Elektron Küresel Çıktı, Fizikçileri Üzdü - Kozan Demircan
Kozan Demircan | 08/11/2018 | Bilim-Teknoloji | Yorum yapılmamış
Fizikçiler elektrona baktı ve neredeyse kusursuz bir küre olduğunu tespit etti. Bu da atomları açıklayan standart modeli kurtardı; ama mıknatısları anlamayı zorlaştırdı. Küresel elektron, evrenin oluşumunu açıklamaya çalışan sicim teorisi için gereken süpersimetrinin de yanlış olabileceğini gösterdi. Elektronun şekli neden önemli?
Bir fizikçi için elektron şeklinin ne önemi var? Klasik fizikte hiçbir önemi önemi yok, atomaltı parçacıklar matematiksel bir nokta olarak tanımlanır diyerek işin içinden çıkabiliriz. Bu görüşe göre temel parçacıkların şekli yoktur, şekil kavramı onlar için geçerli değildir.
Ancak atomları açıklayan süpersimetri ve sicim teorisi gibi kuantum fiziği teorilerine gelince iş değişiyor. Süpersimetri için bir elektronun şekli, tam olarak yuvarlak olup olmadığı çok önemli. Neden derseniz sicim teorisinde temel parçacıklar 9-10 boyutlu uzayda titreşen tek boyutlu enerji sicimlerinden oluşuyor.
Bu yüzden elektronun küre şeklinde değil de yün yumağı gibi olması gerekiyor. Küresel elektron sicim teorisiyle çelişiyor. Ancak, elektron sadece teorik fizik ve nükleer fizikte değil; malzeme fiziği ve elektrik-elektronik mühendisliğinde de çok önemli.
İşte elektronun çevresinin şekli. Heisenberg’in belirsizlik ilkesinin görüntüyü bulandırmasını görebiliyoruz. Elektron momentumunu etkileyen belirsizlik, elektronun yalpalamasından türetilen şekli biraz belirsiz kılıyor. Buna rağmen elektron 10^40 mm’ye kadar küreseldir.
Mıknatıslar nasıl çalışıyor?
Örneğin, mıknatısların nasıl çalıştığını anlamak için elektronun şeklini bilmek önemli: Sonuçta mıknatıslar elektromanyetik kuvvetle çalışıyor. Elektromanyetik kuvvet, elektrik alanları ve manyetik alanlar üzerinden etki ediyor.
Bu bağlamda mıknatısların kuzey-güney kutbu varken, elektrik alanları da artı ve eksi yüklerle etki ediyor. Kısacası elektrik, manyetizma, kimyanın nasıl işlediğini ve ısının cisimler arasında nasıl aktarıldığını anlamak için elektronun şeklini bilmemiz gerekiyor.
Eksi elektrik yüküne sahip olan elektron, evreni var eden dört temel fizik kuvvetinden biri olan zayıf nükleer kuvvete de katıldığı için elektrondan kaçış yok. Elektronun şeklini mutlaka bilmemiz lazım.
Hâlâ yumurta şekilli değil.
Ve elektron küresel çıktı
Bu da fizikçileri hem üzdü, hem sevindirdi. Sevindirdi, çünkü nükleer fiziği ve temel parçacıkları açıklayan standart modele göre elektronun küresel olması gerekiyor.
Dahası standart model CERN parçacık hızlandırıcısındaki son deneylerde, aslında son 50 yılda yapılan sayısız fizik deneyinde yüzlerce kez kanıtlanmış bulunuyor. Elektronun yamuk çıkması ve standart modelin yanlış olduğunun kanıtlanması fizikte kolay yutulur lokma değil.
Ayrıca aşağıda göreceğimiz ve Zaman Kristalleri yazısında anlattığım gibi, fizik yasalarının evrenin her yerinde aynen geçerli olması için zamanda simetrik olması da gerekiyor. Oysa yuvarlak olmayan elektron, zaman geçmişe aksaydı farklı şekilde döneceği için bu simetriyi bozuyor. Eh, kimse fizik yasalarının çalışma kuralları olan kozmolojik sabitlerin ve enerji değerlerinin değişmesini istemez.
Fizikçiler elektronun yuvarlak olmasına çok üzüldüler. Düşünsenize mıknatısların kuzey ve güney kutbu olduğunu biliyorsunuz, manyetik alan çizgilerinin belirli yönleri olduğunu da biliyorsunuz. Hatta zaten manyetize olmuş metalleri kullanarak yuvarlak mıknatıs bile yapabilirsiniz.
Peki bölünmez bir bütün ve tek parça olan elektron kusursuz bir küre ise elektronun manyetik kutuplarını nasıl açıklayacaksınız? Elektronun spin durumu, yani dönme yönü diye basitleştirilmiş kuantum özelliğini yuvarlak elektronla açıklamak çok zor.
