Elektrodinamik - © Cetin BAL - GSM:+90 05366063183 -Turkey/Denizli
Kuantum elektrodinamiği (KED), yüklü atomaltı parçacıklar arasındaki elektromanyetik ilişkiyi inceleyen görelikli bir kuantum kuramıdır. 1940 yıllardan itibaren, kuantum mekaniğinin elektromanyetik alanına girmesi sonucu ortaya çıkmıştır.
Fotonların, kütlesi bulunmayan "ışık parçacıkları" olarak açıklanmasında, kuantum elektrodinamiğinin ortaya çıkışı önemli bir rol oynar. Kuramın genel kabulune ilişkin halen sürmekte olan sorunular olmakla birlikte, kuram pek çok önemli sorunu çözümlemektedir.
Richard Feynman kuantum elektrodinamiğinin en önemli isimlerindendir. 1965 yılında Amerikalı uzman Julian Schwinger ve Japon uzman Şin-Içiro Tomonaga ile birlikte kuantum elektrodinamiği alanındaki çalışmalarıyla Nobel Fizik Ödülü aldılar.
Herkes için Kuantum Elektrodinamiği -1
Elektromanyetik Teorinin Doğuşu
Kuantum elektrodinamiği (KED), fizik tarihinde ulaşılmış en kesin, en başarılı ve en akıllıca teorik başarılardan biridir. Elektromanyetik etkileşimleri tam olarak izah eden bu teori, hem kuantum mekaniğini hem de izafiyet teorisini zarif bir şekilde kapsıyor.
KED teorisi ışığın maddeyle etkileşimini ve elektrik yükü içeren maddenin birbiriyle etkileşimini, klasik elektromanyetik teoriyi kuantum fiziğine uyarlayarak eksiksiz biçimde tasvir eder.
Herşey, insanların zihnini çok uzun zamandır meşgul eden bir probleme çözüm arayışıyla başladı. Nasıl oluyor da birbirine hiç temas etmeyen mıknatıs ve demir gibi cisimler birbirlerine kuvvet uygulayabiliyordu? Aynı problem yerçekimi kuvvetinde de vardı. Elektriğin keşfi, bu anlaması zor probemi daha da önemli kıldı. Elektrik yükleri arasında ne gibi bir etkileşim oluyordu da yüklü cisimler hiç dokunmadan birbirlerini itip çekebiliyordu? Bir de elektrik yüklü parçacıkların etraflarında manyetik alan oluşturmaları, muammayı katmerli hale getirmişti.
1800'lerin başlarında Volta'nın ürettiği elektrik kaynakları, elektriğe olan ilgiyi artırmıştı. Ardından Örsted ve Ampere'in çalışmaları elektrik ile manyetizma arasında sıkı bir bağ olduğunu ortaya koydu. Birbirinden tamamen farklı olarak ele alınan iki temel kavram, birdenbire madalyonun iki ayrı yüzü olduklarını gösterdiler. Elektrik akımı taşıyan kablolar, tıpkı mıknatıslar gibi birbirlerine kuvvet uyguluyorlardı.
Tüm bu gözlemlerin matematik diliyle açıklanmaya ihtiyacı vardı. Green 1830'larda bu iş için kolları sıvadı ve elektrik-manyetizma için ilk matematiksel teoriyi oluşturdu. Faraday elektromanyetik indüksiyon üzerine deneyler yaptı ve elektrik – manyetizma ilişkisini kullanılır hale getirerek popülerleştirdi. Faraday olağanüstü bir deneyciydi. Paramanyetizm ve diamanyetizm üzerine de pek çok çalışma yapmıştı. Elektriğin Moleküler Teorisi adında gözlemlerini açıklamaya çalışan eserler ortaya koydu. Ancak Faraday iyi bir matematikçi değildi ve elektromantetizmanın açıklanması için başka bir dehayı beklemek gerekti.
