Maddenin Tam Zıddı: Antimadde

Antimadde, toplum tarafından ne olduğu tam anlaşılmamış bilimsel bir gerçektir. Bu nedenle sizler için inceleyip sadeleştirerek nedir, ne değildir, nasıl üretilir, ne işe yarar diye anlatmaya karar verdik: Antimadde; sizi, evlerinizi, Dünya’yı, galaksileri, kısacası evreni oluşturan bildiğimiz maddenin zıttı. Tam tersi elektrik yükü taşıyan madde çeşididir.

ANTİMADDE NE DEĞİLDİR?

Antimaddenin ne olduğunu detaylı anlatmadan önce, ne olmadığı hakkında bilgi vererek yanlış bilgileri arındırmak istiyoruz.

Karanlık Madde
Evrendeki kütlenin yaklaşık olarak %84,5’ini oluşturan ancak dolaylı yollar haricinde (etkileri) henüz gözlemleyemedimiz ve karanlık madde olarak isimlendirdiğimiz hipotez madde, antimadde değildir.

Karanlık Enerji
Evrenin genişlemesinden sorumlu bir hipotez olarak kabul edilen ancak doğrudan gözlemi henüz yapılamayan karanlık enerjinin antimadde ile bir ilgisi yoktur.

Negatif Kütle
Antimadde negatif kütleye sahip değildir: Bildiğimiz anlamdaki madde, diğer maddeleri kendisine doğru çeken bir kütleçekimi oluştururken, antimadde iter fikri tamamen yanlıştır. Antimadde ters elektrik yüküne sahiptir evet ama, kütleçekimi yük taşımaz. Bu nedenle normal parçacıklar ve anti-parçacıklar aynı çeşit kütleye sahiplerdir.

Bir hipotez olarak Negatif kütleli egzotik madde çeşitleri, 0.0 kilogramdan daha az kütleye sahiplerdir ve quantum mekaniklerinde sadece bazı genel görelilik teorilerini ihlal ederek varlıkları mümkün olabilir. Neyse ki imkansızı zorlayan bilim insanları var. Negatif kütleye sahip maddenin mümkün olabileceği hal ve durumlar ile ilgili orjinal bir araştırma yazısı aşağıda ki linkte meraklılarını beklemekte. http://arxiv.org/pdf/1407.1457v2.pdf

Negatif Enerji
Antimadde negatif enerjiye sahip değildir: Negatif enerji olarak tabi edilen sıfır enerji seviyesinden düşük negatif enerji durumları, sadece belli quantum sistemlerinde geçerlidir. Antimadde, normal madde gibi pozitif enerji değerlerine sahiptir sadece elektrik yükü ve dönüş hareketi yönlerinde farklılıklar içerir.

Bilimkurgu
Antimadde bilimkurgu değildir, yeteri kadar üretimini yapabileceğimiz ucuz metotlar geliştirebilirsek bir gün sanayinin ve enerji üretiminin belkemiğini oluşturabilir. Şu anda birçok deneyde ve cihazda antiparçacık ve antimadde türevleri kullanılmaktadır.

ANTIMADDE NEDİR?

Sıradan madde ile aynı kütleye sahip ancak farklı elektrik yükü, farklı lepton & baryon sayısı ve farklı quantum spin yönüne sahip antiparçacıklardan oluşmuş materyale antimadde denir.

Kısa Bilgi: Parçacık fiziğiyle ilgili terimler kullanmaya başladığımıza göre bazı temel terimlerle ilgili bilgi verelim.

SPIN: Spin bir yönü ve değeri olan, neredeyse bütün atomaltı parçacıkların sahip olduğu bir momentumdur. Higgs Bozonu ve bazı kuramsal parçacıklar hariç, bütün parçacıklar spin sahibidir.

HADRON: CERN’deki ünlü “Large Hadron Collidor” parçacık hızlandırıcısına ismini veren Hadronlar, quarklardan oluşan ve güçlü nükleer kuvvet ile bir arada tutulan stabil proton, nötron (Baryonlar) ve stabil olmayan birçok parçacığı (Mesonlar) kapsayan bir ailedir

MESON: Yüksek enerjili çarpışmalarda ortaya çıkan Hadron sınıfından olan, çok kısa ömürlü parçacıklardır. Mesonlar, bir quark ve bir anti quarktan oluşurlar.

BARYON: 3 Quarktan oluşan Hadron sınıfı parçacıklardır. Ünlü proton ve nötronlar birer baryon türüdür. Bilinen evrende, gözlemlediğimiz kadarıyla baryonik madde hakimdir.

LEPTON: Elektron benzeri parçacıkları içeren bir parçacık ailesidir. Elektronlar, Elektron Nötrinoları, Muonlar, Muon Nötrinoları, Taular ve Tau Nötrinoları lepton ailesini oluşturur.

QUARK: Hadronların yapı taşı olan quarklar, asla doğrudan gözlemlenemez ya da izole halde bulunamazlar. Sadece Baryon ve Meson denen Hadron sınıfı parçacıklarda bulunurlar. Elektrik yükü, kütle, renk ve dönüş gibi özellikler quarklardan gelir. Bunlar böyle özellikler taşıyan küçük toplar yerine, matematiksel özellik noktaları olarak düşünülmelidirler. Quarkların oluşturduğu daha büyük parçacıklar içerisindeki quarklar, parçacığın ne olacağını belirler. Quarklar kendi aralarında da 6 tipe ayrılır. Bunlar Up (Yukarı), Down (Aşağı), Strange (Acayip), Charm (Tılsım), Top (Üst), Bottom (Alt) olarak isimlendirilir. Up ve Down Quarklar evrende en çok bulunan oldukça stabil ve düşük kütleli parçacıklardır. Diğer Quark çeşitleri; kozmik ışın çarpışmaları ya da parçacık hızlandırıcılar gibi yüksek enerjili çarpışmalarda oluşup, hızlı şekilde “parçacık bozunumu” geçirerek düşük kütleli Up ve Down quarklara bozunurlar.

“FORCE CARRIER” PARÇACIKLAR: Parçacıklar arasında “Field (Alan)” denen güçleri taşıyan parçacıklardır. Fotonlar elektromanyetizmayı taşır, Gluonlar güçlü nükleer kuvveti, W ve Z bosonları zayıf nükleer kuvveti ve kuramsal Gravitonlar kütleçekimini taşıyan diğer parçacıklardır.

ANTİQUARKLAR: Antimadde ve dolayısıyla antiparçacıkların temel yapı taşları olan quarklar normal quarklara oldukça benzer ve tahmin edebileceğiniz gibi tek farkları eşdeğerlerinin tersi özelliklere sahip olmalarıdır.

FERMİON VE BOSON SINIFLANDIRMALARI: Bosonlar yukarıda anlattığımız Mesonların ve force carrier parçacıklar denen parçacıkların bulunduğu ailedir. Spin denen momentumları tam sayılar ile ifade edilir (+1, +2). Fermionlar ise yukarıda geçen Lepton, Quark ve Baryonları kapsayan ailedir. Quantum spinleri tam sayı değildir, 1/2 olarak ifade edilirler.

Yazımıza devam edelim;
Maddeyi oluşturan atomun çekirdeğinde; nükleüs (nucleus) dediğimiz pozitif yüklü proton(lar) ve yüksüz nötron(lar) bulunur. Nükleüs çevresinde ise negatif yüklü elektron veya elektronlar, sahip oldukları enerjiye göre çeşitli yörüngelerde yer alırlar.

atom_zoom_b

Antimaddede ise antiprotonlar negatif yüklüdür, pozitron denen antielektronlar ise pozitif yüklüdür. Evrenimiz bizim için normal olan maddenin hakimiyetindedir. Eser miktarda antimadde evrende gözlense bile, Big Bang (Büyük Patlama) ile ortaya çıkmış olması gereken miktardan çok çok azdır. Big Bang teorilerine göre, antimadde ve madde eşit miktarda oluşmuş olmalıydı.

BARYON ASİMETRİSİ

Çoğunlukla çevremizdeki her şeyi oluşturan Baryonik madde gözlemlenebilir evrende bu kadar ağırlıktayken, eser miktardaki antimaddeyi oluşturan antibaryonlar ile ciddi bir eşitsizlik vardır.

Genel kabul gören kanıya göre; Big Bang’de parçacıkların ve antiparçacıkların eşit miktarda oluşmuş olması ve bunun sonucunda da bütün parçacıkların birbirlerini imha ederek evreni bütün maddelerden arınmış bir radyasyon denizi olarak bırakmaları gerekirdi. Ancak Baryogenessis olarak isimlendirilen, henüz hipotez olarak kabul edilen bir aşamada normal quark ve leptonlar, antiquark ve antileptonlara baskın gelerek antiparçacıkların sayısını bugünkü evreni oluşturacak şekilde azalttılar. Çeşitli hipotezler bu asimetriye farklı açıklamalar getirse de CP simetrisi ihlali denen açıklama en kabul görenidir.

Kısa Bilgi: 
Evrende antimadde yerine neden maddenin baskın olduğu yada Büyük Patlama’dan sonra neden bütün herşeyin birbirini yok etmediğini anlatabilmek için CPT teoreminden bahsetmemiz gerekiyor.

CPT simetrisi: C (Charge / Yük), P (Parity – Spatial Configuration / Uzaysal konum), T (Time / +Zaman) simetrileri anlamına gelir.
Maddenin herhangi bir özelliği bu simetriler yönünden bir değişim geçirdiğinde “aynadaki yansıması” gibi tersi bir hal almalıdır. Yani madde yük simetrisi yönünden tersinme geçirdiğinde antimadde olur. Uzaysal konumu tersinme geçirdiğinde x, y, z düzlemlerindeki konumu -x, -y, -z düzlemlerinde olur, kısaca aynadaki görüntüsü benzer. Zaman simetrisinde bir tersinme ise temel olarak “t” değerinin “-t” olmasıdır. Zaman akışının tersine işlemesi anlamına gelir ve tabiki gözlemlenebilir evrende böyle birşey gerçekleşmediği için şimdilik makro seviyede zaman asimetrik diyebiliriz.

Sözün özü C ve P simetrilerine göre antimadde normal maddenin aynadaki bir yansıması gibi olmalıdır, bütün herşey tersi yönde işlemelidir. Ama pratikte bu gerçek değildir, antimadde tam anlamıyla maddenin yansıması gibi değildir. Buna CP violation (ihlal) denir.

CP İhlali: CP simetrileri yükü ve uzaydaki konumu tersine dönen bir madde için fizik kanunlarının aynı kalması gerektiğini söyler ancak, bunun doğru olmadığı ortaya çıktı. Bir meson türü olan nötr Kaon parçacıklarının positron ve elektron bozunumları arasındaki eşitsizlik (pozitron bozunumunun daha fazla olması) bir CP ihlalidir. Bu ve benzeri bazı parçacıklarda eşitsizlikler, maddenin nasıl antimaddeye baskın geldiğini açıklamakta kullanılabilir.

ANTİPARÇACIKLARIN KEŞFİ

Antimadde terimi ilk olarak ingiliz fizikçi Sir Arthur Schuster tarafından 1898’de Nature dergisi için kaleme alınan bir makalede geçmektedir. Schuster atomların zıt özelliklere sahip eşdeğerleri olabileceğini, normal madde ile birbirlerini iteceklerini, hatta anti atomlardan yıldız sistemleri olabileceğini öne sürmüştür. Öne sürdüğü bu hipotez, eksiklerine rağmen bugünkü antimadde anlayışımızın temelini oluşturmuştur.

diracdenklemi

Ünlü devrimsel Dirac Denklemi…

Modern antimadde teorisi Paul Dirac tarafından 1928’de yazıldı. Dirac, Dirac Denklemi adı verilen teorisi ile quantum mekaniklerini (atomaltı dünyası), Einstein’ın özel göreliliği (çok büyük şeylerin dünyası) ile birleştirdi. Denklemi aynı zamanda hem elektronlar, hem de elektronların pozitif yüklü versiyonları (pozitronlar) ile geçerli bir şekilde çalışıyordu. Yani denklem pozitronları öngörüyordu. Böylece bütün parçacıkların karşıt yüklü bir antiparçacığı olabileceği ve antiparçacıkların bir araya gelerek antiatomlar ve antimadde oluşturabileceği hipotezi ortaya çıktı.

Dirac denklemi, aynı zamanda daha önce asla gözlemlenmemiş birşeyi öngören ilk denklem ünvanını da taşıyarak Dirac’a 31 yaşında Nobel ödülü kazandırdı.

Pozitron:
Doğada radyoaktif elementlerin beta bozunumları ve kozmik ışınların atmosferimize çarpışı sonucu ortaya çıkan pozitronları ilk gözlemleyen bilim insanları şunlardır: Sovyet fizikçisi Dmitri Skobeltsyn, 1929’da Wilson çemberi denen bir cihaz ile (kapalı bir ortamda süper doymuş su veya alkol buharı içeren parçacık dedektörü), kozmik ışınlardan kaynaklanan gamma radyasyonunu tespit etmeye çalışırken, elektronlar gibi hareket eden ancak manyetik bir alanda elektronların izleyeceği yolun tersini izleyen parçacıklar keşfetmişti. Aynı sene Çinli fizikçi Chung-Yao Chang da benzer bir gözlem yaparak elektron benzeri pozitif yüklü parçacıklar tespit etmişti. Ancak araştırmalarını bu konuda sürdürmedi.

1932’de Amerikalı fizikçi Carl D. Anderson benzer yöntemler ile bu parçacığı gözlemleyip tanımlayan ve araştırmalarını bu yönde sürdüren bir diğer bilim insanıdır. Anderson, elektronun tersi yüklü bu parçacığın tam tanımını yaparak Nobel ödülü kazanmıştır.

Pozitron, günümüzde beta bozunumlarının yanı sıra, parçacık hızlandırıcılarda ve Lawrance Livermore ulusal laboratuvarında yeni bir yöntem olan milimetre kalınlığında altın hedeflere lazer uygulanarak üretilmektedir.

Antiproton:
Negatif (-1) yüklü proton parçacıkları 1955’te California üniversitesinde fizikçiler Emilio Segrè ve Owen Chamberlain tarafından gözlemlenmiştir. İkiliye Nobel ödülü kazandıran antiprotonların normal protonlardan en büyük farkları, normal protonların tersi olan negatif elektrik yüküne ve tersi manyetik momente sahip olmalarıdır.

Normal protonların yapıtaşları iki adet up quark ve bir adet down quarktır. Antiprotonlar CERN ve Fermilab’de rutin olarak üretilmektedirler.

Antinötron:
Nötron yüksüzdür ve bir adet up quark, iki down quarktan oluşur. Antinötronda ise bu quarkların yerinde antiquarklar vardır. Antinötron, antiprotonun keşfinden bir yıl sonra 1956’da Lawrence Berkeley Ulusal Laboratuvarları’nda Bruce Cork tarafından keşfedilmiştir. Elektrik yükü olmadığı için gözlemi zordur ve genellikle nötron-antinötron çarpışmaları sayesinde gözlemlenebilirler.

Majorana Fermion:
Konu antimade ise, yakın zamandaki keşiflerden bahsetmemek olmaz. Princeton üniversitesinde Ali Yazdani tarafından 1937’de İtalyan fizikçi Ettore Majorana’nın öngördüğü bir parçacık keşfedildi.

Kurşundan yapılmış bir süperiletken üzerine demir atomları yerleştirilen deneyde, normal olarak demir atomlarının manyetik alanlarının süperiletkenlere etki etmesi gerekirdi. Ancak deneyde demir atomları da süperiletken bir hal aldı (Elektronları hem manyetizma hem de süper iletkenlik özellikleri gösterecek şekilde spinlerini koordine ettiler).

Böylece elektronlardan biri normal elektron kalırken, diğeri pozitron özellikleri gösterdi. Sonuçta demir atomları Majorana parçacığı denen hem madde hem antimadde özellikleri taşıyan bir hal almış oldu. Bu parçacıklar süper iletkenler yakınında oluşmuş ve varlıklarını süper iletkenlerden uzakta sürdürememişlerdir.

MADDE – ANTİMADDE ÇARPIŞMASI

Bir elektron ve pozitronu çarpıştıralım. Ne olur acaba?

Elektron ve anti parçacığı olan pozitronun çarpışması.

İki parçacık birbilerini yok ederek iki parça gamma ışını açığa çıkarırlar. Proton ve Antiproton çarpışması ise biraz daha faklıdır. Kompozit parçacıklar olan (normal+anti) protonlardaki karşıt quarkların bir kısmı birbirlerini imha ederken, geri kalanı kararsız mesonlar oluşturarak dağılır. Bu mesonlar da kısa sürede bozunurlar.

DOĞADA ANTİMADDE OLUŞUMU

Vücudunuzda antimadde üretimi yapıldığını biliyormuydunuz? Doğadaki bazı ufak ve bazı muazzam antimadde fabrikaları gibi vücudumuz da antiparçacıklar saçmaktadır.

Potasyum-40: Antimadde parçacık hızlandırıcılardan en akla hayale gelmeyen şeylere, örneğin muzlara ve insan vücuduna kadar her yerde açığa çıkabilmektedir.

Muzda bulunan Potasyum-40 izotopları, beta bozunumu geçirirken her 75 dakikada bir pozitron açığa çıkarırlar. Aynı potasyum-40 insan vücüdunda da bulunur ve aynı şekilde pozitron açığa çıkarmaktadır. Ancak merak etmeyin bu düşük miktarlar size zarar vermez. Radyoaktif maddeler ve geçirdikleri bozunumlar ile ilgili detaylı bilgi için bu yazımıza göz atabilirsiniz.

Fırtınalar: Fırtınalar yağmurlardan, dolulardan, sert rüzgarlardan ve yıldırımlardan daha fazlasını üretmektedir. NASA’nın yörüngedeki Fermi Gamma-Işını teleskobu hergün 500 adet TGF (terrestrial gamma-ray flash), yani dünyasal gamma ışını parlaması olayı gözlemlemekte. Bunlar güçlü fırtınaların tepelerindeki elektrik sahalarının, ışık hızına yakın hızlarda dikey olarak uzaya gönderdiği elektronların atmosferdeki diğer moleküller ile çarpışması sonucu ürettikleri gamma ışınlarıdır. Bu gamma ışınları o kadar kuvvetlidir ki, uzaya elektron ve pozitronlar (antielektron) saçarlar ve bu parçacıkların bizzat Fermi’ye çaptıkları tespit edilmiştir.

Kozmik ışınların atmosferimize çarpışı da çok düşük miktarlarda pozitron ve antiproton açığa çıkarmaktadır. Bunlar normal madde ile karşılaşana kadar Dünya’ya “yağarlar”. Çarpışmalar sırasında açığa çıkan parçacıkların bir kısmı da uzaya saçılarak manyetik alan tarafından hapsedilip Van Allen radyasyon kuşaklarında toplanırlar.

Devasa yıldızların geçirdiği çift-instabilitesi süpernovaları (Pair-Instability Supernova), çekirdekteki elektron ve pozitron çarpışmalarının artışıyla düşen radyasyon basıncının, yıldızın dış katmanlarını taşıyamaz hale gelmesiyle olur. Kendi ağırlığı ile çökmeye başlayan yıldızda füzyon reaksiyonları tepe noktasına ulaşır ve termonükleer bir patlama ile yıldız infilak ederek geriye bir karadelik ya da nötron yıldızı bırakmayacak şekilde dağılır.

X-Işını İkilileri (X-Ray Binaries): Maddenin bir yıldızdan (genellikle normal bir yıldız) diğerine “düştüğü” (genellikle bir kara delik, nötron yıldızı veya beyaz cüce) ikili yıldız sistemlerinde yüksek miktarlarda pozitron açığa çıkıp manyetik alanlar ile ışık hızına yakın hızlarda uzaya saçılmaktadırlar.

YAPAY ANTİMADDE ÜRETİMİ & KULLANIM ALANLARI

Antimadde Dünya üzerindeki en nadir, üretimi en zor ve en pahalı materyaldir. Altın ve Elmas gibi nadir ve değerli materyaller, antimadde yanında ancak çakıl taşı kadar değerlidirler. Üretim zorluğu ve yavaşlığı sebebiyle 1 gram antimaddenin şu anki değeri yaklaşık 62.5 trilyon dolara denk gelir. Antimaddeyi ikinci olarak gramı 27 milyon dolar ile Californium-252 elementi takip etmektedir. Eğer antimaddeyle gerçekten kıyaslayacak başka bir materyal arıyorsanız, bazı bilim insanlarının bir kaç karanlık madde parçacığı için Dünyayı teslim edebileceklerini söyleyebiliriz.

Antimadde

Antimaddenin insan sağlığı alanındaki en yaygın kullanımı, PET tarama cihazlarıdır.

Antiparçacıklar nanogramdan daha düşük seviyelerde parçacık hızlandırıcılarda üretilebilmektedir. Daha da düşük seviyelerde ise, çeşitli radyoaktif elementlerin bozunum sonucu antiparçacıklar açığa çıkmaktadır. Keşfedilen ilk antiparçacık pozitron da bu şekilde keşfedilmiştir ve günümüzde bozunum sonucu ortaya çıkan pozitronların tıpta önemli bir kullanım alanı mevcuttur.

PET taramaları (Positron Emission Tomograph / Positron Emisyon Tomografisi): PET tarayıcıları elektronun karşıt parçacıkları olan pozitronları kullanır. Bu taramalarda dolaşım sistemine enjekte edilen Fluorine-18 gibi kısa ömürlü bir radyoaktif bir izotop, pozitron yayan bir bozunum geçirir. Bu pozitronlar dokuda 1mm gibi kısa bir mesafe kat ederler. Bu sürede kinetik enerjileri azalır ve sonunda bir elektron ile temas ederek birbirlerini yok edip, birbirinin aksi yönünde hareket eden gamma ışınları (yüksek enerjili fotonlar) oluştururlar. PET tarayıcısı aynı anda oluşup birbirlerinin aksi yönünde hareket eden bu gamma ışınlarını tespit ederek taranan bölgenin üç boyutlu bir resmini çıkartır.

PAS (Positron Annihilation Spectroscopy / Positron İmha Spektrokobisi): Deneysel bir cihaz olan PAS, materyal araştırmalarında kullanılmaktadır. Herhangi bir metal, süperiletken ya da polimer benzeri malzemeye gönderilen pozitronların, elektronlar ile çarpışıp gamma ışını üretmesiyle atomik seviyelerde materyal yapısı ve kusur analizi çalışmaları yapılabilmektedir.

Parçacık Hızlandırıcıları

Parçacık hızlandırıcıları, elektromanyetik alanlar yoluyla yüklü parçacıkları inanılmaz süratlere hızlandıran makinelerdir. Birçok kullanım alanları olsa da en önemlisi yüksek enerji fiziğidir. Dünya’da irili ufaklı 30.000’den fazla parçacık hızlandırıcı vardır ve bunların sadece 1%’i 1 GeV enerjisi üstündedir.

Not: Türkiye’de de bir parçacık hızlandırıcı kurulum çalışması uzun yıllardır devam ediyor. Temel eğitim düzeyinde (1 GeV altı) küçük bir parçacık hızlandırıcısının yapımını öngören projenin gidişatı hakkında bilgi almak için şu linki ziyaret edebilirsiniz.

Böylesi hızlandırıcılar çok yüksek yoğunluk ve ısılar ile parçacıkları çarpıştırarak Big Bang’in ilk anlarındaki ortamı oluşturmaya çalırken, maddeyi oluşturan temel parçacıkları açığa çıkarmaktadırlar. Kaba tabirle bir parçacık hızlandırıcısı ne kadar güçlü olursa, o kadar derinlere ineriz. Bazı insanların “tanrı parçacığı” keşfedildi hala daha neyi arıyorlar dediklerini biliyoruz. Ama daha keşfedecek, öğrenecek ve anlayacak çok fazla şey var. Planck seviyesi denen quantum kütleçekiminin güçlenip bilinen quantum alan teorisini darmadağın ettiği ve evrenin dört büyük gücünün birleştiğinin tahmin edildiği 1.22 × 10^19 GeV’luk enerji seviyelerine inmek için hayal edebileceğimizden güçlü hızlandırıcılar gerekmektedir. Bu enerji seviyeleri öyle güçlüdür ki, gerçektenden bir kara delik oluşturabilirler. Ancak korkmayın, böyle bir hızlandırıcı inşa etmek için Dünya’da yeterince yer yok. Tahmini boyutları Güneş çapının 10 katı (14 milyon km) olacaktır.

DESYhizlandirici7

Almanya’daki dev parçacık hızlandırıcı; DESY. 1959 yılında inşa edilen bu hızlandırıcı, Cern ve Fermilab’dan sonra yeryüzündeki en güçlü hızlandırıcılardan biridir.

Bizler, insanoğlu asla uçamaz, uzaya çıkamaz, Ay’a gidemez diyen kişilerin sadece bir nesil sonrasındaki zaman diliminde yaşıyoruz. Bugün imkansız denen şeylerin yarın da imkansız kalacağının garantisi verilemez. Gelecek nesillerin yapamayacağının ya da başka insanlık harici olası uygarlıkların yapamayacağının kesinlikle hiç bir garantisi yok.

Bilimsel araştırmalara önem veren bütün uygarlıkların en büyük ortak noktasının, belki de parçacık fiziği olduğunu keşfedebiliriz bir gün. Evrenin yapı taşlarını keşfetmek isteyen bütün zekaların temel yapı taşlarını açığa çıkarıp gözlemleyebilecekleri hızlandırıcılar yapmaları gerekecektir. Bu sebeple evrenin derinliklerini incelerken bizimkilerden daha büyük ve güçlü parçacık hızlandırıcıların açığa çıkarabileceği cinsten yoğun enerjiler keşfedebiliriz. Planck seviyelerini araştıracak bir hızlandırıcının açığa çıkaracağı enerji, zaman zaman bir pulsar gibi parlamasına sebep olacaktır.

Hızlandırıcılarda Antimadde Üretmek

Parçacık hızlandırıcılarından Fermilab’daki Tevatron, Brookhaven’daki RHIC ve CERN’deki LHC gibi büyük ve güçlü olanlar, hatırı sayılır miktarda (araştırmalara yetecek kadar) antimadde üretebilmektedir. Her yıl Fermilab Tevatron hızlandırıcısı ile 15 nanogram, Alman DESY hızlandırıcısı 2 nanogram ve CERN 1 nanogram miktarlarda üretmektedir.

CERN

CERN, dünyanın en büyük ve kapsamlı yüksek enerji fiziği araştırma tessislerinden biridir. 6 adet hızlandırıcı ve yavaşlatıcıya ev sahipliği yapar. Birçok farklı deneyin yürütüldüğü CERN’deki antimadde deneylerinden bahsedelim.

