Gerçekler: Evrenimiz nelerden oluşuyor? Standart model ve kuvvetler

Evet! Artık gerçekleri yazmanın zamanı geldi.

Biz insanlar kendi minik dünyamızda kendimizi merkeze alarak yaşıyoruz. Hatta çok yakın zamanlara kadar tüm evrenin dünya etrafında döndüğünü düşünüyorduk. Hem de ne kadar iddaalıymış bunu savunanlar. Ortalık boş olunca herkes doldurmaya çalışıyor. Bilim bu boşlukları adım adım tamamladıkça da bu arkadaşlar kendilerine başka şeyler buluveriyorlar.

Siyaseset, ekonomi vb. bir çok konu ne kadar da garip. Bazen tüm bunlar anlamsız geliyor bana. ODTÜ yıllarında matematik okudum ve fiziğe çok yakındım. Ama o zamanlar bu fırsatı iyi değerlendiremedim ve kendimi fizik konusunda çok geliştiremedim. Okulun bitmesiyle birlikte merakım daha da arttı. Sağolsun TÜBİTAK Bilim ve Teknik Dergisi ve özellikle de Popüler Bilim Kitapları!

Neyden oluşuyoruz? Etrafımızı saran ne? Yer çekimi nedir ve neden oluşur? Evren nasıl oluştu? Sıvı ile gaz arasında moleküler düzeyde nasıl farklar var? Tüm bu ve benzeri temel soruların yanıtlarını ararken tüm kapılar fizik, matematik ve kimyaya çıkıyor. Özellikle de fiziğe.

Kuantum! Herkes hakkında bir şeyler duymuştur. Harun Yahya bile yazmış: “Kuantum! Materyalizmin sonu” diye. Bilgisizlik ne kötü birşey. Peki siz ne anlıyorsunuz kuantumdan? Ne kadar biliyorsunuz?

İşte bu soruların yanıtlarını vermeye çalışacağım. Bu kadar kompleks bir konuyu bir yazıda vermemi beklemiyorsunuz herhalde. Bu ilk yazımda temel maddelerden ve evrende var olan kuvvetlerden bahsedeceğim. Ama unutmayalım ben bu konunun uzmanı değilim. Hayatlarını bu işe vermiş bilim insanlarına haksızlık etmeyelim. Ben sadece popüler düzeyde konuyu takip eden biriyim. Gerçi bu takip işini biraz da abartmış olabilirim.

Democritus taaa eski Yunanda söylemiş: Temel madde atomdur demiş hem de milattan önce 400 yılında. Atom, bölünemez anlamına geliyor eski Yunancada. Atom temel madde olarak düşünüldüğünden bu isim verilmiş. Bugün bunun doğru olmadığını bilsek de o zamanlar için çok ileri bir tespit.

Biz bir maddeyiz. Etrafımızdaki her şey madde. Maddeler moleküllerden oluşuyor. Moleküller de atomlardan. Su molekülü iki hidrojen ve bir oksijen atomundan oluşuyor. Peki bu 3 atom nasıl ve neden bir arada duruyorlar. İşte asıl soru bu. Hangi güç onları bir arada tutuyor?

Belli bir zamana kadar bilim adamları atomların kendi başına bir birim olduğunu düşünmüşler. Ancak bu teori bir yerde sönmüş. Atomun bir çekirdek ve etrafında dönen elektronlardan oluştuğu anlaşılmış zamanla. Elbette bu gerçeğin geçerliliği de çok uzun sürmemiş. Çekirdek denen bölümün de iki farklı türden parçacıktan oluştuğu anlaşılmış: Protonlar ve nötronlar. Ve artık bilim dünyasında atomların merkezdeki proton ve nötron ile çevresindeki elektron parçacıklarının birleşiminden oluştuğu anlayışı yerleşmiş. Bugün periyodik cetvele dahi baktığımızda bu gerçek temel alınmakta. Merak etmeyin bu fikir de birazdan yıkılacak. Çünkü hala daha da küçük parçacıklar var.

