FİZİK FORUM

       FİZİKTE YENİ GELİŞMELER                                              ANA SAYFA 

        Mehmet Taşkan’ın kitapları: “Fizik Evreni” , “Fizikte 10 Teori” . Kaçırmayın…

 

 

 

 

 

FİZİK TARİHİNE BAKIŞ… 

            Fizik; doğadaki ve evrendeki olayları kuvvet, enerji..vb kavramlar kullanarak inceleyen bir bilim dalıdır. İncelediği konulara göre; mekanik, elektrik, optik, elektromanyetik, termodinamik, …gibi alt dallara ayrılır. Bu alt dalların da alt dalları vardır. Örneğin mekanik; klasik mekanik ve kuantum mekanik olmak üzere iki bölümde; klasik mekanik ise statik, dinamik ve kinematik olmak üzere üç bölümde; kuantum mekaniği ise genel olarak göreli olmayan (non-relativistics) ve göreli (relativistics) şeklinde iki biçimde ele alınır. Diğer elektrik, optik, elektromanyetik..gibi fiziğin alt dallarının da kendi içinde çeşitli alt dalları vardır. Hatta bazı dalların bileşiminden yeni fizik dalları oluşmuştur. Örneğin; elektrikle mekaniğin birleşmesinden elektro-mekanik, elektrikle optiğin birleşmesinden elektro-optik, elektrikle manyetizmanın birleşmesinden elektromanyetik…gibi fizik dalları oluşturulmuştur. Bunların dışında incelediği konulara göre başka adlandırma biçimleri de vardır. Örneğin; atomları inceleyen atom fiziği, molekülleri inceleyen molekül fiziği, katıların yapısını inceleyen katıhal fiziği, sıvıların yapısını inceleyen sıvıhal fiziği,  temel parçacıkları (leptonlar ve kuarklar) inceleyen yüksek enerji ve parçacık fiziği, evrenin yapısını inceleyen kozmoloji…vb dir

            Fizik, kendi adıyla  olmasa da, insanlığın varlığından bu yana çeşitli disiplinlerin içerisinde var olmuştur. Fizik genel olarak 16. yüz yıla kadar felsefenin içerisinde yer almış (MÖ 3000 yıllarından 17.yüzyıla kadar astronomi ve geometrik optik ayrı dallar olarak yer almış), önce Galileo, sonra Newton ile bir bilim dalı haline gelmiştir. Galileo’dan sonraki fizik artık hem teori hem de deneye dayalıdır. 17. yüzyılda Newton, klasik mekaniğin temel kanunlarını ortaya atmış ve fizikteki matematiksel çözümlemelerin yapımında kullanılan “integral” yöntemini geliştirmiştir. Bundan sonra fizik, 19.yüzyılın sonlarına kadar Newton fiziği olarak kalmış, Euler, Reeman… gibi bilim insanları tarafından  üzerine bir takım eklemeler yapılmış ancak özde her hangi bir değişiklik yapılmamıştır.

            20.yüzyıla kadar Newton fiziği sarsılmaz sanılıyordu, fakat 1900 yılında Max Planck kuantum teorisini, 1905’de Albert Einstein özel görelilik teorisini yayınladığında durum değişmiş, Newton fiziği sarsılmıştır. Newton fiziğine göre hız için belli bir sınır yoktur ve zaman mutlaktır. Oysa, Einstein ışık hızından büyük hızın olmadığını, ışık hızına yakın hızlarda zamanın yavaşladığını belirtmiş ve bu 1920’den sonra deneylerle ispatlanmıştır. Kuantum teorisi ise enerjinin Newton mekaniğindeki gibi sürekli değil, kesikli yani paketler halinde (kuantumlu) olduğunu öne sürmüştür. Kuantum teorisi atomik düzeydeki olaylar için deneylerle tam bir uyum içindedir (Newton mekaniği değil). Kuantum fiziğinde, Newton fiziğindeki gibi “kesinlikten” değil, “belirsizlikten” (olasılıktan) söz edilir.

1915’de Einstein “genel görelilik teorisini” yayınladı. Bu teori “kütle çekiminin doğasını” açıklamaktadır ve oldukça karmaşık bir matematiğe sahiptir. Genel görelilik; ışığın büyük yıldızların yanından geçerken sapmasını, evrenin oluşumuyla ilgili “big-bang teorisini” ve kara delikleri açıklamaya öncülük etmiştir.

1930’lu ve 40’lı yıllarda atom ve molekül fiziği ve nükleer fizikte birçok yöntem ve buluşa sahne olmuştur. 1944’de yapılan atom bombası; zincirleme çekirdek reaksiyonlarına ve fiziğin savaşlara-dolayısıyla ölümlere-etkisinin bir göstergesi olmuştur. Fizikçiler 1960’lı yıllarda uzay çalışmalarına, uydu yapımlarına önem vermiş ve 1969’da Ay’a ayak basılmıştır. 1970’li ve 80’li yıllar parçacık fiziğinde büyük buluşlara sahne olmuştur. Yine 1970’li yıllarda katıhal fiziği ve elektronik alanında “entegre ve mikro-çip” çalışmalarına önem verilmiş ve bunun sonucunda bilgisayarlar geliştirilmiştir. 1990’lı ve 2000’li yıllar fizikçileri için yeni bir teori, her şeyin teorisi “sicim teorisi” üzerine çalışmaya itmiştir.

