Aristo, dünyadaki bütün maddenin dört temel elementten; hava, toprak, ateş ve sudan oluştuğuna inanıyordu. Bu elementlere iki kuvvet etki etmekteydi: yerçekimi yani toprağın ve suyun batma eğilimi ve uçuculuk yani hava ve ateşin yükselme eğilimi. Evrenin içeriğinin madde ve kuvvetlerce bu şekilde bölünmesi bugün hala kullanılmaktadır.
Aristo maddenin sürekli olduğuna inanıyordu, yani, bir madde parçasını sürekli olarak istediğimiz kadar küçük parçalara bölebilir, hiçbir zaman daha küçük parçaya bölünemeyecek madde taneciği ile karşılaşamazdık. Bunun yanı sıra Demokritus gibi birkaç Yunanlı da maddenin küçük taneciklerden oluştuğunu ve her şeyin çok sayıda değişik atomdan yapıldığını savunuyorlardı. (Atom sözcüğü Yunancada “bölünemez” demektir.) Bu tartışma çağlar boyu iki taraf arasında gerçek bir kanıt olmadan sürüp gitti, ta ki 1803 yılında Britanyalı kimyacı ve fizikçi John Dalton’un (Daltın) kimyasal bileşiklerin her zaman belli oranlarda gerçekleşmesinin atomların molekül denen birimleri oluşturmak üzere bir araya gelmesiyle açıklanabileceğini işaret etmesine kadar. Yine de bu iki düşünce akımı arasındaki tartışma atomcuların lehine bu yüzyılın ilk başlarına dek bir sonuca bağlanamadı. Bu konuya ilişkin en önemli fiziksel kanıtlardan biri Einstein tarafından sağlandı. Einstein 1905 yılında, özel görelik kuramı üzerindeki makalesinden birkaç hafta önce yazdığı başka bir makalede, sıvılardaki küçük toz parçacıklarının Brown (Bravn) devinimi olarak bilinen düzensiz ve gelişigüzel hareketlerinin, sıvı moleküllerinin toz parçacıkları ile çarpışmasından doğabileceğini belirtti.
Daha o zamanlar, atomların bölünmez olduğuna ilişkin kuşkular ortaya çıkmaya başlamıştı. Bundan birkaç yıl önce Cambridge’deki Trinity College’ın üyesi olan J.J. Thomson (Tamsın) kütlesi, en hafif atomun kütlesinin binde birinden az olan, elektron diye bir maddenin varlığını göstermişti. Bunu göstermek için bugünkü televizyon resim tüpüne benzeyen bir düzenek kullandı: sıcak bir metal fitilden çıkan elektronlar eksi yüklü oldukları için fosfor kaplı bir ekrana doğru elektrik alanı etkisiyle hızlandırılıyordu. Thomson, bunlar ekrana çarptıkları zaman ışık parıltılarının yayıldığını gözledi. Kısa bir süre sonra, bu elektronların, atomların kendi içlerinden çıktığı anlaşıldı. Ve 1911 yılında Britanyalı fizikçi Ernest Rutherford (Radırfırd) maddeyi oluşturan atomların gerçekten bir iç yapıları olduğunu gösterdi: atomlar, etrafında elektronların döndüğü, son derece küçük, artı yüklü çekirdeklerden oluşmaktaydılar. Rutherford bu sonucu, radyoaktif atomlarca yayınlanan artı yüklü alfa parçacıklarının atomlarla çarpıştığında nasıl saptırıldığını inceleyerek çıkardı.
ilk önceleri, atom çekirdeğinin elektronlar ve değişik sayıda proton denen artı yüklü parçacıklardan oluştuğu sanılıyordu. Proton, maddeyi oluşturan temel yapı taşı sanıldığı için Yunanca “birinci” anlamına gelen sözcükten alınmıştır. 1932 yılında, Rutherford’un Cambridge’den bir arkadaşı olan James Chadwick (Cedvik) çekirdekte, protonla aynı kütleye sahip ama elektrik yükü olmayan nötron adlı başka bir parçacığın bulunduğunu keşfetti. Chadwick bu buluşundan dolayı Nobel ödülünü kazandı ve Gonville ve Caius College’a başkan seçildi (şimdi benim bulunduğum okul). Daha sonra diğer meslektaşlarıyla olan anlaşmazlıklardan dolayı buradan istifa etti. Harpten dönen genç öğretim görevlilerinin, bir sürü yaşlı öğretim görevlisini uzun süredir tuttukları mevkilerden oylama yoluyla uzaklaştırmalarından beri okulda tatsız bir anlaşmazlık süregelmekteydi. Bu benim dönemimden önceydi; ben okula, bu tatsızlıkların sona ermek üzere olduğu, benzer anlaşmazlıkların Nobel ödülü sahibi Sir NevilI Mott’u (Mat) istifaya zorladığı 1965 yılında katıldım.
Yirmi yıl önceye kadar proton ve nötronların temel parçacıklar oldukları sanılıyordu, ama protonların hızla diğer proton ve elektronla çarpıştıkları deneyler, onların daha da küçük parçacıklardan yapıldıklarını gösterdi. Bu parçacıklara, bu konuda yaptığı çalışmalarla 1969 Nobel ödülünü kazanan Caltech’li fizikçi Murray GellMann (Gelman) tarafından kuvark adı verildi. Kuvark sözcüğünün kendi başına hiç bir anlamı yoktur. Kaynağı James Joyce’dan (Coys) bilmeceli bir alıntıdır: “Mastır Mark için üç kuvark.”