CERN’ün ana parçalarından “Proton Synchroton” hızlandırıcısı, proton ışınlarını bir metal bloğa ateşler. Çarpışmalar o kadar şiddetlidir ki, yaklaşık her bir milyon çarpışmada yeni proton ve antiproton çiftleri açığa çıkar. Antiprotonlar ışık hızına yakın hızlarda her yöne doğru saçılırlar. 2002’den beri “Antiproton Decelerator” (Antiproton Yavaşlatıcısı) denen yavaşlatıcı, bir dakikadan kısa süre içinde antiprotonları manyetik alanlar ile yönlendirip, elektrik alanları ile yavaşlatarak (“cooling” denen bir işlem) bu antiprotonları ışığın 10% süratlerine kadar düşürür. Bu işlem sonunda deneylerden kullanıma hazır olan antiprotonlar ACE, ATRAP, ASACUSA, ALPHA ve AEGIS deneylerine yönlendirilirler.

acedeneyi

CERN’deki ACE deneylerinin yapıldığı alandan bir fotoğraf.

ACE (Antiproton Cell Experiment): Antiprotonların biyolojik etkilerinin araştırıldığı bu projede, Dünya çapında 10 enstitüden gelen bilim insanları antiprotonlar ile kanser tedavisi üzerinde araştırmalar yapıyorlar. Özellikle insan vücuduna büyük hasar veren kemoterapiye kıyasla çok daha az zarar veren ve daha etkili olan tedavi yöntemleri umut vaadediyor.

ATRAP (The Antihydrogen Trap): Bu deneyde hidrojen atomları ve antihidrojen atomları arasında karşılaştırmalı gözlemler yapılıyor. Bir antihidrojen atomu yapmak oldukça zorludur. ATRAP ekibi antiprotonları pozitronlara tabi tutarak ikinci bir “cooling” işlemi uyguluyorlar. Böylece antiprotonlar daha da yavaşlarken bazıları birer pozitron kapıp antihirdojen atomu haline geliyorlar.

ASACUSA (Atomic Spectroscopy And Collisions Using Slow Antiprotons): Bu deneyde antiproton içeren helyum (antiprotonic helium), (atom çekirdeği çevresinde iki elektron yerine bir elektron ve bir antiproton dönen hibrid madde-antimadde atomlar, antiprotonların negatif elektrik yükü taşımasıyla mümkün olabiliyor) ve antihidrojen atomlarının spektroskopi yoluyla eşdeğer madde ile karşılaştırmaları yapılıyor. Bunun yanında madde ve antimaddenin etkileşimleri de gözlemlenip antiprotonların elektronlara ve atom çekirdeklerine olan etkilerinin de gözlemleri yapılıyor.

ALPHA: Diğer bir deney takımı olan ALPHA’da antihidrojen atomları sentezleyip bunlar üzerinde yoğunlaşıyor.

AEGIS (Antihydrogen Experiment: Gravity, Interferometry, Spectroscopy): Son olarak bu deneyde ise, Dünya’nın kütleçekiminin antihidrojen atomları üzerindeki etkisi araştırılıyor. Özellikle bu deneyden biliyoruz ki, antimadde ve normal maddenin kütleçekimsel bir farkı yok. Antimaddede kütleçekimine normal madde gibi maruz kalıyor.

UZAYIN DERİNLİKLERİNDEN ANTİMADDE GÖZLEMLERİ

Gözlemlenebilir evrendeki neredeyse bütün herşey, bizim için normal olan madde tarafından oluşmuştur. Ancak istisnai durumlar söz konusudur. Antimadde sanıldığı kadar nadir değildir. Hatta antimadde yoğunluğu olan bölgeler tespit edilmiştir.

galactic_center_fermi

Samanyolu’nun merkezindeki antimadde yoğunluğunun diğer bölgelere göre fazla olduğu alan.

Madde ve antimaddeyi oluşturan parçacıklar çarpıştıklarında gamma ışınları ve değişken birçok parçacık açığa çıkararak birbirlerini yok ederler. Bu gamma ışınlarını tespit ederek, madde ve antimaddenin temas ettiği bu nadir bölgeleri bulabiliyoruz.

“Antimadde Bulutu”

1970’den beri varlığını bildiğimiz galaksi merkezi yakınlarında bir “antimadde bulutu” mevcuttur. Ancak terim sizi yanıltmasın burası antimadde dolu bir bölge değildir, sadece eser miktardaki antimadde, evrenin geri kalanına kıyasla bu bölgede biraz daha fazladır. Neredeyse 10.000 ışık yılı boyutlarında bir alana yayılan bu “bulut”, elektronların pozitronlar ile çarpışması sonucu açığa çıkan gamma ışınları ile tespit edilmiştir. Bu bölge Güneşimizin 10.000 katı kadar bir enerji saçmaktadır.

ESA’nın Integral uydusu yakın zamanda bu antimaddenin kaynağını keşfetti. Galaksi merkezi yakınlarında ki X-ışını ikilileri (bir karadelik ya da nötron yıldızı ve bu süper kütleli cismin çevresinde dönerken madde kaybetmekte olan normal bir yıldız).

ANTİMADDE ENERJİSİ

Madde – Antimadde çarpışmaları, sahip olabileceğimiz en yoğun ve en saf enerjiyi üretmektedir doğru. Gelecekte bir gün uzay gemilerinde roket olarak kullanılabilir. Enerji santralleri ile şehirlerimizi ve kolonilerimizi aydınlatabilir, bu da doğru. Ancak böyle şeyler için ihtiyaç duyacağımız antimadde miktarını üretmekten henüz çok uzağız.

İnsanoğlunun bu güne kadar ürettiği antimadde, şu anda sadece bir ampulü bir saniyeliğine aydınlatmaya yetecek miktardadır. Yeterli miktarda antimaddeyi üretmenin pratik bir yöntemini bulursak; parçacık fiziğinden, yıldızlar arası görevlere kadar bir alanda yeni imkanlar sunabilir bize. Ancak ne yazık ki bugün ve yakın gelecekte böyle imkanların sadece hayalini kurmak durumundayız.

Berkan Alptekin




Einstein’ın Görelilik Kuramı (İzafiyet)

Görelilik kuramını anlamak için öncelikle göreliliğin ne olduğunun bilinmesi gerekir. Kısaca görelilik, var olabilmek ya da belirlenebilmek için, bağıntı yolu ile başka bir şeye bağlı olma durumudur.

Gelin bir de bu kuramı ortaya atan 20. Yüzyılın en dahi bilim adamı Albert Einstein’in tanımına bakalım: “Elinizi bir dakikalığına kızgın bir sobaya değdirmeye kalkıştığınızda, o bir dakikalık süre size bir saat gibi gelecektir. Hoş ve çekici bir kadınla geçirdiğiniz bir saat size bir dakika gibi gelir. İşte görelilik budur.” dediği rivayet edilir Einstein amcamızın.

Görelilik kuramı, Özel Görelilik (1905) ve Genel Görelilik (1915) olmak üzere iki aşamada yayımlanmıştır. Özel Görelilik Kuramı ivmelenmeyen (eylemsiz) cisimlerin durumlarını açıklamada oldukça başarılı olmasına rağmen, ivmelenen (eylemli) cisimlerin durumlarını açıklamada yetersiz kalmıştır. Bu nedenle Einstein 10 yıl boyunca Genel Görelilik Teorisi üzerine çalışmıştır.

 Özel Görelilik Teori’nin savunduğu iki temel sav şunlardır:

  1. Bütün eylemsiz referans sistemlerinde fizik kanunları aynı şekli alır.
  2. Herhangi bir eylemsiz referans sisteminde ışığın hızı kaynaktan bağımsızdır yani ışık hızı göreceli değildir, mutlaktır.

İlk savda herhangi bir sorun yok ancak ikinci madde üzerine biraz düşünmek gerekebilir. Işığın da ses gibi dalgalardan meydana gelen bir enerji olduğunu göz önünde bulundurursak, 19. Yüzyılın bilim insanları nasıl sesin yayılması için hava gibi bir maddeye ihtiyaç duyuluyorsa ışığın da yayılması için böyle bir madde olması gerektiğini düşünüyorlardı. Bu maddeye uzay boşluğunda bulunan ve ısı-ışığı ilettiği düşünülen, Eski Yunancada “mavi gök” anlamına gelen “eter (esir)” adını verdiler.

Michelson – Morley deney düzeneği

Buna ek olarak ışığın bu eter maddesi içerisinde yaklaşık olarak 300.000.000 m/sn hızla hareket ettiğini varsaydılar. 1887 yılında Albert Michelson ve Edward Morley eterin varlığını kanıtlamak için bir deney düzeneği tasarladı. Bu deneyde belirli ve sabit bir ışık kaynağından çıkan fotonlar, yerle arasındaki açı 45° olan yarı saydam bir aynaya gönderilir. Ayna yarı saydam olduğundan gönderilen fotonların yarısı ayna tarafından yansıtılırken yarısı yansıtılmadan doğrusal olarak aynanın karşısına geçer. Daha sonra biri ayna ve ışık kaynağıyla aynı doğrultuda olan bir noktaya ve biri 45°lik aynanın yansıttığı fotonların doğrultusuyla aynı olan bir noktaya olmak üzere iki düzlem ayna düzeneğe yerleştirilir. Dünyanın eter içinde durağan olmadığını dolayısıyla düzeneğin de hareketli olduğunu göz önünde bulundurarak fotonların durumuna bir göz atalım:

Yarı saydam aynanın karşısına geçen fotonların aldığı yolda bir değişiklik olmadığı açıktır. Çünkü düzeneğin hareket etmesine bağlı bir durum bu kısımda söz konusu değildir. Ancak düzenek hareket ettiğinden aynadan yansıyan fotonların aldığı yol artacaktır. Bu da eter adı verilen maddenin var olmadığını kanıtlar niteliktedir. Michelson-Morley deneyi teorik olarak başarısız bir deneydir. Buna rağmen fizikteki en muhteşem başarısız deneylerden biridir.

Michelson-Morley deneyi Einstein’ın Özel Görelilik Kuramı’nı ortaya koymasında oldukça büyük rol oynamıştır. Görelilik Kuramı’nın faydalandığı bir diğer kişi de Galileo’dur. Galileo’nun göreliliğini basit bir örnekle inceleyelim: Bir otobüs düşünün, otobüsün içinde bulunan A kişisi elindeki topu V sabit hızıyla otobüsün ön tarafına doğru fırlatsın. A kişisine göre topun hızı V’dir. Buna ek olarak otobüse dışarıdan bakan bir B kişisi düşünün ve otobüsümüz de V hızıyla hareket ediyor olsun. Hızlar toplamı kanununa göre B kişisi topun hızını V+V olmak üzere 2V olarak görür. Fakat bu durumu ışığa uyarladığımızda bir problem ortaya çıkar.

Aynı şekilde V hızıyla giden bir otobüs düşünün ve otobüsün farları açık olsun. Dışarıdan bakan B kişisinin teorik olarak ışığı V+c(ışık hızı) hızında görmesi gerekir ancak Einstein’a göre ışık hızı her şeye göre sabittir ve 300.000.000 m/s’dir. Bu durumda V=x/t formülünden yola çıkarak V’nin artması söz konusu olduğundan t’nin kısaldığını veya x’in uzadığını söyleyebiliriz. Öncelikle zaman kısalmasını bir örnekle açıklayalım: Birbirine paralel iki ayna arasında hareket eden bir ışık huzmesi ve bu ışık huzmesinin aynaya her çaptığında saatin 1 saniye ilerlediğini düşünelim. Ve yine bir önceki örneğimizdeki gibi iki saatin olduğu yerlere birer gözlemci yerleştirelim.

Bir otomobilin farından çıkan ışığın hızı; otomobilin hızı artı ışık hızı değildir!

Otobüsün içindeki kişiye A, dışındaki kişiye B kişisi diyelim. B kişisi kendi saatindeki ışık huzmesinin aynalara dik bir şekilde hareket ettiğini, A kişisinin saatindeki ışık huzmesinin ise aynalar arasında dik bir üçgen oluşturduğunu görür. Bu durumda B kişisine göre A kişisinin saatindeki ışık huzmesi kendisininkinden daha fazla yol aldığından A kişisinin zamanı B kişisine göre yavaşlamıştır. Aynı şekilde A kişisi de kendi saatindeki ışık huzmesinin aynalara dik bir şekilde hareket ettiğini, B kişisinin saatindeki ışık huzmesinin ise bir üçgen oluşturduğunu görür. Bu durumda ise A kişisine göre B kişisinin zamanı yavaşlamıştır. Peki, nasıl oluyor da iki zaman birbirine göre daha yavaş olabiliyor? Bu durumu açıklamak için ise Einstein x’in kısalması gerektiğini öne sürmüştür. Bu hipotezlerin denklemleri kontrol edildiğinde ise birbirlerini tamamladıkları fark edilmiştir.

Özetle, hızlı hareket eden bir cisme göre zaman, yavaş ya da durağan olan bir cisme göre daha yavaş akmaktadır. Chistopher Nolan’ın yönetmenliğini yaptığı Interstellar adlı filmde bu olay abartılı da olsa güzel bir şekilde işlenmiştir. Bu olayı oldukça basit olarak açıklayan İkizler Paradoksu yine Einstein tarafından ortaya atılmıştır. Bu paradoksa göre ikiz kardeşlerden birini süper hızlı bir uzay aracıyla uzaya göndersek, diğeri ise dünyada kalsa uzay aracı hızlı hareket edeceğinden uzaydaki kardeş birkaç yıl sonra dünyaya geldiğinde kardeşini kendinden daha yaşlı bulacaktır.

Ne kadar hızlı gidilirse zaman o kadar yavaşlar ve ışık hızına çıkıldığında (ki bilinen fizik kuralları gereği bu imkansızdır) zaman durur. Şu örnekle Özel Görelilik Kuramını özetleyebiliriz: Uzaydan Dünya’ya gelen kozmik ışınların atmosferle etkileşiminden müon denilen kararsız parçacıklar oluşur. Ömürleri çok kısa olduğundan deniz seviyesine inmeden hemen bozulurlar ancak yapılan gözlemlerde müonun deniz seviyesine kadar indiği gözlemlenmiştir. Bunu açıklamak gerekirse deniz seviyesinde bulunan bir gözlemciye göre zamanın yavaşladığını, müona göreyse uzunluğun kısaldığını söyleyebiliriz.

Bütün bunlara ek olarak Özel Görelilik Kuramı uzay ve zamanın bir bütün olduğunu öne sürüyor. Bir olayı anlatırken nerede ve ne zaman meydana geldiğini belirtmek zorundayız. Ayrıca bu kuramdan dolaylı olarak elde ettiğimiz başka sonuçlar da var. Bunlardan biri kütle ve enerji arasındaki ilişkidir. Enerjisi artan bir cismin kütlesi de artar. Nedensellik ilkesi de kuramın öngördüğü ilkelerden biridir. Bu ilkeye göre neden sonuçtan önce gerçekleşmelidir tıpkı topu atmadan camın kırılamaması gibi. Eğer ışık hızının üstüne çıkılabilirse doğanın kanunlarının da yıkılabileceğini ve sonucun nedenden önce gerçekleşebileceğini ve böyle bir şeyin mümkün olamayacağını göz önünde bulundurursak “ışık hızı evrendeki hız limitidir ve aşılamaz” demek yerinde olacaktır.

Ancak kuram ilk ortaya atıldığında evrenin yasalarından biri olan ve Newton’un öne sürmüş olduğu evrensel kütle çekim yasasında bir eksiklik olduğu ortaya çıktı. Bu yasaya göre herhangi iki cisim birbirlerini kütleleriyle doğru, aralarındaki mesafenin karesiyle ters orantılı bir kuvvetle çeker. Fakat bu yasa Einstein’ın kuramına ters düşüyor. Newton’ın yasası kütle çekim kuvvetinin anında etkiyen bir kuvvet olduğunu söylüyor. Einstein’ın kuramına göre ise hiçbir şey ışıktan hızlı hareket edemediğinden, bir cisim hareket ettiğinde diğerine etki edebilmesi için aradan bir miktar zaman geçmesi gerekiyor.

Newton yasasının ikinci garipliği ise kuvvetin cisme temas etmeden etki edebilmesidir. James Maxwell 1860’lı yıllarda elektrik ve manyetizma hakkındaki her şeyi tek bir kuram altında toplamayı başardı. Bu kuram bahsettiğimiz tuhaflıkları da gideriyor. Şöyle ki: Her yük uzayda çevresinde bir elektrik alanı yaratır. Ayrıca elektrik alana yerleştirilmiş bir başka yüke de kuvvet uygulanır. Dolayısıyla iki yük arasında etkiyen kuvveti bir aracı olan elektrik alan ile açıklıyoruz. Bu anlamda yüklerin birbirine kuvvet uygulamadığını, sadece alanla etkileştiğini söyleyebiliriz. Fakat elektrik alan uzaya yayılmış olduğu için, tüm yükler arasında etkiyormuş gibi görünen bir kuvvet ortaya çıkar.

Maxwell’in kuramının öngördüklerinden biri de değişen bir elektrik alanın uzayda elektrik alan oluşturmasıdır. Bu sebeple, bir yük hareket ettirildiğinde uzayda sürekli ve değişmekte olan elektrik ve manyetik alanlar oluşur. Işık da bir elektromanyetik dalga olduğundan bir yükün yeri değiştirildiğinde bu yükün oluşturduğu değişim uzayda ışık hızıyla yayılır. Bu da elektromanyetizmanın özel görelilik kuramıyla uyumlu olduğunun bir göstergesidir.

Buraya kadar hep Özel Görelilik’ten bahsettik, biraz da Genel Görelilik’ten bahsedelim:

Einstein’ın 1907 yılında yayımladığı makalesinde “denklik ilkesi”nden bahsetmesiyle Genel Görelilik Kuramı’nın temelleri atılmış oldu. Denklik ilkesinin başlangıcı kütle faktörünün iki doğa yasasının içinde bulunmasıdır:

1) Evrensel kütle çekim yasası: Bu yasaya göre bir cismin başka bir cisme uyguladığı çekim kuvveti, cismin kütlesiyle doğru orantılı olara değişir. Kütle burada cisimlerin ne kadar büyük çekim uygulayabileceğini belirten bir niceli olarak karşımıza çıkar. Bu nedenle bu   kütleye “çekim kütlesi” denir.

2)Newton’un eylemsizlik yasası: Bir cisme kuvvet uygulayarak cismi hızlandırır, yavaşlatır veya hız yönünü değiştirebilirsiniz. Birim zamanda meydana gelen hızdaki değişime ivme denir ve bu yasa ivmenin, kuvvetin kütleye bölünmesiyle elde edilebileceğini savunur.

Bir cismin kütlesi ne kadar büyükse, o cismi harekete geçirmek için o kadar zorlanırız. Bu nedenle bu kütleye de “eylemsizlik kütlesi” denir.Dolayısıyla kütle birbirinden çok farklı iki yasada karşımıza çıkar ve bu iki kütlenin aynı olması beklenmedik bir şeydir ancak kütle MUTLAKTIR. Einstein bu eşitliğin sonucu olarak her cismin yeryüzüne aynı şekilde düşmesi gerektiğini söylemiştir. Bu deneyi evimizde yapamayız çünkü ortamda havanın uyguladığı sürtünme kuvveti vardır ama Galileo, analiz yaparak sürtünme kuvvetinin farkına varmış ve eğer sürtünme olmasaydı iki cismin aynı anda yere düşeceğini söylemiştir.

Ay’a yapılan Apollo uçuşlarından birinde bu deney yapılmıştır, çekiç ve tüy aynı anda yere bırakılıp aynı anda yere düştükleri gözlemlenmiştir. Eğer bütün cisimlerin kütle çekim ve eylemsizlik kütleleri eşitse, bu durumda ağırlıksız bir ortamdaki gözlemci düşen bir ortamda mı yoksa uzayda mı olduğunu ayırt edemez. Einstein’ın kullandığı denklik ilkesi budur. Peki, şimdi bir soruya kafa yoralım: Yeryüzünde serbest bırakılan her cisim düşer, peki ışık da düşer mi?

Bu sorunun cevabını almak için ivmelenen bir roket düşünelim. Roket ilk anda duruyor olsun ve bu ilk anda roketin sağ duvarından sol duvarına yere paralel olmak üzere bir ışık demeti gönderelim. Işık karşı duvara çarptığında roket bir miktar yol almış olacaktır bu nedenle ışık duvarın yüzeyinde daha alt bir noktaya çarpar.

Işığın roketin alt kısmına yaklaşması gibi yeryüzündeki ışık demetleri de yere düşer. Yani yer çekimi ışığı da etkiler. 1919 yılındaki Güneş tutulmasını bir fırsat olarak kullanan Arthur Eddington‘ın yaptığı ölçümler Einstein’ın bu öngörüsünü destekler nitelikteydi. Yatay yönde yol alan ışığın sapmaya uğradığını biliyoruz. Peki, dikey yönde yukarı doğru yol alan ışığa ne olur? Denklik ilkesi bize bu durumda ise ışığın renginin değişeceğini söylüyor. Bu sonuca ulaşmamızı sağlayan Doppler etkisine bir göz atalım: Bir dalganın frekansının o dalgayı üreten bir kaynak bize doğru yaklaşıyorsa, dalganın frekansının artmış olduğunu yani dalga boyunun kısaldığını gözlemleriz.

Görünür ışık için mavi renk en yüksek, kırmızı renk ise en düşük frekansa sahiptir Bu nedenle bizden uzaklaşan cisimlerden kaynaklanan ışığın rengi kırmızıya kayar. Tam tersine, bize yaklaşıyorsa rengi maviye kayar.

Işığın kütle çekim alanındaki davranışı da bahsettiğimiz zaman genleşmesinin bir sonucudur. Yukarıya giden ışığın kızıla kayması yani frekansının düşmesi zamanın yukarıda daha hızlı işlemesinden kaynaklanır. Yatay giden ışığın sapması da zaman genleşmesiyle açıklanabilir. Işık bir elektromanyetik dalga olduğundan uzayda kapladığı hacmin yerçekimine göre daha yukarıda ve daha aşağıda olan kısımları vardır. Zaman genleşmesi nedeniyle daha yukarıdaki noktalarda frekans daha düşük yani dalga boyu daha büyüktür. Dalga boyundaki konuma bağlı bu farklılık, kaçınılmaz olarak dalganın aşağı doğru sapmasına yol açar.

Ancak genel görelilik kuramında daha çok tercih edilen bir açıklama vardır: Dünya aslında yakınındaki cisimlere bir çekim kuvveti uygulamaz, sadece uzay-zamanın dokusunu değiştirir. Kuram özetle şunu söylüyor: Her cisim içinde bulunduğu uzay-zamanı değiştirerek bükülmesine neden olur. Bu değişim cisim etrafında oldukça güçlüdür ancak uzaklaştıkça zayıflar. Cisimler uzay-zamanın bükülmesine neden olduğundan dolayı düz geometri kurallarından sapıyoruz. Bu nedenle hareket eden diğer cisimler kaçınılmaz olarak eğrilikten etkileniyor. Eğer uzay-zaman tamamen düz olsaydı kuvvet uygulanmayan cisimler ve ışık doğrusal yolda hareket eder ve herhangi bir sapma gözlemlenemezdi. Aynı zamanda ışık da uzay-zamanı eğer. Dünya’nın yakınından ışık geçtiğinde, Dünya bundan etkilenir ve yolundan ışığa doğru sapar.

Büyük bir cisim hareket ettiğinde, bunun çevresinde meydana getirdiği eğrilik de zamanla değişir. Eğrilikteki bu değişimler dalgalar halinde uzaya yayılır ve bu dalgalara kütle çekim dalgaları denir. Genel görelilik kuramı bu dalgaların ışık hızıyla yayılacağını savunur. Kütle çekim dalgalarının var olduğu birçok deneyle kanıtlanmıştır. Birbiri etrafında dönen bir atarca ve normal bir yıldızı 1974 yılında incelemeye başlayan Hulse ve Taylor, bu çiftin dönme periyodunun zamanla uzadığını fark ettiler. Daha sonra bunun nedeninin çiftin çok yoğun kütle çekim dalgaları yayınlaması ve bunun sonucu olarak enerji kaybetmesi olduğunu anladılar. Bu da çiftin hareketinin yavaşlamasına neden oluyordu. Bu çalışmalarından dolayı Hulse ve Taylor’a 1993 yılında Nobel Ödülü verildi.

Şimdi geçmişe bakıldığında gözlem yapıp da Genel Görelilik’i kanıtlamış kişilerin sonuçları abartmış oldukları görülür. Doğal olarak o zaman bunları kimse fark etmemişti. Kanıtlar ancak 1960’lı yıllarda astronomların, nötron yıldızları ve kara delikler gibi uzay-zamanı büyük ölçüde etkileyen cisimleri keşfetmeye başlamasıyla bulunmaya başladı. Görelilik kuramı günümüzde o kadar iyi anlaşılmış durumda ki, ışığın sapma miktarından faydalanılarak gökadaların ağırlığı ölçülüyor, telefonlarımızdaki GPS sistemi işliyor ve çok uzak gezegenlerin bile konumları belirlenebiliyor.

Rabia Nisa KALKAN

Daha detaylı bilgi ve ileri okuma için:

1) Referans Sistemleri
2) Lorentz Dönüşümleri
3) Michelson – Morley Deneyi
4) Zaman Genişlemesi ve İkizler Paradoksu
5) Boy Kısalması
6) Kütlenin ve Momentumun Göreliliği

Kaynaklar:
http://bilimgenc.tubitak.gov.tr/makale/genel-gorelilik-kurami-nedir
https://www.space.com/17661-theory-general-relativity.html
https://www.newscientist.com/round-up/instant-expert-general-relativity/
https://www.britannica.com/science/relativity
https://www.khanacademy.org/science/physics/special-relativity
www.elektrikport.com/universite/doppler-etkisi-nedir/12238




Kara Delikler Etraflarındaki Her Şeyi Yutar Mı?

Popüler bilim zaman zaman bize öyle şeyler aşılıyor ki, kendi ile ters düşerek bilimsellikten uzak belirli kalıpları ezberlerimize yerleştiriyor. Bunlardan birisi ise hepimizin çok merak ettiği kara delikler ve onların çekim kuvveti konusunda.

“Karadelikten ışık bile kaçamaz, her şeyi içine çeker” cümlesi öyle bir algılanıyor ki, kara delikler bebek bezi reklamlarındaki tüm sıvıyı içine çeken bezler gibi, her şeyi her yerden sonsuza dek içine çeken cisimler olarak kafamızda yer ediyor.

Bu cümle her ne kadar doğru olsa da eksik. Daha doğru şekilde anlamak için doğru bir şekilde ifade etmemiz gerekiyor. Bunun için öncelikle belirli kalıpları incelememiz gerek. Bunlardan en başta geleni Schwarzschild Yarıçapı. Tanımı oldukça basittir, küresel yapıya sahip bir kütlenin yüzeyindeki kaçış hızı, bildiğimiz sınır değer olan ışık hızına eşit olduğu nokta Schwarzschild Yarıçapı’dır.