            2005 yılı 1905 Einstein’in özel görelilik teorisine atfen “DÜNYA FİZİK YILI” ilan edildi. Amacımız fiziği sizlere sevdirip, dünya fizik yılının fiziğe yakışır biçimde kutlanmasına, fiziğin savaşa değil “barışa” hizmet etmesine katkıda bulunmaktır…

       Mehmet TAŞKAN                                          ANA SAYFA                    FİZİKTE YENİ GELİŞMELER

      Mehmet Taşkan’ın kitapları: “Fizik Evreni”  , “Fizikte 10 Teori” . Kaçırmayın…

CASİMİR ETKİSİ

       Bundan yaklaşık 50 yıl önce fizikçi Hendrik Casimir, mikro-makinelerden birleşik doğa teorilerine kadar her şeyi etkileyebilen, bir vakumda (boşlukta) iki yüzey arasındaki çekme kuvveti olabileceğini önerdi.

      Boşlukta iki aynayı bir biriyle yüz yüze ve küçük aralıklı duruma getirirseniz ne olur? İlk reaksiyonunuz “hiçbir şey” olabilir. Fakat gerçekte, her iki ayna, basit vakum sonucu birbirini karşılıklı olarak çekerler. İşte bu etkiyi Hollandalı teorik fizikçi Hendrik Casimir 1948 yılında, Eindhoven’da  Philips Araştırma Laboratuvarı’nda, tüm nesnelerde colloidal çözeltiler üzerine araştırma yaparken bu fenomeni önerdi. Bu colloidal çözeltiler; mikron boyutlu parçacıklar içeren bir sıvı karışımında, boya ve mayenozda olduğu gibi, viskoz materyallerdir. Böyle çözeltilerin özellikleri nötral atomlar ve moleküller arasında mevcut olan, uzun erimli ve çekici Wan der Waals kuvvetleri tarafından belirlenir.

     İki ayna arasındaki kuvvet Casimir kuvveti olarak, bu  fenomen ise Casimir etkisi olarak bilinir.  Casimir etkisi yıllarca teorik merak konusu oldu. Bu fenomene ilgi son yıllarda daha da arttı. Deneyci fizikçiler, mikro-makinelerin çalışmalarını etkileyen Casimir kuvvetini, çok duyarlı ölçüm aletleri geliştirerek, gözlediler.  Bu konuda temel fizik tarafından yeni atılımlar da yapıldı. Bir çok teoriysen, 10 veya 11 boyutlu temel kuvvetlerin bileşik alanlar teorisinde “büyük” fazladan boyutların varlığını öngörmektedir. Onlar, bu boyutların, milimetrenin altındaki uzaklıklarda, klasik Newton kütle çekimini değiştirebileceğini söylüyorlar. Casimir etkisinin ölçümü, çok daha sonra, böyle radikal düşünceleri test etmek için fizikçilere yardımcı olabilir.

     Casimir kuvveti her ne kadar tam bir karşı-sezgi gösterirse de, gerçekte iyi anlaşılır. Klasik mekaniğin ilk zamanlarında vakum düşüncesi oldukça basitti. Vakum, bir kabın tüm parçacıklarının (içindeki gazın) boşaltılıp sıcaklığının mutlak sıfıra indirildiği durumdur. Kuantum mekaniğinin gelmesiyle vakum anlayışı tamamıyla değişti. Belirli elektromanyetik alanlarda tüm alanlar (parçacıklar) titreşim yaparlar. Bir başka deyişle, bir sabit etrafında aktüel değeri değişen,  verilen her hangi bir moment, bir ortalama değere sahiptir. Mutlak sıfırda bile, kusursuz bir vakumda bile, bir fotonun yarı enerjisine karşılık gelen ortalama enerjide, “ vakum salınımları (titreşimleri) “ olarak bilinen salınımlar mevcuttur.

Bununla birlikte, vakum salınımları bir fizikçinin zihninde soyut değildir. Onlar, makroskopik ölçekli deneylerde doğrudan canlandırılabilen, gözlenebilir sonuçlara sahiptirler. Örneğin, uyarılmış seviyedeki bir atom uzun süre uyarılmış kalamaz, kendiliğinden foton salarak taban durumuna geri döner. Bu fenomen vakum salınımlarının bir sonucudur. Bir kurşun kalemi parmağınızın ucunda dik durdurmaya çalışın. Eğer eliniz tamamen kararlı ise kalem orada duracak (kalacak), değilse denge bozulacaktır. Fakat çok-çok zayıf bozulma (sapma), kalemi daha kararlı bir denge konumuna getirecektir. Benzer olarak, vakum salınımları uyarılmış bir atomun taban durumuna inmesine sebep olur.

     Casimir kuvveti vakum (boşluk) salınımlarının en çok tanınmış mekanik etkisidir. İki ayna arasında bir boşluk olduğunu düşünün (şekildeki gibi). Tüm elektromanyetik alanlar çok farklı frekansları içeren bir karakteristik “spektrum”a sahiptir. Serbest bir vakumda tüm frekanslar eşit öneme sahiptir. Fakat boşluk (oyuk) içerisinde, aynalar arasında ileri-geri yansıyan alanda, durum farklıdır. Alan, boşluk içerisine, yarım dalga boyunun tam katları, tam olarak uyabiliyorsa çoğaltılır. Bu dalga boyu “oyuk (boşluk) rezonansına” karşılık gelir. Diğer dalga boylarında, aksine, alan zorlanır. Vakum salınımları ya zorlanır ya da frekansın boşluk rezonansına karşılık gelip gelmediğine bağlı olarak yükselir. 

    Casimir etkisinin tartışmasında önemli bir fiziksel nicelik de “alan radyasyon basıncı”dır. Her alan-vakum alanı bile-enerji taşır. Tüm elektromanyetik alanlar uzayda yayılırken, akan bir nehrin etrafındaki ve önündeki şeylere basınç uyguladığı gibi, yüzeylere basınç uygular. Bu radyasyon basıncı ve elektromanyetik dalganın frekansı enerjinin artması ile artar. Oyuk içindeki radyasyon basıncı, bir oyuk rezonans frekansında, dış kısımdakinden daha güçlüdür ve bundan dolayı aynalar bir birinden uzağa itilirler. Rezonans dışında, tersine, oyuk içerisindeki radyasyon basıncı dışarıdakinden daha küçüktür ve bundan dolayı aynalar birbirine doğru çekilirler.       

