MERAKLININ EL KİTABI FİZİK
SONER ALBAYRAK
Resimdekilerle Uğraşmadan Öğrenmek İçin
Önsöz Sürüm Hakkında
SÜRÜM 1: 16 Temmuz 2017 • 35 soru. • Düzenlemeye tabi tutulmadı. • İlk sürüm olduğu için henüz bir geri bildirim yok. • Geri bildirim olmadığı için teşekkür edilecek biri de yok. • Bu sürümün asıl amacı geri bildirim toplamak! Bu yüzden bu çalışmaya katkısı olabileceğini düşündüğünüz fikirlerinizi lütfen paylaşın:
[email protected]
Kitapçık Hakkında Nedir? • Evrim Ağacı Youtube Kanalı’nda Soner Albayrak ile Fiziğe Yolculuk listesinde yayınlanan videolardan oluşturulmuş bir belgedir. • Videolarda anlatılanlar arasından yazarın keyfine göre seçtiği sorular ve bu sorulara fizikçi olmayan birinin anlayabileceği düzeyde cevaplardan oluşur. • Videolarda anlatılanlar haricinde yazarın eklediği bilgiler de vardır. • Popüler bilim düzeyinde fizik ile ilgilenen ya da ilgilenmese dahi doğaya karşı merakı olan herkesin giriş düzeyinde bilgilenebilmesi için kısa bir kaynak olmayı amaçlar. • Bu çalışma giriş düzeyinde fikir ve ilgi uyandırmayı hedefler. Daha sistematik bilgilenme için seviyeye uygun olarak internetten bolca kaynak bulunabileceği için belgeye ileri okuma için referans kaynak eklenmemiştir.
Ne değildir? • Akademik bir çalışma değildir. • Yukarıda bahsedilen bütün videoların özeti değildir. Yazar okunabilir kılmak için kendi kıstaslarına göre konuşulanlardan sadece küçük bir kısmını bu belgeye dahil etmiştir.
2
• Yazar kendi yorumlarını dahil etmemeye çalışmış olsa da tamamen nesnel kabul edilebilecek bir çalışma değildir. Her ne kadar yazar belgenin herhangi bir kısmında sallamasyon usulü bir yöntem uygulamamış olsa da, ve yine her ne kadar fizikte doktora yapan birinin giriş düzeyindeki konulardaki yorumlarının çok fazla yanlış olma olasılığı pek yüksek olmasa da, belgeden öğrenilmiş herhangi bir şeyin başka kaynaklarca da pekiştirilmesi, ve dahi kontrol edilmesi, tavsiye olunur. • TİTİZLİKLE HAZIRLANMIŞ BİR ÜRÜN DEĞİLDİR. Yazar vakit bulabildiğince hazırladığı bu çalışmada bol bol imla hatası yapmış olabilir; cümlelerde anlatım bozuklukları olabilir; yazım hataları olabilir. Sürüm sürüm hazırlamayı planladığı bu çalışmayı yazar sürümden sürüme kontrol etmeyi planlasa da bu gerçekleşebilir de gerçekleşmeyebilir de.
Yazar Hakkında 1990 Nazilli/Aydın doğumludur. Liseyi Aydın Fen Lisesi’nde, lisanslarını ODTÜ ’de okumuştur. Elektrik Elektronik ve Fizik bölümlerini bitirmiş, üzerine yine ODTÜ’de Fizik üzerine yüksek lisans yapmıştır. Şu anda da Yale Üniversitesi’nde Fizik’te doktorasını yapmaktadır. Olmayan boş vakitlerinde Europa Universalis ve Minecraft oynama hayali kurar, yeni sezonu çıktıkça Attack on Titan izler, ve Evrim Ağacı’na video hazırlar. Vakit ayirabildikçe de bu kitapçığı hazırlıyordu, maymun iştahlılık yapmazsa da boş vaktini yeni sürümlere ayıracak. Daha detaylı bilgi için: www.soneralbayrak.com
İçindekiler Önsöz
2
1 Kullanma Kılavuzu
6
2 Sık Sorulan Sorular 2.1 Fizik Felsefesi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.1 Nedensellik nedir? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.2 Fizikte sonsuzluk ne anlama gelir? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.3 Sonsuz ile sınırsız arasındaki fark nedir? . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.4 Zamanın yönü ile ne kastedilir? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.5 Fizik’te Fenomenoloji ne anlama gelir? . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2 Zaman . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.1 Zamanda yolculuk yapmak mümkün mü? . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.2 Işık hızını geçemediğimiz için mi zamanda geriye gidemiyoruz? . . . . 2.2.3 Einstein’ın Genel Görelilik teorisi geçmişe yolculuk yapılamaz sonucunu mu veriyor? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.4 Zaman niçin geriye akmaz? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.5 Özel Görelilik Nedir? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.6 Uzayzaman (ya da dört boyutlu uzay) ne demektir? . . . . . . . . . . . 2.2.7 Mutlak zaman nedir? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.8 Işık hızından hızlı giden cisimler olabilir mi? . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.9 Işığa göre zaman nasıl akar? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3 Kuantum Fiziği . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.1 Kuantum fiziğinde nedensellik bozuluyor mu? . . . . . . . . . . . . . . 2.3.2 Higgs parçacığı nedir? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.3 Standard Model nedir? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.4 Belirsizlik İlkesi Nedir? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.5 Kopenhag Yorumu Nedir? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.6 Farklı farklı kuantum mekanikleri var mı? . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.7 Parçacıklar dalga gibi mi davranıyorlar? . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.8 Bozon nedir, fermiyon nedir? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4 Klasik Fizik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4.1 Dünyada boydan boya bir delik açıp içeriye bir cisim bıraksak o cisim nasıl hareket eder? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4.2 Kütleçekimi diğer kuvvetlerden nasıl farklıdır? Uzayın bükülmesi ile ilgisi nedir? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4.3 Canlılık ve entropi arasındaki ilişki nedir? . . . . . . . . . . . . . . . .
7 7 7 7 7 8 8 8 8 9
4
9 9 9 9 9 10 10 10 10 10 11 11 11 11 12 12 13 13 13 13
2.5
2.6
2.4.4 Zeka kavramını Fizik ile modelleyebilir miyiz? . 2.4.5 Entropi nedir? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4.6 Entropi ile enerji arasında nasıl bir ilişki var? . . Evren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.5.1 Evren genişlerken ışık hızı geçildi mi? . . . . . . 2.5.2 Gözlemlenemeyen evren hakkında ne biliyoruz? 2.5.3 Evren ivmenelerek mi genişlemeli? . . . . . . . . 2.5.4 Evren nelerden oluşur? Evren sonsuz mudur? . . Modern Konular . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.6.1 Karanlık madde nedir? . . . . . . . . . . . . . . . 2.6.2 Hiyerarşi problemi nedir? . . . . . . . . . . . . . 2.6.3 Süpersimetri nedir? . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . .
13 14 14 14 14 15 15 15 15 15 15 16
3 Kelime Listesi
17
4 Kaynaklar
18
1 Kullanma Kılavuzu 1. Sık Sorulan Sorular bölümü şu formattadır: Kalın yazı tipiyle soru, yanında normal yazı tipiyle kısa cevap. Kısa cevaptan sonra [ ] içinde sorunun geçtiği videolar, ve altında da küçük fontta uzun cevap. Örnek: Işık hızından hızlı giden cisimler olabilir mi? Hayır, ışık hızından hızlı bilgi aktarılamaz. [3,4] Özel göreliliğin kendisi ışık hızından hızlı gidilmemesi gerektiğini söylemez: Işık hızından hızlı giden teorik parçacıklar mümkündür. Fakat bu parçacıklara göre olay sıralaması korunmaz, bu yüzden de bilgi taşıyorlarsa eğer nedenselliği bozarlar. Biz de özel göreliliğe ek olarak nedensellik argümanını koyup bu cisimlerin olmadığını varsayarız. Fakat herhangi bir şekilde bilgi taşımadığı sürece bir parçacığın ışık hızından hızlı gitmesine bir engel yoktur.
2. Kelime Listesi bölümünde videolarda geçen bazı teknik kelimeler ve özel isimler listelenmiştir. Bu kelimeler videolarda nasıl geçtiğine bakılmaksızın liseye eklenmiştir, yani bir kelimenin bu listede olması geçtiği videoda açıklanmış olduğu anlamına gelmez. Bu listenin asıl amacı sağda solda denk gelinen bu tarz kelimelerin hangi fiziksel tartışmalarda, ya da konuşmalarda geçebileceğine dair bir fikir vermektir. Listedeki bir kelimenin geçtiği videoyu izleyen biri, bu kelime hakkında ya da bu kelimenin hangi kavramlarla beraber kullanıldığı hakkında fikir edinebilir. Edinemeyebilir de. Biraz da okuyucuya kalmış. 3. Kaynaklar bölümünde kitapçığın hazırlandığı videolar listelenmiştir. Videoları Evrim Ağacı Youtube Kanalı’nda1 Soner Albayrak ile Fiziğe Yolculuk çalma listesinde bulabilirsiniz. 4. Herhangi bir soru ya da cevap sürümden sürüme değişebilir. Hangi sürümü kullandığınıza dikkat ediniz.
1
www.youtube.com/EvrimAgaci
6
2 Sık Sorulan Sorular 2.1 Fizik Felsefesi
kavramı doğanın bir parçası değildir; parçasıysa dahi biz doğadan herhangi bir gözlemle bu sonucu elde edemeyiz. Bunun sebebi ölçüm aletlerimizin sadece sonlu ölçümler yapabilmeleri ve her zaman bir ölçüm hatalarının olmasıdır. Örneğin, asla bir gerçek sayıyı sadece sıfır olarak ölçemezsiniz, illa ki ± hata payı olacaktır. Bu yüzden de ne bir ölçümün kendisi ne de iki ölçümün oranı sonsuz bir sayı olamaz.
2.1.1 Nedensellik nedir? Fizikte nedensellik, sebep sonuç ilişkisi içinde olan iki olaydan sonucun sebepten sonra gelmesi demektir. Felsefik olarak nedensellik çok daha geniş bir anlama sahiptir, ve daha fazla şeyle ilgilenir: Her olgu bir nedenle açıklanabilir mi, nedenler sonuçlarla nasıl ilişkilidir, aynı şartlarda aynı nedenler aynı sonucu verir mi gibi. Fizik ise bu detaylara girmeden, nedenselliği neden ve sonuç arasındaki olay sıralaması olarak inceler: Bir sistemin nedenselliği koruyabilmesi için sonuçlar her zaman sebeplerden sonra gelmelidir.
Bizim deneyde sonsuz ölçemeyecek olmamız, deneyle ölçülebilen herhangi bir şeyi teorik olarak da sonsuz hesaplanmamasını gerektirir. Örneğin, kuvvet deneyle ölçülebilir, bu sebeple bir hesapta kuvvetin sonsuz çıkmaması gerekir. Fakat enerji deney ile ölçülemez, sadece enerji farkları deney ile ölçülebilir. Bu yüzden, farklı cisimlerin enerjilerinin farkı sonlu olduğu sürece bu cisimlerin enerjilerinin sonsuz olmasında bir sakınca yoktur.
Nedenselliğe oldukça yakın olan bir diğer kavramsa determinizmdir. Fizikte, determinizm (determinism) olan
Fizikte genel olarak bir hesapta sonsuz çıkması, fizik-
her olgunun bir sebebi olup olmadığıyla ilgilenir, neden-
sel modelimizi yeterli olmadığı yerlerde kullanmaya ça-
sellik ise (causality) sebebi varsa sonuçtan sonra gelip
lıştığımız anlamına gelir. Örneğin, klasik fizikte iki elekt-
gelmediğiyle. Örneğin bir sistem deterministik olmak zo- rik yüklü cismin arasındaki kuvvet aralarındaki mesaferunda değildir, gerçekten de kuantum fiziğine göre se- nin karesiyle ters orantılıdır. Eğer ben aralarındaki mebebi olmayan sonuçlar vardır1 . Fakat bütün fiziksel mo-
safeyi sıfıra götürürsem kuvvet sonsuz olur. Bunun an-
deller nedensel olmak zorundadır.
lamı klasik fiziğin çok küçük mesafelerde işe yaramaması demektir; gerçekten de, atom boyutlarına indiğimizde kuantum alanlar teorisi devreye girer ve bizim ba-
2.1.2 Fizikte sonsuzluk ne anlama gelir?
sit formülümüzün artık çalışmadığını gösterir. Yani hiç kuantum fiziğini duymamış biri dahi, klasik fizikte bu
Sonsuzluk fiziksel dünyanın bir parçası olma- hesapta sonsuz çıkmasına bakarak fiziksel modelin çok dığı için bir hesabın sonsuz çıkması o hesap küçük mesafelerde yeterli olmadığı sonucuna varabilir. için kullandığımız fiziksel modelin yetersiz olduğu anlamına gelir. 2.1.3 Sonsuz ile sınırsız arasındaki
fark nedir?
Bilim felsefesine girilirse farklı yorumlar gelebilir ama basit bir bakış açısıyla fizik bir doğa bilimidir ve sonsuz 1
Örnekle açıklaması en kolay: Dünyanın alanının bir sınırı yoktur, dünya üzerinde yürüyerek dünyanın üzerinde olmayan bir yere gidemezsiniz. Fakat buna rağmen dünyanın alanı sonludur. Fiziksel büyüklüklerin sonsuz olma-
Bir elektronun kendi etrafında dönme yönünü (aslında spin dediğimiz bir özelliğini) ölçecek olursanız bir yön bulursunuz, fakat niçin o yön çıktığına dair bir sebep bulamazsınız. Yani siz bulamadığınız için değil, öyle bir sebep yoktur.
7
ması gerekir, fakat alan hacim gibi büyüklük- duran sıcak suyun resminden önce çekildiğini kabul ederiz, çünkü ocaktaki sıcak suyun kendinden daha sıcak ler sınırsız olabilir. [11] olan ocağa ısı verip soğuması bizim gözlemlerimize göre Bir şeyin sınırının olup olmaması onun geometrik bir
mümkün değildir.
özelliğidir. Bunu, bir cismin kenarlarının olup olmaması olarak düşünebilirsiniz: Düz bir kağıdın kenarları yani sınırları vardır bir küreninse kenarları yani sınırları yok-
2.1.5 Fizik’te Fenomenoloji ne anlama gelir?
tur.
