DALGA MI PARÇACIK MI ?

Elektronlar ilk keşfedildiklerinde, bunların tıpkı çekirdeğin içinde bulunan proton ve nötron gibi parçacıklar oldukları sanılıyordu. Ancak daha sonra yapılan deneylerde aynı ışık parçacıkları yani fotonlar gibi dalga özellikleri de gösterdikleri ortaya çıktı.

Işığın, tıpkı havuza atılan bir taşın su yüzeyinde yaptığı dalgalanmalar gibi yayıldığı bilinmektedir. Ancak ışık, bazen de sanki maddi parçacık özelliği taşımakta ve pencere camına vuran yağmur damlaları gibi kesik kesik, aralıklı darbeler halinde gözlenmektedir. İşte aynı ikilem bu kez elektronda da yaşandı. Tabii bu durum bilim dünyasında büyük bir kargaşa yarattı. Bu kargaşa ünlü Kuramsal Fizik Profesörü Richard P. Feynman'ın sözleriyle şöyle çözüldü:

Elektronların ve ışığın nasıl davrandıklarını artık biliyoruz. Nasıl mı davranıyorlar? Parçacık gibi davrandıklarını söylersem yanlış izlenime yol açmış olurum. Dalga gibi davranırlar desem, yine aynı şey. Onlar kendilerine özgü, benzeri olmayan bir şekilde hareket ederler. Teknik olarak buna "kuantum mekaniksel bir davranış biçimi" diyebiliriz. Bu, daha önce gördüğünüz hiçbir şeye benzemeyen bir davranış biçimidir... Bir atom, bir yayın ucuna asılmış sallanan bir ağırlık gibi davranmaz. Küçücük gezegenlerin yörüngeler üzerinde hareket ettikleri minyatür bir güneş sistemi gibi de davranmaz. Çekirdeği saran bir bulut veya sis tabakasına da pek benzemez. Daha önce gördüğünüz hiçbir şeye benzemeyen bir şekilde davranır. En azından bir basitleştirme yapabiliriz: Elektronlar bir anlamda tıpkı fotonlar gibi davranırlar; ikisi de "acayiptir", ama aynı şekilde. Nasıl davrandıklarını algılamak bir hayli hayal gücü gerektirir; çünkü açıklayacağımız şey bildiğimiz her şeyden farklıdır.  

Bilim adamları, elektronların bu şekilde davranmalarını hiçbir şekilde açıklayamadıkları için çözüm olarak bu harekete yeni bir isim takmışlardır: "Kuantum Mekaniksel Hareket". Bu noktada görülen olağanüstülüğü ve düştüğü hayreti yine Profesör Feynman, "Kendinize sürekli "Ama bu nasıl olabilir?" diye sormayın; çünkü çabanız boşunadır; şimdiye kadar hiç kimsenin kurtulamadığı bir çıkmaz sokağa girersiniz. Bunun neden böyle olabildiğini hiç kimse bilmiyor." sözleriyle dile getirmektedir.

Ancak, burada Feynman'ın bahsettiği "çıkmaz sokak" aslında çıkmaz değildir. Burada bazılarının bir türlü işin içinden çıkamamalarının sebebi, ortadaki açık delillere rağmen bu inanılmaz sistemlerin ve dengelerin üstün bir zeka tarafından düzenlendiğinden kabul edememeleridir. Halbuki durum son derece açıktır: Bu evrensel zeka evreni kendi aynasında yansıtarak, evreni  olağanüstü dengelere dayalı ve örneksiz bir sistem olarak düzenlemiştir. İçinden bir türlü çıkılamayan, anlaşılamayan ve bilim adamlarının her fırsatta "Ama bu nasıl olabilir?" diye kendi kendilerine sordukları sorunun cevabı, her şeyin bu evrensel zeka tarafından düzenlenmiş bir dokuma  olduğu gerçeğinde yatmaktadır.
 
