Sicim Kuramı Nedir?

Parçacık fiziği içerisinde ele alınan bir konu olan Sicim Kuramı, kuantum mekaniği ve genel görelilik kuramını birleştiren bir teoridir. Sicim kuramına göre belirli bir şekilde titreşen ipliksiler, kütle ve yük gibi özelliklere sahip olan parçacıklar şeklinde davranabilir. Her ne kadar gelişmiş ve gelişmeye devam eden bir alan olsada henüz deneysel gözlem mümkün olmamıştır. Bu açıdan sicim kuramının matematiksel bir model olduğu söylenebilir.

Sicim Kuramı Tarihi – Gelişimi

Parçacık fiziği içerisinde temel parçacıklar belirli bir hacme, alana ya da uzunluğa sahip değildir. Sicim kuramı incelendiğinde ise Sicim olarak adlandırılan tek boyutlu nesnelerin parçacık özellikleri, kuantum halleri kullanılarak açıklanmaya çalışılır. Sicim kuramı içerisinde parçacık fiziği – standart modelinde yer alan tüm parçacıklarla birlikte gravitona olarak bilinen bir parçacık daha yer almaktadır. Fizikçilere göre Sicim Kuramı, maddenin tüm biçim ve etkileşimleri hakkında bilgi verebilecek bir kuram olabilir.

Oldukça eski bir geçmişe sahip olmasına karşın ilk çalışmaların 60’lı yıllarda başladığı söylenebilir. Örneğin 1969 yılında Yoichiro Nambu’nun, Holger Bech Nielsen’in ve Leonard Suskind, kuramın sicimler tarafından tanımlanabileceğini göstermiş, Pierre Ramond ise fermiyonları da içerecek şekilde bu kuramı geliştirmiştir. Bugün süpercisim olarak adlandırdığımız kuramlar, yeni çalışmaların önünü açmıştır.

1980’li yıllara gelindiğinde hem kuram üzerinde hem de alternatif araştırmalarda önemli bir ivme elde edilmiştir. Ancak asıl sıçramanın 1995 yılında Edward Witten tarafından sağlandığı düşünülür. Edward Witten o tarihlere kadar geliştirilmiş olan beş ayrı sicim kuramını M-Kuramı adı altında birleştirerek büyük bir gelişme kaydetti.

Sicim Kuramı – Sicimler

Sicim kuramı içerisinde sicimlerin çok farklı şekillerde titreşebileceğini söylemiştik. Örneğin iki ucu açık olan sicimler kütleleri, elektrik yükleri ya da diğer özellikleri bakımından farklı parçacıklara karşı gelmektedir. Yine sicim kuramında yer alan ekstra boyutlar kuramın tutarlı olmasını ancak içerdiği boyutlar ile mümkün kılmaktadır. Bozonik sicim kuramında 26, süpercisim kuramında 10, M-Kuramında ise 11 boyut yer almaktadır.

Bugün, fizikçiler tarafından sicim kuramı, etkili bir teori olarak ele alınsa da deneysel gözlem olmaması nedeniyle eleştirilerde alıyor. Şuanda sahip olunan imkanlar ile deneysel gözlemin oldukça zor olduğu söylenirken Planck uzunluğu ölçeğinde olan cisimleri inceleyebilmek için oldukça yüksek oranda enerjiye ihtiyaç duyuluyor. Daha açık bir ifade ile ihtiyaç duyulan enerjinin Büyük Hadrod Çarpıştırıcısında ulaşılan miktarın yaklaşık 10 katı olduğunu söylemeliyiz.

Yararlanılan Kaynaklar

(1) http://tr.wikipedia.org/wiki/Sicim_kuram%C4%B1

(2) Bilim Teknik – 2015 – 1

(3) http://www.pbs.org/wgbh/nova/elegant/view-glashow.html

Atomaltı Parçacıklar ve Kütle Ölçümü

atomaltı parçacık kütle ölçümü

Atomaltı parçacık, atomdan küçük olan ve atomu da oluşturan maddelerdir. En bilinen örnekleri proton, elektron ve nötrondur. Bu örnekler dışında henüz yapıları tam anlamıyla keşfedilmemiş olanlar ise ışık, bozon, mezon, fermiyon, baryon ve gravitondur. Parçacık fiziği ve nükleer fizik kapsamında değerlendirilen bu parçacıklar aralarındaki etkileşimler ve atomik olmayan maddeler üzerine yoğunlaşmıştır.