Beklenen açıklama 1864'te James Clerk Maxwell adlı genç bir fizikçiden geldi. Maxwell, cisimlerin hareket denklemlerini ortaya koyan Hamilton ve Lagrange'ın çalışmalarını elektromanyetik alanlarda uygulamayı başarmıştı. Maxwell'in çalışmaları ortaya çok şık bir klasik elektromanyetik teori çıkarmıştı. Elektrik yükleri etraflarında elektrik “alanları” oluşturuyor, o alan içine giren her elektrik yükü o alandan etkileniyor ve böylece cisimler elektromanyetik etkileşime girebiliyordu. Ayrıca bu elektrik alandaki değişmeler (elektrik yüklerini hareket ettirerek herhangi bir noktadaki elektrik alanı değiştirmek mümkün) manyetik alanın doğuşuna sebep oluyordu. Manyetik alandaki değişmeler de elektrik alanı doğuruyordu.
İlerleyen yıllarda o gün için devrimsel nitelikte bir şey daha keşfetti. Elektromanyetik alanın yayılma hızının ışık hızına yakın (hatta aynı) olduğunu hesapladı. Böylece ışığın aslında uzayda yayılan elektromanyetik alan dalgalanmalarından ibaret olduğunu ilk fark eden kişi oldu. 19. yüzyılın başında tamamen farklı konseptler olarak ele alınan elektrik, manyetizma ve optik, artık tek bir disiplin altında toplanmış oldu. Elektrik alan ve manyetik alan birbirlerinin hem sebebi, hem de sonucu olan kavramlardı. Işık dediğimiz şey de, uzayda ilerleyen elektrik-manyetik alan dalgalanmalarından ibaretti. Tüm bunları Maxwell 4 temel denklemde toplayarak fizik tarihindeki en estetik sunumlardan birine imza atmış oldu.
Bunun ardından ışığın farklı bir dalgaboyu spektrumuna ait olan radyo dalgalarının keşfi geldi. Elektromanyetik dalgaların bir tarafta üretilip diğer tarafta algılanabileceğini fark eden Hertz, elektromanyetik dalgaların kırılma, yansıma, polarizasyon, saçılma ve hızı gibi optik özellikleri üzerinde araştırmalar yaptı.
20. yüzyıla gelmeden, Thomson elektrik alan kaynağı olan bir parçacık keşfetti. Bu parçacık fiziği tarihinin de adeta başlangıcı oldu. İlk defa atom olarak adlandırılan ve rijid kürelerden oluştuğu düşünülen maddenin yapı taşının daha alt gruplara ayrılabileceği, daha küçük parçacıklar barındırdığı anlaşıldı. Thomson, deneyinde bir katot tüpü kullanmıştı. Katot tüpü içinde düşük hacimli bir gaz, ve ışın kaynağı olarak kullanılmak için ısıtılan bir metal levha vardı. Metal levha ısıtıldıktan sonra elektrik alana maruz bırakılınca levhadan bir ışın demeti çıkıp düşük hacimli gaz içinde ilerliyordu. Bu ışın demeti, bilinen anlamda ışıktan farklı davranıyor, manyetik alandan etkilenerek sapmalar yapıyordu. Bu da ışın demetinin elektrik yükü taşıdığını gösteriyordu. Thomson ışının aslında kütleli parçacıklardan oluştuğunu keşfederek bu minik ışın parçacıklarının kütlelerini ölçtü. O gün için bilinen en hafif iyon olan Hidrojenin binde birinden bile daha hafifti. Üstelik, deneyi farklı metal levhalar ile tekrarladığında, çıkan ışını oluşturan parçacıkların kütlelerinin değişmediğini gözlemledi. Özetle, her metalde, her elementte özdeş olarak bulunan, elektrik yüklü, çok hafif, temel bir parçacık olduğunu keşfetmişti. Buna elektron ismi verildi.
