Evrenin Dört Kuvveti

Bu makalede evrenin birbirinden farklı görünen kuvvetleri  tanıtılacak ve bu dört kuvvetin evrenin evrim sürecindeki ayrışması anlatılacaktır.

Doğadaki dört temel kuvvet ve onların aracı parçacıkları (ayar bozonları) şunlardır:

* Elektromanyetizm   :  foton

* Zayıf kuvvet              : W⁺,W^–, Z⁰ 

* Şiddetli kuvvet          : sekiz gluon

* Kütle çekimi               : graviton

Birinci ketagori elektromanyetik kuvvet, elektron ve kuark gibi elektrik yüklü parçacıklarla etkileşen ama elektrik yükü olmayan parçacıklarla etkileşmeyen kuvvettir. Bu kuvvet, kütle çekim kuvvetinden 10⁴² kere daha büyüktür.

Aslında bunlar “parçacıklar arası etkileşim”. Örneğin kütle çekimine gravitonlar aracılık ediyor; elektromanyetik etkileşime fotonlar aracılık ediyor. Bu aracı parçacıklara (kuvvet taşıyıcılara) bozon da denir. Evrendeki bir  parçacık ya bozondur ya da fermion. Bu sınıflama, parçacıkların spinlerine göredir. Bozonlar, spini, 1 ya da 2 olan parçacıklardır. Fermionlar, spin değeri tam sayının yarısı değerinde (1/2 spin gibi) spine sahip olan ve sıradan maddeyi oluşturan parçacıklardır. En önemli fermionlar, elektron, proton ve nötrondur. Bozonların temel durum enerjileri pozitif, fermionların temel durum enerjileri negatiftir. Atomların Fotoğrafları

     A-Kuvvetler

1. Kütle Çekim Kuvveti

Doğanın en zayıf kuvveti, kütle çekim kuvvetidir. Fakat bu zayıf kuvvet, bizi Dünya’mızın üzerinde tutuyor, Güneş sistemini, galaksileri ve galaksi kümelerinin oluşmasını sağlıyor. Üstelik kütle çekim kuvveti, yalnızca çekim olarak kendini gösteriyor. Ondan çok daha kuvvetli olan elektrik kuvvetleri hem çekici hem de itici. Fakat elektrik yükleri (pozitif ve negatif yükler) birbirine eşit olduğu için biz elektrik kuvvetin net etkisinden kurtuluyoruz ve kütle çekimine teslim oluyoruz. Kütle çekiminin bizi Dünya’ya bağlamasının bir başka açıklaması, bizi çeken kütlenin çok büyük olmasıdır. Bizi çeken kütle, altı bin milyar milyar ton kadardır. Bu etkileşim, atom içindeki dünyada fazlaca bir rol oynamıyor. Kütleçekimle ilgili ilk bilimsel açıklama, Isaac Newton(1642-1727) tarafından ileri sürülmüştü. Sonra Albert Einstein (1879-1955, Nobel Fizik 1921), 1915’te Genel Görelilik Teorisi adıyla yeni bir kütle çekim açıklaması geliştirdi. Genel görelilik, pek çok gözlemle desteklendi; ama bu kuramla kuantum mekaniği birleştirilemedi. Oysa kuantum mekaniği de pek çok gözlemle desteklendi; hatta onun kullanıldığı dev bir teknoloji doğdu. Bilimciler, günümüzde de artan bir çabayla Genel Görelilik ile Kuantum Teorilerini birleştirme yolunda yoğun olarak çalışıyor.

