Atom-altı parçacıklar (temsili) (Kaynak: oxygen/Getty Images ; scientificamerican.com)
Atom-altı parçacıkların ‘spin’ (eksenel dönme) özelliği bir süredir bilinmekte… Bilim insanları, bu ‘kuantum özelliğinin’ Evrenin (ve, haliyle, Dünyanın) oluşumunda gerekli ve önemli olduğunu söylüyor…
Adam Becker, scientificamerican.com’da, 22 Kasım 2022’de yayımlanan yazısında bu ‘dönme’ (spin) özelliğinin sanıldığı gibi olmadığını ileri sürdü…!
Atom-altı parçacıklardan olan Elektronlar, eskiden bilinenin aksine, belirli bir yörünge izlemeden, adeta bir sivrisinek gibi, atom çekirdeğinin etrafında uçuşur… Aynı anda farklı iki yerde bulunabilirler…
Bilim insanları, bu yüzyılın başlarında, elektronların izini sürdüğünde, onların ‘eksenel dönme’ denebilecek bir dönme hareketi de yaptıklarını belirlemişti…
Bilim İnsanları, elektronun bu ‘dönme’ hareketinin hiçbir zaman, yavaşlamadığını veya hızlanmadığını da belirlemişti…Elektrona ne etki uygulanırsa uygulansın, bu dönme hareketi değişmemekteydi…Ayrıca, dönen her elektrik yüklü cisim etrafında oluşacağı gibi, Elektronun küçük bir manyetik alanı da mevcuttu… Zaten, Elektronun bir ‘dönme’ hareketi yaptığı, bu manyetik alan ölçülerek belirlenmişti…
Araştırmacılar, tüm bu bilinenlere rağmen, Elektronların eksenel bir dönme hareketi yapmadığını söylüyor…! Elektronlar, bir dönme hareketini istese de yapamaz…!
Elektronlar, (bir yüzeylerinin mevcut olduğu varsayıldığında) gösterdikleri ‘dönüyormuş-gibi’ olan hareketi gerçekten yapmış olsalardı, yüzeyleri üzerindeki bir noktanın ‘ışık hızından daha hızlı’ bir şekilde hareket etmiş olması gerekirdi…
Daha da şaşırtıcı olanı, neredeyse bir yüzyıl boyunca, birçok fizikçi bu ‘eksenel dönme hareketinin’ mevcut olduğunu savunmuştu…!
Elektronların dönmemesi durumunda, insan vücudu dahil, tüm yapıların kendi üzerine çökerek, minimum bir hacme küçülmesi gerekirdi… Tüm Periyodik Tablo’nun ve tüm Kimyanın da ‘çökmesi’ (anlamını yitirmesi/geçersiz kalması) gerekirdi… Nihayetinde, ‘Molekül’ diye bir şey kalmazdı…!
Bilim İnsanları, ‘Spin’in her zaman kafa-karıştırıcı olduğunu söylüyor… Göründüğü kadarıyla, ‘Spin’ özelliğini ilk defa ortaya atan Bilim İnsanı yanılmıştı…! İki genç Hollandalı Fizikçi olan Samuel Goudsmit ve George Uhlenbeck, 1925’te, yine ünlü bir fizikçi olan Wolfgang Pauli’nin son çalışmasına kafa yormaktaydı…Pauli, Atom Spektrumunu ve Periyodik Tablo’yu açıklamaya çalışırken, Elektronların, klasik yöntemlerle açıklanamayan iki özelliğinin/değerinin (two-valuedness) daha mevcut olduğunu ileri sürdü… Pauli, ileri sürdüğü bu özelliği uygun bir şekilde adlandıramadı… Goudsmit ve Uhlenbeck, Pauli’nin ileri sürdüğü bu özelliğin ne olabileceğini merak ettiler…
Pauli’nin Elektron için ileri sürdüğü yeni değer, klasik Newton Fiziğinden iyi bilinen, ‘Açısal Momentum’du…
Açısal Momentum, dönen bir cismin dönme hareketini sürdürme eğilimidir… Bu fizik-özelliği topaçların dönmesini, bisikletle (düşmeden) gidilebilmesini mümkün kılar…; uçaklarda üç eksendeki durumu (yatış !) gösteren ekipmanın çalışma prensibidir/ana dayanağıdır…
