Katalog

NOBEL 2013 Fizik’in arkasında ne var? Ömür Akyüz, Boğaziçi Üniversitesi Emekli Fizik Profesörü Bu yıl Nobel Ödülüne, maddeye kütlesini verdiği ileri sürülmüş olan “Higgs Bozonu” olarak bilinen ve “Tanrı Parçacığı” olarak da adlandırılan atomaltı parçacığı önsöymüş olan Peter W. Higgs ve François Englert layık görüldü. Bu parçacık geçtiğimiz yıl CERN’de –çok büyük olasılıkla– varlanmıştı. 1500’lü yılların sonlarında Galileo’un yaptığı teleskobun büyültmesi herhangi bir büyük mağazadan alınabilecek ucuzca bir el dürbünününki kadardı, ama yeni bir alem açmağa yeterli oldu. Bu basit aygıtla Galileo Jüpiterin dört uydusu ve güneşte lekeler olduğunu –ki bu O’nu güneşin döndüğü vargısına götürdüğünü gördü. Daha çarpıcısı, Venüs gezegeninin evreleri olduğunu buldu; bu ise güneş sistemimizin Kopernikçil görünümüne, yani merkezdekinin dünya değil de güneş olmasının doğruluğu için güçlü bir kanıttı. İnsanlar daha iyi teleskoplar yaptıkça kozmosun karmaşık ve güzel yeni alemine ilişkin bilgimiz evrilmeye başladı. Şaşırtıcı nesnelerle –atarcalar, yıldızsılar, kara delikler– dolu koca bir evreni ve de kendi güneş sistemlerini içeren milyarlarca yıldızlı bir gökadanın parçası olan önemsiz bir noktanın sakinleri olduğumuzu farketmeye başladık. Teleskop birkaç ufak teknik değişiklikle içe, küçüklerin dünyasına çevirildi. Mikroskop, bu cümlenin sonundaki noktaya binlercesinin rahatlıkla sığacağı mikropların engin karmaşık alemini açığa çıkardı. Bu alem giderek genetiği, mikrobiyolojiyi, virüsleri ve mikroplardan yüzlerce daha küçüklerin yani atomların tuhaf yeni alemlerini içermeye başladı. Fenbilimcileri atomların davranışlarını açıklayabilmek için kuantum kuramını icat etmek zorunda kaldılar. Bu da 20. yüzyılın ekonomik çıktılarının büyük bir parçasını oluşturan yarıiletkenlere ve diğer teknolojilere götürdü. Bunlar iyi bir aygıtın güçleridir. Doğanın büyük kısmı görmek için ya çok küçük, ya çok uzak ya da çok silik olduğundan bilimsel ilerleme hep daha iyi aygıtların icadını gerektirdi. Bugün bilim dünyası yeni bir aygıtın, “Büyük Hadron Çarpıştırıcısı (LHC)”nın (1) tamamlanışına tanık olmakta. Bu ise ucuzca bir dürbün değil. Bunun, nesnelerin özeliklerinin büyültülmesine parçacık fiziği tarihindeki en çok kat artmayı –bir hesaba göre bugünkünün 500 kat ötesine– getireceği beklenmekte. LHC Cenevre yakınlarında, Fransa –İsviçre sınırına yakın CERN’de (Centre Européenne pour le Recherche NucléaireAvrupa Çekirdek Fiziği Araştırma Merkezi) bir parçacık hızlandırıcısıdır; 4,3 km yarıçaplı dev boyutlu bir yeraltı tüneli. Tünelde yeğin üstüniletken mıknatıslar protonları halka çevresinde dolandırmakta bunlar da muazzam enerjilere –en tepede 7 trilyon elektronvolt (2)– erişene dek çok yüksek voltajlarla hızlandırılırlar. Önümüzdeki birkaç ay içerisinde, teknisyenler koca makinaları sisteme bağlarken yüksek enerjili protonlar birbirleriyle çarpıştırılıp binlerce