Yüksek enerji fiziğinde teorileri inceleyerek bu teorilere göre deneylerde çıkabilecek sonuçları 2.1.4 Zamanın yönü ile ne kastedilir? araştıran alana fenomenoloji denir.[17] Günlük hayatta gözlemlediğimiz olay sıralaFenomenoloji özü itibariyle felsefik bir akımdır ve gemalarına zamanın ileri akması, bunların tersinel olarak deney ve bilinç kavramlarıyla ilgilenir. Fiziknin olabildiği hayali duruma da zamanın geri teki kullanımı da bu felsefenin parçalı olarak uzantısıdır, akması deriz. Fakat bu doğanın bir özelliği de- fakat uygulamada felsefeyle bir ilgisi yoktur. Genel olağildir. rak, bir teoricinin hazırladığı modeli inceleyen ve bu moZamanın ileri ya da geri akması bizim tanımlamamız ile ilgilidir: Nasıl ki her şeyde sol dediğimiz yöne sağ, sağ dediğimize de sol desek hiçbir sıkıntı yaşamayız, zaman için de ileri dediğimiz her şeye geri, geri dediğimiz her şeye ileri desek bir sıkıntı olmayacaktır: Yarın ve dün, gelecek ve geçmiş, zamanda ileri ve zamanda geri gibi ifadelerin hepsini birbiriyle değiştirirsek, hiçbir mantık hatası yapmadan hayatımıza devam edebiliriz. Burada vurgulamak istediğim, zamanın hangi yöne akıyor olduğu gerçeği insan ürünü bir olgudur, doğada zamanın ileriye ya da geriye akmasına yönelik bir bilgi yoktur. Doğada var olan bilgi, olay sıralamalarının değiştirilip değiştirilemeyeceğidir.
dele göre deneycilerin neye bakmaları gerektiğini ya da deneycilerin buldukları sonuçların teoriyle uyumlu olup olmadığını araştıran yüksek enerji fizikçisi fenomenoloji yapıyor kabul edilir. Fenomenolojiciler deney ve teori arasındaki bu köprüyü çoğu zaman teorilerin özel durumlarını2 hesaplayarak ya da teorileri bilgisayar simulasyonları ile deneyerek kurarlar.
2.2 Zaman 2.2.1 Zamanda yolculuk yapmak mümkün mü?
Burada kendimize soracağımız soru şudur: Doğanın iki farklı fotoğrafı gösterilse, bunları bir sıralamaya ko- İleriye doğru evet, geriye doğru hayır.[1] yabilir miyiz? Günlük hayattan edindiğimiz bilgi koyabileceğimiz yönündedir: Masanın üzerinde duran bir barİleriye doğru evet olmasının sebebi Görelilik’e göre dağın resminin masanın yanındaki kırılmış bardak resbizim zamanımızın başkalarına göre daha yavaş akabilminden önce çekildiğini söyleriz direk, fakat bunun temesi: Komşumuza göre bir saat süren vakit bize göre 1 orik bir sebebi var mıdır? Ya da doğa gerçekten hep bu dakika geliyorsa, komşumuzun zamanında ileriye gittişekilde mi işler? ğimizi söyleyebiliriz. Bu soruları daha ziyade felsefeciler tartışmaktadır. Fizikçiler basitçe doğada olay sıralamalarının değiştirilememesine sebep olan olguların var olduğuyla ilgilenir, ve bu olguların varlığına bakarak da zaman ileriye akar geriye akmamalıdır çıkarımını yapar. Bu olgulardan en yaygını ısının soğuktan sıcağa akmamasıdır: Ocakta duran bir tenceredeki soğuk suyun resminin, aynı ocakta
2
Çoğu zaman asıl zorluk teorilerin matematiksel olarak çözülemiyor olmalarıdır. Bu yüzden fenomenolojiciler bütün teori yerine belirli özel durumları hesaplamak zorunda kalırlar.
Geriye doğru gidemememizin sebebi felsefik: Geriye
Kuantum fiziğine geldiğimizdeyse, teorik bir kaç se-
gidebilseydik nedenselliği koruyamazdık, yani sonuçlar
bep sunabiliyoruz: Örneğin Kopenhag Yorumu’na göre
sebeplerden önce gelebilirdi. Bu yüzden de teorilerimi-
herhangi bir şeyi ölçmek ölçülen cismi etkileyeceği için,
zin hepsini nedenselliği koruyacak şekilde inşa ediyo-
ölçümler zamanın belli bir yönü olmasına sebep olmak-
ruz.
tadır. Fakat bu yorumun kendi sıkıntıları vardır, ve açıkçası çok tatmin edici bir açıklama da getirmemektedir.
2.2.2 Işık hızını geçemediğimiz için mi zamanda geriye gidemiyoruz?
Yine kuantum fiziğinde başka matematiksel sonuçlar (örneğin CPT teoremi) da zamanın yönü olması gerektiğini söyler, fakat bunlar içinde henüz yeterince gelişmiş ve felsefik olarak da tatmin edici olan bi teori yok.
Hayır, zamanda geriye gidemeyelim diye ışık hızını geçemeyeceğimizi söylüyoruz. [1] 2.2.5 Özel Görelilik Nedir?
Özel Görelilik bir gözlemcinin ölçümünlerini sim için zaman kavramı garip hale geliyor: Bu cisimler diğer bir gözlemciye nasıl aktaracağımızı beiçin olayların sıralaması farklı olabiliyor, yani sebepler lirleyen kurallardır. [3] Matematiksel olarak ışık hızından hızlı giden bir ci-
sonuçlardan sonra da gelebiliyor. Bu yüzden, nedenselliğin korunması gerektiği için, ışık hızından hızlı gitmeyeceğimiz sonucuna varıyoruz.
2.2.3 Einstein’ın Genel Görelilik teorisi geçmişe yolculuk yapılamaz sonucunu mu veriyor?
Özel görelilik 1905 yılında Einstein tarafından oluşturulmuştur. Yerçekimi dışındaki bütün kuvvetler için sorunsuz bir şekilde kullanılabilir. Yer çekimi kuvvetine uygulanmaya kalkınca da ortaya yine Einstein tarafından 1915 yılında tanıtılan Genel Görelilik ortaya çıkar.
2.2.6 Uzayzaman (ya da dört boyutlu uzay) ne demektir?
Hayır, Einstein’ın Genel Görelilik’i ile çelişmeZamanın herkes için aynı şekilde akmaması yen geçmişe yolculuklar mümkün. [1] anlamına gelir. [3] Einstein’ın teorisi bir matematiksel denklem, ve bu matematiksel denklemin her olası sonucu bir olası evrendir. Bu elbette her çözümün fiziksel anlam taşıdığı anlamına gelmez. Einstein’ın denklemini sağlamasına rağmen sonlu zamana sahip evrenler de mümkündür: Böyle bir evrende insan geleceğe giderek geçmişine de gidebilir.
