Frank Close - Antimadde

soöSh a d d e

ANTİMADDE Frank Close Çeviren: Zeynep Alpar

A

\ /

BOĞAZİÇİ ÜNİVE RS İT ESİ

YAYINEVİ

F ra n k Close A n tim a tte r © F ra n k C lose 2009 A n tim a d d e © BÜTEK A.Ş. 2013. T ü m h a k la n sak lıd ır. ISBN 978-605-4787-56-2 BÜTEK Boğaziçi E ğitim T u rizm T e k n o p a rk U y g u lam a ve D an. Hiz. S an . Tic. A.Ş. Boğaziçi Ü n iv ersitesi G ü n e y K a m p ü s, 7. L ojm an, 3. K at, P.K. 34342, B e b e k -B e ş ik ta ş /ls ta n b u l Telefon: (0212) 359 46 30 Yönetim Yeri:

B oğaziçi Ü n iv ersitesi Yayınevi Boğaziçi Ü n iv ersitesi U ç a k sa v a r K a m p ü sü G a ra n ti K ü ltü r M erkezi, A rk a G iriş E tile r/İs ta n b u l b u p re s s@ b o u n .e d u .tr w w w .b u p re ss.o rg Telefon ve fak s: (212) 257 87 27 S ertifik a No: 10821 G enel Yayın Y önetm eni: M u ra t G ülsoy Y önetici E d itö r: E rg u n K ocabıyık B ask ıy a H azırlay an : M eltem Aravi K ap ak T asarım ı: K erem Yeğin B askı: A car B a sım ve Cilt S a n a y i T ic are t A.Ş. B ey san S an . S itesi B irlik C ad., No: 26 A car B in ası, H a ra m id e re, İs ta n b u l Telefon: (0212) 422 18 00 S ertifik a No: 11957 B irinci B asım : T em m u z 2015 (2.000 adet)

İçindekiler

Teşekkür, ix 1. ANTİMADDE: GERÇEK Mİ KURGU MU?, 11

A ntim adde D ünyaya Çarptı mı?, 13 ❖ Kuvvetli A ntim adde, 16 ♦> A ntim addenin S ırlan, 19 ♦> Doğal A ntim adde, 21. 2. MADDİ DÜNYA, 25

M adde ve A ntim adde, 27 ❖ Tayflar ve K uantum E lektronu, 30 ❖ Spin Yapan Elektron, 35 ❖ E in stein ’m E’si ve E = m c2, 36. 3. TAŞTAN TABLETLER, 42

Paul Dirac, 42 ❖ Bir A lana Bir Bedava, 46 ❖ Sonsuz Deniz, 50 ❖ Pozitif Elektron d a Ne?, 53. 4. KOZMİK BİR KEŞİF, 58

Pozitronun Keşfi, 59 ❖ B lackett ve O luşum , 64 ❖ D ünya Y üzünde Pozitronlar, 67. 5. İMHA, 72

Ne M adde Ne A ntim adde, 72 ❖ B irkaç A ntiparçacık D aha, 77 ❖ K uarklar, ve Tabii A ntikuarklar, 80 ❖ K uarkla A ntikuark K arşılaştığında, 85. 6.

ANTİMADDEYİ DEPOLAMAK, 87

Her şeyi İm ha Eden Şey, 87 ❖ A ntiprotonlan D epolam ak,

90 ♦> Penning K apanı, 94 ❖ K apandaki A ntiprotonlar, 96 ❖ A ntihidrojen ve A ntim adde Fabrikası, 99 ❖ LEP, 102. 7. AYNA EVREN, 107

Z am anda Geriye Gitm ek mi?, 107 ❖ Acayip Parçacıkların Acayip D avranışları, 112 ❖ Anti-Uzaylıyla El Sıkışm ayın, 116. 8. NASIL OLUYOR DA BİRŞEYLER VAR OLUYOR?, 119

Kayıp A ntim addenin E srarı, 119 ❖ B üyük Patlam ayı B aşa Sarm ak, 125 ❖ Nötrinolar, 127 ❖ Kıyamet mi? Tam d a Değil, 131. 9. ANLAŞILAN, 134

A ntim adde K urguları ve U çuk Kaçık Bilgiler, 134 ❖ A ntim addenin G ücü, 139 ❖ Bol Bol Antim adde, 141 ❖ Fantezi Peşinde: A ntim adde Bom bası, 144 ❖ Antim adde: Tam Gaz İleri, 146 ❖ Antim adde: Gerçek Sanılan Kurgu, 150 ❖ A ntim adde Fabrikası, 154. EK 1: A ntim addenin Maliyeti, 156 EK 2: “Dirac K odu”, 158 K aynakça, 165 Dizin, 167

Teşekkür

Bilim üzerine ders verdiğim ve program lara katıldığım otuz yıl boyunca h e r şeyden çok antim adde h ak k ın d a soru so­ ru ld u bana. 4 Ekim 2007’de BBC Radyo 4 ’te y ayınlanan Irı Our Time program ında Melvyn Bragg, Val G ibson ve R uth Gregory’y le antim adde h ak k ın d a k o n u ştu k . Bu yayının ard ından, antim addeye dair bilgi ve h ab er so ran pek çok e-posta ve m ektup aldım. B u n lar a ra sın d a rah atsız edici yeni bir özellik vardı: an tim addeden silah yapılacağına, feci yıkım lar yaşanacağın a, ve D an Brown in , sözüm ona CERN’de yapılm ış bir antim adde bom basının başrolde olduğu Melekler ve Şeytanlar kitab ın ın ABD o rd u su n u n çalışm alarından ilham aldığına inanıyordu insanlar. Bu olaylar b an a, d u ru m u n etleştirm ek ve te k ra r eden so ru lara bir cevap sunabilm ek am acıyla b u kitabı yazm a ilham ını verdi. Bu süreçte, o rd u d a yapılan işin gerçeğine ve k an d ırm acan m bir kısm ın a n ed en olan havalı saçm a­ lıklara dair birçok şey öğrendim. Kelimeleri kalem e alan ben olsam da, b u rad ak i bilgiler yıllar boy u n ca birçok m es­ lektaşım la yaptığım ız sohbetlerden geliyor. Verdiğim sayı­ ları kontrol eden, m üsveddelerdeki bazı h ataları düzelten ve benim le antim adde h ak k ın d a u z u n u z u n k o n u şa n Rolf L an d u a’y a özellikle m üteşekkirim . Betsy Devine, George Kalmus, M ichael M arten ve editörüm L atha Menon, h a ­ zırladığım ta slak ların tam am ını veya bir b ö lü m ü n ü oku­ dular, önerilerinin birçoğunu k itab a kattım . A ntim adde araştırm aların a dair m akalelerinin kopyalarını veren Ge­ rald S m ith’e, uzatılm ış pozitronyum h ak k m d ak i görüşm e­ lerimiz için S tan Brodsky ve T hornton G reenland’e, b a n a şiiri gösteren ve m addeyle antim addeyi “H abille Kabil kardeştir; onların ebeveyni İlk Ebeveyn’dir (Büyük P atla­ ma) ; ve bir k ardeşi diğerini ö ld ü rü r” diye a n la ta n K athryn

x • Teşekkür

M aris’e ve kaydetm ediğim yorum larıyla yazdıklarım ı şe­ killendiren, CERN’deki ve Oxford’daki m eslektaşlarım a te şek k ü r ederim.

1

ANTİM ADDE: G ER ÇEK M İ, KURGU M U?

“Karşı konulm az bir kuvvet, yerinden kıpırdayam ayan bir nesneyle k arşılaştığında ne o lur?” Evrenin gizemleri söz k o n u su olduğunda lafı dolandırm azdı babam ; nasıl Isaac Newton bir tek h arek et k an u n u y la, Beethoven bir tek senfoniyle yetinm em işse, b ab am ın d a birden fazla so ru su vardı: “D okunduğu h er şeyi yok eden bir m addeyi nerede tutabilirsin?” Bir şeyin önce içine kond u ğ u kabı y u ta cak olm ası fikrinin m ü th iş an lam la n var: Neden b u n u n la kalsın ki? Böyle bir şey, içinde b u lu n d u ğ u hap ish an ey i yok edip k açtıktan so n ra çevresini de özgürce silip süpürebilecek, k arşısın a çıkan h er şeyi u n u tu lm a y a m a h k û m edecektir, b u n a er y a d a geç h er birimizi de dahil ederek. S ahiden de k â b u sla n n ve k o rku edebiyatının k o n u su k arşı konulm az bir güç olurdu bu. Cevabın şu oldu ğ u n a k a ra r verdim: b ab am ın soruları bir k u rg u y a dairdi. Yanılmışım. Karşı konulm az kuvvetlerin yerinden kıpırdayam ayan nesnelerle k arşılaşm ası fikri so n su zlu k kavram ıyla oynaşan bir k u rg u d u r: Filozoflar birbiriyle rek ab et h a ­ lindeki iki so n su zlu ğ u n doğurduğu p arad o k slar ü s tü n e fikir yürütebilirler, b u p arad o k slar “benim sonsuzluğum seninkinden b ü y ü k ” diye çözülür. A ncak h er şeyi tü k e ten şey b a şk a bir m addedir, kelim enin ta m anlam ıyla, b u n a antim adde (madde karşıtı) denir. Bilim k u rg u yazarlarının pek sevdiği b u şeyin varlığı yine de gerçek, var olm asının

12 • A n tim a d d e

anlam ıysa büy ü k tü r. A ntim adde, m addenin tu h af, a ltü st olm uş gölgesi­ dir; bir şeyin tıpatıp aynı olan eşi, aynadaki ak si gibi, sol, sağ olur, pozitif negatife döner. D öküm alındığında geride k alan kalıp gibi, m adde ve antim adde gerçekliğin yirı ve y a n g ’ıdır. Deniz k en arın d a bir çocuk k u m d a n kale y ap ­ m ak için ıslak, sert ve katı k u m d a bir ç u k u r kazdığında, kale m addeyi tem sil eder, ç u k u r da antim addeyi. H erhangi bir cisim, antim adde ikiziyle k arşılaşacak olsa, b u n la rın birbirini tam am layan özellikleri b ir ölüm d ansı içinde birbirini g ö tü rü rd ü . A ntim addenin m addeyi göz açıp kapam ay a k alm ad an o rtad an k ald ırm a k o n u ­ su n d ak i parlayıcı kabiliyeti, o n u n cazibesinin sırrıdır. An­ tim adde sah id en de m adde karşıtıdır. Böylesine tu h a f bir şeyin belki de var olabileceği fikri ortaya atılalı seksen yıl, b u n u n “pozitron” diye bilinen ilk örneği gözlemleneli ü ç çeyrek yüzyıl oldu. Neyse ki h âlâ buradayız, zira antim adde son derece ender bulunuyor, aslında neredeyse yok denecek k ad ar az, ve b u n u n bir p arçası m addeyi yokluğa sürüklediğin­ de, antim addenin kendisi de yok oluyor. Gözlemlenen o ilk antim adde zerresi çoktan o rtad an kayboldu, sadece bir tan e atom un tek bir elek tro n u n u yok edip gitti. Şu koskoca evrende, bilebildiğimiz kadarıyla norm olan m ad­ dedir, antim adde değil. A ntim addenin yok oluşu, Büyük P atlam a’m n ard ın d an gerçekleşen ilk olaylardan biri gibi görünüyor. B ugüne k alan m addi evrende, antim adde ile m adde a rasın d a çok u zu n zam an önce y a şa n a n Büyük İm ha’nın artık lan var; b u n u n kalıntısı, o m uazzam olay­ d an on dört milyar yıl so n ra k âin atı do ld u ran “m ikrodalga arkaplanı”, yani elektrom anyetik radyasyon. Kötü adam öldü; m adde kazandı; m adde ve an tim addenin birbirini dengeleyen so nsuzlu k lan arasın d a, sonsuzluğu d a h a b ü ­ y ük olan, maddeydi. Peki y a bazıları kalm ışsa, evrenin enginliği içinde bir yerlerde h â lâ sessiz sessiz saklanıyorsa ve uzaydaki ge­ zintilerimiz sırasın d a biz de o n u n la karşılaşırsak ; y a da

Antim adde: Gerçek mi, Kurgu m u? * 1 3

b u n u n bir kısm ı kozm ik ışınlarla göklerden yağarsa, o zam an ne olur? A raba büy ü k lü ğ ü n d e bir hacim , içi antim addeyle dolu olsa, d ü n y an ın h er yerinden görünebile­ cek koca bir p atlam a yapardı. Böyle bir şey olacak olsa, o zam an antim adde gerçekten de b ab am ın so ru su n a örnek olurdu, am a neyse ki benim hayalim de canlandırdığım şekilde h er yeri fetheden bir ordu gibi yayılm a ve yok etm e özelliklerine sahip değil antim adde. A ntim adde sah id en de m addeyi yok ediyor, am a kendi kendini de yok etm e p a ­ h a sın a yapıyor b u n u ; işgal ettiği bedeni öld ü rü rk en k e n ­ di kendini de yok eden k a n se r gibi bir şey. D ünyam ızda yok ettiği h er bir m adde p arçasının, antim adde için bedeli kendisinin de bir p arçasın ın yok olm asıdır. B u n u n so n u ­ cu ani bir radyasyon patlam ası, m u h areb e m eydanından ışık hızıyla k açan gam a ışınları olabilir, am a an tim ad d e­ nin o lu ştu rd u ğ u teh d it o rtad an k alkm ıştır artık. İşte b u yüzden hiç antim adde kalmıyor, en azından b u ralard a: m uzaffer m adde, antim ad d en in h ep sin i yok ettiği için. Dolayısıyla antim adde, K urt V onnegut’u n Kedi Beşiği rom anında, k a rşısın a çıkan tü m sıvıları donm uş k atilara çeviren k u rg u sal s u “buz dokuz”u n feci bir versiyonu gibi değildir. K itapta önce birkaç su birikintisi, ard ın d an de­ reler, nehirler, s o n u n d a d a d ü n y an ın okyanusları “b ü y ü k bir vvraoom f’la donar. A ntim addenin yapabilecekleriyse sınırlıdır. Yine de antim ad d en in değdiği ve yok ettiği h er şey, bizim bildiğimiz b ü tü n b a şk a şeylerden d a h a patlayı­ cı bir etkiyle enerji açığa çıkarır.

ANTİMADDE DÜNYAYA ÇARPTI MI? Eğer antim adde evrenin b a şk a b ir yerinde m evcutsa, a r a ­ d a sırad a gelip d ünyaya çarpm asını bekleriz. Dört m ilyar yıllık tarihim iz içinde böyle bir şey o lm u şsa eğer, b u n a dair b ü tü n izler de çoktan yok o lm uştur; m eteoritler çarp ­ tıkları yerlerde k raterler o lu ştu ru r ve b u n la rın çevresinde dünyaya ait olm ayan m addeler h â lâ bulunabilir, am a a n ­ tim adde bir a n d a yok olacaktır. A ntim adde çarp m asın a

14 • A n tim a d d e

dair tek kanıt, çaptığı e sn a d a o lu şacak ta h rip k â r p atlam a olurdu ve son bir milyon yıla k ad ar, böyle bir şey olduğu­ n u bize a k taracak kim se de olmazdı. Ama, sadece bir asır önce, 1908’in H aziran ayında, hiçbir zam an tam olarak açıklanam ayan, m eraklılarının d ü n y a d ışın d an gelen a n ­ tim adde ile çarpışm anın en y akın tarihli örneği o lduğun­ d a ısra r ettiği bir şey oldu. M oskova’nın 1500 kilom etre doğ u su n d a, kuzeyde Kuzey Buz Denizi’nd en güneyde M oğolistan’a, U ral dağla­ rın d an M ançurya’ya u zan a n , n ü fu su n çok seyrek olduğu, Batı A vrupa’nın tam am ın d an d a h a geniş bir alan vardır. Bu yalnız kıtanın uzak kalbinde, T unguzka n eh rin in saklı vadisi b u lu n u r. Nehir, yaz aylarında, sonsuz çam ağaçları ara sın d a rengeyiklerinin otladığı o rm an lard a ayı ve geyik avlayarak h ay atta kalan, T unguzlar diye k ü ç ü k bir etnik g ru p tan alır adını. 30 H aziran 1908 g ü n ü hav a b u lu tsu z ve güneşliydi. S abah s a a t sekizde çiftçi Sergey Semenov evinin önündeki b asam a k lard a o tu ru rk en gökyüzünde devasa bir p atlam a oldu. Semenov d a h a so n ra bilim in san ların a, ateş to p u ­ n u n güneşin ışığını bile koyu gösterecek k a d a r p arlak ve gömleği için “neredeyse v ü cu d u m u n ü s tü n d e y an ac ak tı” diyeceği kadar, k o m şu su n u n g ü m ü ş çatal-bıçak tak ım la­ rını eritecek k a d a r sıcak tı.1 B u n d an bile d a h a o lağ an ü stü olarak, bilim insanları so n rad an olayı araştırd ık ların d a, p atlam an ın Sem enov’d an neredeyse 60 kilom etre u za k ta olduğunu anladılar. Bir b a şk a çiftçi, Vasili İlyiç ise “or­ m anı, rengeyiklerini ve diğer b ü tü n hayvanları yok eden” m uazzam bir yangın old u ğ u n u söyledi. O ve birkaç kom ­ ş u s u ne olduğuna bakm aya gittiklerinde geyiklerden b a ­ zılarının köm ürleşm iş kalıntılarını b u lm u şlar, geri kalan h er şey tam am en o rtad a n kaybolduğunu görm üşlerdi. Göz k am aştıran ateş to p u saniyelerle ölçülecek bir zam an dilim inde güney doğudan kuzey batıya geçti. D ün­ yanın h er tarafın d a sism ik dalgalar kaydedildi, R usya ve A n l a t a n C ow an ve diğ. N ature, 29 M ayıs 1965, s. 861.

Antim adde: Gerçek mi, Kurgu m u? * 1 5

A vrupa boyunca atm osfere basınç dalgaları yayıldı. P atla­ m a 700 kilom etre u za k ta bile görüldü ve strastosfere öyle çok du m an ve toz yayıldı ki güneş ışığı y erk ü ren in p arlak y ü zü n d en d ü n y an ın gölge k ısm ın a k a d a r yansıdı. D ü n ­ y anın dörtte biri k a d a r u zak ta, ta L ondra’d a gün erken doğdu, çü n k ü gece yarısı gökyüzü sab ah ın erken saatleri k a d a r aydınlıktı. B u olay ABD’de, Chicago’n u n üzerinde olm uş olsaydı, b u ışık parlam ası T ennessee, Pensilvanya ve Toronto’d an görülecek, gök g ü rü ltü sü Doğu Y akasın­ dan, güneyde A tlanta’d an ve b atıd a Kayalık D ağlar’d an bile duyulacaktı. Normale d ö n ü ş iki ay aldı. Uzaydan gelen bir şey atm osfere girm işti. Böyle şeyler d a h a önce de olm uştu, Arizona’daki devasa m eteor krateri de b u n u gösteriyordu m esela, bir kay a parçasın ın , k ü çü k bir asteroidin dünyaya çarp m asın ın so n u cu n d a o lu şm u ş­ tu b u krater. F ak at T unguzka olayı diye an ılan olay d a h a başkaydı; yıllar sonra, ilk m acerap erest araştırm acılar 1927’de Çekoslovakyalı bilim in san ı Leonid Kulik ö n cü lü ­ ğünde o u zak bölgeye vardığında açıklık kazandı bu. Eğer bir asteroid olsaydı gelen, G üneş S istem i’n d en bir taş k it­ lesi gelip de dünyaya çarpm ış olsaydı, b u hikâyeyi bize gösterecek bir delik olm ası gerekirdi yerde. F ak at hiçbir k rater izi yoktu. Tam p atlam an ın olduğu yerin h izasın d a geniş bir çam u r düzlüğü o lduğunu gördüler, san k i bin tane buldozer, L ondra k a d a r bir şeh rin tem ellerini atm ak üzere orm anı düm düz etm işti. B u kasvetli sahneyi, y a n ­ mış ağaç gövdelerinden bir h alk a çevreliyordu. B u n u n ard ın d an ağaçlar p atlam an ın darbe dalgasının etkisiyle kibrit çöpleri gibi dağılmış, k arm an ço rm an b ir k asırg a ta ­ rafından yere serilm işlerdi. H ayat tam am en yok olm uş, çeyrek yüzyıldan u z u n zam an boy u n ca d a öyle kalm ıştı. O tarih ten sonra, bölgedeki to p rak otuz m etreden d a h a de­ rine k ad ar kazıldı, am a m eteorit m addeye veya b u istilaya dair h erhangi bir ize rastlanm adı. O gün D ü n y a’y a çarp an h er ne idiyse, kayıplara k a ­ rışmıştı. 1965’te bir fizikçi, bir kim yacı ve bir jeofizikçiden o lu şan bilim in san ları ü ç lü sü o rad a ne old u ğ u n u nih ai

16 • A n tim a d d e

olarak saptayabilm e u m u d u y la b ü tü n delilleri inceledi. A yakta kalabilm iş tek tü k ağaçlar üzerinde yapılan incele­ mede, burayı v u ran darbe dalgasının izleri görüldü. Olu­ şan rüzgârın kuvvetine dair bir fikir veriyordu bu; ağaçları ne m ik tard a enerjinin yakacağı d a hesaplanabilir. D ünya­ n ın m anyetik alanının b u olaydan etkilendiğini gösteren kayıtlar var, sism om etreler de b u deprem etkisinin g ü cü ­ n ü kaydetm iş. Işık parlam asının parlaklığına ve süresine dair an la­ tım lar d a h esab a katılm ış. Neredeyse bir milyon m ilyar ju l enerjinin, birkaç saniye içinde salmdığı so n u c u n a varm ış­ lar; bu, İngiltere’nin tam am ında, bir saatte h a rc a n a n en er­ jiye denk sayılır2 ve nükleer p atlam a etkisinde olacaktır. Olay b u g ü n y aşan ac ak olsa in san yapım ı bir nükleer silah tan şü p h e edilirdi tabii; fakat 1908’de, b u g ü n n ü k ­ leer fizik diye bildiğimiz k o n u n u n ortaya çık m asın a d a h a onlarca yıl vardı. Eğer birtakım nü k leer to h u m ların bu felakette gerçekten payı v arsa b u n u n için doğal bir n e­ den aranm alı. P atlam anın şeklinde ve olay yerinde hiçbir m addi kalıntı bulunam ayışı gibi açık kanıtlar, çapı an cak bir m etre k ad ar olan k ü ç ü k bir an ti-k ay a halindeki a n ti­ m addenin d u ru m d an so ru m lu olup, atom ların çekirdek­ leri de dahil olm ak üzere h er şeyi yok etm iş olm asıyla tu ­ tarlıdır. Adli tıp kan ıtların ı d a h a sonra, antim addeye dair bilinenleri öğrendiğimizde inceleyeceğim.