ÇEKİRDEKTE SAKLI GÜÇ

Hava, su, dağlar, hayvanlar, bitkiler, vücudunuz, oturduğunuz koltuk, kısacası en ağırından en hafifine kadar gördüğünüz, dokunduğunuz, hissettiğiniz her şey atomlardan meydana gelmiştir. Seyrettiğiniz bu bilgisayar ekranını milyarlarca atomdan oluşmaktadır. Atomlar öyle küçük parçacıklardır ki, en güçlü mikroskoplarla dahi bir tanesini görmek mümkün değildir. Bir atomun çapı ancak milimetrenin milyonda biri kadardır.

Bu küçüklüğü bir insanın gözünde canlandırması pek mümkün değildir. O yüzden bunu bir örnekle açıklamaya çalışalım: 

Elinizde bir anahtar olduğunu düşünün. Kuşkusuz bu anahtarın içindeki atomları görebilmeniz mümkün değildir. Atomları mutlaka görmek istiyorum diyorsanız, elinizdeki anahtarı dünyanın boyutlarına getirmeniz gerekecektir. Elinizdeki anahtar dünya boyutunda büyürse, işte o zaman anahtarın içindeki her bir atom bir kiraz büyüklüğüne ulaşır ve siz de onları görebilirsiniz.

Yine bu küçüklüğü kavrayabilmek ve her yerin nasıl atomlarla dolu olduğunu görebilmek için bir örnek daha verelim:

Tek bir tuz tanesinin tüm atomlarını saymak istediğimizi düşünelim. Saniyede bir milyar (1.000.000.000) tane sayacak kadar hızlı olduğumuzu da varsayalım. Bu dikkate değer beceriye karşın, bu ufacık tuz tanesi içindeki atom sayısını tam olarak tesbit edebilmek için beşyüz yıldan fazla bir zamana ihtiyacımız olacaktır.

Peki bu kadar küçük bir yapının içinde ne vardır?

Bu derece küçük olmasına rağmen atomun içinde evrende gördüğümüz sistemle kıyaslanabilecek kadar kusursuz, eşsiz ve kompleks bir sistem bulunmaktadır.

Her atom, bir çekirdek ve çekirdeğin çok uzağındaki yörüngelerde dönüp-dolaşan elektronlardan oluşmuştur. Çekirdeğin içinde ise proton ve nötron ismi verilen başka parçacıklar vardır.

Çekirdek, atomun tam merkezinde bulunmaktadır ve atomun niteliğine göre belirli sayılarda proton ve nötrondan oluşmuştur. Çekirdeğin yarıçapı, atomun yarıçapının onbinde biri kadardır. Rakam olarak verirsek; atomun yarıçapı 10-8 (0,00000001) cm, çekirdeğin yarıçapı ise 10-12 (0,000000000001) cm kadardır. Dolayısıyla çekirdeğin hacmi, atomun hacminin 10 milyarda biri eder. 

Çekirdek, proton ve elektronlardan oluşan atomun her parçasını üçlü bir kuark grubu meydana getirir.
Üçlü kuark grubu ve merkezinde bulunan iplikçikler.

Bu büyüklüğü (daha doğrusu küçüklüğü) yine gözümüzde canlandıramayacağımıza göre, kiraz örneğimizden devam edebiliriz. Biraz önce bahsettiğimiz gibi elinizdeki anahtarı dünya boyutlarına getirdiğinizde ortaya çıkan kiraz büyüklüğündeki atomların içinde çekirdeği arayalım. Ama bu arayış boşunadır, çünkü böyle bir ölçekte bile çok daha küçük olan çekirdeği gözlemleme olanağımız kesinlikle yoktur. Gerçekten bir şey görebilmek istiyorsak yeniden ölçü değiştirmek gerekecektir. Atomumuzu temsil eden kiraz yeniden büyüyüp iki yüz metre yüksekliğinde kocaman bir top olmalıdır. Bu akıl almaz boyuta karşın atomumuzun çekirdeği yine de çok küçük bir toz tanesinden daha iri bir duruma gelmeyecektir.

