fizikte, cisimlerin ve parçacıkların birbirleriyle, bazı kuvvet taşıyıcı parçacıklar aracılığı ile etkileşim kurmasını sağlayan kuvvetler. 4 temel kuvvetin varlığını biliyoruz. bu kuvvetlerin nasıl çalıştığını basitçe anlatmaya çalışayım.
uzun entry sevenler, ekran başına... bazı noktaları aydınlatacağımı sanıyorum bu girdi ile.
öncelikle şunu belirteyim; birazdan bahsedeceğim ilk 3 kuvvet, kuantum mekaniği ile de desteklenir ve kuantum teorisi ile uyum içindedir. 4. kuvvet için ise henüz onu destekleyecek tam bir kuantum teorisi oluşturulabilmiş değil.
***
kuvvetler, sanal parçacık dediğimiz bazı atom altı parçacıkların değiş tokuşu sonucunda ortaya çıkar. bu parçacıkların sanal olarak adlandırılma nedeni, bunları doğrudan gözlemleyemiyor oluşumuz. gözlemlenemiyor oluşlarının nedeni ise çok kısa süreler içerisinde yok olmaları.
tabi diyebilirsiniz ki "madem gözlemleyemiyoruz, o halde bunların var olduğunu nasıl iddia edebiliyoruz?"
bu parçacıklar yoktan var oluyor gibi görünse de, aslında evrenin dokusundan ödünç aldıkları enerji ile geçici olarak kütle sahibi olurlar (bazılarının kütlesi sıfıra oldukça yakın olabilir), kısacık bir an içerisinde birbirleriyle etkileşime girer ve tekrar yok olurlar. yani bu sanal parçacıklar, uyarılmış birtakım kuantum alanlarının gerçek parçacıklar olarak değil, birer kuvvet olarak boy göstermesidir. biz tek bir parçacığı gözlemleyemeyiz ama birçok parçacığın bir araya gelerek oluşturduğu son ürün olan temel kuvvetleri gözlemleyebiliriz.
şöyle bir örnek verelim: arkadaşınızla birlikte birer kaykayın üzerinde, karşılıklı olarak yüz yüze duruyorsunuz. birbirinize doğru birer basket topu fırlattığınızı ve karşılıklı olarak bu topları tuttuğunuzu düşünün. fırlatmanın etkisiyle kaykaylarınız geriye doğru hafifçe harekete geçerek birbirinden uzaklaşacaktır. bu eylemi peş peşe ne kadar çok gerçekleştirirseniz, birbirinizden o kadar uzaklaşırsınız. burada, aranızda bir momentum transferi gerçekleşmiş olur.
şimdi bunun tersini düşünün: yine kaykaylarınızda karşı karşıyasınız ama bu kez sırtlarınız birbirine dönük. ikiniz de, diğerinin yakalayacağı şekilde, birer bumerang fırlatıyorsunuz yüzünüzün dönük olduğu tarafa doğru. bu kez yine fırlatmaların etkisiyle kaykaylarınız geriye doğru hafifçe hareket edecek ama siz fırlatma işini ileriye doğru yaptığınız ve birbirinize arkanız dönük olduğu için bu defa birbirinize yaklaşacaksınız. yine aranızda bir momentum değişimi oldu ama evet: bu kez negatif momentum değişimi yaptınız.
işte birbirini çeken ya da iten iki mıknatıs için konuştuğumuzda ya da farklı türden iki elektrik yükü birbirini çeker ya da aynı türden elektrik yükleri birbirini iterken yaşanan şey, fotonlar aracılığıyla yapılan bu değişimlerdir. ilk kaykay örneği, mıknatısların ya da yüklerin birbirini nasıl ittiğinin, ikinci kaykay örneği ise nasıl çektiğinin basit bir benzetimidir çünkü örneğin aynı türden yükler arasında, bu parçacık alışverişi nedeniyle bir enerji dağılımı oluşur ve yükler, doğadaki birçok şey gibi, en düşük enerji seviyesine geçmek isteyerek birbirlerinden uzaklaşırlar . farklı türden yükler arasında ise tam tersi bir durum oluşur .