İşte burada kuarklar ortaya çıkıyor. Bilim geliştikçe temel parçaların daha da küçük olduğu tespit ediliyor. Hem proton hem de nötron, kuark denilen daha küçük parçacıklardan oluşuyor. Yandaki şemada bunu daha net görebiliriz.

Peki artık kuarkların en temel parçacıklar olduğuna inanıyor musunuz? Ben de olsam inanmam. Muhtemelen kuarklar daha da küçük parçalara bölünmeyecek ancak kuarkların tahmin ettiğimizden daha farklı şeyler oldukları düşünülüyor: Bizim algıladığımız 3. boyutta bulunan birer nokta olmaları yerine daha üst boyutlarda var olan (mesela 8. boyut) daha kompleks bir yapının 3. boyuttaki yansımaları oldukları düşünülüyor (süpersicim teorisi). Biz sadece 3. boyutu algılayabildiğimizden bu süper iplikleri bir nokta olarak görüyoruz. Ama biz şimdilik buradan bir adım geri duralım. Kafalar karışmasın. Benim de kafam karışık bu üst seviyelerde (Pardon, alt seviyelerde).

Şu andaki bilgimiz dahilinde evreni oluşturan temel parçacıklar fizik biliminde Standart Model denen bir teoriyle tanımlanmaktalar. Bu modele göre:

Evrende 6 adet kuark, 6 adet lepton, 6 adet kuvvet taşıyıcı ve tüm bunların anti madde karşılıkları var. Yani 36 parçacık tüm evrendeki maddenin temel taşlarını oluşturuyor. Biz şimdilik “kabaca” diyelim; bu işler çok karışık yanlış anlaşılmasın (kütleçekimi henüz standart modelde yer almıyor diye meraklılara kısaca bilgi verelim).

Kuarklar

Bu güzel parçacıklara biraz daha yakından bakalım. Önce kuarklar. Kuarkların ilginç isimleri var: Yukarı (u), aşağı (d), cazibe (c), garip (s), üst (t) ve alt (b). Fizikçilerin esprili dünyası! Bazı kaynaklarda cazibe yerine tılsım, garip yerine acayip isimlerini görebilirsiniz. Bu kuarklardan en hafifleri yukarı ve aşağı olanlardır. Diğer kuarklar ağır ve kararsız yapıdadır ve zayıf etkileşim nedeniyle bozunurlar ve başka parçacıklara dönüşürler. Bu nedenle evrende çok az bulunurlar. Yukarı ve aşağı kuarklar evrendeki en yaygın kuarklardır.

Kuarklar birleşerek daha büyük parçacıklar oluşturuyorlar. Bunların genel adı hadron. CERN’deki Büyük Hadron Çarpıştırıcısından aklınıza gelsin. Bu kuarklar muhakkak iki ya da üçlü şekilde bir arada oluyorlar, tek başlarına boşlukta gezin(e)miyorlar. Hadron ailesi de iki bölüme ayrılıyor: 3 kuarktan oluşan parçacıkların oluşturduğu parçacıklara baryon 2 kuarktan (bir kuark ve bir anti kuark) oluşanlara mezon deniliyor. Örneğin proton iki yukarı kuark ve bir aşağı kuarktan oluşuyor.

Kuarkların ilginç bir özelliği daha var. Çoğumuz biliriz, bazı parçacıkların elektrik yükleri vardır. Örneğüin elektron eksi yüklü, proton artı yüklüdür. Yüklerin işareti ne olursa olsun yükün büyüklüğü birdir (1). Ama kuarklarda bu durum farklı ve kesirli. Örneğin üst, yukarı ve cazibe kuarkları +2/3 değerlikte, alt, aşağı ve garip kuarklar -1/3 değerlikte. Bu gairp durum aslında kuarklar birleşip daha büyük parçacıkları oluşturduklarında gayet anlamlı oluyor. Örneğin atomun merkezinde bulunan ve her zaman +1 yüklü proton iki yukarı kuark (u) ve bir aşağı kuarktan (d) oluşuyor demiştik. Yukarı kuarkların yük değeri +2/3 ve aşağı kuarkınki -1/3 olduğundan hepsini topladığımızda toplam yük +1 oluyor (+2/3 + 2/3 – 1/3 = +1).

