ANTİ- MADDE
Paul Dirac 1928’de elektron gibi parçacıkların ışık hızına yaklaşırsa nasıl davrandığını hesaplarken, belki de parçacık fiziğinin tarihini baştan şekillendirecek bir keşfe imza atmıştı.
- Dirac Denklemi)
Yukarıda gördüğünüz şey Dirac’e baş ağrısı çektiren ve günümüzün en önemli denklemlerinden biri: Meşhur Dirac Denklemi. Bize göre anlamsız harflerden ibaret gibi ama notalarda anlamsızdır. Anlamaya çaba edenler muhteşem eserler çıkarır, aynı bu denklem gibi.
Dirac bu denklemi yazarken iki farklı sonuç elde ediyordu. Mesela birinde 10 elde ediyorsa, bir dahaki çözümde 420 filan elde ediyordu. “Nasıl yani, demek ki denklemde yanlış mı var?” diyebilirsiniz ama hayır, iki cevap da doğruydu. (Aslında küçük de bir örnek verebilirim, eğer daha net anlamak istiyorsanız. x2=4 ise, x=2 ya da x=-2 olabilir. Hem eksi değer alabilir hem de artı.)
Dirac de herkes gibi yanlış bir denklem olduğunu düşündü ve bu denklemi anlamak için 3 yılını, daha doğrusu denklemi bilim dünyasına salmak için 3 yıl bekledi. Ama Dirac ne yaparsa yapsın, aklına ne gelirse gelsin durum değişmiyordu. Bunun tek bir cevabı vardı: Anti madde.
İlk çözümde elde edilen şey elektrondu, diğer çözümde ise anti- elektron –diğer adıyla pozitrondu–
Pozitron resmen neredeyse aynıydı elektronla. Aynı kütleye sahip, spinleri aynı ama tek farklı olan elektrik yüküydü. Elektron eksi (-) değeri gösterirken, pozitron artı (+) değeri gösteriyordu. Sonra işler birden karışıverdi. Dirac şu fikri sundu; “Bu değerler tek elektron için geçerli değil, bütün parçacıklar için de geçerli.”
Eğer kuarklar var ise, anti kuarklar vardı. Anti kuarklar var ise anti protonlar, anti nötronlar olmalıydı. Eğer anti nötronlar ve anti protonlar var ise işte orada “anti madde” vardı.
- Pozitronun fotoğrafı)
Yukarıda gördüğünüz Carl Anderson tarafından çekilmiş bir fotoğraftı. Resmen pozitronun fotoğrafı çekilmişti. Her şeyiyle görünüyordu. Bu resmen fizik için bir devrimdi. Bu anti-maddenin keşfi o zaman proton, elektron, nötron gibi parçacıklardan ibaret olan parçacık sayısını ikiye katlamıştı. Sessiz, gizli çılgın Dirac bir devrime kapı aralamıştı. Dirac’e de hak vermek lazım, yanlış gibi gözüken bir denklemden yeni bir evren yaratıyor, takdir edilesi.
Dirac bu denklemi ise kuantum mekaniklerini ve rölativite, yani görelilik kuramını birleştirip yazmıştı. Zaten kuantuma girerken, kuantumun tuhaflığının nasıl burayı etkilediğini rahatlıkla anlayacaksınız ki ileri bölümlerde bağlantılarını kuracağız.
Peki, kardeşim nerede bu anti-madde?
Biraz geçmişe gitmemiz lazım, yeniden evrenin ilk zamanlarına, büyük patlama zamanına.
Bilmediğimiz bir sebepten dolayı büyük patlama dolayısıyla evren çok hızlı bir şekilde genişlemeye ve soğumaya başladı. Bu enerjiden de inanılmaz sayıda anti madde ve maddeler oluştu. Peki, ne oldu?
Anti-madde ile madde eşit sayıda mıydılar?
Hemen bunu bilmeden önce araya bir bilgi sokmam lazım.
Einstein’ın klasikleşmiş durağan bir maddenin enerjisini gösterdiği formülü biliyorsunuzdur: E=mc2
Bu formül aslında bize şunu söylüyor. Kütle enerjiye eşit, yani kütlesi olan bir şeyin de enerjisi vardır. Hemen yandaki ışık hızının karesi ise maddenin enerjiye dönüştürürsek ortaya çıkacak muazzam enerjiyi betimliyor. Kütlesi olan bir şeyden enerji elde etmenin şu anlık en kolay yolu nedir? Tabi ki kütleye sahip anti-madde ve madde çiftlerini bir randevuya çıkartmak!
Şöyle düşünelim, anti-maddeden yapılmış bir küpe düşünün, başka bir küpe de maddeden yapılmıştır. Bu iki birbirine benziyorlardır. Dışarıdan baktığında, “Evet, bunlar bir çift küpe.” diyebilirsin. Ama işte olay iç güzellikte. Biri anti-protonlar ve anti-nötronlardan oluşmuş bir çekirdekten ve pozitron leptonundan oluşurken, bir diğeri bildiğimiz ve tanıdığımız proton ve nötrondan oluşmuş bir çekirdekten ve etrafında bulunan elektron leptonundan oluşuyor.
Peki… Bu iki küpeyi bir araya getirirsek ne olur, daha demin bahsettiğim gibi muazzam bir enerji çıkar, Dünya’yı yok edecek kadar, belki de Ay’ı bile. O yüzden bir dahakine herhangi bir arkadaşınız küpe alırken ikisinin de maddeden yapıldığına dikkat edin. Tabi herkesin anti-maddeyi anlatırken örnek vermeyi doyamadığı Dan Brown’un “Melekler ve Şeytanlar” kitabında bu anti-madde bombası olayı var. Filmini de izleyebilirsiniz. Aynı şekilde Star Trek’de de ismi geçmiştir, ışık hızını geçmek için kullanılıyordu. Bilim kurgu işte…
Sorumuza geri gelelim: Anti-madde ile madde evrenin ilk aşamalarında eşit sayılarda mıydı?