Kuvarkların değişik türleri vardır: aşağı, yukarı, garip, meftun, alt ve üst olarak adlandırılan en az altı “çeşni” kuvark olduğu düşünülmektedir. Her çeşni üç değişik “renkte” olabilir: kırmızı, yeşil, mavi (Bu nitelemenin salt sınıflandırma için olduğunu vurgulamak gerekir. Kuvarklar görünen ışığın dalga boyundan çok daha küçüktür ve bu yüzden bildiğimiz anlamda bir renkleri yoktur. Öyle görülüyor ki, çağdaş fizikçiler yeni parçacık ve fiziksel olayları adlandırırlarken hayal güçlerini öncekilerden daha çok kullanıyorlar, kendilerini artık Yunancayla kısıtlamıyorlar!) Bir proton ya da nötron her renkten bir tane olmak üzere üç kuvarktan oluşmuştur. Protonda iki yukarı kuvark ve bir aşağı kuvark bulunur; bir nötronda ise iki aşağı ve bir yukarı kuvark vardır. Diğer kuvarklardan (garip, meftun, alt ve üst) yapılmış başka parçacıklar yaratabiliriz ama bunların kütleleri çok büyük olacağı için hızla proton ve nötrona dönüşürler.
Şimdi biliyoruz ki, ne atomlar, ne de onların içindeki proton ve nötronlar bölünemez değillerdir. O zaman sorulması gereken soru şu olmakta: gerçek temel parçacıklar, yani diğer başka her şeyin yapıldığı temel yapı taşları nelerdir? Işığın dalga boyu bir atomdan çok daha büyük olduğu için atomun içini, ona bakarak görmeyi bekleyemeyiz. Çok daha küçük dalga boylu bir şey kullanmak zorunda olduğumuz açık. Geçen bölümde gördüğümüz gibi, tanecik mekaniği bize parçacıkların aslında dalga olduğunu ve parçacığın enerjisi yükseldikçe dalga boyunun küçüldüğünü söylemektedir. Bu yüzden sorumuzun yanıtı, elimizin altında ne kadar çok parçacık enerjisi olduğuna bağlıdır, çünkü ne kadar küçük ölçeğe bakabileceğimizi ancak bu belirler. Bu parçacık enerjileri genellikle elektronvolt adı verilen bir birimle ölçülür. (Thomson’un elektronlarla yaptığı deneylerde, elektronları hızlandırmak için elektrik alanını kullandığını görmüştük. Bir elektronun, bir voltluk elektrik alanından kazandığı enerjiye bir elektronvolt denir.) On dokuzuncu yüzyılda, insanların parçacık enerjileri olarak ancak yanma gibi kimyasal tepkimelerden doğan birkaç elektronvoltu bildikleri zamanda, atomların en küçük birim oldukları sanılıyordu. Rutherford’un deneyinde, alfa parçacıklarının milyonlarca elektronvolt düzeyinde enerjileri vardı. Daha yakın geçmişte, elektromanyetik dalgaları kullanarak parçacıklara önce milyonlarca, sonra milyarlarca elektronvoltluk enerji bindirmeyi öğrendik. Artık, yirmi yıl önce temel parçacık sandıklarımızın, daha da küçük parçacıklardan oluştuklarını biliyoruz. Daha yüksek enerjilere doğru çıktıkça, acaba bunların daha da küçük parçacıklardan yapıldığını bulabilir miyiz? Bu, hiç kuşkusuz olanaklıdır, ama doğanın temel yapı taşları bilgisine sahip olduğumuza ya da ona çok yakın olduğumuza ilişkin bazı kuramsal nedenler gerçekten elimizde bulunmaktadır.
Geçen bölümlerdeki dalga/parçacık ikiliğini kullanarak, evrendeki her şeyi, ışık ve çekim de içinde olmak üzere, parçacıklar yoluyla betimleyebiliriz. Parçacıkların “dönme” denen bir özelliği vardır. Dönmenin ne olduğunu kavramanın bir yolu, parçacıkları bir eksen etrafında dönen topaçlar gibi düşünmektedir. Yalnız bu biraz yanıltıcı olabilir, çünkü tanecik mekaniği ne göre parçacıkların kesin tanımlı eksenleri olamaz.
sekil5.1
Şekil 5.1
Bir parçacığın dönmesi derken ne kastettiğimiz, aslında o parçacığın değişik yönlerden nasıl göründüğüdür. 0-dönmeli bir parçacık noktaya benzer; hangi yönden bakarsak bakalım aynı görünür (Şekil 5.1-a). Öte yandan, 1-dönmeli parçacık oka benzer; değişik yönlerden değişik görünür (Şekil 5.1 b). Ancak tam bir tur (360 derece) döndürüldüğünde ilk görüntüsünü alır. 2-dönmeli bir parçacık ise iki uçlu oka benzer (Şekil 5.1-c). Yarım tur (180 derece) döndürüldüğünde aynı görünür.
Benzer biçimde daha yüksek dönmeli parçacıklar bir tam turun daha küçük kesirleri kadar döndürüldüklerinde aynı görünürler. Buraya kadar her şey apaçık gibi ama şaşırtıcı bir gerçek şu ki, bazı parçacıklar tam bir tur döndürüldükleri zaman bile aynı görünmezler. Bunun için iki tam tur döndürülmeleri gerekir! Böyle parçacıklara 1/2-dönmeli parçacık denir.