Sonuçta dönme yönü momentum, kütle ve yerçekimini işin içine sokuyor. Elektronun yuvarlak olması ise (bir kez daha) yerçekimini açıklayan genel görelilik ile kuantum fiziğini birleştiremeyeceğimizi gösteriyor. Elektron yuvarlak çıkınca başta sicim teorisi olmak üzere, kuantum kütleçekim teorisi geliştirmeye çalışan bütün kuramların işi zorlaşıyor.
Elektron Amerikan futbol topu gibi değil. Kusursuz küreye yakın.
Neden Planck sabiti ve ışık hızı gibi kozmolojik sabitler sabit? Neden ışık hızı saniyede yaklaşık 300 bin km? Peki elektron Higgs enerji alanıyla etkileşime girip nasıl kütle kazanıyor? Sonuçta Higgs alanı olmasa elektronlar tıpkı fotonlar gibi kütlesiz olurdu. Elektron derken soru soruyu açıyor:
Neden kütlesiz parçacıkların momentumu var? Yerçekimi ile momentum arasındaki ilişki nedir? Standart model ile yerçekimini nasıl açıklarız? Karanlık madde parçacıklarını bulduğumuz zaman bunları standart modele nasıl ekleyeceğiz? Standart model karanlık madde parçacıkları öngörmüyor!
Bu durumda süpersimetri var mı? Evrendeki bütün parçacıkların kendisinden daha ağır bir süpersimetrik eşi var mı? Örneğin nötrinonun süpersimetrik eşi nötralino gerçek mi?
Hepsi elektronun şekline bağlı: Öyleyse biz de elektronun şekline bakalım. Önce elektronun şeklini nasıl ölçtüğümüzü görelim. Sonra bunun mıknatıs ve sicim teorisini nasıl etkilediğine bakarak konuyu bağlayalım:
Ancak, mıknatısların iki kutuplu olması gibi elektronun da “uçları” olmalı.
Elektronun resmini çekmek
Mıknatısların kutupları var. Peki elektronun kutupları nerede? Tek parça olan elektron küre şeklinde ise, yani simetrikse manyetik kutupların oluşmasını nasıl sağlıyor? Manyetizma nereden geliyor?
Fizikçiler elektronun şeklinin biraz asimetrik olmasını umuyordu. Açıkçası Amerikan futbolu topu gibi kavun şeklinde olması gerektiğini düşünüyordu; ama yuvarlak olduğunu nasıl anladılar derseniz bunun iki yolu var ve biri de elli yıllık eski bir yöntem:
Elektron gözle görülemeyecek, yani ışıkta görülemeyecek kadar küçük olduğu için bu yöntemde elektronun şeklini dolaylı yollarla ölçüyoruz. Bunu görmek için Dünya’nın manyetik alanını elektronun şekline ve kutuplarına benzeten sayfanın başındaki ilk görsele dikkatle bakın.
Dünya yuvarlak, nerdeyse küre şeklinde ve uzayda dönerken yalpalıyor. Bilim insanları da bir elektronu izole edip biri negatif ve diğeri pozitif olan iki elektrotun arasına koyarak kendi çevresinde dönmesini sağlayan bir elektrik alanı ürettiler. Elektronun dönerken nasıl yalpaladığına bakarak şeklini ölçtüler.
50 yıldır yuvarlak çıkıyor
Bunun için de elektrona nötr atom ışınları göndererek baktılar; yüklü parçacıkların elektronu etkileyerek dönme şeklini bozmasını istemediler.
Sonuçta bir kürenin dönerken yalpalaması başka, Plüton’un takla atarak dönen yumurta şekilli çılgın ayları gibi oval cisimlerin dönme şekli bambaşka. Bu ilk ve basit deneyler elektronun yuvarlak olduğunu gösterdi.
Elektronu bombalayan ışınların elektron kütlesinden etkilenmesi ve bu sayede ışını oluşturan atomların hareketinde meydana gelen değişiklikler, elektronun nasıl yalpaladığının ölçülmesini sağladı. Özellikle de ışındaki değişikliklerin tekrarlanma hızı (frekansı) elektronun dipol momentini gösterdi.
Dipol moment nedir?
Mıknatısların iki kutbu varsa elektronun da iki kutbu olmalı; yani elektronun negatif elektrik yükü, içinde eşit olmayan biçimde, asimetrik dağılmış olmalı. Elektronun üst kısmında, elektronun ortalama yükünden biraz daha pozitif olan bir bölge ve alt kısmında da biraz daha negatif bir bölge olmalı. Bu sebeple elektron küresel değil de Amerikan futbolu topu şeklinde olmalı.
