Fizik / Astrofizik Tüm Yazılar

Evrendeki Temel Kuvvetler

Hazırlayan: Taylan Kasar

Modern fizikteki “kuvvet” algısı, temel parçacıkların birbirleriyle etkileşim mekanizmalarının nasıl olduğunu konu alır. Parçacıkların emisyon veya absorbsiyon yapmaları, saçılmaları, bağlar kurmaları temel kuvvetler sayesinde olmaktadır.

Temel kuvvetler olmasaydı evren de tabi ki daha basit bir evren modeli gerektirirdi; galaksiler, yıldızlar, gezegenler oluşamazdı. Yaşam, yani biyoloji olmazdı çünkü bunu sağlayacak olan kimyasal yapılar da olamayacaktı.Kimyasal bileşikler de fiziksel yapılar bildiğimiz haliyle varolmayacağı için var olamayacaklardı. Elektronlar atomlara bağlanamayacak, quarklar bir araya gelip proton ve nötronları oluşturamayacak, atomlar olmayacak, temel tanecikler eğer var olacaklarsa birbirlerinin içinden hiçbir şey olmamış gibi geçip gideceklerdi.

Kısaca modern fizikteki 4 temel kuvvet; elektromanyetik kuvvet, güçlü nükleer kuvvet, zayıf nükleer kuvvet ve kütleçekim kuvveti evrenimizin bugünkü halinde olmasında hayati derecede öneme sahipler.

Magnetic-Field

Elektromanyetik kuvvet

Yakından tanıdığımız bir kuvvet olan elektromanyetik kuvvet, bilindiği üzere (+) ve () yüklü parçacıklar arasında olmakta. Bilim insanları daha atomu bulmadan önce, 18.yy’da elektromanyetizmanın etkilerini görüp bunu araştırmaya başlamışlardı.

Yükler arasındaki etkileşimi 1785’te fransız fizikçi Charles Coulomb‘un fiziğe kazandırdığı ünlü Coulomb yasası ile bilmekteyiz. 1819’da ise Danimarkalı fizikçi Hans Oersted elektrik ve manyetizmanın aslında birbirleriyle alakalı olduğunu, elektrik akımının manyetik alan yarattığını keşfediyor.

1839’a gelindiğinde İngiliz fizikçi Michael Faraday elektromayetizma ile uğraşıyor ve manyetizmayı kullanarak elektrik üretilebileceğini söylüyor. 1860’larda İskoç fizikçi James Clerk Maxwell elektrik ve manyetizmanın birbirleriyle ilişkisini gösteren denklemleri ortaya çıkarıyor. Son olarak ise 1892 yılında hollandalı fizikçi Hendrik Lorentz elektromanyetik alan içerisindeki yüklü bir parçacığa etki eden kuvveti hesaplıyor.

tinytesla-desktop-musical-tesla-coil-by-onetesla

Fakat bu yasalar sadece elektromayetik etkileşimi göstermekteler, işleyiş sistematiğini açıklamamaktalar.

Fizikçiler 20.yy’ın başlarında atom altı dünyayı araştırmaya başladıklarında elektromanyetik kuvvetin parçacıklarla da etkileşimini görmeye başladılar. Protonların, elektronları atomların yörüngesinde tuttuğunu, bir atomun elektronunun başka bir atomun çekirdeğinin etkileşim alanına girdiğinde atomların birbirleriyle bağ kurduğunu (kovalent bağ, iyonik bağ) anladılar.

Hem atomik seviyede hem de sonsuz uzaklıklarda etkisinin görülebildiği bu kuvvetin fotonlar vasıtasıyla taşındığını düşündüler. Elektromanyetik etkileşimin atomik seviyede yani kuantum fiziğinde nasıl etkileşim gerçekleştirdiğini açıklamaları yeni bir fizik alanı daha doğmasını sağladı. Elektromanyetik kuvvetin temel parçacıklar arasındaki etkileşimine bakan, yani kuantum fiziğinde işleyişini açıklamaya çalışan alana kuantum elektrodinamiği denmekte.