Şimdi “kara delikten ışık hızıyla kaçabilir miyiz” sorusunun cevabını arayabiliriz. Elimizdeki bilgi son derece basit. İlgilileri için Schwarschild Yarıçapı’nın matematiksel hesaplaması aşağıdaki gibi.


Burada G, gravitasyon sabiti, c ışık hızı, m cismin kütlesi, r de yarıçapıdır.

Schwarzschild yarıçapında, yani kara deliğin yüzeyinde, ulaşılabilecek en büyük değer olan ışık hızı kaçış hızı olduğundan, ışık dahi olsanız kaçamazsınız. Dolayısıyla bu noktadan itibaren ışık dahi dışarıya kaçamaz. İşte bu kara delik olmak için gerekli limit yarıçap-kütle ilişkisini bize verir, zaten kara deliğin “kara” olarak adlandırılması da bu sebeptendir. Lakin, yüzeyden biraz daha ötede olacak olursanız bu durumda kaçış hızı ışık hızından nispeten daha düşük olacağından ışık bu noktadan kaçabilir.

Aşağıda gözlemsel bir çalışmanın sonucu yapılmış bir simülasyon izleyeceksiniz. Simülasyonda kara deliğe (mavi nokta ile gösterilmiş) yaklaşmakta olan bir yıldız görünüyor. Kısa bir süre sonra, bu simülasyonda altta gösterildiği gibi günlerle ifade ediliyor, yıldız dağılıyor.

Burada dağılan yıldız Güneş benzeri bir yıldız olarak, kara delik ise milyon Güneş kütleli bir kara delik olarak kullanılmış. Simülasyonda yıldızın darmadağın olduğunu görüyoruz. Fakat ortada bir patlama söz konusu değil. Öyleyse bu yıldız neden paramparça oluyor ya da neden kara deliğin içine çekilmiyor?

Kara deliğe yaklaşma anını eğer dikkatle izlerseniz, yıldızın izlediğin yolun esasında kara delik ile aynı doğrultuda olmadığını görebilirsiniz. Yani yıldız ile kara delik kafa kafaya gelmiyor, yıldızın hareketi kara deliği teğet geçecek şekilde. Fakat yıldız kara deliğe yaklaştıkça artan çekim kuvvetinin etkisiyle yörüngesi sapmaya, kara deliğe doğru çekilmeye başlıyor. Bu esnada yıldız giderek artan bir hız kazanıyor. Kara deliğe çok yaklaştığında ise yıldız hala kara delikten bir miktar uzakta.

Yıldızın hareket doğrultusu, fakat karadeliğe yaklaştıkça karadeliğe doğru eğriselleşecek.

Yıldızın hareket doğrultusu, fakat karadeliğe yaklaştıkça karadeliğe doğru eğriselleşecek.

Dolayısıyla yıldız kara deliği deyimi yerindeyse sıyırarak geçiyor. Fakat kara deliğin uyguladığı muazzam çekim gücü yıldız üzerine etkiyerek yıldızın dağılmasına sebep oluyor. Bunu daha iyi anlamak için kara deliği geçip parçalandığı ana dikkat edelim. Bu noktada yıldız mevcut yüksek hızıyla kaçmaya çalışırken, kara deliğin çekim gücüyle de geriye çekilmeye zorlanıyor. Bu iki hareketin altında yıldızın kaderinde spagetti gibi uzayıp parçalanmaktan başka seçenek yoktur.

Sonuç olarak yıldızın bir kısmı kazandığı hızdan ötürü uzayda dağılarak ilerlerken bir kısmı kara deliğin etrafında bir “toplanma diski” oluşturuyor. Simülasyonda kırmızı alanlar az yoğun, beyaz alanlar ise daha yoğun alanları gösteriyor.

Dikkat ederseniz yıldızın yalnızca bir kısmı sadece kara delik tarafından yutulmak üzere toplanıyor, bir kısmı ise uzayda paramparça da olsa ilerlemesine devam ediyor.

İşte bunun tüm sebebi yıldızın kara delik ile olan yakınlaşma şekli. Burada çekim kuvveti aynı zamanda yıldızı kendine doğru çekerken, aynı zamanda bu çekimden ötürü yıldıza kazandırdığı hızla yörüngesi etrafında bir sapan gibi fırlatıyor. Hatta ve hatta biz bugün kara deliklerin varlıklarını bu sayede bilebiliyoruz. Çünkü yıldız olamayacak kadar büyük kütlelerde görünmeyen bir cismin etrafında dönen yıldızlar mevcut.

Yukarıdaki videoda gökadamız Samanyolu merkezindeki kara deliğin etrafında dolanan yıldızların yörüngeleri gösteriliyor. Buradan da açıkça görebiliyoruz ki Schwarzschild Yarıçapı’nın ötesinde olaylar bildiğimiz şekilde gerçekleşmeye devam ediyor. Esas bilmediğimiz ise, içini göremememize sebep olan bu yarıçapın ardında olanlar…

Ögetay Kayalı




Termodinamik Nedir?

Termodinamik, isminden de anlaşılacağı gibi ısı, sıcaklık ve bunların aktarımı ile ilgilenir. Kendi içerisindeki yasalar dizisiyle enerjinin bir konumdan başka bir konuma nasıl aktarıldığı ve işlemin gerçekleşme yönü hakkında bilgiler verir.

Termodinamik evrenin temel yasasıdır ve ısı gibi enerji türlerinin günlük hayatta kullanılabilmesi için bizlere yön gösterir. Zira günlük hayatımızda termodinamik yasalarını uygulayamadan evrenin termodinamik yasaları etrafında nasıl döndüğünü anlamak çok zor olacaktır. Ayrıca belirtmekte fayda vardır ki, ısı ve termodinamik iç içe olsa da; ısı transferinin kendi içinde bir mekanizması vardır ve kendi içinde bir bilim dalıdır.

Sıfırıncı yasa

Adı ne kadar ilginç gelse de termodinamik yasaları sıfırdan başlar. Bunun altındaki neden ise 1930’lara kadar yasanın farkında olunmasına karşın belirtilmemesidir. Bir bütünlük sağlanmasının farkına varan Ralph Fowler adlı gök bilimci sıfırıncı yasayı termodinamik kitaplarına işlemiştir. Bu yasayı şöyle ifade etmek mümkündür.

Eğer A ve B sistemleri ısıl dengedeyse (aralarında ısı alışverişi yoksa), o halde A sistemiyle dengede olan C sistemi, ayrıca B sistemi ile dengededir.

termodinamik-denge-2214

Termodinamik, aslen bize “denge”yi anlatır.

Bunu biraz daha açmakta fayda vardır. Varsayalım ki bir elimizle bir kitaba dokunuyoruz. Bu halde A sistemi biz ve B sistemi de kitap oluyor. Diğer elimizle bir başka sistem olan C sistemine dokunduğumuzda eğer vücudumuz ve B ve C kitapları arasında ısı akışı olmuyorsa o halde biliyoruz ki B ve C sistemleri arasında da ısı alışverişi olmayacaktır. Sıfırıncı yasanın kulağa pek heyecanlandırıcı gelmediği kesin. Zira sıfırıncı yasa cisimlerin eninde sonunda ısıl dengeye varacaklarını söyler.

Birinci Yasa

Olaylar birinci yasa ile daha bir hareketlenmektedir. Birinci yasa, bir sistemin toplam enerjisinin sabit olduğunu ancak ve ancak enerji türlerinin arasında dönüşüm olabileceğini söyler. Sistemin enerjisi kesinlikle yoktan var edilemez ve yok edilemez. Eminim hepiniz çocukken bisiklet pompası ile bisikletinizin tekerleklerini şişirdiniz. O günlere geri dönelim ve bisiklet pompasını düşünelim. Burada bisiklet pompası bizim sisteminiz olmakta.

bisiklet-pompasi-66654

“İş yapmadan” o tekerlek şişmez!

Pompaya bastığımızda sistemin üzerinde iş yapmaktayız. Akabinde bisiklet pompasının sıcaklığının arttığının farkına varacaksınızdır. Bunun nedeni yaptığımız işin sistemin iç enerjisini arttırması ve bununla birlikte sistemin sıcaklığının da artmasıdır. Tekerleğin sibobunu tutan arkadaşınızın bu sıcaklığı farketmesi ile birlikte anlıyoruz ki ısı hava aracılığı ile arkadaşımızın vücuduna ulaşmıştır.

Thermally_Agitated_Moleculeİç enerji, cismin moleküler seviyedeki hareketliliği ile alakalıdır ve sıcaklık ile doğrudan orantılıdır. Zira sıcaklığı artan bir cismin içsel hareketliliği de artacaktır.

Pompa sistemimizi matematiksel olarak şu şekilde ifade edebiliriz.

termodinamik-1

Burada Q sistemden çıkan ısı enerjisi, W yaptığımız iş ve U iç enerjiyi ifade eder. İfadelerin önlerindeki işaretler bu enerjilerin sisteme aktarıldığı ya da ayrıldığını ifade eder. Sibobu tutan arkadaşımızın ısı akışını fark etmesinin nedeni sistemimizden ayrılan ısının vücuduna ulaşması ile ilgilidir. Mühendislik uygulamalarında  genellikle sisteme ısı verip sistemin iş yapmasını istediğimizden dolayı yukardaki ifade şu hale gelir.

termodinamik-2

Burada sistemimize ısı vermekte ve karşılığında sistem iş yapmaktadır.  Bir dahaki sefer arabaya bindiğinizde bunu aklınızda bulundurun çünkü yanan benzin motorun pistonunda iş yapmakta ve hareket etmesini sağlamaktadır.

İkinci yasa

Şimdi gelin hep beraber düşünce deneyi yapalım. Birinci yasadan bahsederken sisteme verilen enerjinin başka formlara dönüştürülebileceğinden bahsetmiştik. Dolaysıyla arabamızda yanan benzinden çıkan ısı enerjisi motor pistonlarını yüzde 100 verimlilikle (sürtünmeyi varsaymazsak) döndürmesini bekleriz. Ancak ısı iş yapma kapasitesi yüksek olan bir enerji türü değildir. Egzozdan çıkan sıcak gazın nedeni motora verdiğimiz ısının bir kısmının hiç kullanılmadan dışarı verilmesindendir. İkinci yasa da bundan ibarettir. Kelvin-Planck ifadesine göre;

termodinamik

Döngüsel işlemde sıcak rezervden ısı alınıp bu ısının tamamının işe dönüştürülmesi imkansızdır. Bir kısım ısı soğuk rezerve aktarılmak zorundadır.

Eğer birinci yasa ve ikinci yasayı birleştirirsek şu şekilde ifade edebiliriz.

termodinamik-3

Eğer işlemi tersine çevirmek ve soğuk rezervden ısı alıp bunu sıcak rezerve aktarmak istersek o halde sistemimiz üzerinde iş yapmamız gereklidir. Odaya bıraktığımız kahve nasıl oluyor da ısı kaybedip soğuyorsa bu işlemi tersine çevirmek sistemde iş yaptığımız sürece ısı transferi mümkündür. Klimalar ve buzdolapları bu prensip ile çalışırlar. Az önce bahsettiğimiz olay aslında Rudolf Clausius’un ikinci yasayı başka sözlerle ifade etmesidir:

Soğuk rezervden sıcak rezerve ısı, ancak sistemin üzerinde iş yapıldığı taktirde taşınabilir.

Ama gerçek sistemler ne kadar mükemmel? Soğuk rezervden sıcak rezerve ısı taşırken evrende değişikliğe neden oluyor muyuz?

Isının sıcaktan soğuğa aktarılması (klimanın evinizin dışına ısı aktarması gibi) doğada olağan bir şeydir. Ne zaman bu işlem döngüsel olsa, yani odanın içinden ısının alınıp evin dışarısına sistemde iş yaparak aktaracak olsak, evrenin düzensizliğini arttırmaktayız. Bu entropi olarak bilinir. Eğer entropide değişme yoksa bu döngü tersinebilen olarak, aksi de tersinilenemez olarak bilinir.

bigstock-Hand-of-woman-includes-air-con-12558755

Klimanız sizi evinizde soğuturken dışarıyı, yani Dünya’yı ısıtır!

Burada sistemimiz hala döngü içinde çalışmaktadır. Bu döngü yukardaki tersinebilinirlikten farklıdır.

 Bu yasalardan yola çıkan Carnot isimli mühendis kendi adıyla anılan prensipleri ortaya koymuştur. Buna göre;

  1. Tersinebilen döngü tersinebilenemeyen döngüden daha verimlidir.
  2. Aynı rezerve sıcaklıklarında işleyen döngüler aynı verimliliğe sahiptir.

Carnot prensibinden yola çıkarak sistemin verimliliği sadece rezerve sıcaklıklarıyla orantılıdır. Buna göre arabanız kışın daha verimli çalışacaktır çünkü dışarıya daha az ısı bırakılacaktır. Aynı şekilde klimayı 18 derece yerine 20 dereceye almak elektrik faturalarınızı azaltacaktır.

Son olarak entropi her zaman artmak zorundadır. Sistemden dışarı ısı verildiğinde entropi azalsa da ısının aktarıldığı ortamda entropi artmıştır. Dolaysıyla evrenin entropisi artmıştır.

Üçüncü yasa

İkinci yasa bize ısı ile iş yapmak istediğimizde bu ısının bir kısmının kullanılmadan atılması gerektiğini söyler. Bu atılan ısıyı ne kadar azaltabilirsek verimliliğimiz o kadar artar. Verimlilik de sıcak ve soğuk rezerve sıcaklıklarıyla orantılı olunca, yüzde 100 verimlilik ancak 0 (sıfır) Kelvinde gerçekleşir. yüzde 100 verimliliğe ulaşmak imkansız olacağından 0 Kelvine ulaşmak imkansızdır.

Alperen Erol




Yıldızların Uzaklıkları Nasıl Bulunur? (Paralaks Yöntemi)

Yıldızlar ile ilgili belgesel izlerken gözümüze takılan ilk şey genellikle yıldızların Dünya’ya olan uzaklıklarıdır. Peki, bu uzaklıkların (en azından belli bir noktaya kadar) nasıl hesaplandığını hiç merak ettiniz mi?

Cevap basit bir lise geometrisinden ibaret. Evet, lise yıllarında bir çoğumuzun korkulu rüyası olan geometri.

Evrendeki diğer yıldızları tanımamız için ilk önce en yakın yıldız olan Güneş’i tanımalıyız. Eğer Güneş’e olan uzaklığı hesaplayabilirsek, diğer yıldızlara olan uzaklığı basit bir geometri hesabı ile bulabiliriz. Tarihte Aristarkus (MÖ 310-230) paralaks hesaplamasını düşünen ilk kişidir. Fakat o yıllarda bu derece hassas ölçümleri yapabilecekleri bir teleskop olmadığı için bu hesap fikrini ispatlayamamıştır.

paralaksyontemi

Paralaks, Dünya Güneş’in her iki tarafındayken gözlemlenen yıldızın arkaplanındaki yıldızlara göre belirli bir açı değerinde farklı konumlarda görülmesi olarak tanımlanabilir.

Şimdi Güneş’e olan uzaklığı (başka bir yazıda açıklayacağız) bulduğumuza göre, aynı tekniği diğer yıldızlara uygulayabiliriz. Yunanlılar bilimde çok başarılıydı ama bazı felsefi inançlardan dolayı Dünya’nın Güneş etrafında dolandığını bir türlü kabullenemediler. Paralaks’ın mantığı da bunu gerektirdiği için, bu keşif yüzyıllarca gecikti. Konuya dönersek, 6 ay içerisinde gözlemlemekte olduğumuz yıldızın sözde pozisyon kaymasını gözlemlediğimizde aslında onun açısal ayrımını gözlemlemiş oluyoruz. Örneklendirecek olursak:

Bir gözünüz kapatın ve işaret parmağınızı burun hizasına getirin. Şimdi kapalı gözünüzü açıp diğer gözünüzü kapatın. Ne gözlemlediniz? Parmağınız yer değiştirdi değil mi? Peki parmağınızı yaklaştırdığınızda bu yer değişimin artığını da farkettiniz mi?

paralaks

Şimdi, gözleriniz Dünya’nın iki ayrı pozisyonu, burnunuz Güneş ve parmağınız da bir tane yıldız olsun. Gözünüz ve burun arasındaki mesafeyi (Dünya ve Güneş) biliyoruz, açıyı da zaten iki ayrı noktadan gözlem yaparak bulmuştuk.

Güneş’e olan uzaklığı 1 astronomik birim (AB) diye tanımlarsak yıldızın uzaklığı(d), 6 aylık süreçte yıldızın açısal değişiminin tanjantına bağlı çıkacaktır. Yani 1/d = tan(a) olarak bulunur. Burada a yıldızın açısal değişimi, 1 Güneş ile Yer arasındaki mesafe (1 astronomik birim), d ise yıldızın uzaklığıdır.

Ama bir dakika, tanjantı hesap makinesi olmadan nasıl bulacağız? Aslında küçük açılar için, bir açının tanjantı açının kendisine eşittir (radyan biriminde geçerli, örneğin tan (0.03)=0.03). Dolayısıyla yıldıza olan uzaklık Güneş’e olan uzaklığın radyan cinsinden ölçtüğünüz açıya bölümüne eşittir (d=1/a). Bu işlem sonucunda çıkan değer, parsek birimindendir. 1 parsek de yaklaşık olarak 3.26 ışık yılıdır.

Paralaks

Örneğin bize en yakın yıldız olan Proxima Centauri’nin paralaks değeri 768mas (miliarcsecond)’dır. Bu gözlemler sonucunda ölçülen kayma miktarıdır. Lakin bize arcsecond (yay saniyesi) değeri lazımdır, bu da 1000’de 1’lik orandan ötürü 0.768 yay saniyesidir. Bir yay saniyesinin 1 derecenin 3.600’de biri olduğunu ifade etmekte fayda var.

Yani bize en yakın yıldız gökyüzünde derecenin 3.600’de 1’inden daha küçük değerlerde yer değiştiriyor gibi görünür. Bu sebeple bu kaymayı çıplak gözle ayırt etmek mümkün değildir.

Şimdi basit geometrik hesabımızı uygulayacak olursak d=1/0.768’den d=1.3 sonucunu buluruz. Fakat Proxima Centauri bize yaklaşık 4.22 ışık yılı uzaklıktadır. Sonucun farklı olmasının sebebi, yukarıda da belirttiğimiz gibi çıkan sonucun parsek biriminden olmasından dolayıdır. 1.3 parsek = 1.3 x 3.26 = 4.24 ışık yılı çıkacaktır. Ki bu da çıkması gereken değere çok yakın bir değerdir.

Alperen Erol




Gezegenler ve Yıldızlar Neden Küre Şeklindedir?

Yalnızca gezegenler ve yıldızlar değil, evrende gördüğümüz birçok gök cismi; yıldızlar, gezegenler, kümeler, gökadalar ya küresel bir yapıya sahipler ya da çembersel bir şekilleri var. Peki neden evrende her şey bir küresel yapı oluşturmaya çalışıyor? Bunun ardında nasıl bir amaç var?

Evrende gerçekleşen tüm olaylar, bildiğimiz veya bilmediğimiz fizik yasalarınca gerçekleşiyor. Sadece bazılarının ne olduğunun bulunması zaman meselesi iken, mevcut bilgilerimiz ile de birçok şeyi açıklayabiliyoruz. Küreselleşmeyi açıklamak da oldukça basit bir duruma dayanıyor.

Bir sanatçının ellerinden kara delik tasviri

Bir sanatçının ellerinden kara delik tasviri

Aslında başta sorduğumuz “bunun ardında nasıl bir amaç var” sorusu yanlıştır. İnsanoğlu olarak duygusal düşünme gücümüz, bizim her şeyin temelinde olan bir amacın bulunduğunu düşünmemize sebep olur.

Bu, her şeyin sonunda böyle midir bilemiyoruz. Fakat bildiğimiz şey, evrende gerçekleşen olayların yalnızca fizik yasalarının birer sonucu olduğudur.

Sphere

Küre, merkez noktasından yüzeyine olan uzaklıkların hepsinin eşit olduğu geometrik şekildir. Biz bu uzaklığa yarıçap diyoruz. Merkezden yüzeyin neresine giderseniz gidin, ölçecek olduğunuz mesafe yarıçapın ta kendisidir. Dolayısıyla küre, kusursuz bir geometriye ve simetriye sahiptir.

Sphere1

Newton’ın bahsettiği Kütle Çekimi Kanunu bugün hala pratikte işimize yaramakta olduğu için küresel yapıyı açıklamada onu kullanabiliriz.

Newton'un Evrensel Kütle Çekimi Yasası

r burada iki cisim arasındaki mesafe

Evrende bulunan kütleler yakınlıklarına bağlı olarak birbirlerine bir çekim uygularlar. Bu çekimin sonucunda en nihayetinde öbeklenerek gruplar, kümeler oluştururlar. Bu gruplar ve öbekler de giderek küresel veya çembere ait bir geometri oluşturur. Bu tamamen çekim kuvvetinin ve kürenin kusursuz simetrisinin bir sonucudur.

Kürenin yüzeyinin neresinden bir nokta alırsanız alın, uzaklık yarıçap(r) olacağından her noktaya uygulanan çekim kuvveti de aynıdır.

Dolayısıyla kürenin kusursuz simetrisi, basit bir denge durumu oluşturur. Yasalar sürekli olarak gerçekleşmektedir, kütle çekim hala oradadır. Fakat kuvvetler, simetri sayesinde birbirini harika bir şekilde dengelediği için bir etki gözlenmez. Tıpkı duvarı itmeye çalışmak gibi, etkiye karşılık eşit bir tepki vardır.

Eğer bu denge durumu yoksa, yasa işlemeye devam ettiği sürece yapı küresel olmaya çalışacaktır. Gezegenin üzerindeki bir dağ, kuvvetler dengesini bozarak jeolojik etkilere yol açacaktır. Bunu da duvara fazla kuvvet uygulayıp yıkmak gibi düşünebiliriz.

En nihayetinde, yapının dayanıklılığına bağlı olarak kütle çekim ile bir noktada denge sağlanır. Bu, gezegenlerde pek görmediğimiz bir durum. Hiçbir gezegen kusursuz küre şeklinde değildir. Bunun sebebi, mevcut katı yapıdan ötürü oluşan direnç kuvvetidir. Yani duvarı yıkacak yeterli bir kuvvet uygulanamıyordur (kütle çekim katı maddenin uyguladığı dirençten daha zayıf kalır).

Bir sanatçının elinden Dünya çizimi

Bir sanatçının elinden Dünya çizimi

Neden gezegenler kusursuz küre biçiminde değildir?

Dönen her cisim, ekvator bölgesinden dış yönde savrulur. Ucuna top bağlı bir ipi çevirdiğinizde, yeterli hızlarda çevirirseniz dışarıya doğru fırlamaya çalışacaktır. Bu sebeple ekvator yönünde daha büyük yarıçapa sahip bir yapı ortaya çıkar. Biz bu yüzden gök cisimlerinin yarıçaplarını aşağıdaki gibi iki şekilde ifade ederiz, kutup bölgelerden ve ekvator bölgelerden. Çünkü kutuplarda bu etki en az iken, ekvatorda en fazladır. Bunun için “Disk Oluşumu” ile ilgili yazımızı okuyabilirsiniz.

Dünya’nın kutuplardan basık, ekvatordan şişkince olması böylelikle açığa kavuşmaktadır. Bu değerlere baktığımızda ise:

Ekvator yarıçapı : 6378,1 km
Kutup yarıçapı    : 6356,8 km

Bu ortalamaya oranlandığında 1.000’de 3’lük bir kusur. Güneş ise neredeyse kusursuz bir küresel yapıya sahiptir. 10 saatte bir dönüşünü tamamlayan Jüpiter’de ise ekvator yarıçapı kutup yarıçapından tam 5000 km fazladır. Bu neredeyse Dünya’nın yarıçapına eşit bir değer.

Sonuç olarak, gözlemlediğimiz bu küresel yapının sebebi kütle çekim kuvvetinin kusursuz bir simetriye sahip olan kürede denge durumuna gelmesidir.

Ögetay Kayalı




Görelilik ve Kuantum Fiziği Neden Birleştirilmeye Çalışılıyor?

Neden bu iki kuramı kendi hallerine bırakmıyoruz? Bırakalım da kuantum mekaniği en küçüğün ve görelilik kuramı en büyüğün fiziğini açıklamaya devam etsin.

Neden bunları birleştirmeye çalışıp fizikçilerin bile zar zor anladığı, matematiğinin işin içinden çıkılmaz hale geldiği 10-11 boyutlu bir evrenle uğraşmak zorundayız ki? Aslında fizik, uzun yıllar bunu yaptı. Fakat devekuşu olmanın da belli sınırları vardı ve kafamızı kumdan çıkarmanın zamanı gelmişti. Bu sorunun cevabı biraz da bilim tarihi serüveni. Öyleyse başlayalım.

Klasik Fizik

Efendim, bilim tarihçileri tam olarak uzlaşamasa da klasik fiziği Galileo ve Newton’a borçlu olduğumuzu söyleyebiliriz. Klasik fizik günlük olayları açıklamakta son derece isabetliydi: Şu ağırlıktaki bu cismi ne kadar güçle itersen ne hızla ne kadar gider? Şu hızla bir top atsam nereye düşer?

Klasik fizik pek çok olguyu matematiksel olarak açıklıyor, matematiksel öngörüleri olgularla örtüşüyordu. Bu disiplinle Newton fiziği, gök cisimlerinin hareketlerini bile açıklama gücüne sahipti.

19’uncu yüzyılın son yarısında Maxwell tarafından elektriksel ve manyetik kuvvetler de açıklanınca artık fiziğin her şeyi çözdüğü, geriye sadece bir iki ayrıntı kaldığı söylenip zafer çığlıkları atıldı. Ama bu iki ayrıntı, fiziğin baştan aşağı değişmesine neden oldu.

Kuantum ve Görelilik

Bunlardan ilki elektrik, manyetizma ve ışığın hareketinin doğasıyla ilgili ayrıntıydı. Elektrik, manyetizma ve ışık hakkındaki sorunlarla ilgilenen Einstein, iki görelilik kuramı ile fiziğe bakışımızı kökten değiştirdi. Klasik fizik için uzay ve zaman mutlak şeylerdi. Einstein’dan sonra ise uzay ve zaman, evrenin hammaddesiydi, mutlak değildi ve birbiriyle ilişkiliydi. Bu bakış açısı tüm algılarımızda devrim yapıp evreni anlama serüvenimizde çok daha isabetli bir bakış açısı sağlamaktaydı.

Diğer ayrıntı, parçacıkların doğasını anlamaya çalışan bilim insanlarının deneylerden hayret verici sonuçlar elde etmesiyle klasik fiziği altüst etti. Fizikçiler, kuantum mekaniği adı verilen tümüyle yeni bir kuram önermek zorunda kaldılar.