    Dengede, çekme bileşenleri itme bileşenlerinden azıcık daha güçlü etkiye sahiptir. Kusursuz iki paralel düzlem ayna için, Casimir kuvveti çekicidir ve bu yüzden aynalar bir birlerini çekerler. Kuvvet, F; kesit alanı A ile doğu, aynalar arasındaki uzaklığın dördüncü kuvveti (üssü) d4 ile ters orantılıdır. Bu geometrik niceliklerden ayrı olarak kuvvet, ışık hızı ve Planck sabiti gibi temel değerlere de bağlıdır.

     Casimir kuvveti birkaç metre uzaklıktaki aynalar için son derece küçük olarak gözlenirken, uzaklık mikronluk düzeyde iken ölçülebilir basmaktadır. Örneğin, alanı 1 cm2 ve aradaki uzaklık 1 mm olan iki ayna yaklaşık 10-7 N’luk bir Casimir kuvvetine sahiptir, ki bu kuvvet çapı yarım milimetre olan bir su damlasının ağırlığı kadardır. Bu kuvvet her ne kadar küçük gözükse de, bir mikrometrenin altındaki uzaklıklarda, iki nötr obje arasında en güçlü olur. Gerçekten de, 10 nm (nanometre) aralıklı, tipik bir atom boyutunun yaklaşık 100 katı, Casimir etkisi 1 atmosfer basınsının eşdeğeri basınç üretir.

     Her ne kadar günlük yaşamımızda böyle küçük uzaklıklar ile ilgilenmesek de, onlar “nano yapılı ölçekler” ve “mikro-elektromekanik sistemlerde” önemlidir. Bunlar, mikro boyutlu mekanik elemanlar ve hareketli parçalarda, bir silikon örneğini küçük parçalara bölen akıllılıktadır. Elektronik bileşenler bilginin ilerlemesi için cihaz üzerine bağlanır, ki o, mekanik parçaların hareketini algılar ve sürdürmesini sağlar. Mikro-elektromekanik sistemlerin bilim ve teknolojide mümkün bir çok uygulama alanı vardır. Örneğin, bugün bunlar otomobillerde “air-bag basınç sensörleri” olarak kullanılmaktadır.

Aralarındaki uzaklık d ve yüzey alanı A olan iki plaka arasındaki Casimir kuvveti   F=(πhc/480)(A/d4 )  bağıntısıyla hesaplanır. Burada h Planck sabiti ( 6,62.10-34J.s ), c ışığın boşluktaki hızı ( 3.108 m/s ) dır.  Bu küçük kuvvet, 1996 yılında  Steven Lamoreaux tarafından %5 deneysel hata  ile ölçülmüştür.

        Fotondan başka parçacıklar da küçük bir etki ortaya çıkarır, fakat sadece foton kuvveti ölçülebilirdir. Fermiyonlar itici bir etki oluştururken, fotonlar gibi tüm bosonlar, çekici Casimir kuvvetini oluştururlar. Eğer elektromanyetizmada süpersimetri olsaydı, o zaman fermiyonik fotonlar da var olacaktı. Bu durumda fotonların itme çekme etkisi bir birini yok edecek ve Casimir etkisi olmayacaktı. Gerçekte Casimir etkisinin varlığı gösterir ki; doğada süpersimetrinin olması bir simetri kırılmasını gerektirir.

       Teoriye göre; vakumda “toplam sıfır nokta enerjisi, tüm olası foton modları üzerinden toplam alındığında sonsuz olur. Casimir etkisi; sonsuzlukların götürülmesinde, bir enerji farkından meydana gelir. Vakum enerjisi, gravitasyonel (kütle çekim) etkileşmeden dolayı, “kuantum kütle çekim teorisinde” bir bilmecedir.  Kütle çekim teorisi uzay-zamanın eğriliğine sebep olan büyük bir “kozmolojik sabit” ortaya çıkarır. Bu uyuşmazlığa çözüm, kuantum kütle çekim teorisinden beklenmektedir.

Mehmet TAŞKAN

Kaynaklar:

1)H.B.G. Casimir, Proc. Kon. Ned. Akad. Wetensch. B51, 793 (1948)

2)S. Lamoreaux, Phys. Rev. Lett., 78, p5 (1996).

3)K A Milton 2001 The Casimir Effect: Physical Manifestations of Zero-point Energy (World Scientific, Singapore) Buy the book: Amazon UK/Amazon US .   Subscribe to Physics World << Previous Physics World September 2002 Next >> physics world alerts .

          ANA SAYFA                    FİZİKTE YENİ GELİŞMELER         

  Mehmet Taşkan’ın kitapları:  “Fizik Evreni”  , “Fizikte 10 Teori”  . Kaçırmayın…

 

BÜYÜK BİRLEŞTİRME VE UZAK ÖLÇEKLER

         Fizik hakkında hatırlanan en önemli şeylerden biri uzaklık ve enerji ölçeğine bağlı olarak doğanın farklı görünümde olmasıdır. Planck sabiti ve ışık hızı gibi fiziksel sabitler; gerçekte değişmeye başlayan gözlemlenebilir fiziği, ve matematiksel fizik denilen farklı bir tanımlama yolunu, enerji yada büyüklük bakımından bize söyleyen değerlere sahiptir.

A) ÖZEL GÖRELİLİK

            Fiziksel sabitlere ilk örnek ışığın hızının boşlukta c=3x108 m/s         olmasıdır. Bir fiziksel sistemde, ki orada tüm hızlar, ışık hızından çok çok yavaş hareket eden maddeler sistemi, genellikle klasik Newton fiziği ile çok iyi bir şekilde tanımlanabilir. Sitemde biraz önemli olan hız ışık hızına yaklaşmaya başladığında, Newton tanımlaması son derece uygunsuz kalır, ve sistem bu durumda Einstein’in özel görelilik teorisinin matematiği kullanılarak, tamamen göreli terimlerle tanımlanmalıdır.    