küçük parçacığa dağılmalarına yol açılır. Bunların kısa ve kararsız (yani geçici ç.n.) ömürleri çevredeki varlayıcılarda (3) kaydedilecek. LHC yapılan ilk hızlandırıcı değilse de en yüksek enerjiye erişecektir. Bunun anlamı şudur, içindeki çarpışmalar daha da müthiş olacak ve diğer çarpıştırıcılardakinden saniyde 100 kat daha çok çarpışma yaptırabilecektir. ZORUNLU KEŞİF Galile’nin teleskobunun yaptığına benzer olarak LHC de fenbilimcilerine çok küçükler ve dolaylı olarak çok büyükler aleminde yeni içgörüler sağlayacaktır. Fenbilimcileri LHC ile ne görecekler ki? Makinanın erişimi ve duyarlılığı yeni bir alemi, 21. yüzyılın bir armağanı olarak ortaya çıkarabilir. Ne tür bir âlem? Geçmişi beş yüzyıllık anlayış sayesinde Galileo’nun teleskobunun öngördüklerini sırlayabiliriz, ama LHC için böyle bir lüksümüz yok. Galileo’nun bir çağdaşı, teleskoptan gelişkin bir cep telefonuna nasıl ekstrapolasyon yapabilirdi ki? İnsanların şimdiki anlayışlarıyla Galileo’dan bu yana yapılan pek çok aygıt ve donanımın ortaya çıkarttığı pek çok âlemin harmanı açısından LHC sürprizler getirecek mi? Getirse iyi olur. Bu sıkı bütçe çağında binlerce bilimci, mühendis ve öğrencinin dünya çapında işbirliği olan LHC’nin maliyeti 8 milyar ABD doları olup ulusal bütçelerden ciddî parçalar içerir. Önümüzdeki onyıllarda LHC’nin olabilecek çarpıcılığını anlayabilmek için, yanıtlaması amacıyla yapılmış olduğu temel sorulara bakmak gerekir. Bu aygıtın fiziksel âlemin doğasına ne denli derinlemesine bakacağını yalnız parçacık fiziği lâbirentine birkaç adım atmayı deneyerek Yazının devamı 9. sayfada CBT 1388 13 /25 EKim 2013 hissedebiliriz. Şimdilerde karmaşıklık fizikçilerin sıkıntısıdır. Yakından baktıkça fiziksel âlem görünürde daha karmaşık ve işlenemez olur. Yüzyılın büyükçe bir kısmı kadar süre fizikçiler basit ve güzel bir kurama öykündüler, ama bunun yerine bulduğumuz sayıları artan parçacıklar ve birbirlerine uymayan bir kuvvetler bataklığıydı. Tıpkı televizyon, kayıt cihazı, DVD göstericisi vb. için ayrı ayrı kumanda cihazları olmak gibi. Asıl istediğiniz ise tek bir evrensel kumanda; fizikte ise bir herşeyin kuramı. LHC’nin böyle bir şeyi sihirle sağlayacağına kimse inanmıyor ama hiç olmazsa ortalığı biraz toparlamaya yardım edeceğini umuyoruz. Eğer uyumlu bir görüşümüz olabilseydi fiziğin şimdiki durumunu açıklamak kolay olurdu ama yapamıyoruz. Bunun yerine, yanıtlamak için LHC’nin yapıldığı sorulardan –her soru büyük bir yapbozun bir parçası olmak üzere– söz edelim. Soruları sıralarken yapbozun ana hatları biçimlenmeye başlar. Neden bu denli çok parçacık? Şimdiye kadar, her ikisi de LHC’den çok küçük Şikago’daki Fermilab’ın Tevatron’u ve CERN’in e+e– çarpıştırıcısı gibi çarpıştırıcılar fizikçilere atomların evrendeki en küçük en temel parçacıklar olmadığına ilişkin tanıtlar verdiler. Bu onur şimdi kuarklar ve leptonlar denilen daha da küçük parçacıklara veriliyor. (Tüm