Elektromanyetik kuvvetin taşıyıcısı kütlesiz parçacık foton olduğu için, etkileşimi sonsuza uzanır. Peki bu kuvvetin önemi ne derseniz, atomları ve molekülleri bir arada tutmaya yarıyor. Daha doğrusu parçacıklar elektrik yükleri yani şarjları nedeniyle birbirlerini bu kuvvet vasıtasıyla itiyor veya çekiyorlar. Güçlü ve zayıf nükleer kuvvetlerin etki mesafelerinin çok kısa olmaları nedeniyle, atomların yapılarında (elektronların bağlanmasında) ve moleküllerin bağ yapılarında elektromanyetik kuvvet baş roldedir.

Atom çekirdeğinin iç yapısı ile ilgili soruları cevaplamak için ise tek başına yetersiz kaldığından dolayı ilerleyen yıllarda başka kuvvetler de keşfediliyor.

Güçlü Nükleer Kuvvet

1935 yılında Japon teorik fizikçi Hideki Yukawa protonların ve nötronların birbirleriyle etkileşimlerini açıklamak için bir parçacığın proton ve nötronlar arasında güç iletimi görevi gördüğünü ve parçacıkların bu şekilde birbirleriyle etkileşime girdiklerine dair makale yazıyor. Teorize ettiği parçacık bugün bilnen adıyla ‘pion’ ve 1947 yılında bu parçacık keşfedildiği için 1949 yılına gelindiğinde Nobel Fizik Ödülü Yukawa’ya veriliyor.

Hikayesi bu şekilde başlayan güçlü kuvvet, atomun çekirdeğinde aynı yükte oldukları için birbirlerini itmeleri gereken protonların bağlanıp bir arada -oldukça yakın- bir şekilde durabilmelerini de sağlar. Çekirdek bozunumlarında da yine güçlü kuvvetin etkisi görülmekte. Etki mesafesi ise oldukça sınırlı; 1 femtometre kadar yani 10^-15 metre(daha uzağında hissedilememekte). Parçacıklar bu mesafeden daha fazla birbirlerinden uzaklaştırıldıklarında güçlü kuvvet etkisini yitirdiği için eğer aynı yüktelerse (protonların hepsi (+) yüklü) ayrılmakla kalmayıp birbirlerini elektromanyetik kuvvetin etkisiyle itmeye başlıyorlar.

Gluon

Elektromanyetik kuvvet de çok güçlü olmasına rağmen aynı yükteki parçacıkları birbirlerine neredeyse değecek kadar yakında tutmayı başarabilen bu kuvvet, atomu nükleer fizyon ile parçaladığımızda, yani protonları birbirlerinden ayırmayı başardığımızda enerji olarak salınıyor. İşte bu kadar güçlü!

Temel taneciklerden biri olan vektör gauge bozonu gluonlar tarafından taşınıyor. Basitçe fotona benziyor diyebiliriz ama üç farklı yükü var. Örneğin elektromanyetik kuvvetin (+) ve (–) diye iki yükü vardı. Güçlü kuvvetin yükleri ise kırmızı, yeşil ve mavi olarak adlandırılmakta. Fotonlar gibi kütlesiz olmalarına rağmen kendi aralarında etkileşime girebiliyorlar. Bu nedenle etki mesafesi kısalıp 10^-15 metre seviyesine düşmekte. Fotonlar ise kendi aralarında etkileşime girmedikleri için (bir foton başka bir fotonun içinden çarpışmadan geçip gider) etkileşim mesafesi sınırsız olmaktaydı.

Zayıf Nükleer Kuvvet

Atom çekirdeklerindeki radyoaktif bozunmalardan biri olan beta bozunumu gibi süreçlerde ve nötrino etkileşimlerinde görülen bu kuvvetin etki mesafesi 10^-18 metredir. Yani protonun boyutunun %1’i kadar mesafede etkili.

Çekirdekte meydana gelen beta emisyonunda bir nötron proton’a dönüşür/bozunur ve bu sırada çekirdekten dışarıya elektron anti-nötrinosu ve elektron saçılır. -Bu saçılan elektrona beta parçacığı denilmekte.- Bu dönüşüm için gerekli güç, güçlü kuvvetten 10^-7 kat daha azdır, bu nedenle adına zayıf nükleer kuvvet veya kısaca zayıf kuvvet denir. Biraz talihsiz bir adı var çünkü kuvvetin etkileri pek de zayıf değil.