Newton fiziğine göre bir maddenin doğrusal  hızını ve konumunu bilirseniz o maddenin geçmişte ve gelecekte hangi hızda ve konumda olduğunu/ olacağını bilirsiniz. Fakat yeni kurama göre evrene belirsizlik hakimdir. Mümkün olan en mükemmel ölçümleri bile yapsak, parçacıkların konumunu tam olarak belirlediğimizde hızını bilemiyoruz, hızını bilirlediğimizde konumunu bilemiyoruz. Parçacıklarla ilgili tek yapabileceğimiz, konumları veya hızlarının zaman içindeki olasılıklarıyla ilgili istatistiksel yorumlar yapmaktır.

Görelilik kuramları çok büyük cisimleri anlama konusunda çok isabetli tespitler yaptı ve yapmaya devam ediyor. Kuantum kuramı çok küçüklerin dünyasını açıkladı ve gelişmeye devam ediyor. Ve bu iki kuram kendi bağımsız alanlarında ilerlemeye ve gelişmeye devam ettiler: On yıllar boyunca…

Kafayı kuma sokma meselesi burada karşımıza çıkıyor. Evreni anlamamızda çığır açan bu iki yöntem, birlikte uygulanmaya çalışıldığında denklemler sonsuz sonuçlar vermeye başladı. Örneğin kütle çekimi ile ilgili herhangi bir sürecin olasılığının hesaplanmasında; kuantum mekaniği ve göreliliği birlikte kullanmaya çalıştığımızda sonuç %33 veya %87.69856 gibi bir olasılık çıkmıyor, sonsuz oluyor. Yüzde Sonsuz, denklemlerin sonuçları için anlamsız ifadeler demektir. Yani bir yerde fena çuvallıyorduk.

Peki bu iki kuramı ayrı ayrı kullanmaya devam etsek?

Ne de olsa ikisi de ayrı ayrı işe yarar. Fakat tıkandığımız bir nokta var: Tekillikler, yani çok büyük kütlelerin çok küçük hacimlere sıkıştığı fenomenler. Bunlardan ilki kara delikler, ikincisi büyük patlama. Nereden ve nasıl var olduğumuzu açıklayamayan bir fizik, yeterince rahatsız edici.

Bilim insanları işte bu nedenle iki büyük kuramı birleştirmeye çalışıyorlar. Sicim teorisi bunu yapabileceği iddiasında. Fakat bunu becerebilmek için en azından 10 boyutlu bir evrene ihtiyaç duyuyor; bizim deneyimlediğimiz 4 boyut ve planck altı ölçeklerde sıkışmış (veya kıvrılmış) ekstra boyutlar. Çözüm burada mı bilmiyoruz, sadece cevabı aramaya devam ediyoruz.

Hilal Bulut




Teori, Deneyler, Higgs ve Nobel

Gazetelerde, iri puntolarla atılan başlıkları bilirsiniz. O günün sabahında, gerek bir yandan iş adamlarını, iş kadınlarını ve siyasetçileri, diğer yandan spor kulübü başkanlarını, borsa simsarlarını ve yatırımcıları bir koşturmaca içine sokacak olan konuların; gerekse insanlar arasındaki etkileşimlerin, medyaya yansıyan fragmanıdır bütün bunlar.

Bazen bu gazetelerde -ilginçtir- bilimsel haberlere rastlarız. Bilimsel ifadesine bir açılım yapmak gerekirse, “İsviçreli/Amerikalı/İngiliz bilim adamlarının yaptığı araştırmaya göre…”  diye başlayarak, ”…bir erkek, günde 16 kez…/…bir kadın, günde 8 kez…” diye devam eden haberler, bilimsel haber niteliği taşımazlar. Bu tür haberler, gazetelerin, boş alan doldurma endişesinin birer sonucu olan istatistiklerdir.

Bu haberler içinde yıldızı parlayan, yer yer değerli yazılara konu olan bir gelişme söz konusu: Higgs bozonu, teorik olarak tahmin edilişinden yaklaşık yarım asır sonra, CERN’de yapılan deneylerde keşfedilmişti. 2013 yılında ise, bu başarılarından dolayı, teoriyi yazan bilim insanları, Nobel Fizik Ödülü‘ne layık görülüp ödüllendirildiler. Peki, ödül nasıl bir buluşa gitti?

Peter Higss, geç de olsa gelen Nobel ödülünü gururla alırken, yüzü de gülüyor. (Fotoğraf: Routers)

CERN, yani Avrupa Nükleer Araştırma Merkezi, İsviçre ve Fransa sınırında yer alan, dünyanın en büyük parçacık fiziği laboratuvarıdır. Parçacık fiziği laboratuvarı ne demektir? Aslen bu tip bir laboratuvar, bir taşın en küçük yapısını merak eden ilkel insanın düşündüğü çözümlerin, günümüzdeki uzantısı demektir. 1954 yılında, 12 ülkenin katılımıyla kurulmuş olan CERN laboratuvarları, günümüzde 20 asil üyesine ilaveten Türkiye’nin de aralarında bulunduğu 8 gözlemci üyeye sahip. Peki, CERN deneylerini nasıl anlamamız ve değerlendirmemiz gerekiyor? Orada neler oldu ve niçin söz konusu buluş, bilim dünyası için önemli bir konum kazandı?

 Yüzyılın Deneyi

Eski Yunan doğa filozoflarının sonuncusu olan Demokritos, her şeyin atomlardan oluştuğunu söylerken kendinden oldukça emindi. “Bir kanıt sunmayı, Pers kralı olmaya tercih ederim!” derken de oldukça emindi kendinden. İşte insanın, en küçüğe ilgisinin simge isimlerinden biri, Demokritos idi.  Üzerinde oturduğunuz sandalyenin veya koltuğun, görebileceğiniz en küçük parçası sizi öksürtebilme, hatta hapşırtabilme olasılığına sahipken, göremeyeceğiniz kadar küçük parçaları ise, size, dünyanın en büyük makinesini inşa ettirebilir. Nitekim bilim insanları, maddenin atomdan da küçük yapıtaşlarını ve bu yapıtaşların en önemli özelliklerinin başında gelen kütleyi araştırmak üzere, dünyanın en karmaşık makinesini oluşturdular ve bu makineden belli bir başarı elde ettiler.

Fransa-İsviçre sınırında, yerin 100 metre altından geçen 27 kilometre uzunluğundaki tünele inşa edilen LHC (Large Hadron Collider: Büyük Hadron Çarpıştırıcısı), Aralık 2009 tarihinde proton çarpıştırmaya başlamıştı. Tıpkı ilkel bir topluluğa mensup bir bireyin, yukarıda sözünü ettiğimiz merak sebebiyle, bir taşı önce ikiye, sonra dörde ve giderek daha fazla parçalara ayırırken taşları birbirine vurmasında olduğu gibi. Hızlandırıcının üzerindeki, her biri birkaç katlı apartman büyüklüğündeki 4 detektör de yıllar süren hazırlıklardan sonra veri toplamaya başladılar.

Şekil 1 – CERN, başlıca deneyleri ve Higgs için en önemlisi, LHC. (Fotoğraf: CERN / Particle Physics for Scottish Schools.)

CERN Laboratuvarı’nda yer alan bu deneyler; CMS, ATLAS, LHC-B ve ALICE oarak isimlendiriliyorlar ve hepsinin kendine has açılımları bulunuyor. Atom çekirdeğinin pozitif yüklü parçacıkları olan protonların 14 TeV[1] enerjisinde çarpıştırıldığı bu deneyler, araştırmacılara Evren’in ilk zamanlarını anlama olanağı verebilecek olması bakımından önemliydi.

Yapılan deneylerde, LHC Laboratuvarı’nda, her biri 7 TeV enerjiye sahip olan ve 27 kilometrelik dairesel tünel içinde ışık hızına çok yakın hızlarda yol alan proton demetleri, çarpışarak 14 TeV’luk merkezi enerji meydana getirdi. Böylelikle atom altı dünyanın, şimdiye kadar yabancısı olduğumuz özelliklerini keşfetme şansımız oldu. Bu bölgedeki enerji yoğunluğu, evrenin başlangıcındaki Big Bang (Büyük Patlama) koşullarına yakın olduğundan dolayı, basında LHC deneyleri Big Bang deneyleri adıyla da adlandırılmıştı. Bununla beraber, bu deneylerde üretilen enerji, bir kibritin yanması sırasında üretilen enerjiden çok daha küçüktür.

Bu deneylerin temel hedefi, parçacık fiziğinde varılan son nokta olan, Standart Model adını verdiğimiz modelin yanıtlayamadığı sorulara yanıt bulmaktı. Standart Model, bize maddenin yapı taşlarının nasıl davrandığını ve birbirleriyle nasıl etkileştiklerini açıklamakta, ancak bunların nedenleri hakkında bilgi vermemekteydi ”Kütle neden var?” sorusuysa buna dair sorulardan en önemlisiydi. Higgs bozonu, işte tam bu noktada önerilmişti.

Büyük İngiliz teorik fizikçisi, Peter Higgs’ten 1 yıl önce doğru cevaba yaklaşıp, bu cevabın oralarda bir yerde olduğunun sinyallerini alan Philip Anderson’un kurduğu model, 1 yıl sonra Higgs’in işine yarayacaktı ve o yıl, makalesinde bunu, “Anderson’un plazmon modelinin relativistik bir versiyonu” biçiminde dile getirecekti.

Higgs’ten 1 ay önce ise, 49 yıl sonra Nobel Fizik Ödülü’nü Peter Higgs ile paylaşacağından habersiz, François Englert aynı modeli inceleyecek ve Higgs ile aynı sonuca varmasına rağmen, söz konusu bozonu tahmin edemeyecekti. Bununla beraber, Higgs’ten 1 ay sonra, Gerry Guralnik, Richard Hagen ve Tom Kibble gibi bilim insanları, Higgs’in yaklaşımına büyük katkıları olan, Higgs bozonunun kuantum özelliklerinden bahseden, hatta bu konuda Higgs’in çalışmalarından çok daha kapsamlı çalışmaları olan bilim insanları olarak, kronolojideki yerlerini alacaklardı.

Medyatikleşme süreci, onlarca mektuplaşma ağının, grup çalışmasının ve fikir alışverişinin gerçekleştiği çalışmalardan bir insanı çekip aldığı zaman, geride kalanları hatırlamak ne yazık ki pek kolay olmayabiliyor. Bu açıdan, bu hatırlatmaları yapmak yerinde oldu diye düşünüyoruz.

Standart Model bize, karşılaştığımız, etkilediğimiz, etkilendiğimiz her türlü maddenin, leptonlar ve kuarklar diye adlandırdığımız temel parçacıklardan oluştuğunu söyler. Örneğin atomun çekirdeğindeki proton ve nötronlar, 3’er kuarktan oluşurlar. Esasında bize çizilen küresel parçacık görselleri, bir anlamda yanıltıcıdır; zira bir proton, az önce de belirttiğimiz gibi, 3 kuarkın belli etkileşimlerle bir arada bulunmasından başka bir şey değildir. Bu belli etkileşimlerde de, aracı kuvvetler dediğimiz bozonlar rol oynar.

Yani madde, 6 kuark, 6 lepton ve bunların arasındaki etkileşimleri sağlayan aracı parçacıklardan ibarettir. Maddeyi oluşturan kuarkların dışında kalan diğer kuarklar, evrenin farklı yerlerinde hızla daha düşük kütleli kuarklara dönüşürler.

Ne çok etkileşim sözcüğü kullandık, değil mi? Açık yüreklilikle şunu itiraf etmemiz gerekiyor: etkileşim olgusunu anlamak, bütün bir fizik bilimini anlamakla neredeyse aynı değerde. İşte bu yüzden, en az, maddeyi oluşturan lepton ve kuarkları anlamak kadar, bozonları anlamak önemlidir.

Bir efsane haline gelen Higgs bozonu da bu parçacıklardan biriydi, dolayısıyla Higgs parçacığının var olup olmadığı sorusunun yanıtlanması, Standart Model açısından son derece önemliydi. Bu temel amacın yanında, diğer amaçlar için de, LHC deneyi dışındaki diğer bir deney sistemi, CMS (Compact Muon Selenoid – Sıkıştırılmış Müon Selenoidi) kuruldu.  LHC ve CMS, öncelikle Higgs parçacığını aramayı ve böyle bir parçacık varsa bunun kütlesini ve diğer özelliklerini ölçmeyi amaçlamaktaydı.

Öte yandan, LHC deneylerinin diğer amaçlarından biri de, Standart Modelin de ötesinde bir model olan Süpersimetri modelini sınamaktır. Süpersimetri,  Standart Modelin karşılaştığı sorunları çözmek için, 1970’lerde ortaya atılan bir teoridir; yani bir anlamda Standart Modelin yaması olarak görülebilir. Söz konusu parçacıklara bir de karşıt-parçacıklar öngören süpersimetriyle beraber, karşıt-parçacıklardan oluşan karşıt-madde ya da anti-madde fikri de ortaya çıkmıştır.

Sorunların bizim ilgileneceğimiz yönü ise, parçacıkların en temel özelliklerinden biri olan kütlenin, kendisini gösterişi olacak. Kütleyi miktar kavramından uzaklaştırıp parçacıklarda nasıl ortaya çıktığını kavramamız gerekecek. Bu bağlamda şunu belirtmemiz gerekiyor: Higgs bozonu, maddenin değil, parçacıkların (dolayısıyla madde parçacıklarına) kütlesinin kaynağıdır.

Şekil 2 – LHC tünelinden bir görüntü. Bu dev, mavi kablolar ise çok güçlü mıknatıslarla ve süper iletkenlerle sarılı parçacık taşıyıcıları. Parçacıklar, bunların içerisinde hızlandırılıyor ve çarpıştırılıyor. “Neden yerin altında?” diye sorarsanız, her saniye Güneş’ten vücudumuza nüfuz eden parçacıkları gösterebiliriz. Uzaydan dünyaya bu denli enerjik parçacıklar yağarken, böyle bir düzeneği yerin üzerinde kurmak pek de mantıklı sayılmazdı.

Deneylerde Büyük Patlama mı Tekrarlandı?

CERN’de gerçekleştirilen deneyler, Büyük Patlama’nın ne bir simülasyonu, ne de onu tekrarlıyor. Var olan modellerimizin uyuştuğu fikre göre, evrenimiz, 13,8 milyar yıl önce doğdu ve bugün için, hızlanarak genişliyor. Burada açabileceğimiz paranteze ise LHC deneylerinde protonların çarpıştırılarak evrenin başlangıcındaki enerji yoğunluğuna ulaşılmaya çalışıldığını yazmamız gerekir.

Protonların çarpışmasında ortaya çıkan mutlak enerji, hiç de katastrofik ölçeklerde bir enerji değil. Ancak protonların boyutları çok küçük olduğu için, enerji yoğunluğu çok fazla. Bu durumu şu şekilde örneklendirebiliriz: deniz suyunun ısısı, 1 litre kaynamış süte oranla kat kat daha fazladır. Çünkü ısı bir enerji ölçüsüdür ve deniz suyunun muazzam miktardaki kütlesinin içerdiği enerji, 1 litre kaynamış suyun enerjisinden milyarlarca kez daha büyüktür.

Böyle olduğu halde, yeteri kadar derin düşündükten sonra başımızdan aşağı 1 litre kaynamış su döktüğümüzde kavruluruz, ancak denize girdiğimizde hiçbir şey hissetmeyiz. Hatta deniz suyunun sıcaklığı düşükse üşürüz. Bunun nedeni, denizin ısısının dağılmış durumda olmasıdır. Oysa bir litre kaynamış suyun ısısı (yani enerjisi), küçük bir alanda yoğunlaşmıştır. Öyleyse önemli olan enerji miktarı değil, enerjinin yoğunlaşma derecesidir.

Kaçınız denize girdiğinde üşüdüğü için, yazın o sıcağı altında kıyıda oturup kitap okumayı tercih ediyor? (Görsel telif: Videoblocks.com)

Einstein’ın ünlü formülünü hatırlarsak, enerji, kütleyle özdeştir (E=mc2). Öyleyse enerji, yeteri derecede yoğunlaştığında maddeye dönüşür. Bunu, şöyle de ortaya koyabiliriz: bir maddenin enerjisini yeterli oranda arttırdığımızda, o maddenin kütlesi, enerjiye dönüşür. Yüksek enerji yoğunluklarında yüzlerce farklı parçacık ortaya çıkar. İçinde yaşadığımız Evren’de, madde adını verdiğimiz, her şeyi (vücudumuz, gezegenimiz, Güneş, yıldızlar vb.) oluşturan bu üç parçacık da (esas olarak proton, nötron ve elektron), yaklaşık 13,8 milyar yıl önce, Evren’in başlangıcında ortaya çıkmışlardır. Şimdilik bu parçacıkları meydana getiren o muazzam enerjinin kaynağına dair ise sadece görüşler mevcut.

Evrenin kendisinin Büyük Patlama ile oluştuğunu söyledik. Diğer bir deyişle; uzay, zaman, madde ve enerji bu sırada oluştu. Şimdi önemli bir parantez daha açmamız gerekiyor: Büyük Patlama kuramı, Büyük Patlama anını değil, daha sonrasında neler olduğunu açıklıyor. Büyük Patlama anıkavramı, bizlerin tahayyül edemeyeceği kadar küçük bir zaman dilimini ifade etmektedir. Bir ”an” bile değil aslında; 0,00000000000000000000000000000000000000000001 saniye! Bildiğimiz varlığın ilk aşaması, işte bu zaman dilimine sığdı.

Peki, ne oldu?

Teorisyenler, Kuantum Teorisi bağlamında bu soruya gayet zarif yaklaşımlar getirerek, geçici enerji kabarcıkları, parçacık-karşıt parçacık çiftleri gibi kavramlar türettiler. Bu parçacıkların ve enerji kabarcıklarının enerjileri, ne kadar düşük olursa; o kadar uzun süre yaşıyorlar (Düşük enerjinin yüksek entropiyi getirdiğini hatırlayalım; odanızı toplamanız için odanızda bir miktar enerji harcamanız gerekir). 20. yüzyılın ikinci yarısına girildikten hemen sonra, ABD’li fizikçi Edward Paul Tryon adlı bir bilim insanı, bu konuda şu hipotezi sunmuştu:

“Evren, boşluktaki enerji dalgalanmasından ortaya çıkmıştır.”  

Bunun açıklaması, uzayın aslında sanıldığı gibi ”boş” olmadığıdır. Uzay, görünenin ötesinde, yani atom altı düzeyde müthiş aktiviteler içerir. Peki, nedir bu aktiviteler? Örneğin; elektron parçacığı ve bu parçacığın karşıt-parçacığı, yani pozitif elektron, diğer bir deyişle pozitron birlikte aynı anda ortaya çıkıp kaybolabilirler. Elektron-pozitron çiftinin ömrü, etkileşirken 10-21 saniye olup, aralarındaki mesafe 10-10 santimetredir. Ömür kavramı burada, parçacıkların kaybolmadan veya başka parçacıklara bozunmadan gözleme veya araştırmaya dâhil olma süreleridir. Bu arada kaybolmaktan kasıt, yok olmak değildir; enerji formuna dönüşmektir. Bir parçacık, karşıt-parçacığıyla etkileştiği zaman, enerjiye dönüşür ve ”enerji kabarcıkları”nı oluşturur. Bunlar da, Edward Tryon’un hipotezinde kullanılan enerji dalgalanmalarına sebep olurlar. İşte bu da, Büyük Patlama için gereken enerji için sunulan görüşlerden biridir.

Higgs Bozonu Evrene Nasıl Kütle Verir?

Aslında ortada, konuşulması gereken bir parçacıktan ziyade, konuşulması gereken bir alan bulunuyor. Söz konusu parçacık da zaten bu alanın temel elemanıdır. Deniz kıyısında yürümeye çalışırken harcadığınız enerjiyle karada yürümek için harcadığınız enerji eşit midir? Hangi durumda daha çok yorulursunuz? Evet, denizin içinde yürümeye çalışmak daha zordur. Çünkü etkileşmenizin şart olduğu ve gaz molekülleri kadar etrafa saçılmamış, daha bir arada moleküller söz konusudur denizde. Siz ise katısınızdır, baştan ayağa.

Higgs bozonu dediğimiz parçacığın ev sahibi olan, onu barındıran alan, işte bu deniz gibidir; bu alanda bulunan tüm varlıklara kütle verir. Denizde yürümemiz zorlaştığında, ağır hissederiz; üzerimizde fazladan kütle bulunuyormuş hissi söz konusu olur. İşte bu kütle verme durumunu, böyle bir modelle açıklayabiliriz. Hatta daha da ileri gidip, Higgs alanını, sağanak yağmura benzetebiliriz; ancak bu yağmur, romantik olmaktan biraz uzak. Bize kaçacak hiçbir yer bırakmıyor ve sürekli yağıyor.

Bu yağmurun altında kendinizi salarak bir süngeri düşünecek olursanız, o hafif, yumuşak ve bazen havuçlu keki andıran (acıkmak böyle bir şey olsa gerek) cismin gitmiş, yerine ıslak, ağır bir cismin gelmiş olduğunu gözünüzde canlandırabilirsiniz. Yağmura benzettiğimiz Higgs alanı, parçacıklara işte buna benzer bir mekanizmayla kütle vermektedir. Süngerler, boyutlarına ve kapasitelerine göre, değişen miktarlarda su emebilirler. Parçacıklar da birbirinden farklı kütlelerin oluşturduğu geniş bir yelpazeye yayılmışlardır.

En büyük kütlelere sahip parçacıklar, yukarıdaki analojiye geri dönecek olursak, Higgs alanıyla en güçlü etkileşen parçacıklar olacaktır; yani yağmurdan en çok etkilenen canlılar, yürümekte en çok zorlanan canlılar olacaktır. Bununla beraber, Higgs alanı ile hiç etkileşmeyen parçacıklar da söz konusudur ki, bizler, onlardan biri olan fotonlar sayesinde bir şeyleri görebiliriz. Diğer kütlesiz parçacık ise, atom çekirdeğindeki parçacıkları bir arada tutan gluondur. Bu iki parçacığı da, suyla herhangi bir etkileşime girmeyen ya da su geçirmez süngerler olarak düşünebiliriz. Tüm olan biten bunlardan mı ibaret? Tabii ki hayır. Başta diktatörce, konuşulması gerekene karar vermiştik; bu, Higgs alanıydı. Peki, ya Higgs bozonu? O neden var? Nasıl olur da analojide Higgs alanını temsil eden yağmur, aynı anda parçacık da olabilir?

İklimi değişen Dünya’da yağmur eksikliği, bir insan vücudundaki önemli bir vitaminin eksikliği gibidir; tedavi için farklı çözümler aranır, uzman beyinler bu konu için seferber olur. Geçen yıl gittiğim bir tatil beldesinde, Nijeryalı bir ailenin küçük bir çocuğuyla tanışmıştım. Kuraklıktan kaçan aile, aile kaynaklarını kaçmak için kullanmıştı. Zeki olduğu kadar, oldukça duygusaldı da Adisa[2].

Yine sıcak bir yaz gününde kendinden geçmiş olan bana güzel bir şaka yapmıştı balonun içerisine doldurduğu suyla. İmgeleminde, sıcak bir havada yağmura hasret kalan bir insanı, böyle serinletebileceğini kurgulamıştı belki de. Hiç de haksız değildi. Yalnız, o suni yağmuru yaratırken bile, Adisa’nın kullandığı suyun kaynağı yağmurdu. Dolayısıyla, analojiden hareketle, yine işin içine Higgs alanı girmek zorunda. İçi su dolu balon ise Higgs parçacığı olarak düşünülebilir. Higgs alanı, Higgs bozonunu da dâhil olmak üzere, tüm kütle sahibi parçacıklara, kütlelerini veren alandır.

Su olmadan (dolayısıyla yağmur olmadan) balonların da, süngerlerin de daha az ilginç olacağı gerçeği bir yana, Higgs alanı olmaksızın, hiçbir şeyin kütle sahibi olamayacağını düşünebiliriz. Hayır; Dünya üzerinde kalamayıp uzaya doğru uçmazdık, daha bu noktaya gelmeden, gezegenleri oluşturacak materyaller bir araya toplanamazdı. Şimdi Higgs bozonunun (Higgs alanının), evrendeki tüm kütle sahibi parçacıklara, onlarla etkileşerek kütle kazandırdığını biliyoruz. Yolu üzerindeki neredeyse her şeyden sızabilmeyi bir şekilde başaran ve bu sızış sırasında, içinden geçebildiği şeyleri ağırlaştıran su gibi, Higgs alanı da neredeyse tüm parçacık türlerine –bazılarına daha fazla olmak üzere- etki ederek kütle verir.

Geçtiğimiz yılın Temmuz ayında açıklanan buluş da, tam olarak bu parçacığın, Higgs bozonunun keşfiydi. Protondan yaklaşık 133 kat fazla kütleye sahip bu parçacığın keşfi, evrenimizin mevcut haline dair modellerimizle de birebir uyum sağlıyor.

Teori

Popüler bilim yayınlarında pek rastlayamayacağımız isimler hakkında daha önce, Higgs ile beraber anılması gereken bilim insanları söz konusu olduğunda yakınmıştık. Standart Modelin ve bu model kanalında gelişen başka kuramların bel kemiğini, ismine yine pek de sık rastlayamayacağımız iki matematikçi kurgulamıştır: Sophus Lie ve Hermann Weyl. Esasında Standart Model dâhilinde gelişen tüm olaylar, 1920 yılı dolaylarında, Hermann Weyl’in orijinal bir yaklaşımına dayanıyor. Tüm bu üzerinde konuştuğumuz parçacıkların ve kuvvetlerin, onların özelliklerine karşılık gelen ve aslında bizim uzayımıza bağlantı yapan iç uzaylar olan, fiber demetleri olarak adlandıracağımız yapılardan oluştuğu düşüncesi, bu yaklaşımın en açık tanımı.

Matematiksel tanıma göre, bir fiber demeti iki bölümden oluşuyor: taban manifoldu ve bu manifoldun üzerindeki fiberler. Manifold dediğimiz unsuru, üzerindeki herhangi bir noktaya yaklaştıkça, onu, sanki kusursuz derecede düzmüş gibi algılamaya başlayacağımız eğri bir yüzey veya uzay olarak düşünebiliriz. Dünya’nın yüzeyini, bir çeşit manifold olarak tahayyül edebiliriz; ona çok yakın durumdayız ve gerçekten de dümdüz görünüyor! Fiber demeti için de bir analoji gerekirse, kafa yüzeyimizi (taban manifoldu) ve saçlarımızı (fiber) gözümüzde canlandırabiliriz. Böylece fiberlerle taban manifoldları arasındaki bağlantıya, kabaca aşina hale geliriz.