2.2.4 Zaman niçin geriye akmaz? Bunun oturmuş bir teorik sebebi yoktur! [12]
Newton fiziğinde de uzay ve zaman vardır, fakat zaman herkes için ortaktır: Aynı hızda aynı şekilde akar. Bu uzay içinse elbette böyle değildir, benim sağa gidiyor dediğim otobüse yolun karşısında duran biri sola gidiyor diyecektir. Einstein fiziğine geldiğimizde, zaman da uzay gibi kişiden kişiye değişebilir: Zamanın akış hızı da değişebilir (benim bir saniye dediğime siz 1 dakika diyebilirsiniz), ışık hızından hızlı giden bir cisim için zamanın yönü de değişebilir. Nedenselliği bozuyor diye zamanın yönünün kişiden kişiye değişmesini istemediğimiz için de, biz de şık hızı geçilemez diye bir sınır koyarız.
Doğa gözlemlerimize göre zamanın tek bir yönde akması gerekir. Klasik fizikte entropinin artması ve evrenin genişliyor olması zamanın tek yönde akması gerektiğini gösteren deneysel sonuçlardır, fakat bunların niçin böyle olması gerektiğine dair teorik bir sebep yoktur.
2.2.7 Mutlak zaman nedir? Zamanın, birbirlerine göre konumu ya da hızı ne olursa olsun iki gözlemci için aynı yönde
aynı hızda değişmesidir. [3]
bulamayacağımız için de ışığa bir zaman atamamak daha doğru bir seçenek olacaktır.
Newton fiziğinde mutlak zaman kullanılır, Özel Görelilik ile mutlak zaman kavramı ortadan kalkmıştır.
2.3 Kuantum Fiziği
2.2.8 Işık hızından hızlı giden cisimler olabilir mi?
2.3.1 Kuantum fiziğinde nedensellik bozuluyor mu?
Hayır, ışık hızından hızlı bilgi aktarılamaz. [3,4] Hayır, kuantum fiziğinde nedensellik bozulmaz [1] Özel göreliliğin kendisi ışık hızından hızlı gidilmemesi gerektiğini söylemez: Işık hızından hızlı giden teorik parçacıklar mümkündür. Fakat bu parçacıklara göre olay sıralaması korunmaz, bu yüzden de bilgi taşıyorlarsa eğer nedenselliği bozarlar. Biz de özel göreliliğe ek olarak ne-
Kuantum fiziğinde bozulan şey determinizimdir. Kısaca bu, kuantum fiziğinde her olaya bir sebep bulamayacağımız anlamına gelir. Klasik fizikte olan her olayın
bir sebebi vardır, bu yüzden klasik fizikte bugün evrendensellik argümanını koyup bu cisimlerin olmadığını var- deki her şeyi bilirsek yarın evrenin ne halde olacağını sayarız. Fakat herhangi bir şekilde bilgi taşımadığı sü- hesaplayabiliriz. Kuantum fiziğindeyse sebebi olmayan rece bir parçacığın ışık hızından hızlı gitmesine bir engel yoktur.
olaylar da vardır; örneğin, bir elektronun dönme yönünü ölçtüğünüzde3 ya saat yönünde ya da saat yönünün tersinde dönüyor buluruz ama hangisini bulursak bulalım
2.2.9 Işığa göre zaman nasıl akar?
bunu bir sebebe bağlayamayız. Bu yüzden de bugün evrende bilebileceğimiz her şeyi bilsek de bu yarın elektro-
Işık için bildiğimiz anlamda zaman tanımlayanun dönme yönünü ölçtüğümüzde ne bulacağımızı hemayız. [7] saplamamıza yetmez.
Özel görelilik bize göre hızlı giden cisimlerin zamanlarının bize göre yavaş akacağını söyler. Örneğin, yanımdan ışık hızına yakın bir hızda geçen uzay gemisinde bir dikişte portakal suyunu içen bir uzaylının o portakal suyunu bir saatte içtiğini görebilirim. Peki, cisimlerin hızları ışık hızına yaklaştıkça zamanları bana göre yavaşlıyorsa, ışık hızına ulaştıklarında da zamanları bana göre durur mu? Basitçe durur diyebiliriz, fakat daha doğru bir cevap ışık hızında giden bir cisim için bizim bildiğimiz anlamda bir zamanın olmayacağıdır. Bunun sebebi de, ışık hızına ne kadar yakın olursa olsun bütün hızlar için o hızdaki bir cismi durgun gören başka bir gözlemci de vardır. Örneğin, portakal suyunu içen uzaylının annesine göre o uzaylı durgun bir haldedir. Bu sebeple de, ışık hızına ka-
2.3.2 Higgs parçacığı nedir? Atom altı parçacıkların kütleli olmasını sağlayan yine başka bir atomaltı parçacık. [6] 1960’larda teorik olarak öne sürülen, 2013 yılında varlığı ispatlanan, ve 2014 yılında adını aldığı Peter Higgs’e nobel ödülü kazandıran bu parçacık Higgs alanı denilen bir alanın taşıyıcı parçacığıdır; tıpkı fotonun elektromanyetik alanın taşıyıcı parçacığı olması gibi. Bu alan teorik olarak bütün uzayı doldurur, ve bu yüzden de bu parçacıkla etkileşime geçen bütün diğer parçacıklara kütleli olma özelliğini verir. Örneğin foton bu parçacıkla etkileşime girmez, bu yüzden de kütlesizdir. Bilinen en çok
dar bütün hızlardaki cisimler için kendilerine ait bir zaman tanımlayabiliriz. Işık hızında giden bir cismi ise durgun görebilmek mümkün değildir. Bana göre ışık hızında sağa giden iki cisim birbirlerine göre de ışık hızında hareket etmektedirler. Işığın durgun olduğu bir gözlemci
3
Aslında burada kastettiğim elektronun spin özelliğinin ölçülmesi. Elektronun kuantum mekaniksel olan bu spin özelliği klasik fizikte hemen hemen elektronun kendi ekseni etrafında dönmesine karşılık gelir.
etkileşime giren temel parçacık da üst kuark denilen bir
2.3.5 Kopenhag Yorumu Nedir?
parçacıktır.
Kopenhag yorumu, kuantum mekaniğinde kullanılan matematiğin fiziksel olarak ne ifade et2.3.3 Standard Model nedir? tiğine yönelik bakış açılarından günümüzde en Evrende gözlemlediğimiz bütün temel parça- çok kabul görenidir. cıkları ve bunların birbirleriyle nasıl etkileştiKuantum mekaniğinde kullanılan ve bütün fizikçileğini açıklamaya çalışan kuramlar bütünüdür. rin hemfikir olduğu matematiksel öğeler vardır, fakat bu [6,16] öğelerin fiziksel olarak ne anlama geldiği yoruma açıktır. Örneğin, bütün sistemler için yazılan bir dalga fonk1900 lerden itibaren, teknoloji arttıkça, birbirinden farklı siyonu vardır: Kopenhag yorumunda bu dalga fonksiyoatomaltı parçacık keşfedilmiştir: İlk başlarda elektron (1897)nunun sistemin farklı yerlerde bulunma olasılığına karşılık geldiği kabul edilir, alternatif bir bakış açısı olan ve proton (1919), daha sonra nötron (1932) ve pozitron Bohm yaklaşımındaysa bu dalga boyuna başka bir anlam (1932), ve takip eden 90 yılda da onlarca farklı parçacık: yüklenir ve kuantum mekaniği olasılıklarla değil deterMüon, Pion, Kaon, Tau, vs. Bütün bu parçacıklar için- ministik bir bakış açısıyla açıklanır. den hangileri daha temel hangileri diğerlerinin birleşmesinden oluşuyor, ya da parçacıklar birbirlerini nasıl etkiliyor gibi soruların cevabını arayan alana Parçacık Fiziği denir: Bu alanda günümüzde kabul gören en geniş ve oturmuş kuram da Standard Model’dir.
