Ana sayfa Astronomi Evrenle söyleşiler 6: Bir fermiyon ve bir bozonla söyleşi

Evrenle söyleşiler 6: Bir fermiyon ve bir bozonla söyleşi

1078
PAYLAŞ
Atomaltı parçacıkları dördüncü boyutta betimleyen bir illüstrasyon.

Richard T. Hammond

Çeviren: Yusuf Öngel

Bu kez iki atomaltı parçacıkla birden söyleştik. Bir fermiyon ve bozondan oluşan bu alışılmadık çift, canlı bir tartışma ortamı oluşturdular. Bu söyleşide, keşfedilmiş olan herhangi bir parçacığın ya bozon ya da fermiyon olacağını anlıyoruz ve bu terimlerin anlamının ne olduğunu da güçbela çözebiliyoruz. Söyleşinin sonunda vardığımız sonuç olarak, bir metafora başvurarak söylersek, fermiyonlar maddenin tuğlası, bozonlar ise harcıdır diyebiliriz.

İkinize de ortak bir söyleşiyi kabul ettiğiniz için teşekkür ederim…

 Bozon atıldı:

– Başlığınızda fermiyonun adının benimkinden önce gelmesine değinmek zorunda hissediyorum kendimi, hatta itiraz ediyorum.

Affedersiniz, sıralamayı rasgele yaptım, yerlerini seve seve değiştiririm. Sanırım artık başlasak iyi olur. Bir bozon ile fermiyon arasındaki farkı söyler misiniz?

 Fermiyon ağzını açamadan bozon yanıt verdi:

– Onun neden burada olduğuna bir anlam veremedim, bozonlar hareketin olduğu yerdedir. Bizler dinamiğiz, etkileşim üretiriz, bir şeyleri gerçekleştiririz. Biz olmasaydık bu sıkıcı fermiyonlar, oldukça sıkıcı bir dünyanın etrafında boş boş gezinirlerdi.

Fermiyon sabırla dinledikten sonra söze başladı:

– İkimiz arasındaki farkı açıklayayım. Öncelikle, gözlenen her parçacık ya fermiyondur ya da bozon.

Bozon araya girdi:

– Gördünüz mü? Fermiyonu ilk sıraya koydu. Pekâlâ, tamam, devam edin.

Fermiyon devam etti:

– Parçacıkların da spini (dönüşü) vardır, tıpkı Dünya’nın kendi ekseninde dönmesi gibi…

Bozon sözünü kesti:

– Hayır, Dünya’nın kendi ekseninde dönmesi gibi değil, parçacık spini hareketten doğmaz, biz kütle veya yüke doğuştan sahip olduğumuz gibi spine de doğuştan sahibiz.

Fermiyon yanıtladı:

– Doğru söylüyor, benzetme yapıyordum. Her neyse, spin Planck sabitinin 2pi’ye bölünmesiyle hesaplanır ve ölçü birimi ħ’dir. Bir veya üç yarım vb.’den oluşan parçacıkların ħ’sine fermiyon; ħ birimi sıfır dahil tamsayı olan parçacıklara bozon denir. Daha basit bir tabirle, spini kesirli olan parçacıklara fermiyon, spini tamsayı olan parçacıklara ise bozon denir.

Bozon lafa karıştı:

– Yine yanlış. Bu tür kaba genellemeler bir fermiyona özgüdür. Sözünü ettiği spin, genellikle z bileşeni dediğimiz ve bazı eksenlerde hızlı giden bileşendir.

Bu durumda fermiyon haklı mı?

 “Evet” diyerek kabul etti bozon.

Fer… Yani bozonlarla fermiyonlara birkaç örnek verebilir misiniz?

Bozon:

 – Tabii ki, bir fotonun, bir ışık partikülünün spini birdir ve haliyle bozondur. Zayıf nükleer etkileşimlerin sebebi olan W ve Z parçacıkları bozondur. Kuarklar arasındaki kuvvetin sebebi olan gluonların spini birdir ve tabii ki kütleçekim alanlarının gravitonlarının da spini ikidir. Bunların hepsi bozondur.

Fermiyon, yüzünde öfke izi olmaksızın ekledi:

– Tüm sabit, bilinen parçacıklar fermiyondur. Örneğin elektronların, protonların, nötronların hep yarım spini vardır ve bu yüzden fermiyondurlar. Keza proton ve nötronları oluşturan kuarkların yarım spini vardır ve fermiyondurlar.

Bozon lafa karıştı:

– Aman, ne büyük marifet! Bozonlar olmadan etkileşime geçemezlerdi. Çekirdeği bir arada tutmaya yarayacak bir güç olmazdı, atomları oluşturan elektriksel güç, manyetik güç olmazdı. Hiçbir şey olmazdı. Evren’de, düz çizgiler halinde hareket eden bir grup tekil parçacık dışında hiçbir şey olmazdı. Yıldızlar, galaksiler, gezegenler olmazdı; hiçbir şey olmazdı.

Bu gerçekten çok sıkıcı bir Evren olurmuş. O halde bozonların görevi tam olarak nedir?

Bozon söze devam etti:

– İki parçacık arasındaki bir kuvveti, örneğin birbirini iten iki elektronu düşünelim. Bu kuvvet nereden gelir?