Elektron kuzey ışıklarından elektriğe kadar her şeyin temel parçacıklarından biri ve bu yüzden şeklini anlamak, evreni anlamak için önemli.
Oysa yuvarlak çıkıyor
Bu sonucu yeterli bulmayan fizikçiler elektronun şeklini daha kesin olarak ölçmek için yeni bir yöntem geliştirdiler ve bu kez tek bir elektron yerine elektron bulutlarını incelemeyi düşündüler. Böylece hafniyum flüorür iyonlarını aldılar (bunlar hafniyum ve flor atomlarından oluşan moleküllerdi).
Fizikçiler elektronların yalpalamasını ölçmek için hafniyum flüorürü iyonize ettiler; yani atomlardaki negatif yüklü elektron sayısının pozitif yüklü proton sayısından fazla olmasını sağladılar. Sonra da bunları dairesel bir elektrik alanında döndürdüler.
Bu da elektronların küçük daireler çizmesini sağladı ve bu sıradaki yalpalama davranışı da tahmin edebileceğiniz gibi yine küresel olduklarını gösterdi.
Üstelik bu sayede elektron yalpalamasını tam 0,7 saniye boyunca bozulmadan ölçtüler ki bu, önceki deneylerden 1000 kat uzun bir süreydi ve elektronun şeklinin 1000 kat kesin ölçülmesine imkan verdi. Elektron 10-27 mm ölçeğinde, yani mm’nin katrilyonda trilyonda biri ölçeğinde küreseldi!
Bununla birlikte, iyonize hafniyum flüorür moleküllerinde dönen elektronların diğer moleküllerdeki elektronların da dönmesini etkileyerek yalpalama ölçümlerinde hata payını yükselttiğini belirtelim. İşte 2013 yılından beri araştırmacılar yeni tekniklerle art arda ölçüm yaparak bu hata payını azaltıyorlar. Örneğin, daha çok sayıda atomu iki kat güçlü elektrik alanlarında döndürüyorlar.
Bütün bunlar kesinliği artırıyor
Bilim insanları bu deneylerle elektronun dipol momentinin, yani içsel elektrik yükü dağılımının ancak çok küçük bir farkla asimetrik olabileceğini gösterdiler.
Elektronun neredeyse kusursuz küre olması, hem şekilsel açıdan hem de elektriksel yük dağılımı açısından neredeyse kusursuz biçimde simetrik olması anlamına geliyordu.
Bu durum standart modelin öngörüsüne tümüyle uyuyor: Elektron içyapısı olmayan kusursuz bir nokta parçacıktır. Negatif yüklü olan, biraz açısal momentumu ve biraz da kütlesi olan bir nokta, özetle mini minicik bir mıknatıstır.
Elektronun yuvarlaklığı dönme ekseni üzerindeki yalpalamasına bakarak ölçülüyor. Küre ve kavun dönerken farklı şekillerde yalpalar.
Sorun da burada
Mıknatısların kuzey ve güney kutbu olduğunu, yani asimetrik olduğunu biliyoruz. Bu sebeple fizikçiler tüm kesin sonuçlara rağmen elektronun yüzde 100 simetrik olduğunu kabul etmiyorlar. Yük dağılımı çok az da olsa mutlaka asimetrik olmalı (Resme bkz: elektronun dönme eksinine göre asimetrik olmalı). Yoksa mıknatısların nasıl çalıştığını açıklayamayız.
Zaten dipol moment nedir ki?
Elektrik dipol moment ya da Türkçesi ile iki kutuplu kolcuk, elektronun dönme eksenine göre uzunlamasına asimetrik olarak dağılan elektrik yükünün torka maruz kalması demektir.
Tork derken de elektronun kendi çevresinde dönerken içindeki elektrik yük dağılımının uzunlamasına değişmesini kast ediyoruz. Zaten momentum da vektörel, yönsel bir özelliktir; ama görüyorsunuz işte, asimetrik yük dağlımı da elektronun Amerikan futbolu topu gibi asimetrik olmasını gerektiriyor.
Amerikan futbol topu da küresel İngiliz futbol topundan farklı döner; çünkü kürenin tersine uçları vardır ve merkezkaç kuvveti (yönsel momentum dağılımı), uçları olan bir şeyin dönüşünü kürenin dönüşünden farklı etkiler.
Bu mantığı elektrona uygularsak elektrik alanının, elektronun “uçlarından” daha fazla yansıma yaptığını ve bunun da kavun şekilli elektronun tıpkı gerçek kavun gibi takla atarak dönmesine yol açtığını görürüz.