Hemen bir mantık kuralım, -5 ile +5’i toplarsan 0 elde edersin. Yani, “-muazzam bir sayıda anti-madde” ile “+ muazzam bir sayıda maddeyi” birleştirirsen muazzam bir enerji çıkar ama şu an içinde yaşadığımız anlamsız ve muazzam evren var olmazdı.
Yani, hayır… Eşit sayıda değildi.
Peki ne? Bilmiyoruz ama teoriler var.
Birincisi şuydu: Evrenin ilk aşamalarında anti-madde ile madde birbirinden ayrıldı ve iki farklı evren oluştu. Bir evren anti-kuarklar ve diğer antilerden oluşuyordu, bir diğeri ise bizim evrenimiz gibi kuarklar ve diğer şeylerden oluşuyordu. Bu arada araya yine giriyorum. Bu anti’lik durumu görecelidir. Eğer pozitronun ve anti-protonun bulunduğu bir evrende var olsaydık, elektron vesaireye “anti” derdik. Sadece yükler farklı, kuantum durumları vesaire bunların hepsi aynıdır.
Bu benim için hep ilginç bir teori olacaktır, doğruluğunu kanıtlayamam ama yanlışlığını da kanıtlayamam. Ama şimdi daha ilginç bir teori karşımıza çıkıyor:
Evet, evrenin ilk aşamalarında anti-madde ve madde vardı ama bunlar eşit değildi, bir “asimetri” vardı. Maddenin sayısı, anti-maddeden fazlaydı ki bilim insanları buna bir oran bile vermişlerdi bile. Milyarda bir… Yani her bir milyar tane anti-maddenin karşısına bir milyar +bir madde çıkıyordu. Böylece bir tane artıyordu. O artan maddeler ise şu an gördüğümüz evreni oluşturuyordu. Şimdi neden muazzam sayıda dediğimi anladınız mı?
Peki, üretebiliyor muyuz bu anti-madde şeyini?
Yani, evet… Ama inanılmaz derecede az üretebildik. Zaten madde ile hemen etkileşime girdiğinden dolayı ömrü de aşırı kısa. Şu ana kadar sadece 18 nanogram üretebildik, o da anca evdeki ampulleri yakabilir, belki de yakamayabilir bile… Bu kadar az miktardan bahsediyoruz. Tabi bu çalışmalar inanılmaz pahalı, sadece bir gram anti-madde üretmek için trilyonlarca para akıtılması gerekiyor.
Tabi bir de nötrinolar var, “nötrinolar” konusunda bu hayalet parçacıkların kendi kendilerinin antileri olabilme durumu var. Bu parçacığın antisi keşfedilmedi daha, sonuçta kendileri nötrdü. Nötrinolar Majorana parçacığı olabilirdi. Bu Majorana parçacığı konusunu “bozunumlar” konusunda anti-madde konusunu da misafir edip detaylı ve hoş bir anlaşılır bir dille anlatacağım. Şu anlık bu Majorana parçacıklarıyla ilgili bilmeniz gereken tek şey, kendi karşıt parçacığına sahip olan parçacıktır. Bu teori 1937 tarihinde Ettore Majorana tarafından Dirac’in “Bazı fermiyonların kendi karşıt parçacığı olmaz” cümlesine karşı olarak çıkartmıştır. Aynı şekilde güç taşıyıcı parçacıklar olarak bilinen “Bozonlar’ın” da antileri yoktu. (İleri konularımızdan biri “Kuvvetler arası etkileşim” olacak. Orada bozonları anlayacaksınız. Ama önce kuantumun temelini anlamanız lazım, çünkü işler derinleşecek)
Bir de muz var tabi, evet muz… Bildiğin muz! Muz her 75 dakikada bir elektronun negatif ikizi olan pozitronu üretir. Bunun sebebi çok küçük miktar da olsa Potasyum-40 izotopu içermesidir, yine bozunumlarda işleyeceğiz bir konu bu da. Potasyum-40 izotopunun yaptığı bozunum sonucu bir adet pozitron çıkar, sonra gider. Maddeler dünyasında anti olmak kolay mı zannediyorsunuz? Hemen seni kapıyorlar.
Mesela anti-maddeler tıpta kullanılır, pozitron emisyonu tomografisi adı verilen yöntem ile belli hastalıkların tespitinde kullanılır.
Parçacık hızlandırıcıları duymuşsunuzdur, dünya üzerindeki en havalı şeyler. Aynı şekilde parçacık yavaşlatıcı da vardır. Bu yavaşlatıcı olarak Anti-proton kullanılmaktadır. CERN’de Anti-Proton Yavaşlatıcı olarak yerini almaktadır.
Anlayacağınız üzere Dirac’in yaptığı küçük devrimin hâlâ başındayız. Gelecekte, bir şekilde anti-maddeyi saklamayı başaracak enerjiyi elde edebilirsek ve gerçekten yeterli miktarda anti-madde üretebilirsek… İnsanlığın kaderi yine insanlığa bağlı… Star Trek’ler uzak değil ama “Melekler ve Şeytanlar” da uzak değil. Patlamış mısırlar ve içecekler hazır, seans seçimi insanlığın elinde.