B) KUANTUM FİZİK

            20.yüzyılda açığa çıkan en önemli sabitlerden biri Planck sabitidir, h=6,62x10-34 kg.m2/s. Bu sabit, klasik fiziğin anlamını yitirdiği, bir kuantum tanımlamanın gerekli olduğu, uzaklık yada momentum ölçeği hakkında bize bilgi sunar. Planck sabiti, de Broglie dalga boyu formunda, bir fiziksel nesne içinde kuantum fiziğinin dalga/parçacık ikilemin ölçülebilir olduğunu bize söyler. P momentumlu bir parçacığın de Broglie dalga boyu l=h/p dir.  Kuantum dalga parçacık ikileminde (duality), nesnenin p momentumunun büyüklüğü onun de Broglie dalga boyundan daha küçük ise, o zaman kuantum dalga girişimi yeteri kadar ölçülebilir olur, öyle ki klasik fizik bu nesnenin davranışını iyi bir şekilde tanımlamayı başaramaz.

            Planck sabiti son derece küçük bir sayıdır. Örneğin; hedefine doğru hareket eden bir top mermisine ya da füzeye eşlik eden “de Broglie dalga boyu” oldukça küçük olur. Bu durumda mermi parçacık olarak tanımlanır. Ancak bu atomik boyutta bir hareket olsaydı o zaman dalga+parçacık olarak tanımlanırdı (kuantum mekaniği).  

C) ATOM FİZİĞİ

            Elektronun kütlesi ve yükünü birbirine bağlayan Planck sabiti, hidrojen atomunun ortalama büyüklüğünü bize anlatan rB=h2/(4p2m.e2)=0,52x10-10metre şeklinde Bohr yarıçapı denen fizikte bir diğer önemli sayıyı verir. Fizikte tanımlama yapmak için en iyi yol olan Bohr yarıçapı, bir klasik elektromanyetik alanda, göreli olmayan kuantum mekaniğini kullanarak, atom fiziğinde uzaklık ölçeği tanımlar.

D) TEMEL PARÇACIK FİZİĞİ

            Temel parçacık fiziğinde, elektromanyetizma, güçlü ve zayıf nükleer kuvvetler kuantum mekaniği ve göreliliğin bir kombinasyonu olan, “göreli kuantum alan teorisi” ile tanımlanır. Bu üç kuvveti karşılaştırmak için önemli sayılara, ilgili kuvvetin yoğunluğunu ölçen boyutta, etkileşme sabitleri denir. Elektromanyetizma için, etkileşim sabitine “ince yapı sabiti a denir; ve bu Planck sabiti , ışık hızı ve elektron yükünün bileşiminden oluşur.

aEM=2pe2/(hc)=1/137. Bu sabit, birimsiz bir sabittir. Yani bu boyutsuz bağlanma sabiti anlamındadır. Işık hızı ve elektron yükü ile Planck sabitinin birleşimi, kuantum göreli elektromanyetizma fiziğini bize anlatan bu birleşme sabiti aracılığıyladır, yani; o, aynı zamanda fizik için her ikisi de önemli olan kuantum mekaniği ve özel görelilik, uzak ölçeklerde elektromanyetizma hakkında bize  bir şeyler anlatır.  Kuvvetli ve zayıf nükleer etkileşmeler için boyutsuz birleşme sabitleri de vardır. Onların bağıl şiddet ve etki mesafeleri aşağıdaki tabloda karşılaştırılıyor.

kuvvet

sembol

şiddet

erim

Güçlü nükleer kuvvet

as

1/3

10-15 m

Zayıf nükleer kuvvet

aW

1/30

10-16 m

Elektromanyetik kuvvet

aEM

7x10-3

sonsuz

aw ile ölçülen zayıf nükleer kuvvet gerçekte zayıf değildir, fakat en kısa erimlidir, çünkü ayar bozonları çok ağırdırlar ve kısa ömürlüdürler, bu yüzden onlar daha hafif parçacıklara bozunmaksızın çok uzaklara gidemezler. Güçlü çekirdek kuvvetleri; atomun çekirdeğine nötronları ve protonları bağlar, ayrıca nötronları, protonları ve diğer hadronları da kuarklara bağlar, fakat kuarkın hapsolmasından dolayı, güçlü kuvvet çok kısa erimlidir.

E) KENDİLİĞİNDEN SİMETRİ KIRILMASI

            Fizikçiler, nötronun protona, elektrona ve nötrinoya bozunmasından, ki buna  “beta bozunması” denir, sorumlu “zayıf etkileşim” ile göreli kuantum alan teorisini bağdaştırmakta başlangıçta çok zorluk çektiler. Zayıf etkileşimin çok kısa erimi; “aracı ayar bozonunun” çok ağır olması gerektiğini belirtmekteydi. Fakat kuantum göreli ayar alan teorileri sadece, ayar bozonunun kütlesi sıfır ise, anlamlı olarak gözükmekteydi. Paradoks, kuantum teorisini matematiksel olarak tutarlı yapan simetrilerin bozulmaksızın çok ağır olabilen zayıf etkileşim ayar bozonlarını oluşturan “Higgs” denilen özel  bir tip bağlaşım parçacığının keşfedilmesiyle çözüldü. Ayar bozonları ve Higgs parçacıkları arasındaki bu etkileşime “kendiliğinden simetri kırılması” denir. Bu, teorinin simetrisinin hala orada var olduğu , tamamen teorinin etkileşimleri içinde saklı olduğu anlamındadır.  Kendiliğinden simetri, onun kendisi ile Higgs parçacıklarının kuantum etkileşmeleri ile tanımlanmış birkaç enerji ölçeğinde meydana gelir, ve bu ölçek ayar bozonunun kütlesini belirler. Eğer simetri kırılmasının ölçeği çok büyük ise, o zaman etkinin delilini bulmak için çok büyük parçacık hızlandırıcılarından faydalanılır. 1983’de, bu teori Cenova’da CERN’de, güçlü parçacık hızlandırıcısı içinde ağır ara bozonlarının doğrudan gözlenmesi ile teyit edildi. Üç zayıf etkileşim ayar bozonunun kütlesi şimdi tablodaki gibi bilinir.      