Elektron ne kadar asimetrik? Dönme eksenindeki yalpalaması bunun sınırlarını bize gösteriyor. Resimde elektronun olası yamukluğu kolay görülmesi için abartılmıştır.
Elektron asimetrik olmak zorunda: Başka türlü standart model ile elektromanyetizmayı birleştiremeyiz ki kuantum elektrokromodinamiği ile aslında elektromanyetik kuvveti, kütleçekim hariç bütün diğer kuvvetlerle birleştirdik.
Elimizdeki en iyi teoriye göre elektron 10-40 mm ölçeğinde asimetrik; ama biz şeklini 10-31 mm’ye kadar ölçebiliyoruz. Bu durumda sorun ne? Bugün ölçemezsek yarın kesin olarak ölçebiliriz.
Öyleyse fizikçiler neden üzülüyor?
1) Henüz asimetrik elektron teorisini kanıtlayamadıklarına üzülüyorlar. Nasıl üzülmesinler? Dipol moment çok küçükse bugünkü teknoloji ile ölçemeyiz ve asimetriyi görmek için 30 yıl beklememiz gerekir. 2) Sicim teorisyenleri ise evrenin nasıl oluştuğunu açıklamak için süpersimetri özelliğine ihtiyaç duyduklarından, elektronun yeterince asimetrik çıkmamasına üzülüyorlar.
Kutup ışıklarının uzaydan görünüşü.
Elimizde 4 fizik kuvvetini birleştirerek tüm evreni tek denklemle açıklayan her şeyin teorisi yok. Olmadığı için de fizik yasalarını tanımlayan kozmolojik sabitleri aslında biz uyduruyoruz. Bunları formüllere kendimiz ekliyoruz. Max Planck da 1905’te kuantum fiziğini geliştirirken Planck sabitini (h) denklemlere elle ekledi.
Böyle fizik mi olur?
Fizik ancak böyle olur ve yine de sözdebilim değildir; çünkü doğaya bakıyor ve bazı ölçümler yapıyoruz. Bir takım kozmolojik sabitler buluyoruz. Fizik bilgimiz yetersiz ve elimizdeki denklemleri kullanarak bu sabitleri türetemiyoruz. Eksik denklemlerin fiziği doğru tanımlaması için doğada ölçtüğümüz kozmolojik sabitleri formüllere elle ekliyoruz.
Yerçekimi ile kuantum fiziğini birleştirmek isteyen sicim teorisyenlerinin ana sicim teorisinden türettiği bazı alternatif modeller ile diğer bazı alternatif teoriler ise elektron yuvarlak çıktığı ölü doğdu.
Bu teoriler standart modelin açıklayamadığı doğa olaylarını açıklamak için yapılan eklemelerdi. Elektron sanılandan çok daha simetrik çıktığı için bunların büyük kısmının yanlış olduğu anlaşıldı.
Kozmolojik sabitleri elle eklememize rağmen, evreni çok detaylı ölçemediğimiz için bu sabitlerde belirsizlik var. Biraz da bu belirsizlik yerçekimiyle kuantum fiziğini birleştirmeyi engelliyor. İşte bu alternatif teoriler, sabitlerin ölçemediğimiz basamaklarını tahmin ediyor: Örneğin 9,1345 yerine, 9,1345789 gibi tahminlerde bulunuyor. Bunlar yanlış çıktı.
Sonuç olarak fizikçilerle elektron arasında bir sevgi ve nefret ilişkisi var. Bir yandan küresel elektron estetik açıdan çok güzel. Öte yandan, standart model dışındaki teorilerle uyumsuz bir çirkin ördek yavrusu.
Ancak, tıpkı Rönesans çağının çirkinliği albenili çizerek kötülüğü eleştiren tablolarında olduğu gibi, elektronunun fizikçilerin algısındaki çirkinliğinin de bir güzelliği var. Bizi doğayı daha iyi açıklayan yeni teoriler geliştirmeye zorluyor bu uyumsuzluk. Sonuçta biz ne düşünürsek düşünelim, bilimsel teoriler deney ve gözlemlerin gösterdiği gerçeklere dayanıyor.
Siz de elektronun küresel şeklinin sicim teorisiyle neden uyumsuz olduğunu hemen okuyabilir ve hızınızı alamayarak elektron mikroskobik kara delik olabilir mi sorusuna bakabilirsiniz. Elektron bir yana, Dünya’daki 12 metrelik eksen kaymasının daha acil sonuçlarına da göz atabilirsiniz. Havalar soğumaya başlarken sıkı giyinin ama yeni bilgiler için gözünüzü açık tutun.
Elektronun yuvarlaklığı nasıl ölçüldü?
1Improved limit on the electric dipole moment of the electron