Evrende bilinen bütün parçacıklar iki sınıfa ayrılabilir: evrendeki maddenin tümünü oluşturan 1/2 dönmeli parçacıklar ve daha sonra göreceğimiz gibi, madde parçacıkları arasındaki kuvvetleri doğuran 0, 1, ve 2-dönmeli parçacıklar. Madde parçacıkları Pauli’nin dışlama ilkesi denen bir ilkeye uyarlar. Bu ilke 1925 yılında Wolfgang Pauli (Pauli) adında bir Avusturyalı fizikçi tarafından bulundu. Bu buluşuyla 1945 yılında Nobel ödülünü kazanan Pauli her şeyiyle bir kuramsal fizikçiydi: aynı şehirde bulunmasının bile yapılan deneyin yanlış sonuçlanmasına yol açtığı söylenir! Pauli’nin dışlama ilkesine göre iki benzer parçacık aynı duruma sahip olamazlar, yani belirsizlik ilkesinin tanımladığı sınırlar içinde hem aynı konumda, hem de aynı hızda bulunamazlar. Dışlama ilkesi, madde parçacıklarının 0, 1 ve 2-dönmeli kuvvet parçacıkları etkisi altında kalarak neden çok yoğun bir konuma çökmediklerini açıkladığı için çok önemlidir: şöyle ki, eğer madde parçacıkları birbirine çok yakın konumdalarsa, aynı hıza sahip olamayacakları için aynı durumda uzun süre kalamayacaklardır. Eğer dünya, dışlama ilkesi olmadan yaratılsaydı kuvarklar, birbirinden ayrı ve kesin tanımlı proton ve nötronları oluşturamazdı. Proton ve nötronlar da elektronlarla birlikte atomları oluşturamazdı. Hepsi, oldukça düzgün, yoğun bir “çorba” oluşturmak üzere bir araya çökerdi.
Elektronun ve diğer 1/2-dönmeli parçacıkların uygun bir tanımı, 1928 yılında Paul Dirac tarafından, buna ilişkin bir kuram ortaya konana dek yapılamamıştı. Paul Dirac daha sonra Cambridge Üniversitesi Matematik bölümünde Lukasgil Profesörlüğe yükseldi (bir zamanlar Newton’ın, şimdi de benim sahip olduğum unvan). Dirac’ın kuramı, tanecik mekaniği ve genel görelik kuramının her ikisiyle de uyumlu olan kendi türünden ilk kuramdı. Elektronun neden 1/2 dönmeli olduğunu, yani neden tam bir tur döndürüldüğünün de aynı görünmediğini ama ancak iki tam tur döndürüldüğünde aynı göründüğünü matematiksel olarak açıklamaktaydı. Bu kuram, elektronun, karşıelektron ya da pozitron denen bir ortağının bulunması gerektiğini de kestirmekteydi. Pozitronun 1932 yılında keşfi, Dirac’ın kuramını doğrulayarak, onun 1933 yılında Nobel fizik ödülü almasına yol açtı. Şimdi her parçacığın birleşerek yok olacağı bir karşıparçacığı olduğunu biliyoruz. (Kuvvet taşıyan parçacıkların karşıparçacıkları ise kendileriyle aynıdır.) Karşıparçacıklardan oluşmuş karşı dünyalar ve karşıinsanlar olabilir. Ama karşıkendinizle karşılaştığınız zaman sakın el sıkışmayın, yoksa her ikiniz de bir ışık parıltısı içinde yok olursunuz! Etrafımızda neden karşıparçacıktan daha çok parçacık olduğu sorusu çok önemlidir; ona bu bölümde tekrar döneceğim.
Tanecik mekaniğinde madde parçacıkları arasındaki kuvvet etkileşimlerinin 0, 1, ve 2 gibi tam sayı dönmeli kuvvet parçacıkları tarafından taşındığı var sayılır. Olay şöyle açıklanabilir: elektron ya da kuvark gibi bir madde parçacığı, bir kuvvet taşıyan parçacık yayınlar. Bu yayınlamanın tepkisi madde parçacığının hızını değiştirir. Kuvvet taşıyan parçacık daha sonra bir başka madde parçacığı ile çarpışır ve onun tarafından soğurulur. Bu çarpışma ikinci parçacığın hızını değiştirir, sanki iki madde parçacığı arasında bir kuvvet varmış gibi.