2.3.4 Belirsizlik İlkesi Nedir?
Farklı bakış açılarının farklı artıları ve eksileri vardır. Örneğin, klasik fizikteki determinizmi korumayı başarabilen ve bu sebeple daha içgüdülere yakın yorumlanabilecek olan Bohm yaklaşımında locality (yerellik) korunmaz: Dünyada giden bir arabanın hızı, o arabaya karşılık gelen dalgaboyunun evrenin öteki ucunda ne halde olduğuna da bağlıdır. Fizikçiler de yerelliğin determinismden daha önemli olduğu kanısında olduklarından, genel eğilim Kopenhag yorumunu tercih etmektedir.
Kuantum fiziğine göre bazı gözlemlenebilir büyüklüklerin aynı anda hatasız bilinememesine Kopenhag yorumuna alternatifler arasında Çoklu Dünbelirsilik ilkesi denir. Örneğin bir elektronun yalar Yorumu ve Nesnel Çöküş teorisi gibi farklı yaklahem konumunu hem de hızını hatasız bilme- şımlar vardır. miz mümkün değildir. [13] Klasik fizikte olmayan bu olguya göre, belirli çiftlerin ölçümlerindeki hata miktarı birbiriyle ilişkilidir. Yukarıdaki örnekte elektronun konumumu ne kadar hatasız bilirsek, elektronun hızındaki hata da o kadar çok olmalıdır. Yine örnek olarak karmaşık bir dönme hareketi yapan bir protonun yatay eksen etrafındaki dönmesini ne kadar hatasız anlarsak, dikey eksen etrafındaki dönmesinde o kadar çok hata payı bırakmak zorunda kalırız. Belirsizlik ilkesine göre aynı anda hatasız bilinemeyen
2.3.6 Farklı farklı kuantum mekanikleri var mı? Kuantum mekaniğinin farklı farklı yorumları var, onu Kopenhag Yorumu Nedir? sorusunda inceledik. Fakat matematiksel ve tarihsel olarak da, kuantum mekaniğinin farklı halleri var: Dalga Mekaniği, Standard Niceleme (Canonical Quantization), Rota İntegrali [13]
bu çiftlere eşlenik değişkenler (conjugate variables) deriz: Konum - hız, yatay eksen etrafında dönme - dikey eksen etrafında dönme eşlenik çiftlere iki örnektir. Bu çiftlerin hangi sırayla ölçüldüğü sonucu etkiler: Bir elektronun önce hızını sonra konumunu ölçmek ile önce konumunu sonra hızını ölçmek aynı sonucu vermez.
Herhangi bir fiziksel teoride, geriye kalan formülleri türettiğiniz fakat onun doğruluğunu varsaydığınız elemanlar vardır; örneğin, Newton ikinci kanunu olarak F = ma formülünü doğru kabul eder, ve geriye kalan hareket denklemlerini bu formül ile çıkarır. Kuantum fiziğinde de benzer kabuller vardır, fakat neyi kabul edip
neyi onu kullanarak ispat ettiğinize bağlı olarak farklı yöntem kullanıyorum diyebilirsiniz.
2.3.8 Bozon nedir, fermiyon nedir?
Kuantum fiziğine göre bütün temel parçacıkTarihsel olarak ilk Schrödinger kendi adıyla anılan for- lar iki gruba ayrılırlar: Bozonlar ve fermiyonmülü doğru kabul edip oradan dalga mekaniğini çıkar- lar. En basitçe, Pauli dışlama ilkesine uyanlara mıştır. Daha sonra Dirac belirsizlik ilkesini kabul edip fermiyon, uymayanlara da bozon denir. oradan Standard Niceleme yöntemiyle kuantum mekaniğini oluşturmuştur. Son olarak da Feynman farklı birkaç kabul ile rota integrali yöntemini bulmuştur.
Yukarıda adı geçen bütün yöntemler aynı kapıya çıkar: Hepsi aynı kuantum mekaniğini oluşturur, ve deneysel verilerle ilgili aynı tahminleri ve aynı açıklamaları yaparlar. Fakat birinde belirsizlik ilkesi kabul olup ispatlanamazken, diğerinde başka bir şey kabuldür fakat belirsizlik ilkesi ispatlanabilir. Dalga mekaniği, klasik fizikteki dalgalarla olan bağlantıyı göstermek açısından daha rahattır, standard nicelemeyse göreli olmayan kuantum mekaniğinde hesap yapmak için en uygun olandır. Kuantum alan teorisine geçildiğideyse, Feynman’ın yöntemi en verimli hale gelir: Sonuç olarak, her fiziksel teorinin olduğu gibi her yaklaşımın ya da yöntemin de kullanılmasının mantıklı ve mantıksız olduğu yerler vardır.
2.3.7 Parçacıklar dalga gibi mi davranıyorlar?
Bozon fermiyon ayrımını bir çok şekilde incelemek mümkündür. Bunlardan biri, bütün kuantum mekaniksel sistemler için yazılan matematiksel dalga fonksiyonudur. Eğer bir parçacık kendi etrafında bir tur döndürüldüğünde dalga fonksiyonu aynı kalıyorsa bozondur, dalga fonksiyonu eksi işaret alıyorsa fermiyondur. Bozon fermiyon ayrımına bir başka bakış açısı da parçacıkların sahip oldukları spin özellikleridir. Kütle gibi elektrik yükü gibi içsel bir özellik olan spin her parçacık için vardır ve sabittir: Örneğin elektron için 1/2’dir, foton içinse 0. Spininin iki katı tek sayı olanlar fermiyondur, çift sayı olanlarsa bozon. Bu yüzden elektron fermiyondur, fotonsa bozon. İstatistiksel fizik ile de fermiyon bozon ayrımını yapmak mümkündür. Çok düşük sıcaklıklara getirildiğinde parçacıklar üst üste binip Bose-Einstein yoğunlaşması denilen olguyu gösteriyorlarsa bozondurlar, göstermiyorlarsa da fermiyondurlar. Fermiyonlar bu yoğunlaşmayı göstermeseler de, Fermi istatistikleri denilen davranış biçimini sergileyeceklerdir. Bozon ve Fermiyon isimleri de zaten bu bilim insanlarından gelmedir.
Bütün parçacıklar bir derece dalga gibi davSon olarak, birden fazla aynı tür parçacığın ortak dalga ranır, fakat makroskopik cisimler için bu göz- fonksiyonu, bu parçacıklar arasında simetrikse o parçacıklar bozondur, antisimetrikse de bu parçacıklar fermilemlenebilir bir etki yaratmaz. [13] yondur.