O gün için, doğada hüküm süren kuvvetlerin hepsinin elektromanyetik orijinli olduğu, elektromanyetik alanın da esir diye bilinen uzay boşluğunu dolduran ortamın bir çeşit dalgalanması sonucu ortaya çıktığı görüşü hakimdi. Lorentz 20. yüzyılın başında yaptığı çalışmalarla madde (elektron) ile esir arasında kesin bir ayırım yaparak, esirin mutlak hareketsiz bir ortam olduğunu, esirin elektromanyetik alanının elektronlar arasında bir tür iletici ortam oluşturduğunu ve bu iletişimin ışık hızından fazla olamayacağını öne sürdü. Poincare, ışığın ve elektromanyetik alanın hızının kesin bir değerde sabit olduğu fikrini, doğayı açıklamada çok faydalı bir araç olarak kullandı ve özel izafiyet teorisinin temellerini attı. Ancak esir fikrine sıkı sıkı bağlı olan teorisi, ve “görünen” ve “gerçek” zaman kavramları ile zaman kavramını flulaştırması, rölativite teorisinin babası olmasını engelledi.
1905'e gelindiğinde, elektromanyetik alan kavramı ışıkla özdeşleştirilmiş, esir ortamının bir sonucu olarak kabul edilmiş, elektromanyetik alan ile etkileşime giren maddenin, elektronların varlığı anlaşılmıştı.
Ancak genç bir adam çıkıp üst üste yayımladığı kısa ama öz makalelerle fizik dünyasını altüst ediverdi. Einstein, önce fotoelektrik etki adını verdiği olayı ışığın parçacıklı yapıda olmasıyla açıklayıverdi. Bir metale ışık gönderildiği zaman metalden elektronlar kopuyordu. Metalden kopan elektronların enerjisini artırmak için daha şiddetli (parlak) ışık gönderildiğinde, kopan elektronların enerjisinin değişmediği görülüyordu. Ancak, gönderilen ışığın rengi değiştirildiğinde, kopan elektronların da enerjisinin değiştiği gözlemleniyordu. Yani elektronların enerjisi, ışığın şiddetinden bağımsız, ışığın rengine bağımlıydı. Einstein, o güne kadar açıklanamayan bu olayı, ışığın parçacıklar (enerji paketçikleri, kuanta) halinde ilerlediği fikriyle açıklamıştı. Işığın şiddeti artırıldığında, "Foton" adı verilen bu enerji paketçiklerinin sayısı artıyor ama taşıdıkları enerji artmıyordu. Ancak, ışığın rengi değiştirildiğinde, fotonun taşıdığı enerji miktarı da değişiyordu. Enerjik bir foton (mavi -mor renkli ışık taneciği) metal üzerindeki bir elektrona çarptığı zaman, kopan elektronun enerjisi de yüksek oluyordu.
Aynı yıl, bir başka açıklanamayan olayı, Brown hareketini açıkladı. Su üzerine serpilen polenlerin su yüzeyinde titreşimler yaptığını, rastgele sağa sola kaçıştığını gözlemliyorlardı. Bu hareketi, suyun atomik yapısıyla açıklayan Einstein, Brown hareketini atomun varlığına ilk gözlemsel delil olarak kullanmış oluyordu ve tarihe atomun kaşifi olarak adını yazdırıyordu.
Üçüncü makalesinde ise özel izafiyet teorisini ortaya attı. O gün için yine gözlemlenmiş bir olgu olan ışık hızının sabit oluşunu, yani ışık hızının gözlemciden bağımsız olarak her şartta aynı kalışını kullanarak eşzamanlı olayların farklı referans sistemlerinde farklı zamanlı olarak algılanabileceğini, zamanın ve mesafenin referans sistemine göre izafi olduğunu gösterdi. Bu teorisi aynı zamanda esirin varlığını da sorgulayan en ciddi çalışma oldu.
Son olarak, o güne kadar tamamen farklı kavramlar olarak ele alınan enerji ve kütle kavramlarını birleştirdi ve “küçük miktardaki kütleler büyük miktarda enerjilere dönüşebilir” fikrini meşhur E=mc2 formülüyle fiziğe kazandırdı.