Kuvvet taşıyan parçacıkların önemli bir özelliği dışlama ilkesine uymamalarıdır. Bu, değiş tokuş edilen kuvvet parçacığı sayısının sınırsız olduğu, böylece çok büyük kuvvetleri doğurabilecekleri anlamına gelir. Kuvvet taşıyan parçacıkların kütlelerinin büyük olması durumunda, onları yayınlayıp, uzun mesafeler boyunca değiş tokuş etmek zor olur. Böyle durumlarda taşıdıkları kuvvetler, kısa menzillidir. Öte yandan, kuvvet taşıyan parçacıkların kendi kütleleri yoksa uzun menzilli olabileceklerdir. Madde parçacıkları arasında değiş tokuş edilen kuvvet taşıyan parçacıklara, parçacık detektörü tarafından algılanamadıkları için “gerçek” parçacıktan farklı olarak “sezilgen” parçacıklar denir. Onların varolduklarını ölçülebilir etkiler yarattıkları için biliyoruz, yani onları sezebiliyoruz: madde parçacıkları arasındaki kuvvetleri doğuruyorlar. 0, 1, ve 2-dönmeli parçacıklar bazı koşullar altında gerçek parçacıklar gibi varolup doğrudan algılanabilirler. O zaman bize, bir klasik fizikçinin dalga diyeceği türden, örneğin ışık ya da çekim dalgası gibi görünürler. Madde parçacıkları birbirleriyle kuvvet taşıyan sezilgen parçacıklar değiş tokuş ederek etkileştikleri zaman kuvvet taşıyan parçacıklar yayınlanabilir. (Örneğin, iki elektron arasındaki elektriksel itme, hiçbir zaman algılanamayan sezilgen fotonlardan dolayıdır; ama elektronlardan biri diğerinin yakınından geçecek olursa, ışık dalgası biçiminde algılayacağımız gerçek fotonlar yayınlanabilir. )
Kuvvet taşıyan parçacıklar, taşıdıkları kuvvetin büyüklüğüne ve etkileşim yaptıkları parçacıklara göre dörde ayrılabilirler. Yalnız bunun yapay bir bölünme olduğunu vurgulamak gerekir. Kısmi kuramların oluşturulması için uygun gelebilir ama bundan daha derin bir anlam aranmamalıdır. Çoğu fizikçiler, eninde sonunda bu dört kuvveti tek bir kuvvetin değişik görünüşleri olarak açıklayabilecek bir kuram bulmayı ümit etmektedirler. Gerçekten, bugün çoğuna göre fiziğin asıl amacı budur. Yakın geçmişte, bu dört değişik kuvvetten üçünü birleştirmek üzere başarılı adımlar atıldı; bunları bu bölümde anlatacağım. Dördüncüsünün, yani çekim kuvvetinin birleştirilmesini ise daha sonraya bırakacağız.
Bu dört kuvvetin ilki çekim kuvvetidir. Bu kuvvet evrenseldir, yani her parçacık, kütlesi ve enerjisine bağlı olarak ondan etkilenir. Çekim kuvveti, dört kuvvetin içinde büyük farkla en zayıf olanıdır; o kadar zayıftır ki, eğer şu iki önemli özelliği olmasaydı onu hiç duymazdık; büyük uzaklıklardan etki edebilir ve hiçbir zaman itici olmaz. Bu demektir ki, dünya ve güneş gibi iki büyük cismin tek tek parçacıkları arasındaki çok zayıf çekim kuvvetleri birbiri üzerine eklenerek çok belirgin kuvvetler doğurabilir. Diğer üç kuvvet ya kısa menzillidir ya da bazen çekici bazen itici oldukları için birbirlerinin etkisini yok ederler. Çekim alanına tanecik gözlükleri arkasından bakarsak, iki madde parçacığı arasındaki çekim kuvvetinin graviton denen 2-dönmeli bir parçacık tarafından taşındığını zihnimizde canlandırabiliriz. Bu parçacığın kendine özgü bir kütlesi olmadığı için taşıdığı kuvvet çok uzun menzillidir. Dünya ile güneş arasındaki çekim kuvveti, bu iki cismi oluşturan parçacıkların aralarında graviton değiş tokuşu olarak görülebilir. Değiş tokuş edilen parçacıklar gerçek olmamalarına karşın ölçülebilir bir etki yaratırlar-dünyanın güneş çevresinde dönmesine neden olurlar!
Gerçek gravitonlar klasik fizikçi deyimiyle çekim alanlarını doğururlar. Bunlar o kadar zayıftır ki, henüz algılanamamışlardır.
Kuvvetlerin ikincisi, elektron ve kuvark gibi elektrik yüklü parçacıklarla etkileşen ama graviton gibi yüksüz parçacıklarla etkileşmeyen elektromanyetik kuvvetidir. Bu kuvvet çekim kuvvetinden çok daha büyüktür: örneğin, iki elektron arasındaki elektromanyetik kuvvet, aralarındaki çekim kuvvetinden yaklaşık bir milyon kere milyon (1’den sonra 42 sıfır) büyüktür. Ayrıca, elektrik yükü, artı ve eksi olmak üzere iki türlüdür. İki artı yük arasındaki ve iki eksi yük arasındaki kuvvet iticidir, ama değişik tür yükler arasında bu kuvvet çekici olur. Dünya ya da güneş gibi büyük bir cisim yaklaşık eşit sayıda artı ve eksi yük içerir. Böylece, tek tek parçacıklar arasındaki çekici ve itici kuvvetler birbirlerini hemen hemen götürürler ve geriye çok küçük bir elektromanyetik kuvvet kalır. Buna karşın, atom ve moleküllerin küçük dünyasında baskın olan, elektromanyetik kuvvettir. Atom çekirdeğindeki eksi yüklü elektronlarla artı yüklü protonlar arasındaki elektromanyetik çekim, kütlesel çekim kuvvetinin dünyayı güneş etrafında döndürmesine benzer biçimde, elektronların atom çekirdeği etrafında dönmesine neden olur. Elektromanyetik çekimi, foton denen çok sayıda yüksüz 1- dönmeli sezilgen parçacığın değiş tokuş edilmesi olarak kafamızda canlandırabiliriz. Yinelersek, karşılıklı değiştirilen bu fotonlar sezilgen parçacıklardır. Ancak, bir elektron bulunabileceği yörüngelerden birini terk edip, çekirdeğe yakın bir diğerine geçerse, enerji ortaya çıkar ve bir gerçek foton yayınlanır. Bu, uygun bir dalgaboyunda ise insan gözüyle ya da fotoğraf filmi gibi bir foton detektörü ile algılanabilir. Benzer biçimde, gerçek bir foton, bir atomla çarpışacak olursa, yakın yörüngedeki bir elektronu daha uzak bir yörüngeye kaydırabilir. Bu olay sırasında enerjisi kullanılan foton soğurulur.