KUVVETLİ ANTİMADDE T unguzka olayının büyüklüğü, antim ad d en in içinde giz­ li kuvveti hatırlatır. Eğer bir m ik tar m adde yakıtınızsa, antim adde b u n u n içindeki enerjiyi, en azın d an k u ram sal olarak, doğada d a h a ötesi b u lu n am ay acak şekilde dışarı çıkaracak olan kıvılcımdır. 2 E nergy C onsum ption in th e UK (İngiltere’de E nerji Tüketim i), d ti rap o ru , 8. sayfada tü k etim m ik tarı kilogram petrol o larak veriliyor; bkz: 1 kilogram petrol = 5,3 x 107 J u l.

Antimadde: Gerçek mi, Kurgu m u? • 17

B üyük P atlam a’d a m addenin o lu şu m u sırasın d a çok b ü yük m ik tard a enerji, d ü n y a üzerindeki h er şeyi m eyda­ n a getiren atom ların içindeki parçacık lard a katılaştı. Kim­ yasal ve n ükleer reaksiyonlarda b u parçacıklar, içerideki o enerjinin bir b ö lü m ü n ü n açığa çıkacağı şekilde yeniden düzenlenir, am a b u patlam aların en kuvvetlisinde açığa çıkan m iktarlar bile, m addenin m ilyarlarca yıl önce do­ ğarken içine hapsettiği enerjiye kıyasla devede k u la k tan dahi k ü ç ü k kalır. C anlılar kim yasal m adde fabrikalarıdır; kendilerini o lu ştu ra n karbon, oksijen ve b a şk a elem entler arasın d ak i reaksiyonlarda enerji açığa çıkarırlar. B edeninizin sıcak­ lığı ile bir p atlam an ın darbe dalgasının g ü cü arasın d ak i fark esasen sürelerle ilgilidir. Bedenlerim izde enerji yavaş yavaş, v ü cu t sıcaklığı olarak salınır, sağlıklı bir in sa n d a bu sıcaklık aşağı yukarı 37 san tig rat derecede k o ru n u r, ateşim iz çıktığı sıradaysa, virüs gibi istenm eyen işgalciler­ le m ücadele etm ek için reaksiyonlar hızlandığından dolayı birazcık d a h a sıcak oluruz. Kimyasal bir reaksiyon d a asıl olarak b u n d a n farklı değildir, aynı şeyin d a h a hızlısıdır o kadar. Sıkı bir yem ek yem ek sizi birkaç s a a t idare eder, om a b u süre, söz k o n u su enerjiyi bir m ilisaniyede verecek k adar sıkıştırılacak olsaydı so n u ç kelim enin tam anlam ıy­ la patlayıcı olurdu. Alışıldık roketler ve h a tta en b ü y ü k kim yasal p a t­ lam alar, etkileyici görünseler de, ato m lard a kilit altın d a b u lu n an enerjinin an ca k m ilyarda birini açığa çıkarabili­ yorlar. A tom un enerjisinin çoğu çekirdeğinde depolanıyor ve o nükleer kıvılcım tu tu ş tu ğ u n d a H iroşim a ve Nagazak i’deki kuvvet çıkıyor ortaya, ki kim yasal patlayıcıların gücü b u n u n y an ın d a hiç kalıyor. Ama o rad a bile, var olan enerjinin bin p arça sın d an an cak biri salm m ıştı. Füzyon reaksiyonlarında (G üneş’in ve hidrojen bom basının gücü b u n lard an gelir, bilinen en kuvvetli p atlam alar bunlardır) dahi, m addenin içindeki toplam enerjinin sadece yüzde bir kadarı kullanılır. H epsini açığa çıkanverm ek için o enerjiyi çok zam an önce m addenin içinde k atılaştıran s ü ­

18 • A n tim a d d e

reçleri tersine çevirmemiz gerekir. A ntim addenin yapabileceği şey işte b u d u r. Bir kilog­ ram antim addenin yok edilmesiyle, bir kilogram TNT’nin patlatılm asıyla ortaya çıkan enerjinin aşağı yu k arı on mil­ y ar katı açığa çıkar. Her kilogram yakıt b a şın a b u m iktar, nükleer fisyonun üretebileceğinden bin kat, n ü k leer füz­ yonun üreteceğinden ise yüz k a t d a h a fazla enerjidir. Uzay Yolu’n d a olduğu gibi, an tim ad d en in uzay ge­ m ilerinin ultra-etkili enerji kaynağı olduğu bilim k u rg u ­ da, antim addeye d u y u lan hayranlığın n edeni işte b u ­ ra d a y atar. NASA’daki enerji a ra ştırm a p ro g ram ların d a gerçekten gerçek dışı olan d ü şü n celere k o n u o lm u ştu r antim adde. T artışm asız en güçlü silah olacak olarak a n ­ tim adde bom basıyla d a endişe y aratır. Eğer H iroşim a’d a ve Bikini M ercan Resifı’nde E = m c2 üzerin d en m addenin sadece binde birinin neye yol açabileceğini gördüysek, b u ra d a k i gü cü n tam am ın ı açığa çık arm an ın sonuçları tah m in bile edilemez. O halde, Ekim 2004’te San Francisco Chronicle’da y a­ yım lanan ve “ABD Hava Kuvvetleri gelecekte silahlarda radikal bir güç kaynağını, sırad an m addenin esrarengiz ‘ay n ası’ olan antim addeyi k u llan m a yollarını araştırm ak için sessiz sedasız m ilyonlarca dolar harcıyor” diye bir h ab er p a tla ta n yazı k a rşısın d a şaşırm am alıyız belki de. H aber dünyaya yayıldı ve H in d istan ’d a b u iddia y ü k selti­ lip, sadece ABD hav a kuvvetlerinin değil, “pek çok ülkede sav u n m a uzm anı bilim in sa n la rın ın ] antim adde silah sis­ tem leri üzerine çalışm ak ta” olduğu, b u sistem lerin “in sa ­ n ın elinde tutabileceği k a d a r k ü ç ü k ” olduğu yazıldı. A ntim adde bilim kurgu alan ın d a çok popüler, am a bir o k a d a r d a gerçek ve b u no k tad l. görünen o ki o rd u s a h i , den de antim adde silahları geliştiriyor. Bu k itap ta tem el am açlarım dan biri, an tim ad d e hikâyesinde k u rg u ile ger­ çeği birbirinden ayırt etm eye girişmek.

Antimadde: Gerçek mi, Kurgu m u? » 1 9

ANTİMADDENİN SIRLARI O rd u n u n en son m aceracılıklarına dair haberler doğ­ ruysa, ABD H ava Kuvvetleri an tim ad d e silahları geliştir­ mekte. Bu hikâyeler, Florida’daki Eglin Hava Ü ssü ’nde b u lu n a n M ühim m at D airesi’nde “devrimci m ü h im m at” ekibinin b aşın d a b u lu n a n K enneth E d w ard s’m 24 M art 2004 tarihli k o n u şm asın d a n filizlenmiş gibi görünüyor. Arlington, Virginia’d a düzenlenen N asa İleri K avram lar E n stitü sü (NASA In stitu te for Advanced Concepts, NIAC) K onferansı’nm açılış k o n u şm asın ı y ap an Edw ards pozitronlarm , yani antim ad d en in tem el parçacıklarının po­ tansiyel kullanım larını tartıştı. E dw ards’m an tim ad d en in potansiyelinin tam am en farkında old u ğ u n a ve b u n d a n heyecan d u y d u ğ u n a şü p h e yok. B asın d a yer alan bazı haberlere göre “düşünceye ad eta m eydan okuyan” k o n u ş ­ m asında, görülem eyecek k a d a r k ü ç ü k an tim ad d e zerre­ lerinin dahi yok edici olabileceğini vurguladı. Ö rneğin, 1 gram ın elli m ilyonda biri k a d a r pozitron, 1995’te O klaho­ m a City’de Alfred P. M urrah B in ası’n d a 168 in san ın ölü­ m üne ve 500’den fazla in san ın y aralan m asın a n ed en olan (FBI’a göre yaklaşık 1800 kilogram TNT’n in kullanıldığı) p atlam aya eşit bir infilak y aratm ay a yeterdi. Gazete haberlerini okuyanlar, b u silah sistem leri için “yok edicidir” ve “yıkım ın seviyesi hayal edilemez” dendiği­ ni gördüler; “öyle olacak” veya “olabilir” dahi denm iyordu, sadece “dır” ve şim diki zam an vardı, san k i b u araçların yapım ına şim diden başlan m ış gibi. A ntim adde silahları çevreye dost gibi sunu lu y o rd u : sırad an atom bom bala­ rının aksine, pozitron bom baları “radyoaktif artık lard an oluşan gaz b u lu tları” y aratm ay acak tı,3 pozitron ve elekt­ 3 Keay D avidson, S a n Francisco Chronicle, 4 E kim 2004. E d w a rd s’m s u n u m u n d a “N ü kleer K alıntı Yok” (“No N uclear R e sid u e ”) sözleri b ir­ k a ç defa, göze ç a rp a n kırm ızı h arflerle y azılm ıştı. Ş u ra d a m e v c u ttu r: < h ttp : //w w w . n ia c .u s r a .e d u /f ile s /lib r a r y /m e e tin g s /f e llo w s /M a r - 0 4 / K en n eth -E d w ard s.p d f> B u b ö lü m ü n tetik led iğ i p a ra n o y a y a b ir ö rn e k o la ra k a d re s i verile­

20 • A n tim a d d e

ronların yok o lu şu n u n asıl ü r ü n ü olarak, görünm ez am a son derece tehlikeli bir gam a radyasyon p atlam asın ın rek­ lamı yapılıyordu, b u şekilde “sivil n ü fu sa zara r verilm ek­ sizin çok sayıda ask er öldürülebilir”di. San Francisco Chronicle ’d an gazeteciler soru sorm aya başladığında, Hava Kuvvetleri, söylenenlere bakılırsa, “ça­ lışanlarını antim adde a ra ştırm a program ı h ak k ın d a k a ­ m uya açıklam a y ap m ak tan m en etti.” Komplo teorisyenlerine göre anlatılan hikâyelerin gerçek o ld u ğ u n u n kanıtı bu, dem ek ki elde m uazzam bir yok etm e g ü cü n e sahip antim adde silahları var (en azın d an mecazen!). B u iddiaların ardındaki gerçek ne? Uygulamayı bı­ rakın, ilke bazında yapılabilirliği olan bir şey m i bu? Birinci Körfez Savaşı zam an ın d a ortaya atılan, Saddam H üseyin’in soğuk füzyon silah lar geliştirdiği iddialarından d a h a fazla gerçekliği var mı b u n u n ? 4 ABD Hava Kuvvetleri ve b u devletin diğer organ­ ları, “eğer m ü m k ü n bir şeyse, b u n u y ap an biz olalım” u m u d u y la acayip fikirleri a ra ştırm a şöhretine sahip. Bir yüksek enerji fizikçisi olarak, ra d a r ve atom bom basının ü retilm esinin ardın d an , 1950ierde radyo astronom iye, n ükleer fizik ve parçacık fiziğine verilen devlet desteğinin saf bilimsel am açlard an kaynaklanm adığını k ab u l etm ez­ sem sam im iyetsiz davranm ış olurum . Bilimin, ato m u n çekirdeğinden nasıl bir enerji çıkarm ayı becerdiği görül­ m ü şk en ve füzyon (hidrojen) bom baları ço k tan gelişti­ rilm işken, Soğuk Savaş dönem i sırf “bir so n rak i büy ü k b u lu ş ”u Sovyetler Birliği yapm ış olm asın diye bilim ve tek ­ nolojide gerçekçi olm ayan fikirlere k ay n ak ayrıldığı b ir dö­ nem di. D aha akla yatkın fikirlerin yanında, şarlatan lığ a

bilir, b u site b en zer b a ş k a sitelere de b a ğ la n tıla r v erm ek ted ir. 4 B u idd ia, S oğuk F üzyon h ile sin i o rta y a ç ık a ra n , a n c a k ta lih s iz b ir te ­ sad ü fle sa v a şın b aşlad ığ ı g ü n y a y ım la n a n k ita b ım çıktığı s ıra d a ileri s ü r ü lm ü ş tü . BBC, k o n u n u n çok h a s s a s o lm a sın d a n en d işe e d erek rö ­ p o rta jla rı geri çekti. N ew York T im es d a h a sa ğ la m d u r a r a k b u s a k a n dalı b a şs a y fa d a n verdi.

Antim adde: Gerçek mi, Kurgu m u? * 2 1

v aran lar d a m evcuttu. Telepati, psikokinezi5 ve yerçekim sizlik boyası b u n la rd a n üçüydü; dolayısıyla h ü k ü m etlerin antim adde silahları için antim adde enerji k aynaklarının kullanılm a ihtim allerini dikkate alm ış olm ası m ü m k ü n . Az önce bahsettiğim ü ç örneğin aksine, antim adde için sağlam k an ıtlar var, en azından 1939’d a nü k leer fısyon için m evcut olan k an ıtlar k a d a r sağlam k an ıtlar b u n lar; nükleer fısyonla atom b om basının geliştirilm esi u y g u ­ lam alı bilim ve m ühendisliğin kuvvet gösterisi olm uştu. Nükleer silahların geliştirilm esinin başarılm ası, ABD’de strateji u zm anlarının “yapılabilir” yaklaşım ını doğruladı. Dolayısıyla antim adde cihazları gereken özelliklere sahip görünüyor ilk bakışta. ABD H ava Kuvvetleri’n in belki elli yıldır, an tim ad ­ denin tem el fiziğine dair çok sayıda bilim sel araştırm ay a kaynak sağladığı iddia edilm iştir. A vrupa’daki CERN ve ABD’deki Ferm ilab gibi açık lab o ratu v arlard a an tim ad d e araştırm aların d a kaydedilen ve 1996’d an itibaren h a b e r­ lerde yer alm aya başlayan ilerlem enin orduyu h arek ete geçirmiş olm ası d a h a m uhtem eldir. 2. ve 8. bölüm lerde antim addenin doğasını, tarihini, taşıdığı im kânları ve sınırlılıklarım göreceğiz. Bu bilgilerle, son bölüm de an ti­ m adde silahı projelerine dair iddialara geri dönüp b u n ları tartışacağız.

DOĞAL ANTİMADDE Bir hacim olarak antim adde, b u ra la rd a çok k ü ç ü c ü k bir hacim halinde b u lu n m a sa bile, bazı doğal süreçler an ti­ m addenin en b asit örneği olan pozitronu, yani elek tro n u n anti-d ü n y ad ak i aynasını kısacık süreler için üretiyor. Elektrik y ü k lü parçacıkların en hafifi olan elektron b ü ­ tü n m addelerin atom ların d a m evcut old u ğ u n a göre, o n u n

5 H arek etin , özellikle can sız n e sn e le rin ve u z a k ta k i şey lerin h a re k e tin in , p sişik k u v v etler k u lla n ıla ra k k o n tro l edilm esi id d ia sı —çev. notu.

22 • A n tim a d d e

antim adde eşi olan pozitron d a potansiyel olarak an tid ü n yadaki b ü tü n antiato m ların elzem bir parçasıdır. Bizim dünyam ızda elem entlerin birçoğu radyoaktiftir, atom la­ rının çekirdeklerinde onları o lu ştu ra n parçacık lar d a h a kararlı bir düzene geçm ek için sürekli yeniden yerleşip d u ru rk e n b u elem entler kendiliklerinden enerji saçarlar. Bazı elem entlerin atom çekirdekleri “pozitron yayıcı” diye bilinir.6 H avlam alar nasıl ki köpeklerin içinde b u lu n m u ­ yorsa, o pozitronlar d a söz k o n u su atom ların içinde ön­ ceden m evcut değildir; pozitronu y aratan , enerjinin açığa çıkm asıdır. Pozitron atom dan u çu p gider ve an ca k bir elektron­ la k arşılaşm ak ta n kaçınabildiği sürece var olur. D ünya­ mız ato m lard an o lu ştu ğ u ve b u n la rın h ep sin in de içinde elektronlar olduğu için pozitron k ısa sü re içinde gidip bir elektrona toslar ve b u birbirine d en k zıtların ikisi birlikte, bir gam a ışını p arlam asın d a o rtad an kaybolurlar, o gam a ışını parlam asıysa gözle görebildiğimiz tayfın çok dışında k alan bir ışıktan ibarettir. Lâkin özel cihazlar b u ışınları saptayabilirler ve b u im kân tıp ta PET ta ra m a sın d a k u l­ lanılır: b u n u n açılımı positron em ission tomography, yani pozitron yayıcı tom ografidir.7 A ntim adde yok edicidir am a çelişkiye bakın ki kontrol altın d a kullanıldığında can k u r­ tarabilir. Doğa pozitronları d a h a b ü y ü k ölçekte, G ü n eş’in m er­ kezinde üretir. B ugün bize p arlay an günışığı kısm en, G ü n eş’in m erkezinde yüz bin yıl k a d a r önce o lu şm u ş ve an ın d a yok olm uş olan pozitronlar sayesindedir. G üneş büyük ölçüde hidrojenden, yani en b asit ele­ m entten oluşur. Sıcaklığın on milyon dereceyi aştığı m er­ kezinde, hidrojen atom ları onları o lu ştu ra n parçacık lara ayrışır, elektronlar ve pro to n lar bağım sız ve rasgele et­ rafta u ç u şu r. P rotonlar zam an zam an birbirine çarp a r ve 6 E nerji, b ir m ad d e p arçac ığ ı ve b ir a n tim a d d e p arçacığ ı, y a n i p o zitro n o la ra k cisim leşir. 7 E ğer PET çektirm işliğiniz v a rs a , a n tim a d d e le r içinize girm iş dem ektir!