elektromanyetik kuvvet, 4 kuvvet içerisinde, mesafeye bağlı olarak zayıflamakla beraber, en uzun menzilli olan, oldukça güçlü bir kuvvet. neden? bunun cevabı fotonların durgun kütlesinin olmamasında. önce işin, kulağa arapça gibi gelen matematiksel kısmını yazayım: einstein'ın meşhur enerji denklemindeki enerjiyi, heisenberg belirsizlik ilkesi formülünde yerine yazarsanız ve lorentz faktörü olan gama'yı da formüle dahil ederseniz, buradan bir uzaklık hesabı elde edersiniz ve kütlenin paydada yer aldığını görürsünüz.
şimdi de "ne diyorsun sen değişik?" diyenler için özet: paydada olan bir değer ne kadar küçük olursa, elde edeceğiniz sayı o kadar büyük olur. bu nedenle paydadaki kütle (yani fotonun durgun kütlesi) ne kadar küçük olursa, uzaklık da o kadar büyük olacak demektir. yani kütlesiz kabul edilen foton, oldukça uzun mesafelere seyahat edebilecek demektir.
***
2- Güçlü Nükleer Kuvvet
biliyoruz ki evrende her şey atom denen son derece küçük birimlerin bir araya gelmesiyle oluşur. atom çekirdeğinin içerisinde proton ve nötron dediğimiz parçacıklar var. bu parçacıklar da, kendilerinden çok daha küçük olan kuark adlı parçacıklardan oluşuyor. bu kuarkları bir arada tutan "atomik yapıştırıcı"ya gluon adını veriyoruz. kuarkları bir arada tutan kuvvet, güçlü nükleer kuvvet olarak tanımlanıyor. bu kuvvetin taşıyıcı parçacığı da yukarıda adı geçen gluonlar.
güçlü nükleer kuvvetin menzili, elektromanyetik kuvvetin menzilinden çok daha kısa. oysa gluonlar da tıpkı fotonlar gibi kütlesiz kabul ediliyor. o halde neden menzilleri aynı değil?
işte burada devreye, kuantum fiziğinin kuantum kromodinamiği adlı bir alt dalı ve bunun incelediği renk yükü kavramı giriyor. tıpkı pozitif ve negatif elektrik yükleri gibi, gluonların da kırmızı, mavi ve yeşil renk yükleri var. isimler kafanızı karıştırmasın. bunların bildiğimiz renklerle bir ilgisi yok. sadece farklı yükleri birbirinden ayırmak için kullanılan kelimeler bunlar.
evet, bildiğiniz gibi fotonlar kütlesiz ve aynı zamanda elektriksel olarak yüksüz parçacıklar olduklarından, evrende herhangi bir şeyle anında etkileşime girmeden yollarına devam edebiliyorlar. gluonlar da kütlesiz ve elektrik yüksüz ama renk yüklü parçacıklar. yani onların etkileşime girmesine neden olan çok geçerli bir sebepleri var. atom çekirdeğinde, hemen "burunlarının dibinde" bulunan diğer gluonlarla, renk yükleri nedeniyle anında etkileşime giriyorlar ve onları birbirinden ayırmak pek de kolay değil.
ancak burada ters bir durum var. elektromanyetik kuvvetteki durumun aksine, gluonlarla birbirine bağlanmış olan kuarklar arasındaki güçlü kuvvetler, mesafe arttıkça artar. bir arada olduklarında ise bu kuvvet o kadar güçlü değildir. bir kuarkı, oluşturduğu proton ya da nötrondan koparmaya kalkarsanız son derece büyük bir enerjiye ihtiyaç duyarsınız. bu nedenle şu ana kadar serbest bir kuark gözlenebilmiş değil henüz.
diyelim ki pratik değil teorik kısmı konuşuyoruz ve kuarkı koparmayı başardık. eğer bunu başarırsanız, ortaya çıkan enerji, anında bir kuark - anti kuark çifti oluşturacaktır. çiftin kuark olanı atoma hemen geri dönerken, anti kuark olanı da kopardığınız kuark ile birleşerek bir mezona dönüşecektir.
evet farkındayım, konu biraz karışık ama genel olarak olayı anladıysak 3. kuvvetimize geçebiliriz.