Öyle ki, çekirdeğin 10-13 cm olan çapı ile, atomun 10-8 cm olan çapını kıyasladığımızda şöyle bir sonuç ortaya çıkar: Atomu bir küre şeklinde kabul ederek bu küreyi tamamen çekirdekle doldurmak istediğimiz takdirde bu iş için 1015 (1.000.000.000.000.000) atom çekirdeği gerekecektir.  

Ancak bundan daha şaşırtıcı bir durum vardır: Boyutları atomun 10 milyarda biri olmasına rağmen, çekirdeğin kütlesi atomun kütlesinin % 99.95'ini oluşturmaktadır. Peki bir şey nasıl olur da bir yandan kütlenin yaklaşık tamamını oluştururken, diğer yandan da hemen hemen hiç yer kaplamaz?

Bunun sebebi şudur: Atomun kütlesini oluşturan yoğunluk tüm atoma eşit olarak dağılmamıştır, yani atomun bütün kütlesi atomun çekirdeğinde birikmiştir. Diyelim ki, sizin 10 milyar metrekarelik bir eviniz var ve bu evin tüm eşyasını 1 metrekarelik bir odada toplamanız gerekiyor. Bunu yapabilir misiniz? Tabii ki yapamazsınız. Ancak atom çekirdeği dünyada eşi-benzeri olmayan çok büyük bir güçle bunu yapabilmektedir. Bu gücün kaynağı evrendeki dört temel kuvvetten biri olan "Güçlü Nükleer Kuvvet"dir.

Bu kuvvetin doğadaki kuvvetlerin en güçlüsü olarak, bir atomun çekirdeğini bir arada tuttuğundan, onu dağılmaktan kurtardığından bahsetmiştik. Çekirdekteki protonların hepsi pozitif yüklüdür ve elektromanyetik kuvvet nedeniyle birbirlerini iterler. Fakat güçlü nükleer kuvvet onların itme gücünden 100 kat daha büyük olduğundan, elektromanyetik kuvvet etkisiz hale gelir. Böylece protonlar bir arada tutunabilirler. 

Kısacası gözle göremeyeceğimiz kadar küçük bir atomun içinde, birbiriyle etkileşim halinde iki büyük kuvvet bulunur. Bu kuvvetlerin hassas değerleri sayesinde çekirdek bir bütün olarak kalabilir.

Atomun boyutlarını ve evrendeki atom sayısını dikkate aldığımızda, ortada muazzam bir denge ve tasarım olduğunu görmemek mümkün değildir. Öyle ki, evrendeki temel kuvvetlerin çok özel bir biçimde, büyük bir ilimle ve kudretle yaratıldığı çok açıktır. İnkarcıların bu yaratılışı gözardı edebilmek için sığındıkları tek yol, tüm bunların "tesadüfler" sonucu oluştuğunu iddia etmekten öteye gidememektedir. Oysa olasılık hesapları evrendeki dengelerin "tesadüfen" oluşma ihtimalinin "sıfır" olduğunu bilimsel olarak kanıtlamaktadır. Tüm bunlar, bizi ve tüm evreni içine alan daha büyük bir zekanın bir ifadesi olarak karşımıza çıkmaktadır.