Antim adde: Gerçek mi, Kurgu m u? • 23

bir dizi süreç so n u c u n d a birbirlerine bağlanıp, so n u n d a helyum un çekirdeğini o lu ştu ru rlar; helyum d a en b asit ikinci elem enttir. B u füzyon reak siy o n u n d an k alan k ü l­ d ü r helyum; kütlesi onu o lu ştu rm u ş olan protonlarm kinden d a h a azdır. Kaybedilen kütle enerjiye d ö n ü şm ü ştü r; E = m c2iş başındadır, o enerji de işte güneş ışığıdır. Peki pozitronlarm b u n u n la ne alakası var? Bir helyum çekir­ değinde iki proton ve iki elektron b u lu n u r. Uygun şartlar altında proton n ö tro n a dönüşebilir ve enerji yayar, b u n u n bir bölüm ü de pozitron olarak cisim leşir, d ü n y ad a tıp ta kullanılan pozitron yayıcılarda olanlar gibi. Pozitron kendini G ü n eş’in kalbinde b u lu r ve b u ra d a bol m ik tard a elektron vardır; pozitron an ın d a yok olur ve gam a ışınlarına d ö n ü şü r. G am a ışınları ışık hızıyla kaçıp gitm ek isterler am a için için k ay n ay an b u yıldızı o lu ştu ­ ran, elektrik yük lü bir s ü rü parçacık, elektronlar, pro to n ­ lar onların ö n ü n ü keser. Bir o y a n a bir b u y a n a savrulan, h a bire elektronlar tarafın d an em ilen ve öncekinden d a h a az enerjiyle geri yayılan gam a ışınlarının, yüz binlerce ki­ lom etre y u k arıd a b u lu n a n yüzeye v arm ası yüz bin yıl s ü ­ recektir. Böylece ışınlar epeyce enerji kaybeder; önce x ışı­ nı özelliğine, ondan m orötesine geçer, so n u n d a d a bizim gözüm üzle görebildiğimiz gökkuşağı renklerinde dönerler. Dolayısıyla günışığı, G ü n eş’in m erkezinde antim adde ü re ­ tilm esinin ve kısm en de b u n u n yok o lu şu n u n so n u cu d u r. A ntim addenin tarih tek i hikâyesi değil b u sadece; G ü n eş’e g ü c ü n ü veren füzyon süreçleri siz b u n u o kurken de pozitron ü retm ek te ve o pozitronlar siz d a h a cüm lenin so n u n a v aram ad an yok edilm ekte. Tam şu a n d a o lu şan gam a ışın lan şim diden yu k arıy a doğru dolam baçlı yolları­ n a çıktılar, b u g ü n d en bin asır so n ra yüzeye varıp dünyayı aydınlatacaklar. Hikâyemizde göreceğimiz üzere, pozitron şeklindeki antim adde pek çok in san ın san d ığ ın d an d a h a yaygın ola­ ra k m evcut. B ugün tıpta, teknolojide ve bilimde kullanılı­ yor pozitron. D oğanın en y ü k sek hız sın ın olan ışık hızıyla arasında, an ca k saatte 50 m etre gibi k ü ç ü c ü k b ir fark

24 • A n tim a d d e

k alan a k a d a r hızlandırılm ış bulunuyor. Pozitron ayrıca, elektrik ve m anyetik alan ların yönlendirdiği dem etlerde odaklanıp, m adde dem etleriyle çarpıştırılarak, b u n u n so n u c u n d a oluşan enerji şimşeğiyle, k ü ç ü k b ir hacim de kısacık bir a n için, B üyük P atlam a’nm ilk ân ın d a b ü tü n evrenin yaşadığı ko şu llar yeniden üretiliyor. Yani an ti­ m adde, h e r şeyin nereden geldiğine dair o b ü y ü k so ru ları­ m ızın cevabını öğrenmemizi m ü m k ü n kılıyor. Bir tek elektronun yok edilmesiyle serb est kalacak m ik tard a enerjiyi, kim yasal bir patlayıcının bir m ilyar­ d an fazla atom u an ca k üretebilir. Bir gram cık antim addeyi yok edin, iki düzine uzay m ekiğinin yakıt depolarını dolduracak k a d a r enerji elde edersiniz. Pozitron enerji dö n ü şü m ü , sav aştan k azan an ların çok ilgisini çeken dev­ rim niteliğinde bir enerji kaynağı, zira b u n u n yarım gra­ mı patlayıcı gücü olarak 20 kilotona, yani H iroşim a’daki bom baya eşit.8 O halde, antim adde üretilebilecek ve gerek d u y u lan a k ad ar saklanabilecek olsa, uzay sanayiinin ilgisini çeke­ cek güce ve orduyu h eyecanlandıracak silah lar için po­ tansiyele sahip olm ası şaşırtıcı değil. B u im k ân ların fiilen araştırılm ak ta olduğ u n d an hiç şü p h em yok. B u kitap size antim addenin hikâyesini anlatacak: antim adde nedir, n a ­ sıl keşfedildi, onu nasıl yapabiliriz ve bize ne gibi im k ân lar su n u p nasıl tehditler o lu ştu ru r? Kitap, uzay m aceraları­ nın yakıtı ve silah olarak an tim ad d e gerçeğini de ortaya koyacak.

MADDİ DUNYA

Bir antim adde p arçası görecek olsanız, o n u tanım azdınız; dış görü n ü ş ad ın a hiçbir bakım dan, sırad an m addeden farklı görünm ez. Kendini o k a d a r iyi sak lar ki aileden biri sanırsınız; d o k u n d u ğ u h er şeyi yok etm e yeteneğiyle tam bir “iç d ü şm a n ” olurdu. O halde nedir an tim adde? M ad­ denin tersi oldu ğ u n u söylem ek dile kolay, am a an tim ad ­ denin tam olarak nesi “te rs ”? Antim addeyle kısacık bir tem asın ona d o k u n an h er şeyi u n u tu lu ş a sürükleyeceğini bilm ek b ü y ü k hayranlık uyandırıyor da, antim addeye b u gücü veren ne? Antim addeyi anlam ay a b aşlark en önce sırad an m ad ­ denin içine doğru bir yolculuk yapm am ız lazım, m esela kendi içimize doğru. Kişisel özelliklerimiz DNAlarımıza, yani k arm aşık m oleküllerden o lu şan m in y atü r sarm al­ lara kodlanm ıştır. B u m oleküller de ato m lard an oluşur, ato m larsa bir elem entin -m esela k arb o n u n , hidrojenin, d em irin- tek b a şın a var olabilen ve yine de o elem entin özelliklerini taşıy an en k ü çü k parçalarıdır. Atom ların en hafifi olan hidrojen atom ları, atm osfer­ de yukarıya doğru u ç u p k açm a eğilimindedir. Bu yüzden hidrojen d ü n y ad a nisp eten az b u lu n u r, evrenin genelin­ deyse en sık b u lu n a n elem enttir. Hidrojenin b ü y ü k bölü­ m ü B üyük P atlam a’m n hem en ard ın d a n o lu şm u ştu r ve neredeyse on dört m ilyar yıl yaşındadır. D evasa hidrojen to p lan yıldız olarak ışığa patlarlar,

26 • A n tim a d d e

tıpkı bizim G üneş gibi. Elem entlerin tü m çeşitliliğinin olu­ şu m yeri yıldızlardır. S oluduğunuz oksijen atom larının h e­ m en hem en tam am ı, cildinizde ve b u sayfadaki m ürek k ep ­ te b u lu n a n karbon, D ünya’n m ilk ortaya çıktığı dönem de, aşağı y u k arı beş milyar yıl önce yıldızlarda yapıldı. Dola­ yısıyla esasen hepimiz yıldız tozuyuz, y a d a eğer o k ad ar rom antik değilseniz, n ü k leer artığız, zira yıldızlar, temel yakıtı hidrojen, enerji çıktısı yıldız ışığı; “k ü lü ” y a d a artık ü rü n ü y se m uhtelif elem entler olan nükleer ocaklardır. Atom ların ne k a d a r k ü ç ü k o lduğuna dair bir fikir edinm ek için b u cüm lenin so n u n d ak i n o k ta işaretine b a ­ kın; içinde yüz m ilyar ta n e k arb o n atom u var ve b u sayı gelmiş geçmiş b ü tü n in san ların toplam say ısın d an d ah a fazla. O atom lardan h erh an g i birini çıplak gözle görmeye kalkacak olsanız, noktayı çapı yüz m etre olacak k a d a r b ü ­ yütm eniz gerekirdi. Temel karbon atom ları farklı şekillerde bağlanabilir­ ler, elm as, grafit ve is k arası gibi -k u ru m , o d u n k ö m ü ­ rü ve ta ş köm ürü. A ntim adde de m olekül ve ato m lard an oluşur. A ntikarbon atom larının üreteceği an tielm aslar, bildiğimiz elm as k a d a r güzel ve sert olurdu. A ntikurum k u ru m k a d a r kara, an tik itap tak i n o k talar d a b u k itap tak i no k talarla aynı olurdu. O nların da, an tik arb o n atom ları­ nın görülebilm esi için çap lan yüz m etreyi b u la n a k ad ar büyütülm esi gerekirdi. B u n u y ap m ak kabil olsaydı eğer, an tik arb o n u n en u fak zerrelerinin k arb o n d an ayırt edi­ lemeyeceğini görürdük. Yani en tem elde, atom lar seviye­ sinde d ah i m adde ile an tim ad d e birbirinin aynı görünür: A ralanndaki zıtlığın nedeni b u n d a n d a h a d a derinde bir yerde yatar. Atom çok k ü çü k bir şeydir am a en k ü ç ü k şey o de­ ğildir. A tom un içine girdiğinizde ve onları o lu ştu ra n tem el to h u m larla karşılaştığınızda anlaşılır m addeyle an tim ad ­ de arasın d ak i derin zıtlık. Her ato m u n içinde b ir iç yapı labirenti vardır. Mer­ kezde yoğun ve sıkışık bir çekirdek b u lu n u r ve ato m u n kütlesinin hem en hem en tam am ını o o lu ştu ru r. M ürek­

Maddi D ünya * 2 7

kep noktam ızı yüz m etreye k a d a r b ü y ü tm ek ato m u gör­ memize yetecek olsa da, atom çekirdeğini gözle görm ek is­ teyecek olursanız no k tan ın genişliğini 10.000 kilom etreye çıkarm anız, yani D ü n y a’n ın iki k u tb u arasın d ak i m esafe kadar büyütm eniz gerekir. A ntinoktalar ve antiato m lar için de aynı şey geçerlidir. Maddeyle an tim ad d e a ra sın d a ­ ki incecik ayrım , an ca k b u n la r b u k a d a r ayrıntılı olarak görülebildiğinde kendini gösterm eye başlar. E in stein ’m görelilik kuram ıyla birlikte uzayın ve zam anın iç içe geçişi, atom ların içinde h ü k ü m sü ren , im kânsızm ış gibi görünen geçici belirsizlik âlemiyle bir olduğunda o lağ an ü stü bir so n u ç çıkar ortaya: Doğanın, m addenin sadece bildiğimiz b asit tohum larıyla işlem esi m üm kün değildir. Atomaltı p arçacıkların b ü tü n çeşitle­ ri için doğa bir de olum suz g ö rüntüyü, ay n a aksindeki zıddını kab u l etm eye m ecburdur; b u ters parçacıkların her biri de alıştığımız p arçacıklar için geçerli olan k atı k u ­ rallara aynen uyarlar. Tanıdık parçacık lar nasıl atom ları ve m addeyi olu ştu ru y o rsa, onların zıtları d a ilk b ak ışta norm al m adde gibi görünen am a tem elinde ona hiç b en ­ zemeyen yapılar oluşturabilir.

MADDE VE ANTİMADDE Atomların içinde fırıl fırıl dönen elektrik akım ları, kuvvet­ li m anyetik alan lar ve bazı şeyleri kendine doğru çeken, bazılarını d a iten elektrik kuvvetler vardır. A ntim adde atom larında d a m evcu ttu r b u akım lar, alan lar ve kuvvet­ ler, am a k u tu p la n m addeninkilerin tam tersidir: Kuzey k u tu p lar güney olur, pozitif yükler de negatif. İçlerindeki tek tek ato m lan y a d a an tiato m lan görebileceğimiz şekil­ de 100 m etreye b ü y ü tü lm ü ş m ürekkep noktam ızı ve antinoktam ızı d ü şü n ü n . K üçücük bir m ıknatısı, bir ato m u n dış bölgelerine doğru nazikçe yaklaştırın, so n ra b ir de antiatom a doğru g ö tü rü n ve b ak ın ne oluyor. Birinde sola doğru olan y u m u şa k d ö n ü ş ötekinde sağ a doğru, b ir ayna g ö rü n tü sü yayı çizer; m ıknatıs az önce çekildiği n o k ta d an

28 • A n tim a d d e

şim di itilir; önceden reddedildiği yere şim di y ap ışm ak ta­ dır; d a h a önce güvendeyken şim di yok olm akla k arşı k a r­ şıyadır. Bu kuvvetlerin kaynağı, elektrik y ü k lü olan atom çe­ kirdeğidir. M ıknatısların kuzey ve güney k u tu p ları olm ası ve b u n d a n gelen kuvvetle birbirlerini itip çekm eleri gibi, elektrik y ü k ü n ü n kuralı d a aynı yüklerin birbirini itip zıt yüklerin birbirini çekm esidir. Normal m addede atom çekirdeği pozitif (+) y ü k taşır; elektronlar, y an i atom ların d ışın a yakın yerde b u lu n a n m innacık ve çok hafif p a r­ çacıklar ise negatif (-) y ü k lü d ü r. En b asit elem ent olan hidrojenin atom u, m erkezde yer alan ve tek bir p ro to n d an o lu şan çekirdeğin etrafında u z a k ta n dolaşan tek bir elekt­ ro n d an oluşur. Negatif yük lü elektronların u zak tan u z a k ta n m erkez­ deki pozitif yüklü çekirdek etrafında dolaşm alarını sağla­ y an şey, birbirine zıt elektrik yüklerinin karşılıklı olarak birbirini çekm esidir. Molekülleri ve m akroskopik yapıları (kristaller, dokular, ta şla r ve canlılar) düzenleyen ve bir a ra d a tu ta n incecik bağlar, atom ların derinliklerinde iş­ leyen işte b u elektrik kuvveti ve m anyetik kuvvettir (mık­ natıslık kuvveti). Kütleçekimi (yer çekimi) kuvveti galaksilere, gezegen­ lere ve yere d ü şen elm alara hükm eder, ayaklarım ızı yere bastırır. Lâkin bizi şekillendiren ve yapılandıran, elektrik ve m anyetik kuvvetlerdir. Elektrom anyetik kuvvet k ü tle­ çekimi kuvvetinden çok d a h a güçlüdür, fakat toplu h al­ deki m addede pozitif ve negatif yükler arasın d ak i itm e ve çekm e güçleri birbirini götürm e eğilim indedir, böylece h er şeyi çeken kütleçekim i d a h a b ask ın çıkar. Dolayısıyla, vücud um uzdaki atom ların ta derinlerinde yoğun elektrik kuvvetleri etkin olsa d a biz b u n u n pek fark ın d a olmayız ve kendim iz de elektrik y ü k lü değilizdir. Ne var ki b u iç yapıya dair pek çok ip u cu vardır ve pozitif ve negatif yüklerin etkilerinin birbirini ta m olarak götürm ediği d u ru m lard a belirginleşir b u ipuçları. Denge­ lenm em iş elektrik y ü k ü n ü n birikm esi p arla m alara n ed en

Maddi D ünya • 29

olur, tıpkı şim şek çak m asın d a olduğu gibi; m ıknatıs bir m etal k ütlesini y u k arı kaldırabilir ve b u n u y ap ark en b ü ­ tü n d ü n y an ın uyguladığı, aşağı doğru kütleçekim ini aşar. D aha bü y ü k ölçekte, D ü n y a’n m m erkezinde fırıl fırıl dola­ şan elektrik yükler b ü tü n gezegeni devasa bir m ık n atısa d ö n ü ştü rm ü ştü r; p u su lan ın ibresi kuzey ve güney k u ­ tuplarını göstererek D ü n y a’n m m anyetik alan ın a uygun olarak h areket ettiğinde b u n u görürüz. 1928’de antim ad d en in hikâyesi başladığında bili­ nenler bu kadardı. A ntim adde d estan ın ın ilk b ö lü m ü n ü n başrol oyuncuları Paul Dirac, Cari A nderson ve Robert M illikan’m anladıkları haliyle atom lar, yoğun ve kocam an proton yığınlarıyla, kozm ik bir vals içinde onların pozitif elektrik y ü k ü n e y ak alan an negatif y ü k lü ve hafif elekt­ ro nlardan o lu şu y o rd u .1 B u bilgiyle k u ş a n a ra k antim adde fikrinin değerini anlam ay a başlayabiliriz. Toplu haldeki m addenin varlığının ard ın d a y atan elektrik ve m ıknatıslık kuvvetleri, m addenin hangi zerre­ lerinin negatif y ük taşıyıp hangilerinin pozitif o lduğunu önem sem ez. B ü tü n negatifleri pozitife, b ü tü n pozitifleri de negatife çevirecek olsak, ortaya çıkan kuvvetler yine aynı olurdu ve b u n la rın o lu ştu rd u ğ u y ap ılard a d a bir değişik­ lik olmazdı. Negatif y ü k lü b ü tü n elektronların o n u n yeri­ ne pozitif o lduğunu, b u n a karşılık protonların d a negatif olduğunu hayal edersek, ato m a d ıştan bakıldığında hiçbir şey değişm iş olmazdı. Yükleri b u şekilde birbiriyle değiştirm ek, m adde dedi­ ğimiz şeyi antim adde dediğimiz şeye d ö n ü ştü rm ek tir. Bir antihidrojen antiatom u , negatif bir “an tip ro to n ”la o n u n etrafındaki pozitif y ü k lü “pozitron”d an oluşacaktır. M ad­ denin böyle bir ayna ak sin in var olm ası gerektiğini ilk ön­

1 E lek trik k a n u n la r ın a göre, p ro to n la rd a n o lu ş a n b ir k ü m e n in , a ra la rın ­ d a k i k arşılık lı itm ed en dolayı d ağ ılm ası bek len ird i. A n cak den ey im ler ve d eneyler b u ra d a , p ro to n la ra işleyip e le k tro n la ra işlem ey en d a h a g ü çlü b a ş k a b ir ku v v etin de etkili o ld u ğ u n u ve p ro to n la rı sıkı to p a k la r h a lin d e b ir a ra y a g etirere k a to m çekird eğ in i o lu ş tu rd u ğ u n u gösteriyor.

30 • A n tim a d d e

gören kişi olan Paul Dirac, 1933’te Nobel Ö d ü lü ’n ü alırken b u bilmeceyi şöyle özetlemişti: D ü n y a ’n m (ve b ü y ü k ih tim alle b ü tü n G ü n e ş S iste m i’nin) n e g a tif ele k tro n la r ve pozitif p ro to n la rı b a s k ın o la ra k iç er­ m e sin i d a h a ziyade b ir te s a d ü f o la ra k görm em iz lazım . Bazı yıldızlar için d u r u m u n b u n u n te rs i olm ası, o yıldız­ la rın asıl o la ra k [pozitif y ü k lü e le k tro n la rd an ] ve n e g atif p ro to n la rd a n o lu şm a sı p e k â lâ m ü m k ü n d ü r.

B üyük önseziyle, pozitif ve negatif arasın d ak i derin si­ m etrinin tam am en farkında olarak, yıldızların yarısının bir tü rd en , diğerinin de ötekinden olabileceği y o ru m u n d a b u lu n d u Dirac. B ugün bizim m adde ve an tim ad d e diye­ ceğimiz şeyler b u n la r işte, ve geceleri gökteki yıldızlara b ak ark en iki çeşidi birbirinden ayırm am ızın yolu yok.

TAYFLAR VE KUANTUM ELEKTRONU Birbirine zıt b u iki varlık biçim inin araların d ak i farkı gös­ terdikleri tek yer atom altı âlem idir. K anunları bizim d ü n ­ y anın genelinde tecrübe ettiğimiz şeylere göre garip k açan bir ülkedir burası. O k an u n la rın getirdiği sonuçları an la ­ m aya çalışırken tesad ü fen k arşılaştı bilim, an tim ad d en in kaçınılmazlığıyla. Isaac Newton’m , sayılam ayacak k a d a r çok milyar ato m u n uy u m içinde h arek e t ettiği gözle görülen cisim ­ lerin davranışlarını açıklayan h arek et k an u n ları, bilardo toplarının nasıl çarpışacağını kesin olarak öngörebilir. Tek tek atom lar ve onları o lu ştu ra n parçacıklar içinse iş­ ler bam başkadır; b u n la r bir şeyin olm asının an ca k göreli ihtim allerinin öngörülebileceği bir belirsizlik d ü n y asm d adır. Bilardo topları birbirine belirli bir biçim de çarparken, atom dem etleri, bir açıklığın kırıp dağıttığı s u dalgaları­ n ın y ü k sek ve alçak n o k ta ların a benzeyen yoğunluk ve seyreklik alanları o lu ştu ra ra k bazı yönlere diğerlerinden d a h a fazla saçılır. Tek tek atom ların davranışı rasgele gibi görünebilir,

Maddi D ünya * 31

am a aslında öyle değildir. Atomlar “k u a n tu m m ekaniği”nin k anunlarıyla tanım lanır, b u k a n u n la r d a belli bir ato m u n şöyle veya böyle y ap m a olasılığını öngörür. Bir bozuk p a ­ rayı attığım da yazı mı tu r a mı geleceğini kesin olarak öngöremem, am a bir milyon tan esin i a tsa m tu r a gelenlerle yazı gelenlerin birbirine o ranının neredeyse 1 olacağını kesin olarak bilebilirim ve ne k a d a r çok atış y ap arsam o k ad ar d a h a kesin konuşabilirim . A tom larda d a d u ru m böyle işte. K uantum m ekaniğinin tem el k u ralları h er bir atom için geçerlidir; tek bir ato m u n o n a bir şey çarptığın­ da nasıl tepki vereceğini kesin olarak öngöremem; m ecaz­ la ifade edecek olursak, yazı mı gelecek tu r a mı söyleye­ mem, am a m ilyonlarcası söz k o n u su old u ğ u nd a yazı ve tu ra n ın ra s t gelme şan sı eşitlenir. Çok sayıda atom söz k o n u su o lduğunda da, a ltta y atan k u a n tu m k a n u n la rın ­ dan Newton’m kesin k an u n ları ortaya çıkar. Newton’m k an u n ları, m addeden o lu şan topların h a ­ reketinin, antim added en o lu şan toplannkiyle tıpatıp aynı olacağını öngörüyor: m ilyarlarca atom nasıl davranırsa, m ilyarlarca antiatom d a öyle davranır. F ak at atom ların h er birinin içinde m addenin ik ik u tu p lu doğası p u s u d a ­ dır; k u a n tu m k an u n ların ın h ü k ü m sü rd ü ğ ü yer de işte burasıdır. B u k u a n tu m k an u n ları, E in stein ’m görelilik kuram ıyla bir aray a getirildiğinde tek bir m adde biçim i­ nin yeterli olm adığını ortaya çıkarır: B üyük P atlam a’nm yaratıcı hareketi, zıtlıkları birbirini dengeleyen iki çeşit ü retm iş olm ak zorundadır. Popüler anlatım larda atom lar çoğu zam an m inyatür güneş sistem leri olarak tasvir edilir, gezegenlere benzeyen elektronlar çekirdek güneşin etrafında dönerler: ortadaki büyük şeyin etrafında dolaşan k ü çü k şeyler. Gelgelelim, bu resim ortaya atılır atılm az insanları endişelere sürükledi. D ünya’nm G ü n eş’in etrafın d a dolaşm ası bir yıl alı­ yor ve D ünya dört m ilyar yıldan d a h a u z u n zam andır zararsız ziyansız b u şekilde dolaşıyor. Hidrojen ato m u n ­ da, m erkezdeki p ro to n u n çevresinde ışık hızının yüzde biri hızıyla dönen ve h e r saniye bir milyon kere milyar

32 • A n tim a d d e

tu r a ta n elektronla kıyaslayın b u n u . Bir b a ş k a deyişle, elektronun saniyenin m ilyonda birinde p ro to n u n etrafın­ da yaptığı dönüş sayısı, D ü n y a’m n b ü tü n tarih i boyunca G ü n eş’in etrafında yaptığı d önüşlerden d a h a fazla. Bu fi­ kirlerin ortaya çıkm aya başladığı yirm inci yüzyıl b aşın d a geçerli sayılan k u ra m a göre böyle bir elektron o k a d a r çok elektrom anyetik radyasyon yayardı ki spiral çizerek bir ışık parlam asıyla çekirdeğe göm ülm esi gerekirdi. Peki o zam an atom lar nasıl var olabiliyor; herh an g i bir şey nasıl oluyor d a var oluyor? Bu s o ru n u n cevabını k u a n tu m k u ram ı verdi. Bir m i­ lim etrenin m ilyonda birinden d a h a k ısa m esafelere, yani atom ların b o y u tu n a indiğinizde, gündelik şeylere dair de­ neyimimiz b u ra d a ne bekleyeceğimize dair iyi bir reh b er değildir artık. 1900’de Max Planck ışık dalgalarının foton denen ayrı ayrı m ikroskopik “p ak et”ler veya “k u a n tu m ’l a r 2 halinde yayıldığını gösterm işti; 1905’te de E instein ışığın uzay bo­ y u n ca yol alırken b u paketlerin içinde kaldığını gösterdi. K uantum kuram ının, yani parçacıkların in sa n a im kânsız gibi gelen özelliklere sahip olabileceği fikrinin başlangıcıydı bu; parçacıklar ne orad a ne de b u rad a, am a “m uhtem elen bu rad a, belki de orad a” olabilirdi. K uantum m ekaniğinde kesinliğin yerini olasılık alır, olasılık bir dalga gibi yükselir ve düşer. Bu fikrin ortaya atılır atılm az gösterdiği başarı, atom ların nasıl olup d a var olduğunu açıklam ak oldu. K u an tu m u n olasılık dalgaları belli bir u zu n lu k tak i ipin dalgalanm ası gibi canlandırılabilir. Eğer ip, kem ent gibi, b ir daire o lu ştu racak şekilde kıvrılırsa, ipin üzerinde oluşacak h er dalgalanm anın u zu n lu ğ u , ipin çevre u z u n ­ luğu içine yerleşecek k a d a r olacaktır. Bu halkayı saatin k ad ran ı gibi d ü şü n ü n . İp üzerindeki dalganın tepe nok­ ta sı s a a t 12’ye, dip n o k tası d a 6’y a denk gelirse, bir so n ­ raki tepe noktası yine s a a t tam 12’ye m ükem m el şekilde o tu ru r. H âlbuki zirvesini 12’de yapıp en d ü ş ü k noktaya 2 “K u a n tu m ” m ik tar, nicelik a n la m ın a gelir —çev. notu.

