birisi kozmik ışınlar uzayda bunları üretip duruyor. İkincisi de Avrupa Nükleer Araştırma Konseyi(CERN)’nde milyarlarca pozitron ve karşı-proton dolaşıyor. Gökadalardan gelen kozmik ışınlar ve hızlandırıcılar dışında karşı-madeye rastlamıyoruz. Dünya dışında karşı-madde var mı? Karşı-maddenin oluşturduğu bir yıldız varsa o da öbürleri gibi parlayacaktır. Görünüşe göre evrende karşı-madde son derece az. Evrende madde egemen. Neden acaba? Karşıt-madde vardı da yok mu oldu? Buradan evrenimizin geçmişine bakabilir miyiz? Evet dünyamızın bu özelliği onun çok kıymetli bir fosil olduğunu gösteriyor. Göreceğiz.

Elektronlar ve Pozitronlar

Elektronlar,atomun keşfedilen ilk temel parçacığıdır. Bir elektron,atomun kopmuş bağımsız ise kendisini parçacık olarak ortaya koyar;ama hiçbir deney ona uzayda bir boyut göstermeye olanak vermez ve bu parçacık her bakımdan bir nokta gibi davranır. Onun bütün elektronlar için aynı olan iyice belirlenmiş bir elektrik yükü vardır. Bu kadar küçük bir parçacık, günlük kavramlarla anlatılamaz,onun bütün özelliklerini anlamak için kuantum kuramına başvurmak zorunluluğu vardır. Kuantum kuramı,başlangıçta elektronların incelenmesine uygulandı. Böylece yavaş yavaş elektronların bir atom çekirdeği çevresindeki dağılımlarını,hareketlerindeki enerjinin ne olduğunu,bir hareket konumundan,daha az enerjisi olan başka bir hareket konumuna geçtiklerinde nasıl fotonlar saçabildiklerini anlayabildik. 1927’de Amerika’da Davisson ve Germer, İngiltere'de ise G.P.Thomson kristallerden saçılan elektronların kırınım gösterdiklerini buldular. Böylece Broglie’nin hipotezini birbirlerinden bağımsız olarak doğruladılar. Hareketli cisimlerin dalga özelliği dolaysız olarak doğrulanmış oldu. Böylece atomların özelliğinden hareket ederek,fiziğin temelinin yeni baştan kurulduğu görüldü. Elektronların fotonlar yayması türlü maddelerin çıkardığı ışığın tayflarını açıklamaya olanak sağladı ve bu, çok ayrıntılı bir biçimde uygulandı. Elektronların atomlardaki ve moleküllerdeki dağılımının bilinmesi,kimyanın temel taşı oldu. Böylece atomların ve elektronların katı ya da sıvı bir çevredeki davranışlarının incelenmesi ile boyutlanmaya uygun en önemli fizik görüngülerinin yorumlanabileceği ve çoğu kez hesaplanabileceği görüldü: elektrik ve optik özellikler (elektirğin iletilmesi,bir cismin ışığı geçirmesi ya da geçirmemesi,renk,cisimlerin sertliği),manyetik özellikler (ferromanyetik cisimlerin nitelikleri belirtilebildi ve mıknatıslanmanın başlangıcı bulunabildi),ısı özellikleri (ısının iletilmesi ve biriktirilmesi, basınç). Böylece,daha henüz soluğu kesilmemiş olan bu ilerleyişte,atomlara uygulanan bir kuantum mekaniği,bizi çevreleyen doğanın en göze çarpan ya da en ince özelliklerini yorumlamak,araştırmak,belirtmek olanağını sağladı. Kuantum mekaniğinin öncülerinden Dirac, 1928’de elektron üzerine yeniden derin düşüncelere daldı. Bir takım sorunlar onu uğraştırıyordu. Schrödinger’e borçlu olduğumuz bir denklemde formüle edildiği şekli ile kuantum mekaniği,ancak,hızı