ayar bozonu

kütle

W+

80 GeV

W-

80 GeV

Z0

91 GeV

F) İŞLEYEN BİRLEŞTİRME SABİTLERİ

            Her bir kuvvet için bir birleştirme gücü tayin etmek, işleyen bitleştirme sabiti olarak bilinen kuantum göreli etkiden dolayı, sanki bir oyundur. Kuantum göreli alan teorisinde, bir basit parçacık etkileşim hesabı, bir elektronun başka elektron ile bir foton değiş tokuş ederek etkileşmesi söylemi, bir “kuantum göreli salınımlar bulutu” içinde mümkün virtüel parçacık etkileşmelerinin sonsuz bir serisi ile karıştırılır. O kuantum göreli salınımlar bulutu, birleşme sabitinin ölçülen değerini değiştirir ve biri onu ölçmeye çalıştığında onu enerji ölçeğine bağlı kılar.  

            Elektromanyetik bağlanma sabiti enerji ile artar. Güçlü ve zayıf nükleer bağlanma sabitleri enerji ile azalır. Belirlilik içinde güçlü kuvvet “asimtotik serbestlik” denilen bir özellik gösterirler. Bir proton içerisindeki kuarkları birbirine bağlayan kuvvet, düşük enerjilerde çok daha güçlü olur, fakat çok yüksek enerjilerde ihmal edilebilir. Bunun nedeni, çok yüksek enerjili saçılma deneylerinde, bir proton içindeki kuarkların hemen hemen serbest parçacıklar gibi dağılmasıdır. 

G) BİR BİLEŞİK TEORİ

            Üç işleyen birleşme sabiti biraz çok yüksek enerji ölçeğinde, yaklaşık 80 GeV’lik zayıf etkileşim ölçeğinden çok daha yüksekte, aynı yoğunlukta (güçte) sonuçlanır. Bu gerçek, tüm bu üç kuvvetin aynı şiddette olduğu bir enerji ölçeğinin var olması gerektiğine inanan fizikçilerin, “grup teorisinde parçacık multipletleriyle” ilgilenen bir “nifty matematik” ile,  orada tüm faklı tip parçacıkların bir bileşik grup içinde, aynı matematiksel teoriye uymasıdır. Temel  parçacık teorisinin bu tipine “büyük bileşik teori” yada kısaca GUT denir.

            Temel parçacık fiziğinin, bilinen Standart Modelinin, üç ayar grubu SU(3)xSU(2)xU(1) dir. Bir Büyük Bileşik Teoride, tüm bu üç grup, bileşik grubun özellikleri ile belirlenen sayı olan bileşik ayar bozonları takımı ile bir tek bileşik gruba uyar. Üzerinde en çok çalışılan teoriler SU(5) ve SO(10) olmuştur. 80 Gev’lik bir ölçekte, zayıf bozonların yoğunlaşmasını sağlayan  kendiliğinden simetri kırılmasının aynı süreci, çok daha yüksek ölçekte bileşik ayar bozonlarını en yoğun yaptığı  fizikçiler tarafından açıklanmıştır.

Fizikçiler Büyük Birleşik Teori için gerekli bir tek değerde işleyen, bilinen işleyen üç  sabiti birleştiren, bir “kütle ölçeği” ararlarken, MGUT= ~1014 GeV  ‘lik çok yüksek bir ölçek buldular. Bu kütle ölçeğine, yakında yada uzak gelecekte, parçacık hızlandırıcılarıyla ulaşmak bir hayal gibidir. Fakat Büyük Birleşik Teoriyi doğrudan kütle ölçeğini araştırmaksızın test etmenin bir yolu vardır. Bir nötronun bir protona, bir elektrona ve bir de nötrinoya bozunduğu, beta bozunmasından dolayı zayıf etkileşme keşfedilmişti. Bir Büyük Birleşik Teoride, beta bozunmasına benzer bir şey bir proton için olabilir. Az orandaki “proton bozunması” feci ve çok dikkate değer olacak, çünkü protonun kararlılığı evrende bilinen tüm maddenin kararlılığı için bir esastır. Şimdiye kadar, proton bozulması, bozunmayı belirlemek için kurulan deneysel düzeneklerde hiç gözlenmemiştir. 

H) KÜTLE ÇEKİMİ                   

            Newton sabiti denen kütle çekim kuvvetinin ölçülen yoğunluğu bir doğal sabiti tanımlar. Bu, iki nesne arasındaki kütle çekimi için (burada, d uzay-zamanın boyutu olmak üzere, onun daha yüksek boyutlara genelleştirilmiş yazımı)  Newton’un kanununda gözüken sabittir. Kütle çekim kuvveti F=GNM1M2/r bağıntısıyla verilir.

Newton sabiti G, Planck sabiti ve ışık hızından çok farklıdır, çünkü birimler uzay-zaman boyutlarının sayısına bağlıdır. d=4 için, GN=6,677x10-11 m3/kg.s2 dir. Kütle çekimi, günlük deneyimlerde, makroskopik uzaklık ölçeklerinde güçlü bir kuvvet olarak hissedilir, fakat mikroskobik ölçekte çok zayıf bir kuvvettir. Örneğin, Newton sabitine göre etkileşen bir elektron ve bir proton için ince-yapı sabitinin eşdeğeri  [2.π.GNMp.Me]/( h.c)=3.10-41   dir.

