%99.99'u Boşluk Olmasına Rağmen Neden Herhangi Bir Maddenin İçinden Geçemiyoruz?

%99.99'u Boşluk Olmasına Rağmen Neden Herhangi Bir Maddenin İçinden Geçemiyoruz? 

Neden bir duvarın ya da nesnenin içinden geçemiyoruz? Bu soru muhakkak bir yerlerde aklınıza takılmıştır, ''olsa güzel olurdu'' diye düşünmüşsünüzdür. Sözlük yazarı ''bir muhendisin nicki'', işin içine kuantum fiziğini de katarak bu konuya açıklık getirmiş....

Şimdi efenim, bildigimiz üzere maddeleri olusturan temel parçacik atomdur. hadi zamanda biraz geriye gidelim ve işimize yarar ne tür bilgiler olduğuna bir bakalım. bundan tam 13.8 milyar yıl önce... ya da çok geriye gittik biraz daha yakın zamana gidelim, 70 bin yıl önce. bizi diğer canlılardan ayıran çok büyük bir değişim yaşandı; bilişsel devrim! beslenmek için hayvanların peşinden koştuğumuz, çiftleşmek için dişilere kur yaptığımız, yırtıcılardan korunmak için ağaçların tepesine çıktığımız, yavrularımızı daha rahat büyütmek için sürü olduğumuz bu dönemde ilginç bir şekilde ortaya çıkan, var oluşumuzun nedenleri de dahil olmak üzere çevremizi ve tüm varlıkları anlamlandırmaya çalıştığımız  insanlık tarihinin ilk ve en büyük devrimi. bu devrim sayesinde kazandığımız, soru sorabilme, merak etme ve anlamlandırma yeteneğimiz  muhtemelen sahip olduğumuz en kıymetli şeyler. bu sebeple bunları hiç bir zaman kaybetmemeli ve sürekli geliştirmeli..

bu sürekli gelişim sayesinde, ilk insanlardan itibaren günümüze büyük bir enformasyon mirası kaldı. konumuz ile ilgili olanlarına bakacak olursak; maddeyi olusturan en küçük şeyin yani maddelerin özünün atom oldugunu ve bu kelimenin anlaminin ise 'bölünemez' oldugunu söylediğini düşündüğümüz ilk insan demokritus amca. ona göre bir maddeyi alıp sonsuza kadar bölemezdiniz, ve nihai olarak bir sınıra denk gelecektiniz. aradan geçen 2200 yıl sonrasındada bir şey değişmemişti çünkü, dalton maddenin en küçük birimini 'bölünemez bir küre' olarak tanımlıyordu. halbuki ondan sonra bu konuda çalışmalar yürüten insanların çalışmaları gösterdi ki, atomun içinde başka şeyler de var. artı ve eksi yükler, boşluklar ve çekirdek gibi. aradaki tüm tüm gelişmeleri geçip günümüzde kullandığımız ve kabul ettiğimiz son güncel modele bakalım.

hatta işleri biraz kolaylaştıralım, çünkü kuantum dünyası çok karmaşık ve kullandığımız bu güncel modelde hesaplanmış, dolaylı veya dolaysız bir şekilde gözlemlenmiş yaklaşık 200 tanecik var. sadece 140 tane mezon çeşidi var. ama bizim hepsiyle işimiz yok tabi, genel bir çevçeve çizmek en başta sorduğumuz sorunun cevabını bulmak için yeterli olacaktır.

evrende var olan tüm atomaltı parçacıklara 'fermiyon' ve 'bozon' demişler. kim demiş? tabiki isveçli bilim adamları ile norveçli balıkçılar. bir de ortadoğuda kafa kesen cihatçılar. 

fermiyonların 24 çeşidi var ve bunlardan 12 tanesi anti tanecik. yani gözlemlediğimiz taneciklerle tüm özellikleri zıt olan parçacıklar. spin sayısı, yükü vs. bu 12 parçacığın 6 tanesı 'kuark', diğer 6 tanesi ise 'lepton'. peki kimdir bu kuarklar? pazarda bulunurlar mı?