EVRENDEKİ TEMEL KUVVETLER

Evrendeki fizik kurallarının Büyük Patlama'nın ardından ortaya çıktığından bahsetmiştik. Bu kurallar bugün modern fiziğin kabul ettiği "dört temel kuvvet" çevresinde toplanır. Bu kuvvetler evrendeki bütün düzeni ve sistemi oluşturmak için Büyük Patlama'dan hemen sonra, ilk atom altı parçacıkların oluşumuyla birlikte ve özel olarak belirlenmiş zamanlarda ortaya çıkmışlardır. Atomlar, yani madde evreni, ancak bu kuvvetlerin etkisiyle var olabilmiş ve evrene çok düzenli bir tasarımla dağılmışlardır. Bu kuvvetler yerçekimi kuvveti olarak bildiğimiz kütle çekim kuvveti, elektromanyetik kuvvet, güçlü nükleer kuvvet ve zayıf nükleer kuvvettir. Bunların hepsi birbirinden farklı şiddete ve etki alanına sahiptir. Güçlü ve zayıf nükleer kuvvetler sadece atomun yapısını belirlerler. Diğer iki kuvvet, yani yerçekimi ve elektromanyetizma ise, atomların arasındaki ilişkiyi ve dolayısıyla tüm maddesel objeler arasındaki dengeyi belirlerler. Yeryüzündeki bu kusursuz düzen, bu kuvvetlerin çok hassas değerlerinin bir sonucudur. İlginç olan ise bu kuvvetlerin birbirleri ile karşılaştırıldıklarında ortaya çıkan tablodur. Çünkü Big Bang sonrasında ortaya çıkan ve evrene dağılan maddeler, aralarında uçurumlar olan bu kuvvetlere göre belirlenmiştir. Bu kuvvetlerin farklı değerlerini birbirlerine oranla şöyle gösterebiliriz:

Güçlü nükleer kuvvet 15
Zayıf nükleer kuvvet 7,03X10-3
Yer çekimi kuvveti 5,90X10-39
Elektromanyetik kuvvet 3,05X10-12


Bu temel kuvvetler, mükemmel bir güç dağılımı ile madde evreninin oluşmasına imkan verirler. Kuvvetler arasındaki bu oran o kadar hassas bir denge üzerine kuruludur ki, ancak ve ancak bu oranlarla parçacıklar üzerinde gereken etkiyi yapabilirler. 

1. Çekirdekteki Dev Güç: Güçlü Nükleer Kuvvet

Sitenin ilk konularından itibaren atomun an an nasıl yaratıldığını ve bu yaratılıştaki hassas dengeleri inceledik. Çevremizde gördüğümüz her şeyin, kendimiz de dahil olmak üzere atomlardan oluştuğunu ve bu atomların da pek çok parçacıktan meydana geldiğini gördük. Peki bir atomun çekirdeğini oluşturan tüm bu parçacıkları bir arada tutan güç nedir? İşte çekirdeği bir arada tutan ve fizik kurallarının tanımlayabildiği en şiddetli kuvvet olan bu kuvvet, "güçlü nükleer kuvvet"tir. 

Bu kuvvet atomun çekirdeğindeki protonların ve nötronların dağılmadan bir arada durmalarını sağlar. Atomun çekirdeği bu şekilde oluşur. Bu kuvvetin şiddeti o kadar fazladır ki, çekirdeğin içindeki protonların ve nötronların adeta birbirine yapışmasını sağlar. Bu yüzden bu kuvveti taşıyan çok küçük parçacıklara Latince'de "yapıştırıcı" anlamına gelen "gluon" denilmektedir. Bu yapışmanın şiddeti çok hassas ayarlanmıştır. Bu yapıştırıcının kuvveti protonların ve nötronların birbirlerine istenilen mesafede bulunmalarını sağlamak için özel olarak tespit edilmiştir. Söz konusu kuvvet biraz daha yapıştırıcı olsa protonlar ve nötronlar birbirlerinin içine geçecek, biraz daha az olsa dağılıp gideceklerdi. İşte bu kuvvet Büyük Patlama'nın ilk saniyelerinden beri atomun çekirdeğinin oluşması için gerekli olan yegane değere sahiptir.

Güçlü nükleer kuvvetin açığa çıktığı zaman ne kadar büyük tahrip gücü olduğunu bize Hiroşima ve Nagazaki'deki tecrübeler göstermiştir. Atom bombalarının bu denli etkili olmasının tek sebebi atom çekirdeğinde saklanan gücün açığa çıkmasıdır.