Klasik fizikte, parçacık ve dalga kavramları doğada ayrı ayrı gözlemlenen birbirlerinden bağımsız olguları temsil ederler, ve matematiksel altyapıları da farklıdır. Kuantum fiziğine girildiğindeyse bu ayrım ortadan kalkmaya başlar. Kuantum mekaniğinde her parçacığın aslında bir dalga boyu olduğu ve elektron proton gibi atomaltı parçacıklar için dalga özelliklerinin etkili hale geldiğini gö-
Yukarıda birbirinden alakasız gibi gözüken tanımların hepsi aslında bir ve tek tanımdan gelmektedir. Bu da, matematiksel olarak bu parçacıkların nasıl temsil edildiğiyle alakalıdır: Lorentz grubu altında gösterim etiketleri tam sayı olan parçacıklara bozon denir, buçuklu olanlara da fermiyon denir.4
rüyoruz. Günümüzdeki Standard Model’i inşa etmek için kullandığımız Kuantum Alanlar Teorisi’ne girdiğimiz zamansa bütün parçacıkları zaten alanlar üzerinden tanımlıyoruz, yani dalgaların matematiksel altyapısı parçacıklar için gerekli hale geliyor. 4
Bu tanımın anlaşılır olmadığının farkındayım, fakat bütünlük açısından olması gerektiğine karar verdim.
2.4 Klasik Fizik
Dünya’nın düz diye gittiği yön Güneş’in etrafında bir elips haline gelmiştir.
2.4.1 Dünyada boydan boya bir delik açıp içeriye bir cisim bıraksak o 2.4.3 Canlılık ve entropi arasındaki cisim nasıl hareket eder? ilişki nedir? Sıcaklıktan ve basınçtan etkilenmezse sarkaç Termodinamiğin ikinci kanunu canlılığın nimisali deliğin iki ucu arasında gider gelir. [2] çin çıktığını açıklayabilir, bununla ilgili ABD’deki Massachusetts Teknoloji Enstitüsü’nde çalışElbette böyle bir delik açmak ve Dünya’nın içerisin- malar devam etmektedir. [10] deki sıcaklığa ve basınca dayanabilecek bir boru döşe-
mek pek mümkün değil; ama yapabildiğimizi varsayarsak, içeriye bıraktığımız cisim sanılabileceği gibi diğer uçtan uzaya fırlayıp gitmez, ya da dünyanın merkezine gelince direk durmaz. Sürtünmeyi ihmal edersek sonsuza kadar deliğin iki ucu arasında salınır, sürtünmeyi
Termodinamiğin ikinci kanuna göre bir sistem toplam entropisinin en yüksek olduğu duruma gitmeye çalışır. Kendi entropisini düşürmeye çalışan yapılar da içinde bulundukları sistemlerin toplam entropilerini arttırır. Bu
yüzden de termodinamiğin ikinci kanununa göre herhesaba kattığımızdaysa başlangıç enerjisine göre zamanla hangi bir sistemin içinde kendi entropisini düşürmeye salınımını bitirip dünyanın merkezinde durgun hale ge- çalışan yapılar çıkmasını bekleriz. Canlılar da tam olalir.
rak bunlardır.
2.4.2 Kütleçekimi diğer kuvvetlerden 2.4.4 Zeka kavramını Fizik ile nasıl farklıdır? Uzayın modelleyebilir miyiz? bükülmesi ile ilgisi nedir?
Harvard Üniversite’sindeki araştırmacılara göre Newton fiziğinde bütün cisimler için F = ma entropi yönetimi ile zeka kavramı modellenegeçerlidir5 ; fakat sadece kütle çekiminde kuv- bilir. [10] vetin kendisi de m ’le orantılıdır. Bu sebeple kütle çekiminden kaynaklanan hareketlerde m’ler Fizikte entropi kavramı bir sistemin alabileceği farklı birbirini götürür. durumlar ile ilintilidir. Bu yüzden, bir sistemin geleceKütleçekiminde denklemlerde kütlelerin birbirini götürmesi, etkileşimi geometrik hale getirir. Örneğin masanın üzerindeki telefon da yere düşse masanın üzerindeki bilgisayar da yere düşse, yere kaç saniyede varacağı ya da hangi hızla çarpacağı sadece masanın yüksekliğine bağlıdır, yere düşen cismin ne olduğuna değil. Diğer kuvvetlerde böyle bir durum söz konusu değildir. Kütleçekiminin bu geometrik yapısı Einstein fiziğinde bir adım daha öteye götürülür ve denir ki kütleçekimi bir kuvvet değil: Cisimler sadece içinde bulundukları uzayı büküyorlar. Örneğin, bu bakış açısına göre Dünya serbest bir şekilde dümdüz hareket etmektedir; fakat, içinde bulunduğu uzayı güneş kendi etrafına göre büktüğü için 5
Kuvvet=Kütle×İvme
ğinde alabileceği farklı olasılıkları arttırmaya çalışması entropisini arttırmasına eşdeğerdir. Buna göre termodinamiğin ikinci kanunu da, bir sistemin geleceğindeki farklı olasılık sayısını en yükseğe çıkarmaya çalışmasıdır. Harvard Üniversitesi’ndeki araştırmacılara göre de, zeka da tam olarak budur. Yani bir yapının (canlı da olabilir, robot da olabilir, hatta bir yazılım da olabilir) zekası, entropisi en çok ne kadar arttırabildiği ile ölçülebilir. Harvard’daki araştırma grubu, bunu matematiksel olarak modelleyip yazılımlarda deniyorlar. Örneğin bir oyunu nasıl oynayacağı öğretilmemiş bir yazılım, sadece entropisini arttırma eğilimi yüzünden oyunu oynayabiliyor. Buna zeka demek de çok yanlış olmasa gerek.
2.4.5 Entropi nedir?
entropili hale geçmeye çalışması eşdeğer şeylerdir. [14]
Entropi, basınç sıcaklık ya da hacim gibi makroskopik bir sistemin ölçülebilecek / hesaplaÖrneğin, ağaçtaki bir elma yerçekiminden dolayı bir nabilecek bir özelliğidir. Termodinamiğin ikinci potansiyel enerjiye sahiptir, ve bu enerji dünya ile elkanununa göre sistemlerin zamanla entropile- manın ortak bir özelliğidir. Elma yere düştüğü zaman o rini arttıracak şekilde davranmaları beklenir.[14] enerji önce kinetik hale gelir, sonra yere çarpınca ısıya Matematiksel olarak entropi kavramı oldukça net olsa da fiziksel yorumları çalıştığımız konuya göre değişir. Klasik fizikte bir sistemin entropisini sistemde işe çevrilebilecek enerji miktarıyla ilişkilendirebiliriz. Ve matematiksel olarak gösterebiliriz ki soğuktan sıcağa ısı akmaması kapalı bir sistemde entropinin artmasına denk gelir. Bunu bir örnekle açıklayalım: Bir oda bir salon bir evde, salondaki hava yatak odasındaki havadan sıcaksa, salonun kapısını açık bırakıp, kapıya da bir pervane asıp, salondan yatak odasına esen rüzgardan iş elde edebilirim. Fakat odalar aynı sıcaklıktaysa bu mümkün olmaz, çünkü aynı sıcaklıktaki iki odanın birinden birine rüzgar esebilmesi için soğuktan sıcağa ısı aktarabiliyor olmamız lazım. Yani soğuktan sıcağa ısı aktaramıyor oluşumuz, evdeki iş yapabilir enerjinin zamanla azalmasına sebep oldu, bunu da entropinin artması olarak yorumluyoruz. İstatistiksel mekanik çerçevesindeyse, entropiyi düzensizlik ile ilişkilendirebiliriz. Dışardan bakınca aynı duran bir makroskopik sistemi atom düzeyinde kaç farklı şekilde oluşturabiliyorsak, o makroskopik sistemin entropisi de o kadar yüksektir. Önceki örneğimize dönecek olursak yatak odası 15 salonu 25 derece bir evi atomlardan söz gelimi 100 farklı şekilde oluşturabiliyorsak, hem yatak odası hem salonu 20 derece olan bir evi aynı atomlardan 200 farklı şekilde oluşturabiliyoruzdur: O zaman ısının sıcaktan soğuğa akması entropiyi yükseltmiştir! Kuantum mekaniği veya kuantum enformasyon teorisi gibi farklı alanlarda entropinin ve onun matematiksel yapısının farklı yorumları da mevcuttur.