Üçüncü kategori, radyoaktiviteyi doğuran ve bütün 1/2 dönmeli madde parçacıklarına etkiyen ama foton ya da graviton gibi parçacıklara etkilemeyen zayıf çekirdek kuvveti denen kuvvetidir. Zayıf çekirdek kuvveti 1967 yılına kadar tam olarak anlaşılmamıştı, taki Londra Imperial College’dan Abdus Salam (Salam) ve Harvard’dan Steven Weinberg (Vaynbörg), bu etkimeyi elektromanyetik kuvvetle birleştiren kuramları, tıpkı Maxwell’in bundan yüz yıl önce elektrik ve manyetizma kuvvetlerini birleştirmesi gibi, ortaya atıncaya dek. Salam ve Weinberg fotona ek olarak, topluca “kütleli vektör boson”lar olarak bilinen ve zayıf kuvveti taşıyan ve üç değişik tür daha 1-dönmeli parçacık olduğunu önerdiler. Bunlara W + (dabılyu artı), W- (dabılyu eksi), ZO (ze sıfır), dendi ve her birisinin yaklaşık 100 GeV kütlesi vardı. (GeV kısaca gigaelektronvolt ya da bir milyar elktronvolt demektir). Weinberg-Salam kuramı kendiliğinden bakışım bozulması denen bir özellik gösterir. Yani, düşük enerji düzeylerinde birbirinden tamamen farklıymış gibi görünen parçacıklardır. Yüksek enerjilerde bütün bu parçacıklar benzer biçimde davranırlar. Bu biraz, rulet masasındaki rulet bilyesinin davranışına benzer. Yüksek enerjilerde (rulet tekerleği hızla döndürüldüğünde) bilye esas olarak tek bir biçimde davranır-tekerleğin etrafında döner durur. Ama tekerlek yavaşladıkça bilyenin enerjisi azalır ve sonunda tekerlekteki otuz yedi tane bölümden birine düşer. Başka bir deyişle, düşük enerjilerde bil yenin bulunabileceği otuz yedi değişik durum vardır. Eğer, herhangi bir nedenle, bilyeyi sadece düşük enerjilerde gözlemleyebiliyorsak değişik bilye olduğu sonucunu çıkarabiliriz!
Weinberg-Salam kuramına göre, 100 GeV’un çok üstündeki enerjilerde bu üç yeni parçacık ve fotonlar aynı biçimde davranırlar. Buna karşın daha çok karşılaştığımız düşük enerji düzeylerinde ise parçacıklar arasındaki bu bakışım bozulur. W+, W- ve Zo, büyük kütleler edinerek taşıdıkları kuvvetlerin menzilini düşürürler. Weinberg ve Salam bu kuramı ortaya attıkları zaman onlara pek inanan olmadı. Parçacık hızlandırıcıları da henüz, W +, W – ve Zo parçacıklarının oluşturmak için gerekli 100 GeV enerji düzeylerine ulaşabilecek kadar güçlü değillerdi. Ama, bundan sonraki on yıl içinde kuramın düşük enerji düzeyleri için kestirdikleri deneylerle o kadar güzel uyuştu ki, Salam ve Weinberg’e, elektromanyetik ve zayıf çekirdek kuvvetlerini birleştiren benzer kuramları öneren Harvard’lı Sheldon Glashow (Glaşov) ile birlikte 1979 Nobel fizik ödülü verildi. Nobel komitesi 1983 yılında, CERN’de (Avrupa Çekirdek Araştırma Merkezi) fotonun üç kütleli ortağının, öngörülen kütleleri ve öbür özellikleri ile uyuşan biçimde ortaya çıkarılışıyla, yapmış olabileceği bir yanlışlıktan dolayı duyacağı büyük bir utançtan kurtarıldı. Birkaç yüz fizikçiden oluşan bir ekibe önderlik ederek bu buluşu gerçekleştiren Carlo Rubbia’ya (Rubia), kullanılan karşıparçacık depolama sistemini geliştiren CERN mühendisi Simon van der Meyer (Vandenmeyr) ile birlikte 1984 Nobel ödülü verildi. (Bugünlerde deneysel fizik dallarında kendini göstermek en tepede olmadıkça çok zor!)
Dördüncü kuvvet, proton ve nötronların içindeki kuvarkları birbirine bağlayan ve proton ve nötronları atom çekirdeğinde bir arada tutan güçlü çekirdek kuvvetidir. Bu kuvvetin, gluon denen ve ancak kendisi ve kuvarklarla etkileşen diğer bir 1-dönmeli parçacık tarafından taşındığı sanılıyor. Büyük çekirdek kuvvetinin “kapatma” denen tuhaf bir özelliği vardır: buna göre parçacıklar birbirlerine, her zaman renksiz sonuçlanacak birleşimlerle bağlanırlar. Örneğin, bir kuvark hiçbir zaman kendi başına bulunamaz, çünkü o zaman bir renginin olması gerekir (kırmızı, yeşil veya mavi). Bunun yerine, kırmızı bir kuvark, bir yeşil bir mavi kuvarkla gluonlar dizisiyle bağlanır (kırmızı+yeşil+mavi=beyaz). Böyle bir üçlü, proton ya da nötronu oluşturur. Başka bir olası diziliş de kuvark ve karşıkuvark çiftinden oluşur (kırmızı+karşıkırmızı veya yeşil +karşıyeşil veya mavi+karşımavi= beyaz). Böyle bileşimlerin ortaya çıkardıkları parçacıklara meson denir. Kuvarklar ve karşıkuvarklar birbirlerini yok ederek elektron ve diğer parçacıklara dönüşeceklerinden dolayı mesonlar kararsızdırlar. Kapatma ilkesi, benzer biçimde gluonların da tek başlarına bulunmalarına izin vermez, çünkü onların da renkleri vardır. Gluonlar, bu yüzden ancak beyaz rengi doğuracak renk topluluğu içinde bulunabilirler. Böyle bir topluluk, yapışkantop denen kararsız bir parçacığı oluşturur.
sekil5.2
Şekil 5.2
Yüksek enerjili bir proton ve karşıproton çarpışarak, hemen hemen özgür bir çift kuvark oluşturur.