bu arada atom piyası çok karmaşık ve bir sürü kavram dolanıyor ortalıkta. ve bunların çoğu kuarklarla alakalı. meselam; hadron, bozon, mezon, baryon, pavyon... yok sonuncu dahil değil tabi. birkaç kuark kafa kafaya verip bir tükkan açmaya karar verdiğinde ortaya çıkan şeye 'hadron' diyoruz.

yani bileşik parçacık. peki bu hadronlara örnek verin desem? olaya büyük baktığımızda aslında google bir hadron'dur. bir sürü küçük birer kuark şirket'ten oluşmuştur. ama küçüklerin dünyasında, bunlara proton ve nötronu örnek verebiliriz. hatta öyleki bu proton ve nötron var olan tüm hadronların en kararlıları. peki bunlar kaç kuarktan oluşuyor? valla bana soracak olsaydınız bir 100-200 tane olmasını isterdim ama sadece 3 tane kuarktan oluşuyormuş bu proton ve nötron dediğimiz hadronlar. hatta bu 6 kuarka isim de vermişler; "aşağı, yukarı, acayip, tılsım, alt,üst". tamam ben de kabul ediyorum isimler hiç hoş değil. insan bir mahmut falan koyar.

neyse efenim işte, bu kuarklardan 2 tane 'yukarı' ve bir tane de 'aşağı' kuarkı tüm resmi evrakları halledince, protonu oluşturuyor. benzer şekilde 2 tane 'aşağı' bir tane 'yukarı' kuark bir araya gelincede nötron hadronu oluşmuş oluyor. bilim adamları, isimlendirmeyi çok seviyor ya hani, iki tane kuark'ın bir araya gelmesine 'mezon', 3 tanesinin bir araya gelmesine ise 'baryon' demişler.

yani iki cümle önce kurduğum cümledeki nötron hadronu aslında bir baryon. mezon dediklerim de bir kuark bir de bunun antisi olan kuarktan oluşuyor. ve bu mezonlar çok kararsız, ömürleri birkaç mikrosaniye kadar. bu arada doğada hiç başıboş tek başına dolanan bir kuark göremezsiniz. sürekli hadron olarak bulunurlar. (hadron neydi ya?) ve tabi buna da bir isim vermişler; 'renk hapsi'.

peki ya leptonlar?

toplam 3 çiften, çiftlerden her biri de yüklü ve yüksüz bir parçacıktan oluşur. yüklü olana bir örnek verirsek olay açıklağa kavuşur herhalde; elektron. bir de elektrona çok benzeyen ama yüksüz olan bir diğer parçacık ise 'nötrino'. güneşte ve diğer yıldızlarda bunlardan oldukça fazla var. hatta süpernova patlamalarında etrafa akın akın yayılıyorlar. moğollar gibi yani. ama bunlar yüksüz oldukları için maddeyle pek etkileşime girmiyorlar dolayısıyla saniyede bu nötrinolardan milyonlarcası vücudumuzdan geçiyor. ha diğer iki lepton çifti de müon ve tau.

(sun tzu'nun uzaktan akrabası, hatta bir temel parçacık efsanesine göre savaş sanatı'nı birlikte yazmışlar.) leptonlar biraz önemsiz gibi geldi sanki ama büyük patlama sonrasındaki ilk 10 saniyeye lepton çağı demişler. leptonlar karbon, hidrojen, oksijen vb kritik role sahip elementlerin oluşmasında kilit rolünde.

yukarıda 'fermiyon'lardan bahsettik. yani kuark ve leptonlar aslında birer fermiyondur aynı zamanda. bir de 'bozon'lar var demiştik. arasındaki fark ne? olayı şöyle basitleştirebiliriz. tüm evren iki tür tanecikten oluşur; 'kuvvet parçacıkları/ya da taşıyıcıları' ile 'madde taşıyıcıları'.
işte fermiyonlar madde taşıyıcısıdırlar. peki bozon'lar?