M kütleli bir nesnenin kütle çekim yarıçapı, Newton sabiti ve ışık hızından oluşmuş, r=GNM/c2 şeklinde, bir uzaklık ölçeğidir.

Bir nesnenin büyüklüğü  kütle çekim yarıçapına ulaştığında, nesne bir kara deliğe çökebilir. Bu, sistemin Newton fiziğinden ziyade Einstein denklemleri ile tanımlanması için, bizim beklediğimiz doğal uzunluk ölçeğini verir. Kuantum kütle çekiminde önemli olan Doğal Uzunluk Ölçeği’ne Planck uzunluğu denir. Planck uzunluğu dört boyutta (üç uzay ve bir zaman boyutu), Planck sabiti, ışık hızı ve Newton sabitinden meydana gelir.  Bu uzunluk    Lp=[GNh/2πc3]1/2=10-33 cm değerindedir.

            Sicim teorisinde, fiziksel kuantum durumları kümesi genellikle kütle çekimsel etkileşmeleri sağlayan bir graviton içerir. Onun için, Planck ölçeğinde olması gereken sicim teorisinin doğal uzaklık ölçeği yaygın bir şekilde varsayılmıştır. Bundan başka sicim teorileri, farklı ölçekte farklı sicim teorisini, bir uzaklık ölçeğindeki bir sicim teorisine bağlayan çoklu “dualite simetrileri”ni içerir. Böylece bir uzaklık ölçeği düşüncesinin bizzat kendisi, normalde kuantum alan teorisinde olduğu gibi, sicim teorisinde  sağlam ve güvenilir değildir.

Sicim teorisinin, kütle çekiminin kuantum davranışının fiziğini, kapsadığı varsayılır. Bu, bizzat kendisi, değişken ve çapraşık olan uzaklık düşüncesini, çok ince ve zengin yapıda belirtir.

I) SÜPERSİMETRİ KURTARICI MI?

            Sicim teorisinin doğal uzunluk ölçeğini parçacık deneylerinde doğrudan ölçmek son derece küçük olup, sicim teorisinin günümüz teknolojisi yada yakın gelecek teknolojisi ile ölçülebilmesi üzerine görüşler vardır. Sicim teorisinin öngörülerinden biri, yüksek enerji ölçeklerinde maddeyi oluşturan (fermiyonlar ve diğerleri) bir partner (eş) parçacık ve bir kuvvet (bir bozon) ileten her parçacığı veren bir simetrinin varlığını görmeye başlamasıdır. Madde ve kuvvetler arasındaki bu simetriye süpersimetri denir. Partner parçacıklara da süperpartnerler denir.

Kuvveti ilettiği bilinen parçacıklar ve onların mümkün süper-eşleri:

Adı

Spin

Süperpartner

Spin

Graviton

2

Gravitino

3/2

Foton

1

Fotino

1/2

Gluon

1

Gluino

1/2

W+,-

1

Wino+,-

1/2

Z0

1

Zino

1/2

Higgs

0

Higgsino

1/2

 Maddeyi oluşturan parçacıklar ve onların mümkün süper-eşleri:

Adı

Spin

Süperpartner

Spin

Elektron

1/2

Selektron

0

Müon

1/2

Smüon

0

Tau

1/2

Stau

0

Nötrino

1/2

Snötrino

0

kuark

1/2

Skuark

0

 

Şimdiki parçacık deneylerinde bilinen temel parçacıklar için süper-eşlerinin varlığıyla ilgili henüz doğrudan herhangi bir delil görememiştir (birkaç dolaylı delil vardır). Gelecekte parçacık deneylerinde süperpartnerleri (süper-eşleri) görmeye başlayabileceğimiz iyi bir şans vardır. Eğer o olsaydı, sicim teorisi için delil olmayı söndürebilecekti. Bu, belki de, gelecek beş yada on yıl içinde meydana gelebilecek.   

 

 J) FAZLADAN BOYUT ARAMAK

1)Kaluza-Klein katılaştırması (compactification):

            1920’lerden gelen orijinal Kaluza-Klein teorisi, beş uzay-zaman boyutuna sahip, bunların biri her yerde varolan fakat varlığını aletlerle görmenin son derece zor olduğu, küçük bir çember içine yuvarlanan fazladan uzay boyutudur. Yuvarlanmış ekstra uzay boyutunda kütle-çekim alanının titreşimleri, bir zaman boyutu ve üç de uzay boyutu olan skaler bir elektromanyetik alandaki titreşimlere benzer olarak gözlemcilere görülür. Böylece, beş boyutlu uzay-zaman altında sadece bir tür kuvvete sahiptir: kütle-çekim kuvveti. Fakat dört boyutlu uzay-zamanda uzak ölçeklerde üç tür kuvvete sahip olduğu görülür: bir kütle-çekim, bir elektromanyetik ve bir de skaler kuvvet. Bu bileşik bir teori oluşturmanın bir yoludur- daha yüksekten tüm diğer kuvvetleri türetir- kütle çekiminin boyutsal modlarıdır.

Sicim teorisinde, ekstra boyutların Kaluza-Klein sıkılaştırılması, parçacık teori versiyonundan önemli bir farka sahiptir. Kapalı bir sicim, sarılmış bir boyutu birkaç kez dolanıp sarabilir. Sicim bunu yaparken, sicim salınımları bir dönme moduna sahip olur. Dönme modları parçacık fiziğinde sunulmayan teoriye bir simetri ekler. R büyüklüğünde  bir boyut ile sarılmış bir teori, sarılan modlar ve değiştirilmiş ekstra boyutta momentum modları ile, Ls2/R büyüklüğünde  bir boyut ile sarılmış bir teoriye eşdeğer olmayı söndürür. Burada Ls, sicimin uzunluk ölçeğidir. 