Kapatma ilkesinin kuvark ya da gluonların yalın biçimde gözlemlenmesine izin vermemesi, kuvark ve gIuon parçacıkları kavramının tümünü biraz fizikötesi yapıyor. Ama güçlü çekirdek kuvvetinin sonuşmaz özgürlük denen öyle bir başka özelliği vardır ki , kuvark ve gluon kavramlarına kesinlik kazandırmaktadır. Olağan enerji düzeylerinde güçlü çekirdek kuvveti gerçekten çok kuvvetlidir ve kuvarkları birbirine sıkıca bağlar. Buna karşın büyük hızlandırıcılarla yapılan deneylerin gösterdiğine göre yüksek enerjilerde bu kuvvet çok zayıflar ve bundan dolayı kuvark ve gluonlar sanki özgür parçacıklarmış gibi davranmaya başlarlar. Şekil 5.2 yüksek enerjili proton ve karşıproton arasındaki çarpışmayı gösteren bir fotoğraftır. Bu çarpışma sonucu özgür sayılabilecek birkaç kuvark yaratılmış ve resimde görülen izlerin oluşmasına yol açmıştır.
Elektromanyetik kuvvet ile zayıf çekirdek kuvvetinin başarılı bir biçimde birleştirilmesi, bu iki kuvvetin güçlü çekirdek kuvvetiyle birleştirilip, büyük birleşik kuram (BBK) diye adlandırılan yeni bir kuram oluşturma çabalarına yol açtı. Buna verilen isim oldukça abartmalıdır: sonuçta ortaya çıkan kuramlar ne o kadar büyüktür, ne de, çekim kuvvetini kapsamadıkları için, tamamen birleşiktir. Değerleri önceden kuramdan çıkartılamayan ama yapılan deneylere uyacak biçimde seçilmiş önemli sayıda parametreyi içerdikleri için, kuram olarak eksiksiz de değillerdir. Her şeye rağmen, bunlar eksiksiz bir birleşik kurama doğru atılmış adımlar olabilir. BBK’ların dayandığı temel düşünce şudur: yukarıda sözü edildiği gibi, büyük çekirdek kuvveti yüksek enerjilerde zayıflar. Öte yandan, elektromanyetik ve zayıf kuvvetler, sonuşmaz özgür olmadıkları için yüksek enerjilerde kuvvetlenirler. Büyük birleşim enerjisi denen belli birçok yüksek enerji düzeyinde bu üç kuvvet eşitlenir, böylece tek bir kuvvetin değişik görünümleri olarak yorumlanabilirler. BBK’lar, bu enerji düzeylerinde kuvark ve elektron gibi 1/2-dönmeli değişik parçacıkların temel olarak birbirinin aynı olacağını, böylece bir başka birleşmenin daha elde edileceğini kestirmekteler.
Büyük birleşim enerjisinin değeri pek bilinmiyor ama en azından milyon kere milyar GeV olması gerektiği tahmin ediliyor. Bugünkü kuşak parçacık hızlandırıcıları, parçacıkları birbirleriyle ancak yüz GeV düzeyinde çarpıştırabilmekte ve bunu birkaç bin GeV düzeyine çıkaracak makineler planlanmaktadır. Ama parçacıkları büyük birleşim enerjisine çıkarabilecek kadar güçlü bir makinenin güneş sistemi kadar büyük olması gerektiğini biliyoruz, üstelik bugünkü ekonomik ortamda buna mali kaynak bulmak da pek olanaklı değil. Bu yüzden büyük birleşim kuramları doğrudan laboratuarlarda sınayamıyoruz. Elbette aynı elektromanyetik ve zayıf kuvvet kuramlarında olduğu gibi, bu kuramın da sınanabilecek düşük enerjili sonuçları bulunmaktadır.
Bunların içinden en ilginci, sıradan maddenin çoğunluğunu oluşturan protonların kendiliğinden karşı elektron gibi daha hafif parçacıklara dönüşebileceğinin kuram tarafından öngörülmesidir. Böyle bir olayın gerçekleşebilmesinin nedeni, büyük birleşim enerjisi düzeyinde bir kuvarkla karşıelektron arasında bir ayrım olmamasıdır. Protonun içindeki üç kuvarkın normal olarak karşıelektronlara dönüşecek enerjileri yoktur ama belirsizlik ilkesine göre bu enerjilere kesin bir değer biçemeyeceğimizden, arada sırada bir tanesi bu geçimi sağlamaya yetecek kadar enerji kazanabilir. O zaman proton bozunur. Bir kuvarkın bu iş için yeterli enerji kazanma olasılığı o kadar düşüktür ki, en azından bir milyon kere milyon kere milyon kere milyon kere milyon yıl (1’den sonra otuz sıfır) beklememiz gerekir. Bu ise büyük patlamadan bu yana geçen yaklaşık on milyar yıldan (1’den sonra on sıfır) çok daha uzun bir süredir. Bundan dolayı kendiliğinden proton bozunmasının hiçbir zaman deneysel olarak sınanamayacağı düşünülebilir Ama, çok sayıda proton içeren büyük miktarda maddeyi gözlemleyerek bozunmayı algılama olasılığını artırabiliriz. (Eğer, örneğin 1’den sonra otuz bir tane sıfır sayıda proton, bir yıl süresince gözlemlenebilirse, en basit BBK’a göre birden fazla proton bozunmasının algılanması beklenir.)