Saçlarınızı hayal edin (hayır, çoğunuzun saçları böyle değil, farkındayız).

Ancak önemli bir nokta, fiberlerin, saçlarımız gibi düz olmak zorunda olmadıklarıdır, ancak olabilirler de. Fiberler, herhangi bir geometrik formda bulunabilir. Weyl’in düşüncesi, uzay-zamanımızın, bu matematiksel yapıdaki taban manifoldu olduğu ve parçacıklarla kuvvetlerin de bu taban manifoldunun üzerindeki fiberler olduğu şeklinde. Hatta bu kuramın kullanımında, ilginç bir biçimde, 4 temel kuvvetin her biri, bir Lie grubu ile tanımlanıyor (Sophus Lie’ı hatırlayalım).

4 temel kuvvetin olduğunu biliyoruz: elektromanyetik kuvvet (elektronları atom çekirdeği etrafında tutuyor), zayıf nükleer kuvvet (radyasyon), güçlü nükleer kuvvet(atom çekirdeğinin bileşenlerini bir arada tutuyor) ve kütleçekim. Günümüzde fizikçilerin nihai hayali, bu 4 temel kuvvetin tek bir kuramda birleştiğine tanık olmak. Elektrik ve manyetizma, James Clerk Maxwell tarafından yıllar önce elektromanyetizma olarak birleştirilmişti. Elektromanyetik kuvveti tanımlayan fiberlerimiz, en basit Lie grubu olan u(1) grubu olarak bildiğimiz çember grubu.

Aslında uzay-zaman manifoldunun her noktası, bu u(1) fiberleriyle dolu. Bu çemberler dalgalandıklarında, biz bu etkiyi, elektromanyetik dalga olarak gözlemliyoruz. Elektromanyetizmanın kuvvet taşıyıcı parçacığı, yani bozonu, zaten foton olarak biliniyor. Matematiksel olarak simetri üreteci kavramının fiziksel karşılığı, işte tam da bu foton dediğimiz parçacık olarak karşımıza çıkıyor. Yani u(1) grubunun tek bir simetri üreteci var ve bu matematiksel üreteç kavramının fiziksel karşılığını da foton olarak yorumluyoruz. Ayrıca elektrik yüklü parçacıklar(mesela elektron) da bu u(1) fiberlerinin etrafına dolanmış çember şeklindeki başka fiberler olarak tanımlanıyorlar.

Tüm kuvvetler, en basit fiber olan, elektromanyetik kuvvetin basit u(1) fiberleriyle tanımlanmıyor. Farklı kuvvetleri, farklı Lie grupları temsil ediyor. Kuvvetlerin yükleri ve onları ilgilendiren parçacıklar ise hep bu kuvvetlere karşılık gelen Lie gruplarına dolanan çember fiberler olarak betimleniyor. Örneğin zayıf kuvveti, üç boyutlu Lie grubu olan su(2) ile tanımlarız. İşin matematiği, bize bu Lie grubunun üç tane simetri üreteci olduğunu söyler. Bu modeli doğada (parçacık hızlandırıcılarda ve detektörlerde) test ettiğimizde ise bu üreteçlerin, zayıf kuvvetin taşıyıcı bozonları olan w+, w– ve z bozonlarının varlığını işaret ettiğini görürüz. Odamızdan bile çıkmadan, sadece matematik yaparak bu parçacıkların var olması gerektiğini işte böyle anlayabiliyoruz. Esasında yeni yeni gelişen bir beyni, fiziğe ya da matematiğe yönelten en zarif durumlardan birini analiz etmiş bulunuyoruz.

Maxwell’den sonra ikinci birleştirmenin ürünü, Abdus Salam, Sheldon Glashow ve Steven Weinberg adlı bilim insanları tarafından, elektromanyetik kuvvet ile zayıf kuvvetin birleştirilmesiyle karşımıza çıkanelektro-zayıf kuvvet oldu. Ne yaptıklarına gelince, elektromanyetik kuvvete karşılık gelen u(1) fiberiyle, zayıf kuvvete karşılık gelen su(2) fiberini birleştirdiler.

Bu birleştirme işlemi, söz konusu bilim insanlarınca, bazı karmaşık matematiksel işlemler yardımıyla gerçekleştirildi. İşte Higgs bozonunun ve z bozonunun var olmasının gerektiği de, tam olarak bu elektro-zayıf fiberi sayesinde anlaşılmıştı. Ancak salonda z bozonu bile bulunuyorken, biri eksikti: tahmin edebileceğiniz gibi, Higgs bozonu.

Şekil 3 – Fiberlerin, taban manifoldunun ve fiber demetinin basit bir betimi. (Görsel: Wolfram Alpha.)

Higgs bozonunun teorisi, tam olarak bu olay örgüsünün sonucudur ve esasında, bu olay örgüsü, herhangi bir takım oyununda yapılan eşsiz bir atağa benziyor. Aynı araç ve gereçleri kullanan bilim insanlarının geliştirdiği fikirler, sonunda, bu konuda net bir ifadeye sahip Peter Higgs ve arkadaşları tarafından, sayı ya da gol niteliğinde bir sonuca dönüştürüldü.

Bu nihai parantezi açtıktan sonra, bir diğer kuvvet olan güçlü kuvvete karşılık gelen fiber demetinin, yani su(3) Lie grubu ile tanımlanan grubun, kuark ve gluonların varlığını gösterdiğini söylemeliyiz. Gördüğünüz gibi, doğa, matematikle fark ettiğimiz tüm bu gerçekleri, yaptığımız deneyler sonunda bizden hiç esirgemiyor.

Standart Modelin bu bağlamda ne olduğuna gelecek olursak, aslında bu model, elektromanyetik kuvvet, zayıf kuvvet ve güçlü kuvvetin birleştirilmesi anlamına geliyor. Yani, u(1), su(2) ve su(3) fiberlerinin birleştirilip yorumlanmasından bahsediyoruz ve bu yorumlar işe yarıyorlar. İşe yaradıklarını da deneylerimizden anlıyoruz. Ancak sorun, Standart Model dediğimiz modelin, kütleçekimini açıklayamaması. Sebebi de gayet açık: kütleçekimine karşılık gelen fiberin, kuramın yorumu içerisinde bulunmaması.Bunlarla beraber, doğanın neden Lie gruplarını kullandığı vesoyut fiberlerin neden var olduğu bilinmiyor; bunlar da başka bir yazının konusu.

Sonuç: Ne Oldu?

Bilinen evrenin tamamı -en küçük bileşenler olan temel parçacıklardan galaksilerin en büyük kümelerine kadar- düşündüğümüzden daha fazla ortak nokta içeriyor. Çok büyük ölçek farkına rağmen, kozmosun en büyük ölçeklerini yöneten yasalar, en küçük parçacıkları ve etkileşimlerini yöneten yasalarla ortak noktalar içeriyor. Bizler, bu iki ölçek için tamamen farklı şekillerde çalışıyoruz: çok büyük ölçekler, sadece büyük teleskoplarla ve doğal kozmik laboratuvarlarla çalışılabilirken, küçük ölçekler, Dünya’da, gelmiş geçmiş en güçlü makinelerin, parçacık hızlandırıcılarının yapımını gerektiriyor. LHC (Büyük Hadron Çarpıştırıcısı) ise bunların en büyüğü olarak öne çıkıyor. LHC, çoğumuz için hâlâ heyecan verici olsa da, her şeyden önce, Standart Model’in kayıp parçası olan Higgs bozonunun bulunabilmesi için yapılmıştı.

Nobel Ödülü’ne layık görülen çalışmanın, Peter Higgs dışındaki yazarları. (Soldan sağa:  Kibble, Guralnik, Hagen, Englert, Brout.)

Söz konusu çarpıştırıcıdan gelen haberleri, zamanında takip edenlerimizin de hatırlayabileceği gibi, Higgs bozonunun kütlesi hakkında amansız bir spekülasyon söz konusuydu. Bunun bir sebebi vardı: tüm bu parçacıklar -kuantum alan teorisi bağlamında- gözlemlediğimiz her şey üzerinde çarpıcı bir etki sahibi. Diğer tüm parçacıkların kütlelerini tayin edebilen bir parçacık söz konusu.

Örneğin bizler, 3 kuarkın bir araya gelerek, atom çekirdeğindeki protonları ve nötronları oluşturduğunu düşünürüz. Ancak bu 3 kuarkın tamamının kütlesi, söz konusu parçacıkların kütlesinin yalnızca %2’sine karşılık geliyor; yani bu kuarklar, proton ve nötronun kütlesinin çok küçük bir kısmını oluşturuyor. Geriye kalan kütle ise, kuantum alan teorisi yasalarının öngördüğü diğer bazı parçacıklardan, daha doğru bir ifadeyle, etkileşimlerden gelir. Tüm bu parçacıklar, birbirlerine o kadar bağlıdır ki, üst kuark dediğimiz, tüm Standart Modelin en ağır parçacığı (protonun 180 katı kadar bir kütleye sahip) eğer şimdiki kütlesinin 2 katına sahip olsaydı, evrendeki tüm protonlar, şimdiki kütlelerinin %20’si kadar fazla kütleye sahip olacaktı! Yani Higgs, evrende ne varsa, kuantum alan teorisine göre, hepsiyle çok yüksek derecede bağlı durumda.

Standart Model, kütleçekimini içermiyor. Ancak gerçek evrende bu olgu bulunuyor ve evrenin, bizim varsaydığımız temel teori, kütleçekimi de dâhil olmak üzere, bilinen tüm kuvvetleri içeriyor. Kütleçekimi söz konusu olduğunda, düşük enerjili ve yüksek ölçekli bir kuvvet akla gelir, ancak bizler bu kuvvetin, kuantum mekaniğine uygulanabilirliğini test etmeye çalışıyoruz. Evrenin son parametresini (Higgs bozonunun kütlesi) sınırlamak için bunların yapılması gerekiyor. Eğer kütleyi belli bir değere indirgeyebilirsek, bu, artık evrende, Standart Model için yeni bir parçacık olmadığı sonucuna varmamızı sağlayabilir.

Ancak bizler, Higgs bozonunun kütlesini farklı bir değer olarak bulursak (düşük veya yüksek; fark etmez), bu, evrende yeni bir şeylerin bizleri beklediğini gösterir. Daha da ilginç olanıysa, Higgs bozonunun kütlesi, Büyük Hadron Çarpıştırıcısı çalıştırılmaya başlamadan 3 yıl önce, 2009’da hesaplanmıştı! Higgs bozonunun kütlesinin çok küçük bir belirsizlikle hesaplanması, süpersimetriye, ekstra boyutlara ve Güneş Sistemi’nde kurulması planlanan bir parçacık hızlandırıcısıyla bulunması beklenen herhangi bir yeni parçacığı öngören fantastik fikirlere karşı ezici bir kanıt olabilir. Bu kütle de ATLAS ve CMS detektörlerinden gelen verilerle beraber, sağlam bir olasılıkla, öngörülen kütlelerde saptanmıştı.

Evet, evrende hâlâ karanlık madde, simetri kırınımı, nötrinonun kütlesi gibi cevap bekleyen sorular var. Fakat en azından parçacık fiziği için yeni parçacıklar bağlamında, öğreneceğimiz başka hiçbir şey olmaması olasılığı söz konusu.

Emre Oral

[1] TeV: Tera Elektronvolt. Elektronvolt, bir elektron parçacığının, 1 voltluk gerilim altında hızlandırıldığında kazandığı enerji anlamına gelir. Dolayısıyla çok küçük bir enerji miktarıdır. Dolayısıyla önüne gelen tera, giga, mega gibi ön eklerle beraber anılır. 1 Tera elektron volt, 1 trilyon elektron volta, yani 1012 elektronvolta eşittir.

[2] Nijerya dilinde “Duru, açık”.




Kütle Çekimsel Sapan Etkisi

“Gravitational slingshot effect”, Türkçeye çevrilmiş haliyle “kütle çekimsel sapan etkisi” olayını açıklayan neredeyse hiçbir Türkçe kaynak yok. Özellikle gözlemci çerçevesi, momentum, etki tepki, vektör gibi konuları açıklamadan ifade ettiği için bunları açıklamaya çalıştık.

Kaynağı sonda belirtmek yerine, burada belirtmek istiyoruz, planetary.org sitesinden David Shortt’a ait.

Bir uzay aracını başka bir gezegenin yörüngesine yerleştirmek isteyenler bilim insanları, “kütle çekimsel sapan etkisi” olayını kullanırlar. Böylelikle planlamacılar uzay aracının daha az yakıt ile gezegenin yörüngesine girmesini sağlarlar. Ayrıca, kütle çekimsel sapan etkisi’nin uzay aracına kazandırdığı ekstra hız ile diğer gezegenlere ulaşma süresi oldukça kısalır. Tıpkı Juno‘nun Jüpiter’e, Yeni Ufuklar (New Horizons) aracının Plüton’a ulaşmak için bu yöntemi kullanması gibi. Her iki araç da kısa yoldan hedeflerine yönelmek yerine kütle çekimsel sapan etkisini kullanarak çok daha uzun yol katetmiş, ancak kazandıkları ekstra hız sayesinde hedeflerine daha kısa sürede ulaşmışlardır.

Kütle çekimsel sapan etkisi biraz gizemli gözükebilir. Biraz fizik biliyorsanız dahi bu duygu devam eder. Enerjiyi duymuşsunuzdur, enerji bir sistemin iş yapma kapasitesidir. Örneğin önünüzde duran bir cismi alın ve biraz havaya kaldırın. Bu cismin sahip olduğu enerji nedir? Eğer cismi yere bırakacak olursanız cisim üzerinde yerçekimi tarafından bir iş yapılacaktır ve cisim kinetik enerji kazanarak yere düşecektir.

Elinizdeki elmanın potansiyel bir enerjisi olduğunu çoğu zaman düşünmezsiniz…

Peki cisim elde tutulurken var olan enerji neydi? Bunun adı kütle çekim potansiyel enerjisiydi. Cismi elinizde tuttuğunuzda onun bir kütle çekim potansiyel enerjisi vardı, kinetik enerjisi sıfırdı yani hareketi yoktu. Daha sonra cismi elinizden bıraktığınızda kinetik enerjisi artmaya başladı, o artarken de kütle çekim potansiyel enerjisi azalmaya başladı. Buna fizikte “enerjinin korunumu” denir.

Şimdi konumuza dönecek olursak, enerji korunduğu için şu mantığı yürütebilirsiniz: “Bir uzay aracı bir gezegene yaklaşırken hızı artmalı fakat uzaklaşırken bu hızı kaybetmeli”.

Yerçekimsel sapanın nasıl işlediğini anlamak için iki farklı manzaradan, diğer bir deyişle iki farklı gözlemci çerçevesinden bakmamız gerekir. Bu gözlemci çerçevelerimiz, yani yerçekimsel sapan olayına bakacağımız yerler Dünya ve Güneş olsun. Bu durum, olayı anlayabilmemizi oldukça kolaylaştıracaktır.

Dünya’dan uzay aracına bakıldığında, Dünya hareketsizdir. Daha da önemlisi, Dünya bu uzay aracından çok ama çok büyük olduğu için, Dünya ve uzay aracının kütle merkezi, Dünya’nın kütle merkezi olarak değerlendirilebilir. Örneğin Jüpiter’in kütlesi, Voyager uzay aracından 10 üzeri 24 kere büyüktür.

Bunun anlamı şudur: Uzay aracının toplam enerjisi kinetik enerjiden (hareket enerjisi) ve kütle çekim potansiyel enerjiden (yakın olduğu büyük objeden – burada Jüpiter) oluşmaktadır. Juno ve Dünya’yı düşünelim. Dünya gözlem çerçevesinden bakıyoruz olaya. Juno Dünya’nın yörüngesinde iken ona en yakın en büyük obje Dünya olduğu için, bir kütle çekim potansiyel enerjisine sahip. Ayrıca hareket ediyor, bu da kinetik enerjisi. Dünya gözlemci çerçevesinden baktığımızda, bu toplam enerji korunur.

Voyager araçları dahil, uzak yörüngelere gönderdiğimiz hemen her uzay aracı, kütle çekim sapan etkisi sayesinde gerekli hıza ulaşmıştır.

Dünya gözlemci çerçevesinden bakıldığında, uzay aracı gezegenimize yaklaştığında hızlanır, uzaklaştığında da aynı oranda yavaşlar. Yaklaşma esnasında, uzay aracı dünyanın kütle çekim kuyusuna düşer ve böylelikle kinetik (hareket) enerji kazanır ve enerji korunumu gereği kinetik enerji artarken yerçekim potansiyel enerjisini kaybeder. Bu yakınlaşmadan sonra uzay aracı Dünya’nın kütle çekim kuyusundan uzaklaşır kazandığı kinetik enerjiyi kaybederek ilk yaklaştığı hıza düşer. Bu karşılaşma esnasında uzay aracının yönü değişir. Ne kadarlık bir sapmanın gerçekleştiği uzay aracının Dünya’ya ne kadar yaklaştığı ile ilgilidir. Uzay aracı ne kadar çok yaklaşırsa, sapma da, yani yön değişimi de o kadar fazla olur. Bir uzay aracını 180 derece saptırabilirsiniz, yani geldiği yöne doğru hareket etmesini sağlayabilirsiniz. Bu da uzay aracını Dünya’ya oldukça fazla şekilde yaklaştırmanızla mümkündür. Matematiksel olarak söylenebilir ki uzay aracının rotası hiperboliktir dolayısıyla uzay aracı Dünya gözlemci çerçevesine göre hiperbolik bir eğriye sahiptir.

Şimdi Dünya gözlemci çerçevesinden çıkalım ve Dünya ile uzay aracının bu karşılaşmasına Güneş’ten bakalım. Güneş’ten baktığınızda artık Güneş sabit, yani hareketsiz; Dünya ise bu sefer hareket etmekte. Dünya gözlemci çerçevesi ile Güneş gözlemci çerçevesi arasındaki fark, Dünya’nın Güneşe göre olan hareketidir. Dünya gözlemci çerçevesini, Güneş gözlemci çerçevesine dönüştürmek için bu sefer Dünya’nın hızı ile uzay aracının Dünya gözlemci çerçervesindeki hızını toplamalıyız.

Hız bir vektördür

Yani hem yönü hem de büyüklüğü vardır ve dolayısıyla bu toplama vektörel olarak yapılmalıdır. Dünya’nın hızının yönü, yörüngesindeki hareketi esnasında zamana bağlı olarak değişir. Fakat uzay aracı ile Dünya’nın yakınlaşması, Dünya’nın yörüngesindeki eğrisel hareketine oranla çok kısa zamanda gerçekleştiği için gezegenimizin bu karşılaşma esnasında yaklaşık olarak düz bir çizgide hareket ettiğini düşünelim. Güneş gözlemci çerçevesinden bakıldığında bu karşılaşmanın nasıl olduğu ilk bakışta çok açık değildir. Güneşten bakılırsa, uzay aracı Dünyaya yaklaştığında yönü değişir, yani hızı değişir. Bu karşılaşma esnasından önceki uzay aracının hızı ile karşılaşmadan sonraki hızı aynı değildir. Uzay aracının Dünya’ya yaklaşma hızı ile uzaklaşma hızı bu sefer aynı değildir, uzay aracı yavaşlayabilir de hızlanabilir de. Bunun nasıl olduğunu anlamak için şu animasyona bakalım:

Bu animasyon, Dünya ile uzay aracının yakınlaştığı örnekleri gösteriyor.

Üstteki animasyon Güneş gözlemci çerçevesine göre uzay aracının ve dünyanın karşılaşmasını gösteriyor. Sağa doğru hareket eden siyah noktanın dünya; uzay aracının da mavi nokta olduğunu varsayalım. Aşağıdaki animasyonda ise Dünya gözlemci çerçevesine göre tasarlanmış. Dünyadan bakıldığında, siyah nokta olarak temsil edilen gezegenimiz hareketsizdir. Uzay aracı da animasyonda aşağıdan hareket mavi noktadır.

Hatırlanacak olursa, uzay aracının sapmasının yani yön değişmesinin yani kaç derece olacağı dünyaya ne kadar yakınlaştığı ile ilgiliydi. Burada sapmanın 90 derece olduğunu varsayalım Dünya gözlemci çerçevesine göre. Animasyondaki dünya gözlemci çerçevesine tekrar bakın. Uzay aracının Dünyaya geliş sürati ile ayrılma sürati aynı. Fakat üstte bulunan Güneş gözlemci çerçevesine bakın, yani bu karşılaşmaya Güneş’ten bakın ! Güneş gözlemci çerçevesine göre uzay aracının sürati karşılaşmadan sonra artıyor. Bu örnekte uzay aracı gezegenin kendi hızının yaklaşık %60’ını kazanarak ayrılıyor.

Bu olay nasıl gerçekleşiyor? Animasyonda aşağıda bulunan Dünya gözlemci çerçevesinde hareket eden uzay aracının dikey olarak v hızıyla hareket ettiğini düşünelim. Karşılaşmadan sonra yine v hızına sahip olacaktır, yalnızca yönü değişecek, yatay olarak v hızıyla devam edecektir. Şimdi bu olaya Güneşten bakalım. Sabit olarak düşündüğümüz Güneşten baktığımızda bu sefer dünyanın v hızıyla sağa doğru hareket ettiğini düşünelim.

Bu sefer uzay aracını nasıl görürüz?

Hareketsiz güneşimizden baktığımızda, Dünya da hareket ettiği için uzay aracını sol alttan çapraz bir şekilde Dünya’ya yaklaşıyormuş gibi görürüz. Bu gözlemci çerçevesine, yani Güneş gözlemci çerçevesine göre, Dünya’ya v hızıyla sağa doğru gidiyormuş gibi gördüğümüz için, uzay aracına da sağa doğru v hızına sahipmiş gibi bir hız ekleriz. Dünya gözlemci çerçevesinden, Güneş gözlemci çerçevesine dönüştürme olayı olarak düşünebiliriz bunu. Uzay aracının Dünya gözlemci çerçevesinde yukarıya dikey olarak v hızı vardı, Güneş gözlemci çerçevesinde ise bu dikey v hızına ek olarak Dünya’nın yatay v hızı eklenir.

Jüpiter çevresinde görev yapmakta olan Juno uzay aracı. Bu araç da kütle çekim sapan etkisi kullanarak Jüpiter’e ulaşmıştı.

Bunu şu şekilde mantığınıza oturtabilirsiniz. Dünya gözlemci çerçevesinde sadece dikey olarak yol alır. Güneş gözlemci çerçevesinde ise bu dikey yoldan daha uzun bir yol alır (çaprazından ulaştığı için). Bu şu demek. Güneş gözlemci çerçevesine göre yol daha uzun olmasına rağmen ikisinde de aynı sürede ulaşıyor. Demek ki Güneş’ten bakıldığında uzay aracı v hızından daha büyük bir hızla hareket etmelidir. Matematiksel olarak sağa doğru v hız vektörü, yukarıya doğru da v hız vektörünün bileşimi hesaplandığında uzay aracının dünyaya yaklaşırken hızının yaklaşık 1.4v olduğunu hesaplarız.

Uzay aracı ile dünyanın karşılaşması ile uzay aracının yönünde bir sapma oluşur. Bunun nedeni kütle çekimidir. Uzay aracının belli bir hızı vardı, buna ilave olarak Dünya’nın da bu uzay aracına yönelik bir kuvveti olduğu için bu iki faktörün bileşimi ile bir sapma gerçekleşir. Uzay aracının sapmasından sonraki hızı ne olur? Dikey olarak v hızı vardı, bu hız artık yön değiştirdiği için yani görselde de gördüğünüz üzere sağa doğru olmaya başlar. Güneş gözlemci çerçevesine dönüştürmek için de v hızı ekleriz. Böylelikle v+v = 2v hızıyla sağa doğru gidiyormuş gibi görürüz uzay aracını, hareketsiz olarak varsaydığımız güneşimizden baktığımızda.

Büyüklük olarak 1.4v hızı vardı karşılaşmadan önce, karşılaşmadan sonra büyüklük olarak 2v hızı var artık. 0.6v yani Dünya’nın kendi hızının(v) yüzde 60’ını kazanmış oldu. Bu örnek açıkça gösteriyor ki Güneş gözlemci çerçevesine göre uzay aracının karşılaşma esnasında hız kazanmasının nedeni Dünya ile aynı doğrultuya doğru hareketinin değiştirilmesidir.

Peki uzay aracını ivmelendirmek için gerekli enerji nereden geliyor?

İşte bu enerji, Dünya’nın kendi hareket enerjisinden geliyor. Güneş gözlemci çerçevesinden bakıldığında, uzay aracına Dünyadan bir momentum ve kinetik enerji transferi söz konusu.

Peki momentum transferi nedir?

Momentumun formülü şudur: m.v yani, kütle ile hızın çarpımı. Örneğin dünyanın kütlesine m diyelim, hızına v diyelim, momentumu p= m.v olarak ifade edilir. Momentum transferini anlamak içinse Newton’un hareket yasalarını anlamak gerekmekte.

Önünüzde duran bilgisayarınızın faresine bir kuvvet uygulayın, o da size eşit büyüklükte fakat zıt yönde bir kuvvet uygulayacaktır, buna etki-tepki kuvveti denir. Yani dünyamız uzay aracına bir kütle çekim kuvveti uygularken, uzay aracı da dünyaya bir kuvvet uygulayacaktır. Newton’un meşhur F=m.a (F kuvvet, m kütle, a da ivmedir) ifadesinde ivme yerine hızın zamanla değişimi olan dv/dt yazılır ve dt ifadesi karşı tarafa atılırsa, F.dt = m.dv ifadesi elde edilir ki, eşitliğin sağ tarafındaki ifade bir cismin momentumudur.

Uzay aracı ile dünyamız karşılaştıklarında birbirlerine zıt yönlü fakat eşit kuvvet uygularlar hatırlayacağınız üzere, etki-tepki prensibi gereği. Dolayısıyla bu karşılaşma boyunca F ifadesi herhangi bir anda ikisinde de aynıdır. Örneğin arabanızla bir sineğe çarptığınızda sineğe eğer 5F değerinde kuvvet uygulandıysa arabanız tarafından; sinek de arabaya 5F değerinde bir kuvvet uygular. Şimdi Dünya ile uzay aracının karşılaşmasını matematiksel olarak ifade edelim.

Sapan etkisi

Üstteki hesaplamada m2 yi dünya, m1 i de uzay aracı olarak varsayalım. Dünya’nın uzay aracı üzerindeki kuvveti F21 ile gösterilmiş, ve yönü kütle çekimden dolayı doğal olarak Dünya’ya doğru. Uzay aracının etki-tepki prensibi gereği gezegenimize uyguladığı kuvvet F12 olarak ifade edilmiş ve bu kuvvetin yönü uzay aracına doğru. Şimdi F=m.a, Newton yasasıdaki a ivme yerine hızın zamanla değişim ifadesi olan dv/dt ifadesini yazalım: F= m.dv/dt ifadesi elde edilir ve burada her iki kuvvet de cisimlerin momentumları cinsinden yazılarak, yani m.dv (kütle ve hız çarpımı= momentum) ifadesi yerine p1 ve p2 yazılır. P1 burada uzay aracının momentumu, p2 ise dünyanın momentumudur.