Atomaltı Parçacıklar ve Bazı Özellikleri

Doğada yalnızca Hidrojen atomunda izotopu bir proton ve bir elektrondan oluşmaktadır. Hidrojen dışında tüm elementlerde çekirdekte nötron bulunmaktadır. Atomaltı parçacıklar için yük ve kütle dışında önemli iki ayrı özellik bulunmaktadır. Bu özelliklerden ilki her parçacığın sahip olduğu spin adı verilen açısal momentum, ikincisi ise her bir parçacığın sahip olduğu anti parçacıktır.

Atomaltı parçacıkların bir diğer önemli özelliği ise kuantum parçacıkları olarak da adlandırılmalıdır. Parçacıklar dalga gibi davranabildikleri için aynı anda çift yarıktan geçebilir ya da kırınım, girişim gibi dalga davranışları gösterebilir.

Atomaltı Parçacıklar ve Kütle Ölçümü

Atomaltı parçacıkların oldukça küçük kütlelere sahip olması kütlelerinin klasik yöntemler ile ölçülmesini engellemektedir. Bu parçacıkların kütleleri ölçülürken deneysel ve kuramsal yöntemler kullanılmaktadır. Elektriksel yüke sahip parçacıklarda kütle ölçümü, yüksüz parçacıklara oranla çok daha kolay olmaktadır. Bunun temel nedeni yükse sahip parçacıkların elektromanyetik alandan etkilenebilmesidir.

Bir örnek vermek gerekirse, proton ve elektronun kütlelerini ölçmek için manyetik alanda ki hareketlerden faydalanılabilir. Bu hesaplamada manyetik kuvvetlerin hareket yönüne dik olması parçacık enerjisini etkilememektedir. Fakat bu kuvvet, parçacığın ivmelenmesi ve hareket yönünün değişmesini sağlayabilir.

Hesaplamada kullanılan mekanik yasalar ve kuramlar, parçacığın takip edeceği yörüngede yarıçapın r=(mv/qB) olduğunu göstermektedir. Bu denkleme göre hız ve elektriksel yükü bilinen bir parçacığın kütlesi büyüklüğü belli olan bir manyetik alanda yörüngesinin yarıçapı kullanılarak ölçülebilmektedir. Aksi durumda elektriksel bir yüke sahip olmayan parçacıkta elektromanyetik alandan etkilenmemeli nedeniyle kütle ölçümü daha zor olacaktır.

Yararlanılan Kaynaklar

(1) Bilim Teknik Dergisi, 2014, 557

(2) http://tr.wikipedia.org/wiki/Atomalt%C4%B1_par%C3%A7ac%C4%B1k

(3) http://atominsan.net/bilim-ve-yasam/atomalti-parcaciklar.html

Kurbağaların manyetik alanda uçabileceklerini biliyor musunuz?

Kurbağalar da çevremizde bulunan herşey gibi atomlardan oluşmaktadır. Bu atomların herbiri çekirdek etrafında yer alan elektronlara sahiptir. Güçlü bir manyetik alan içerisinde bu elektronlar yörüngelerinden hafifçe saparlar.  Bu hafif kayma ise, basit bir tabirler, kurbağayı oluşturan bir çok mini mıknatısın oluşmasına neden olmaktadır. (Her bir atomun sahip olduğu manyetik alan yardımıyla elbette.) Bu kurbağalara özgü bir özellik olmamakla birlikte su, altın vs gibi bir çok madde de “diyamnyetik” olarak adlandırlan bu özelliğe sahiptir. Ancak bütün maddeler manyetik alanda havalanabilecek kadar kuvvetli bir diyamanyetik özelliğe sahip değildir.

Kurbağalar da yapısında yer alan yüksek su oranı ve bu etkiyi göstermeye olanak sağlayan şekilleri nedeniyle yüksek bir manyetik alana maruz kaldıklarında havalanırlar. Aşağıda yer alan videoda bunu net bir şekilde görebilirsiniz. Biz yine de evde denemeyin uyasında da bulunalım.