Buna benzer birkaç deney sürdürülmüş ama hiçbirinde proton ya da nötron bozunmasının belirgin kanıtı olacak bir sonuç alınamamıştır. Deneylerden bir tanesi sekiz bin ton su kullanarak Ohio’daki Morton tuz madeninde gerçekleştirilmiştir. (Böylece kozmik ışınların neden olduğu, proton bozunmasıyla karıştırılabilecek diğer olaylardan kaçınılmak istenmiştir.) Deneyde kendiliğinden proton bozunmasına hiç rastlanmadığı için, protonun olası yaşam süresinin on milyon yıldan (1’den sonra otuz bir sıfır) daha fazla olması gerektiği sonucu çıkartılabilir. Bu, en basit BBK’ın kestirdiği yaşam süresinden daha uzundur; ama biçilen yaşam süresinin daha da uzun olduğu daha ayrıntılı kuramlar da vardır. Hele onları sınamak için daha da büyük miktarda madde içeren daha duyarlı deneyler gerekecektir.
Kendiliğinden proton bozunmasını gözlemlemek son derece zor olmasına karşın, varlığımızın ta kendisi, evrenin başlangıcında en doğal durum olarak düşünülebileceğimiz kuvarkların karşıkuvarklardan daha fazla olmadığı ilk durumdan, protonların, ya da daha temelde kuvarkların oluştuğu geriye doğru bir sürecin sonucu olabilir. Dünya üzerindeki madde başlıca, kendileri kuvarklardan oluşan proton ve nötronlardan oluşmuştur. Fizikçilerin büyük parçacık hızlandırıcılarını kullanarak ortaya çıkarttıklarının dışında, karşıkuvarktan oluşmuş karşıproton ya da karşınötron hiç yoktur. Kozmik ışınlardan elde ettiğimiz kanıtlara göre, bu yıldız kümemizdeki bütün madde için geçerlidir: yüksek enerjili çarpışmalarda ortaya çıkan az sayıda parçacık karşıparçacık çiftlerinin dışında karşıproton ya da karşınötronlara rastlanmaz. Eğer yıldız kümemizde geniş karşımadde bölgeleri bulunsaydı, parçacıkların, karşıparçacıklarla çarpışarak birbirlerini yokedecekleri ve yüksek enerjiyle ışıyacakları iki bölge arasındaki sınırlardan büyük miktarda ışıma gözlemlememiz gerekirdi.
Diğer yıldız kümelerindeki maddenin proton ve nötrondan mı, yoksa karşıproton ve karşınötrondan mı oluştuğuna ilişkin elimizde doğrudan kanıt yok, ama birinden biri doğru olmalı. Yine çarpışmalardan dolayı çok miktarda ışıma gözlemlememiz gerekeceği için tek bir yıldız kümesinde ikisinin karışımının olmasını bekleyemeyiz. Şu halde, tüm yıldız kümelerinin, karşıkuvark yerine kuvarklardan oluştuklarına inanıyoruz: bazı yıldız kümelerinde madde, bazılarında ise karşımadde olması pek akla yatkın değil.
Niçin, karşıkuvarklardan çok daha fazla sayıda kuvark olması gerekiyor? Niçin her ikisinden de eşit sayıda bulunmuyor? Aslında sayılarının eşit olmayışı, bizim açımızdan çok talihli bir olay, yoksa bütün kuvark ve karşıkuvarklar birbirilerini yok ederek, geriye madde yerine ışıma dolu bir evren bırakırlardı. O zaman ne bir galaksi, ne bir yıldız, ne de üzerinde insan yaşamının serpileceği bir gezegen ortaya çıkamazdı. Neyse ki BBK’lar, evren eşit sayıda kuvark ve karşıkuvarklarla başlamış olsa bile, kuvarkların şimdi niye daha çok olduğunu bize açıklıyorlar. Gördüğümüz gibi, BBK’lar yüksek enerjilerde kuvarkların karşı-elektronlara dönüşebileceğini söylemekteler. Ayrıca geriye doğru süreçlere de, yani kuvarkların elektronlara, elektron ve karşıelektronların, kuvark ve karşı kuvarklara dönüşmesine izin verirler. Evrenin daha ilk başlarında, parçacık enerjilerinin, son derece yüksek ısıdan dolayı bu tür dönüşümlere yol açacak denli yüksek olduğu bir zaman vardı. Ama bu niçin kuvarkların karşıkuvarklardan daha çok olmasına yol açsın? Bunun nedeni fizik yasalarının parçacıklar ve karşıparçacıklar için aynı olmamasında yatmaktadır.
1956 yılına kadar fizik yasalarının, C, P, T denen bakışımların her birine uyduğu sanılıyordu. C-bakışımı fizik yasalarının parçacık ve karşıparçacıklar için aynı olduğu anlamına gelmektedir. Pbakışımı, yasaların her durum ve onun aynadaki görüntüsü için aynı olmasıdır (ekseni etrafında sağa dönen bir parçacığın aynadaki görüntüsü sola dönen bir parçacıktır). T-bakışımı ise, bütün parçacık ve karşıparçacıkların devinim yönlerini değiştirirseniz dizgenin başlangıç anlarına dönüleceği anlamına gelir; yani zamanın ileri ya da geri akış yönünde fizik yasaları aynıdır.
