En Sade ve Anlaşılır Biçimiyle Etrafınızda Olan Bitenin Daha İyi Farkına Varacağınız Evrenin Serüveni

Sözlük yazarı emrngz, evren hakkında bildiklerimizin sade bir anlatımla özetini paylaşıyor.
En Sade ve Anlaşılır Biçimiyle Etrafınızda Olan Bitenin Daha İyi Farkına Varacağınız Evrenin Serüveni
iStock.com

sizi, en sade ve anlaşılır biçimiyle görünmeyeni görmeye, etrafınızda olan bitenin farkına varmaya ve fiziğin kuantum boyutuna davet ediyorum. bu yazı, evren hakkında bildiklerimizin kısa özeti niteliğinde, ilk bölümdür.

evren hakkında bilinen her şey, doğru yere bakarak görmemizle başlar. görebilmemiz için ışık gereklidir. ışığı tanımlayabilmemiz içinse önce görmeyi tanımlayabilmemiz.

sahi ya, görme nedir?

bu soruyu soran ilk insanlar, gözümüzden ışınlar çıktığını, gördüğümüz nesnelere ulaşıp geri döndüğünü söylüyorlardı ama ibn-i heysem adında bir bilim insanı yıldızların, gözümüzdeki bir şeyin göz açıp kapatıncaya kadar gidip gelemeyeceği uzaklıkta olduğunu düşünüyordu.. çok haklıydı. heysem, öğlen vaktinde dışarıya, içerisi zifiri karanlık bir çadır kurdu. çadıra küçük bir delik açıp, ışığın delikten içeri süzüldüğünü, değdiği noktayı aydınlatıp görüntüyü oluşturduğunu keşfetti.


ardından, ışığın dikey çizgiler halinde hareket ettiğini, nesnelerden gözümüze dikey olarak yansıyan ışığın alanını görebileceğimizi söyledi. işte bu, görmenin insanlık tarihindeki ilk doğru tanımlarından biri sayılır.

bu olaydan yüz yıllar sonra bir gün isaac newton, bir cam parçası yardımıyla güneş ışığının veya gökteki beyaz ışığın, gök kuşağının bütün renklerinin bir karışımı olduğunu keşfetti. bu renklere spectrum (tayf) adını verdi. 


ışık, havada ya da uzayda hareket ettiği zaman renkleri de aynı hızda hareket eder ama belli bir açıyla cama çarptığı zaman ışık yavaşlar ve yön değiştirir. prizmanın içinde her renk farklı hızda hareket eder. camda en kısa dalga boyuna sahip mor ışık, en uzun dalga boyuna sahip kırmızıya göre daha çok yavaşlar. işte, hızlarındaki bu değişim renkleri birbirinden ayırır, dalgalarını hafifçe farklı yönlerine dağıtır. prizmanın işleyişi böyledir.


büyük bir keşifti bu, ama ışıkta daha önemli bir şey gizliydi. evrenin şifresi.. anahtarı.
newton, saklı bir evrenin kapısının önünden geçip gitmişti. bu kapı 150 yıl daha açılmayacaktı. bu keşif 1800 yılında başka bir bilim adamına nasip olacak, o da bizi çevreleyen görülmez alemlere dair bir bulguya rastlayacaktı.

william herschel, geceleri zamanının en büyük teleskobuyla gökyüzünü tarıyor, gündüzleri de deneyler yapıyordu. newton'ın önceki çalışmalarından gün ışığının farklı renklerin bileşimi olduğunu biliyordu. açık havaya çıkmış herkes de güneş ışığının ısı taşıdığını. herschel, ışıktaki bazı renklerin ötekilere göre daha çok ısı taşıyıp taşımadığını merak etti ve ışık spektrumunun farklı renklerine birer termometre koydu. 


spektrumun dışına, kırmızı rengin hemen sonuna koyduğu termometre ise onun kontrol aracıydı. yaptığı ölçümlerde kontrol termometresinin diğer termometrelerden daha yüksek sıcaklık ölçtüğünü gözlemledi. william herschel ışığın çıplak gözle göremediğimiz bir dalga boyunu buldu. buna infrared yani kızılötesi adını verdi.


görünür ışığın dalga boyu 380 nm ile 760 nm arasındadır. bu aralık, elektromanyetik tayfta kızılötesi ile morötesi arasına denk gelir. kızılötesinden kısa, morötesinden uzundur.