Bunların birbirlerine uyguladıkları kuvvet etki-tepki prensibi gereği eşitti ve zıt yönlüydü dolayısıyla bir taraf eksi ile çarpılmak suretiyle eşitlik denklemi yazılabilir. Burada kuvvet ifadesinin yerine momentum formülünü de içeren m.dv/dt‘ler yazılır ve bu iki cismin toplam momentumun zamanla hiç değişmediği çıkarımı yapılır. d (P1 + p2) / dt ifadesi toplam momentumun zamanla değişimidir ki bu da 0 eşittir. Yani dünya ile uzay aracının karşılaşması öncesindeki toplam momentum ile karşılaşmasından sonraki toplam momentum aynı olmalıdır.

Şimdi Güneş’ten tekrar bakalım. Karşılaşmadan önceki Dünya’nın ve uzay aracının momentumları toplamı ile karşılaşmadan sonraki momentumları toplamı aynı olmalı. Kütleler aynı değişmiyor. Fakat uzay aracı Dünya’ya onun gidiş yönünün tersi yönünde bir kuvvet uyguluyor, yani onun hızını çok ama çok az da olsa azaltıyor. Yani Dünya’nın momentumu (m.v), hızı azaldığı için azalıyor.

O halde karşılaşmadan sonraki toplam momentumun korunması için uzay aracının sahip olduğu momentum artmalı. Kütle sabit olduğuna göre, toplam momentumun tekrar aynı olabilmesi için uzay aracının hızı (v) artmalı. İşte uzay aracına yakıt kullanmadan hız kazandırmanın dahiyane yolu buradan geçiyor: Kütle çekimsel sapan etkisi sayesinde Uzay aracı bir nevi Dünya’nın kendi yörüngesel hızından hız çalıyor.

Bu çıkarıma karşılaşmadan önceki toplam momentum ile karşılaşmadan sonraki toplam momentumun korunması ilkesiyle varıyoruz. Toplam momentumum korunmasını anlamak için de Newton’un meşhur etki-tepki prensibini anlamak gerekiyor. Unutmayın, sinek de arabaya eşit büyüklükte bir kuvvet uygular.

Şafak Koçlu

Not: En üstteki kapak görseli, Rosetta uzay aracının kütle çekim sapan etkisi kullanarak izlediği yörüngeyi gösteriyor.




Temel Fizik – Basınç

Basınç bir yüzeye etkide bulunan dik kuvvetin, birim yüzey alanına düşen miktarıdır. Daha farklı bir ifade ile, bir yüzeye uyguladığınız kuvvetin dik bileşeninin, o yüzeye ne kadar dağılarak bir etki yaptığını ifade eder.

Basınç, sıradan bir çivi çakma işleminden yıldız astrofiziğine kadar geniş bir yelpazede karşımıza çıkar. Maddenin üç ayrı halinde ayrı ayrı incelenir.

Katılarda Basınç

Katılarda basınç, uygulanan kuvvetin artmasıyla artar.
Katılarda basınç, kuvvetin uygulandığı yüzeye temas eden yüzey alanı azaldıkça artar.

Öyleyse,

Pressure2

P: Basınç(P), F: Kuvvet(N), S: Yüzey Alanı(m2)

formülü elde edilir. Bu demek oluyor ki, aynı kuvvetle, yüzey alanını azaltacak olursak daha fazla basınç uygulayabiliriz. Bu yüzden çivilerin ucu sivridir, çünkü ufak bir yüzey alanı sayesinde duvara çok fazla basınç uygulayarak girmesini kolaylaştırır. Benzer şekilde bıçaklar da bilenerek daha keskin hale getirilir.

Pressure1

Aynı cisim farklı konumlarda

Aynı cismi farklı konumlarda kullanarak farklı basınçlar elde etmek mümkündür. Cismin kütlesi değişmediği için, uyguladığı kuvvet değişmezken yüzey alanı değişmiştir. Böylece uygulanan basınç da değişir.

Ağır araçları fazla tekerlikli yapmak yer ile olan temas yüzeyini artırarak tekerler üzerine binen basıncı dağıtacaktır. Toplam basınç aynı kalacak olmasına rağmen, birim tekerlek üzerine düşen basınç azalacağından tekerlerin dayanıklılığı artacaktır.

Sıvılarda Basınç

Sıvılar içinde bulundukları kabın şeklini aldıklarından ötürü, temas ettikleri tüm yüzeye farklı yüksekliklerde farklı değerlerde olmak üzere basınç uygular.

pressure3

h: yükseklik, d: yoğunluk (özkütle), g: çekim ivmesi

Sıvılarda basınç yükseklik ile ilintili olduğundan kabın farklı yüksekliklerinden açılan deliklerden çıkan suyun basıncı da farklı olacaktır.

liquidpressure_clip_image001

Yükseklik suyun yüzeyinden itibaren ölçülür. En alttaki deliğin üstünde daha fazla miktarda su olduğundan çıkan suyun basıncı da daha fazladır.

Bu sebeple denizde dalış yaparken diplere doğru basınç arttığından kulakta bu basınç hissedilebilir.

derinlik-basinc-4785

Deniz veya göllerde derinlere inildikçe basınç artar. Görselde, metre birimi ile ne kadar derine indiğinizde kaç atmosferlik basınçla karşılaşacağınız gösteriliyor. İnsan, uygun biçimde inildiğinde ve yine uygun biçimde çıkıldığında (vurgun yememek için yeterli önlemler alındığında) bir koruyucu kıyafet giymeden yüzlerce metre derinlikteki basınca dayanabilir. 

Gaz Basıncı

Gaz basıncı özellikle yıldız astrofiziğinde önemli bir yere sahip olan bir konudur. Gaz basıncını anlamak için, elimizdeki gazı kapalı bir kapta düşünelim.

Burada elimizde dört farklı parametre vardır. Gazın sahip olduğu basınç (P), gazın hacmi (V), gazın sıcaklığı (T) ve molekül sayısı (N). Aynı zamanda bunları bir eşitlik olarak ifade etmek için k gibi bir sabit sayı kullanırız.

gaspressure

Gaz basıncı denklemi

Gaz basıncı, gaz moleküllerinin bulundukları kabın çeperlerine çarpması sonucu oluşur. Dolayısıyla ne kadar fazla çarpışma, o kadar fazla basınç demektir.

Denklemi yorumlayacak olursak;

  1. Molekül sayısı (N) ve sıcaklık (T) sabit tutulursa eşitliğin diğer tarafı değişmemelidir. Dolayısıyla bu durumda hacim (V) artarsa, basınç (P) azalır. Hacim (V) azalırsa, basınç (P) artar. Yani sıcaklığını ve molekül sayısını değiştirmediğimiz bir gazı sıkıştırırsak basıncı artacaktır.
  2. Hacmini (V) ve molekül sayısını (N) değiştirmezsek, sıcaklık (T) artarsa basınç (P) da artar. Sıcaklık (T) azalırsa, basınç (P) da azalır. Yani kapalı, hacmi değişmeyen yalıtılmış bir kaptaki gazı ısıtırsak, basınç artacaktır.
  3. Hacmi (V) ve sıcaklığı (T) sabit tutup, molekül sayısını (N) artırırsak basınç artacaktır. Yani kapalı, sabit hacimli bir kaba sabit sıcaklıkta gaz eklenirse, basınç artar.

Yıldız astrofiziğinde gaz basıncı, hidrostatik dengeyi ifade etmede kullanılır. Yıldızların oluşumunu sağlayan kütle çekim kuvveti yıldızı içeriye çöktürdükçe gazın artan basıncı, yıldızın bir noktada dengeye gelmesini sağlar. Dolayısıyla kütle çekim ile gaz basıncı arasında net bir ilişki vardır. Kütle ne kadar fazla ise, gaz basıncı o kadar fazla olur. Dolayısıyla çekirdekte çarpışma olasılığı artar, yıldızın ömrü kısalır.

Ögetay Kayalı




Genişleyen Evren Ve Düşündürdükleri

Çocukluğunuzu hatırlar mısınız? Ve elbette kurduğunuz düşleri, bitmek bilmeyen sorularınızı da. Var olan her şeyi çocukluğumuzla ve çocuk kalmış büyük insanların merakıyla sorguladık. Bu meraklı zihinlere çok şey borçluyuz.

İşte o büyük insanlardan biri; Edwin Hubble, 1929 senesinde uzak galaksilerden gelen ışığı incelerken beklenmedik bir veri elde etti. Tayf çizgilerinde nispi kırmızıya kayma gözlemlemişti Hubble. Bu kozmik kırmızıya kayma (red shift) kabaca bizlere galaksilerin birbirlerinden uzaklaştığını anlatıyordu. Bu veriden yola çıkarak ‘’Evren Genişliyor’’ sonucuna varıldı.

Bunu öğrendiğimizde büyük patlama teorisi‘ne inanmak içinde en önemli gerekçelerimizden birini edindik. Artık bir patlamayla oluşmuş ve genişleyerek atomlardan galaksilere kadar her şeyi oluşturmuş bir evren modeli daha mantıklı bir hal aldı.

sudalgalari87

Genişleyen bir sistemi geriye sararsak giderek küçülür ve nihayet başlangıç noktasına ulaşırız, patlamaya! Bunu durgun bir suda oluşan dairesel su dalgalarına benzetebiliriz. Çocukken suya attığınız taşın oluşturduğu sıçramayı patlama anına, sürekli genişleyen su dalgalarını da sonraki sürece, evrenin evrimine benzetebiliriz. Evren oluşurken, su dalgaları gibi önceden var olan bir yüzeye veya herhangi bir varlığa ihtiyaç duymadı. Suya attığımız taş ile süreci başlattık. Zamanı, ilk yapıtaşlarını, gördüğümüz, keşfettiklerimiz ve halen karanlıkta olan diğer her şey bu ilk andan itibaren hayat buldu. Genişleme bizi bugünkü evrene taşıdı.

Aslında genişleyen evreni önceden öngören biri daha vardı. Einstein’ın Genel Görelilik Kuramı statik bir sisteme bir başkaldırı olsa da yeterince cesur olamamıştı. Einstein, Newton gibi evrenin statik olması gerektiğini düşündü. Hatayı kendi kuramında buldu ve ünlü kozmik sabiti ekledi. Ne var ki Hubble bize gözlemsel kanıtlar sunmuştu. Üstelik bu veriler evrenin genişlemekle kalmadığını, genişleme hızının da arttığını öğretti.

Bir patlamayı düşünün ya da suya attığınız taşı, her iki durumda da etkinin giderek azalacağını düşünürsünüz. Zaten fizikte kütle çekim gibi kuvvetlerden dolayı etkinin azalacağını, genişlemenin yavaşlayacağını söyler. Zamanla hızın düşeceği evrenin durup kendi içine doğru daralıp çökeceğini düşünmüştük.

Büyük Patlama Genişleyen Evren

Genişleyen evrende, galaksi kümeleri birbirinden uzaklaşırken aslında hareket etmezler. Bir balonun üzerindeki sabit noktalar nasıl balon şiştikçe birbirinden uzaklaşırsa (ve hareket etmiyorlarsa), galaksi kümeleri de aynı biçimde evren dokusu genişledikçe hareket etmelerine gerek kalmadan birbirlerinden uzaklaşırlar.

Bu yeni bilgilerle beraber evrenin gelecekte kendi içine çökeceğini düşünen Big Crunch (Büyük çökme) teorisi kan kaybetmişti. Öte yandan artan hızla genişleyen bir evren yepyeni sorular, sorunlar doğurdu. Bu yeni sayılacak karanlık meselemize şimdilik aydınlatılamamış bir çözüm bulduk: Karanlık enerji.

Peki, nedir bu kara enerji? Kısa ve öz bir tabirle evreni sürekli genişleten ve galaksileri birbirinden uzaklaştıran itici bir güç. Alan Guth Kara Enerji’den ilk bahseden kişidir ve ani genişlemeden bu enerjiyi sorumlu tutmuştur. Madde ve hatta ışık ile etkileşime girmeyen bu enerji için karanlık kelimesi gayet niteleyici olsa gerek. Karanlık enerjiden bahsetmişken Karanlık maddeden bahsetmeden geçemeyiz.

Bugün yaklaşık olarak evrenin %72’si kara enerji, %23 karanlık madde ve %5 civarında ise bildiğimiz anlamda atomlardan meydana geldiği düşünülüyor. Tüm evren algımız, bilgimiz ve tecrübemiz %5 demek aslında. O yüzden bu iki kavramı anlamak evrenin tamamını anlamak ve temel sorularımıza cevap verebilmek açısından hayati öneme sahip.

evren

Evrenin içeriği, oluşum yüzdeleri…

Kara maddenin de kara enerji gibi benzer bir kimliği, benzer bir hikayesi var. Işık ve diğer elektromanyetik dalgalarla etkileşime girmediğinden varlığını diğer maddeler üzerindeki kütle çekimsel etkisinden tanıyabildiğimiz kara madde, ilk defa 1932-1933 yıllarında Jan Hedrik Oort ve Fritz Zwicky tarafından dillendirildi. Fakat Zwicky’nin dikkate alınması için 40 yıl geçmesi gerekti. Ne var ki 1970 yılında Washington Carnege Enstitüsü’nden ciddi bir kanıt geldi.

Vera Rubin ve arkadaşları, Samanyolu gökadasında olduğu gibi sarmal bir gökadanın kütlesi, galaktik maddenin görünen durumuna göre dağılmışsa dönme eğrisi hızlarının azalması gerektiğini gösterir. Merkezden dışa doğru yıldızların hızlarında bir düşüş olmalıydı bir başka deyişle. Çünkü galaksiyi oluşturan kütlenin büyük bir kısmı merkezdeki diskte toplandığından çekim zayıf kalacaktır.

Fakat Samanyolu, Andromeda ya da başka gökadalarda beklenen hız düşmesi gözlenmiyordu. Vera Rubin eğrisinde diskteki yıldızların hızı azalmıyor, sabit devam ediyordu. Burada göremediğimiz, ışık yaymayan bir şeyler mi vardı? Eğer disk kısmındaki yıldızların hızı azalmıyorsa göründüğünün aksine galaksinin kütlece çoğunluğu merkezde toplanmamış ve kütle tüm galaksi boyunca homojen dağılmıştır.

karanlikmadde457541

Sıradan bir sarmal gökada eğrisi incelendiğinde A yolunu izleyen bir grafik elde edilmesi beklenirken B ‘de ki gibi düz bir görünüm oluşması ancak Kara Madde varlığı ile açılanabilir.

Bu da diskte önemli bir oranda kütlenin olması ile mümkün olabilirdi. Belki de galaksinin çevresinde göremediğimiz, genel algılarımızın ötesinde epey kütle vardı. Karanlıkta kalmış, ışığın gün yüzüne çıkaramadığı bir kütle. Rubin de, Zwicky ile aynı bilimsel kaderi yaşadı. Uzun süre hiçbir ciddi yayın organı bu çalışmalara yer vermedi.

Newton kanunlarının makro ölçekteki bazı pürüzleri, Einstein’ın kuramları, Hubble’ın gözlemleri ve diğerlerinin çalışmaları bizleri durağan olmayan bir evren modeline, genişleyen evren fikri de kara madde- kara enerjiye taşıdı. Bu iki gizem şimdilerde de bir gizem olma özelliğini sürdürüyor ve yeni cesur fikirlerle tamamen aydınlanmayı bekliyor.

Genişleyen evren fikri bilim çevrelerince geniş kabul görse de farklı düşünceler de yok değil . Bilbao Üniversitesi’nden Jose Senovilla ve arkadaşları evrenin artan bir hızla genişlemediğini, bunun bir algı hatası olduğunu düşünüyor. Bu yeni çalışmaya göre uzay hızla genişlemiyor, zaman yavaşlıyor. Yani Prof. Senovila genişleyen bir evrene değil; evrenin artan hızla genişlemesine karşı. Zamanın yavaşlaması ve durumun açılanması şöyle anlatılıyor:

Zaman

Zaman; gözlemcinin konumuna, hızına veya maruz kaldığı kütle çekime göre farklı düzeylerde akar. Bunu bize öğretip ufkumuzu genişlettiği için, Einstein’a teşekkür etmeliyiz.

Pilleri bitmek üzere olan bir saatiniz olsun. Piller tamamen doluyken şimdikine göre zaman daha kısa olacak, dakikalar daha hızlı akacaktır. Piller tamamen doluyken 60 dakikalık bir filmi şimdi bir kez daha izlediğinizi varsayalım. Eğer saatinizin pillerinin bitmek üzere olduğunun farkında değilseniz bu kez film bittiğinde saatinize bakarsanız filmin hızlandığını düşüneceksiniz. Çünkü bu kez film 60 dakikadan daha az sürdüğünü düşüneceksiniz. (örneğin saatinize göre 50 dakika geçtiğini fark edip 10 dakikalık bir kısalma olduğunu sanabilirsiniz.) Ancak değişen filmin süresi değil dakikaların kendisi. Kendi ifadesiyle ‘’zamanın zamanı azalıyor.’’

Tabi bu düşünceye göre kara madde ve kara enerjinin varlığı anlamsızlaşıyor. Kara maddenin varlığını güçlendiren ya da aksini söyleyen yeni bulgulara ihtiyacımız var. Jose Senovilla’nın çalışmalarının ciddiye alınması gerektiğini düşünüyorum. Geçen yıl kendisiyle e-posta üzerinden konuşma fırsatı buldum. Görüşü ele alınmaya değer, çünkü bilim her zaman beklentilerin dışındaki fikirlere ve bulgulara açıktır.

Bir dönem evrenin merkezinde olduğumuzu düşünüyorduk. Şimdi bizim sisteme benzeyen milyarlarca galaksi ve yıldız sisteminin varlığını biliyoruz ve onları inceliyoruz. Zaman ilerledikçe merakımız ve hayal gücümüz bu sorunumuzu da çözüme kavuşturacaktır. Tabi, çözümler üretir üretmez yeni sorular edineceğiz her zamanki gibi. Ve yine yeni sorular için hayal-merak ve hakikat döngüsü devam edecektir.

Kim bilir, belki gelecekte kara madde ve kara enerji fikri, hatta büyük patlama teorisi bir efsane olarak zihinlerde kalacak. Belki üzerine yenilerini ekleyerek ilerleyeceğiz. Tek kesinlik şu ki, her zaman emin olamadığımız ve uykularımızı kaçıran sorularımız olacak. Yeni soru işaretleri için; yeni küçük kalmış büyük insanlara, onların hayallerine, merakına ve de çalışmalarına ihtiyacımız olacak.

Halil Bağış

Kaynaklar

http://gokbilim.com/dergi/zamanin-zamani-azaliyor-mu

Hawking, S. (2013).Zamanın Kısa Tarihi, İstanbul Alfa yayınları

Vikipedi




Kuantum Harmonik Salıngacı

Eskiler hatırlar belki, büyüklerimizin evine gittiğimizde koca bir duvar saati bizi karşılamıştır. Bu duvar saatinin içindeki sarkaç saati saat yapan elemanın kendisidir. Konumuz saatlerin nasıl çalıştığı değil elbette ama, kuantum sarkaçlarını anlamada bize yardımcı olabilir mi?

Kuantum sarkacına giriş yapmadan önce, klasik sarkaçları anlamak yararımıza olacaktır. Enerji korunumu yasasına göre sürtünmeyi ihmal ettiğimizde karşımıza şöyle bir tablo çıkıyor.

Eğer sistem ilk başta sabitse, biriktirilen yay enerjisi kinetik enerjiye dönüşecektir; çocukken oynadığımız arabalar gibi. Burada cismin hızı ve konumu herhangi bir zaman evresinde biliniyor olup, nerede ne zaman hangi hızda hareket edeceği Newton’un ikinci yasasından türeyen aşağıdaki denklem ile bulunabilir.

Cismin hızı yukardaki denklemin türevi alınarak bulunabilir. Yani demek istediğim klasik mekanikte cismin hızı ve konumu belirlenebilir. Kuantum mekaniklerine gelince işler biraz daha karmaşık hale gelmektedir.

Matematiğin branşlarından biri olan lineer cebir, kuantum sistemlerini tanımlamak için güçlü bir araçtır. Kuantum mekaniğinde ‘gözlemlenebilir’ olarak adlandırılan fiziki değerleri temsil eden operatörler vardır. Eğer bu oparatörler kuantum sistemimizi tanımlayan dalga fonksiyonuna ölçüm yapmak için etki ederlerse, karşımıza kararlı olmayan ancak istatiksel olarak tanımlanabilecek değerler ortaya çıkar. Belirsizlik  ilkesinin temel dayanağı da buradan gelmektedir.

A ve B olmak üzere 2 tane oparatör alalım. Eğer AB ve BA operasyonu birbirine eşit değilse bu oparatörler birbiriyle değiş tokuş yapmıyor demektir. Yani operasyonun sırası sonucu değiştirmektedir. Kuantum sistemlerinde bu oparötörler birbirine eşit değildir. Eğer A ve B yi konum ve momentum operatörleri olarak alırsak karşımıza şu sonuç çıkar.

i karmaşık sayıyı  ise, indirgenmiş Planck sabitini ifade eder. Yukarıdaki sonuç aslında çok önemlidir. Bize kuantum sistemimizin kararsız olduğu hakkında ipucu verir. Dolaysıyla istatiksel olarak analiz yapılması gerekir. Yukarıdaki oparatörleri dalga fonksiyonu üzerinde istatiksel işlemlere tuttuğumuzda o meşhur belirsizlik prensibi ortaya çıkar.

Dolaysıyla bir kuantum sisteminde konum ve momentumdaki belirsizlik her zaman sıfırdan büyüktür.

Kuantum salıngaçımıza geri gelecek olursak; yukardaki oparatörleri dalga fonksiyonumuza uyguladığımızda sistemimizdeki kuantize enerji düzeyleri şu şekilde ifade edilebilir.

Kuantum

Eğer sistemimizin en düşük enerji düzeyini bulmak istiyorsak, n yerine 0 koymak ile bu ifadenin yukardaki ifadeye benzer olduğunu göreceksiniz. Dikkat ederseniz klasik sistemde en düşük enerji düzeyi 0’dır. Yani cisim sabit konumdayken momentumu da sıfırdır. Kuantum sarkacında böyle birşeyden söz etmek mümkün değildir. Cisim en düşük enerji seviyesinde olsa da momentumuna dair belirsizlik vardır.

Alperen Erol

Kapak görseli telif: Robert Gonsalves




Güneş’in Bugünü ve Yarını

Güneş; dengeli olarak niteleyebileceğiz aşamada, gençlik günlerini yaşayan bir yıldızdır. Gökbilimciler yıldızların bu dengeli ve sağlıklı ömür bölümünü “anakol evresi” olarak nitelerler. Bu süreç içerisinde yıldız, çekirdeğindeki çok yoğun maddenin büyük bir kısmını oluşturan hidrojeni helyuma çevirerek enerji üretir.

Ancak, bir süre sonra yıldızın çekirdeğinde helyuma dönüştürecek miktarda hidrojen kalmaz. Çekirdeğin çevresi, yıldızın ömrü boyunca ürettip biriktirdiği Helyum’la kaplanmıştır artık. Bu hidrojen kıtlığının ne zaman gerçekleşeceği yıldızın kütlesinin büyüklüğüne, daha başka bir deyimle ne kadar ağır olduğuna bağlıdır. Güneş benzeri bir yıldızda hidrojenin yanma süresi yaklaşık 10 milyar yıl kadar sürer.

Hidrojen bitince yıldızın çekirdeğinde enerji üretimi durur. Duran enerji üretimi, yıldızı doğduğu günden beri içe doğru çökmeye zorlayan, ancak üretilen enerjinin dışa doğru baskısına yenik düşen kütleçekim gücünün hakimiyeti ele geçirmesine neden olur: Yıldızın çekirdek bölgesi içe doğru çökmeye, küçülmeye ve sıkışmaya başlar.

Not: Kütleçekim ve yıldızın ürettiği enerji arasında yaşanan savaşa “hidrostatik denge” adı verilir. Yukarıdaki yıldızın içe çökmesine neden olan mekanizmayı anlayabilmek için şu iki yazımızı (Bkz: virial kuramı), (bkz: jeans kriterleri) okuyabilirsiniz.

Güneş

Enerji üretemediği için çökmeye engelleyemeyen çekirdek bir süre sonra o kadar sıkışır ve sürtünmeden dolayı o kadar ısınır ki, 100 milyon dereceye ulaşmış olan çekirdeği çevreleyen helyum kabuk, tıpkı hidrojenin bir zamanlar yaptığı gibi enerji üretmeye başlar. Artık helyum atomları birleşerek Karbon oluşturuyordur. Bu sırada çökme süreci devam ederken ısınan yıldızın dış katmanları da genişlemeye, yıldız daha az yoğun ama daha büyük bir hale gelmeye başlamıştır. Bu yetmezmiş gibi, çekirdekteki helyum reaksiyonu, dış katmanların daha da ısınıp çok daha fazla genleşmesine neden olur.

Artık ömrünün güzel günlerini geride bırakan yıldızımız eski boyutlarından neredeyse 100 kat daha büyüktür. Helyum reaksiyonunun ürettiği büyük miktarda enerjiyle çevresine gençlik günlerinde olduğundan çok daha fazla ısı yaymasına karşın, yüzey sıcaklığı çok geniş yüzey alanı nedeniyle gençlik günlerinin yarısına kadar düşmüştür. Bu da yıldızın artık daha kırmızı görünmesine neden olur. Sonrası ise bildik hikaye; helyumun yanması biter, karbon yakılmaya başlar, o biter oksijen yakılır; sırayla neon, silikon, kükürt vs diye sürer gider bu süreç. Ancak, Güneş’in kütlesi helyum ve karbondan sonra nükleer reaksiyonları sürdürecek kadar büyük değildir. Karbon süreci sonunda büyük ihtimalle dağılıp bir gezegenimsi bulutsu gösterisiyle, ömrünü beyaz bir cüce olarak tamamlayacak.

Not: Yukarıda anlattığımız sürecin çok daha detaylı anlatımı için şu makalemizi okuyabilirsiniz. Bu süreç içerisinde yaşanacakların bizi ve Güneş’i ilgilendiren kısmı için ise şu makalemizi okumanız faydalı olacaktır. 

Üstteki görselde, Güneş’in şu anki halini ve yaklaşık 5 milyar yıl sonra dönüşeceği kırmızı dev evresindeki iç yapısını görüyorsunuz. Sağ alttaki kutuda yer alan boyut kıyaslaması, yıldızımızın ne kadar büyüyeceği ve nasıl bir şeye dönüşeceği hakkında sanırım biraz daha net fikir verebilir sizlere.