ve ışımaya dönüşür. Işımaya dönüşen enerji de uzaya saçılır: Yani elma yere düştükten sonra dünya ve elmadan oluşan sistemin enerjisi biraz azaldı. Aynı elma ağaçtayken iş yapabilme potansiyeline sahiptir, fakat düşüp yere çarpınca bu potansiyel ısıya dönüşür: Yani elma ve dünyadan oluşan sistemin iş yapabilme potansiyeli azalmıştır, entropisi artmıştır. Yukarıdaki iki farklı açıklamadan da görebileceğimiz gibi, doğada gözlemlediğimiz olayları sistemlerin en düşük enerjili hale geçmeye çalışmalarıyla da en yüksek entropili hale geçmeye çalışmalarıyla da açıklayabiliriz.
2.5 Evren 2.5.1 Evren genişlerken ışık hızı geçildi mi? Evet geçildi, fakat bu göreliliğe ters bir durum değil. [4] Göreliliğe göre herhangi bir bilginin ışık hızından hızlı iletilmemesi gerekir. Bunun sebebi de böyle bir bilgi iletiminin nedenselliği bozacak olmasıdır. Fakat bu, iki cismin arasındaki mesafenin bir gözlemciye göre ışık hızından hızlı artmasına engel değildir, çünkü birbirinden uzaklaşan iki cisim de asıl gözlemciyle ışık hızının altında bilgi paylaşmaktadır. Aslında genel görelilik ile uzayın bükümlü olduğu bilgisini de dahil ettiğimizde ışık hızının geçilmesi olarak söylediğimiz hızların bizim ilgilendiğimiz yerel hızlar ol-
2.4.6 Entropi ile enerji arasında nasıl bir ilişki var?
madığını görüyoruz. Yani, evrenin iki farklı yerindeki iki farklı galaksinin arasındaki uzunluktaki değişmeyi bize göre zamandaki değişmeye bölmek düzgün bir hız vek-
Termodinamikte bir sistemin enerjisi, o sistetörü vermeyecektir. Bunun sebebi, bükümlü olan uzayda, min entropisine bağlıdır. Ayrıca bir sistemin cisimleri ancak kendi civarlarındaki cisimlerle kıyaslaolabilecek en düşük enerjili hale geçmeye çamamız gerekmesidir, yerel hızdan kastım da budur. Evlışması ile aynı sistemin olabilecek en yüksek
renin genişlemesi süresinde de bu yerel hızların hiçbiri ışık hızını geçmemiştir.
Evrenin ivmelenerek genişliyor olması, teorik olarak dahi olsa asla gözlemleyemeyeceğimiz kısımları olduğu anlamına gelmektedir. Bu yüzden evren sonsuz değildir
2.5.2 Gözlemlenemeyen evren hakkında ne biliyoruz? Hiçbir şey bilmiyoruz. [5] Evrenin gözlemlenemeyen kısmı ile iki şeyi kastedebiliriz. Bunlardan ilki bugün uzaya baktığımızda ışığı henüz bize ulaşamayacak kadar bizden uzakta olduğu için gözlemleyemediğimiz yıldızlar, bulut kümeleri ve benzeri. Yeteri kadar beklersek zamanla bunları gözlemleyebiliriz. Diğer kastedilebilecek şey ise teorik olarak asla gözlemleyemeyeceğimiz nesneler. Bunun sebebiyse evrenin ivmelenerek genişlemesinden dolayı bu cisimlerden saçılan ışıkların bize asla gelemeyecek olması. Deneysel durum yukarıdaki gibi olsa da teorik olarak yaklaşımımız şu yönde: Gözlemleyebildiğimiz evrenin her tarafı homojen bir şekilde dağılmış durumda. Demek ki evrenin tamamı homojen bir şekilde oluşmuş olmalı. Bu bakış açısına da kozmolojik prensip deniyor. Yani tümevarım ile gözlemleyemediğimiz evren hakkında da bu şekilde bir bilgimiz (daha ziyade beklentimiz) var.
2.5.3 Evren ivmenelerek mi genişlemeli?
demek iddialı olur; fakat, gözlemleyebildiğimiz kısmına göre de sonsuz olması için bir sebep yoktur.
2.6 Modern Konular 2.6.1 Karanlık madde nedir? Uzaya baktığımızda gözlemlediğimiz bazı olguları açıklayabilmek için ışıkla etkileşime girmeyen bir madde türü olduğunu öne sürüyoruz; bu maddeye de karanlık madde deniyor.[16] Açıklamaya çalıştığımız olgulardan biri galaksilerin dönme şekilleri. Gözlemlediğimiz kadarıyla galaksilerin parlaklıkları merkezden uzaklaştıkça azalıyor, yani ışıkla etkileşime geçen kütlenin büyük çoğunluğu merkezde. Eğer başka bir tür madde yoksa, merkezden uzaktaki az miktardaki maddenin merkez etrafında Kepler yasalarına benzer bir şekilde hareket etmesini gerekiyor: Dönme hızı merkezden uzaklaştıkça azalmalı. Örneğin bizim güneş sistemimizde durum bu şekilde, Güneş’e en yakın olan Merkür Güneş etrafında 88 günde bir tur atarken en uzak olan Neptün 165 yılda bir tur atıyor. Fakat galaksilerde bu tarz bir hız değişikliği gözlemlenmiyor, demek ki ışıkla etkileşime geçmeyen başka maddeler de harekete katılıyor olmalı.
Hayır, teorik olarak böyle bir beklentimiz yok; Karanlık maddenin varlığına destek veren başka bir fakat, deneysel veriler genel olarak bu yönde gözlem de evrenin ilk oluşum zamanlarından kalma radolduğu için teorilerimizi ona göre kurmaya çayasyon: Kozmik Arkaplan Işıması. Bu radyasyonun enerji lışıyoruz. [5] dağılımının niçin gözlemlendiği şekilde olduğunu açık-
2.5.4 Evren nelerden oluşur? Evren sonsuz mudur?
layabilmek için de karanlık madde hipotezi gerekiyor. Bir başka deyişle, bu arka plan ışımasını açıklayabilmesi de karanlık maddenin varlığına yönelik en büyük des-
%68 karanlık enerji, %27 karanlık madde ve %5 teklerden biri. de bildiğimiz maddeden (atomlar moleküller falan) oluşur. Sonsuz demek yanlış olur, fakat 2.6.2 Hiyerarşi problemi nedir? tam boyutlarını da asla ölçemeyiz. Fizikte bir çok hiyerarşi problemi vardır, fakat kauntum fiziğinde şu şekilde tanımlanır: Karanlık madde ve karanlık enerjinin doğası hala bilinmemektedir, aktif araştırma konularıdırlar. Karanlık Bir parametrenin teorik saf değeri ile deneyenerjinin varlığını evrenin ivmelenenerek genişlemesin- sel etken değeri arasında çok büyük farklılık den, karanlık maddenin varlığını da galaksilerin bekle- varsa hiyerarşi problemi var demektir. Burada diğimiz şekilde dönmemelerinden anlıyoruz.