M addi D ünya • 33

s a a t 5’te gelecek olursa, bir so n rak i zirveyi s a a t 10’d a b u ­ lacak dem ektir, böylece dalganın v u ru ş u n a göre s a a t 12 noktası zam anın d ışın d a k alacaktır. D anim arkalI fizikçi Niels B ohr 1912 yazında, ato m lard a d o laşan elektronla­ rın dalgalarının d a h e r b ir çem bere m ükem m el şekilde oturm ası gerektiğini anladı; elektronlar k afalarının estiği yere gidemiyorlar, sadece dalgalarının m ükem m el şekilde yerleştiği b u yollar üzerinde seyredebiliyorlar. Dolayısıyla spiral çizerek çekirdekte yok olm aya d a koşam azlar: atom kararlıdır, (bkz. Şekil 1.) İki yüzyıllık bir sır olan atom tayfı fenom enini de açıkladı b u k u a n tu m dalgaları. A tom lardan ışığı silkele­ yip a ta ra k kendilerine özgü tayflarını ortaya çıkarm alarını

3 4 • A n tim a d d e

sağlam ak nispeten kolaydır. Bir elementi, m esela sodyu­ m u ateşe atıp, oluşan ışığa prizm adan veya kırınım ağın­ d an b a k a ra k yapabilirsiniz b u n u , böylece ışık onu oluş­ tu ra n renklere ayrılacaktır. B u renkler a ra sın d a bir dizi p arlak ışık olur, m esela sodyum söz k o n u su olduğunda, özellikle yoğun olan iki ta n e sarım sı tu ru n c u çizgi vardır ki b u n la r sodyum sokak lam balarının tan ıd ık rengini ve­ rirler. Benzer şekilde, cıva b u h a r lam baları m avim si yeşil parlar, yıldızların pek çok resm inde görülen pem be ışık sa hidrojenin gökkuşağının u zak kırmızı u c u n d a n bazı göz­ le görülür ışıklar yaym asıyla ilgilidir. İşte b u güzel renkli desenler bir açıklam a istiyordu: B u n a n ed en olan nedir? D esenler neden bir elem entten ötekine değişiklik gösterir? Şimdi biliyoruz ki b u n lar, atom ların içindeki elektronların k u a n tu m hareketlerinin sonuçlarıdır. Işık yalnızca, bir elektron bir yoldan diğerine geçtiği sırad a salınır. Eğer ilk yol sadece y üksek enerjili elekt­ ronları kab u l ediyorsa ve elektron enerjinin d a h a d ü şü k olduğu bir yola geçerse, iki enerji seviyesi arasın d ak i fark, salm an ışık fotonuna gider. Toplam enerji aynı kalır, sadece dağılımı yeniden düzenlenm iştir. Dolayısıyla b u fotonlar sadece belirli ayrık3 m ik tarlard a enerjiye sahip olabilirler ve b u m iktarı d a elek tro n u n yapabileceği belli sıçram alar tayin eder. Fotonlarm sahip olduğu enerjile­ rin ayrık değerleri gözüm üze değişik renkler olarak görü­ n ü r. B u n u n son u cu n d a, salm an ışık h e r atom ik elem ente kendine özgü bir ren k tayfı verir. Kozmosun h er tarafın d a hangi atom ik elem entlerin m evcut olduğunu, o elem ent­ ler bize ışık tayflarını gönderirken işte b u renkli im zalan sayesinde anlayabiliyoruz. B u ren g âren k desenler, tem el parçacıkların d ü n y asın a h ü km eden, düzenlenm iş olasılı­ ğın k u a n tu m dalgalarının gözle görülen kan ıtlan d ır. 3 M ik tarları tem sil e d e n sa y ıla r a ra s ın d a sü re k lilik y o k sa m a te m a tik te b u n la r a ay rık say ılar (discrete num bers) d en ir. Yani, b ir şey in m ik tarı, m e se la 1.01, 1.02, 1.11, 1.2 gibi değil de y a ln ızca 1, 2, 3 diye ifade ed i­ lebiliyor, 1 ile 2 a ra s ın d a b a ş k a d eğ er ala m ıy o rsa , a y n k tır —çev. notu.

M addi D ünya • 35

SPİN YAPAN ELEKTRON Maddi dünyam ızın gizemli gölgesi an tim ad d e âlem ini bize elektron takdim edecek. 1897’de J . J . Thom son, elektro­ n u atom daki h ap ish an esin d en bağım sız olarak, yalıtılm ış ortam da ilk kez ürettiğinden beri biliyoruz ki elektronlar vardır ve tayfın kaynağı d a atom ların içindeki elektronla­ rın varlığıdır. Thom son b u n u şüpheye yer bırakm ayacak şekilde k an ıtlam ad an önce bile bilim in san ları böyle bir atom yapıtaşı b u lu n d u ğ u n u düşü n ü y o rlard ı, h a tta b u ­ n u n hem elektrik y ü küne, hem de iki u çlu bilindik çu b u k m ıknatısın kuzey ve güney k u tu p ları gibi iki yönlü bir m anyetizm aya sahip o lduğunu d a çıkarm ışlardı. Yarım asır so n ra b u d u ru m Paul D irac tarafın d an açıklanacak ve yaptığı açıklam a o n u n antim ad d en in varlığını öngör­ m esini sağlayacaktı. 1896’d a HollandalI tayf ölçüm cü (spektroskop) Peter Zeeman, örneklerinin y an ın d a kuvvetli m ıknatıslar b u lu n ­ du ğ u n d a sodyum un yaydığı p arlak s a n çizgilerde çok k ü ­ çük bir değişiklik olduğunu fark etm işti. Bu çizgiler n o r­ m alde çok keskindir ve çok net tanım lıdır, an cak Zeeman m anyetik alan d a çizgilerin genişlediğini görüyordu. D aha so n ra geliştirilen d a h a güçlü ölçüm cihazlan, genişleme gibi görünen olayın aslında bir çizginin ikiye veya d ah a fazla çizgiye aynlm ası olduğunu gösterdi. B u tek tek çiz­ gilerin ayrışm ası Z eem an’m göremeyeceği k ad ar k ü çü k ölçekliydi; geniş bir bulanıklık gibi görünüyorlardı, miyop bir in san ın onları gözlüksüz b ak ark en göreceği gibiydiler. Bu d u ru m u n elek tro n u n m anyetizm aya sahip olm a­ sın d an kaynaklandığı anlaşıldı so n rad an . İki m ıknatıs nasıl ki k u tu p ların ın yerine göre birbirini itebilir veya çe­ kebilirse, elektronu n m anyetik alan d ak i k o n u m u da onun enerjisini etkiler. B u n a bağlı olarak, salm an fotonlarm enerjisi de k ü ç ü k bir değişiklik gösterecek ve tayf çizgile­ rinin o lu ştu rd u ğ u d esen böylece değişecektir. “Zeem an etkisi” elek tro n u n kendi kuzey ve güney k u t­ b u olan k ü ç ü k bir m ıknatıs gibi davranabileceğini ortaya

36 • A n tim a d d e

koydu. Sanki elek tro n u n kendinden m enkul b ir dönm e h arek eti vardı içinde; “sp in ” denen b u h arek et bir m a n ­ yetik alanda, sa a t y ö n ü n d e veya sa a t y ö n ü n ü n tersine, iki yöne doğru da olabilir. Ölçülebilir bir b o yutu dahi ol­ m ayan bir elektronun bir de “sp in ” yapm ası fikri gündelik hayatım ızın terim lerinde anlam sız kaçabilir, an ca k elekt­ ro n u n b u acayip özelliğinden b ah sed erk en fizikçilerin r a ­ hatlıkla kullandığı bir kelim edir spin. E lek tro n u n böyle bir ikiliğe sahip olm ası hipotezi ato m u n tayf ölçüm ünde (spektroskopi) bol m ik tard a veriyi açıkladı, am a u z u n za­ m an boyunca “spin” fikri bir s ü rü veriyi açıklayabilm ek ad ın a yapılm ış çaresizce bir girişim sayılm anın pek de ötesine geçemedi. Bu özelliğin kaynağı neydi? Spin neden oluyordu? B unlar an cak D irac’m görelilikle k u a n tu m m e­ kaniğini birleştirm esi sayesinde çözülebilecek gizemlerdi.

EINSTEIN’IN E’Sİ VE E = mc2 K uantum k an u n ları ve E in stein ’m görelilik k u ram ı bir aray a getirildiğinde hem spin hem de an tim ad d e fizikî dü nyanın b a şk a tü rlü olam ayacak özellikleri olarak or­ tay a çıkar. Enerjinin aslın d a ne o lduğunu ilk gösteren E in stein ’dır, m addenin aslın d a y akalanm ış enerji olduğu gibi o lağ an ü stü bir so n u cu ortaya koym uştur. Enerji do­ n u p m adde parçacık ların a d ö n ü şü rk en negatif bir iz b ıra­ kır, b u d a antim addedir. B u derin hak ik ati ilk a n lay an sa Paul Dirac olm uştur. H areketin klasik k an u n ları 300 yıldan u z u n za­ m an önce Isaac Newton tarafın d an keşfedilm işti. Önce Newton’m eylemsizlik k a n u n u gelir: cisim ler “tem bel”dir, bir şey değişiklik getirm ezse cisim ler d u rd u k ları gibi d u ­ ru la r veya sabit hızla h arek e t ederler. M iskin d u ru m la ­ rın d an çıkarılm ak veya istikrarlı h areketlerinin değişm esi k o n u su n d a bir isteksizliği vardır cisimlerin: Deneyim bize, bir yaprağı harek et ettirm enin bir k u rş u n kitlesini h a re ­ ket ettirm ekten d a h a kolay o lduğunu gösterir. Newton, b u

M addi D ünya • 37

iki cism e aynı m ik tard a kuvvet uygulandığında, b u n la rın birbirinden farklı ivmelerinin, onların içindeki eylemsizli­ ğin yani kütlelerinin ölçüsü olacağını ileri sü rm ü ştü r. B abam ın sorduğu ilk bilm ecenin a n a k arak teri olan yerinden kım ıldayam ayan cisim, so n su z bir kütleye sahip olm ak d u ru m d a olacaktır. Sonsuz kütleye sah ip olm ak ise, en azından Newton’m m ekaniğinde m ü m k ü n değildir, zira evrendeki hiçbir kütle, elbette araların d a m uazzam olanlar v arsa da, sonsuz olamaz. Gelgelelim, E instein gö­ relilik kuram ıyla d ü n y a g ö rü şü m ü zü b a ş ta n yazdığında, uzay katlanıp zam an çarpıtırken, b ir şeyin so n su z kütleye sahip olm ası ve ivmeye so n u n a k a d a r direnç gösterebil­ m esi fikri bir gerçekliğe d ö n ü ştü . Eğer bir cisim hareketsizse ve siz bir saniye boyunca ona kuvvet uygularsanız, cism in hızı bir m ik tar artacak tır, diyelim saniyede 10 m etre olacaktır. Şimdi aynı m ik tard a kuvveti bir d a h a uygulayın. Newton’a ve g ü n lü k tecrü b e­ lerimize göre hız yine saniyede 10 m etre artacak tır. B u n u tek rarlarsan ız cisim sınırsızca hızlanacaktır. F akat E instein der ki eğer hızın değişim ini çok h a s ­ sas bir şekilde ölçerseniz, cisim d u rağ an haldeyken kuv­ vet uygulandığında saniyede 10 m etre hıza yükselm iş ol­ m akla beraber, bir sonraki itm ede saniyede 10 m etreden birazcık d a h a az hızlanacak ve d a h a hızlı gittikçe de ivme k azanm ası giderek zorlaşacaktır. Eğer cisim ışık hızına yakın bir hızla h arek et ediyor olsaydı, kuvvet u y g u lan m a­ sı cism in hızını hem en hem en hiç değiştirm eyecekti. N ewton’m k an u n ları h arek etin tam k a n u n la rın a m ü ­ kem m el bir yaklaşıklık gösterir, yeter ki ışık hızına kıyasla yavaş h arek e t eden cisim leri ele alıyor olalım. Işık saniye­ de 300 bin kilom etre hızla aktığı için Newton’m k an u n ları g ü n lü k ilişkilerde son derece doğru so n u çlar verir; ancak eğer ışık hızına yüzde 1’den az farkla y ak laşa n hızların söz k o n u su olduğu bir p arçacık hızlandırıcısındaki elektron­ ların davranışlarıyla ilgileniyorsanız, doğruya d a h a yakın olan E instein tanım ını k u llanm anız gerekir. E in stein ’m görelilik k u ram ın d a b ir cisim d a h a hızlı

38 • A n tim a d d e

seyrettikçe, kütlesi de giderek büyür. Cisim ışık hızına yaklaşırken kütlesi de çok hızlı b üyür, b u d a cism i ivme kazanm aya her an bir öncekinden d a h a dirençli hale geti­ rir. Sonuç olarak, ışık hızına u laşm ay a çalışırken kü tle de so n su za ulaşır. Dolayısıyla, kütlesi olan bir nesneyi ışık hızına u la ştırm ak im kânsızdır; ışık hızıyla seyredebilenler sadece kütlesi olm ayan şeylerdir, tıpkı ışığın kendisi gibi! Eylemsizliğin hız ile birlikte değiştiği d ü şü n cesi “sağ­ du y u m u za” aykırı gelse de, y ü k sek enerjili parçacıklarla çalışm aktan yıllar boyunca edinilen tecrü b en in de gös­ terdiği üzere doğrudur bu. M adde parçacıkları CERN gibi laboratuvarlarda, k arşı yönden gelen an tim ad d e dem etle­ riyle b u lu şm a k üzere pistte hızla yol alırken zam anlam a kritik önem dedir ve parçacıkların tam zam an ın d a gelmesi için göreliliğin yardım ını alm ak gerekir. B u n u n bir anlam ı şu d u r: Enerji ile h arek et a rasın d a Newton’d an b u y a n a bilinen ve k u a n tu m m ekaniğinin ön­ cüleri tarafın d an d a doğru olduğu varsayılan, atom ların ve elektronların davranışını açık lam ak ta ilk b a ş ta başarılı olan ilişki, san ılan d an d a h a İnceliklidir aslında. E in stein ’m görelilik k u ram ın d an çıkan şaşırtıcı ve çok şeyi etkileyen so n u çlard an biri, d u rağ an bir n esn e­ n in bile enerjiye sahip olm asıdır, enerji nesneyi o lu ştu ­ ra n atom ların içine kapatılm ıştır. B u enerjinin m iktarı, E in stein ’m m e şh u r denklem i E = mc2’deki “E”dir; b u ra d a m kütle m iktarı c ise ışık hızıdır. Enerji m addenin içinde gizlidir, sabit du ru y o r olsa bile. H areket eden bir cism in toplam enerjisinin h esab ın ı tu ta rk e n cism in kinetik enerjisinin de işe katılm ası ge­ rekir. Bu k o n u d a doğal tah m in , kinetik enerjiyi cism in kütlesinde b u lu n a n enerjiye (mc2) eklem ekten ibarettir. Doğru bir tah m in o lurdu bu, h arek et ederken n esn en in kütlesi m’n in artm ası, dolayısıyla mc2’n in b ü y ü k lü ğ ü n ü n de değişm esi hariç. B ü tü n b u n la rı çözmek zor bir iş oldu am a h arek e t eden bir n esn en in toplam enerjisi E’n in ne o lduğunun epey b asit bir cevabı olduğu ortaya çıktı so­ n u n d a. Önce h arek et enerjisinin karesini, n esn en in kütle-

Maddi D ünya • 39

E

^—

pc

mc2

Şekil 2: Einstein, enerji ve Pisagor teoremi. Einstein’ın görelilik kuramında hareket halindeki bir cismin enerji miktarı E, tabanı bu cismin duran haldeki enerjisinin büyüklüğüyle (mc2) orantılı olan bir diküçgenin hipotenüsünün karesinin alanıyla ve cismin, momentum ve ışık hızının çarpımıyla orantılı olan hareket enerjisi pc’yle orantılıdır.

sindeki enerjinin, mc2’n in karesiyle topluyorsunuz; b u n u yaptınız mı elde ettiğiniz so n u cu n k arek ö k ü aradığınız cevaptır. Dolayısıyla, m esela d u ra n haldeyken enerjisi 4 ju lse ve h arek et b u n a 3 ju l d a h a ekleniyorsa, toplam en er­ ji 5 ju ld ü r (3 kere 3, 4 kere 4, b u n la rın toplam ı 25 eder; 25 de 5 kere 5 dem ektir.) B u toplam ı görsel olarak tasvir etm ek için (ayrıca bkz. Şekil 2) dik açılı bir üçgen çizelim, b u n u n ken arların ın u zu n lu k ları çeşitli enerji m iktarlarıyla orantılı olsun. Ta­ ban, n esn en in kütlesin d e içerdiği enerjiyi, mc2’yi tem sil ediyor. Dik k en arın u zu n lu ğ u y sa kinetik enerjiyle o ran ­ tılı4. B u n a göre h ip o ten ü sü n u zu n lu ğ u d a cism in toplam 4 B u ra d a d a h a k e sin m a te m a tik iste rsen iz , b u k e n a r e s a s e n cism in m o-

40 • A n tim a d d e

enerjisiyle orantılı olur. “H ip o ten ü sü n k aresi diğer iki ke­ n arın karelerinin toplam ına eşittir” diyen eski ku ralı h a ­ tırlayarak, kütlesi olan ve h arek e t eden b ir cism in toplam enerjisi E’yi b asit bir h esap la buluyoruz: toplam enerjinin karesi, kütlede içerilen enerji m c2’n in karesin in , h arek et enerjisinin karesiyle toplam ına eşittir. E in stein ’m görelilik k u ram ın ın enerjinin doğasına dair getirdiği sonuçlar o lağ an ü stü . Birincisi, kü tlesi olan, d u ru r haldeki cisim ler içlerine kapatılm ış m c2 m ik tarın d a enerji içeriyorlar. İkincisi, kü tlesi olm ayan bir cisim, m e­ sela ışık hızıyla harek et eden bir foton d a harek etin d en dolayı enerjiye sahip oluyor. Toplam enerji k o ru n d u ğ u için, bir ışık dem etindeki enerjinin m addenin içine hapsolm uş enerjiye dönüşm esi m ü m k ü n oluyor. Peki am a, hiç elektrik y ü k ü olm ayan bir ışık esinti­ siyle nasıl oluyor d a negatif elektrikle y ü k lü bir elektron çıkıyor? D oğanın iki m adde tü r ü işte b u n o k ta d a giriyor işin içine. Negatif y ü k lü elektronun, pozitron adı verilmiş bir de pozitif yüklü biçimi var. Fotonun, yani bir ışık p a r­ çacığının enerjisi, birbirini tam am lay an b u iki m adde p a r­ çasının içinde sıkışm ış yatıyor. Bu işlem in tersi de m ü m ­ kün: bir elektronla bir pozitron birbirini yok edebiliyor, b u n la rın h er birinin enerjisini, o yok oluş sah n esin d en ışık hızıyla kaçıp giden fotonlar alıp götürüyor. Işık enerjinin en saf halidir ve m addenin saf enerjiden ortaya çıkışının, neredeyse ku tsal, m uazzam bir etkisi var. M addenin negatif g ö rü n tü sü olan antim adde üzerinden, yaratılışın tanrılarıyla tem as ediyoruz. B urada, evrenin B üyük P atlam a’y la nasıl o lu ştu ğ u n u görmeye başlıyoruz. Zıtlıklarıyla birbirini dengeleyen m adde ve antim adde p a r­ çalarının içinde donan yoğun ısı ve ışık. Enerjinin doğasına dair çok önemli sonuçlarıyla E instein’m görelilik kuram ı, m e n tu m u n u n verdiği en erji ile ışık h ızın ın çarp ım ın ı te m sil ediyor: m o m e n tu m u p sem bolüyle, ışık h ızın ı d a c ile g ö ste rm e k a d e tte n d ir, dolayısıyla b u n la r ın ça rp ım ı p c ’dir. B u n a göre h ip o te n ü s ü n u z u n lu ğ u n e s n e n in to p la m enerjisid ir, E 2 = (m c2)2 + (pc)2.