***
3- zayıf nükleer kuvvet
bu kuvvet, kararsız atom çekirdeklerinin davranışlarından sorumludur. kararsız bir çekirdek, kararlı bir duruma geçmek ister mutlaka. bunun da çeşitli yolları var. alfa bozunması, beta bozunması, pozitron bozunması vesaire... bunların hepsi ayrı başlık olabilecek konular olduğundan detaya girmeyeceğim ama bu kuvvetin taşıyıcı parçacıklarının w ve z bozonları olduğunu söyleyeyim.
çekirdek bozunmaları, bahsi geçen bozonların değiş tokuşu ile gerçekleşir. örneğin bir protondan nötrona geçiş yapıp yük dengesini koruyacak şekilde kuark dönüşümünü gerçekleştiren ve görevini tamamlayan bozon, anında farklı parçacıklara bozunur. yani bozonlar oldukça kısa ömürlü ve büyük kütlelidir.
zayıf nükleer kuvvetin menzili çok kısadır.
***
4- kütle çekim kuvveti
evrende gördüğümüz büyük kütlelerin arasındaki etkileşimleri açıklayan kuvvettir. menzili -teorik olarak- sonsuz kabul edilir. ancak diğer 3 kuvvetin aksine, bu kuvvetin taşıyıcısı olan graviton henüz gözlemlenmedi. şimdilik sadece teorik bir parçacık. ancak menzilin sonsuz, yani çok uzun olmasından anlıyoruz ki, graviton da kütlesiz olmalı.
başta da belirtiğim gibi, bu kuvvet şu ana kadar kendisini destekleyecek bir kuantum teorisine henüz sahip değil. o nedenle şimdilik sadece genel görelilik ile açıklanıyor. aslına bakarsanız her ne kadar bu kuvvetin, uzaydaki kütlelerin (ya da enerjinin), etrafındaki uzay-zaman dokusunu büktüğü için ortaya çıktığını tahmin ediyor olsak da, hâlâ kütle çekiminin aslında tam olarak ne olduğunu ve nasıl çalıştığını açıklamaya çalışan bazı bilim insanları var.
bildiğimiz kadarıyla evrenin genel şekli düz. ancak evrenimiz pürüzsüz bir yüzey kadar düz değil. içerisindeki tüm kütleli cisimler onun dokusunu bozuyor ve üzerinde çeşitli yerel şekilsizlikler oluşturuyor. genel görelilik, kütle çekim kuvvetinin bu bozulmalar nedeniyle ortaya çıktığını söylüyor ama işin kuantum boyutuna inildiğinde bu teori yararsız hale geliyor.
gravitonun varlığı ancak sicim teorisi ile açıklanabilen bir parçacık. ancak gravitonun nasıl çalıştığı ve kütle çekim kuvvetini nasıl ortaya çıkardığı hâlâ bir muamma. o nedenle ben de bu kuvvetin kuantum ayağı ile ilgili fazla yorum yapmayacağım. eğer bu sorun bir gün çözülürse, her şeyin teorisi de elde edilmiş olacak.
***
son olarak şunu da ekleyeyim: yapılan çalışmalar şunu gösteriyor ki evrenin ilk oluştuğu anlarda bu dört kuvvet birbirine yapışık durumdaydı. ancak evren genişledikçe ve sıcaklığıyla yoğunluğu azaldıkça bunlar da teker teker birbirinden ayrılarak, yani hepsi kendine has ayrı ayrı kuvvetler olarak ortaya çıktılar.