1814 yılında joseph von fraunhofer, ışık spektrumuna teleskopla bakmayı akıl eder. bu aynı zamanda ilk spektrometrenin icadıdır. fraunhofer, dalga boyları arasında 574 karanlık çizgi gözlemler. karanlık çizgilere sonradan fraunhofer çizgileri denilecektir. 

peki ama nedir bu çizgiler? kuantumun alanına gireceğimiz yer; tam burası. buraya tekrar geleceğiz..


önce, doğanın bizi büyüleyen renklerini inceleyelim.. kırmızı, mavi, yeşil, doğanın baş döndürücü paletindeki tüm renkler.. gerçekte ne oluyor, nasıl oluşuyorlar?

dünyadaki milyonlarca canlı türünün görme kabiliyetleri birbirlerinden farklılıklar arzeder. örneğin; yassı solucan sadece ışık kaynağının yönünü yaklaşık olarak tespit etmeye yarayan birkaç fotoreseptöre sahiptir. insan gözü ise, sahip olduğu 100 milyon civarı fotoreseptör ile, 1 dakikalık açı (1 derecenin 1/60'ı) hassasiyetinde yön analizi yapabilir ve çözünürlüğü yassı solucandan 4.000 kat daha yüksektir.

güneşten gelen değişik uzunluklardaki ışık dalgaları yer yüzüne çarpıyor, buradaki çiçeklerin taç yaprakları,

 
düşük enerjiyi yani ışığın uzun kırmızı dalga boylarını emiyor ama daha kısa olan yüksek enerjili mavi dalga boylarını yansıtıyorlar. ışıkla taç yaprağı arasındaki bu ilişkiden mavi renk doğuyor. bizim kırmızı olarak gördüğümüz en uzun dalga boyları en düşük enerjiye sahiptir. renkler, ışık dalgalarının enerjisini gözle algılama biçimimizdir. 

gün batımı, sevgilinizin gözleri ya da gıcır gıcır bir araba bunların yarattığı duygular, ışık dalgalarının frekansında ve enerjisinde olan değişim sonucu içinizde bir şeyin tetiklenmesiyle ortaya çıkar.

fraunhofer'ın spektrumundaki siyah çizgiler, onlar... neden oluyor?

bazı renklerin dalga boyları emildiği zaman bu çizgiler oluşuyor.


bu, farklı bir gerçeklik boyutunda oluyor. bizim gerçekliğimizden çok daha küçük bir yerde. oraya girebilmemiz için şimdikine göre 10 milyar kat daha küçülmemiz gerekir.
herhangi bir atomu seçebiliriz.. hidrojen atomunu ele alalım.


hidrojen evrende en bol bulunan atomdur ve de en basitidir. sadece bir elektronu vardır, bir de protonu
. bir atomda elektron sadece aynı yörüngede hareket etmez. bir yörüngede kaybolur, bir anda diğerinde belirir. bir asansör, 1. kattan 5. kata çıkarken 2. katta kaybolup 5. katta belirmesi gibi.. buna kuantum sıçraması denir. 


bir elektronun yörüngede hareket etmesinin protonun yörüngesel çekim kuvvetiyle alakası yoktur. bu, elektriksel çekim sebebiyle olur.


yörünge ne kadar genişse, elektron enerjisi de o kadar yüksektir. elektron enerji toplaması halinde daha geniş bir yörüngeye, enerji kaybetmesi halinde de daha küçük bir yörüngeye sıçrar. her yukarıya sıçrayışın sebebi de atomun ışık dalgası emmesidir. ancak, aşağı sıçramaların sebebini tam olarak bilmiyoruz ama şunu biliyoruz: bu sıçrayışlar, rengi yörüngeler arası enerji farkına göre değişen bir ışık dalgası yaratıyor.