2. Zayıf Nükleer Kuvvet

Önce bu addaki zayıf sıfatının güçlü nükleer kuvvete ve elektromanyetik kuvvete göre olduğunu belirtelim. Zayıf etkileşim, kütle çekime göre çok daha güçlüdür. Bu kuvvet, beta bozunması diye bilinen radyoaktifliği açıklar. 1920’lerin sonlarında radyoaktif çekirdeklerde dikkatli ölçümler yapılınca, başlangıçtaki sonraki ölçümler farklı çıkıyordu.  Enerji kayboluyordu. Wolfgang Pauli (1900-1958, Fizik Nobel 1945)  o zaman için çok cesurca bir öneri getirdi, küçük nötr bir parçacığın enerji taşıdığını ileri sürdü. Zayıf nükleer çekim teorisi 1934’te Enrico Fermi (1901-1954, Fizik Nobel 1938) tarafından geliştirildi. Fermi’nin betimlediği parçalanma, bir nötrondan, bir proton, bir elektron ve bir nötrino (aslında antinötrino) ortaya çıkar:

Nötron ⟶ Proton + elektron + antinötrino
Zayıf kuvvetin aracı parçacıkları W⁺, W^– ve Z⁰, CERN’de 1983’te keşfedildi. Bu parçacıklar, bir protondan yaklaşık 80 kat ağır olmakla birlikte, birleşik parçacıklar değildir. Daha doğrusu, şimdilik bu parçacıkların temel fiziksel boyuta sahip olmayan, daha alt yapılar içermeyen tekil parçacıklar olduğu sanılmaktadır. Zayıf kuvvetin hayati bir özelliği de denklik ihlalidir. Öteki kuvvetler, bu simetriye saygı gösterirken, zayıf kuvvet onu ihlal eder.

3. Elektromanyetik Kuvvet

Elektromanyetik kuvvet denen şey, ışık bilmecesinin çözümüyle anlaşılmıştır. Aslında ışığın bilimsel teorisi Newton’la Huygens’in tartıştığı 17. yüzyıla kadar götürülebilir. Newton ışığın korpüskül denen parçacıklardan, Huygens ise dalgalardan oluştuğunu savunuyordu. Sonra Maxwell, ışığın elektromanyetik dalga akımı (elektromanyetik alan bileşiminin yayılması) olduğu yolunda büyük bir sentez yaptı. Sonra 1900 yılında Planck, kara cisim ışımasındaki teorik ve denel sonuçların çelişmesine karşı ışığın enerjisini frekansa ya da dalga boyuna bağlayan ünlü denklemi (E = hf ) türeterek kuantum teorisinin kapılarını açtı. Ancak ışığın parçacık kavramını açıkça tanımlayan kişi, Albert Einstein oldu. Einstein 1905’te yazdığı beş şah makaleyle bir çok bilimsel sorunu çözdü ve bilimsel sonuçları elmas gibi kirstalleştirdi. Işığın enerji paketçiklerine foton adı verildi. Her saniye milyarlarca foton okuduğunuz sayfadaki bilgiyi sizin gözünüze ve beyninize taşıyor. Ayrıca görmediğimiz – radyo, televizyon ve kablosuz telefon dalgaları, sıcak duvarlardan yayılan ısı enerjisi, vücudumuzdaki X-ışınları gibi – pek çok foton türü vardır. Evrenimiz ayrıca Büyük Patlama’dan kalan, yaklaşık 14 milyar yıl yaşındaki kozmik fon ışıması denen düşük enerjili fotonlarla doludur.Fotonlar, yükle parçacıklarla etkileşir. 1940’larda fizikçiler fotonla elektron ve pozitronu bağdaştırarak Kuantum Elektrodinamiği (QED) denen güçlü teoriyi geliştirdiler. Elektron ve pozitron, yüksek enerjili fotonlara dönüştüğü gibi fotonlar da uygun koşullarda elektron ve pozitron çiftini yaratabilir. Foton, elektromanyetizmanın kuvvet taşıyıcısıdır, kütlesi ve büyüklüğü sıfır olan bir temel parçacıktır.

4. Şiddetli Nükleer Kuvvet

Bu kuvvet, atom çekirdeğindeki proton ve nötronları, onların içindeki kuarkları birarada tutan kuvvetlerdir.Kısaca çekirdeği bir arada tutan kuvvettir. Bu kuvvetin aracı parçacıklarına gluon (‘yapıştırıcı’) deniyor. Altı kuark biliyoruz: Kuarklar: u, d, s, c, b, t.[Sırayla u, up (yukarı); d, down (aşağı); s, strange (tuhaf); c, charm (büyülü); b, bottom (dip); t, top (tepe)]. Bu konunun ayrıntılarını Kuarklar: Atomun Dip Parçacıkları adlı dosyamızdan öğrenebilirsiniz.