Büyülü değil mi?

Leptonlar

Peki kuarklar şimdilik kenarda dursunlar. Gelelim diğer grup olan leptonlara. Bunlar kuarklardan farklı olarak kendi başlarına takılabiliyorlar. Kuarkları etkileyen güçlü kuvvet leptonları etkilemiyor.

En bilinen lepton şu bizim elektron. Hani atomların etrafında dolaşan, elektrik enerjisi olarak kullandığımız elektronlar. Bunun dışında muon, tau ve 3 çeşit nötrino daha var lepton ailesinde. Nötrinolar çok hafifler ve yükleri yok. Bu nedenle şu anda milyonlarcası içinizden geçiyor ve sizi oluşturan hiç bir atoma dokunmuyorlar. Hatta aynı şekilde tüm dünyanın içinden geçiyorlar. Geçerken de neredeyse hiçbirşeye dokunmuyorlar. İnanılmaz değil mi?

Elektron ve 3 nötrino günümüzde gözlemi kolay olan parçacıklar. Tau ve muın yapıları gereği çok ağırlar ve bildiğimiz maddelerin içinde yer almazlar. Çünkü oluştukları anda bozunurlar. Örneğin tau parçacığı oluşmasıyla birlikte bozunarak bir nötrino, bir kuark ve anti kuarka dönüşür.

Kuvvet taşıyıcıları

Kuvvet taşımak da neyin nesi diyebilirsiniz! İşlerin biraz daha karıştığı nokta burası. Önce doğadaki dört kuvveti bilmemiz gerekiyor. Bunlardan birincisi kütle çekimi. Hepimizin en iyi bildiği kuvvet bu. Kütlesi olan her madde birbirini çekiyor. Elma ağaçtan düşüyor yere çarpıyor. Şansa bakın ki Newton da tam o anda orada.

İkinci kuvvet de elektromanyetik kuvvet. Buna da aşinayız aslında: Elektrik yükü olan tüm maddeler birbirine elektromanyetik kuvvet uygular. Atomun çekirdeği artı yüklü ve elektronlar eksi yüklü olduklarından birbirlerini çekerler. Tarağınızı üstünüze sürüp saçınıza tuttuğunuzda saçınızın kalkmasını sağlayan da aynı kuvvet. Hatta bulutlardaki elektrik olayları da bu kuvvetin mahareti.

Bu iki kuvveti günlük hayatımızda tecrübe edebiliyoruz. Diğer ikisini fark etmek (hissetmek desek daha doğru olabilir) biraz daha zor. Üçüncü kuvvetin adı zayıf kuvvet. Çok şeker bir kuvvet ve adından da anlaşılacağı üzere sadece küçücük bir alanda etki etme şansı var: Atomun çekirdeğinde. Etki alanı çok zayıf olsa da etkisi inanılmaz. Zayıf kuvvet çekirdekte oluşan radyoaktif olaylardan/ bozunmalardan sorumlu. Bu kuvvet sayesinde güneşin bünyesinde patlamalar oluyor ve biz ısınıyoruz. Ne kadar güzel açıkladım değil mi? Radyoaktif olaylar bu kuvvetin eseri. Geçen gün eşim Nilüfere konuyu anlatırken buraya takıldı, bunun adını yanlış koymuşlar dedi.