Pekâlâ, birbirini iten yükleri biliyoruz. Anladığım kadarıyla bir elektron elektrik alanı oluşturur ve o elektrik alanı da bir diğer elektron üzerine kuvvet uygular.

Bozon biraz sakinleşmiş bir sesle konuştu:

– Nerelerdeydin sen? Bu görüş boynundaki kravattan bile eskidir. Olan şey tam olarak şudur; bir elektron, değiştokuş parçacıkları, fotonlar oluşturur ve bunlar da diğer elektronlarca emilir. Foton değiştokuşu aralarındaki kuvvetin esas kökenidir.

Tüm parçacıklar foton değiştokuşu yapar mı?

Fermiyon yanıtladı:

 – Hayır, yalnızca elektrik yüklü parçacıklar yapar. Ancak proton ve nötronları oluşturan kuarklar gluon değiştokuşu yapar…

“Ki onlar da bozondur” diyerek araya girdi bozon.

Fermiyon devam etti:

– Evet, onlar da bozondur ve güçlü nükleer kuvvetin nedenidirler.

Bir dakika durun. Onları oluşturan kuarklar, gluon denen parçacıkların değiştokuşunu yaptığı için nötronlar ve protonlar bir arada kalıyor mu diyorsunuz?

Fermiyon, bozondan kıl payı önce davranarak:

Bu kadar basit olmamakla birlikte, evet” dedi.

Tamam, o halde fermiyonlar, yani elektronlar, kuarklar, protonlar vs. bozon değiştokuşu yaparak birbirleriyle etkileşime giriyorlar. Bana öyle geliyor ki bozon ile fermiyonlar arasındaki fark sadece spinleriniz değil, ikiniz de esasta farklı rollere sahipsiniz.

Bozon, “Ve biz olmadan oldukça yoksul bir dünyanız olurdu” diye yumurtladı.

Fermiyon, bozona aldırmadan ve ondan daha iyi açıkladığını düşünerek konuştu:

– Haklısınız. Yaşadığımız Evren’i oluşturmak her iki parçacık türünün de görevi. İkisi de gereklidir ve ikisi de zengin yaşamlara yönlendirebilir. Bozonsuz bir dünyada yaşamak istemezdim, aynı şekilde fermiyonsuz bir dünyayı da hayal edemiyorum.

Bozon fermiyonu kızdırmak ister gibi görünüyordu, yeni bir argüman getirdi:

– Bayan mağrur çok eşitlikçi konuşuyor, ama ona sakın inanmayın! O tam bir züppe, tüm fermiyonlar züppedir.

Züppe mi?

Bozon heyecanla devam etti:

– Sor bakalım inkâr edecek mi? Etmeyecek, edemez. Parçacıklar, gerek bozonlar gerekse fermiyonlar, özel bir kuantum mekaniksel durum içinde olmakla tanımlanırlar.

Kuantum mekaniksel hal mi?

Bozon devam etti:

– Bütün bunlar şu demek oluyor: Doğa yasaları tarafından yalnızca izin verilen belirli enerjilere ve izin verilen belirli ivmelere sahip olabiliriz, vb. Bunların ne olduğunu açıkça nitelendirdiniz mi; buna bizim kuantum mekaniksel halimiz, kısaca hal, denir.

Anladım.

Bozon devam etti:

– Şimdi soruyorum sana, verili bir durumda kaç parçacığın izinli olduğunu biliyor musun?

Üzgünüm, bilmiyorum.

 – Peki, anlatayım o halde. Şöz konusu olan şayet bozonlarsa, limit yoktur. İstenilen kadar parçacık aynı durumu paylaşabilir. Hiçbir şeyi dışlamayız. Ama sözünü ettiğiniz şu züppe fermiyonlarsa, yanıt birdir, yalnızca bir. Fermiyon bir durumu işgal etti mi başka hiçbirine izin verilmez. Buyrun, sorun bakalım, inkâr edecek mi?

Fermiyon karşı geldi:

– Tabii ki inkâr etmiyorum, buna Pauli dışlama ilkesi deniyor.

Bozona hâlâ aldırmıyordu, ekledi:

– Bu özellik kesinlikle Evren’e bu zengin yapısını kazandıran şeydir. Fermiyon olan tüm elektronlar aynı durumu işgal etselerdi, atomlar güçlükle ayırt edilebilirdi ve gördüğünüz harika ve karmaşık yapınız da olmazdı. Aslında, neredeyse boş bir mekân olduğunuzu hesaba katarsak; bu özellik olmadan o sandalye sizi kaldıramazdı. Bu bakımdan gezegeniniz, en azından mevcut halinde kapsadığı şeylerle, hiç var olmayabilirdi.

Bozon yılgınlıkla “Pehh” diye bir ses çıkardı.

Özetlemek gerekirse, fermiyonlar maddenin tuğlası ve bozonlar da harcıdır diyebilir miyim?

 İki parçacık aynı anda, “Güzel söyledin” dedi ve son yorum bozondan geldi:

– Ve harç olmadan hiçbir şey inşa edemezdin, tuğlalar işe yaramaz bir yığın olarak öylece yatarlardı.

Pekâlâ, çok enteresan bir söyleşi oldu. İkinize de geldiğiniz ve ikiniz arasındaki farkı anlamama yardımcı olduğunuz için teşekkür ederim.