Anti madde ve CERN deneyi

Klasik fizikte bir sistemin, örneğin bir gaz kütlesinin durumu basınç, hacım ve sıcaklık gibi fiziksel büyüklükler belirler. Gazların genel denklemi bu üç büyüklüğün bir birine bağlı olarak nasıl değiştiğini söyler. Bu doğa olaylarını açıklayan belirlemeci (Determinist)  bir teorinin var olduğu anlamına gelir. Diğer bir değişle bir örnekle anlatmaya çalıştığımız, klasik fizik belirlemeci (Determinist) bir teoridir. Kıtalar arası bir füzenin veya gezegenlere gitmekte olan bir uzay aracının her an nerede ve hangi hızla hareket ettiği bilinir. Bu bilgiler Newton denklemlerini çözerek elde edilir. Örneğin bir havan topu mermisinin atış açısı ve barut hakkı bilindiğinde, yani başlangıç şartları bilindiğinde, nereye vuracağı bellidir. Buna karşın,  bir metrenin on milyarda biri kadar küçük boyutlarda, yani atomik boyutlarda klasik fizik doğa olaylarını, örneğin bir elektronun hareketini, açıklayamaz, onun nerede olduğunu kesin olarak bilemez. Atomik ve atom altı boyutlarda doğa yasaları kuantum teorisi ile ifade edilir.  Bu teoride fiziksel büyüklükler, ancak belli olasılıklar dâhilinde hesap edilir, bir başka değişle kuantum fiziği bir olasılıklar (Probabilistik) teorisidir. Anti madde ve CERN deneyini kuantum fiziği yasaları anlayış sınırlarımızın içine çeker. Bu önemli olayı anlamak için herkesin fizikçi olması gerekmez. Tıp doktoru veya avukat veya ekonomist veya öğrenci genelde belli bir eğitim görmüş her hangi birisi, son günlerde basına yansıtılan anti-madde nedir anlayabilir ve entelektüel yaşamına yeni bir renk katar. Bu yazımızda sizlere anti maddenin nasıl bir şey olduğunu anlatmaya çalışacağız.

Atomik yapıyı anlamak için bilgin olmaya gerek yoktur. Her lise mezunu, daha da ilerisi her ilköğretim mezunu,  bunu torunum sevgili BaÅŸak’tan biliyorum, atomun ne olduÄŸunu bilir.  Atom, kuantum fiziÄŸinin geçerli olduÄŸu boyutta bir yapıdır. Atomlar üst enerji durumundan daha alt enerji durumuna geçerken ışıma yaparlar.  Işıma frekansları o atomun imzası gibidir ve kuantum fiziÄŸi yasalarına göre açıklanır.  Yörünge elektronları ile çekirdek arasındaki Coulumb etkileÅŸmesi, atomun enerjisini belirler. Bu seviyeler kuantum sayıları ile etiketlenir. Kuantum sayıları aklınızı karıştırmasın, bunlar bir futbol takımında sporcuların sırt numaralarından farklı bir mantığa sahip deÄŸildir. Yörünge elektronlarının her birisinin kuantum sayıları o elektrona aittir. Ä°ki elektron aynı kuantum sayılarına sahip olamaz. Bu sayılardan en az biri, farklı olmak zorundadır. Nasıl bir futbol takımında aynı formda ve aynı sırt numarasında iki sporcu olamaz ise yörünge elektronlarında da tümü aynı kuantum sayılarına sahip iki elektron bulunamaz.   Buna Pauli ilkesi denir. Klasik fizikte bir karşılığı bulunmayan bir kuraldır. Bu ilke atomun, örneÄŸin en düşük temel enerji seviyesi dolu ise, bu seviyeye üst seviyelerden bir elektronun geçiÅŸini yasaklar. (Sahaya on ikinci fotbolcunun girmesine kuralların izin vermemesi gibi) Yani bu durumda atom ışıma yapamaz. Deneyler bu ilkenin doÄŸruluÄŸunu kanıtlamıştır. Günümüzde kimyada elde edilen tüm ilerlemeler Pauli ilkesi göz önüne alınarak baÅŸarılmıştır. EÄŸer yanlış olsaydı kimya hakkında bu kadar derin bilgiye sahip olamazdık.Â