2. Atomun Emniyet Kemeri: Zayıf Nükleer Kuvvet

Şu an yeryüzündeki düzeni sağlayan en önemli etkenlerden biri de atomun kendi içinde dengeli bir yapıya sahip olmasıdır. Bu denge sayesinde maddeler bir anda bozulmaya uğramaz ve insanlara zarar verebilecek ışınları yaymaz. Atom bu dengesini çekirdeğindeki protonlarla nötronlar arasında var olan "zayıf nükleer kuvvet" sayesinde elde eder. Bu kuvvet özellikle içinde fazla nötron ve proton bulunduran çekirdeklerin dengesini sağlamada önemli bir rol oynar. Bu dengeyi sağlarken gerekirse bir nötron protona dönüşebilir. 

Bu işlem sonucunda çekirdekteki proton sayısı değiştiği için, artık atom da değişmiş, farklı bir atom olmuştur. Burada sonuç çok önemlidir. Bir atom parçalanmadan, başka bir atoma dönüşmüş ve varlığını korumaya devam etmiştir. İşte bu şekilde de canlılar kontrolsüz bir şekilde çevreye dağılıp insanlara zarar verecek parçacıklardan gelebilecek tehlikelere karşı adeta bir emniyet kemeri gibi korunmuş olur.

3. Elektronları Yörüngede Tutan Kuvvet: Elektromanyetik Kuvvet

Bu kuvvetin keşfedilmesi fizik dünyasında bir çığır açtı. Her cismin kendi yapısal özelliğine göre bir "elektrik yükü" taşıdığı ve bu elektrik yükleri arasında bir kuvvet olduğu öğrenilmiş oldu. Bu kuvvet zıt elektrik yüklü parçacıkların birbirini çekmesini, aynı yüklü parçacıkların da birbirlerini itmelerini sağlar. Bu sayede bu kuvvet atomun çekirdeğindeki protonlarla çevresindeki yörüngelerde dolaşan elektronların birbirlerini çekmelerini sağlar. İşte bu şekilde atomu oluşturacak iki ana unsur olan "çekirdek" ve "elektronlar" bir araya gelme fırsatı bulurlar. 

Bu kuvvetin şiddetindeki en ufak bir farklılık elektronların çekirdek etrafından dağılmasına ya da çekirdeğe yapışmasına neden olur. Her iki durumda da atomun, dolayısıyla madde evreninin oluşması imkansız hale gelir. Oysa bu kuvvet ilk ortaya çıktığı andan itibaren sahip olduğu değer sayesinde çekirdekteki protonlar elektronları atomun oluşması için gereken en uygun şiddette çeker.

4. Evreni Yörüngelerde Tutan Kuvvet: Yerçekimi Kuvveti

Bu kuvvet algılayabildiğimiz tek kuvvet olmasına rağmen, aynı zamanda da hakkında en az bilgi sahibi olduğumuz kuvvettir. Yerçekimi olarak bildiğimiz bu kuvvetin gerçek adı "kütle çekim kuvveti"dir. Şiddeti diğer kuvvetlere göre en düşük kuvvet olmasına rağmen, çok büyük kütlelerin birbirini çekmelerini sağlar. Evrendeki galaksilerin, yıldızların birbirlerinin yörüngelerinde kalmalarının nedeni bu kuvvettir. Dünyanın ve diğer gezegenlerin Güneş'in etrafında belirli bir yörüngede kalabilmelerinin nedeni de yine yerçekimi kuvvetidir. Bizler bu kuvvet sayesinde yeryüzünde yürüyebiliriz. Bu kuvvetin değerlerinde bir azalma olursa yıldızlar yerinden kayar, dünya yörüngesinden kopar, bizler dünya üzerinden uzay boşluğuna dağılırız. En ufak bir artma olursa da yıldızlar birbirine çarpar, dünya güneşe yapışır ve bizler de yer kabuğunun içine gireriz. Tüm bunlar çok uzak ihtimaller olarak görülebilir, ama bu kuvvetin şu an sahip olduğu şiddetinin dışına çok kısa bir süre dahi çıkması, bu sonlarla karşılaşmak için yeterlidir.
 

Bu konuda araştırma yapan bütün bilim adamları bahsettiğimiz temel kuvvetlerin büyük bir özenle tespit edilmiş olmasının, evrenin varlığı için vazgeçilmez olduğunu kabul etmektedir. 