M addi D ünya * 4 1

zam anın başlangıcında m addenin nasıl ortaya çıktığını açıklıyor. K uram ın temel p arçaların d an biri, m addenin bir ayna g ö rü n tü sü olması, yani antim adde fikri. Görelilik enerji hesaplarını açıklar am a, doğanın b ü tü n g ü cü n ü n ortaya konm ası göreliliğin k u a n tu m mekaniğiyle bir a ra d a kullanılm asıyla m üm kün. A ntim adde fikri, yirm inci yüzyı­ lın b u iki büy ü k ku ram ın ın birleşimiyle ortaya çıkacaktı.

TAŞTAN TABLETLER

PAUL DIRAC îlk gençliğimde, bilime o d ak lan m ad an önce, Peterborou g h ’daki k ü tü p h a n ed e ne v arsa okuyan iştahlı bir o k u r­ dum . İki haftaya k a d a r sizde kalabilecek olan kitapları ödünç alırken k ü tü p h a n eci k itabın kap ağ ın a yerleştirilen bir k artın ü s tü n e iade tarih in i dam gayla b asardı. Bazı k itap lar o k a d a r sevilmişti ki kapağın içindeki cep, ü s ­ tü n d e n ta rih dam gaları ta ş a n k artlarla dopdolu olurdu ve am azon.com öncesindeki o günlerde bir k itab ın iyi ol­ d u ğ u n u n en em in göstergesi b u kayıttı. Hangi kitabı ala­ cağınıza k a ra r verm enin bir kriteriydi b u , fak at bir sü re so n ra herkesin o k u d u ğ u k itapları o k u m ak tan sıkılm aya başladım ve hangi k itap ların en az o k u n d u ğ u n u m erak ettim . Pek çok kitap sadece bir-iki kez ödünç verilmişti, am a b u n u n nedeni k ü tü p h a n e n in onları yakın zam an d a satın alm ış olmasıydı çoğu kez, fakat nihayet, sadece bir kez, o d a yıllar önce seçilmiş bir kitap buldum . Kitabı alan ikinci kişi ben oldum , sadece önsözün ilk paragraflarını o k um akla kalm ış olduysam da. “Ortogonalite” (dikgenlik) diye bir şeyden b ah sed ip d u ruyordu, b u n u n ne olduğunu anlam ıyordum , kitabın k o n u s u n u n ne olduğunu babam d a açıklayam adı. H ayatın h a tırlan a n an ların d an biriydi b u an, in san ın an n e-b ab asın ın ilk kez bir soruya gerçekten hiç cevap veremediği an; besbelli ki b u kitap özel bir kitaptı.

Taştan Tabletler • 43

On sene sonra, teorik fizik lisan s öğrenciliğimin son yılında o kitapla te k ra r karşılaştım . Bu kez çoğunu a n ­ layabiliyordum , am a h âlâ cidden zorlanıyordum . Kitap The Principles o f Q uantum M echanics (K uantum M eka­ niğinin Esasları), yazarı d a Cam bridge Ü niversitesi’n d en m atem atikçi Paul D irac’tı ve artık biliyordum ki sadece babam la ben değil, hem en hem en herkes zorlanm ıştı b u kitabın 1930’d a yayım lanan ilk versiyonundaki tezleri takip etm ekte. Yetmiş yıldan u z u n zam andır k u a n tu m m ekaniğini anlam aya çalışan h er ciddi ilgilinin klasik ders kitabı olan, b u k itabın yeni b a ş ta n yazılıp 1935’te yayım lanan ikinci versiyonudur, am a b u n u n d a pek ko­ lay o k u n d u ğ u söylenemez. Kitap m antığın özlü ifadesinin bir örneği; m atem atik denklem leriyle dolu, aray a açıkla­ yıcı m etinler serpiştirilm iş, Dirac b u yazılarda fiziğe kendi devrimci yaklaşım ını tarif ediyor ve an tim ad d en in en b asit parçacığı olan pozitronu öngören, adını kâşifinden alan o denklem de b u k itap ta yer alıyor.1 A ntim adde d ü n y asın a dair ilk işaret deneyden gelme­ di, tesadüfi bir keşiften gelmedi, D irac’m kendi denklem ­ lerinde gördüğü güzel desenlerden çıktı. Portedeki çeyrek notaların, ikiliklerin ve on altılıkların sim geden b a şk a bir şey değilken bir m aestro tarafın d an yorum lanıp o lağ an ü s­ tü bir melodiye dönü ştü rü leb ilm esi gibi, çorak denklem ler de doğanın içindeki u y u m u mucizevi bir şekilde ortaya çıkarabilirler. D irac’ın m ü th iş b ir u s ta olduğu alan, m a­ tem atiğin diliydi. 1995’te, bilim in san ların ın en büyüğü olan Isaac N ewton’m m ezarının bitişiğinde D irac ad ın a di­ kilen ta ş W estm inster Kilisesi’nde açıldığında (bkz. Şekil 3), ü s tü n d e o n u n m e şh u r denklem i görüldü, antidünyayı ta n ıta n denklem . B u sim gelerin ne an lam a geldiğini bil-

1 B ir so n ra k i tatilim d e P e te rb o ro u g h k ü tü p h a n e s in e gittim ve o n sen e önce aldığım o k ita b ı y ine b u ld u m . B u n u n o z a m a n k i k ita p o ld u ğ u n u d o ğ ru la d ık ta n s o n ra k a p a ğ ın için d ek i ta r ih d a m g a la rın a b a k tım . S a ­ dece iki d a m g a vardı, b iri de benim kiydi; o n c a yıl önce b u k ita b ı alm ış o lan diğer k işin in k im o ld u ğ u n u h iç ö ğrenem edim .

4 4 • A n tim a d d e

Ş ekil 3: Westminster Kilisesi’nde Dirac için dikilen ve üstüne onun denklemi yazı­ lan mezar taşı, y simgesi Ek 2: “Dirac Kodu” içinde tarif edilen “gama” matrislerini ifade ediyor.

meyen çoğu ziyaretçi için bile h am bir güzelliği var b u n u n . M atem atiğin hiyerogliflerini okum ayı bilenler için, Dirac denklem inin yaratıcılığı, gücü ve zarafeti S hakespeare ve B eethoven’in eserleriyle y arışır düzeydedir. iy ■dip

=

mıp

Paul D irac’m b ab ası İsviçreliydi, B ristol’e yerleşm iş, orada dil öğretiyordu. D iraclann evinde F ransızca ve İn­ gilizce eşit yer tu tu y o rd u ve Paul iki dilli olarak yetiştiril­ di, am a ikisinde de sıradışı derecede s u sk u n d u . D irac’m dili tu tu m lu k u llan m asın a ve iletişim becerilerindeki eksiklerine dair hikâye boldur. B uradaki tu tu k lu ğ u , m a ­ tem atikteki m uazzam kabiliyetiyle tezat olu ştu ru y o rd u .

Taştan Tabletler • 45

D irac’ın m atem atik b akım ından çok p arlak ve an lam sal olarak kesinlik taşıyan dersleri, k o n u n u n uzm an ların ın bile gözünü k o rk u tu rd u . Toronto Ü niversitesi’nde verdiği bir ders sırasın d a dinleyicilerden biri kib arca “ta h tad ak i o form ülü nasıl çıkardığınızı anlayam adım ” dedi. U zun bir sessizlik oldu. Dirac, an cak o tu ru m b aşk an ı tarafın d an bir cevap vermeye davet edildikten so n ra “b u bir soru de­ ğildi; bir d u ru m bildiriyordu” dedi.2 Kolejde ak şam yemeği yenirken, sessiz m atem atikçinin y an m a o tu rm ak gibi k a r­ m aşık bir ayrıcalığa kim in sahip olacağı, nazik bir m esele olurdu h er zam an. Bir keresinde, rom ancı E. M. F o rster’ı m isafir ederken kolej b u ikisini birlikte o tu rtm ak gibi p a r­ lak bir fikir edindi; zira F orster d a so h b etten se yazılı keli­ m elerle d a h a ra h a ttı ve Dirac F o rste rin eserlerini hevesle okuyordu. A nlatılanlara göre, (ki b u n la r m uhtem elen u y ­ d u rm ad ır am a k arak terlerin özellikleri d ü şü n ü ld ü ğ ü n d e pekala doğru d a olabilir), o ak şam olaylar aşağıdaki şe­ kilde gelişti. Çorba ikram ı sırasın d a tek kelime edilmedi an cak an a yem ek su n u lu rk e n Dirac m asan ın ü s tü n e eğilip, F orster’m Passage to India eserini k a st ederek “M ağarada ne oldu?” diye sordu. D irac’m o ak şam a katkısı b u olacaktı. Forster D irac’m s o ru su n a kafa yordu am a sessiz kaldı. Yemeğe devam etti ve yine u z u n u z u n d ü şü n d ü . S o nu n d a tatlılar geldi ve F orster cevabını verdi: “Bilmiyorum.” Kişisel iletişim de pek sınırlı kalm ak la beraber, Forster gibi D irac d a kendini yazılı simgelerle ifade ediyordu. 1928 tarihli, k u a n tu m k u ra m ın a d air görüşleri bir aray a getirip b u n ları asrın diğer b ü y ü k şaheseriyle, E in stein ’m özel gö­ relilik kuram ıyla k ay n aştıran b ü y ü k eserinde D irac yep­ yeni bir m atem atik dili b u ldu. O günlerde tuhaf, acayip görünen b u dil b u g ü n teorik fizik öğrencilerinin sta n d a rt eğitim inin bir p arçası ve b u konuyu çalışan herkes ta ra ­ fından kullanılıyor. 2 The L ongm an Literary C om panion to Science, L ongm an, H arlow , 1989, s. 170; a k ta ra n : P. C oveney ve R. H ighfield, The A rrow o f Time.

4 6 • A n tim a d d e

BİR ALANA BİR BEDAVA H areketin bilim idir m ekanik. Zam an geçerken bir şeylerin b ir n o k ta d an diğerine nasıl h arek et ettiğini tanım lar, her saniye alm an m esafe ne k a d a r büyükse hız d a o k ad ar fazladır. H areket eden b ir şey size ç a rp a rsa b u n u n etki­ si sadece ne k ad ar hızlı seyrettiğine değil, ne k a d a r çok kütlesi olduğuna d a bağlıdır. Önemli olan m om entum dur: kütle ile hızın çarpım ı. M ekanik, enerjiyi de ele alır, özel­ likle de h arek etten k ay n ak lan an ı, yani “kinetik enerji”yi. G ündelik tecrübem izde b u enerji hızın karesiyle o ran tı­ lı olarak büyür: ten iste hızlı servis atm ak b u yüzden b u k a d a r zordur -hızı iki k a tm a çıkarm ak için to p a d ört k a t d a h a fazla enerji verm eniz gerekir. Bir parçacığın hem k o n u m u n u hem de m om entum u n u kesin olarak bilemezsiniz, am a görülebilecek k a ­ d ar b ü y ü k olan, m ilyonlarca, m ilyonlarca ato m d an olu­ şan nesnelerle uğ raşırk en b u belirsizliğin oranı o k ad ar k ü ç ü c ü k tü r ki ölçüm dışı kalır. Lâkin atom lar ve onları o lu ştu ra n parçacıklar gibi çok k ü çü k şeyler söz k o n u su olduğunda b u “bilinem ezlik” çok kuvvetlenir. B u belirsiz­ liği h e sa b a k atm ak için norm al m ekaniğin kuralların ın dikkatle yeniden yazılm ası gerekti; b u n u n so n u cu d a Ku­ an tu m M ekaniği dediğimiz şeyin ortaya çıkm ası oldu. Normal m ekanikle o rtak olarak, k u a n tu m m ekaniği denklem leri de eskisi gibi enerjiyi, m om entum u, zam anı ve k o n u m u ele alır. Bir parçacığın enerjisinin, k ü tlesin in ve m o m en tu m u n u n birbiriyle arasın d ak i ilişkiyi bildiğiniz sürece k u a n tu m denklem leri h erh an g i b ir d u ru m d a ne olacağını hesaplam anızı sağlayacaktır. Mesele o ilişkiyi tanım lam aktır. K uantum m efhum u, yani ışık dalgalarının foton de­ n en parçacıklar şeklinde h arek e t etm esi ve elektron gibi parçacıkların dalgaya benzer özellikler taşım ası d ü şü n c e ­ si yirm inci yüzyılın b aşların d a ortaya çıkm ıştı. A ncak k u ­ an tu m m ekaniğinin denklem leri b u lu n a n a k a d a r çeyrek yüzyıl geçti.

Taştan Tabletler • 47

Erwin Schrödinger 1926’d a yavaş h arek et eden p a r­ çacıklar için çözdü b u işi, “yavaş h arek et eden” derken, ışık hızına kıyasla yavaş yani. “Schrödinger D enklem i” atom lardaki elektro n lan n davranışını açıkladı ve h id ro ­ je n a to m u n d a elektronun saniyede y aklaşık iki b in kilo­ m etre hızla harek et ettiğini gösterdi. Bizim algımız için y üksek olan b u hız, ışık hızının yüzde b irinden azdır. Schrödinger’in k uram ı doğru çıktı ve b u g ü n de atom fizi­ ğindeki problem leri çözerken yaygınlıkla kullanılıyor. Schrödinger denklem i atom lardaki elektronların yö­ rüngesel hareketlerinin neden tayf çizgilerinin m anyetik alanlarda çoğalm asına neden o lduğunu d a açıkladı. Ancak elektronun kendine ait “spin”ine dair hiçbir açıklam a y ap ­ mıyordu. E lektronun bu bilinen özelliğinin Schrödinger k u ram ın d a yeri yoktu. Spini de k ap say an ve göreli hızlara uygulanabilen d a h a tam am lanm ış bir k u a n tu m m ekaniği, bulunm ayı beklem ekteydi henüz. B uradaki zorluklar, E in stein ’m görelilik k u ram ın d a enerjinin doğasının nazik olm asından başlıyor. Kütlesi olan bir cism in, d u ru rk e n bile, onu o lu ştu ra n atom ların içinde hap so lm u ş halde enerji (E = mc2) taşıdığını ve h a re ­ ket ederken b u n u n y an ısıra kinetik enerjisi de olduğunu hatırlayın. 39. sayfada gördüğüm üz gibi, toplam enerji, Pisagor’u n diküçgen için verdiği k u ra la paralel şekilde b u ­ lu n u r, “h ip o ten ü sü n k aresi diğer iki k en arın karelerinin toplam ına eşittir”. H areket halindeki kütleli b ir cisimde, toplam enerjinin k aresi (E2), d u ra n haldeyken sahip oldu­ ğu enerjinin karesinin, h arek etin verdiği enerjinin k are­ siyle toplam ına eşittir. O scar Klein, E 2’yi. ve E in stein ’m “h ip o ten ü s” ilişkisini (bağıntısını) k u llan arak S chrödinger’in k u ram ım genel­ leştirm eyi denedi. 25’in k arek ö k ü +5 de, -5 de olabileceği gibi, E 2’n in karek ö k ü pozitif de negatif de olabilir. Üçge­ nin h ip o te n ü sü n ü n u zu n lu ğ u negatif değil pozitif olduğu için, E in stein ’m Pisagor bağıntısının izin verir göründüğü negatif enerji çözüm üne, su n i b ir d u ru m m uam elesi ya­ pılıyor, fakat in sa n la r yine de negatif enerji çö zü m ü n ü n

48 • A n tim a d d e

m ü m k ü n olm asından h u z u rsu zlu k duyuyordu. Mesele, orijinal denklem in enerji m iktarının karesi için yazılmış olm asından kaynaklanıyordu. Dirac kendini E 2 yerine E ile en b a şta n sın ırlan d ırarak b u açm azdan kaçınm aya k a ra r verdi. Bu, kalkışılm ası doğal, am a yapm ası o k a d a r d a ko­ lay olm ayan bir şeydi. D irac’m elindeki problem , hipote­ n ü s ü n u zu n lu ğ u (enerji E) ile diğer iki k en arın u z u n lu k ­ ları (durm a halindeki enerji m c2, kinetik enerji) arasın d a, b u n la rın h e r birinin bir kere kullanıldığı, karelerinin alın­ madığı bir bağıntının yazılmasıydı. B u n u tem el alan bir k u a n tu m m ekaniği k u rm ak la h e r şey yerli yerine o tu rd u . H esabının tu tm ası için D irac’m birbiriyle çarpıldığın­ da 0 eden, fakat her birinin kendi k aresi 1 eden iki m eblağ bulm ası gerekiyordu. B u elbette im kânsızdır. Ç arpım ın 0 olm ası için sayılardan birinin 0 olm ası gerekir, o zam an o sayının k aresi de 1 değil 0 olacaktır. D aha önce değilse b u noktaya geldiğinde, b u n u n im kânsız bir iş old u ğ u n a ik n a olarak pes ederdi pek çok insan. F akat b u n u yap m an ın akıllıca bir yolu var ve işte o yolu d a Dirac buldu. Problemi halletm ek için D irac’m k u l­ landığı m atem atik n u m a ra sın ı m erak ediyorsanız kitabın so n u n d ak i “Dirac Kodu” isim li ek bölüm e bakabilirsiniz. Eğer o iki m eblağ birer sayı ise, b u n u n im kânsız bir iş olduğunu, am a eğer m atris denen “iki boyutlu sayılar”sa so ru n u n çözülebileceğini hem en anladı Dirac. M atris, iki s ü tu n d a n oluşan ve h e r s ü tu n d a iki sayı yer alan bir düzendir. M atem atikçiler m atrisleri to plam anın ve çarp ­ m anın kurallarını çıkardılar ve m ühendislikte, elektrikte ve m anyetizm ada pek çok d u ru m d a yapılan h esap la rd a b u n la r kullanılıyor. M atrislerin, D irac’m elindeki gizemi çözm enin an a h ta rı olan ilginç bir özelliği var: Eğer iki m atrisi a x fe sırasıyla çarp arsan ız alacağınız cevabın, aynı şeyi ters sırayla, b x a şeklinde yaptığınızda alacağınız so­ n u çla aynı olm ası şa rt değildir, ilk b ak ışta tu h a f gelebilir bu, an ca k sıranın fark ettiği p ek çok örnek vardır. Dolayısıyla, D irac’m aradığı iki nicelik, a ve b, eğer

Taştan Tabletler • 49

sola doğru 90°

yukarıdan öne doğru 90°

Şekil 4: Bir zarın önce sola doğru 90 derece, ardından yukarıdan öne doğru 90 dere­ ce döndürülmesiyle gelen yüz, bu sıra tersine çevrildiğinde bulunan yüzden farklıdır.

m atris iseler b u so ru n u çözebilirler, a2 = 1; b2 = l ’i onlar sağlayabilirler. Ayrıca a x b sıfır olmadığı, b x a d a sıfır olmadığı halde, b u n ların toplam ı a x b + b x a = 0 olabilir. M atrisler k u llan arak , bir n esn en in toplam enerjisini o n u n d ü ra n haldeki enerjisiyle h arek et halin d en gelen enerji­ sinin toplam ıyla ilişkilendirebilen ve E in stein ’m görelilik kuram ıyla tam am en tu tarlı olan bir denklem yazabildi Dirac. M atrislerin bir şey d ö n düğü zam an ne o lduğunu açıklıyor olm ası b u denklem in b o n u su y d u ; zira m atem a­ tik, elektronun kendisinin de dönebileceğini söylüyordu: yani spin yapabileceğini! D ahası, D irac’m b u m atem ati­ ği tek bir sayının yerine iki s ü tu n d a k i çiftlerin geçtiği en b asit m atrislerle çözebilmiş olm ası, spinin b ir “iki-liği” olduğunu im a ediyor, b u d a Zeem an etkisiyle bire bir örtü şü y o rd u (s. 35). Schrödinger k u ram ın ın eksik parçası, m atrislerin m atem atiğinden m ucize gibi çıkıyordu; b u m atem atiği D irac’a d ay atan d a E in stein ’m görelilik k u ra ­ m ının gerektirdikleriydi.