Bir cisim ne kadar hızlı dönerse, açısal momentumu da o kadar büyük olarak oluşur… Bir cismin kütlesi ve şekli bu momentum miktarının oluşmasında etkilidir… Bu özellik, Buz Patencisinin dönüş hareketinde de kendini gösterir…
Aynı hızda dönen ağır cismin momentumu, daha hafif cisme kıyasla daha büyüktür… Dönme hareketi yapan bir Buz patencisinin kullarını açtığında ve kapadığında dönüş hızının değişmesi de bu açısal momentumun bir özelliğini gösterir…
Cisimler kendi eksenleri etrafında dönmeden de açısal momentuma sahip olabilir… Dünya-Güneş örneğindeki gibi, bir cismin etrafında (yörüngesinde) dönen diğer cisim de açısal momentuma sahiptir… Bir ipin ucuna bağlanarak parmakla/elle döndürülen (savrulan) taş parçasının sahip olması da başka bir örnek…
Goudsmit ve Uhlenbeck, bu gibi bir açısal momentumun Pauli’nin belirlediği ‘Elektron Özelliği’nin sebebi olamayacağını düşündüler… Elektronlar, bir atom çekirdeğinin etrafında, sahip oldukları negatif yük ile, çekirdeğin sahip olduğu pozitif yük arasında oluşan çekim kuvveti sayesinde dolanır…; en azından Newton Fiziği ile böyle açıklanmaktaydı…! Ancak, Elektronlarda oluşan bu açısal momentum Pauli’nin belirlediği yeni sayısal-değer kadar olamazdı… Bu genç fizikçiler, kısaca, elektronda belirlenen bu farkın (farklı hareketin), yörünge hareketine ilave olarak, eksenel dönüş hareketinden kaynaklanıyor olabileceğini düşündüler…
Pauli’nin ‘iki -değerlilik’ (two-valuedness) olarak ileri sürdüğü husus, Elektronun saat yönünde ve saatin-tersi yönde dönebilmesinden kaynaklanıyor olmalıydı… Goudsmit ve Uhlenbeck işte bunu keşfetmişti…!
Ekip bu bulgusunu ünlü fizikçi Lorentz’e açıklayınca beklemediği bir sürprizle karşılaştı… Lorentz bu keşiften pek tatmin olmadı…Ekibin bu iddiası doğru ise, dönen Elektronun yüzeyindeki bir noktanın hızı ışık hızını fazlasıyla geçerdi ki…, bu, bilinen fizik kurallarına göre imkansızdı…!
Uhlenbeck, bu keşiflerini açıklayan makalelerini geri çekmek istediyse de, biraz geç kalmış, makale basılmıştı…!
Elektronların dönme hareketi yaptığı iddiası geçersiz olsa da, basılmış ve dağıtılmış olan bu makale bilim dünyasında büyük bir kabul gördü…! Gerçek olan şuydu…: Elektron fiziki bir gerçeklik olarak dönmese/dönemese de, bünyesinde bir ‘Açısal Momentum’ (intrinsic angular momentum) özelliği barındırmaktaydı…!
Sonunda, Goudsmit ve Uhlenbeck, Elektronun ‘eksenel dönme’ (spin) özelliğinin kaşifi olarak yaygın şekilde tanındılar…!
Spin, maddenin yapısının anlaşılmasında çok önemli bir özellik haline geldi… Pauli, Elektronun ‘iki-değerli özelliğini’ (two-valued number) tanımladığı makalesinde, ayrıca, ‘dışlama prensibini’ (exclusion principle) de ileri sürmüştü…; iki elektronun aynı anda (aynı yörüngede), aynı durumda (state) olamayacağı hususu… Bu mümkün olsa, bir atomdaki Elektronların bir alt enerji seviyesine inme eğilimi sebebiyle, elementler arasında etkileşme/davranış farkı ortadan kalkacak ve bilinen kimya süreçleri çökecekti/geçersiz olacaktı…!
Bu durum, suyun da mevcut olamaması gibi…, ‘işin suyunu çıkaracaktı’…; işi, ‘işe yaramaz bir Evrene’ götürerek…!