Ünlü moleküler biyolog Michael Denton, Nature's Destiny: How the Laws of Biology Reveal Purpose in the Universe (Doğanın Kaderi: Biyoloji Kanunları Evrendeki Amacı Nasıl Gösteriyor) adlı kitabında bu gerçeği şöyle vurgular:

Eğer yerçekimi kuvveti bir trilyon kat daha güçlü olsaydı, o zaman evren çok daha küçük bir yer olurdu ve ömrü de çok daha kısa sürerdi. Ortalama bir yıldızın kütlesi, şu anki Güneşimiz'den bir trilyon kat daha küçük olurdu ve yaşama süresi de bir yıl kadar olabilirdi. Öte yandan, eğer yerçekimi kuvveti birazcık bile daha güçsüz olsaydı, hiçbir yıldız ya da galaksi asla oluşamazdı. Diğer kuvvetler arasındaki dengeler de son derece hassastır. Eğer güçlü nükleer kuvvet birazcık bile daha zayıf olsaydı, o zaman evrendeki tek kararlı element hidrojen olurdu. Başka hiçbir atom oluşamazdı. Eğer güçlü nükleer kuvvet, elektromanyetik kuvvete göre birazcık bile daha güçlü olsaydı, o zaman da evrendeki tek kararlı element, çekirdeğinde iki proton bulunduran bir atom olurdu. Bu durumda evrende hiç hidrojen olmayacak, yıldızlar ve galaksiler oluşsalar bile, şu anki yapılarından çok farklı olacaklardı. Açıkçası, eğer bu temel güçler ve değişkenler şu anda sahip oldukları değerlere tamı tamına sahip olmasalar, hiçbir yıldız, süpernova, gezegen ve atom olmayacaktı. Hayat da olmayacaktı. 


Ünlü fizikçi Paul Davies ise, evrendeki fizik yasalarının bu tespit edilmiş ölçüleri karşısındaki hayranlığını şöyle ifade eder:

Ve insan kozmolojiyi araştırdıkça, inanılmazlık giderek daha belirgin hale gelir. Evrenin başlangıcı hakkındaki son bulgular, genişlemekte olan evrenin, hayranlık uyandırıcı bir hassasiyetle düzenlenmiş olduğunu ortaya koymaktadır.

Tüm evrende bu temel kuvvetlerin üzerine kurulmuş üstün bir tasarım ve kusursuz bir düzen hüküm sürmektedir. Bu düzenin ardındaki kozmik irade elbette her şeyi kusursuzca düzenleyen evrensel bir zekadır.En küçük kuvvetle yıldızları yörüngelerinde tutan, en şiddetli kuvvetle küçücük atomun çekirdeğini kaynaştıran evrensel zeka alanını temsil eden sıfır nokta enerjisi alanıdır. Bütün kuvvetler bu sıfır nokta enerjisinin koyduğu "ölçü"lere göre hareket eder.

Dipnotlar
Evrendeki temel kuvvetler
Michael Denton, Nature’s Destiny:How The Laws of Biology Reveal Purpose in the Universe, The New York: The Free Press,1998, s.12-13
Paul Davies, The Accidental Universe, Cambridge: Cambridge University Press, 1982, Önsöz.
 
Dipnotlar
Çekirdekte saklı güç:
Jean Guitton, Tanrı ve Bilim, Simavi Yayınları, 1993, s. 62
Jean Guitton, Tanrı ve Bilim, Simavi Yayınları, 1993, s. 62
Jean Guitton, Tanrı ve Bilim, Simavi Yayınları, 1993, s. 62
Ümit Şimşek, Atom, Yeni Asya Yayınları, s.7
Dipnotlar

Dalgamı parçacık mı?

Richard Feynman, Fizik Yasaları Üzerine, TÜBİTAK Yayınları, s. 150
Richard Feynman, Fizik Yasaları Üzerine, TÜBİTAK Yayınları, s. 151
 

   Ana Sayfa / Index / E-Mail / Kuantum Fiziği