1956’da TsungDai Lee (Li) ve Chen Ning Yang (Yan) adlı iki Amerikalı zayıf kuvvetin P-bakışımına uymadığını ileri sürdüler. Başka bir deyişle, zayıf kuvvetin evreni, aynadaki görüntüsünün gelişmesinden daha değişik bir biçimde geliştirmesi gerekmekteydi. Aynı yıl bir meslektaşları Chien-Shiun Wu (Vu), bu önermenin doğruluğunu kanıtladı. Bunu, radyoaktif atomların çekirdeklerini manyetik alanda aynı yönde dönecek biçimde dizerek ve elektronların belli bir yönde diğer yönden daha çok yayınlandıklarını göstererek gerçekleştirdi. Bunu izleyen yıl, Lee ve Yang’a düşüncelerinden dolayı Nobel Ödülü verildi. Daha sonra, zayıf kuvvetin Cbakışımına da uymadığı bulundu. Yani, karşıparçacıklardan oluşmuş bir evrenin bizimkinden daha değişik davranması gerekmekteydi. Yine de, zayıf kuvvet CP-bileşik bakışımına uyar gibi görünüyordu. Yani her parçacık kendi karşıparçacığı ile yer değiştirirse, evren aynadaki görüntüsü gibi gelişmeliydi! 1964 yılında, J.W. Cronin (Kronin) ve Val Fitch (Fiç) adlı iki Amerikalı, K-meson denen parçacıkların bozunmasının CP-bakışımına bile uymadığını gösterdiler. Cronin ve Fitch sonuç olarak, bu çalışmalarından dolayı 1980 yılında Nobel Ödülü’nü aldılar. (Evrenin bizim sandığımız kadar basit olmadığını gösterenlere ne kadar da çok Nobel Ödülü vermiş!)
Hem tanecik mekaniğine, hem de göreliğe uyan yasaların CPTbileşik bakışımına da uyması gerektiğini belirten bir matematiksel teorem vardır. Başka bir deyişle, eğer parçacıklar karşıparçacıklar ile yer değiştirir, evrenin aynadaki görüntüsü alınır ve zamanın da yönü değiştirilirse evrenin aynı şekilde davranması gerekir. Buna karşın, Cronin ve Fitch gösterdiler ki, parçacıklar ile karşıparçacıklar yer değiştirir, daha sonra evrenin aynadaki görüntüsü alınır fakat zamanın yönü değiştirilmezse, evrenin davranış biçimi aynı olmaz. Şu halde, zamanın yönü değiştirilirse fizik yasaları da değişmelidir, çünkü bu yasalar T-bakışımına uymazlar.
Şurası kesin ki, ilk evren T-bakışımına uymuyordu: zaman ileri doğru aktıkça evren genişlemektedir, eğer geriye aksaydı evren büzülecekti. T-bakışımına uymayan kuvvetler olduğu için, evren genişledikçe bu kuvvetlerin, elektronların karşıkuvarklara dönüşmesinden daha çok karşıelektronların kuvarklara dönüşmesini gerektirdiği sonucu ortaya çıkar. O zaman, evren genişleyip soğudukça karşıkuvarklar, kuvarklardan daha çok kuvark olduğu için, geriye bir miktar kuvark kalacaktır. Bugün gördüğümüz ve bizi oluşturan madde işte budur. Öyleyse bizim varlığımızın ta kendisi, salt niteliksel olsa bile, büyük birleşik kuramların bir doğrulaması olarak görülebilir; belirsizlikler öyledir ki, geriye kalan kuvarkların sayısını kestirmek, hatta geriye kalanların kuvark mı yoksa karşıkuvark mı olacağını söylemek olanaksızdır. (Geriye kalanlar karşıkuvark olsaydı, kuvarklara karşıkuvark, karşıkuvarkalara da kuvark deyip işin içinden çıkardık).
Büyük birleşik kuramlar kütlesel çekim kuvvetini içermezler. Bunun pek o kadar önemi de yoktur, çünkü kütlesel kuvvet o kadar zayıftır ki, temel parçacıklar ya da atomlarla uğraşırken onun etkisi çoğu kez yok sayılabilir. Ama, hem uzun menzilli ve hem de hiçbir zaman çekici oluşu, etkilerinin üst üste ekleneceği anlamına gelir. Bu yüzden, yeterince çok sayıda parçacık için kütlesel çekim kuvveti diğer kuvvetlerden baskın olabilir. Evrenin evrimini belirleyenin kütlesel çekim kuvveti olmasının nedeni budur. Yıldız büyüklüğündeki nesneler için bile kütlesel kuvvetin çekimi diğer kuvvetlere baskın çıkarak yıldızın kendi üstüne çökmesine neden olabilir. Benim 1970’lerdeki çalışmam böyle yıldız çökmelerinden oluşan kara delikler ve onların etrafındaki yoğun kütlesel çekim alanı üzerinde odaklanmıştı. Bizi tanecik mekaniğinin ve genel göreliğin birbirlerini nasıl etkilediklerinin ilk ipuçlarına, daha ileride çekimin tanecik kuramına kısa bir göz atışa götürecek olan işte buydu.
Stephen William Hawking
Zamanın Kısa Tarihi