NeutronDecay

1983 yılında quarkların keşfedilmeleriyle birlikte, -zayıf kuvvet-in W ile Z bozonları vasıtasıyla quarkların birbirlerine dönüşmesinden de sorumlu olduğu bulunuyor. Proton ile nötronu birbirlerinden ayıran şeyler yapılarındaki quarkların farklı olması. Proton 2 yukarı 1 aşağı quarktan oluşurken, nötron 2 aşağı 1 yukarı quarktan oluşmakta. Zayıf kuvvetin protonun içindeki 1 yukarı quarkı aşağı quarka dönüştürmesi, protonun nötrona dönüşmesini sağlıyor.

Zayıf nükleer kuvvet hidrojenin izotopu döteryumun oluşmasını da sağladığı için yıldızların nükleer füzyon yapabilmelerini sağlıyor. Eğer hidrojenler zayıf kuvvet vasıtasıyla döteryumlara dönüştürülemeseydi nükleer füzyon meydana gelemeyecekti. Benzer şekilde fosfor atomundaki 1 nötron zayıf kuvvetin etkisiyle protona dönüşür (nötronun içindeki aşağı quarklardan biri yukarı quarka dönüşmekte) ve bunun sonucunda proton sayısı yani atom numarası 1 artan fosfor atomu kükürt atomuna dönüşmüş olur.

main-qimg-aa26ef9d58c54e40903d37676cfe8a35

Zayıf kuvvet’in 10^-18 metre gibi çok kısa etki mesafesi olmasının nedeni, kuvveti taşıyan parçacıkların, yani W ile Z bozonlarının kütlelerinin 80-91GeV gibi yüksek değerlerde olmalarından kaynaklanıyor.

Zayıf kuvvet quarklar haricinde leptonların yani elektron, muon, tau ve nötrinoların etkileşimlerde de rol oynuyor. Güçlü kuvvet leptonlara etki etmemekte, elektromanyetik kuvvet ise nötrinolar gibi yüksüz parçacıklara etki etmemektedir. Fakat bütün bu parçacıklar zayıf kuvvet ile etkileşime girdikleri için, kuvvetler arasındaki teorik bağlantı sağlanabiliyor.

Kütleçekim Kuvveti

Etkisini ilk hissettiğimiz ve ilk olarak üstünde düşünülen kuvvet, kütleçekim kuvvetidir. Romalılar M.Ö. 218 yılında Sicilya’yı kuşattıklarında şehri bir türlü ele geçiremiyorlardı. Çünkü o şehirde Arşimet vardı ve fırlatılan cisimlerin yerçekimi etkisi altında nasıl davranacağını çok iyi bilen bir mühendisti. Şehrin duvarlarına kör nokta olmayacak şekilde yerleştirttiği, kuşatma donanmasının yaklaşmasını engelleyen mancınıklar vardı. Aylar sonra artık kazandıklarını sanıp duvarlardaki görevlerini aksatıp eğlenmeye başlayan askerlerin gafleti, şehri Romalıların ele geçirmesini sağladı ve Arşimet bu sırada öldürüldü.

Yüzyıllar sonra sahneye Isaac Newton çıktı. Arşimet’e çok şey borçu olan bu İngiliz fizikçi, 1689 yılında kütleçekimini iki cismin birbirleri ile etkileşmelerini sağlayan bir kuvvet olarak düşündü ve bu sayede etkileşim ilk kez denklemleştirebildi. İki cismin arasındaki etkileşim kuvvetinin kütleleri ve aralarındaki mesafenin karesiyle ters orantılı olduğunu buldu. (F=G*(m1*m2)/r²)

Newton’un bulduğu bu yasa insanlığın Ay’a gidebilmesini sağladı. Fakat Newton’un teorisi bir şeyi açıklayamıyordu; mesela Merkür’ün yörüngesini..Diğer gezegenlerin yörüngelerinde işe yarayan bu teori Merkür’e bakıldığında tutarsızlaşıyordu. (Aslında açıklayamadığı daha büyük bir soru vardır; kütleçekiminin nasıl etkileşim kurduğu…)

maxresdefault

1915 yılında Alman fizikçi Albert Einstein, Newton’un yerçekimi teorisinin yüksek çekim alanı olan yerlerde ve yüksek hızlarda oldukça tutarsız sonuçlar verdiğini gördü. Genel görelilik teorisi adı altında, kütleçekimini çok farklı bir şekilde yorumladı. Uzayı kütle tarafından eğilen ve zaman ile bağdaşık bir ortama dönüştürdü. Yüksek kütleçekiminin olduğu yerde uzay-zaman fazlaca eğildiği için oradan geçmekte olan başka bir cismin yörüngesinin bundan etkileneceğini, farklı bir yol izleyeceğini söylüyordu. Sıradışı olan bu yorum, ilginçtir ki denklemlerde Merkür’ün yörüngesindeki salınımı kesinlikle açıklayabiliyordu. Newton’un çekim yasaları ise düşük kütleçekimi ve düşük hızlarda Einstein’ın genel görelilik teorisinin bir yaklaşımı olarak varlığını korudu.