Herkes için Kuantum Elektrodinamiği -2
Feynman Diagramları ve Vakum Etkileşmeleri
20. yüzyılın başlarında geliştirilen kuantum mekaniği, şaşırtıcı sonuçlar doğurmakla birlikte, fotonun ve ışık hızına yakın parçacıkların davranışı hakkında öngörüde bulunamıyordu. Problem, kuantum mekaniği ile Einstein'ın özel izafiyet teorisinin birleştirilmesindeydi.
"Özel izafiyet teorisi" (relativite) yüksek hızlarda ve ışık hızında hareket eden cisimlerin uzay-zamandaki davranışlarını güzelce tasvir eden bir modeldi. Bu teoriye göre farklı hızlarda hareket eden iki farklı referans sistemi için zaman ve mekan tamamen farklı davranıyordu. Mesela çok hızlı hareket eden bir uzay gemisindeki birine dünyadan baktığımız zaman, uzay gemisindeki zamanın bize göre daha yavaş ilerlediğini görürüz. Uzay gemisinin boyutlarını olduğundan daha kısa görürüz. Dünyadaki iki farklı yerdeki gözlemciler için eşzamanlı gerçekleşen bir olayın, farklı referans sistemlerinden bakıldığında farklı zamanlarda gerçekleştiği görülür.
Kuantum mekaniği ise çok küçük boyutlardaki parçacıkların alışageldiğimiz sağduyumuza aykırı davranışlarını tasvir ediyor, şaşırtıcı sonuçlar doğuruyordu. Bilinen Newton mekaniğinde olduğu gibi maddenin hareketi ve konumu hakkında kesin bilgiler vermek yerine, kuantum mekaniği “olasılıklardan” bahsediyor, bir olayı bir belirsizlik dahilinde tahmin edebileceğimizi, ancak nihai bir kesin sonuca ulaşamayacağımızı söylüyordu. Matematiksel kesinliğin uygulama alanı ve şaşmaz doğrulukların bilimi olan fizik, bir anda istatistiksel hesapların elinde, tahminlerin ve ihtimallerin çocuğu oluvermişti. Fakat doğa bu şekilde işliyordu ve kuantum mekaniğine direnmek yerine onu kabullenip fiziğin tüm alanlarını bu yeni teoriye uyarlamak gerekiyordu.
20. yüzyıl insanlığa tam bir baş ağrısı hediyesiyle birlikte geliverdi. Fiziğin yeni meydan okuması buydu: elektromanyetik alan teorisi, özel izafiyet teorisi ve kuantum mekaniği teorisinin tek çatı altında toplanması. Tüm bu teorilerin kesişiminde bulunan “yüksek hızla hareket eden relativistik parçacıklar ve foton”un davranışlarını net biçimde ortaya koyacak bir “relativistik kuantum teorisine” ihtiyaç vardı.
Kuantum teorisi ile relativiteyi ilk formülize eden kişi, İngilizlerin Newton'dan sonra en büyük dahisi olarak kabul edilen Paul Dirac oldu. Elekrtomanyetik alanın kuantizasyonunu, parçacıkların yaratma – yok etme operatörlerini tanımlayarak, harmonik salınıcılarla açıklamıştı. Böylece elektrmanyetik radyasyon ve maddenin etkileşiminin nasıl olduğuna dair sır perdesi aralanmaya başladı.
Kuantum mekaniği, atomik spektrumları açıklamak için, elektronların bir enerji seviyesinden diğerine geçerken bir foton absorbe ettiğini (veya yaydığını) bir önkabul olarak ele aldı. Dolayısıyla erken dönem kuantum mekaniği madde ile fotonun etkileşimini konu alan bir teoriydi, ancak fotonu tüm yönleriyle tanımlamaya yönelik bir önerisi yoktu.