Klasik fizikte Newton denklemlerinin yaptığını kuantum fiziğinde Schrödinger denklemleri yapar, çözümleri ile fiziksel büyüklüklerin olası değerleri hesaplanır. Ancak denklem sadece düşük hızlarda, (ışık hızına göre düşük) hareket eden sistemlerin olası değerlerini verir. Hız ışık hızına yaklaştıkça çözümleri bir anlam ifade etmez, olasılıklar hesap edilemez. Bu nedenle Schrödinger denklemi doğa olaylarını açıklamada yeterli değildir.  Bilim ise hiçbir zaman bildikleri yetinmez. Dirac bildiği ile yetinmeyen,  yirminci yüzyılın önemli bilim adamlarından birisidir. Kendisini tanımış ve seminerlerini dinlemiş olmaktan çok gurur duymuşumdur. O bizim gibi sıradan insanlardan farklı olarak, bir kuantum sistemi yüksek hızlarda nasıl davranır sorusunun peşine takılmıştır Ve bu sorunun yanıtını kendi adı ile bilinen denklem ile 1928 yılında vermiştir. Rölativistik Schrödinger denklemi, yani Dirac denklemi, bilim dünyasını şoke eden negatif enerjili çözümler vermiştir. Bu çok garip bir sonuçtur ancak garipliğine rağmen yeni doğa gizemlerinin kapısını aralamıştır. Bir sitemin negatif enerjiye sahip olması bilimsel olarak açıklanabilecek bir şey değildir. Gerçekten negatif enerji durumları var ise, atomik elektronların negatif enerjilere düşerek ışıma yapması gerekir. Ancak böyle bir ışıma gözlenmemiştir.  Bu paradoksa Dirac, Pauli ilkesini kullanarak olağan üstü incelikte ve dâhiyane bir çözüm getirmiştir. Dirac’a göre vakum, negatif enerji durumlarından oluşan bir kuantum sistemidir. Buna Dirac denizi denir. Tüm enerji seviyeleri dolu olduğundan, bu seviyelere pozitif enerji seviyelerinden bir düşüş mümkün değildir. Mümkün olsaydı aynı kuantum sayılarına sahip birden fazla elektronun bulunması gerekirdi. Bu Pauli ilkesine aykırı bir durumdur. Böylece negatif enerji seviyelerine geçişin mümkün olmadığı açıklanmış oluyordu, ancak bu açıklama yeterli değildi.

 Negatif enerji çözümlerinin hangi fiziksel gerçeğe tekabül ettiği henüz açıklığa kavuşmamıştı. Bu soruya da Dirac, yine kendine özgü,  ince zekâ içeren bir yorum getirmiştir.   Ona göre negatif enerji durumları bir elektron denizinin varlığını işaret eder. Dirac buna boşluk anlamına gelen vakum demiştir. Fotonlar, yani ışınım tanecikleri, bu denizdeki elektronlara çarparak enerjilerini aktarır ve onları pozitif enerjili elektronlar haline getirirler. Enerjileri pozitif olunca gözlenebilmeleri gerekir.  Pozitif enerji durumuna yükselen her elektron vakumda, yani Dirac denizinde,  bir deşik (İngilizce hole) bırakır. Vakumdaki her deşik, elektron ile zıt elektrik yüklü ve zıt kütleli bir parçacığa tekabül eder.  Deşiğin var olduğu deneysel olarak kanıtlanamaz. Ancak bu deşiğe tekabül ettiğini Dirac denklemlerinin söylediği pozitif yüklü elektronun var olup olmadığını deneysel olarak kanıtlanabilir.  Bu kanıtlanırsa Dirac yorumu doğru demektir. Deneyler Dirac denkleminin söylediğini kütlesi ve elektrik yükü zıt olan parçacığın var olduğunu göstermiştir. Bu parçacığa pozitron denir. Pozitron bir anti elektrondur.  Buradaki anti sıfatı pozitron kütlesinin de elektron kütlesine zıt olduğunu ifade eder. Bilimin o ana kadar bilmediği yeni bir var oluş ortaya çıkarılmıştır. Yani anti-madde bir doğa gerçeğidir. Önemli olan matematiğin ne söylediğini anlayabilmektir. Matematik anti-maddenin var olduğunu söylemiş ve onun var olduğu daha sonra görülmüştür. Dirac’ın dehası da ve matematiğin gücü buradadır.