ışığınkine göre küçük olan elektronları ele alabiliyordu. Bu durum ise açıkça,özel göreliliğin yasaları ile uzlaşamıyordu. Çünkü özel görelilik, hızı ışığın hızına yakın hızlarla ilgiliydi. Dirac, kendine şunu sordu: kapsadığı çok geniş bilgileri görelilik çerçevesine yerleştirmek için, kuantum mekaniğinin temellerini nasıl değiştirebiliriz?Dirac’ta deha belirtileri nadir olmadığından elektronu betimleyen yeni bir denklem biçimini bulmakta gecikmedi;bu denklem, görelilikle uzlaşmak gibi,istenen bir özelliğe sahipti. Bunu incelerken,büyük buluşlar sırasında çoğu kez görüldüğü gibi,bir taş ile birden fazla kuş vurduğunu çok geçmeden anladı. Gerçekten de ileri sürdüğü denklem,istediğinden çok fazlasını getiriyordu. Bu denkeleme göre,hareket eden elektronun,uzun zamandan beri kestirilen;ama henüz açıklanamayan bir biçimde,kendi ekseni etrafında dönmesi gerektiği sonucuna varılıyordu. Buna elektronun spin hareketi diyoruz. Elektronun kendine özgü bazı nitlekileri de ortaya çıkıyordu: elektronun yalnızca elektrikle yüklü olduğu değil,küçük bir mıknatıs gibi davrandığı da deney yoluyla önceden biliniyordu. Dirac bunu da denkleminde buluyor ve bu, ona, bu mıknatısın şiddetini büyük bir kesinlikle hesaplama olanağını sağlıyordu. Denklemi hidrojen atomuna uygulayarak Schröinger’in tanımında bulunmayan bazı incelikleri anlayabildi.Fizikçiler, Dirac’ın denklemindeki başka bir özellikle karşılaşınca bir an için duruksadılar. Bu denklemin, gereğinden fazla çözümü vardı. Bu denklem sayesinde,yalnızca bir elektronun en çeşitli koşullardaki davranışını anlatan çözümler değil,aynı zamanda,anlamı anlaşılamayan tuhaf çözümler de elde ediliyordu. Dirac bunun açıklamasını şöyle ileri sürdü: bu çözümler,diyordu,bir fizik sistemini gösteriyorlar,ama burada bir elektron olacak yerde,yeni bir parçacık,pozitronun varlığı söz konusudur. Bu parçacığın elektronla ortak bir çok özellikleri olmalıdır:aynı kütle,kendi çevresindeki aynı dönüş. Elektrik yükü ise mutlak değer olarak elektronunkine eşit ama manyetik özellikleri gibi ters işarette olmalıdır. Kısa süre sonra Anderson,pozitronu deney yoluyla gözledi.Pozitronun en dikkate değer özelliklerinden biri, bir elektronla çarpıştığı zaman kendini gösterir. O zaman elektron-pozitron çiftinin yokolma olayı ile karşılaşılır:İki parçacık,bir çift foton ya da bir foton üçlüsünü oluşturarak kaybolurlar. Bu oluşum, çoğu kezçoğu kez maddenin yok olması adını alır; çünkü kütlesi olan maddesel olan iki parçacık kaybolarak,fotonlar, yani ışıma oluşmaktadır.Ters tepkime de olanaklıdır: başka bir fotona rastlayan bir foton,bir pozitron-elektron çifti meydana getirebilir.Bununla birlikte bu görüngü ancak çok özel koşullar altında oluşur; çünkü olağan iki ışık huzmesi karşılaştığı zaman bu tür tepkimelerin oluştuğu hiç görülmez. Bunu önleyen temel koşul,enerjinin korunumu yasasıdır. Gerçekten de özel görelilikten beri, her cismin, kütlesine bağlı bir enerjisi olduğu biliniyor. Bu enerjinin ifadesi Einstein’ın tanınmış formülünde verilmektedir:

En Küçük ve En Ünlü Denklem: E= mc2

Demek ki elektronla pozitronun bir kütlesi var. Böyle bir parçacık çiftini oluşturmak için iki fotonda da yeterince enerji bulunmalı;kuşkusuz,görülen ışığın fotonları böyle bir enerjiye sahip değildir.Çok yüksek sıcaklıkta bulunan bir sistemde, ısı, fotonlarının ortalama enerjisi sıcaklık ile artar. Sıcaklık 6 milyar dereceye yaklaşınca fotonların enerjisi artık çok sayıda elektronlarla pozitronların oluşmalarını sağlayacak kadar yüksektir. O zaman sürekli olarak,fotonların çarpışması elektron-pozitron çiftleri doğurur;buna karşı bir elektron ile bir pozitronun çarpışması yeniden fotonlar üretir,öyle ki, sistemin tümü denge halinde kalır,çünkü,yaratılan çiftler kadar,aynı anda,yok edilen çiftler de vardır.Daha yüksek sıcaklıklarda aynı olgu sürüp gider;ama bu kez artık yalnızca elektronlarla pozitronlar değil,belki de yeni elemanter parçacıklar da ortaya çıkar.

1925 yılına dek kuantum kuramıyla özel görelilik kuramı,birbirinden bağımsız olarak gelişti. Elektronun atom içindeki hareketini tanımlamak için her iki kurama da gerek vardı. Çünkü elektronlar, göreliliği ilgilendiren yüksek hızlarda hareket ediyordu. Bu da özel görelilik kuramının elektrona uygulanmasını gerektiriyordu. Öte yandan elektron hem parçacık hem de dalga özelliğiyle zaten kuantum kuramının bir konusuydu. Paul Dirac (1902-1984), bu iki kuramı birleştirdi; “Dirac Denklemi” diye ünlenen, elektronun göreli kuantum kuramını ortaya koydu. Bu denklem, çok ilginç,aykırı bir şey de söylüyordu: Elektronla aynı kütlede ama zıt yükte bir parçacığın da varlığını öngörüyordu. Dirac, 1931’de bugün pozitron dediğimiz anti-elekronun varlığından söz ediyordu. Pozitron ile elektronun biraraya gelmesiyle gama ışını yayarak bu çifti yok oluyordu.

Pozitronu, ABD’li fizikçi Carl Anderson, 1932’de gözledi. Anderson, uzaydan gelen yüksek enerjili kozmik ışınların atmosferdeki moleküllere çarpmasıyla antiparçacıkların oluştuğunu farketti. Bu parçacık sis odasında protona göre daha zayıf bir iz bırakıyordu. Sis odasındaki manyetik alan onun kesinlikle pozitif yüklü olduğunu gösteriyordu. Anderson,pozitronu bulmasıyla 1936 Nobel Fizik Ödülünü aldı. Bu,anti parçacıklardan yalnızca biriydi. Yok olma,iki fotonun açığa çıkmasıyla sonuçlanır. Bir fotonla sonuçlanan olaylar ancak çekirdeğin,geri tepme momentumu soğurmak için mevcut bulunması halinde oluşabilir.

1932 yılı atom fiziği bakımından çok yoğun bir yıl oldu. Nötronun bulunuşunun hemen ardından ABD’li kimyacı Harold C.Urey atom kütlesi normal hidrojeninkinin yaklaşık iki katı olan “ağır hidrojeni” yani döteryumu bulmuştu.Yine aynı yıl Joliot-Curie’ler alüminyum çekirdeğinin alfa parçacıklarıyla dövülmesi sonucunda antielektronu bulmuşlardı; ama doğru yorumu Anderson yaptı. Yine 1932’de İlk siklotronu Lawrence çalıştırmıştı. 1939’da Nobel Fizik Ödülünü alan Lawrence, 1945’te Japonya’ya atom bombası atılmasının en ateşli savunucularından biri oldu daha sonra da hidrojen bombası yapımına geçilmesi için Teller ile birlikte yoğun bir kampanya yürüttü.

Karşıt-protonu da 1955’te İtalyan fizikçi Emilio Segrè buldu. Mussolini, Segre’nin Palermo Üniversitesi’ndeki görevine son verince o da ABD’ye göç etti ve sonradan hocası Enrico Fermi ile birlikte atom bombası projesine etkin bir şekilde katıldı.( H.A. Olacağım,s: 43)

Gündelik olgularda en çok elektronları görmemiz,pozitronlara ise çok seyerek olarak rastlamamız garip görünmektedir. Buna çok kere verilen yanıt,pozitronun bir elektrona rastlar rastlamaz onu yok etmesidir. Gene de dünyada pozitrondan çok daha fazla elektron bulunması gariptir. Aynı şey protonlar ve antiprotonlar için de geçerlidir. Bu soruları yanıtlama çabası bizi evrenin başlangıcı konusuna götürecektir. Bu konuya yeniden döneceğim.

Dirac denkleminin iki özelliğinin spin ve pozitronun varlığı olduğunu belirtmiştim. Ama Dirac denklemi tek göreli denklem değildir; elektromanyetik alanı tanımlayan Maxwell denklemleri de görelidir. Kuantum mekaniğinde klasik alanların bile parçacık özellikleri vardır ve klasik parçacıkların alan (dalga) özellikleri de bulunur. Bu nedenle hem alan hem de dalga bütünsel bir biçimde ele alınmalıdır. Böylesi görüşmeler aşağıdaki sonuçlara yol açar.

Elektron ya da foton gibi temel parçacıkların özellikleri kütle, spin ve elektrik yüküdür. Eğer bunlar belirlenirse uygun bir dalga denklemi arçacığı hareketini belirleyebilir. Ayrıca genel olarak her parçacığın zıt elektrik yükü olan bir antiparçacığı vardır. Ancak parçacık ve antiparçacığın tek ve bir oldukları bazı durumlar da vardır. Işığın (elektromanyetik alanın) kuantumu foton böyle bir parçacıktır. Böylesi durumlarda elektrik yükleri doğal olarak sıfır olmalıdır. Ama fotonun yükünün sıfır olduğu ifadesiyle yüklü parçacıkların foton yayınladıkları ifadesinin kafaları karıştırmamasına dikkat edilmelidir. Birinci ifadenin anlamı ışığın kendisinin ışığın kaynağı olamayacağıdır..