bozonlar 4 temel kuvveti oluşturan parçacıklardır. bu kuvvetler malumunuz, 'güçlü nükleer', 'zayıf nükleer', 'elektromanyetik' ve 'yerçekimi'. siz söylemeden ben söyleyelim, evet yerçekimi en zayıf olanı. bu bozonlar, atomu bir arada tutan, atom ve atomaltı parçacıklar arası etkilişimi oluşturan parçacıklardır. bose-einstein yoğunlaşmasına uyarlar.

ne demek bose-einstein? şurada çok çok açıklayıcı bir video var:

Bose-einstein yoğunlaşması nedir? - Bose... paylaşan: hayatin-icinden


basitçe, aynı kaba koyulan bu parçacıkların sıcaklıkları giderek azaltılırsa, bu parçacıklarında enerjisi azalır. ilginç bir şekilde mutlak sıcaklığa yakınlaştıkça,ki mutlak sıcaklık -273 derece yani 0 kelvin, bu parçacıkların enerjisi giderek azalıyor ve boyutları artıyor. ya da dalga boyları. öyle bir noktası varki bu yoğunlaşmanın, tam o noktada tüm parçacıklar tek bir parçacık gibi davranıyor, yani tek bir  atom gibi. süperatom, maddenin yeni bir hali, dalga fonksiyonlarının üst üste gelmesi terimleri de kullanılabilir.

peki bu bozonların kaç çeşidi var? 

valla bana göre bir sürü olması lazım, ama bilim insanlarının konuştuğu 6 tane. bu bozonlardan bir tanesi foton. fotonlar elektromanyetik alanın taşıyıcısı, w ve z bozonları zayıf nükleer kuvvetin taşıyıcısı, gluonlar ise güçlü nükleer kuvvet'in taşıyıcısıdırlar.yani atomu oluşturan kuarkları bir arada tutan kuvvet parçacığı. bir diğer üzerinde tam bir anlaşmaya varılmamış  parçacık 'graviton'. yerçekimini oluşturduğu düşünülüyor. ama bildiğimiz üzere yer çekimi çok zayıf bir etkileşim, tabi diğerlerine göre. buzdolabı stiker'larındaki manyetik alan bile yerçekiminden daha güçlü.

evet kaldı bir tane parçacık. ama ne parçacık. 2012'de gözlemlendi ilk defa,ve nobel ödülü aldırdı:tanrı'nın parçacığı. hatta "tanrı'nın lanet parçacığı". (god damned particle) ben değil, 60'larda böyle bir parçacığın olması gerektiğini düşünen peter higgs böyle diyor. ama fizikçiler bunu yumuşatmışlar biraz. kütle nereden geliyor, bir taneciğe kütle kazandıran şey nedir, sorularının cevabı higgs alanı. higgs alanı ise higgs parçacıklarından oluşuyor.

nasıl mı? ahanda şöyle; einstein herkes tarafından bilinen denklemi e=mc^2 denklemine göre madde ve enerji birbirine dönüşebilir. hatta bir yerde aynı şeylerdir der. peki bu nasıl oluyor? neden bazı maddelerin kütlesi azken bazılarının çok oluyor? örnek vermek gerekirse, bir üst-kuark bir elektrondan 350 bin defa daha ağırdır.