Güçlü kuvvet, altı kuark, sekiz gluon ve üç renk ile açıklanır.Gluonlar, güçlü nükleer kuvvetin aracı parçacıklarıdır. Deneyler, gluon parçacıklarının yüksek enerjili olduklarını göstermiştir.Renkler, bir paletteki ana renkler olan kırmızı,yeşil ve mavidir.Üç eksendeki üç yön gibi. Kuarkları, üç koordinat ekseninin üç renkle isimlendirildiği birer vektör gibi de düşünebiliriz.

Doğadaki maddeler, renklerin renksizlik sağladığı ya ra sıfırlandığı kombinasyonlardadır. Bunun için  birinci olarak farklı renklerdeki kuarkların birbirini çektiğini akılda tutmalıyız. Antikuarklar da renk bakımından antirenklere sahiptir. Fakat kuarklar gluon değiş tokuşu ile simetrilerini koruyabilirler.

Gluonların iki rengi vardır, bir renk ve bir başka antirenk. Onlar da kuarklar tarafından yayılır ve soğurulur. Baryonların üç kuarktan, mezonların ise bir kuark ile bir antikuarktan yapılı olduğunu biliyoruz. Kırmızı, yeşil ve mavi ışınların kombinasyonu beyazdır. O zaman tüm baryonlarda her kuarkın rengi farklı olursa, tüm baryonları açıklayabiliriz. Buradaki renklerin bizim gündelik anlamda kullandığımız renkle ilgisi yok. Nasıl ki eşit nicelikteki pozitif ve negatif elektrik yükü, birbirini nötürleştirirse, bir kuark ile onun antikuarkı zıt renkleri dolaysıyla birbirini iptal eder. Kuarklar ve Renkler adlı dosyamızdan daha çok ayrıntıya ulaşabilinsiniz.

Benzer yükler birbirini iter, bunun için izin verilen üçlü kuark birleşmesi ancak farklı renklerde olabilir. Örneğin,  (u­kırmızı), (u­mavi), (u­yeşil), yani kırmızı (K), mavi(M) ve yeşil (Y). O zaman bir baryonun yapısındaki renk yükünü KMY olarak simgeleyebiliriz. Kırmızı + Mavi + Yeşil = Beyaz (B). O zaman (K) + (MY) = (B) yazabiliriz. Bunu mesonlara uyarlarsak (MY) ‘nin antikırmızı renkte olması gerektiğini söyleyebiliriz. Benzer şekilde (KM)’nin antiyeşile ve (KY)’in de antimaviye eşit olduğunu söyleyebiliriz.

1-      Gluonlar, kuarklardan yayımlanır. Kuarklar, gluonlar yoluyla etkileşir.

2-      Gluonlar, renk yüküne sahiptir. Bir gluon bir renk ve bir başka antirenkten oluşur. (Bir renk ve onun antirengi, renk oluşturmaz.)

3-      Elektrik yükünün korunumuna benzer şekilde renk yükü de korunur.

Şimdi bir kırmızı kuarkın hızlanarak nasıl mavi kuark olacağını örnekleyelim. Kırmızı kuark bir gluon (kırmızı, antimavi gluon) yayımlar. Bu durumda toplam renk, kırmızı + antimavi + mavi = kırmızı korunur (Aynı zamanda momentum ve enerji de korunur). Böylece kırmızı kuark mavi kuarka dönüşmüştür.

Mavi bir kuark, yeşil bir kuarka dönüşürken ne olur? Bir mavi-antiyeşil gluon yayılır, bu durumda toplam renk, mavi + a

ntiyeşil +yeşil= mavi korunur.