Bu çok önemli bir simetridir, çünkü o çok yüksek boyutları, teorilere çok küçük ekstra boyutlar olarak eşitler. Bu simetriye T dualitesi denir. O, görünürde farklı sicim teorileri, farklı bir yolla bakılan aynı teoriyi söndürebileceğini gösteriyor. Süper sicim teorisinde, Kaluza-Klein katılaştırması altı uzay boyutu üzerine yapılandırılmalıdır. Önerilen bir model heterotik sicim teorisine götürür ve altı uzay boyutunu bir Calabi-Yau uzayı denilen küçük katı (compact) bir uzay formuna dönüştürür. Calabi-Yau uzayının geometrisini ve topolojisini simetriler ve düşük enerji ölçeği, yada büyük uzaklıklarda ölçülen parçacık teorisinin spektrumu belirler.

Çok ilginç modeller vardı, fakat realistik bir model bulunsaydı, brane-dünyalar adlı gelecek opsiyonu tartışma ihtiyacımız olmayacaktı. 

2)Branedünyalar (Braneworlds):

            Bilgisayar ekranında yaşadığınızı  ve  sadece o iki boyutlu yüzey üzerinde hareket edebildiğinizi tasarlayın. Bilgisayar üç uzay boyutunda vardır fakat siz sadece ekranda oluşturulan iki boyutlu bir alt uzay üzerinde hareket edebiliyorsunuz, bu yüzden sizin deneyimlerinizdeki uzay-zaman dört boyuttan ziyade üç boyut gibi (iki uzay+bir zaman) görünecektir. Bu, daha yüksek boyutlu bir brane-dünya teorisinde düşünce türüdür. Bizim gözlediğimiz dört boyutlu uzay zaman, alt uzayımız üzerinde biraz daha büyük bir alt uzay (asıl), ya da brane ( zar içindeki gibi), bilgisayar ekranındaki gibidir. Toplam uzaya bulk (kitle) ve üzerinde yaşadığımız brane ya da alt uzaya da brane (zar gibi) denir.

            Işık elektromanyetik radyasyondan oluşur, ve bir brane-dünya modelde, yükler ve alanlar sadece brane üzerinde yayılır. Böylece ışığı kullanarak bulk içerisinde ekstra boyutları araştırmanın hiçbir yolu yoktur, olsa bile ekstra boyutlar çok büyüktür. Kütle çekimi uzay zamanın biçimini belirleyen kuvvettir. Bu yüzden, hiç olmasa prensipte, kütle çekimi tüm boyutlarda eşit bir şekilde yayılır. Bununla, kütle çekim kuvvetinde şüpheli davranışı arayarak büyük ekstra boyutları tespit edebiliriz, demek isteniyor. Fakat belirli brane-dünya modellerinde, kütle çekimi kütle çekimi aktüel olarak sınırlandırılabilir yada brane’mize bağlanabilir, böylece bulk’ta çok uzağa yayılamaz.

            Brane-dünya modelleri katılaştırılmış (compactified) Kaluza-Klein modellerinden kavramsal olarak faklıdır, çünkü onlar ekstra boyutlardaki kütle çekimsel salınımlardan kütle çekimsel olmayan (nongravitational) kuvvetleri sürmeye teşebbüs etmez. Aksine, eğer ekstra boyutlar büyük ise, kütle çekimsel salınımlar o doğrultularda hızlı bir şekilde sönmeli, öyle ki onları belirleyemeyiz. Ekstra boyutlardaki salınımın Kaluza-Klein modları hala vardır, fakat onlar kütle çekimi içinde çiftlendiklerinden dolayı, ve kütle çekimi brane için son derece sınırlandırılmış olduğundan, onlar brane üzerinde dünyamıza etkin olarak görülebilirler.

3)Onlar nasıl gözlenebilir?

            Kütle çekimi ve parçacık fiziğinin teorik modelleri arasında bir problem şudur: onlar yeni fiziğin test edilebilir biricik öngörülerini oluşturmadan önce, onun üzerinde çalışmalılar, öyle ki her hangi bir deneysel yada teorik bilginin varlığını reddetmesin. Bu uzun bir süreç olabilir, ve bu durum süper sicim teorileri ya da brane dünya modellerinin gerçekten üstünde değildir, özellikle de süper sicim teorilerinden türetilmiş brane dünya modellerinden. Kaluza-Klein katılaşımı ile süper sicim teorisinde, gözlenen parçacık fiziği ve kozmoloji ile tutarlı olan, düşük enerjili etkin bir parçacığa, sicim teorisinden gidilmesi halinde ulaşılan farklı enerji ölçekleri vardır:               ölçek         tanımda Planck ölçeği, uzay-zaman geometrisinin kuantum salınımlarının uzunluk ölçeği, yaklaşık   10-33 cm de, ya da 1019 GeV de önemlidir. Sicim ölçeğinde, sicimin ortalama büyüklüğü, öncelikle Planck ölçeği olarak varsayıldı, fakat şimdi çok daha karmaşıktır. Compactification (katılaşma) ölçeği           Katı ekstra boyutların büyüklüğü, ekstra boyutlarda kitle salınımlarının kütlesini de belirler. Süper simetrinin kırılma ölçeğinde, Süper simetrinin kırıldığı kütle ölçeği, sorun halinde modele bağlanan Planck ve elektro-zayıf ölçek arasında herhangi bir yerde olabilir.

    

ölçek

tanım

Planck ölçeği

Uzay zaman geometrisinin kuantum salınımlarının uzunluk ölçeği, yaklaşık   10-33 cm, ya da 1019 GeV de önemlidir.