Bu problemi aşmak için küçük bir fizikçi grubu, kuantum mekaniğini elektromanyetik alanlara da uygulamak için kolları sıvadı. Born, Heisenberg ve Jordan'ın 1926'da öncülük ettiği bu grubun temel argümanları, elektrik ve manyetik alanın da tıpkı kuantum mekaniksel konum ve momentum gibi matrislerle temsil edilmesi gerekliliğiydi. Dirac, 1927'de yayımladığı “Radyasyon Emisyonu ve Absorbsiyonunun Kuantum Teorisi” adlı çalışmada, kuantum mekaniğinin parçacıkların fiziksel nicelikleri için tarif ettiği süreksiz (kesikli) yapıyı alanlara uygulamanın sistematik bir yöntemini bulmuştu. Harmonik salınıcıların kuantum mekaniksel tasvirini kullanarak, elektromanyetik alanın kuantize edilmesiyle fotonların nasıl göründüğünün teorik bir tarifini yapmıştı. Böylece kuantum alan teorisinin de temelleri atılmış oldu.
Kuantum alan teorisi, uzayı dolduran elekrik, manyetik alan gibi alanların "kuantize edilmesiyle" parçacıklı yapılarının ortaya çıkmasını ifade eder. Yani bir alan, bir maddeyle etkileşime girerse, o alanın temsil edildiği bir parçacık yaratılır. Mesela, elektromanyetik alan bir objektif ile etkileşime girdiğinde objektifte elektromanyetik alan kendisini foton olarak gösterir. Aynı şey elektron gibi parçacıklarda da geçerlidir. Biz bir elektronu bir levhaya gönderdiğimizde elektron dalga yapısına sahip bir alan gibi davranır. Ama elektron levhaya çarptığında bir parçacık olarak etkileşime girer. Kısacası, alanlar gözlemlendiği (etkileşime girdiği) ana kadar alan, gözlemlendikleri anda ise parçacıktır.
Alan ---> Kuantize edilen alan ---> parçacık
(Uzayı dolduran) ---> (etkileşim süreci) ---> (gözlemlenen)
Kuantum elektrodinamiği iki sütun üzerine bina edilmişti. Birincisi, elektromanyetik alanın kuantize edilmiş hali olan fotonlarla ilgiliydi. İkincisi ise elektronun relativistik teorisiydi ki bu, Dirac denkleminin bel kemiğini oluşturur zaten.
Foton ve elektronların etkileşimini matematiksel olarak anlamak için pertürbasyon yöntemleri kullanılır. Pertürbasyon teorisi, tam çözümü olmayan bir problemin, bu probleme benzer başka bir problemden yola çıkarak yaklaşık çözümler elde etmek için matematiksel yöntemler aranmasından ibarettir. Kesin çözümü olan bir probleme, küçük bir terim ekleyerek çözülmek istenen asıl probleme benzer bir yapı elde edilebiliyorsa, pertürbasyon teorisi kullanılabilir.
Elimizde bir problemin kesin bir çözümü olan K ifadesi olsun. Çözümünü aradığımız problem de P olsun. K'ya küçük parametreler (ei) ekleyerek aradığımız çözüme yaklaşabileceğimiz durumlar vardır: K kesin çözümüne küçük bir terim ekleyerek K'yı pertürbe ederiz. Daha sonra bu küçük sapmanın miktarı kullanılarak kuvvet serisi terimlerine açarız.
P = K + e1 K1 + e2 K2 +...
Genelde eklenen terimler arttıkça, katkıları da o mertebede azalır. Dolayısıyla en büyük katkıyı e1 terimi sağlar. Diğer yüksek mertebeli terimlerin katkıları giderek küçüldüğü için belli bir noktada ihmal edilirler ve hesaplanmazlar.
Kuantum elektrodinamiğinin formülasyonunda da pertürbasyon yöntemine başvurmak gerekti. Fakat burada fizikçileri uzun süre meşgul edecek tam bir baş belası problemle karşılaşıldı. Pertürbasyon metoduyla sadece birinci mertebenin çözümü elde edilebiliyordu. Üst mertebeli katkıların matematiksel ifadeleri küçülmek bir yana, sonsuza ıraksayan integraller ile doluydu. Giderek küçülmesi gereken katkılar, sonsuz değerler olarak ortaya çıkıyordu. Fiziksel gerçeklikle hiç de uygun olmayan bu durumun, özel izafiyet ile kuantum mekaniği arasındaki bir uyumsuzluktan doğduğu düşünülerek çözümsüz olarak kaldı.