50 • A n tim a d d e

Bu b aşlıb aşın a b ü y ü k başarıydı am a D irac’a boşa üm itlendiğini d ü şü n d ü re n bir özelliği vardı denklem in. Pozitif enerjili ve negatif enerjili sonuçları gerçek k ab u l et­ tiğinde h er şey pek güzel işliyordu. B aşk a in sa n la r E 2’yle çalışırken ortaya çıkan negatif enerji problem inden k açın ­ m aya çalışırken, m atrisleri ku llan m ay a m ecb u r kalm ış ve elektron spinini de açıklam ıştı Dirac; fakat ironik olarak, negatif enerji çözüm leri de pozitif olanlar k a d a r m eşru m uam elesi görm ekte ısra r ediyordu b u açıklam ada. Bu iki çözüm setini y an y a n a getirm ek, elinde iki tan e “iki­ ye iki” m atris seti olm ası dem ekti. B u n u n so n u cu olarak, k uram ını b asit sayıların yerine h er birinde dört sayı olan dört s ü tu n d a n olu şan m atrisler k u llan arak yazm ak zo­ ru n d a kaldı. D ört s ü tu n lu b u m atrislere “y” (gama) m atrisi denir ve adını D irac’ta n alıp W estm inster Kilisesi’nde ta ş a k a ­ zınan o denklem deki sim gelerden birinin kaynağı b u d u r. G örünen o ki E in stein ’m k u ram ı ancak, elek tro n u n hem spini, hem de pozitif veya negatif enerjiye sahip olm a im kânı olunca sağlanabiliyordu. Dirac o negatif enerji gi­ zem inden kaçınm ak için çıktığı yolda onu kabullenm ek zorunda kalm ıştı. Bu ne an lam a geliyordu?

SONSUZ DENİZ A rabada gaz pedalına bastığınızda a ra b a hızlanır: h arek et enerjisi, yani “kinetik enerji” kazanır. Yoktan var olm uş değildir; b u enerji, benzinin yakılm asıyla elde edilir; bu işlem sırasın d a yakıtın içindeki enerji açığa çıkm ış ve a rab a n ın kazandığına eşit m ik tard a kinetik enerjiye dö­ n ü şm ü ştü r. Frene bastığınızda a ra b a yavaşlar; kinetik enerjisi azalm aktadır. B u rad a enerji o rtad a n kaybolm az, fren b alataların d a ve lastiklerde ısıya, eğer p atinaj y ap ar­ sanız belki biraz d a sese d ö n ü şü r. Nihayet, d u ru rsu n u z . Kinetik enerjiniz sıfırdır am a benzin d eponuzda kilitli ola­ rak halen, potansiyel olarak kullanabileceğiniz enerjiniz vardır. D eponuz boş d a olsa, arabanızı ve sizi o lu ştu ra n

Taştan Tabletler * 5 1

atom ların mc2’sinde donm uş halde bol m ik tard a enerji vardır ve arab an ıza kinetik enerji kazan d ırm ak için onu itm ek gibi b asit bir çareye b aşv u rd u ğ u n u zd a arab a y a kendi mc2’nizden bir p arça verm iş olursunuz. Sanayi to p lu m u n a g ü cü n ü veren, bir pozitif enerji tü rü n ü ötekiyle değiş to k u ş etm ektir. G ü n lü k hayatım ız içinde negatif enerjiye dair hiçbir iz yok, o zam an elektron için negatif enerji çözüm leri ne dem ek? E lektronlar negatif enerjiye sah ip olabilse, m addenin içindeki elektronların negatif enerji d u ru m ların d an biri­ ne inerek enerjilerini kendi kendilerine azaltabilm elerini beklerdik. B u d a m addeyi k ararsız hale getirirdi, dolayı­ sıyla var oluşum uz bile D irac’m elektron k u ram ın ın yanlış olduğunu d ü şü n d ü re n bir k an ıttı başlı b aşın a, öyle bir negatif enerji ihtim ali olamazdı. Dirac m ü th iş bir şey y ap ­ tı: negatif enerji d u ru m ların ı y orum lam ak için m addenin k ararlı olduğu gerçeğini kullandı! B u n u nasıl yaptığını a n ­ lam aya b aşlam ak için, atom ik elem entler ara sın d a b u lu ­ n an , Rus D m itri M endeleev’in keşfedip, yaptığı “Periyodik Cetvel”e kodladığı m ü th iş düzenliliği tanım am ız lazım. Bazı elem entler özellikleri bakım ından birbirlerine epey benzerler; b ü tü n elem entleri atom kütlelerinin artışı­ n a göre sıraladığım ızda “periyodik” (düzenli) olarak tek rar eder b u benzerlikler. Periyodik olarak te k ra r eden özellik­ lere bazı örnekler, helyum , neon ve argon gazlarının kim ­ yasal asallığı [yani b a şk a elem entlerle hem en hiç reak si­ yona girmemeleri], sodyum ve m agnezyum gibi m etallerin suyu sevmesi, ve çok reaktif elem entler flor, klor ve iyotun hidrojene duydukları yakınlıkla asitleri oluşturm asıdır. Bu benzerlikler asırlardır biliniyordu. M endeleev’in Periyodik Cetvel'i benzerliklerin tek rarlam a düzenini ortaya koydu, am a benzerliğin açıklam asını y ap an k u a n tu m m ekaniğidir ve b u n u D irac’m ikilemini çözen bir şekilde yapar. B ü tü n atom lardaki elektronlar birbirinin aynıdır. Bir atom ik elem entle öteki arasın d ak i fark, ato m u n m erke­ zindeki çekirdeğin etrafın d a dönen elektronların (ve elbet­ te, çekirdekteki protonların) sayısıdır. G ördüğüm üz gibi

52 • A n tim a d d e

b u elektronlar kafalarının estiği yere gidemezler, b u n u n yerine k u a n tu m m ekaniğinin ku ralları elektronların se­ çim lerini belirli birkaç özel yolla, “k a u n tu m yollarıyla” sınırlı tu ta r. Atoma elektronlar eklendikçe, y an i elem ent­ lerin cetvelinde d a h a ilerilere gidildikçe, m ü m k ü n olan yollara dair desenler de düzenli bir döngü o lu ştu racak şekilde te k ra r eder; birbirini takip eden elem entler a ra ­ sın d a gözlenen periyodik benzerlik de böylece tekrarlanır. K uan tum m ekaniği b u n u , dışlam a ilkesi diye bilinen te ­ mel bir k a n u n u n so n u cu olarak açıklar. B u yüzden elekt­ ronlar k arp u z gibidir, bir k o ltu k ta iki k arp u z taşınm az, yani k u a n tu m m ekaniğinin k u ru diliyle: bir grup elektron v arsa b u n la rd a n iki tan esi aynı k u a n tu m k o n u m u n d a bulunam az. D enklem inin elektronların negatif enerjiye sahip ola­ bilm esi anlam ına geldiğini fark eden Dirac işte b u dışla­ m a ilkesini m uhteşem bir fikrin temeli olarak kullandı. V akum lu alan dediğimiz şeyin aslın d a boş olmadığını, dipsiz bir kuyu gibi olduğunu, h er basam ağı olası bir k u ­ an tu m seviyesine, yani elektronlar için d u ra k yerlerine tekabül eden bir m erdivenin aşağıya indiğini d ü şü n d ü . Bu m erdivenin en ü s t n o k tası sıfır enerjiye d en k gelir ve aşağıya inen h er bir b asam ak , elektronlar için m ü m k ü n negatif enerji konu m lan d ır. D irac’m sezdiği şey şuydu: eğer b ü tü n b u negatif enerji seviyeleri zaten doluysa, hiç­ bir elektron negatif enerji ç u k u ru n a düşem ez, dolayısıyla m adde kararlı halde kalır. B oşluk dediğimiz alan, rah atsız edilm edikçe fark edilmeyen düz ve derin bir deniz gibidir aslında. Dolu deniz ta b a n seviyesidir, b ü tü n enerjiler b u seviyeye göre belirlenir: D irac’m “deniz seviyesi” enerjinin sıfm m tanım lar. D irac’m vakum y o ru m u n a göre b u denizdeki bir elektron eksilm işse yerinde bir delik kalır. Deniz seviyesi­ ne göre negatif enerjiye sahip negatif y ü k lü bir elek tro n u n yokluğu, pozitif yüklü pozitif bir parçacık olarak görüne­ cektir, yani d a h a so n ra pozitron adı verilecek şeyin b ü tü n özelliklerini taşıyacaktır. Acayip bir fikirdi bu, k u a n tu m

Taştan Tabletler • 53

m ekaniği de seksen yıl so n ra h â lâ acayip b ir şey zaten; Dirac b u fikri ortaya attığ ın d a k u a n tu m m ekaniği d a h a bebeklik çağm daydı, fikir ise radikal bir d eh a örneğiydi. Negatif enerjili bir elektron nasıl olur yerinden oyna­ tılır da, vakum denizinde bir delik görülebilirdi? Cevap: enerji tem in ederek. Mesela yüksek enerjili gam a ışınıyla. Eğer gam a ışınının yeterince enerjisi varsa, negatif enerji d u ru m u n d ak i bir elektronu pozitif enerjili bir d u ru m a gön­ derebilir. B u n u n so n u cu n d a gam a ışını, hem pozitif enerjili bir elektron, hem de vakum olan yerde bir delik o lu ştu r­ m uş olacaktır. Delik hem negatif enerjinin eksikliğidir ve bu kendini pozitif enerji hali olarak gösterir, hem de negatif y ü k ü n eksikliğidir, b u d a pozitif y ü k olarak görünür. Neti­ cede gam a ışınının eneıjisi alışıldık bir negatif yüklü elekt­ rona ve yanında bir de pozitif y ü klü elektrona d ö n ü şm ü ş olur, ikisi de pozitif enerjiye sahiptir (bkz. Şekil 5).

POZİTİF ELEKTRON DA NE? D irac’m anti-elektron öngörüsü zam an ın d a çoğu kişiye bilim kurgu gibi geldi. O zam an a k a d a r bilinen p arçacık ­ lar elektron ve p ro to n d u ve m addenin tam am ı b u n la rla açıklanabilir gibi görünüyordu. D ahası b u n ların değiş­ mez olduğu d ü şü n ü y o rd u , oysa D irac’m k u ram ı m ad ­ denin b u tem el parçacıklarının iradi olarak yaratılıp yok edilebileceğini söylüyordu. Genel k ab u l gören am a h en ü z b ulu n m am ış olan, atom çekirdeğine cü sse ekleyip k a ra r­ lı olm asına k atk ıd a b u lu n a n nötron hariç, b a şk a p a rç a ­ cığa gerek yoktu, b u n u isteyen de yoktu. Kozmik ışınlar alanındaki keşifler ve p arçacık hızlandırıcıları sayesinde fan tastik isim leri olan acayip parçacıkların p ıtrak gibi çoğaldığı günlere d a h a çok vardı. 1928’de parçacıkların tasviri basitti: m adde negatif y ü k lü elektronlardan ve po­ zitif pro to n lard an oluşur. N ispeten ra h a t olan b u d ü n y a g örü şünde an tielek tro n a yer yoktu. K uram ım ın y ayım lanm asından so n rak i aylar boyun-

54 • A n tim a d d e

0 E =0

(c)

(d) E >0

Şekil 5: Vakum, negatif sonsuzluktan bir maksimuma doğru giden enerji seviyele­ rinden oluşan sonsuz derinlikte bir denizle doludur. Bu konfigürasyonu, en az enerji seviyesini, sıfır diye tanımlıyoruz. Vakuma göre pozitif enerjiye sahip bir elektron, yukarıdaki siyah yuvarlaktır. Negatif enerjiye sahip bir eksiklik (beyaz yuvarlak) ne­ gatif yüke sahip olup, pozitif yüke sahip pozitif enerji gibi görünür. Dirac’ın elektro­ nun antiparçacığına dair resmi işte buydu: pozitron. Eğer bir negatif enerji durumu boşsa ve pozitif olan doluysa, bu pozitif enerjili bir elektron olabilir ve “delik” de pozitif enerjili bir pozitron olarak algılanır. Bu konfigürasyonu oluşturmak için vaku­ ma enerji eklemek gerekir. Bu enerji foton tarafından sunulabilir, foton böylece bir elektrona ve bir pozitrona dönüşmüş olur.

T aştan Tabletler • 55

ca yaptığı b ü tü n k o n u şm alard a D irac’a “nerede b u antielektron?” diye sordu in san lar. Bu so ru ların ard ın d an gergin k a h k a h a la r geliyordu ve Dirac so n u n d a bezdi b u n ­ lardan. Ç ağdaşları arasın d a, o n u n denklem ini çalışm ış olanların, söylediklerini anlayabilenlerin çok az sayıda ol­ m ası, b u “zekice” soruyu özellikle sinir bozucu kılıyordu. S o n u n d a Dirac, proton pozitif yüke sahip old u ğ u n a göre, pozitif yüküyle an tielek tro n u n belki de proton olabileceği­ ni öne sü rerek onların ö n ü n e geçmeye çalışır oldu. Böylece, D irac’m, sihirbazın şap k asın d an fırlayan tav şan m isali denklem inden çıkan pozitif y ü klü parçacık için aday olarak pro to n u gerçekten de ciddi ciddi d ü ş ü n ­ düğü şeklinde genel bir k a n a a t oluştu. M adde ile antim adde arasın d ak i derin sim etriden artık h ab erd a r olan m odern fizik için, p ro to n u n antielektron olarak görüle­ bilmesi, hele kütleleri ara sın d a iki bin k a t fark varken, a b s ü rt geliyor. B ugün hepsi çok açıkm ış gibi gelebilir, am a m addey­ le an tim ad d e arasın d a k i derin sim etriler b u g ü n 1928’dekinden çok d a h a iyi anlaşılıyor ve tarih çiler elektron ile p ro to n u n kütlesi arasın d ak i u y u m su zlu ğ u n o zam an d a b u g ü n gö rü n d ü ğ ü k a d a r bariz bir şekilde saçm a g ö rü n ü p görünm ediğini tartışıyorlar. M eşh u r bir Rus fizikçi ve D irac’m çağdaşı olan Pyotr K apitsa, D irac’m sessiz sak in k arak teri bir y an a, b u sözü ş a k a o larak söylediğini iddia etm işti. D irac’m am acı ardı ark ası kesilm eyen sorgucuları su stu rm a k , böylece incelikli fikrini açıklam a im kânı b u lm ak ve kütle m eselesini b ir “ayrıntı” olarak so n ray a b ırakm aktı sadece. D irac’m denklem i antim addeye giden yolu gösterdi, am a resm in tam am ını gören kişi, d a h a so n ra M anhattan atom bom bası projesinin lideri olarak ünlenecek Robert O ppenheim er oldu. O ppenheim er pozitif parçacığın proton olam ayacağını vurguladı, çü n k ü öyle olsaydı hidrojen ato ­ m u kendi kendini yok ederdi. E lektronun ve o n u n pozitif eşinin vak u m d an ortaya çıkabileceği anlam ın a gelen iddi­ alar tersinden de uygulanabilirdi: Filmi geri sarın, b u iki­

56 • A n tim a d d e

sinin birbirini ortad an kaldırıp gam a ışın m a dönüşm esini izlersiniz. Yani eğer pozitif parçacık proton olsa, hidrojen atom u an cak protonla elektronun birbiriyle k arşılaşm a­ m asıyla var olabilirdi. Yoksa sadece hidrojen değil, b ü tü n m addeler, bir ışık parlam ası içinde yok olur giderdi. D irac O ppenheim er’m getirdiği eleştirinin g ü cü n ü hem en anladı ve iddia ettiği pozitif elek tro n u n yepyeni bir şey olduğunu k ab u l etti. 1931’in Eylül ay ın d a vardı­ ğı so n u cu yayınladı: Delik “yeni tü r bir parçacıktır, de­ neysel fizik tarafın d an sap tan m am ıştır, kü tlesi ve y ü k ü elektronla aynıdır. B u parçacığa antielektron diyebiliriz.”3 Parçacığın çok önem li özelliği, alıştığımız negatif enerjili elektron tarafın d an patlatılıp im h a edilebilm esi ve b u n u n tam tersi olan diğer ihtim alde, sa f enerjiden birbirlerini yaratabilm eleri olacaktır. Kütleli proton b a m b a şk a b ir y aratık tı ve D irac d enkle­ mi b u n u n d a bir “an ti” eşi old u ğ u n u im a ediyordu. 1931’deki m akalesinde, k u ra m ın d a “pozitif ve negatif elektrik y ük a ra sın d a tam ve m ükem m el bir sim etri v ard ır” diye­ rek b u n u açıkça ifade etti Dirac. Tem kine çok k ü ç ü k bir yer b ırak arak , “eğer b u sim etri doğada gerçekten esassa, h e r tü r parçacığın y ü k ü n ü tersin e çevirm ek m ü m k ü n ol­ m alıdır” dedi. Böylece p ro to n u n negatif yrüklü, k ü tle sa h i­ bi bir ay n a g ö rü n tü sü n ü n , y an i an tip ro to n u n v ar olm ası gerektiğini de öngörm üş oluyordu. D irac’m h e r p arçacık tü rü için bir an tip arçacık eş b u lu n m ası gerektiği öngörü­ s ü b u g ü n tem el bir gerçeklik, evrenin d o k u s u n u n d erin ­ lerine geçmiş sim etrinin te z a h ü rü olarak k a b u l ediliyor. D irac’m birbirinin aynı elektronlardan o lu şan dipsiz deniz fikri “vak u m d an çıkagelen” b ü tü n elektronların n e­ den rasgele çeşitlenen im k ân lar içinde farklı farklı değil de birbiriyle tıpatıp aynı özellikler taşıdığını d a açıklıyor. Dirac ayrıca protonların denizi doldu rd u ğ u d ü şü n cesin i ortaya attı; b u g ü n b u n la rın d a h a tem el toh u m ları olan 3 P. A. M. D irac, Proc. Roy. Soc., E ylül 1931. A k taran : F ra se r, A ntim atter, s. 62.

Taştan Tabletler • 57

k u ark ların d a (kendileriyle 5. B ölüm ’de tanışacağız) d ış­ lam a ilkesini karşıladığını ve so n su z derinlikte bir denizi d o ld u rd u ğ u n u k ab u l ediyoruz. M addeleşm emize im kân veren parçacıkları ve an tip arçacık lan bize su n a n , D irac denizinin sonsuz derinlikteki deposudur. A ntim addenin k u ram ın d an b u kadar; gerçeklikten ne haber? Bir sonrak i durağım ız pozitronun hikâyesi.

4

KOZM İK BİR K EŞİF

B aşım ızdan binlerce m etre y u k arıd a atom altı p arçacık­ la rd a n oluşan y ü k sek enerjili sağ an ak lar ve uzaydan gelen gam a ışınları atm osferin ü s t k a tm a n ın a çarpıyor. Bu çarpışm alar b a şk a p arçacık selleri oluşuyor am a b u parçacıkların çoğu D ünya’n m yüzeyine v arm ad an havaya karışıyor, böylece yer seviyesine u la şa n radyasyon, gayet zararsız bir çisentiden ib aret oluyor. B u “kozm ik ışm lar”m , tanıdık elektronlar, p rotonlar ve atom çekirdeklerine ek olarak, d ü n y an ın d a h a önce bil­ mediği birtakım egzotik şeyler içerdiği b u lu n d u . Pozitron, elektronun pozitif y ü k lü antiparçacığı, işte böyle belli etti kendini. Hikâyeyi kısaca anlatalım . D aha 1923’te kozmik ışınların ilk fotoğraflarında pozitronların bıraktığı izler görülebiliyordu, am a o dönem de b u n u n böyle olduğunu anlam adı hiçkimse. A rdından, Paul D irac’ın 1928’de elekt­ ro n u n b u şekilde pozitif y ü k lü bir versiyonu olduğunu öngörm esinden son ra dört yıl içinde pozitron kozm ik ra d ­ yasyonun içinde b u lu n d u . îlk tepkiler, pozitronun dünya dışından gelme bir şey olduğu şeklindeydi, ta ki bilim in ­ sanları o n u n b u n ca zam andır d ü n y ad a da, bazı radyoaktif süreçlerin artıkların d an biri olarak üretilm ekte olduğunu keşfedene kadar. O nları kim senin fark etm em iş olm asının tek nedeni, pozitronlar için bizim kinin yabancı bir d ü n y a olması, b u ra d a hem en im h a edilivermeleriydi.