Dördüncü kuvvetin adı güçlü kuvvet. Bu kuvvet kuarkları bir arada tutuyor. Bu kuvvetin ilginç bir özelliği var: Etki ettiği iki madde arasındaki mesafe arttıkça güç artıyor. Kulağa ilginç geliyor değil mi? Bunun da özelliği de bu işte. Bu nedenle kuarklar neredeyse hiçbir zaman birbirlerinden ayrılamıyorlar. Bir kuarka kuvvet uygulayıp çekmeye çalışsanız diğer kuarkla arasındaki mesafe arttığı anda nükleer kuvvet devreye giriyor ve isteğinizi engelliyor. Bu nasıl oluyor derseniz şöyle açıklamaya çalışalım: Elektromanyatik kuvvetin özelliği iki yük arasında işlemesi. Yani artı ve eksi elektrik yükleri. Güçlü kuvvet ise farklı tipte bir yük arasında işliyor. Bu yük eksi artı değil. Renklerle ifade ediliyor ve üç tane. Yani bazı parçacıkların eksi artı elektrik yükleri olduğu gibi bir de renk yükleri var. İşte bu renk yüklerine sahip kuarklar güçlü kuvvetni etkisine maruz kalıyorlar. Bitmedi. Elektromanyetik kuvvetin kuvvet taşıyıcısı fotonun kendisinin bir yükü yok. Ancak güçlü kuvvetin kuvvet taşıyıcı gluonların yükleri var. Bu işleri güçlü kuvvet lehinde ilginç kılıyor. İki kuark arasında işleyen gluonlar var demiştik. İki kuarkın arasındaki uzaklığı açmaya çalıştığınızda araya daha da çok gluon girebiliyor ve yüklü olmaları nedeniyle iki kuark arasındaki çekim gücü artıyor. Bir türlü birbirlerinden ayrılmıyorlar.

Günümüzde çok gelişmiş teknolojilerle kuarklara inanılmaz enerji yüklenerek bu yapıdan kaçması sağlanıyor. Ancak kuarklar bu yapıdan ayrılırken yanlarında muhakkak gluon da götürüyorlar. Ve bu gluonlar saniyenin çok ama çok küçük birimlerinde kuarklara dönüşüyorlar. Böylece kaçak kuarkımız rahatlayamadan yeni kuarklarla sarılıyor ve bir hadrona dönüşüyor. İnanılmaz değil mi?

Gelelim parçacıklara. Şimdi düşünün, iki madde birbirini çekiyor kütleçekimi nedeniyle. Nasıl çekiyorlar peki? Dünya ile ay birbirlerini çekiyor ama aralarındaki bu kuvvet nasıl çalışıyor. İnanılmaz bir cevabı var bunun: İki kütle arasında çalışan parçacıklar var. Bu parçacıklar kuvvetleri birinden diğerine taşıyor. Örneğin iki yüklü parçacık arasında elektromanyetik kuvveti taşıyan parçacığın adı çok iyi bildiğimiz foton (hani ışığın temel parçacığı olan). Artı yüklü bir parçacıktan çıkan foton artı yükün (ve elektromanyetik kuvvetin) ona verdiği emirle ilerliyor ve artı yüklü başka bir parçacığa çarparsa emre uyarak onu itiyor, eksi yüklü bir parçacığa çarparas da onu çekiyor. Yine inanılmaz geliyor kulağa değil mi?

İşte bu kahraman parçacıklar şöyle: Foton (elektromanyetik kuvvetin taşıyıcısı), W⁺, W^– ve Z parçacıkları (zayıf kuvvet taşıyıcıları), gluon (güçlü kuvvet taşıyıcısı) ve graviton (kütleçekimi taşıyıcısı). İşin ilginç tarafı tüm bu parçacıklar arasında bugüne kadar henüz gözlenemeyen tek parçacık graviton. En iyi bildiğimiz kütle çekim kuvvetini belki de en az tanıyoruz.

Sonuç olarak evrende bildiğimiz tüm madde kuarklar ve leptonlardan oluşuyor ve bu maddeler kuvvet taışıyıcı bozonlar aracılığıyla etkileşiyor. Tüm temel parçacıkları bir de tablo olarak verelim ve bu yazıyı şimdilik burada tamamlayalım. İlk yazımızda sadece parçacıklara ve evrenin dört temel gücüne baktık. Yani işin kolay kısmına. Bakalım sonraki bölümlerde nerelere bakacağız.

03 Mayıs 2010, Ankara