Aşağıdaki şekilde bazı kuark dönüşümleri için yayılması gereken gluonların renkleri gösterilmiştir (q, kuarkı, r (red, kırmızı), b (blue, mavi), g (green, yeşil), üzeri çizgili simgiler ise antirengi gösteriyor):

(a)     Kırmızı kuark, kırmızı-antimavi bir gluon yayınca mavi bir kuarka dönüşür; kırmızı-antiyeşil bir gluon yayınca yeşil bir kuarka dönüşür.

(b)     Yeşil kuark, bir yeşil-antikırmızı gluon yayarak, kırmızı kuarka dönüşür; yeşil kuark bir yeşil antimavi gluon yayarak mavi kuarka dönüşür.

(c)     Mavi kuark, bir mavi-antiyeşil gluon yayarak, yeşil kuarka dönüşür; bir mavi-antikırmızı gluon yayarak kırmızı kuarka dönüşür.

Mantıki olarak elde edebileceğimiz çiftlerin (renk, anti renk) sayısı dokuzdur: kırmızı-antikırmızı, mavi-antimavi, yeşil-antiyeşil; kırmızı-antimavi, kırmızı-antiyeşil, mavi-antikırmızı, mavi-antiyeşil, yeşil-antikırmızı, yeşil-antimavi. Hesaplamalar ise ancak sekiz etkileşime izin vermektedir.

Bir mavi kuark ve bir kırmızı kuark aşağıdan geliyor. Onlar arasında kırmızı/antimavi gluon değiştokuşu ile orjinal kuarkların rengi ters yüz oluyor. Renk yükü korunuyor; gluonlardan kuarklar izole edilemiyor,  serbest kalamıyor.

Renk yükü, şuradan kaynaklanıyor. Üç çeşit yukarı kuark, üç çeşit aşağı kuark vb vardır. Her bir üçlü yapıdaki kuarklar, farklı renk yükündedir. Yani üç yukarı kuark derken, bir “kırmızı yukarı”, bir “yeşil yukarı” ve bir “mavi yukarı” kuarktan söz ediyoruz demektir. Bu renklerin gök kuşağında bildiğimiz renkle ilgisi yoktur, sadece kuark simetrisi ve kuarkların nasıl biraraya gelebileceği konusunda uydurulmuş bir kavramdır; ama sorunu çözdüğü için de kullanılan yararlı bir kavramdır. Örneğin omega eksi (W^–) parçacığı üç tuhaf (strange) kuark içermektedir: W^– : sss.

Bunların tek bir ortak yörüngede hareket ettiği bilinmektedir. Bunların “özdeş” olması halinde  tek bir ortak yörüngede bulunmaları mümkün değildir. Ama bunları farklılık verebilirsek, aynı zamanda aynı kuantum durumunu işgal etmeleri mümkün olabilecektir. İşte renk yükü gereksinimi bu kuantum zorunluluğundan doğmaktadır. Söz konusu üç s kuarkını bir “yeşil s”, bir “mavi s” ve bir “kırmızı s” diye etiketlersek, sorun çözülmektedir. Bu renk teorisi kısaca Kuantum Renk Dinamiği ya da Kuantum Kromodinamiği (QCD) olarak adlandırılır ve başarısı oldukça yüksektir. Gluonların varlığını gösteren ve 1980’den beri toplanan deneysel kanıtlar çok sağlamdır.

Güçlü nükleer kuvvetle ilgili hadron sürüsüyle ilgili ilk kuram 1964’te birbirinden bağımsız olarak Murray Gell-Mann ve George Zweig tarafından orta kondu. Gell-Mann hadronları sekizli ve onlu parçacık gruplamaları şeklinde düzenledi. Bu düzenleme, Mendeleev’in periyodik tablosu gibi karmaşadaki düzeni görmekti. Bu yapılara kuark adını Gell-Mann verdi. Kuarklar, hadronları oluşturuyor. İki hadron sınıfı var. Birincisi üç kuarklı yapılar, bunlara baryonlar denir. Bunlar proton (uud) , nötron (udd) , lambda (uds), sigma eksi, sigma sıfır, sigma artı gibi üyeler içerir. İkincisi iki kuarklı yapılar, bunlara mezonlar denir. Mezonlar, bir kuark ile bir antikuarktan oluşur. Pion (u ve anti d) ve kaon (s ve anti u), mezon örnekleridir.Kuarklar, çok değişik kütlelere (protonun kütlesinin yüzde 0.0047’si ile 189 katı büyüklükte bir aralıkta değişen) sahiptir.