[youtube youtubeurl=”A1vyB-O5i6E” ][/youtube]

Işık Hızı

Bir vakumdaki ışık hızı doğanın birkaç evrensel sabitinden biridir. 1676’da Ole Christensen Romer, teleskopuyla, Jüpiter’in uydularının düzenli tutulmalarının, Jüpiter Dünyadan çok uzaklaştığında geciktiğini gözlemleyebilmişti. Bu gecikmenin, ışığın Jüpiter’den bize gelirkenki sınırlı hızından kaynaklandığını biliyordu; ama Güneş sisteminin tam olarak ne kadar geniş olduğunu bilmediğinden ışık hızını doğru şekilde hesaplayamamıştı.

Modern teknoloji, ışığın saniyede  300.000km (186.000 mil) yol aldığını keşfetmemizi sağlamıştır. Bir saniyeden daha az bir sürede Dünya’nın çevresini yedi kez dolanabilmektedir. Dünyamızdan Ay’a bir buçuk saniyeden daha az bir sürede gidebilmektedir. Güneşe sekiz dakikada ve en yakın yıldıza dört yılda gidebilmektedir.

Özel izafiyet, ışık hızının evrensel hız sınırı olduğunu belirtmiştir. Hiçbir maddi nesne bu hıza ulaşamaz! Herhangi bir nesne, hızlandıkça belli miktarda madde kazandığına ve ışık hızında bu miktar sonsuz  olduğuna göre, onu bu hıza kavuşturmak için sonsuz(!) miktarda bir enerjiye gerek olacaktır. Aynı şekilde, ışığın kendisi sadece küçük ve sınırlı bir kütleye sahip olduğu için, yavaşlarsa kütlesi sıfır olur.

(Kim Korkar Schrödinger’in Kedisinden)

Süper Sıvılar

superfluidity.jpg - 85.26 KB

Süper sıvı hiç bir  direnç olmaksızın akabilme şeklinde çarpıcı bir özelliğe sahiptir. Normal bir sıvının içindeki moleküller ve atomlar  sürekli çarpışıp sekerek kaotik bir davranış sergilerler. Hareket halindeki sıvıda bu işlemler akıma karşı bir direnç üretir. Sıvının kimi parçaları diğerlerinden daha yavaş hareket eder, taraklanma, girdap anafor ve hatta türbülans  yaratır. Sıvının yolunun üzerindeki engeller de akımı engeller, böylece akımın enerjisi ısı olarak yayılır. Sonuçta baştaki hareketlenme çok geçmeden durur.

Continue reading “Süper Sıvılar” »

Ultraviolet Işık

Ultra-violet (Mor Ötesi) ışık insan gözünün algılayamadığı bir tür radyasyondur. Elektromanyetik spektrumun “görünmez” kısımlarından biridir. Işıyan enerji, nam-ı diğer radyasyon, pek çok kaynak tarafından ortaya çıkarılır: bir ampul, çatırdayan ateş ve yıldızlar, radyasyon saçan objelere birer örnektir. Saçılan radyasyonun türü nesnenin sıcaklığına bağlıdır. Mangalımızda yanarken kırmızı ışık saçan kömürler, sarı ışık saçan Güneşimizden; Güneşimiz ise beyaz ışık saçan başka yıldızlardan daha soğuktur.

Continue reading “Ultraviolet Işık” »

Elektron Mikroskobu

Elektron mikroskobu, elektronların parçacık ve dalga etkileşiminin ilginç ve önemli bir örneğidir. Bir elektron ışını bir cismin görüntüsünü oluşturmak için kullanılabilir. Bir elektron ışınının yörüngesi elektrik ya da manyetik alan ile değiştirilebilir. Elektronlar elektrik ve/veya manyetik alan ile  bir noktada odaklanabilir. Hızlandırılmış elektronlar çok kısa dalga boyuna sahiptir, böylece çok kısa dalga boyları ile daha fazla büyütme oranları ve daha iyi ayırma gücü elde edilmesi sağlanır. Standart elektron mikroskobunun ayırma gücü birkaç nanometre mertebesindedir. (1nm=10^-9m)

sem.jpg - 15.72 KB

Continue reading “Elektron Mikroskobu” »

Gökyüzü Neden Mavidir?