K ozm ik Bir K e şif • 59

POZİTRON UN KEŞFİ Pozitronlar D irac’ın k u ram ı çıkm adan beş sene önce gö­ rü lm ü ş, am a anlaşılam am ıştı. 1923’te L eningrad’d a Dmitriy S kobeltsm 1 gam a ışınlarını araştırıyor, onları g ö rü n ü r kılm ak için de sis odası kullanıyordu. J e t m otorlu u çak ların ardındaki b u h a r izlerini bilir­ siniz, gökyüzünde birkaç dak ik a kalıp uçağın h arek etin in kaydını s u n a n b u izler uçağın egzoz d u m a n ın d a yoğuşan ve u z u n ince bir b u lu t y a ra ta n k ü çü k su dam lacıklarından oluşur. Parçacık izlerinin g ö rü n tü sü n ü üretm eye y aray an ilk araç olan sis o d asın d a d a aynı ilke işler. Sis odası a s ­ lında, içinde d ü ş ü k basınçlı nem li hav a b u lu n a n cam dan bir k u tu d u r, havan ın birdenbire odacığa dolm asını sağ­ layan bir de p iston u vardır. H avanın girişiyle b erab er su b u h arı, yük lü parçacıklar ü s tü n d e yo ğ u şu r ve m in y atü r b u h a r izleriyle o parçacıkların varlığını ve h arek etin i belli eder. A stronom lar için teleskop neyse, yirm inci yüzyılın b aşın d a atom fizikçileri için sis odası oydu, norm al görü­ şü n ötesindeki şeyleri g ö rü n ü r kılıyordu. G am a ışınları izlerini doğrudan bırakm azlar, H. G. Wells’in görünm ez adam ı gibi kalabalığı itip k ak ara k eleverirler kendilerini. İşte Skobeltsm d a onları öyle y ak ala­ mayı planlam ıştı. G örünm ez gam a ışınları sis od asın d a elektronları atom lard an dışarı atacak , Skobeltsm elekt­ ronların izlerini görecekti ve b u izlerden gam a ışın ların a dair k an ıtlar toplam ayı um uyordu. Planı işledi, am a fazla iyi işledi. G am a ışın lan o k a d a r kuvvetlilerdi ki elektronlan gazdan dışarı atm ak la k alm a­ yıp, sis odasının d u v arların d an d a d ışa n fırlatıyorlar, b u d a S kobeltsm ’m yapm aya çalıştığı ölçüm leri etkiliyordu. S onra Skobeltsm akıllıca bir şey d ü şü n d ü , sis odasını b ü ­ yük bir m ıknatısın k u tu p ları a ra s ın a yerleştirerek iste n ­ meyen elektronlan o rtam d an sü p ü rd ü . Böylece b u lu tlar 1 R u sç a ism in T ü rk çe yazım ı için G ü n a y Ç e tao ’y a ve Ç evbir’e te ş e k k ü r ed erim —çev. notu.

60 • A n tim a d d e

incelm iş oldu ve d a h a n et gö rü n tü lerin oluşm ası hiç bek­ lenm eyen bir şey ortaya çıkardı: m anyetik kuvvetler sanki bazı “elektronları” “yanlış ta ra fa” yönlendiriyordu. Skobeltsm ’m gördüklerinin pozitron, y an i elektron­ ların pozitif yüklü “an ti” versiyonları old u ğu n u biliyoruz bugün, am a 1923’te böyle şeyler hiç tah m in edilmiyor­ du. Anorm al izler kafa karıştırıcıydı am a aynı zam an d a S kobeltsm ’m yapm aya çalıştığı iş bak ım ın d an dikkat d a ­ ğıtan şeylerdi. Yine de aklını kurcalam aktaydılar. Bu görüntülere dair hab erler bilim in san ların ın k a r­ deşlik çevresinde yayıldı ve beş yıl so n ra Skobeltsm b u n ­ ları C am bridge’de yapılacak u lu sla rarası bir k o n feran sta su n m ay a k a ra r verdi. H erkes o n u n k a d a r şaşkındı, am a kim se d u ru m a bir açıklam a getiremedi. Bu görüntüleri 1928’de Cam bridge’de su n u y o r olm ası ironikti, zira Dirac da, izleri m u h a k k ak “yanlış yöne giden elektronlar” gibi görünecek olan pozitronları, k u ram sal bir öngörü olarak aynı yerde ve aynı yılda ortaya atıyordu. Ancak, o dönem ­ de b u n u bilen birinin S kobeltsm ’m s u n u m u n a gelme ih ­ tim alini bırakın, kim se pozitronlarm var olm ası için bir neden görem ediğinden, b ü y ü k ödülü kaçırdı Skobeltsm .2 M anyetik alan elektrik y ü k lü p arçacıkların yolunu saptırır. O luşan eğrinin derecesi, hafif ve yavaş h arek et eden parçacıklar için, ağır ve hızlı olan lara n aza ran d ah a fazladır ve yönü y ü k ü n negatif mi pozitif mi old u ğ u n u gös­ terir, negatif parçacıklar b ir yöne, diyelim sola giderken, pozitif olanlar sağa döner. Ancak S kobeltsm ’m sis oda­ sın d a bazı izler düm düz geçiyor, ark aların d a düz çizgiler bırakıyordu. B unları b ırak an elektronlar o k a d a r hızlı gi­ diyorlardı ki m anyetik alan yollarını sap tıram ad a n çoktan 2 D irac 1928’in b irk aç aym ı k ıta A v ru p asm d a ve Sovyetler B irliği’n d e ge­ çirm iş o ld u ğ u için b u k o n fe ra n sa k atılm ış o lm ası p e k m ü m k ü n değil (bkz. G. Farm elo 2009). H er h a lü k â rd a , D irac m a te m a tik çi o ld u ğ u n d a n ve ç a lışm asın ın kozm ik ışın la r a la n ın d a b ir a n la m ı o ld u ğ u h e n ü z o rtay a çık m ad ığ ın d an , b u gelişm elerden m u h te m e le n h a b e ri olm am ıştı. D a h a ­ sı, S k o b eltsm ’m s u n u m u n u n kalıcı b ir etkisi olm ası, yapıldığı ta rih te n d a h a s o n ra a n la ş ıla n la rla ilgili olabilir. Bkz. D. W ilson (1983), s. 562.

K ozm ik Bir K e şif • 61

uzaklaşm ış oluyorlardı, hareketleri o dönem bilinen h e r tü rlü radyoaktivite veya gam a ışını kaynağının verebile­ ceğinden çok d a h a hızlıydı. O elektronlar aslın d a kozm ik ışınlar tarafın d an ato m u n d ışın a fırlatılıyordu. Skobeltsm o sırad a kendisi de anlam am ıştı b u n u am a bizzat kozm ik ışınlar tarafın d an bırakılan izleri gözlemleyen ilk kişiydi. İzlerin sadece elektronlardan değil pozitronlardan d a kay­ naklandığı neredeyse kesin, an ca k izler o n u n b u n u bilebi­ leceği k a d a r eğilmediğinden ve Skobeltsm d a b u işi takip etm ediğinden b ü y ü k ödülü bir kez d a h a kaçırdı. Pozitron u 1932’de, D irac’m ku ram ı o n u n varlığını öngördükten dört yıl sonra, çığır açıcı bir keşifle tespit etm ek ABDli Cari A nderson’a kaldı. C altech’ten (California Teknoloji E nstitüsü), elekt­ ro n u n y ü k ü n ü ölçtüğü için 1923’te Nobel Ö dülü almış olan Robert Millikan “kozmik ışın” adını koyan kişiydi ve dü n y a dışı kaynaklı radyasyonun nereden geldiğine dair kendi k u ram ların a sahipti. Kozmik ışınların gam a ışını, kendi ifadesiyle “yaratılışın doğum sancıları” olduğunu, b u ifadeyle ne k a st ettiği açık olm asa d a Skobeltsm ’m sis odasındaki izlerin b u n u kanıtladığını düşü n ü y o rd u . Işınların içinde ne olduğunu çıkarm ak için önce bu n ların eğilmesini, böylece yüklerini ve enerjilerini gösterm elerini sağlam ak, b u n u n içinse çok d a h a kuvvetli bir m ıknatıs gerekiyordu. M anyetik alan lar yeterince güçlü olduğunda en hızlı parçacıkların bile yönü sapardı. 1930’d a Millikan, kendi araştırm a öğrencisi Cari A nderson’a kozmik ışınla­ rın y ö n ü n ü sap tıracak k ad ar kuvvetli bir m ıknatıs yap m a­ sını önerdi. A nderson yakındaki havacılık la b o ra tu v an n d a ç a ­ lışan m ühendislerin yardım ıyla b u n u yaptı. Elde ettiği m anyetik alan lar Skobeltsm ’m k u llan d ık ların d an on k at d a h a güçlüydü ve b u d a h a güçlü düzenekle parçacıkların u ç u ş yollarını eğmeyi b aşard ı A nderson. Hayretle gördü ki kozm ik ışınlar, sayıları aşağı y u k arı eşit olan hem negatif hem pozitif parçacık lar içeriyordu. M illikan kozm ik ışınların gam a ışın ların d an o lu ştu ­

62 • A n tim a d d e

ğ u n a inandığından, ve gam a ışınları d a kendi b aşların a iz bırakm adığı için, o y ü k lü parçacıkların gam a ışınları tarafın d an atom ların d ışın a atılm ış old u ğ u n u d ü şü n d ü . O nun y o ru m u n a göre p arçacıkların negatif olanları elekt­ ron, pozitif olanları d a protondu. Gelgelelim A nderson’m çektiği fotoğraflardaki g ö rü n tü ler b u n a pek de uym uyor­ du. Elektron gibi hafif p arçacıklar ince, ufacık izler bı­ rakır, d a h a cüsseli olan protonların bıraktığı yoğun yol izlerinden epey farklıdır b u n lar. A nderson’m resim lerin­ deki izlerin hepsi elektron izine benziyordu, o d a böylece “yanlış yöne” sap an ların aşağı doğru giden pozitif y ü klü parçacıklara değil de yu k arı doğru giden elek tro n lara ait olabileceğini öne sü rd ü . Millikan b u fikri sevm edi ve koz­ m ik ışınların doğasına dair kendi önyargılarının çarpıttığı değerlendirm esiyle, izler kaim değil ince olm asına rağ­ m en, yine de aşağıya doğru giden pro to n lara ait oldukları k o n u s u n d a ısra r etti. A nderson, sis o d asın a odayı o rtasın d an k a t eden bir k u rş u n ta b a k a yerleştirerek tartışm ay a son verdi. P arça­ cık ta b a k a d a n geçince enerji kaybedecek, böylece ta b a ­ k ad an çıktığında y o lu n u n çizdiği eğri öncekinden d ah a d a r olacaktı. Böylece p arçacıkların aşağı doğru m u yukarı doğru m u gittiğini ta rtışm ay a gerek kalm ayacak, yükleri­ nin işareti de bir kerede, kesin olarak belirlenm iş olacaktı: aşağı gidenler pozitif, y u k arı gidenler negatif. Bu yöntem gerçekten de soruyu cevapladı ve Anders o n la Millikan’m ikisinin de yanıldığını gösterdi! İzler ne pozitif yüklü protonlara, ne de yukarı doğru giden elekt­ ro n lara aitti, aşağı doğru h arek et eden “pozitif elektronla­ rın ” izleriydi bunlar. Cevap en azından A nderson’ı tatm in etm işti, fakat d a h a so n ra göreceğimiz gibi, A nderson h o ca­ sı Millikan’ı ik n a etm ekte zorluk çekiyordu halen. A nderson’m ilk gördüğü p o zitronun h ak ik aten de yukarı doğru gidiyor olm ası ironiktir. B u n u n , b ir kozmik ışının k u rş u n levhanın altın d a k alan alan d a, h av ad a bir ato m a çarpıp b u n u n levhadan sekip içinden geçm esiy­ le y olunu şa şıra n bir p o zitronun izi olduğu ortaya çıktı.

Kozm ik Bir K e şif • 63

Şekil 6: Bir elektron ve bir pozitronun oluşumu. Yüksek enerjili bir kozmik ışın bir elektronu atomun dışına fırlatmış -görüntünün üst kısmından sol alta uza­ nan yumuşak eğimli yol bunun izi. Bir elektron ve bir pozitron oluşturmaya da yetecek enerji mevcut, görüntünün üst bölümünde, dar kıvrımların meydana getirdiği spiraller bunlara ait izler. Resmin alt kısmında bir elektron ve pozitron daha oluşup, ters dönmüş V izini bırakarak birbirlerinden a yrılm ışla r.

64 • A n tim a d d e

Olay A nderson’m kafasını b ü s b ü tü n karıştırdı, am a d ah a so n ra protondan açıkça çok d a h a hafif olan ve k u rş u n levhanın içinden aşağı inen ilk güzel pozitif parçacık ör­ neğini b uldu. Kısa sü re içinde b u n u n gibi y u k arıd an aşağı inen birkaç tan e d a h a “pozitif elektron” örneği yakaladı ve b u n u k am u o y u n a d u y u racak güveni kazandı. Science N ew s Letter’m editörü, Aralık 1931 say ısın d a b u iz fotoğ­ rafların d an birini yayım ladı ve “pozitron” adını ilk kez k u l­ landı. Pozitron o zam an d an beri pozitron diye biliniyor. 1931’de eldeki bilgi, m addenin ato m lard an o lu ştuğu ve atom m e n ü sü n ü n de b asit olduğuydu: bir elektronlar var bir de protonlar. Pozitronun b u ra d a yeri yoktu, o za­ m an b u n la r nereden çıkıyordu ve neydiler? A nderson’la Millikan ABD’nin batı y ak asın d a yaşıyorlardı ve anlık ileti­ şim in, b u g ü n norm olan ta rtışm a g ruplarının yokluğunda D irac’m çalışm alarına ve b u n u n taşıdığı a n lam a dair gelip geçici şekilde bilgileri o lm u ştu ancak. Pozitronu ilk tespit eden A nderson olm akla beraber, o n u n varlığını şüpheye yer bırakm aksızın doğrulayan ve nereden geldiğini açık­ layan, C am bridge’deki C avendish L aboratuvarı’n d a n P at­ rick B lackett ile G uiseppe O cchialini olm uştu.

BLACKETT VE OLUŞUM Pozitronlar atom ların içinde yok, en azın d an d ü n y ad a bildiğimiz m addenin atom larının içinde değiller; o halde kozm ik ışınlardaki pozitronlar nereden geliyordu? An­ derson b u n u bilm iyordu ve aynı yıl içinde cevabı b u lan B la ck ettla Occhialini oldu: pozitronlar d ü n y a d ışından gelme işgal kuvvetleri değildi, bizzat kozm ik radyasyon tarafından, atm osferin içinde oluşturuluyorlardı. Blackett, R utherford’u n g ru b u n d a, C am bridge’deki Cavendish L aboratuvarı’n d a sis odasıyla çalışıyordu. Alet edevata bayılırdı ve y aklaşık on saniyede b ir çalışm aya hazır bir sis odası geliştirm iş, sırad an sin em a filmi üzeri­ ne fotoğraflar kaydetm eye başlam ıştı. 1921 ile 1924 ara-

Kozm ik Bir K e şif • 65

sm da, sis o dasınd a azot gazına bom bardım an y ap an alfa parçacıklarının (radyoaktif n ü k leer b ozunm anın bir ü r ü ­ nü) izlerinin yirm i binden fazla resm ini biriktirdi. Z am an zam an bir alfa parçacığı bir azot a to m u n u n çekirdeğiyle çarpışıyor ve o n u n la öyle bir şekilde birleşiyordu ki azot b a şk a bir elem entin to h u m ların a dönüşüyordu. Atom çe­ kirdeğinin tra n sm u ta sy o n u n u (değişimini) b u şekilde y a­ kalayıp film üzerine kaydeden B lackett adını d u y u rm ay a başlam ıştı. G uiseppe O cchialini C avendish’e 1931’de geldi. Uz­ manlığı, Gayger sayacı k u lla n a ra k n ü k leer rad y asy o n u tesp it etm ekti. O ve B lackett no tların ı k arşılaştırd ılar ve uzm anlıklarını birleştirerek, o z am an a k a d a r p arçacıkları kim i zam an yakalayıp kim i zam an ısk alay an bir şey olan sis odasını etkin bir a ra c a d ö nüştürebileceklerini fark e t­ tiler. Fikirleri pırıl pırıl bir sadelikteydi. B lackett’ın sis oda­ sı otom atik çalışıyor ve poz poz resim ler çekip duruyor, şan s eseri bir şeylerin olduğu â n a d en k gelmeyi bekliyor­ du. Resim lerin b ü y ü k b ö lüm ünde ilginç hiçbir şey yoktu, an cak yirm i tan esin d en birinde bir iz görünüyordu. Gay­ ger sayaçlarının güçlü ve zayıf yönleri sis odasm ınkileri tam am lıyordu; Gayger sayacı, içinden y ü k lü b ir parçacık geçtiğinde işaret verir, am a b u n a neyin sebep o lduğuna dair pek bir şey gösterm ez. B lackett l a O cchialini’n in b ü ­ y ü k fikri, bir sis odasının ü s tü n e ve altın a birer Gayger sayacı yerleştirm ekti. Eğer b u n la rın ikisi aynı an d a işaret verirse, o d ad an bir kozm ik ışın geçmiş olm ası kuvvetle m uhtem el dem ekti. Gayger sayaçlarını bir röle m ekaniz­ m asın a bağladılar, sayaçların aynı a n d a verdiği elektrik u yarısı sis odasını h arekete geçiriyor ve bir ışık p arla m a­ sıyla kozm ik ışınların izleri film üzerinde sabitleniyordu. B uradaki önem li özellik, ışının geçişinden so n ra k ısa b ir sü re için izlerin kalm asıydı; fotoğraf çekildiğinde kozm ik ışın çoktan geçip gitmiş, am a asıl önem li şey olan o d am ­ lacıklar h â lâ gazın içinde b u lu n u y o rd u . B lackett’m b aşarı oranı d a h a önce sadece yirm ide

66 • A n tim a d d e

Hken, şim di beşte dörde fırlamıştı! O ve O cchialini bu yöntem le birlikte ilk fotoğraflarını H aziran 1932’de çek­ tiler ve o yılın so n b ah arın a k a d a r bine yakın fotoğraf bi­ riktirdiler. F ark ettiler ki ilk b ak ışta elektronlara ait gibi görünen izlerden bazıları aslın d a m anyetik alan d a yanlış yöne m eyletm işti. B lackett b u n la rd a n D irac’a b ah setti. D irac’m d ram atik b ir şekilde b u n u n bir pozitron ol­ d u ğ u n u , yani k u ram ın ın kanıtını b u ld u ğ u n u söyleyeceği “Evreka!” ânı için h e r şey tam am dı. Ama olmadı. B lackett ve D irac h er n asılsa ikiyle ikiyi toplayam adılar. D irac’m tem kinli ve m antıklı k o n u şm a eğilimi olabilir b u n u n ned e­ ni; günüm üzde yaygınlaşan, fikirleri “zorla sa tm a ” tavrını hiç de benim seyebilecek biri değildi o. Belki de B lackett D irac’m ku ram ın ın ne k a d a r derin o ld u ğ u n u n fark ın d a değildi ya d a onu ciddiye alm am ıştı. Sebebi ne o lu rsa olsun, D iracla Blackett, gözlerinin ö nündeki o kıymetli gerçeği ikisi de id rak edem em iş olarak ayrıldılar b irbir­ lerinden. Skobeltsm b ü y ü k ödülü nasıl kaçırdıysa, keşif onların ön ü n d en de geçip gitti. B lackett ile Occhialini elle­ rinde ne olduğunu an cak A nderson’m keşfini duydukları zam an anlayabildiler. Ama şanslıydılar ki onların elinde d a h a fazlası vardı, Skobeltsm ’m d a A nderson’m d a hedefi bir yakalayıp bir ıskalayan deney sistem leriyle tu ttu ram ad ık la rı bir şeydi bu. B lackett ile O cchialini’n in elindeki p ek çok resim ­ de, sayıları yirmiyi bulabilen parçacıkların, sis odasının hem en üzerinde yer alan b ak ır levhadan k açan , d u ş ta n ak an su y a benzeyen izleri görülebiliyordu. O danın h er ya­ n m a yayılmış güçlü m anyetik alan izleri eğiyor ve p a rç a ­ cıkların aşağı yuk arı yarısın ın negatif yüklü, gerisinin po­ zitif yük lü olduğunu gösteriyordu. B lackett ve Occhialini, pozitronlar doğada kendiliğinden b u lu n m ad ığ ın a göre eşit sayıda pozitron ve elektronla k arşılaşm aların ın gözle gö­ rünm eyen y ü k sek enerjili radyasyondan kaynaklandığını anladılar. B uradaki m esaj, pozitronlarm sis odasındaki kozm ik ışınlarla atom ların çarp ışm ası s o n u c u n d a o luş­ tuğuydu.

K ozm ik Bir K e şif • 67

Sis odasının cam d an k en arları bakır çerçeveliydi ve gördükleri o sağ an ak lar kozm ik ışınların m etale çarp m a­ sının sonucuydu. Bu şekilde, kozm ik ışınlardaki tek bir elektron, elektronlardan ve pozitronlardan bir çağlayan y aratm ay a yetiyordu. B akır atom larının içindeki yoğun elektrik alanları b u ra d a n geçen elektronların gam a ışın la­ rı saçm asın a neden oluyor ve eğer b u gam a ışınlarının ye­ terince enerjisi v arsa onlar d a elektron ve pozitron çiftleri üretiyorlardı. E in stein ’m E = m c2 denklem i enerjinin (E) kütleye (m), yani rad y asy o n u n m addeye d ö n ü ştü rü leb ile­ ceğini söylüyordu ve B lackett ile Occhialini radyasyondan m addenin ve tabii an tim ad d en in ortaya çıkışını ilk kez gösterm iş, A nderson’m yeni parçacığının tu h a f bir d ü n y a dışı ziyaretçi olmadığını isp at etm işlerdi. Bu hikâyedeki son ironi de, B lackett ile O cchialini’nin neredeyse A nderson’ı geçip işin b ü tü n payesini alacak olmasıdır. A nderson vaktini, dan ışm an ı M illikan’ı gördük­ lerinin proton filan olm adığına, gerçekten de elektronun pozitif versiyonunu b u ld u ğ u n a ik n a etmeye çalışm akla geçirmişti. B lackett ve O cchialini’n in çalışm ası b u n u ş ü p ­ heye yer bırakm ayacak şekilde kanıtladı ve gönülsüzce de olsa Millikan bile A nderson’m haklı olduğunu kab u l etm ek zorunda kaldı. B lackett ile O cchialini’nin m akalesi Ş u b at 1933’te Proceedings o f the Royal Society dergisine gönderil­ mişti. A nderson neyse ki Millikan’m şüpheciliğine rağm en elindeki ta slak sonuçları 1932’de k am u y a su n acak güveni b u lm u ştu kendinde ve Science N ew s Letter2d a çıkan re s­ m in ardından, önceki aralık ayında yayım lanm ıştı bunlar. Talih cesu rd an yanadır.