teori deneyi açıklayamıyor çıkarımı yapılma- sağlayabilmektedir.6 Son olarak karanlık maddeyi açıkmalıdır, çünkü saf değer ile etken değer zaten lamaya çalışan bir çok teoride süpersimetri kullanılmaktadır. eşit olmak zorunda değildir. Modern fiziği matematiksel olarak modellememizi sağlayan kuantum alanlar teorisinde Lagrangian denilen bir teorik yapı vardır, ve bu teorik yapıya parçacıkların saf değerleri girilir: Kütleleri ve elektrik yükleri gibi. Fakat deneylerde asla doğrudan bu değerler ölçülemez, bunun sebebi teknolojimizin yeterli olmaması değil teorik olarak bu ölçümlerin mümkün olmamasıdır. Örneğin, hiçbir deneyde tek bir elektronun yükü ölçülemez, çünkü boş uzayda dahi elektronun etrafında sürekli yoktan elektronlar ve pozitronlar var olup yok olacaktır. Bu sebeple, bir deney sırasında ölçülen elektron yüküne aslında o elektronun etrafında var olup yok olan diğer parçacıkların katkıları da dahildir.
Teorik başka bir çok sebep de süpersimetriyi destekliyor, fakat deneysel olarak henüz süpersimetriyi doğrulayan bir kanıt bulunabilmiş değil. Elbette henüz yanlışlanmış da değil. Olur da yanlışlanacak olursa başta mteori, süpersicim teorileri, ve supergravity olmak üzere bir çok teorinin ciddi şekilde değiştirilmesi gerekecektir.
Deneylerden elde edilen etken yük ve kütle gibi parametrelere karşılık gelecek teorik saf değerlerin etken değerlerden çok farklı olmamasını bekleriz. Burada kastettiğimiz şey şu: Elektronun yükünü deneyde 1 olarak ölçüyorsam, teorik parametrem de 0.1, 0.8, 3, 7 gibi bir parametre olsun, kalkıp 0.00000000000003 olmasın. Böyle istememiz için çok aşırı ciddi bir sebep yok, fakat eğer deneyde 1 olarak ölçülen elektrik yükünü açıklayabilmem için teorik parametremin 0.00000000000003 olması gerekiyorsa, kalkıp bu parametreme 0.0000000001 gibi ufacık bir şey eklersem artık deneyi açıklayamayacak hale gelecektir. Bu yüzden teorideki bu hassasiyete ince ayar denir.
2.6.3 Süpersimetri nedir? Parçacık fiziğinde bütün parçacıklar iki gruba ayrılır: Bozonlar ve fermiyonlar. Matematiksel olarak var olan her bozon için bir fermiyon, ve her fermiyon için de bir bozon olmasını gerektirerek teorik fizikteki bir çok sorunu çözmeye çalışan modele süpersimetri denir.[16] Süpersimetrinin teorik fizikte çözebildiği sorunların başında Standard Model’deki elektrozayıf hiyerarşi problemi gelir: Higgs parçacığının kütlesinin saf teorik ve deneysel etken değerleri arasındaki uçurumu süpersimetri kapatabilmektedir. Aynı zamanda çok yüksek enerjilerde güçlü kuvvetin elektrozayıf kuvvet ile birleşmesini de
6
Bu iki kuvvetin birleşmesi için bir gereklilik yok, fakat birleşirlerse daha estetik olacaktır. Biraz şaka barındıran bu ifade fizikçileri motive eden bir sebep de barındırır: Doğanın farklı yasalarını olabildiğince tek bir teoride toplayabilme arzusu.
3 Kelime Listesi • Anti-madde [9]
• Kozmik Arkaplan Işıması [16]
• Baryon [18]
• Kozmik Şişme (Enflasyon) Teorisi [4,17]
• Büyük Patlama [16]
• Kozmolojik Sabit [9]
• Clausius [14]
• Kuantum Alanlar Teorisi [9]
• Coriolis Kuvveti [2]
• Kuantum Enformasyon Teorisi [14]
• CPT Teoremi [12]
• Lepton [18]
• Dallanma Oranı [18]
• Lorentz Grubu [7]
• David Chandler [14]
• Kurt Gödel [1]
• Dirac [13]
• Minimal Modeller [18]
• Elektron Demeti Litografisi [15]
• Minkowski Diagramları [3]
• Eşdeğerlik İlkesi [8]
• Monte Carlo [17]
• Eşlenik Değişkenler (Conjugate Variables) [13]
• Nötralino [9]
• Fenomenoloji [16,17]
• Optik [15]
• Faydasız Enerji [14] • Feynman [13]
• Ölçüm Problemi (Measurement Problem) [12]
• Fotoelektrik Etki [13]
• Planck [13,14]
• Harmonik Hareket [2]
• Plazmonik [15]
• Hiperbolik Geometri [3]
• Relic Density [16]
• Hiyerarşi Problemi [16]
• Schrödinger [13]
• Hook Kanunu [2]
• SDSS Teleskobu [17]
• Kaon [12]
• Standard Model [18]
• Karanlık Enerji [9,17]
• Standard Niceleme (Canonical Quantization) [13]
• Karanlık Madde [9,17,18]
• Nötrino [16]
• Süper Sicim Teorisi [16]
• Katı Hal Fiziği [17]
• Süpersimetri [9,16,18]
• Kelvin [14]
• U(1) grubu
• Kopenhag Yorumu [12]
17
4 Kaynaklar [1]: Zamanda Geriye Yolculuk Yapmak Mümkün Mü? [2]: Dünya Üzerinde Boydan Boya Delik Açacak Olsak, O Delikten Nasıl Düşeriz? [3]: Denklem Çözmeden Özel Göreliliği Nasıl Anlarız? [4]: Evren Genişlerken Işık Hızı Geçildi Mi? [5]: Gözlemlenemeyen Evren Hakkında Ne Biliyoruz? [6]: Higgs Parçacığı Nedir? [7]: Işık Hızında Zaman! [8]: Kütleçekimi Diğer Kuvvetlerden Nasıl Farklıdır? [9]: Evren Sonsuz Mudur? [10]: Bilinç, Canlılık, ve Entropi! [11]: Sonsuz ile Sınırsız Arasındaki Fark Nedir? [12]: Zamanın Yönü Var Mıdır? [13]: Belirsizlik İlkesi Nedir? [14]: Gereksiz Kafa Karışıklığı: Entropi! [15]: Fizikçilerle Röportajlar - 1: Deneysel Optik [17]: Fizikçilerle Röportajlar - 3: Teorik Astrofizik [16]: Fizikçilerle Röportajlar - 2: Karanlık Madde ve Süper Simetri [17]: Fizikçilerle Röportajlar - 4: Deney, Fenomenoloji ve Teori [18]: Fizikçilerle Röportajlar - 5: Parçacık Fiziği Fenomenolojisi
18