Bilindiği gibi Güneş’in yaydığı spektrum süreklidir, yani her frekansta elektromanyetik dalga içerir. Bu dalgalar atmosfere ulaşınca atmosferdeki gazlar tarafından saçılırlar. Burada en fazla saçılan frekans mavi ve civarıdır. Gökyüzüne baktığınızda Güneş’ten geldikten sonra saçılan ışığı gördüğümüz için, ve bu ışık daha çok mavi içerdiği için gökyüzünü mavi görüyoruz.
Atmosferdeki toz, nem ve diğer etkenlerden dolayı ışığın saçılma miktarı değiştiği içinde, bu maviyi değişik tonlarda görüyoruz.

bilim ve teknik

Sadece tek tarafını gösteren camlar nasıl yapılıyor?

Bu camların çalışma prensibi, bildiğimiz tül perdelerin çalışma prensibiyle
aynı. Yani bu camların iki yüzü arasında bir fark yok. Bu noktanın daha iyi
anlaşılması için "üzerine düşen ışığı, düştüğü yüze göre farklı oranlarda
geçiren bir cam yapmak mümkün mü?" sorusunun detaylı yanıtlayalım. Fiziğin
temel yasalarından birisi olan termodinamiğin ikinci yasası bu soruya "kesinlikle
hayır!" yanıtını veriyor.

Bu yasanın değişik ifade edilme tarzlarından bir tanesi şöyle der: "Evrende
başka hiçbir şeyi değiştirmeden, soğuk bir cisimden sıcak bir cisme ısı akışı
sağlamak mümkün değildir." Buradaki "Evrende başka hiçbir şeyi değiştirmeden"
ifadesi önemli. Aksi takdirde, yasanın çay demlemek için su ısıtmanın bile imkansız
olduğunu söylediği anlamı çıkardı.

Işığı tek yönde geçiren, ya da farklı yönlerde değişik oranlarda geçiren camlardan
yapmak mümkün olsaydı, bu camları ikinci yasayı ihlal etmek için kullanabilirdik.
Bunu göstermek için bir düşünce deneyi tasarlamamız yeterli. Eğer elimizde ışığı
tek yönde geçiren, diğer yönde kesinlikle geçirmeyen bir cam varsa, duvarları
ışığı mükemmel yansıtan aynalarla kaplanmış bir odayı bu camla ikiye bölüp,
ışığın geçtiği taraftaki odaya sıcak bir çay, diğer odaya da buzlu su koyabiliriz.

Buradaki kilit nokta, her cismin sürekli ışık (daha doğru bir terimle elektro-manyetik
dalga) yayınladığı gerçeği. Cismi oluşturan atomlar ve bu atomlardaki elektronlar
sürekli hareket halindedir. Bu parçacıklar çoğunlukla en düşük enerji seviyelerinde
bulunurlar, ama önemli bir kısmı uyarılmış seviyelerdedir. Bu uyarılmış elektronlar
daha düşük enerji seviyelerine döndükçe, aradaki enerji farkını ışık olarak
yayınlarlar. Bir başka deyişle cisimler ışıyarak soğurlar. Cisim ne kadar sıcaksa,
bu yayınlanan ışık o kadar çok enerji taşır. Köz halindeki bir odunun bu nedenle
parlak olduğunu ve sizi ısıtmaya devam ettiğini burada ekleyelim.

Düşünce deneyimizdeki buzlu su da, bize göre soğuk olmasına karşın bir miktar
ışık yayar. Soğuk olduğundan dolayı, bu ışığın enerji yoğunluğu çayınkine göre
daha azdır; ama bu o kadar önemli değil. Buzlu sudan yayılan ışığın bir kısmı
özel camımızdan geçerek, çay tarafından soğurulur. Böylece ışıma yoluyla çaya
ısı aktarılmış olur. Çaydan yayınlanan ışınlarsa, camı geçemez ve aynı bölmede
kalır (ve çay tarafından tekrar soğurulur). Böylece, buzlu su enerji kaybederek
gittikçe soğur, çaysa gittikçe ısınır. Hatta biraz sabırlı davranıp beklersek
(bir iki yıl gibi), buzlu suyun tamamen donup soğumaya devam ettiği, çayınsa
buharlaşıp gittikçe daha çok ısındığını da gözlememiz mümkün.