Fakat çok geçmeden, bu sonsuz katkı veren integralleri halının altına süpürmenin bir yöntemi bulundu. Renormalizasyon denilen bu yöntemle, sonsuz katkılı terimler, fiziksel değerlerden ayıklanarak doğru hesaplamalar yapılabildi.
Özetle, kuantum alan teorisinde elektromanyetik alan kuantaları olan, diğer bir deyişle ışık taşıyıcısı parçacıklar olan fotonlar, elektronlar tarafından absorbe edilebiliyor, ve yayımlanabiliyordu. Elektromanyetik alanla etkileşime giren tüm elektrik yüklü parçacıklar foton soğurup foton ışıyabiliyordu. 1930'lara gelindiğinde iki Rus fizikçi o gün için çok sıradışı bir önermede bulundular. Onlara göre sadece fotonlar değil, kütleli parçacıklar da yok olup tekrar var olabilir, birbirleri tarafından soğurulup tekrar yayımlanabilirlerdi. Ambarzumian-Ivanenko hipotezi denilen bu fikir, modern kuantum alan teorisinin ve parçacık fiziğinin temeli oldu.
Kuantum mekaniğinin izafiyet teorisiyle evliliğinin sonucunda, parçacıkların sürekli birbirlerini yok edip başka parçacıkların açığa çıktığı, birden yok olan, sonra boşlukta tekrar yaratılan parçacık çiftlerinin cirit attığı enteresan bir varlık alemi önümüze serilmişti. Bu yeni sistemde her şey mümkündü ve bu dünyayı açıklamak için kullanılan dil haddinden fazla soyuttu, aşırı matematikseldi. Neler olduğunu anlatmak için sadece ama sadece karmaşık denklemler kullanılıyordu.
Hesaplamaların zorluğundan ve kendini ifade sıkıntısından bunalan bu yeni teoriye sıradışı bir genç el atıverdi. Richard Feynman isimli bu genç, o güne kadar kuantum mekaniğinde hayal bile edilmemiş olan, problemleri görselleştirmenin ve en karmaşık süreçleri basit şekillerle ifade etmenin bir yolunu bulmuştu. Mottosu, “bir şeyin gerçekleşme ihtimali varsa, gerçekleşir” sözü oldu. Gerçekten de kuantum mekaniği bize bundan başka bir şey söylemiyordu. Mesela, bir parçacığın iki nokta arasında gittiği yolu hesaplamak istiyorsak, o iki nokta arasındaki mümkün olan tüm muhtemel yolları hesaba katmak zorundaydık. Bir parçacığın konumunu belirlemek istiyorsak, uzaydaki her noktayı hesaba dahil etmek zorundaydık.
Feynman da etkileşime hangi parçacıkların girdiğini ve etkileşim sonucunda hangi parçacıkların çıktığını temel aldı. Bu süreçte mümkün olan tüm ara etkileşimleri hesaba kattı. Böylece o parçacıkların birbirleriyle etkileşim şiddetlerini, etkileşim sürelerini, kütlelerini, ne ihtimalle o etkileşime gireceklerini vs. her türlü ölçülebilir fiziksel değeri hesaplamanın yoluna ışık tuttu.
Her etkileşimi Feynman Diagramı denilen bir şekille ifade ediyor, şekildeki her bir basamağa karşılık gelen matematiksel bir ifade yazıyordu. Böylece her bir süreci temsil eden şekil, ayrı bir matematiksel denklemle temsil ediliyordu. Sonuçta tüm muhtemel etkileşimleri sembolize eden şekillerin, fiziksel katkılarını matematiksel olarak hesaplayabiliyordu.