Sicim ölçeği

Sicimin ortalama büyüklüğü, öncelikle Planck ölçeği olarak varsayıldı fakat şimdi çok daha karmaşıktır.

Compactification (katılaşma) ölçeği

Katı ekstra boyutların büyüklüğü, ekstra boyutlarda kitle salınımlarının kütlesini de belirler.

Süper simetrinin kırılma ölçeği

Süper simetrinin kırıldığı kütle ölçeği, sorun halinde modele bağlanan, Planck ve elektro-zayıf ölçek arasında herhangi bir yerde olabilir.

Büyük birleştirme simetri kırılma ölçeği

Bileşik ayar simetrisinin kırıldığı  ve kalan simetrilerin Standart Modelin üç ayar grubuna ayrıldığı kütle ölçeği, yaklaşık   1016 GeV olacaktır.

Elektro-zayıf ölçek

Günümüz parçacık fiziği deneyleri parçacık fiziğinde Standart Modelin yaptığı öngörülerle son derece iyi uyuşan kütle ölçeği  yaklaşık 100 GeV ile 1TeV arasındadır.

 

Büyük birleştirme simetri kırılma ölçeği Birleşik ayar simetrisinin kırıldığı  ve kalan simetrilerin Standart Modelin üç ayar grubuna ayrıldığı kütle ölçeği, yaklaşık   1016 GeV olacaktır. Elektro-zayıf ölçek, günümüz parçacık fiziği deneylerinde, parçacık fiziğindeki Standart Modelin yaptığı öngörülerle son derece iyi uyuşan kütle ölçeği,  yaklaşık 100 GeV ile 1TeV arasındadır.

Deneysel belirleme için en ümit verici gözüken süper sicim teorisinin niteliği süper simetridir. Süper simetri kırılması ve daha yüksek boyutların yoğunlaşması (compactification) bizim hızlandırıcı dedektörlerde gözlediğimiz düşük enerji fiziğini vermesi için birlikte çalışılmalıdır. Genelde brane-dünya modelleri süpersicim Kaluza-Klein katılaştırma modellerinden çok farklıdır, çünkü Planck ve elektro-zayıf ölçek arasında öyle çok adım olmasını gerektirmiyor. Planck ve elektro-zayıf ölçek arasındaki büyük farka “ayar hiyerarşi problemi” denir.

Süper simetri esasen parçacık fizikçilerini ilgilendiriyor, çünkü o bu probleme hitap eder. Fakat birkaç brane-dünya modeli, brane geometrinin sağlam olması için, süper simetriye ihtiyaç duyar. Eğer süper simetri gelecek jenerasyonda parçacık fizik deneylerinde belirlenirse, o zaman süper simetri fiziğinin detaylarının söyleyeceği çok şey olacaktır. Umut ediliyor ki, bu detaylar; süper sicim modelinin altında yatan şeyin ve iç uzaya azıcık yuvarlanan ekstra uzay boyutlarının Kaluza-Klein katılaştırılmasının var olup olmadığını, ya da bizim hep daha yüksek boyutlu bir evrenin duvarı üzerinde dört boyut içinde yaşayıp yaşamadığımız hakkında bir şeyler söyleyecek…               

Kaynak: www.particle physics\Unification and distance.htm

Çeviren: Mehmet Taşkan                   

     ANA SAYFA                                                   FİZİKTE YENİ GELİŞMELER

 Mehmet Taşkan’ın kitapları: “Fizik Evreni” , “Fizikte 10 Teori” . Kaçırmayın…

                               HİGGS MEKANİZMASI

                              Higgs Mekanizması’na ulaşmak için linke tıklayınız.

BİLİM SİTELERİ

http://www.biltek.tubitak.gov.tr/merak_ettikleriniz/index.php

 http://passporttoknowledge.com

 www.sciam.com

 www.astrobiology.com

 http://hstexhibit.stsci.edu

 http://www.jb.man.ac.uk

 www.amsmeteors.org

 http://www.pbs.org/wgbh/nova

 www.exploratorium.edu/mars

 http://skyview.gsfc.nasa.gov

www.astro.virginia.edu

 http://planetquest.jpl.nasa.gov

 http://clickworkers.arc.nasa.gov/top

 www.astro.ucla.edu

 www.superstringtheory.com

 www.ams.org/new-in-math/coverorbits

 www.oakland.edu/enp

 http://world.std.com

http://www.splung.com

http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/HBASE/hframe.html

http://en.wikipedia.org/wiki/Quantum_mechanics

http://www.physics.udel.edu/~bnikolic/teaching/phys624/lectures.html

http://jilawww.colorado.edu/research/atomic.html

http://www.plasmaphysics.org.uk/

http://www.rarf.riken.go.jp/rarf/np/nplab.html

http://www.hpwt.de/Kerne.htm

http://departments.colgate.edu/physics/research/optics/oamgp/gp.htm

http://igorivanov.tripod.com/physics/optics.html

http://pra.aps.org/

http://web.mit.edu/16.unified/www/FALL/thermodynamics/

http://www.engineeringtoolbox.com/fluid-mechanics-t_21.html

http://math.ucr.edu/home/baez/classical/

http://www-antenna.ee.titech.ac.jp/~hira/hobby/edu/em/em.html

http://en.wikipedia.org/wiki/Maxwell's_equations

http://www.tunl.duke.edu/~astro/

http://www.spaceandmotion.com/Physics-Quantum-Theory-Mechanics.htm

 

 Mehmet Taşkan’ın kitapları: “Fizik Evreni” , “Fizikte 10 Teori” . Kaçırmayın…

       FİZİKTE YENİ GELİŞMELER                                              ANA SAYFA 

                                                             mhtaskan68@mynet.com

                                                                            fizikevreni@mynet.com

                                                                             mhtaskan68@hotmail.com