joseph von fraunhofer'ın yaptığı gibi spektrumu bir teleskop yardımı ile büyütürseniz, perdenin ardında atomdaki elektronun yaptığı dansı görürsünüz. elektron, enerjisi azalıp küçük bir yörüngeye düştüğünde yaydığı ışık dalgası bölünür. bunların çoğu bize ulaşmaz. spektrumda karanlık bir boşluk veya siyah dikey bir çizgi bırakır. bu karanlık çizgiler, hidrojen atomunun güneşin atmosferinde oluşturduğu karanlık gölgelerdir. sodyum atomları değişik gölgeler oluşturur ya da başka bir atom daha başka. biz bu sayede çok uzak gezegenlerin spektrumlarına bakarak gezegenin hangi elementlerden oluştuğunu kesin olarak bilebiliyoruz. spektrum çizgileri uzaktaki cisimlerin yapısını ortaya çıkarmakla kalmadı; bize doğru veya bizden uzağa hareketlerini de gösterdi. onlar sayesinde evrenin genişlediğini keşfettik ama belki de spektroskopinin en büyük buluşu: göremediği bir şeyin varlığını ortaya koymasıydı. karanlık maddeyi..

aynı zamanda evrenin yaşı ve boyutu da ışıkta yazılıdır. gözlemleyebildiğimiz en uzak ışığın merkezden uzaklığını hesaplayıp, ışığın bir yılda aldığı yola böldüğümüzde bilinen evrenin yaşını hesaplayabiliyoruz. bu, bilinen evreninin sınırlarını çizmemize de yardımcı oluyor ama tek yöntem bu değil.. ışık konusunu terk etmeden ışıkla bağlantılı bir, iki konuya daha değinmek istiyorum.

ışığın, dalga boylarından oluştuğunu biliyoruz. ya dalga boyları: (bkz: foton)


fotonun modern kuramı albert einstein tarafından açıklanmıştır. einstein'ın buna ihtiyaç duyma nedeni: yaptığı gözlemlerin klasik ışığın dalga modeli ile tam olarak açıklanamamasıdır.

foton, fizik biliminde elektromanyetik alanın kuantumu, ışığın temel birimi ve tüm elektromanyetik ışınların kalıbı olan temel parçacıktır. foton ayrıca elektromanyetik kuvvet'in kuvvet taşıyıcısıdır. bu kuvvetin etkileri hem mikroskobik ölçülerde, hem de makroskobik ölçülerde çok rahat bir şekilde gözlemlenebilir. çünkü foton herhangi bir durağan kütleye sahip değildir ve bu durum uzak mesafelerde etkileşimlere izin vermektedir. diğer bütün temel parçacıklar gibi foton da kuantum mekaniği ile yönetilir ve dalga parçacık ikiliği gösterir. bu durum fotonun hem dalga hem de parçacık özelliği gösterdiğini gösterir. örnek olarak: herhangi bir foton bir mercek tarafından kırılıma uğrayabilir veya dalga girişimi özelliği gösterebilirken ayrıca sayısal kütlesi ölçüldüğünde parçacık gibi davranabilir.

ışığın parçacıklardan oluştuğu fikrini ilk kez ısaac newton ortaya koydu. sonraları ışığın dalgalardan oluştuğu düşüncesi yayıldı.ta ki max planck bazı deneylerinde ışığın tanecikmiş gibi davrandığını farkedinceye dek. ışık sanki devamlı dalgalar değil de, enerji paketcikleri gibi geliyordu. einstein ve planck bu enerji paketlerini ışık kuantumu veya foton olarak adlandırdılar. fotonlar sanki birer parçacıklarmış gibi davranıyordu. izafiyet teorisine göre, bir parçacığın ışık hızında gidebilmesi için kütlesinin sıfıra eşit olması gerekiyordu. demek ki ışığın enerjisi sadece kinetik enerjiydi; kütlesinden kaynaklanan hiçbir enerjisi yoktu. einstein o güne dek açıklanamamış olan fotoelektrik olayını bu kavramla açıkladıktan sonra, bilim adamlarının ağzında yeniden 'ışık nedir?' sorusu gündeme gelmişti. eğer ışık dediğimiz olgu parçacıklardan oluşuyorsa, frekans veya dalgaboyunun ne anlamı var acaba? aslında sorulması gereken en iyi soru: "ışık gerçekten nedir?" cevap, 'hem dalga, hem parçacık ışığın bazı özellikleri sadece dalga mantığı ile açıklanırken, bazı özellikleri ise sadece foton konsepti ile açıklanabiliyor (fotoelektrik olay veya atomların enerji soğurması ve salması gibi). fotonların en bariz özelliklerini şöyle sayabiliriz: durgun kütlesi sıfırdır; ışık hızıyla gider; etkileşimlere parçacık olarak girebilir ancak dalga olarak yayılır; e=h x f, p=h/l ve e=pc bağıntılarına uyar; kütlesi sıfır olduğu halde, diğer parçacıklar gibi kütle çekiminden bile etkilenir.