maddenin altı tür kuark ve altı tür leptondan kotarıldığına inanılmakta.) Bu yalnızca başlangıç; fotonlar, W’lar, Z’ler, tutçular (5) vb. de var. Bu neden bu denli karmaşık? Kuram fizikçilerinin giderilemeyen iyimserliği onları bu cesaret kırıcı karmaşıklığın altında güzel bir basitlik olduğu kanısına götürmekte. Kuramcıların umutları, kuramsal fikirler matematiksel olarak işlenirken simetri kavramının oynadığı görünen rolüyle kuvvetlenmektedir. Kaleidoskoplar hayret verici karmaşık desenler gösterirler, ama bunlar basit bir desen ve aynalar sistemiyle açıklanabilir. Fizikçiler LHC’nin aynalar karmaşasından doğan basit deseni görmelerine yardım edeceğini umutluyor. Evreni birarada tutan ne? Ayaklarımı yerde tutan kuvvet kütleçekimidir (6) ama bu, evrende var olan dört kuvvetten bir tanesidir. Bir diğeri elektromanyetizma olup bu bir çiviye tel dolayıp uçlarını pile bağlayarak bir elektromıknatıs yapan her öğrencinin tanıdığı bir şeydir. Elektromanyetizmanın hayatî rolü, kuarklarla leptonları birarada tutarak (7) atomları, atomları da bağlayarak molekülleri yapmasıdır. Atomun işi atomların çekirdeklerinde işleyen diğer iki kuvvetin –“yeğin” ve “zayıf” (8)– varlığıyla kolaylaştırılmıştır. Fizikçileri çıldırtan ise bu dört kuvvetin karışıp birleşememesi: kütleçekimi dışındakileri birleştiren kuramlar kurabildik. Elektromanyetik kuvvetin bir kuramı vardır. Bu başarılı önsöyümler (9) yapabilmektedir. Benzer olarak zayıf kuvvet için bir kuramımız olduğu gibi yeğin kuvvet için de doyurucu bir kuramımız var. Ağlatan gereksinim ise bu üç kuvveti birleştirirken kütleçekimini de içine alan bir kuram. (Bu ise çoktandır peşinde olunan –ama iyi adlandırılmamış olan– herşeyin kuramı olacaktır.) Sıradan insanlar için kütleçekimi apaçık bir gerçek olsa da kuram fizikçileri için sıkıntıyı azdırmaktadır. Diğer üç kuvvetin – yeğin, zayıf ve elektromanyetik (bu son ikisi de birleştirilmiş olup ortak adı elektrozayıf kuvvet. Ç.n.)– görünürde ortak bir kökeni varsa da kütleçekimi her şeyi batırmakta. Kütleçekiminin böylesi bir sıkıntı olduğunu kavrayabilmek labirentin derinliklerine biraz daha girmeyi gerektiriyor. Kuantum kuramına göre iki cisim arasındaki kuvvet (itici de çekici de) bir “kuvvet taşıyıcı” parçacık gerektirir. Birbirlerine top atıp tutan iki patenci düşünün. Ali topu fırlattığında geriye doğru irkilecektir, Gül ise topu tutunca gelişi yönünde irkilir. Çekim de benzer bir mekanizmayla olur. Patencilerin sırt sırta döndüklerini düşünün. Ali topu karşısındaki duvara yukarı doğru fırlatsın. Top duvardan tavana tavandan da Gül’ün baktığı duvara sıçrayıp ona gelsin. İkisinin de irkilmeleri birbirlerine doğru olacaktır! Topa –kuvvet taşıyan parçacık– bozon (10) denilir. Her kuvvet türü için bunlardan bir başkası vardır. Daha küçük çarpıştırıcılarda çalışan deneyciler kuarklar arasındaki, elektrik yüklü parçacıklar arasındaki ve de zayıf kuvveti taşıyan