Zafer Emecan




Zaman ve Zamanın Oku

Birçok kişiye çok sıradan gelebilir hatta çoğumuz fark etmemiş olabiliriz bile, zaman şu ana kadar tam olarak anlaşılamamış ancak, hayatımıza çok fazla dahil olmuş bir kavramdır. Her gün zamanın içinde (bir nevi) hareket ederiz. Biriyle buluşacaksak sadece 4 bileşen yeterlidir buluşmayı tam olarak ayarlamak için.

x, y, z koordinatlarını kız arkadaşınıza verseniz bile, aylar öncesinden yer ayırttığınız güzel ve bir o kadar da pahalı mekanda buluşmak için bu bilgi kız arkadaşınıza yeterli gelmeyecektir. Çünkü t koordinatını yani zamanı söylemediğiniz için, sizi orada söylediğiniz andan ömrünün sonuna kadar beklemek zorunda kalabilir ki, bu da hiç hoş olmaz.

Einstein’den önce uzay ve zaman birbirlerinden tamamen farklı yapılar olarak görülüyordu. Ancak Einstein bunun böyle olmadığını uzay ve zamanın iç içe geçmiş olduğunu söyleyip, uzay-zaman olarak tanımlamıştır. Önceki yazılarımızı okuduysanız, bunu nereden bildiğimizi biliyor olmalısınız. O halde gelelim zamanın oku kavramına.

Zaman

Herkesin çok normal olarak karşıladığı olay, geçmişin geleceği etkilemesi ve her tik tak’ta geleceğe doğru ilerlememiz. Ki bunun fiziksel olarak bir nedeni yoktur; fizik kanunları aynı şekilde tersinebilirdir de. Yani zamanın yönünü değiştirdiğinizde de fizik doğru bir şekilde işler ama, neden zaman tek yönde ilerliyor? İşte bu soru, doğru sorudur. Zaten doğru cevaba ulaşmak için ilk önce doğru soruyu sormak lazım.

Zamanın oku kavramı Arthur Eddington tarafından ortaya atılmıştır ki, kendisi zamanında onunla ropörtaj yapmak isteyen birinin “bu dünyada Einstein’ın izafiyet teorisini anlayan 3 insandan birisisiniz” şeklinde devam eden soru cümlesine, “peki üçüncü kişi kimmiş?” diye cevap veren bir bilim insanıdır.

Zamanın oku kavramının entropi ile çok derinlemesine bir bağlantısı vardır. Şöyle hayal edelim elinizdeki yumurtayı yere düşürürseniz yumurtanın kabuğu kırılır paramparça olmuş bir şekilde içi etrafa dağılır. Ne kadar dağınık değil mi? Evet işte entropi de bunu söylüyor bir şey düzenden düzensizliğe veya az düzenli bir halden daha düzensiz bir hale gitme eğilimindedir.

Yumurta elinizdeyken bir bütün halindedir ve kabuğun içi bir nevi düşük entropili durumdadır. Sonraki haline göre ve kabuk içinde belli bir düzen içindedir ancak, yere çarpıp kırıldıktan sonra bütün parçalar başka yönlere saçılmış ve yumurtanın akıyla birlikte sarısı daha bir düzensiz bir hale gelmiştir. Bunu aşağıdaki görselde çok daha net bir şekilde görebilirsiniz.

Entropi

Peki zamanın okunun entropiyle ne alakası var?

Çünkü zamanın ileri gittiği bir evrende entropi daima artar yani düzenden düzensizliğe geçiş bize zamanın doğası hakkında güzel bir fikir verir.

Eğer yere çarpmış bir yumurtanın her bir atomuna çarptığı yönün aksine ve ters ama aynı büyüklükte bir kuvvet uygularsak, bu sefer düzensizlikten düzen yaratmış olacağız ve yumurta yerdeki o dağılmış konumundan ilk önceki bütün konumuna gelecektir. Yani düşük entropi düzeyine. Burada bir şey fark etmiş olmalısınız: Bütün atomlara zıt yönde ve aynı büyüklükte bir kuvvet uygularsanız zaman sanki geri akıyormuş gibi gelecek, yani zamanın oku geçmişi gösterecek.

Kısacası entropi, düşük entropi düzeyinden yani düzenden yüksek entropi düzeyine yani düzensizliğe gidiyorsa, zaman ileri akıyordur. Eğer entropi, yüksek entropi düzeyinden düşük entropi düzeyine doğru gidiyorsa (yani düzene doğru), zaman geri akıyormuş izlenimi verir. Gerçekten de fiziksel olarak eğer bütün prosesi bu şekilde düzene doğru daha düzenli hale hale çevirecek gücünüz olursa, zamanın oku geçmişi göstermeye ve siz de neden zaman ileriye akmıyor demeye başlarsınız. Ancak belki de, buna göre beyniniz farklı şekillenmişse, bunun farkına bile varmazsınız.

Eyüp Gürses




Büyük Patlama (Big-Bang) Teorisi

Büyük patlama teorisi, yaklaşık 13.8 milyar yıl önce evrenin tek ve belirsiz bir hacme sahip bir noktadan (tekillikten) hızla genişleyerek bugünkü halini aldığını söyler.

İlk andan itibaren evren bu tekil yoğunluktan genişlemeye başlamış, hızla devam eden genişme sürecinde zamanla atom çekirdeklerinin (hidrojen, helyum ve çok az lityum) oluşabileceği kadar düşük yoğunluk ve sıcaklığa ulaşmış, yeterince genişledikten sonra ise bu hidrojen ve helyum gazlarının kütleçekimsel etkilerle kendi üzerlerine çökmeye başlaması sonucu ilk yıldızlar ve galaksiler oluşmuştur.

Büyük Patlama Teorisi, ilk oluşan galaksilerin içerdiği yıldızların ağır elementlerce (astronomlar için, hidrojen ve helyum dışındaki her element ağırdır, metaldir) fakir olduğunu, bugün bildiğimiz oksijen, silisyum, karbon gibi elementlerin bu yıldızların patlamaları sonrasında ortaya saçıldığını anlatır. Buna göre, ilk yıldızlar büyük oranda hidrojen ve helyumdan oluşuyordu ve ağır elementler içermiyorlardı.

Büyük Patlama doppler

Bir ışık kaynağı, yakınlaştıkça “ışığın dalga yapısı” sıkışacağı için rengi maviye doğru kayar. Aynı biçimde uzaklaşırken dalga boyu genişler ve rengi kırmızıya doğru evrilir. Buna “doppler etkisi” adı verilir. 

Aradan geçen milyarlarca yıl içinde bu ilk (ve büyük kütleli) yıldızlar patlayarak çekirdeklerinde oluşan karbon, oksijen, azot, silisyum ve demir gibi bugün periyodik tabloda gördüğümüz ağır elementleri uzay boşluğuna saçtı (Bu ilk kuşak yıldızlarla ilgili şu yazımızı okuyarak bilgi alabilirsiniz). Sonraki kuşak yıldızlar, yıldızlararası boşluğa saçılan bu ağır elementleri de içerdiği için kayalık yüzeye sahip ve yaşamı destekleyebilecek gezegenler de içeren yıldızların oluşması mümkün oldu.

Peki bu kanıya, yani “evrenin genişlediği” fikrine nereden vardık?

Uzak galaksi kümelerinden gelen ışığın “kırmızıya kayma”sının, “doppler etkisi” nedeniyle gerçekleştiği varsayımına dayanılarak bunları söylüyoruz. Doppler etkisi, ışığın veya sesin, yani bir “dalga”nın uzaklaştıkça dalga boyunun büyümesi, yakınlaştıkça küçülmesidir. Şöyle ki, bir ışık kaynağı sizden uzaklaşıyorsa, ışığın giderek kırmızılaştığını, yaklaşıyorsa mavileştiğini görürsünüz. Tıpkı sesin uzaklaştıkça “pes”leşmesi, yakınlaştıkça “tiz”leşmesi gibi.

Bu da şu demek oluyor; uzak galaksi kümelerinin ışıkları hafifçe kırmızıya doğru kayıyorsa, bizden uzaklaşıyor olmalılar. Eğer gökyüzünün her yanındaki uzak galaksi kümeleri bizden uzaklaşıyorsa, aslında evrenin genişlediğini düşünebiliriz.

Aslında evrenin genişlediği fikri henüz yokken; 1920’li yıllarda, Georges Lemaître ve Alexander Friedmann gibi bilim insanları bu teoriyi ilk kez ortaya atmışlardı. Ardından Edwin Hubble, kırmızıya kaymayı gözlemsel olarak ortaya koyunca; evrenin genişlemesinin her zaman geçerli olduğu düşüncesiyle, genişleme geriye, geçmiş zamana doğru sarılarak; “madem genişliyor, çok eskiden tüm evren tek bir noktada yoğunlaşmış olmalı” denilerek big-bang teorisi bilim çevrelerinde yaygınlaşmaya başlamıştır.

8x10.ai

Hubble Uzay Teleskobu tarafından görüntülenmiş olan ve çok yüksek kırmızıya kayma gösteren galaksiler. Bir galaksi, bizden ne kadar uzakta ise, evrenin genişmesi nedeniyle o kadar hızlı uzaklaşır ve aynı oranda yüksek kırmızıya kayma gösterir.

Başlangıçta bilim insanlarının çoğunun pek sıcak bakmadığı büyük patlama teorisi, George Gamow gibi bilim insanlarınca zaman içinde geliştirildi. Einstein’ın görelilik teorisinin de yardımıyla uygun hesaplar yapılarak genişleme olgusunu açıklayabilecek matematiksel çalışmalar ortaya konuldu ve böylelikle 1965’li yıllardan sonra bilim insanlarınca yaygın olarak kabul edilen bir teori haline geldi.

Büyük patlamanın kanıtları nelerdir?

Her önemli ve geçerli teoride olduğu gibi, büyük patlama teorisi de kendisini doğrulayacak kanıt öngörülerinde bulunur. Örneğin, teoriye göre evrenin çok uzak köşelerindeki galaksilere baktığımızda onların ışıkları bize çok geç ulaştığı için milyarlarca yıl önceki gençlik hallerini görmeliyiz. Ki zaten, ışık hızı sınırlı olduğu için gençlik hallerini görürüz. Yazının başında belirttiğimiz gibi, evrenin ilk oluşum aşamalarında hidrojen ve helyum haricindeki ağır elementler evrende az bulunuyordu. Büyük patlama teorisi der ki; “gözlemlediğimiz bu çok uzak galaksilerin ışık tayfını incelersek, ağır elementlerin yakınımızdaki galaksilere oranla daha az oranda olduğunu bulmamız gerekir”.

Ve gerçekten de, bilim insanları uzak galaksi kümelerinden gelen ışığı analiz ettiklerinde ağır elementlerin çok az miktarda bulunduğunu gördüler. Bugün teleskoplarımızla çok uzak galaksi kümelerinin ışığını incelediğimizde, -bazı istisnalar haricinde- bu galaksilerdeki yıldızların ağır element bakımından oldukça fakir olduğunu gözlemliyoruz.

Mikrodalga Arkaplan Işıması

Mikrodalga arkaplan ışımasının tüm evrene nasıl dağıldığını gösteren harita.

Yine teoriye göre; evrenin tekil bir noktadan genişlemeye başladıktan sonraki ilk 380 bin yıl boyunca ışık yayılamaz. Çünkü, evren bu süre boyunca ışığın içinde yayılamayacağı kadar yoğundur. Evren 380 bin yaşına girdiğinde ise, yoğunluk ışığın yayılabilece kadar düşer ve ışık aniden tüm evrene yayılır. Bu durum için büyük patlama teorisi bize şunu söyler: “eğer öyleyse, o aniden yayılan ışınımın dalga boyu şu anda 1.9 mm, yani 2.7 kelvinlik bir kara cisim ışıması şeklindedir ve evrende nereye bakarsak bakalım görünebiliyor olmalı”.

Yine evet, gerçekten de bu öngörü doğru çıktı. Bilim insanları Arno Penzias ve Robert Woodrow Wilson, “Kozmik Mikrodalga Arkaplan Işıması” adı verilen bu 2.7 kelvinlik ışımayı evrenin her yanında gözlemlediler. Bugün, uzaya gönderdiğimiz gözlem uyduları sayesinde arkaplan ışımasını çok detaylı biçimde haritalandırmayı başarmış durumdayız.

Büyük patlama teorisini destekleyen bu saydıklarımız haricinde başka birçok kanıt var olduğu gibi, karanlık enerji benzeri açıklamakta güçlük çektiği konular da vardır. Zaten bu nedenle ilk ortaya atıldığında dönemin çok sayıda ünlü ve başarılı fizikçisi tarafından reddedilmiştir. Bununla beraber, plazma evren modeli gibi diğer görüşlere göre daha sağlam kanıt içerdiği için, büyük patlama şu an evreni anlayabilmemizi sağlayan en başarılı bilimsel teori olması nedeniyle bilim insanlarının çoğunluğu tarafından kabul görür.

Unutmayın; bir teorinin açıklayamadığı bazı şeylerin olması, o teorinin yanlış olduğu veya çürütüldüğü anlamına gelmez. Teori ve kanun kavramlarının ne olduğuyla ilgili bu yazımızı okumanızı öneririz.

Zafer Emecan

1) Tekillik, sıfır hacme ve sonsuz yoğunluğa sahip; alışık olduğumuz fizik kurallarının geçerli olmadığı oluşumlara denilir. Örneğin kara delikler gerçekte kendi çaplarında küçük birer tekilliktir.

2) Teorinin adı “büyük patlama” olsa da, gerçekte patlayan bir şey yok, tekil bir noktadan başlayan ani bir genişleme var. Yani fotoğrafta gördüğünüz gibi bir durum söz konusu değil. Big-bang teorisine bu “patlama çağrıştıran” ismini, teorinin kurucuları değil, teoriyle alay eden bir bilim insanı vermiştir.

3) İlk olarak 9 Ocak 2015’te yayınlanan ve büyük patlama teorisini sadece temel anlamda anlatan bu yazımız, geliştirilip güncellenerek tekrar yayına sunulmuştur. 




Astrofizik Nedir, Astronomi ve Kozmoloji İle Farkı Nelerdir?

Astrofizik; fizik ve kimya yasalarını yıldızların, gezegenlerin, galaksilerin, bulutsuların ve evrendeki diğer nesnelerin doğumunu, yaşamını ve ölümünü açıklamak için kullanan bir bilim dalıdır. Astronomi ve kozmoloji adında iki kardeş bilim dalı vardır ve bunları birbirinden ayıran çizgiler çok da net değildir.

En kesin anlamda:

  • Astronomi; gökcisimlerinin pozisyonlarını, parlaklıklarını, hareketlerini ve diğer karakteristik özellikleri ölçer.
  • Astrofizik, evrendeki küçük ve orta büyüklükte olan yapıların fiziksel teorilerini yaratır.
  • Kozmoloji ise bunu çok daha büyük yapılar için ve evreni bir bütün şeklinde alarak yapar.

Uygulamada bu üç uzmanlık alanı, birbirine sıkıca bağlı bir aile oluşturur. Bir bulutsunun yerini veya ne tür bir ışık yaydığını sorarsanız, buna önce bir astronom cevap verebilir. Bu bulutsunun neyden oluştuğunu ve nasıl oluştuğunu sorarsanız astrofizikçi bunun hakkında konuşacaktır. Bu verilerin evrenin oluşumu ile nasıl uyuştuğunu sorduğunuzda ise muhtemelen kozmoloji uzmanı buna atlayıp cevabını verecektir. Ancak dikkatli olun; bu soruların herhangi birinde, iki veya üç kişi aynı anda konuşmaya başlayabilir!

Astonom, astrofizikçi ve kozmologların bir arada olduğu ortamlarda soru sorarken dikkatli olun. Hepsi aynı anda cevap vermeye başlayabilir! (Fotoğraftakiler soldan sağa; Ligo ile kütleçekim dalgaları keşifleri sonucu Nobel Ödülünü alan Patrick Brady, Jolien Creighton, Alan Wiseman, ve Xavier Siemens. Fotoğraf telif: UWM Photo)

Astrofiziğin Hedefleri

Astrofizikçiler, evreni ve onun içindeki yerimizi anlamaya çalışırlar. NASA’nın web sitesine göre, NASA’da astrofiziğin hedefleri  “evrenin nasıl işlediğini bulmak, nasıl başlayıp evrimleştiğini keşfetmek ve diğer yıldızların çevresindeki gezegenlerde yaşam aramak” olarak belirtilmiştir.

NASA, bu hedeflerin üç tane geniş çaplı soru ürettiğini belirtiyor:

  • Evren nasıl işler?
  • Biz buraya nasıl geldik?
  • Yalnız mıyız?

Her şey Newton ile başladı.

Astronomi, en eski bilim dallarından biri iken teorik astrofizik Isaac Newton ile başlamıştır. Newton’dan önce gök bilimciler, göksel cisimlerin hareketlerini fiziksel bir temel olmadan karmaşık matematiksel modeller kullanarak anlatıyorlardı. Newton, tek bir teorinin uzaydaki uydularla gezegenlerin yörüngelerini ve Dünya’daki bir topun hareketini aynı anda açıklandığını gösterdi. Bu teori, göklerin ve Yeryüzü’nün aynı fizik kanunlarına tabi olması gibi o zamanlar için şaşırtıcı bir sonucu da kanıtlara ekledi.

Isaac Newton

Newton’a çok şey borçluyuz.

Belki de Newton’ın modelini öncekilerden tamamen ayıran en önemli şey, bu modelin tanımlayıcı olduğu kadar tahminci olmasıdır. Uranüs‘ün yörüngesindeki sapmalara dayanarak gök bilimciler, daha sonra Neptün olarak gözlenip adlandırılacak olan yeni bir gezegenin yerini öngördüler. Tanımlayıcı olduğu kadar tahminci olması, olgunlaşmış bir bilimin işaretidir ve astrofizik bu kategorinin içerisinde bulunmaktadır.

Astrofizikteki Kilometre Taşları

Uzak nesneler ile etkileşim içinde olmamızın tek yolu yaydıkları radyasyonu (ışımayı) gözlemlemek olduğundan dolayı astrofizik, bu radyasyonu üreten mekanizmaları açıklayacak teorilerin çıkarımını yapmak ve bunlardan daha fazla bilgi ortaya çıkarmak için fikirler ortaya koymak zorundadır. Yıldızların doğası hakkındaki ilk fikirler, 19. Yüzyılın ortalarından itibaren belli maddelerin ısıtıldığında emdiği ve yaydığı ışığın özel sıklıklarını gözlemleme anlamına gelen tayfsal analiz biliminin ortaya çıkması ile başladı. Tayfsal analiz, hem rehberlik hem de yeni teorilerin test edilmesinde bu üç uzay bilimi dalı için de gereklidir.

İlk tayf ölçümü, yıldızların Yeryüzü’nde de var olan maddeleri içerdiklerinin ilk kanıtını sağlamıştır. Tayf ölçümü, bazı bulutsuların yıldız içeriyor olmalarına rağmen, bazılarının sadece gazdan oluştuğunu ortaya çıkarmıştır. Bu bilgi, daha sonra bazı bulutsuların bulutsu değil farklı galaksiler olduğu fikrini sağlamlaştırmaya yardımcı olmuştur.

Cecilia Payne

Cecilia Payne, bizi yıldızların doğası ile tanıştırdı.

1920’lerin başlarında; Cecilia Payne, tayf ölçümünü kullanarak bu yıldızların (en azından yaşlanıncaya kadar) büyük oranda hidrojenden oluştuklarını keşfetti. Yıldızların spektrumları, astrofizikçilere ayrıca bunların Dünya’dan ne hızla uzaklaşıp ne hızla Dünya’ya yakınlaştıklarını belirleme imkanı vermiştir. Tıpkı Doppler Kayması sebebiyle araçların yaydığı sesin bize yakınlaşması veya uzaklaşması gibi, yıldızların spektrumları da aynı şekilde değişecektir. 1930’larda; Doppler kayması ve Einstein’ın genel görelilik teorisini birleştiren Edwin Hubble, evrenin genişlediğine dair güçlü kanıtlar sağladı. Bu, Einstein’ın teorisi tarafından da öngörülür ve birlikte Big Bang (Büyük Patlama) Teorisinin temelini oluşturur.

Ayrıca 19. Yüzyılın ortalarında; fizikçiler Lord Kelvin (William Thomson) ve Gustav Von Helmholtz, yerçekimsel çöküşün Güneş’e güç verebileceği üzerine düşünüyorlardı ancak, nihayetinde bu yolla elde edilen enerjinin sadece 100.000 yıl süreceğini fark ettiler. Elli yıl sonra, Einstein’ın ünlü E = mc2 denklemi astrofizikçilere gerçek enerji kaynağının ne olduğunun ilk ipucunu verdi (yerçekimsel çöküşünün önemli bir rol oynadığının ortaya çıkmasına rağmen).

Nükleer fizik, kuantum mekaniği ve parçacık fiziği 20. yüzyılın ilk yarısında ilerledikçe, nükleer füzyonun yıldızları nasıl güçlendirebileceği teorilerini formüle etmek mümkün oldu. Bu teoriler; yıldızların nasıl oluştuklarını, yaşadıklarını ve öldüklerini tanımlamakla birlikte gözlenen yıldız türlerinin dağılımını, bunların spektrumlarını, parlaklıklarını, yaşlarını ve diğer özelliklerini de başarılı bir şekilde açıklamışlardır.

William Fowler Geoffrey and Margaret Burbidge

William Fowler, Geoffrey ve Margaret Burbidge ile birlikte.

Astrofizik, yıldızların ve evrendeki diğer uzak cisimlerin fiziğidir ancak, evimize de oldukça yaklaşmaktadır. Big Bang Teorisine göre, ilk yıldızlar büyük oranda hidrojenden (%75) oluşmuştur. Onlara enerji veren nükleer füzyon süreci, daha ağır bir element olan helyumu oluşturmak için hidrojen atomlarını birleştirmektedir. 1957’de; karı-koca gök bilimci olan Geoffrey ve Margaret Burbidge ile fizikçiler William Alfred Fowler ve Fred Hoyle, yaşları arttıkça yıldızların daha sonraki nesillerdeki yıldızlara da geçen büyük miktarlardaki ağır elementleri nasıl ürettiklerini gösterdiler.

Demir (%32.1), oksijen (%30.1), silisyum (15.1) gibi Dünya’yı oluşturan elementlerin üretilmesi, yeni yıldızların hayatlarının sadece son evresinde ortaya çıkmaktadır. Bu elementlerin bir diğeri olan karbon, oksijenle birlikte bizim de dahil olduğumuz bütün yaşayan varlıkların kütlesinin çoğunluğunu oluşturmaktadır. Bu nedenle de astrofizik; hepimizin yıldız değil, yıldız tozu olduğumuzu söylemektedir.

Kariyer olarak Astrofizik

Astrofizikçi olmak;  yıllarca gözlem, eğitim ve çalışma gerektirir. Ancak astronomi kulüplerine katılarak, yerel astronomi etkinliklerinde bulunarak, astronomi ve astrofizikle ilgili ücretsiz çevrimiçi kurslar alarak ve hatta ilkokul ve lisede bile bu gibi küçük yollarla bu işe başlayabilirsiniz.

Üniversitede ise öğrenciler, astrofizikte doktoralarını tamamlamayı ve daha sonra astrofizik bölümlerinde doktora sonrası bir konuma gelmeyi hedeflemelidirler. Astrofizikçiler; hükümet, üniversite laboratuarları ve bazen özel kuruluşlar için çalışabilirler.

Study.com, sizi astrofizikçi olma yoluna sokabilecek daha fazla öneri sunmaktadır. Bunlar aşağıda verilmiştir.

Lise boyunca matematik ve fen derslerini alın
Çok çeşitli fen dersleri aldığınızdan da emin olun. Astronomi ve astrofizik; evrendeki olguları daha iyi anlamak için biyoloji, kimya ve diğer bilimlerin unsurlarını harmanlamaktadır. Ayrıca matematikte veya bilimde herhangi bir yaz tatili işi veya staj için takipte olun. Gönüllü çalışmalar bile özgeçmişinizi güçlendirebilir.

Astrofizik

Astronomi veya astrofizik bilimi ile ilgileniyorsanız, çok ama çok iyi derecede matematik ve fizik öğrenmelisiniz. Unutmayın, eğitim süreciniz ve sonrasında teleskobun başına çok az geçeceksiniz.

Matematik veya fenle ilgili lisans derecesi peşinde koşun
Astrofizik lisans derecesi ideal olsa da, bu alana giden bir çok yol bulunmaktadır. Örneğin, verileri analiz etmeniz için önemli olan bilgisayar bilimlerinde lisans eğitimi alabilirsiniz. Hangi programların size yardımcı olacağını öğrenmek için lise rehberlik danışmanınıza veya üniversitenize danışmak en iyisidir.

Araştırma olanakları bulun
Birçok üniversitede öğrencilerin keşiflere katıldığı programlar vardır – hatta bazen bu keşifler yayınlanır. NASA, ESA, RSA gibi ajanslar zaman zaman staj imkânı da sunmaktadır.

Astrofizikte doktorayı bitirin
Doktora yapmak, uzun ve yorucudur ancak, ABD Çalışma İstatistikleri Bürosu, astrofizikçilerin çoğunun doktora derecesine sahip olduğuna dikkat çekiyor. Geniş bilgi temeline sahip olmak için doktoranızın astronomi, bilgisayar bilimi, matematik, fizik ve istatistik derslerini içerdiğinden emin olun.

James Webb

Astrofizik kariyeri yapmayı planlıyorken; teleskop başında zaman geçireceğim değil, yapılan keşifleri anlamlandıracağım diye düşünmelisiniz.

Arizona State University’de bulunan gezegen astrofizikçisi Natalie Hinkel, 2015 yılında Lifehacker’a verdiği uzun röportajda küçük bir astrofizik araştırmacısı olmanın ödüllerine ve zorluklarına bir göz atmıştı. Araştırmalarını yaparken geçirdiği uzun yılları, sık iş değişikliklerini, iş saatlerini ve rekabetçi bir alanda bir kadın olmanın nasıl bir şey olduğunu anlatmıştı. Gün boyunca neler yaptığına dair ilginç bir bakış açısı da vardı. Zamanının çok az bir kısmı teleskop başında geçiyordu.

“Zamanımın büyük bir çoğunluğunu programlamaya harcıyorum. Çoğu insan, gökbilimcilerin tüm zamanlarını teleskoplarda geçirdiğini varsayıyorlar ancak bu, işin çok küçük bir kısmı. Bazı gözlemler yapıyorum, ancak son birkaç yılda sadece iki kez toplamda iki hafta gözlem yaptım. 