tam da burada bir soru daha geliyor.. peki ama fotonun varlığını nasıl gözlemleye biliriz?
(bkz: schrödinger'in kedisi)

fakat ben bu konuda buradan ilerlemeyeceğim. her şeyi bir kez daha olabildiğince sadeleştiriyorum. 2012 yılında nobel ödülü almış serge haroche ve david wineland tanımıyla devam ediyoruz. tek bir fotonu yakalamak (videonun türkçe alt yazı seçeneği mevcut)


bu da tamamsa, bilmemiz gereken son bir şey daha: (bkz: nötrino)

nötrinoların direkt olarak ışıkla bağlantısı yoktur. nötrinolar, süpernova patlamalarıyla, belirli atom bozulmalarında veya güneşteki nükleer reaktörlerde ya da kozmik ışınlar atomlara çarptığında oluşan nükleer reaksiyonlar sonucu gibi belirli olaylarda açığa çıkarlar. nötrino, ilk olarak 1930'da (o dönemde nötronun bu etkileşimin parçası olduğu bilinmiyordu) wolfgang pauli tarafından çekirdekte meydana gelen ve sonucunda 1 elektron, 1 proton ve 1 karşı-nötrinonun açığa çıktığı beta bozunmasında kütlenin korunumu yasası, momentumun korunumu yasası ve açısal momentumun korunumu yasasının sağlaması için öngörülmüştür. kısaca, wolfgang ve yasa diyordu ki: "enerji yoktan var edilemez ve yok edilemez sadece bir şekilden diğerine dönüşür."

süpernovalar, yaşlı yıldızların sıkışarak çok büyük bir enerjiyle patlaması olarak tanımlanabilir. bir süpernova, içinde bulunduğu galaksiden bile daha parlaktır. 1054'teki bir süpernova patlamasının artıklarından oluşan yengeç bulutsusu bu patlamada ortaya çıkan ışık, açığa çıkan enerjinin ancak %1 dir.


enerjinin geri kalanı evrenin en yaygın ve en gizemli parçacıkları olan nötrinolara geçer. nötrinolar, ışık hızıyla hareket ederler; bizi ilgilendiren kısmı da tam olarak budur. bir nötrino, 100 ışık yılı boyundaki çeliğin içinden hiç yavaşlamadan geçip gider, neredeyse hiçbir maddeyle etkileşime girmezler. minicik elektronun kütlesi bile nötrinonunkinden 1 milyon kat daha fazladır. bu özellikleri nötrinoların algılanmasını oldukça zorlaştırmaktadır. güneşten yayılan çoğu nötrino dünya'ya ulaşır. saniyede dünya yüzeyinin güneşe dik olan cm² başına yaklaşık 65 milyar nötrino ulaşır. nötrinonun sıradan bir maddenin parçacığıyla çarpıştığı, nadir zamanlarda halka şeklinde hayaletimsi bir ışık parlaması meydana gelir. burası bu ışığı yakalamak için japonya'da yerin 800 metre altına kurulan super-kamiokande araştırma merkezi.


raymond davis jr. bu alanda öncü olan kozmik nötrino üzerine çalışması ile ve masatoshi koshiba süpernova nötrinosunu ilk bulgulayan kişi olarak 2002'de fizik nobel ödülü almışlardır. güneş nötrinosunun ve 1987'de sn 1987a süpernovası nötrinolarının bulgulanması ile nötrino astronomisi alanı başlamıştır. koskoca bir evrenin sırları, nasıl ışığın içine saklanmışsa.. gelecekte nötrinolar da bize evrenin geri kalanının sırlarını gösterebilir.. gözümüzü daha henüz açtık.

devam edecek..