Kuantum renk dinamiğinin (QCD) en çarpıcı keşiflerinden biri de kuarklarla gluonların etkileşme gücünün yakın mesafelerde zayıflamasıdır. Başka sözlerle kuark ve gulon etkileşimi uzak mesafelerde daha kuvvetli olmaktadır. Deneylerde hem kuark jetleri, hem de gluon jetleri görülebilmektedir.

    B- Kuvvetlerin Evrimi

1967’de üç seçkin kuramsal fizikçi, yukarıda andığımız dört kuvvetten ikisinin, zayıf nükleer çekim ile elektromanyetik kuvvetin, gerçekte tek bir temel etkileşimin farklı yüzleri olduğunu ileri sürdüler. Bu fizikçiler Princeton’dan Steven Weinberg, California Üniversitesi’nden Sheldon Glashow ve İngiltere İmparatorluk Kolejinden Pakistanlı Abdus Salam idi. Bu üç fizikçi 1979 yılında fizikte Nobel Ödülünü paylaştılar. Bu bilimciler, elektromanyetik kuvvetle, zayıf nükleer kuvvetin  birleşik bir kuvvetin ayrışması olduğunu gösterdiler. Bu birleşik kuvvete,  elektrozayıf kuvvet deniyor. Elektrozayıf kuvvet dört aracı parçacığı bir araya getiriyordu: W⁺,W^–, Z₀ ve foton. Bunlardan foton kütlesiz, W’ler 80 GeV ve Z_⁰ ,93 GeV kütlelidir.

Bu tekleştirme, Einstein’ı otuz yıl uğraştıran bir arayışın beklenmedik meyvesiydi ve Einstein’ın ölümünden yaklaşık on iki yıl sonra ortaya çıktı. Kuramın öngördüğü parçacıkların keşfi ise daha sonra 1980’lerde gerçekleşti. 1983 Ocak ayında CERN, W’leri (W⁺ ve W^–) duyurdu. Bu başarıdan altı ay sonra nötral partner Z sıfırın (Z₀) varlığının ilk kanıtları görüldü. Fakat bilimcileri bugün de uğraştıran şu sorun ortaya çıktı: Sıfır kütleli fotonla, ağır W’ler  ve Z gibi tamamen farklı nesneler nasıl olup da aynı ailede görünebiliyor?

W ve Z parçacıkları, öylesine kısa ömürlüdürler ki ışın tüpü içinde çarpışma noktasından üç beş milimetre uzaklaşabilirler. Onlar bozundukları parçacıklar yoluyla belirlenirler.

Evrenin dört kuvveti, başlangıçta birleşikti. Çok sıcak evren soğumaya başladığında ilk olarak kütle çekim kuvveti ayrıldı; öteki üç kuvvet (zayıf nükleer kuvvet, güçlü nükleer kuvvet ve elektromanyetik kuvvet) tek bir birleşik kuvvet olarak kaldı. Daha sonraki simetri kırılması 10^-35 saniyelik evrende gerçekleşti ve güçlü nükleer kuvvet ayrıldı. Uzuncu bir süre evrende üç kuvvet hüküm sürdü: kütle çekimi, güçlü nükleer kuvvet ve elektrozayıf kuvvet.Evren 10^-12 saniyelik iken artık elektrazayıf kuvvet iki bileşene ayrıldı ve evrende bugün de yaşayan dört kuvvet ortaya çıktı.

Şekilde Evren’in evriminin aşamaları gösteriliyor. Yaklaşık 15 milyar yıllık bir Evren’de yaşadığımızı bilim denen kültürel yaratı kanıtlıyor. Böylesine bir hazineye sahip olmak ne büyük bir zenginlik. (www.atomevren.com)

                                                                                              Hazırlayan    Ramazan Karakale