Böylece, ikinci yasanın mümkün olmadığını söylediği şeyi, yani evrende başka
bir şeyi değiştirmeden, hatta kendiliğinden, ısının soğuk bir cisimden sıcak
bir cisme akmasını sağlamış oluruz. Termodinamiğin ikinci yasası oldukça sağlam
temeller üzerine oturduğundan, bu noktada sadece tek yöne ışık geçiren camların
yapılmasının mümkün olmadığını kabul etmekten başka yapacak şeyimiz yok!

Aynı argümanı her iki yönde ama farklı oranlarda geçirgen olan camlar için yürütmek
mümkün. Örneğin bu özel cam sağdan sola doğru gitmek isteyen ışığın sadece %50’sini
geçirsin, soldan sağa yönelen ışığınsa %50.001’ini geçirsin. Aradaki farkın
ne kadar küçük olduğu önemli değil. Eğer geçirgenlik oranları arasında bir fark
varsa, bu farkı kullanarak ikinci yasayı alt etmek mümkün.

Argümanı daha rahat görmek için iki odaya da aynı sıcaklıkta iki özdeş cisim
koyalım. Aynı sıcaklıkta bulunan cisimler aynı miktarda enerjiyi ışık olarak
yayarlar. Fakat soldan sağa aktarılan enerji sağdan sola aktarılandan bir miktar
fazla olduğundan sağdaki cisim biraz ısınıp, soldaki biraz soğur. Bir süre sonra,
ısınan cisim daha fazla, soğuyansa daha az enerji yayacağından, cam üzerinden
değişik yönlere giden ışığın taşıdığı enerjiler eşitlenir ve net ısı transferi
durur. İki odalı sistemimiz bu noktada dengeye gelir. Bu son durumda sağ odadaki
cisim soldakinden biraz daha sıcaktır. Önceki durumda olduğu gibi aşırı soğuma
ve ısınma söz konusu değil ama bu bile ikinci yasaya aykırı.

Bu camları kullanarak büyük sıcaklık farkları elde etmek de mümkün. Tek yapmanız
gereken şey, odacıkların sayısını mümkün olduğu kadar artırmak. Böylece, iki
ardışık odadaki sıcaklık farkı düşük olmasına rağmen, en uçtaki odaların sıcaklıkları
büyük oranda farklı olacaktır.

Sonuç olarak, bir camın, ya da herhangi bir cismin farklı yönlere farklı oranlarda
geçirgen olması ikinci yasaya aykırı. Eğer camınız soldan sağa %50.001 oranında
ışık geçiriyorsa, sağdan sola da %50.001 oranında geçirmesi lazım. Ne biraz
az ne de biraz fazla! İkinci yasanın saydamlık hakkında bu derece güçlü şeyler
söyleyebilmesi gerçekten çok ilginç.

Peki madem bu tip camlar fiziğe aykırı, o halde bu camlar nasıl işliyor? Buna
basitçe "göz aldanması" diyebiliriz. Gözümüzün müthiş yeteneklerinden
birisi değişik ışık seviyelerine kendisini ayarlayabilmesi. Gündüz çok parlakken
de, gece karanlığında da görme işlevini yerine getirebiliyor. Parlak bir ışık
kaynağının yanında zayıf bir ışık kaynağı varsa, göz kendini parlak olan ışığa
göre ayarlar ve zayıf ışığı fark etmemiz olanaksızlaşır. Bu nedenle gündüz vakti
yıldızları göremiyoruz. Halbuki yıldızlardan gelen ışık gündüz de gece de aynı
parlaklığa sahip.

Yabancı filmlerde gördüğümüz sorgu odalarında camın ayırdığı odalardan biri
karanlık diğeri de aydınlık tutuluyor. Camın özelliği, üzerine gelen ışığın
çoğunu yansıtması ve çok az bir kısmını geçirmesi. Aydınlık odada bulunan kişi,
aynadaki kendi parlak görüntüsünden düğer odadan gelen ışığı seçemiyor. Bu kadar
basit. Aynı işi bir tül perde de rahatlıkla yapıyor.

Bilim ve Teknik (TÜBİTAK)