Yıldızlar ve gezegenler gibi çok yüksek kütleli cisimlere baktığımızda kütleçekimini oldukça güçlü bir kuvvet olarak görüyoruz. Fakat atomik seviyeye indiğimizde etkisi çok azalıyor. Çünkü atomik seviyede parçacıkların kütleleri çok az. Bu seviyelerde karşımızda en güçsüz kuvvet olarak gözükmekte.

Eh o zaman, Einstein’ın genel görelilik teorisi bir çok şeyi çözdü diye düşünebiliriz; fakat şöyle bir sıkıntımız var. Genel görelilik teorisi bir çok şeyi açıklayan ve iyi cevaplar veren bir model ama kütleçekimi veya kütleçekim kuvveti nihayetinde uzay-zamanı büken bir güç. Dolayısıyla diğer temel kuvvetlerde olduğu gibi kuantum fiziğinde bu kuvvetin de bir taşıyıcı parçacığı olması gerekiyor mantıken. İşte bu parçacığa graviton denilmekte. Fakat graviton diğer parçacıklar gibi deneysel olarak henüz gözlenememiş, belki de gözlenemeyecek olan teorik bir parçacık. Günümüzde bu konuyla ilgili bir çok farklı teori üzerinde çalışılmaktadır.

İlginçtir ki etkisini ilk hissetiğimiz kuvvet olan kütleçekim kuvveti, 4 temel kuvvet arasında en az anlayabildiğimiz kuvvet olmuştur. Kütleçekim kuvvetinin doğasını kavrayabilmek için yapılmakta olan çalışmalar sicim teorisi gibi alanları doğurduğu gibi, fizikçiler kütleçekim kuvveti dışında kalan 3 kuvveti bir arada açıklama girişimi olarak büyük birleşik teoriler (grand unified theories) üzerine de çalışmaktalar. Kütleçekim kuvveti de bunlara katıldığı zaman süper birleşik teori (superunified theories) diye isimlendiriliyor. Fakat bu teoriler henüz spekülasyondan öteye gidememekte, çünkü kütleçekim kuvveti gizemini hala korumakta.

temel kuvvetler

Stadart Modeldeki temel parçacıklar

Yukarıdaki grafikte standart modeldeki temel parçacıklar gösterilmekte. Kırmızı ile belirtilmiş olan Gauge bozonlarına güç taşıyıcıları deniliyor. Yani yazıda anlattığımız temel kuvvetler (kütleçekim kuvveti hariç) bu 4 parçacık tarafından taşıyor.

  • Gluon; güçlü kuvveti taşıyan parçacık. Quarkları bir arada tutmakta. Lepton grubundaki parçacıklara ise etki etmiyor.
  • Foton; elektromanyetik kuvveti taşıyan parçacık. Şarjı sıfır olmayan yani yüklü parçacıklar ile etkileşime giriyor.
  • Z ile W bozonu; zayıf kuvveti taşıyan parçacıklar. Quarkların birbirlerine dönüşmelerinde rol oynuyor. Leptonlar ile de etkileşime giriyor.
  • Higgs bozonu: foton ve gluon haricindeki temel parçacıkların kütleli olmalarını sağlıyor. Kütleçekim kuvveti ile bir alakası yok. Temel parçacıklar dışındaki (proton, nötron gibi) parçacıkların kütlelerinden de sorumlu değil. (detaylı bilgi için tıklayınız.)

Taylan Kasar

Kaynaklar:
http://science.howstuffworks.com/environmental/earth/geophysics/fundamental-forces-of-nature3.htm
http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/forces/funfor.html

Hep daha fazla okumak gerekir...

Yazar Hakkında

Taylan Kasar

İstanbul Üniversitesi Astronomi ve Uzay Bilimleri’nde öğrencidir. ilerihaber.org ve evrimselantropoloji.org sitelerinde güncel bilim haberleri çevirisi yapmaktadır.