Yukarıdaki Feynman diyagramlarında solda, bir elektron ve bir antielektronun birbirlerini yok etmesi sonucu bir foton açığa çıktığı, daha sonra bu fotondan tekrar bir elektron - antielektron çifti yaratıldığı gösterilir. Sağda ise bir elektron ile bir antielektron arasında bir foton alış-verişi gerçekleştiği gösterilir. Aslında tamamen farklı gerçekleşen bu iki süreç, neticesi itibariyle aynı fiziksel sonucu verir: bir elektron ile bir antielektron elektromanyetik kuvvet sonucu birbirleriyle etkileşime girip saçılmışlardır. Bu etkileşimin şiddetini hesaplamak için her iki Feynman diyagramının katkısını da göz önünde bulundurmak gereklidir. "Gerçekte hangi süreç oldu?" sorusunun cevabı, "her ikisi de" şeklindedir. Kuantum mekaniğinin acayipliği de işte burada. Üstelik aynı fiziksel sonucu veren sonsuz sayıda Feynman diyagramı çizmek de mümkün.
Yukarıdaki şekilde yine aynı fiziksel süreç temsil ediliyor. Fakat burada foton alış-verişi esnasında foton vakumla etkileşime girerek bir parçacık çiftine bozunuyor, sonra bu parçacık çifti tekrar yok olup yeni bir foton yaratılıyor. Bu süreç önceki süreçlere nisbeten daha karmaşık olduğu için gerçekleşme ihtimali daha düşük, dolayısıyla fiziksel sürece katkısı da daha küçük oluyor. Feynman diyagramları karmaşıklaştıkça hesaplamaları daha zor, fiziksel katkıları da daha az oluyor.
KED teorisi yapılan deneylerle sürekli test ediliyor, daha üst mertebeli katkılar da hesap edilerek yeni teorik hesaplar yapılıyor. Günümüzde KED öyle sağlam sonuçlar veriyor ki, yapılan deneylerle teori, sıfırdan sonra onuncu mertebelere kadar kesinlikte uyum içerisindedir.
KED'nin başarısından güç olan teorik fizikçiler, aynı matematiksel alt yapıyı kullanarak nükleer reaksiyonlardan sorumlu olan zayıf etkileşimi de açıkladılar. Hatta 1960'lara gelindiğinde elektromanyetik etkileşim ile zayıf etkileşimin aslında aynı kuvvetin yansımaları oldukları anlaşıldı. Elektrik, manyetizma ve nükleer reaksiyonlar tek bir çatı altında toplanarak birleştirimiş oldular.
Fizikçiler aynı matematiksel alt yapıyla, proton ve nötronları bir arada tutan güçlü etkileşimin de teorisini geliştirdiler. "Kuantum renk dinamiği" denilen bu yeni teoriyle doğada gözlemlenen 4 temel kuvvetin 3'ü sağlam bir matematiksel izaha kavuşmuş oldu. KED'in öncülük ettiği doğanın bu matematiksel resmine "Standard Model" ismi verilir.
Şimdi yeni hedef, güçlü etkileşimin de, elektrozayıf etkileşim ile aynı kökten geldiğini gösterebilmek ve böylece tüm kuvvetlerin birleştirildiği büyük bir birleşik kuram elde etmek. Bir sonraki adım ise bu çatıdan şimdilik çok uzak görünen kütleçekim kuvvetinin de diğer kuvvetlerle irtibatlı olduğunu ispatlayarak "herşeyin teorisini" elde etmektir.
Herkes için Kuantum Elektrodinamiği -3
Kuantum ElektroDinamiği geliştirilen ilk kuantum alan teorisiydi. Adından da anlaşılacağı üzere, KED, elektroanyetik etkileşimleri tarif eder. Aslında fizikçiler bütün fiziksel etkileşimleri kuantum elektrodinamiğinin sahip olduğu netlikte açıklayabilmek isterler.
KED'nin gelişimi bize kuvvetlerin “parçacıklar arasında kuvvet taşıyıcısı parçacıkların değiş-tokuşu” ile açıklanabileceğini gösterdi. Elektromanyetik kuvvetler de elektrik yüklü parçacıklar arasında sanal fotonların alışverişiyle gerçekleşmektedir. Sanal kelimesini kullanıyoruz, çünkü yüklü parçacıklar arasında alıp verilen fotonları her hangi bir şekilde doğrudan gözlemlemek, algılamak mümkün değildir. Bu sanal fotonların taşıdığı momentum sonucu iki elektron arasında itme kuvveti olduğunu gözlemleriz. Gerçekte olan, sanal fotonlar vasıtasıyla elektronların birbirlerine momentum aktarmasıdır.