higgs alanını taneciklere kütle kazandırıyor dedik. kuarklar veya diğer madde tanecikleri bu alana girdiklerinde kütle kazanırlar. bunu şöyle bir analoji tasarlayarak düşünebiliriz: mühendislik fakültesindeyiz :) ve malumunuz erkek sayısının kız sayısına oranı, demin örnek verdiğimiz üst-kuark'ın kütlesinin elektronun kütlesine oranından daha fazla. işte sınıfta erkek mühendisler dağılmış bir şekilde olsunlar. eğer sınıfın kapısından normal kareli, gözlüklü ve elinde bilgisayar çantası olan bir erkek girerse muhtemelen kimsenin dikkatini çekmeyecek ve sınıfa girmedenki hızını koruyarak istediği yere oturacaktır. 

eğer sınıfa uzun saçlı bir erkek girerse kısa süreli bir bir etkileşim ve tanımlama süresinden sonra o da rahat bir şekilde yerine geçecektir ve kimsenin dikkatini pek çekmeyecektir. peki sınıfa çok güzel ve alımlı bir kız girerse ne olur? tamam ben düşünem, ama siz hayal edin.. eğer bu ütopik durum gerçekleşirse, işte tam da demin bahsettiğim şey olacak. yani  parçacık higgs alanıyla etkileşime girecek ve kütle kazanacak. yani erkeklerin yoğun ilgi ve alakasından kız nereye geldiğini şaşıracak. ve yerini bulmakta şaşıracaz, hızı azalacak, dikkati dağılacak falan. büyük ihtimal yanlış sınıfa gelmiştir zaten.

ya da şöyle düşünün, su var. suyu higgs alanına benzetirsek, suyun içerisinde bir balık çok rahat yüzebilirken biz insanlar onlar kadar kıvrak ve hızlı yüzemeyiz. işte bu durumda, bizim kütlemiz fazla, balıkların kütlesi ise az oluyor.

yani higgs bozonu, kütle taşıyıcı parçacığı diyebiliriz. madde bu alanla ne kadar etkileşime girerse, o alan içerisinde hareket etmesi o kadar zorlaşacak ve kütlesi de bu oranda artacaktır.

şimdi ise sorumuzun cevabına yaklaştık

ama bilmemiz gereken başka ufak bir iki şey kaldı. bunlardan bir tanesi, pauli dışlama ilkesi. ama ondan önce, bohr atom modelinin ne dediğini bir hatırlayalım. bohr atom modeline göre, elektronlar atomların etrafında belli bir enerji yörüngelerinde dönmesi gerekiyordu. yani spesifik olarak tam da şurada değil de, bir bulut gibi, ya da tüm bulunma olasılığının olduğu yerlerin toplamı gibi. işte bulunma olasılığının olduğu yerlere orbital diyoruz. 1s2, 2s2, 2p6... hatırladınız dimi bu dağılımı? yalnız bu dağılım bohr'un modelinde yoktu çünkü o sadece tek boyutlu bir orbital tanımlaması yapmıştı.neyse işte sorumuzun cevabı tam olarak burada gizli. ama şimdilik göremiyoruz cevabı, gözlükleri takın daha yakından bakalım cevaba.

atom ve elektrondan oluşan bir sistemi tanımlamak için 4 temel bilgiye ihtiyacımız var. şöyle düşünün, devletin sizi tanımlaması için t.c kimlik numarası vermesi gibi. eğer sizin bir t.c kimliğiniz yoksa, aslında siz de o devlet için yoksunuz demektir. yeni bir çocuğunuz oldu diyelim, siz onun kimliğini çıkarana kadar devlet tarafından o kişi vatandaş olarak tanımlanmaz. size bir dükkan açtırmaz veya evi üstünüze yapmanıza izin vermez gibi. tabi sizden vergi de alamaz.. bizim de bir atomu tanımlayabilmemiz için, yani kimyasal özelliklerini bilebilmemiz, hangi maddelerle etkileşime girebileceğini tahmin etmemiz, metal- ametal olması, elektronegatiflik gibi özelliklerini bilebilmemiz için

bunlar gerekli. peki bunlar ne? 