Puli’nin, Elektronların özelliği hususundaki bu önermesi her ne kadar doğruysa da, Elektronların aynı ‘durumu’ (state) paylaşamama sebebi açıklanamamaktaydı… Pauli’nin bu ‘dışlama prensibi’nin açıklanması, gündelik yaşamın derin gerçeklerinin anlaşılmasını da sağlayabilirdi…
Bu soruların cevabı ‘Spin’de yatmaktaydı… ‘Spin’in, daha sonra, sadece Elektronun değil, tüm atom-altı parçacıkların doğal bir özelliği olduğu anlaşıldı… ;bu parçacıkların gruplar halindeki davranışlarıyla da ilişkiliydi…
1940’ta, Pauli ve (İsviçreli fizikçi) Markus Fierz, Kuantum Mekaniği ve Einstein’in Özel Göreliliği’ birleştirildiğinde, kaçınılmaz olarak, ‘Spin’ ile ‘Grupların_İstatistiksel-Davranışları’ arasında bir ilişkinin varlığı da ortaya çıkmaktaydı…Pauli’nin ‘Dışlama Prensibi’ ‘Spin-İstatistikleri Teoremi’nin, sadece, özel bir haliydi…Fizikçi Michael Berry, bu teoremin, Kimya’yı, hatta, Süperiletkenliği de açıklayan, doğal ve teknolojik olarak çok kullanılışlı, bir gerçeklik olduğunu söyledi…
20. yüzyılın ikinci yarısında, ‘Spin’ özelliği lazerlerin geliştirilmesinde, süperiletkenlerin davranışlarının açıklanmasında ve Kuantum Bilgisayarlarının inşaasında izlenecek yolun işaret edilmesinde kullanıldı…
Yine de, tüm bu keşiflere, uygulamalara ve açıklamalara rağmen, Goudsmit ve Uhlenbeck’in sorusu masada cevap beklemekte…: ‘Spin’ (gerçekte) nedir…? ‘Spin’ yapıyor (dönüyor) görünmesine rağmen dönmeyen Elektronların bu ‘Açısal Momentumu’ nereden gelmekte…? Bilim İnsanlarının verdiği standart cevap, bu ölçülen momentumun atom-altı parçacıkların bir ‘doğal karakteri’ olduğu… ; bilinen ‘Spin'(dönme) hareketiyle bir ilişkisinin mevcut olmadığı…
Ancak, şüphesiz, bu açıklama, diğer Bilim İnsanları ve ‘titiz’ bilim izleyicileri için tatmin edici olamamakta…
Fizikçi Charles Sebens, ‘Kuantum Fiziğine göre, Elektronlar dönmemekte, ancak, Kuantum Alan Teorisi, Kuantum Teorisinden daha derin ve daha doğru bir teori’… demiş…; Kuantum Teorisinin yetersizliğine vurgu yaparak…
Kuantum Alan Teorisi (Quantum Field Theory) atomaltı parçacık dünyasının, Einstein’in madde-enerji arasında dönüşümün olabileceğini gösterdiği, E=Mc2 ile birleştiği alan… Kuantum Alan Teoremi, ‘Spin-Statistics Theorem’in de doğduğu fizik dünyası… Bu yetenek sayesinde, atom-altı parçacıklar etkileştiğinde, enerjiden yeni parçacıklar yaratılabilir ve mevcut parçacıklar da başka parçacıklara veya enerjiye dönüşebilir…
Kuantum Alan Teorisi, alanlardan doğan ve tüm uzay-zamanı dolduran parçacıkları tanımlar… Bu parçacıklar, Einstein’in Özel Görelilik Kuramını ve Kuantum dünyasının Olasılık yasalarını ihlal etmeden ortaya çıkar veya mevcutken ortadan kaybolur…!
Sebens, ‘Elektron, sıradan bir düşünce ürünü olarak, bir parçacık olarak kabul edilmekle birlikte, Kuantum Alan Teorisinde, her parçacığın bir ‘Alan’ (Field’ olarak düşünülmesi sözkonusu’…diyor… ‘Elektron, Kuantum/Dirac Alanında bir ‘bozuntu’ (excitation; yoğunlaşma) olarak da düşünülebilir…; bu Alan, Elektron’un ‘Spin’ini taşıyan ortam da olabilir… Dirac Alanında enerjinin ve ‘yük’ün (charge) gerçek bir dönmesi söz konusu…Burası, açısal momentumun bulunduğu/korunduğu yer ise, Elektronun ışık-hızından daha hızlı olarak ‘Spin’ problemi ortadan kalkar…Elektronun ‘Spin’ini taşıyan/içeren alan, bir bozuntu/çıkıntı olarak ortaya çıkacak Elektronun, bir parçacık olarak ‘Spin’inden çok daha büyük olacaktır’..diyor…
Sebens’e göre, Pauli ve Lorentz ‘yarı-oranda’ haklıydı…; ‘dönen’ bir parçacık mevcut değil…; parçacıkları oluşturabilen, dönen bir alan sözkonusu…!
Fizikçi Ohanian, Sebens’in önerdiği çözümün ‘Anti-Madde’ dünyasında geçerli olamayacağını söylemiş…!
Top şimdi…Sebens’te…!
Yararlanılan Kaynak:
HAVACILIK VE UZAY 
Yorum yazabilmek için oturum açmalısınız.