Pozitron anti maddenin temel yapıtaşlarından biridir. Pozitron bir doğa gerçeği ise, anti madde de bir doğa gerçeğidir. Anti maddenin dayandığı fizik kuramsal olarak yukarda kısaca aktarılan gibidir.  Bu yorumun ardından tüm deneysel fizikçiler pozitron avına çıkmışlardır. Dirac’a özetle mantığını ve yorumlarını açıkladığımız başarıları nedeni ile 1933 yılında Nobel fizik ödülü verilmiştir. Özellikle denklemin verdiği negatif enerjili çözümler için yaptığı açıklama bilim tarihinin kilometre taşlarından birisidir.  Doğanın dili olan matematik deneysel fizikçilere,  o güne kadar bilinmeyen bir parçacığın var olduğunu işaret etmiştir. Aradan birkaç sene geçtikten sonra gerçekten Carl Anderson anti-elektronun yani pozitronun var olduğunu deneysel olarak kanıtlamıştır. Bu inancın değil aklın mucizesidir.

1995 de CERN dokuz adet anti-hidrojen atomu elde ettiğini ilan etmiştir. Bu, anti-elektron gibi anti-protonun da var olduğu anlamına gelir. Anti-hidrojen atomunu, anti-proton ve anti-elektron meydana getirir. Bunu takip eden günlerde ABD Fermi laboratuarlarında yüz adet anti- hidrojen atomu elde edilmiştir. Prensip olarak, anti-hidrojen atomumun elde edilmesi, periyodik cetvelde bildiğimiz diğer atomlarında elde edilebileceği anlamına gelir. Yani yeni bir anti-kimya doğması demektir. Anti- maddenin bilim ve teknolojiye ne gibi sürprizler hazırladığına bir başka yazımızda değineceğiz. Anti-madde insanlığın hayal ufkunda çok yeni desenler çizecek bir potansiyele içerir.

Dirac’a özetle mantığını ve yorumlarını açıkladığımız başarıları nedeni ile 1933 yılında Nobel fizik ödülü verilmiştir. Özellikle denklemin verdiği negatif enerjili çözümler için yaptığı açıklama bilim tarihinin kilometre taşlarından birisidir.  Doğanın dili olan matematik deneysel fizikçilere,  o güne kadar bilinmeyen bir parçacığın var olduğunu işaret etmiştir. Aradan birkaç sene geçtikten sonra gerçekten Carl Anderson anti-elektronun yani pozitronun var olduğunu deneysel olarak kanıtlamıştır. Bu inancın değil aklın mucizesidir.

1995 de CERN dokuz adet anti-hidrojen atomu elde ettiğini ilan etmiştir. Bu, anti-elektron gibi anti-protonun da var olduğu anlamına gelir. Anti-hidrojen atomunu, anti-proton ve anti-elektron meydana getirir. Bunu takip eden günlerde ABD Fermi laboratuarlarında yüz adet anti- hidrojen atomu elde edilmiştir. Prensip olarak, anti-hidrojen atomumun elde edilmesi, periyodik cetvelde bildiğimiz diğer atomlarında elde edilebileceği anlamına gelir. Yani yeni bir anti-kimya doğması demektir. Anti- maddenin bizlere ne gibi sürprizler hazırladığına bir başka yazımızda değineceğiz. Anti-madde insanlığın hayal ufkunda çok yeni desenler çizecek bir potansiyele içerir.