Veriyi aldığınızda, onu azaltmak (diğer bir deyişle kötü parçaları çıkarmak ve gerçek bilgi için işlemek) gerekir. Resmin tamamını görmek için diğer verilerle birleştirin, daha sonra da bulgularınız hakkında bir yazı yazın. Her bir gözlem çalışması tipik olarak birden fazla yıldızdan veri ürettiğinden, yeterli işe sahip olmak için teleskopunuzda bütün zamanınızı harcamanıza gerek yoktur.”

Çeviri: Burcu Ergül
Düzenleme: Zafer Emecan

Hazırlayan: Ariel Balter
https://www.space.com/26218-astrophysics.html
Kapak Fotoğrafı: Astrofizikçi Natalie Hinkel




Gök Mekaniği: “Eğrisel Hareket”in Kinematiği

Bundan bir önceki giriş yazımızda Kepler yasaları ve Newton’ın hareket kanunlarını vermiş, bunlardan yola çıkarak gök mekaniklerini elde edeceğimizi söylemiştik. Eğrisel hareket ile ilgili bu yazımız, matematik ağırlıklı ve sözelciler için giriş seviyesinin biraz üstündedir, bunu dikkate alarak okuyunuz.

Bu yazıda “eğrisel hareket“in geometrisini gösterip; konumdan hıza, hızdan ivmeye geçişi nasıl yaptığımızı ele alacağız. Böylelikle yörünge üzerindeki hareketin teğetsel ve dikine bileşenlerinin neler olduğunu göreceğiz. Üstteki görselden de anladığınız üzere, tenis maçlarında vurduğumuz her top dahil olmak üzere, herhangi bir cismin kütle çekimi altında olduğu sürece fırlattığımız her nesne, eğrisel hareket yapar. Ve tüm bunların hareketini hesaplayabiliriz!

Kartezyen koordinat sisteminde üç boyutlu referans sisteminde C eğrisi boyunca hareket eden P (x,y,z) noktasını ele alalım. Zamana bağlı olarak s yay uzunluğunun artacağını görebiliriz.

Eğrisel Hareket

Şekil 1

Başlangıçta s=0 iken, ok yönünde hareket ettikçe s yay uzunluğu da artacaktır. Buradan ilerideki bir noktayı da P’ (x’,y’,z’) olarak adlandıralım. Kartezyen koordinat sisteminde kullandığımız i, j, k birim vektörlerini kullanarak konum vektörü r‘yi aşağıdaki gibi ifade edebiliriz.

Gok_mekanigi_r

Hız, konumun zamana göre değişimi olduğundan dolayı r’nin t’ye göre türevi bize hızı verecektir. (Burada zamana(t) göre türevi üste bir nokta olarak gösteriyoruz)

Gokmekanigi_hiz

Öyleyse hızı aşağıdaki şekilde yazabiliriz:

Gokmekanigi_hiz2

İvme ise hızın zamana göre değişimi olduğundan, v’nin t’ye göre türevi ya da r’nin t’ye göre ikinci türevi olarak ifade edilebilir.

Gokmekanigi_ivme

Öyleyse ivme(a) aşağıdaki şekilde yazılabilir:

Gokmekanigi_ivme2

P noktasından P’ noktasına Δt zaman aralığında orijine uzaklığın değişeceği açıktır. Eğer r konum vektörünün ucundan P’ noktasına Δr vektörünü çizersek bu durumda orijinden P’ noktasına olan uzaklık iki vektörün toplamından dolayı r+Δr kadar olur. Bu arada yay üzerinde de Δs kadar bir değişim olduğuna dikkat edelim (Şekil 1)

Buraya kadar ele aldıklarımız eğrisel hareketin geometrisine dair birkaç vektörü göstermek ve konum ile hızın zamana göre değişimini incelemekti. Şimdi bilgilerimizi birleştirelim.

Hız ve ivme için aşağıdaki ifadeleri kullanmamız mümkündür:

Gokmekanigi_hiz3

Gokmekanigi_a_v_lim

 

Hız için yukarıdaki verdiğimiz denklemi daha farklı bir şekilde de yazabilirdik. Eğrisel hareket boyunca elimizdeki parametreler Δr, Δs ve Δt olduğuna göre bu üçü arasında bir ilişki yakalayabiliriz.

Gokmekanigi_limit1

En sağdaki ifadeyi inceleyelim. Δs ile Δt arasındaki ilişki bize oldukça tanıdık bir ifadedir. s bir yay uzunluğu, bir konum, olduğuna göre bunun zamana göre değişimi bize P noktasındaki hızı (v) verir. Δr/Δs limiti ise C eğrisine P noktasında teğet olan teğet birim vektörü (UT) ifade eder. Bunun için aşağıdaki şekli inceleyelim.

Eğrisel Hareket

Şekil 2

P noktasındaki teğet birim vektörü  (UT) ile gösterdik. Cisim eğri üzerinde hareket ederken teğetin yönünün de değişeceğini görebiliriz. Eğer P’ noktasındaki teğet birim vektörü bulmak istersek, yine basit bir vektör toplamı işlemi yapabiliriz. P noktasında kesikli çizgilerle gösterilen vektör P’ noktasındaki teğet birim vektördür (P noktasına hayali olarak taşıdık). Görüyoruz ki; UT vektörüne ΔUT gibi bir vektör eklersek P’ noktasındaki teğet birim vektörü elde edebiliriz. O halde P’ noktasındaki teğet birim, vektör UT+ΔUT  olur. Bu noktadan sonra merak etmemiz gereken şey, teğet vektöründeki değişimin nasıl olduğudur. Bariz bir şekilde değişmesi gerektiğini görüyoruz, öyleyse nasıl değiştiğini bilmemiz gerek.

Yukarıdaki limit işleminden elde edeceğimiz ifade denklemin sol tarafı için; Δr’nin Δt‘ye göre değişimi olan V‘yi verirken sağ tarafı için Δs/Δt‘den v‘yi, Δr/Δs‘den teğet birim vektör U‘yi verdiğine göre aşağıdaki şekilde düzenlenebilir.

Gokmekanigi_hiz4

Böylelikle hız ile teğet birim vektör arasında bir ilişki yakaladık. İvme, hızın zamana göre türevi olduğundan bu ifadenin türevini alarak ivmeyi de bulabiliriz.

Gokmekanigi_ivme4

Burada UT‘nin zamana göre türevinin ne olduğunu incelemeliyiz. P noktasından P’ noktasına C eğrisi boyunca ilerlerken, UT değeri ΔUT kadar değişir.

Gokmekanigi_ut

Burada denklemin solunda verdiğimiz UT‘nin türevi, P noktasından P’ noktasına C eğrisi boyunca hareket sırasında UT‘ye dik bir vektördür. Aynı zamanda;

Gokmekanigi_ut2

ifadesi P noktasında C eğrisinin eğrilik şiddetini ifade eder. Bunun ne anlama geldiğini birazdan daha açık bir biçimde göreceğiz. p eğrilik yarıçapı olmak üzere

Gokmekanigi_ut3

Burada UN birim normal vektördür ve eğrinin konkav tarafına yönlenmiştir. Sonuç olarak bu ifadeyi yerine yazdığımızda genel ifademizin düzenlenmiş hali aşağıdaki gibi olur.

Gokmekanigi_ut4

Şimdi elimizde daha rahat yorumlayabileceğimiz bir ifade var. Ubirim teğet vektörü Uise birim normal vektörü ifade ediyor. Böylelikle ivmeyi iki birim vektöre ayırmış oluyoruz. Bu bize yorum yapma olanağı sağlar.

Eğer ki çember üzerinde sabit bir hızla hareket ediyorsanız, yani v=c gibi bir sabit ise, sabit sayının türevi sıfır olduğundan bu durumda teğetsel bileşen ortadan kalkar ve geriye sadece normal vektörü kalır. Bu da bize; böyle bir durumda cismin, yarıçap boyunca merkeze doğru ivmeleneceğini söyler.

Tüm bunları yapmaktaki amacımızı hatırlayalım. Yeryüzünden gözlem yapıyoruz ve koordinatlar üzerinde çalışacağız. İşleri basitleştirmemiz gerek, öyle değil mi? Dolayısıyla kolay işlemler yapabileceğimiz kutupsal koordinatları kullanmak çok daha işlevsel olacaktır. Bir P(r,θ) noktası tanımlayalım.

Gokmekanigi_ut_ur

Sol üst köşede teğetsel bileşen, sağ alt köşede ise dikine bileşen gösteriliyor

İki adet birbirine dik birim vektör tanımladık: Ur dikine bileşen Uθ teğetsel bileşen. r konum vektörü olmak üzere aşağıdaki şekilde ifade edebiliriz.

Gokmekanigi_r

Böylelikle konum vektörümüzü de ifade etmiş olduk. Bundan sonra r’nin zamana göre türevinden hıza gidebilir, hızın türevinden de ivmeye gidebiliriz. Fakat burada görüyoruz ki, türev alırken Ur ifadesinin de türevi gelecek. Dolayısıyla öncelikle bu bileşenlerimizin tanımlamalarını yapmalıyız. Yukarıdaki şekilde sol üstte Uθ bileşeninin, sağ altta ise Ur bileşenin nasıl açıldığını görebiliriz. Öyleyse birim vektörlerimizi aşağıdaki şekilde yazabiliriz.

Gokmekanigi_ur_ut_bilesenler

r’nin türevlerini alırken yukarıda verdiğimiz bu ifadelerin de türevleri geleceği için öncelikle bunların türevlerine bakmamız gerekir. Açıkça görüyoruz ki, bu ifadeler birbirlerinin çok basit şekilde türevlerini ifade eder ve aşağıdaki şekilde yazılabilir.

Gokmekanigi_ur_ut_turev

Cisim P noktasından P’ noktasına giderken θ açısının değişeceğini görüyoruz. Dolayısıyla burada θ değerinin türevinin gelmesinin sebebi, θ açısının sabit bir açı değil zamana bağlı olarak değişen bir fonksiyon olmasından kaynaklanır. Artık birim vektörlerimizin de türev ifadelerini bildiğimize göre; konum vektörünün birinci türevinden hıza, ikinci türevinden de ivmeye ulaşabiliriz.

Gokmekanigi_r_ur_ut

Üstteki denklemdeki ifadeyi yerine yazar ve düzenlersek

Gokmekanigi_v_ur_ut

Böylece hız ve bileşenleri hakkında fikir edinmiş olduk. Eğer bu ifadenin de zamana göre türevini alırsak ivme ve bileşenleri hakkında fikir edinebiliriz.

Gokmekanigi_a_ur_ut_1

Bu ifadeyi düzenlersek;

Gokmekanigi_a_ur_ut_2

elde ederiz. Böylelikle ivme ve bileşenleri hakkında da fikir edinmiş olduk. İlerleyen konularda bu ifadeleri yorumlayarak ne gibi durumlarda neler olacağını, bize söylediklerini göreceğiz.

*Bazı yerlerde vektörleri belirtirken üzerine ok işareti koyarak vektör olduklarını vurgulamak zorunda kaldık. Bazılarında ise bu işaret yok. Bunun sebebi yazım için kullandığımız programda bazı harfleri vurgulayamamış olmamız. Normalde hiç vektör işareti kullanmayacaktık. Çünkü birim vektör içeren ifadelerden hangisinin vektör olduğunu rahatlıkla anlayabilirsiniz.

Ögetay Kayalı

Katkılarından ve desteğinden ötürü Ege Üniversitesi Astronomi ve Uzay Bilimleri Bölümü’nde bize Gök Mekaniği dersini veren Can Kılınç hocamıza teşekkür ederiz.




Güneş Bir Çift Yıldız Olarak Doğmuş Olabilir Mi?

Öyle görünüyor ki, hemen tüm yıldızlar çiftler halinde doğuyorlar. Acaba, 4,5 milyar yıl önce doğan güneşimizin de, çoğu yıldızın olduğu gibi bir eşi veya ikizi var mıydı?

Neredeyse evet- aynı ikiz olmasa da… UC Berkeley’den teorik bir fizikçi ve Harvard Üniversitesi’nde Smithsonian Astrofizik Gözlemevi’nden bir radyo astronom tarafından yapılan yeni bir analize göre, evrendeki diğerGüneş benzeri yıldızların da ikizleri vardı.

Birçok yıldızın, en yakın komşumuz üçlü bir sistem olan Alpha Centauri de dahil olmak üzere birer eşleri vardır. Gök bilimciler uzun zamandır bir açıklama yapmaya çalışıyorlar. İkili ve üçlü yıldız sistemleri bu şekilde mi doğdular? Bir yıldız diğerini yakaladı mı? İkili yıldızlar bazen bölünerek tek yıldız mı oldular?

Gökbilimciler, bizim güneşimize eşlik ettiğini düşündükleri ve Nemesis olarak adlandırılan bir yıldızı araştırdılar, çünkü gezegenimizin yörüngesine bir göktaşı fırlattığını ve bunun da gezegene çarparak dinozorları yok ettiğini var saydılar. Ancak bu yıldız hiç bulunamadı.

Yukarıda Perseus moleküler bulutunda yoğun bir çekirdek (oval dış hat) içerisinde oluşmuş yaklaşık 1 milyon yıllık genç bir ikili yıldız sisteminin radyo dalga boyunda alınmış görüntüsünü görüyorsunuz. Tüm yıldızlar muhtemelen yoğun çekirdekler içinde ikili olarak oluşur. Telif: SCUBA-2 araştırma görüntüsü, Sarah Sadavoy, CfA

Yeni iddia; kısa süre önce Perseus takımyıldızında yeni oluşan yıldızlarla dolu dev bir molekül bulutuna ait bir radyo araştırmasına ve Perseus gözlemlerini ancak Güneş benzeri yıldızların bir eş ile doğmuş olması halinde açıklayabilecek matematiksel bir modele dayanıyor.

UC Berkeley araştırma astronomu olan Steven Stahler, “Evet, muhtemelen bir Nemesis vardı. Perseus moleküler bulutundaki tüm ayrışmalara ait, genç tekli ve ikili yıldızların karşılaştırmalı sayısının hesaplanıp hesaplanamayacağını görmek için bir dizi istatistiksel model denedik. Buradaki model, veriyi yeniden üretebilecek tek model olup bu modelde tüm yıldızlar başlangıçta ikili eşler halindeydi. Bu sistemler daha sonra milyonlarca yıl içinde küçülür veya parçalanırlar” diyor.

Şili’de Atakama Büyük Milimetre / Alt milimetre Dizisi (ALMA) tarafından elde edilen Perseus moleküler bulutundaki tozlu bir diskte oluşan üçlü yıldız sisteminin radyo görüntüsü. Telif: Bill Saxton, ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), NRAO/AUI/NSF

Bu çalışmada, kullanılan “engin” terimi, iki yıldızın birbirinden 500 astronomik birimden (AU) daha fazla bir mesafede ayrı kaldığı anlamına gelir. 1 astronomik birim, Güneş ile Dünya arasındaki ortalama mesafedir (150 milyon km). Buna göre, güneşimize eşlik eden “engin” ikinci eşi Güneş’e, bugün en uzak gezegen olan Neptün’den 17 kat daha uzak olacaktı.

Bu modele dayanarak, Güneş’in ikizi muhtemelen bir daha asla görülmemek üzere Samanyolu Galaksi’sindeki diğer yıldızlarların arasına kaçtı ve onlara karıştı.

Smithsonian Astrofiziksel Gözlemevindeki bir NASA Hubble üyesi olan Sarah Sadavoy “Birçok yıldızın bir eşi ile birlikte oluştuğu fikri daha önce de ortaya atıldı, ancak soru şu: Kaç tane? Basit modelimize dayanarak, neredeyse tüm yıldızların bir eş ile birlikte oluştuğunu söylüyoruz. Perseus bulutu, tipik bir düşük-kütleli yıldız oluşum bölgesi olarak dikkate alınır ancak, modelimizin diğer bulutlarda da kontrol edilmesi gerekiyor” demişti.

Stahler ise, “Tüm yıldızların bir dağınıklıkta doğduğu fikri, yıldız oluşumunun ötesinde, galaksilerin kökeni de dahil olmak üzere dolaylı anlatımlar taşır” diyor.

Stahler ve Sadavoy, bulguları Nisan ayında arXiv sunucusunda yayınladılar. Makaleleri, Kraliyet Astronomi Topluluğu Aylık Bildirimlerinde yayına kabul edildi.

‘Yoğun çekirdekler’ İçinde Doğan Yıldızlar

Gök bilimciler, yüzlerce yıldır ikili ve çoklu yıldız sistemlerinin kökeni hakkında spekülasyonlar yarattılar ve son yıllarda çöken gaz kütlelerinin kütle çekimi altında yıldızlara dönüşmek üzere nasıl yoğunlaştıklarını anlamak için bilgisayar simülasyonları oluşturdular. Ayrıca, son zamanlarda gaz bulutlarından kurtulmuş pek çok genç yıldızın etkileşimini de simüle ettiler. Birkaç yıl önce, Bonn Üniversitesi’nden Pavel Kroupa’nın yaptığı böyle bir bilgisayar simülasyonu, bütün yıldızların ikili olarak doğduğu sonucuna varmasına yol açtı.

Yıldızlar

Gök bilimciler daha genç yıldızlara baktıklarından, ikili sistemlere ait daha büyük bir oran buluyorlar, ancak yine de nedense bir gizem söz konusu.

Stahler şunları da belirtiyor:

“Buradaki anahtar şu ki, kimse daha önce gerçek genç yıldızlarla onları doğuran bulutların ilişkisine sistematik bir şekilde bakmadı. Çalışmalarımız, ikili sistemlerin nasıl oluştuğunu ve bunların erken yıldız evriminde oynadığı rolü anlamak için atılmış bir adımdır. Şimdi, kendi güneşimize oldukça benzeyen çoğu yıldızın ikili olarak oluştuğuna inanıyoruz. Bence böyle bir iddia için şimdiye kadar elde edilmiş en güçlü kanıta sahibiz.”

Stahler’a göre gök bilimciler yıldızların; genç yıldızların yuvaları olan uçsuz bucaksız soğuk, moleküler hidrojen bulutlarında serpilmiş yoğun çekirdekler denilen yumurta biçimli kozaların içinde doğduklarını yıllardır biliyorlardı. Bir optik teleskopla bakıldığında bu bulutlar yıldızlı gökyüzünde delikler gibi gözüküyorlar çünkü gaza eşlik eden toz, içerde oluşan yıldızlardan gelen ışığı blokluyor. Ancak bulutlar, radyo teleskoplarıyla taranabilir, çünkü içlerindeki soğuk toz taneleri bu radyo dalga boylarında yayılır ve radyo dalgaları toz tarafından engellenmez.

Perseus moleküler bulutu, Dünya’dan yaklaşık 600 ışık yılı uzaklıkta ve yaklaşık 50 ışık yılı uzunluğundadır. Geçen yıl gök bilimcilerden oluşan bir ekip, bulutun içindeki yıldız oluşumuna bakmak üzere New Mexico’daki radyo teleskoplardan oluşan bir grup olan VLA dizisini kullanarak bir çalışma yaptılar.

VANDAM olarak adlandırılan bu çalışma, moleküler bir buluttaki tüm genç yıldızlara yani yaklaşık olarak 4 milyon yaşın altındaki yıldızlara ait ilk çalışma oldu. Ayrıca çalışmaya birbirinden neredeyse 15 astronomik birim mesafede ayrılmış tekli ve çoklu yıldızlar da dahil edildi. Böylece Güneş sistemimizdeki Uranüs’ün yörüngesinin yarıçapından bile büyük bir mesafede -yaklaşık 19 AU- ayrılmış çoklu yıldızları yakaladı.

VANDAM çalışması, Sınıf 0 yıldızlarının (yaklaşık 500.000 yaşından küçük yıldızlar) ve Sınıf 1 yıldızlarının (yaklaşık 500.000 – 1 milyon arası yaştaki yıldızlar) sayımını yaptı. Her iki yıldız türü de o kadar genç ki, enerji üretmek için henüz hidrojen yakmıyorlar bile (gökbilimciler bunları “önyıldız” diyor).

Sadavoy, sonuçları VANDAM’dan aldı ve genç yıldızların etrafındaki yumurta şekilli kozaları açığa çıkaran ek gözlemler ile birleştirdi. Bu ilave gözlemler, Hawaii’deki James Clerk Maxwell Teleskopu üzerindeki SCUBA-2 ile Gould Belt çalışmasından elde edildi. Bu iki veri kümesini birleştiren Sadavoy, Perseus’daki ikili ve tekli yıldız popülasyonların sayımını yapabildi. 24 çoklu yıldız sisteminde, 55 genç yıldız ortaya çıkardı.

Bu verileri kullanan Stahler, yaygın olarak ayrılmış tüm ikili sistemlerin (birbirlerinden 500 AU’dan fazla mesafede ayrılan) iki tane Sınıf 0 yıldız içeren çok genç sistemler olduğunu keşfetti. Bu sistemler ayrıca yumurta şeklindeki yoğun çekirdeğin uzun ekseni ile hizalanma eğilimindelerdi. Biraz daha eski Sınıf 1 ikili yıldızlar, birbirine daha yakındı, bir çoğu yaklaşık 200 AU mesafede ayrılmıştı ve çekirdeğin ekseni boyunca hizalanma eğilimi göstermediler.

Karanlık bir moleküler bulut olan Barnard 68, içindeki yıldızların oluşumu esnasında çıkan ışığı ve arkasında bulunan yıldızlar ve galaksilerden gelen ışığı bloke eden gaz ve toz ile doludur. Bu ve diğer yıldız yuvaları, Perseus moleküler bulutu gibi, yalnızca radyo dalgaları vasıtasıyla araştırılabilir. Telif: FORS Team, 8.2-meter VLT Antu, ESO

Yumurta Biçimli Çekirdekler Çift Merkezli Olarak Çöküyor

Stahler yıldızların bu dağılımını açıklamak için, tipik oluşum, parçalanma ve yörüngesel küçülme süreleriyle ilgili varsayım yaparak çeşitli senaryoları matematiksel olarak modelledi. Gözlemlerin açıklanmasının tek yolunun; Güneş’in etrafındaki tüm yıldız kütlelerinin yumurta şeklindeki yoğun çekirdeklerde geniş Sınıf 0 ikilileri olarak doğduklarını ve bunun ardından %60’ının zamanla bölündüklerini varsaymak olduğunu belirttiler. Geri kalanlar, sıkı ikililer oluşturmak için küçülüyorlar.

Stahler şöyle devam ediyor:

“Yumurtalar küçüldükçe, yumurtanın en yoğun kısmı ortaya doğru yönelecek ve orta eksen boyunca iki yoğunluk konsantrasyonu oluşturacaktır. Yüksek yoğunluk merkezleri, Sınıf 0 yıldızlarını oluşturmak için kendi yer çekimlerinden dolayı kendilerine doğru çöküyorlar. Bizim çıkarımımızda, düşük kütleli Güneş benzeri yıldızlar ilkel değil, ikili sistemlerin parçalanmalarının bir sonucudur.”

Teorilerine göre, birkaç Güneş kütlesi ihtiva eden her yoğun çekirdek, daha önce düşünülmüş olduğu gibi iki kat daha fazla maddeyi yıldızlara dönüştürüyor. Yeni veriler ve model birer başlangıç, ancak bu kuralın arkasındaki fiziği anlamak için daha fazla çalışma yapılması gerekiyor.

Bu tür çalışmalar yakında artacak gibi görünüyor çünkü yakın zamanda yükseltilmiş bir VLA, Şili’deki ALMA teleskopu ve ayrıca Hawai’deki SCUBA-2 çalışmasının bize sağladığı güç, gerekli veri ve istatistikleri veriyor. Bu da yoğun çekirdekler ve içindeki gömülü yıldızlarla ilgili bakış açımızı değiştirecektir.

Çeviri: Nur SÖKMEN

Kaynak: https://phys.org/news/2017-06-evidence-stars-born-pairs.html




Yengeç Atarcası (Pulsarı)

1054 yılında Çinli astronomlar gökyüzünde büyük bir parlama gördüler ve bunu kaydettiler. Bu parlama öylesine büyüktü ki tam 23 gün boyunca gündüz dahi görülmüş, toplamda 642 gün boyunca gözlenmiştir.

Bugün bunun bir süpernova patlaması olduğunu ve geriye neler bıraktığını biliyoruz. Bunlardan biri hala evrende hızla yayılmakta olan Yengeç Bulutsusu, diğeri ise bir nötron yıldızı olan Yengeç Atarcası (Pulsarı).

SN1054'den geriye kalan Yengeç Bulutsusu(M1)

SN1054’den geriye kalan Yengeç Bulutsusu (M1)

Atarcalar, aslında nötron yıldızlarıdır. Büyük kütleli yıldızların süpernova patlaması sonucu geriye bıraktığı, boyutları 15-20 kilometreden çok da fazla olmayan, fakat kütleleri Güneş’in birkaç katına kadar olabilen, dolayısıyla aşırı yoğun nötron yığınlarıdır. (Bknz. Nötron Yıldızı ve Karadelik)

Atarcayı özel kılan şey, onun bize bir deniz feneri gibi ışık atımları yollamasıdır. Dönüş ekseni ile manyetik ekseni arasında bir açı bulunan nötron yıldızları, manyetik eksenleri doğrultusunda ışık saçarlar. Böylelikle evreni bir koni şeklinde ışık atımları ile tararlar. Eğer biz bu doğrultulardan birine denk geliyorsak, nötron yıldızının yaptığı bu ışınımı periyodik olarak yanıp sönen bir yıldız olarak görürüz.

800px-Pulsar_schematic.svg

Hatta bu atımı görmekle kalmıyoruz, bu atım bizim için oldukça şaşırtıcı bir özelliğe sahip. Saniyede onlarca, yüzlerce hatta neredeyse binlerce kez olabiliyor. Yani nötron yıldızları kendi etraflarındaki turlarını saniyenin yüzde birinden kısa bir sürede atabiliyor!

Yengeç Atarcası

Yengeç atarcası ise SN1054’ün geriye bıraktığı, yaklaşık 20 kilometre çapında 1.4 Güneş kütlesine sahip 961 yaşında genç bir nötron yıldızıdır. Atımları 33 milisaniyede bir gerçekleştirir, yani saniyede yaklaşık 30 kez. Bu neredeyse her atımı ayırt edemeyeceğimiz kadar kısa bir süredir. Aşağıda Yengeç Atarcası’nın çıkardığı sesi duyabilir ve Cambridge Üniversitesi’nin Lucky Imaging kamerası tarafından yakın kızılötede (800nm) alınmış bir yavaşlatılmış görüntüsünü izleyebilirsiniz.

Crab_Lucky_video2

Ögetay Kayalı

Kaynaklar
1. http://arxiv.org/pdf/astro-ph/9503012.pdf
2. 
http://www.jb.man.ac.uk/pulsar/Education/Sounds/