bohr'dan sonra, ortaya schrödinger çıktı ve elektronun atom etrafındaki yerini 3 boyutlu olarak tanımlanması için bohr'un tek boyutlu tanımlasından  farklı olarak n,l,ml ve ms gibi sayılar önerdi. bu sayıların değerine göre, bir atom etrafındaki elektronların dizilimini ve ve bulunma olasılıklarını bulabiliriz. olasılık diyorum, çünkü kuantum dünyasında kesinlik yoktur. bir kapalı kutu düşünün, içinde de bir kedi olsun. ama yaşayıp yaşamadığını bilmiyorsunuz. soru şu, kedi ölü mü canlı mı? bu konuda bir bilgiye sahip olamadığınız için doğru bir tahminde bulunmak zor. ama  bir şey dikkatinizi çekmiş olmalı, kutu kapalıyken kedi aslında hem canlı hem ölü. yani iki olasılığı da taşıyor. kutunun kapağı kapalı iken sahip olabileceği enformasyon sayısı 2. ama siz kutunun kapağını açar açmaz kedinin ölü ve veya canlı olup olmadığını gördüğünüz an tüm bu olasılıklar yok oluyor ve elinizde tek bir bilgi kalıyor. işte buna schrödinger'in kedisi diyoruz. yani ihtimallerin dünyası. hatta kuantum bilgisayarların saniyede taşıyabileceği muazzam bilgi sayısı da tam olarak bununla alakalı. yani bir bit ya 1, ya da 0 değerini alabilir. ama bir qubit aynı anda 3 değer taşır. 0,1 ve ikisi.

Schrödinger

schrödinger'in bu önerdiği sayılardan çok kısaca bahsedecek olursam n ye 'baş kuantum sayısı' diyoruz ve bu sayı orbitalin büyüklüğünü gösteriyor. yani n sayısı büyüdükçe atomun etrafındaki orbitalin hacmi de büyüyor. hatta n büyüdükçe, o orbitaldeki elektronun enerjisi de büyümüş oluyor. bir diğer sayımız, 'açısal kuantum sayısı', yani 'l'. atom etrafındaki orbitaller küresel(l=0), kutup(l=1), veya yonca yaprağı (l=2) gibi biçimlerde olabilir. tahmin edildiği üzere l=0,yani küre, durumunda bir yöne ihtiyaç yoktur. ama 'l' sayısı 1 veya 2 olduğunda bir yöne ihtiyacımız oluyor tam tanımlayabilmek için. işte biz de bu sayıya, 'manyetik kuantum sayısı' diyoruz, 'ml' olarak gösteriliyor. bu sayı ise, atomun orbitalinin uzaydaki yönelimini göstermek için kullanılıyor. manyetik denilmesinin sebebi ise, orbitalin yöneleceği alanın manyetik alandan etkilenecek olması.

iyi güzel de, elektronlar bu bahsettiğimiz orbitallerde kafasına göre mi dizilecek? yani 6 elektronlu bir karbon atomunundaki elektronlar halay çeker gibi tek bir orbitalde mı dizilecekler? işte tam da burada karşımıza 'spin kuantum sayısı' çıkıyor. yani bir orbitalde bulunabilecek elektron sayısı sınırlı ve bu sayı 2. yani aynı orbitalde sadece iki elektron yer alabilir. biz elektronların hem atom etrafında hemde kendi etrafında döndüğünü biliyoruz. bunların kendi etrafından dönmesine, spin diyoruz. dolayısıyla ya saat yönünde ya da saatin tersi yönünde olmak zorundadır bu dönüş. bu dönüş yönüne 'spin kuantum sayısı' denildiğini belirtmiştik. 'ms' olarak gösterilir. değeri ya 1/2 ya da -1/2.