Doğadaki temel kuvvetlerin etkileşim şiddeti “çiftlenim sabiti” denilen bir kavramla ölçümlenir. Her fiziksel etkileşimin bir çiftlenim sabiti vardır. KED süreçlerinin çiftlenim sabiti de ince yapı sabiti olarak adlandırılan sayıdır. Değeri 1/137 gibi oldukça küçük sayılabilecek bir miktardır. Aslında çiftlenim sabitlerinin 1'den çok küçük olması, o etkileşimin modellenmesinde oldukça kolaylık sağlar. Şöyle ki, eğer bir niceliği çiftlenim sabiti cinsinden bir seriye açarsak (bu fizikte sık sık başvurulan bir yöntemdir, “kuvvet serileri yöntemi”) üst mertebeli terimleri ihmal etmek kolaylaşır. Bir önceki yazıda bahsedilen pertürbasyon teorisi tam da böyle bir metottur.
Elektromanyetik alanı kuantize edince elektromanyetizmanın kuantum alan teorisi olan kuantum elektrodinamiğini elde ettiğimizden daha önce de bahsetmiştik. Kuantizasyon demek, sürekliliğe sahip olarak bilinen bir kavramı kesikli hale getirmek demektir. Mesela, reel sayılar kümesinde küçük bir aralık belirten herhangi iki nokta arasında sonsuz sayıda reel sayı yazabiliriz. 0 ile 1 arasında trilyonlarca sayı yazmak mümkün. Aralığı 0,0001 ile 0,0002 sayıları arasında alsak sonuç yine değişmez, yine bu minicik aralığa ait trilyonlarca sayı yazabiliriz. Ancak doğal sayılar kümesini ele aldığımızda bu süreklilik ortadan kalkar. 0 ile 10 arasında sadece 9 sayımız vardır. 0 ile 1 arasında ise hiç doğal sayı yoktur. İşte reel sayılar kümesi sürekli bir kavramı ifade ederken, doğal sayılar kümesi kuantize edilmiş bir kavramı temsil eder. Dijital teknoloji de kuantize edilmiş olgularla doludur. Yüksek çözünürlüklü bir televizyonun ekranı sınırlı sayıda pixel içerdiği için kuantizedir.
Doğanın yapısı bizatihi kuantizedir. Işık foton adlı parçacıklarla kuantize edilmiştir. Madde atom denilen parçacıklarla, fiziksel itme-çekme kuvvetleri bile bozon denilen parçacıklarla kuantize edilmiştir. Kuantum alan teorisi de bu ilkeye dayanır. Uzayı doldurduğunu düşündüğümüz alanların kuantize edilerek parçacıklarla temsil edilmesidir. Sürekli bir ortam olduğunu düşündüğümüz elektromanyetik alan aslında kuantize edilerek, her an yaratılan–yok edilen fotonlar tarafından yüklü cisimler arasında taşınan bir etkileşimdir.
Bu etkileşimi anlamak için güzel bir analoji yapılabilir: patenleri üzerinde duran iki kişinin birbirlerine bir basket topunu atıp tuttuğunu düşünelim. Basket topunun her el değiştirmesinde bu iki kişi birbirinden biraz daha uzaklaşacaktır. Topu atan, topa kazandırdığı hız (momentum) yüzünden kendini geriye doğru itilmiş hissedecek, topu tutan da topun hızının etkisiyle geriye doğru gidecektir. Temelde bu bir momentum alış verişidir. Elektronlar da birbirleri arasındaki foton alışverişi sebebiyle birbirlerini iterler.
Özetle, elektromanyetik alan bir foton alanı, elektromanyetik etkileşimin kuvvet taşıyıcı parçacığı foton, etkileşimin kendisi de bir foton alışverişidir.
Elektronik - Maxwell Denklemleri