(ek not: bu kural sadece elektron için değil, atomu oluşturan tüm parçacıklar için geçerlidir. eğer protunu oluşturan 3 kuarktan üçü de aynı enerji seviyesi ve dönme yönüne sahip olsaydı proton oluşmazdı.) 

bir örnek verip toplayacak olursak

6 elektronlu karbon atomunu düşünün. bunun 1. elektronu en düşük enerji seviyesindeki 1s orbitaline yerleşir. ikinci elektron da buraya yerleşir, aynı kuantum sayılarına sahiptir sadece ms'si zıt işaretlidir. üçüncü ve dördündü elektronlarda 2s orbitaline yerleşir. peki 5. elektron?

bahsetmiştik ya, kuantum ana sayısı(n), açısal kuantum sayısı(l) ve manyetik kuantum sayısı(ml) diye. n sayısı bize orbitalin enerji düzeyini veriyordu. 'l' sayısı ise şeklini. bu arada 'l' sayısı 0 ile n-1 e kadar değer alabilir. yani n=4 ise 'l' maksimum 3 olabilir (0,1,2 ve 3). 'ml' ise '-l' ile '+l' arasında değerler alabilir. şöyleki, eğer n=4 ise l=3 tür ve ml=-3,-2,-1,0,1,2,3 değerlerine sahiptir.

dolayısıyla, birinci elektronun gösterimi n=1,l=0,ml=0'dadır ve ms=-1/2'dir. 2.elektronda da aynı yerdedir ama sadece ms'si zıt işaretlidir. 3.elektron ise n=2.katmana yerleşmek zorundadır. çünkü l'nin değeri maksimum n-1 olduğundan iki elektron o birinci katmanı doldurmuş olacak. 3.elektron n=2,l=0(aslında n-1'den l=1 orbitali de var),ml=0'a yerleşir(l=1 olduğundan ml=1, ml=0 ve ml=-1 olmak üzere 3 orbital daha vardır ve her orbitale 2 elektron yerleşebilir.)  4.elektronda n=2,l=0, ml=0'a yerleşir. 5. ve 6.elektronlar ise bir önceki n=2,l=0, ml=0 orbitalleri dolduğundan, n=2,l=0,ml=1 orbitaline yerleşir. sonrasında gelecek olan elektronlar ise, sırasıyla n=2,l=0, ml=-1 ve ml=0 orbitallerini doldururlar. yani n=4 olan bir atomda toplam 60 tane elektron yer alabilir.

şimdi ise son sözü söylemeye geldi olay, bildiğimiz üzere madde parçacıklarına fermiyon dedik. bu fermiyonlara kuarklar ve leptonları örnek verdik. hatta elektronun lepton olduğunu da söyledik. şimdi ise şunu diyoruz; tüm fermiyonlar buçuklu spin'e sahip olmak zorundadır. yani demin yukarıda  bahsettiğimiz 'spin kuantum sayısı' olan ms'nin +1/2 veya -1/2 olasıyla aynı şey. bozonlar ise, yani kuvvet taşıyıcıarı,örnek foton, tam sayılı spine sahiptirler.

nihayet cevaba ulaştık

siz bir duvardan geçmeye çalıştığınızda, aynı orbitale aynı kuantum sayılarına sahip elektron yerleştirmeye çalışıyorsunuz ve bu açıkça fizik kuralı ihlali. çünkü pauli dışlama ilkesi aynı orbitalde aynı kuantum sayılarına (aynı enerjide) sahip iki fermiyonun olamayacağını söylüyordu. ve evrende dokunabildiğimiz(aslında kütlesi olan) her şey fermiyon olduğundan, bunların içinden geçemeyiz. peki ışık nasıl olurda camdan geçer? ya da röntgen ışıkları(x ışıkları) neden geçiyor? çünkü onlar bozon ve ms'leri buçuklu değil tam sayı. örnek olarak foton'un 1 ama higgs parçacığının 0. bu yüzden aynı orbitallerde bulunabilirler.

bu dışlama ilkesi 1945 yılında pauli'ye nobel fizik ödülünü de kazandırmıştır.

Kaynak: https://seyler.eksisozluk.com/