DÜNYA YÜZÜNDE POZİTRONLAR D irac’ın yolu gösterm esiyle A nderson, B lackett ve O cchia­ lini ta ra fın d an yapılan keşiflere dair haberler bilim cam i­ asın d a hızla yayılınca pozitronlar h e r yerden fışkırm aya başladı. Fizikçiler hem en sis o d aların d a çektikleri eski

68 • A n tim a d d e

fotoğraflara b ak tılar ve pozitronlarm varlığının, d a h a önce fark etm edikleri kan ıtların ı gördüler. Eğer yeterince cesa­ retleri olsa bilimin k ayıtlarında A nderson’m ki yerine kendi isim lerini ölüm süzleştirebilecek birçok in sa n vardı, irene ve Frédéric Joliot-C urie de pozitronu k açıran lar arasm daydılar. Marie C urie’nin kızı irene ile kocası Frédéric Joliot, O cak 1932’de3 nötronları ilk ü reten ler olup d a onları gam a ışını zannederek Nobel Ö d ü lü ’n ü bir kez k açırm ış­ lardı zaten. Şimdi pozitronu d a ıskalam ış olduklarını fark ediyorlardı: A nderson b u keşif için 1936’d a Nobel Ö dülü aldı. A ncak Joliot-C urielerin de şan sı dönm ek üzereydi, 1935’te k ısa öm ürlü radyoaktif çekirdeklerin üretim in d en dolayı onlar d a Nobel Kimya Ö d ü lü ’n ü aldılar; çalışm ala­ rının uygulam a alan ların d an biri kendiliğinden pozitron yayan çekirdeklerin üretim idir. 1896’d a Henri Becquerel radyoaktiviteyi tesadüfen b u lduğunda, u ran y u m atom larının kendi kendilerine de­ ğişebildiğim keşfetm işti. B ugün biliyoruz ki çekirdekteki n ö tro n lard an birinin p ro to n a dö n ü şm esin den k ay n ak la­ nır bu, toplam elektrik y üküyse negatif y ü k lü bir elektro­ n u n salınm asıyla dengelenir. Pozitronun keşfedilm esinin ard ın d an , bir p ro to n u n n ö tro n a d ö n ü ştü ğ ü ve elektrik y ü k ü n ü n de pozitron ta ra fın d an taşınıp g ö tü rü ld ü ğ ü çe­ kirdek bozunm aları olabileceğini d ü şü n m ek doğaldı. Radyoaktivitenin pozitronları d a elektronları ürettiği k a d a r kolay üretebileceği fikri kuvvetleniyordu. İkisi a ra ­ sındaki asıl p ratik fark, b u n d a n sonraki ad ım d a ne ol­ duğuyla ilgilidir. Ç ekirdekten atılan bir elektron elektrik akım ı olarak akıp gidebilir veya kom şu atom ların çekir­ deklerinde gezegen gibi d o laşan diğer elektronların d a n ­ sın a katılabilir, ard ın d an kim yasal reaksiyonlar başlatır, evrenin geleceğinde sayısız m acera yaşar. O n u n aksine pozitron bizim toprağım ızın yabancısıdır ve b u d ü n y ad a fazla öm rü yoktur. Sayısız negatif y ü k lü elektronla dolu m addeyle çepeçevre ku şatılm ış b u lu r kendini. B u elekt­ 3 D. W ilson, a.g.e., s. 548.

Kozm ik Bir K e şif * 6 9

ro nlardan biri an ın d a pozitronla kozm ik bir ölüm d a n sın a b aşlar ve birbirlerinin etrafında dönerek bir m ikrosaniye içinde, bir ışık parlam asıyla karşılıklı olarak birbirlerini im ha ederler. Son yıllarda pozitronun çeşitli u y g u lam alar­ d a kullanılm asını sağlayan işte b u özelliğidir. Pozitron salınım ı doğal ve yaygındır; bazı çekirdek türlerinin pozitron yayabiliyor o lu şu tıp ta ve teknolojide çok işe yarar. Bu tü r çekirdeklerden bazıları, k a rb o n -11, azot-13 ve oksijen-15’tir, v ü cu d u m u zd a bolca b u lu n a n elem entlerin b u radyoaktif form ları pozitron yayımı ile b erab er bazı v ü cu t fonksiyonları, m esela beyinde yap ılan ­ ları izlemekte kullanılır. Temel ilke, çekirdek bir pozitron yaydığında ve b u pozitron y akınlardaki bir elektronla b e­ rab er yok olduğunda, neredeyse peş peşe çıkan iki gam a ışınını kullanm aktır. B u çiftin parçacık fiziğinde geliştiri­ len elektronik devrelerle tespit edilmesi, onları yayan çe­ kirdeğin yerini çok h a s s a s şekilde sap tan m asın ı sağlıyor. Şimdi b u n u n nasıl uygulandığına geçelim. Siz d ü şü n ü rk e n beyninizin çeşitli kısım ları b a şk a b a şk a düzeylerde faaliyet gösterir. Faal olm akla beyin, dam arlardaki k a n d a b u lu n a n kim yasal şekerin verdiği enerjiyi kullanır. Beyindeki şeker k o n san trasy o n u n u ölçebilseydik, beynin faaliyetine d air bir şeyler gösterirdi b u bize. Kimyagerler şeker m oleküllerinin içine radyoaktif atom lar katabiliyorlar, b u şeker v ü cu d a alınıp, kalp, akci­ ğerler, k a sla r ve beyin gibi, faaliyet gösteren bölgelere d a ­ ğıtılıyor. T ıpta teşh is koym akta ne çok işe yaradığını bize gösterm iş olan tem el fikir, b u ra d a pozitron yayan şekerler kullanm ak. Pozitronlar çevredeki ato m larda bolca b u lu ­ n a n elektronlar tarafın d an an ın d a o rtad a n kaldırılıyorlar. Bu n o k ta d an u ç u p giden gam a ışınlarını sap tay an özel kam eralar k u llan arak gayet kolay bir şekilde söz k o n u su yok etm e olayının uzayın n eresinde yaşandığını, dolayı­ sıyla şekerin nerede kullanıldığını tesp it edebiliyoruz. Kişinin b aşın ın çevresinde k am eralard an b ir hale o lu ştu ru la ra k beynin dilim dilim kesitler halinde g ö rü n tü ­ leri elde edilebiliyor. B u tekniğe pozitron yayıcı tom ografi

7 0 • A n tim a d d e

P#

1 (a)

t

P«

(b)

(c)

Şekil 7: Pozitronlar ve Güneş’teki enerji üretimi, p ile gösterilen iki proton birleşerek bir döteron (beyaz daireyle gösterilen bir nötron ve siyah daireyle gösterilen bir pro­ tondan oluşuyor) ile bir pozitron ve bir de nötrino yapıyorlar, (b)’de başka bir proton gelip döterona çarparak onu helyum-3’e ve bir fotona çeviriyor, (c)'de bu süreçlerin İkisinin sonucunu görüyoruz: iki helyum-3 çekirdeği birleşerek bir helyum-4 ve iki proton oluşturuyorlar.

y a d a k ısaca PET (positron em ission tomography) deniyor. Bu işte kullanılan belirli izotoplar oldukça k ısa öm ürlü old uğundan,4 h a sta n ın y an ın d a h azırlanm aları gerekiyor. Söz k o n u su izotoplar, uy g u n elem entleri k ü ç ü k bir hız­ landırıcıdan gelecek pro to n larla bo m b ard ım an a tu ta ra k elde edilebiliyor. Yani D irac’m o esrarengiz antim adde öng ö rü sü b u ­ g ün h ay at k u rta rm a k ta kullanılıyor. Pozitronların yok o luşu m alzem elerle ilgili çalışm alarda d a çok işe yarıyor. Mesela, karşılıklı im h an ın m etallerde kullanım ı m etal yor­ g u n lu ğ u n u n başladığını diğer tekniklerden çok d a h a önce gösteriyor. U çak tü rbinlerindeki pervane k an atların ın te st 4 M esela, o ksijen m etab o liz m asın ı in celem ek te k u lla n ıla n o k sije n -1 5 ’in y a n ö m rü sad ece iki d ak ik a d ır.

Kozm ik Bir K e şif • 71

edilm esinde kullanılıyor b u yöntem , böylece güvenlik payı d araltılarak k âr artırılm ış oluyor. Bilim insanları pozitronları sırad an ato m lara bağla­ y arak antim addenin kim yasal özelliklerini çalışıyorlar. Bir elektronla bir proton nasıl hidrojen ato m u yapıyorsa, bir elektronla bir pozitron d a “pozitronyum ” oluşturabiliyor­ lar, b u n u n d a kendi kendini yok etm eden önce saniyenin m ilyonda birinden az öm rü oluyor. H atta pozitronyum m olekülleri bile o lu ştu ru ld u ve b u m oleküllerin yoğun halde bir a ra d a bu lu n m asıy la gam a ışını lazerinin tem eli­ nin oluşturulabileceği üzerine k o n u şu lu y o r.5 Böylece antiparçacıkları pozitron form unda tanıyor ve gündelik hayatım ızda kullanıyoruz. Bizim için elekt­ ro n lard an d a h a az tanıdık olm alarının tem el nedeni sayı­ ca b u k a d a r azınlıkta kalm aları ve b u yüzden de hem en o rtad a n kalkm aları. 23. sayfada söylemiş b u lu n d u ğ u m u z üzere günışığı da, G üneş fırınında yüz bin yıl önce ü retil­ m iş olan pozitronlarm son ü rü n ü , u zak geleceğin aydınlı­ ğıysa tam şu an d a o lu şm ak ta olan pozitronlar tarafın d an hazırlanıyor.6 (bkz. Şekil 7)

5 Nature, 2007, cilt. 449, s. 153. 6 S olar füzyon s o n u c u d ö rt ta n e p ro to n b ir h e ly u m çek ird eğ in e d ö n ü ş ü r ve b u n a e k o la ra k iki p o zitro n iki de n ö tro n ç ık a r o rtay a. P o zitro n lar yok o la ra k fotonları ü re tirle r. H e ly u m u n k ü tle si d ö rt p ro to n u n k ü tle ­ sin d e n a z d ır ve a r ta k a la n m c2 e n erji o la ra k y in e yüzeye ç ık a r ve gözle g ö rd ü ğ ü m ü z ış ık olur. G ö rü n e n ışığın y a k la ş ık y üzde 1 0 ü p o zitro n im ­ h a s ı kökenlid ir.

İM HA

NE MADDE NE ANTİMADDE M adde var, elektron gibi, an tim ad d e var, pozitron gibi; bir de ne m adde ne de antim adde olan b a şk a şeyler var. Maddesiz şeylerin en tan ıd ık örneği elektrom anyetik rad y as­ yon. G am a ışınların d an x ışın ların a (röntgen), m orötesi ışın lard an gözüm üzün gördüğü ışığa, kızılaltm a (irıfrared) ve radyo dalgalarına k a d a r b ü tü n elektrom anyetik ra d ­ yasyon (ışıma), farklı enerjilerdeki fotonlardan oluşur. M adde ve antim adde birbirini götürebilir, o rtad a n yok olu şların d an geriye foton halinde m addesizlik kalır; eğer şa rtla r u y g u n sa b u sıra tersin d en de işleyebilir ve fotonlar m adde ve antim adde p arça ların a d ö n ü şü r. D oğanın işleyişinde h esap ları kontrol ederken bilim in san ların ın pek sevdikleri o kavram , yani sa f enerji de m addesizdir; bir biçim den ötekine geçebilir; elektriksel, kim yasal veya hareketsel olabilir veya m addeleşip m adde ve antim addeye dönüşebilir. E nerjiden ne k a d a r m adde yoğuşabileceğini E instein bize söyler; E = mc2’n in asıl n u ­ m arası b u d u r. Bir elektron b ir de pozitron y ap m ak için gereken asgari enerji m iktarı 2 m c2 olacaktır. Bir pay mc2 sabit bir elektron yapm aya yeter, ikinci pay d a pozitron u n d u r. D u ru r halde o lu şm u ş olduklarından hem en bir­ birlerini yok edecekleri neredeyse kesindir, böylece bir a n için içlerinde tu ttu k la rı enerjiyi de serb est bırakm ış olurlar. Pozitrona h a y a tta k alm a şan sı verm ek için b u m i­

İm ha * 7 3

nim um enerjiden d a h a fazlasına sahip olm anız gerekir; “fazla” gelen enerji, kinetik enerji, yani h arek et olacak böylece elektronla pozitron doğum ân ın d a birbirlerinden u zak laşarak kaçacaklardır. Işık fotonu, m addesiz parçacıkların bilinen yüzden fazla örneğinden biridir sadece. Bu varlıklara “bozon” de­ nir, isim leri Hintli fizikçi S aty en d ran ath B ose’d an gelir. M addenin ve antim ad d en in tem el parçacıkları olan m addeli parçacıklar içinse, İtalyan fizikçi Enrico Ferm i’n in ad ın d an türetilm iş “ferm ion” kelim esi kullanılır. Fermionlarm davranışlarını Dirac denklem i tanım lar; bozonlar b a şk a k u rallar izlerler. Dirac şan slıd ır bir bakım a. Ama­ cı kütlesi olan parçacıklar için bir denklem k u rm ak ve pozitif-negatif enerjiler problemiyle u ğ raşm ak tı. 1928’de bilinen yegâne kütleli p arçacıklar elektronla p ro to n d u ve tesadüfen b u n la rın ikisi de ferm iondur; tan ım lan m ası gereken tek parçacık olan fotonsa bozondu am a kütlesi yoktu. Dirac, denklemiyle bilimde devrim y ap tık tan yir­ mi sene sonra, kozm ik ışın lard a kütleli bir bozon olan “pion” keşfedildi. Eğer 1928’de pion biliniyor olsaydı Dirac 0 denklem için b u k a d a r çalışır mıydı, y a d a hiç çalışır mıydı, bilem iyoruz.1 Evren, doğanın kuvvetleri tarafın d an so n u gelmez bir ra k s a kıstırılm ış tem el p arçacık lard an oluşur, b u kuvvet­ lerin en bilindik olanları d a kütleçekim i kuvveti, elekt­ rik ve m anyetik kuvvetlerdir (“elektrom anyetik kuvvet”). Atom ların boyutuyla karşılaştırdığınızda sonsuz sayılacak k a d a r büy ü k m esafelerden etki eder bu n lar. Kütleçekimi gezegenleri G ü n eş’in çevresindeki yörüngeleri üzerinde tu ta r, D ünya’nm erim iş m erkezinin içinde dolaşan elekt­ rik akım ları bir p u su la n ın incecik ibresini d ö n d ü ren ve kayıp gezginlere aradıkları yönü gösteren m anyetik alanı o lu ştu ru r. E skiden öyleydi en azından; b u g ü n k ü gezginler 1 Kimi ra d y o a k tif b o z u n m a la rd a y ay ılan “alfa p arç ac ığ ı” d e n e n şey de b o zo n d u r. A ncak b u p a rç a c ık h e ly u m a to m u n u n çekirdeği o la ra k b ili­ n iy o rd u dolayısıyla diğer p a rç a c ık la r k a d a r tem el sayılm ıyordu.

74 • A n tim a d d e

p u s u la yerine GPS sistem i k u llan acak olsalar da, b u n ­ ların ard ın d a y a ta n ilke benziyor: U yduyla iletişim radyo dalgaları aracılığıyla kuruluyor, b u d a elektrom anyetik radyasyon, yani h er yerde b u lu n a n aynı kuvvetlerin bir diğer hali. M ıknatısın m etalleri çektiğini veya p u s u la ibresinin kuzeye d ö n d ü ğ ü n ü gördüğünüzde b u n la rın arasın d ak i iletişimi neyin sağladığını m erak edebilirsiniz. B u n a bir isim koyup “elektrom anyetik alan ” diyebiliriz, am a gerçek bir açıklam a değildir bu; u zak m esafeler a ra sın d a gelişen hareketler gibi acayip bir olay için bir etiket b u lu p k u l­ lanm ış oluruz sadece. D irac’m çalışm alarının bir sonucu, elektrom anyetik alanın kendisinin de k u a n tu m k u ram ı­ n a tabi old u ğ u n u n keşfedilm esi oldu. Fotonlar parçacığa benzeyen elektrom anyetik radyasyon küm eleridir; y ü klü parçacıkların birinden diğerine ko şark en elektrom anyetik kuvveti aktarırlar. L ondra’daki bir radyo an ten in d e ileri geri sallan an bir elektron, evinizdeki radyoda d a b u n a benzer bir karşılık yaratabilir, b u n ların arasın d ak i ileti­ şim elektrom anyetik radyasyon, yani aynı zam an d a fotonla n n hareketi de dem ek olan radyo dalgalarıdır. Bir yerde­ ki harek et b a şk a bir yerde de harekete neden olm uştur; araların d ak i boşluğu fotonlar k a t eder; kuvvet sizinledir. M odern “k u a n tu m alan k u ram ı”n d a sadece elekt­ rom anyetik kuvvet değil b ü tü n kuvvetler bozonlar ta ra ­ fından aktarılıyor. F otonun elektrom anyetik kuvvet için yaptığı işi, kütleçekim i için de “graviton”u n 2 yaptığı d ü ­ şünülüyor. G ravitonu şimdiye k ad ar tesp it eden olm adıy­ s a da, böyle bir şeyin v ar oldu ğ u n d an ve bir g ü n elbet b u lu n acağ ın d an hem en hem en kim senin şü p h esi yok. İki kuvvet d a h a var, b u n la rın d a bozonlar tarafın d an a k ­ tarıldığı biliniyor. B u n lar adı d a h a az d u y u lan kuvvetler çü n k ü asıl olarak atom çekirdeğinin içinde ve çevresinde etki ediyorlar ve an cak b u k a d a r k ü çü k ölçekte çalışabile­ 2 İngilizce gravity ve B atı d illerin dek i b e n z e r k elim eler “k ü tle ç e k im i” a n ­ la m ın a gelir, graviton b u ra d a n tü re tilm iş b ir k elim ed ir —çev. notu.

İmha *75

cek hassasiyettek i cihazlarla tesp it edilebiliyorlar. G üçlü (baskın) kuvvet ve zayıf kuvvet diye bilinen b u kuvvetlerin isimleri, bildiğimiz elektrom anyetik kuvvete kıyasla b u n ­ ların ne k a d a r gücü o lduğunu özetliyor. G üçlü kuvvet, d a h a d a tem el parçacıklar olan k u ark lard an (onlar h ak k ın d a d a h a fazlası pek yakında) pro to n ­ ları ve nötronları in şa ediyor ve atom çekirdeğini yapışık tutuyor. Zayıf kuvvet G ü n eş’in ışık verm esini sağlıyor ve elem entlerin o lu şu m u n d a kilit rol oynuyor; elem entler ol­ m a sa D ünya da, biz de olmazdık. Atom çekirdeklerinin içinden, onları yavaş yavaş aşın d ıran b u kuvvet so n u n d a atom ların y apıtaşların ın d a h a k ararlı kom binasyonlara dönüşm esini sağlar. İşte böylece, yakıtın pro to n lar olduğu G ü n eş’te zayıf kuvvet zam anla b u p ro to n lard an d ö rd ü n ü sıkı bir küm eye d ö n ü ştü rü r; b u da, iki proton ve iki n ö t­ ro n d an o lu şan helyum un çekirdeğini m eydana getirir. Bu e sn a d a zayıf kuvvet p ro to n lard an ikisini n ö tro n a çevir­ m iştir, b u n la rın pozitif elektrik y ü k ü n ü de kim alıp g ö tü r­ se beğenirsiniz? -Pozitronlar. Beş milyon yılda G ü n eş’in yakıtının, yani protonlarının yarısı b u şekilde değişm iştir. Bu bize, G ü n eş’in fırınında iş gören zayıf kuvvetin ne k a ­ d a r zayıf olduğun a dair bir fikir verir, b u n a m ü teşek k ir olmalıyız: Akıllı hay atın ortaya çık m asın a yetecek k a d a r u z u n sü re dayandı G üneş, am a h ay atın kendisinin ş a rt­ larının o lu şm asın a yetecek k a d a r d a hızlı yandı. G üçlü ve zayıf kuvvetler yarım yüzyıldan u z u n za­ m an önce varlıkları ilk fark edildiğinden beri fizikçilerde hayranlık uyandırıyor. B ugün nasıl işlediklerini anlı­ yoruz ve antim ad d e sayesinde b u n la rın sırlarının nasıl anlaşıldığını 6. B ölüm ’de göreceğiz. O nlar d a bozonlarla aktarılıyorlar. K uarkları birbirine yapıştırıp protonları ve nötronları m eydana getiren şeylere “gluon”3 deniyor, “pion’la r s a atom çekirdeğini in şa etm ek üzere nötronları tu tm ay a yardım ediyor. Zayıf kuvvet kendini birbirinden farklı iki yolla gösteriyor ve ikisi de bozonlarla aktarılıyor. 3 İngilizce glue y a p ış tırm a k a n la m ın d a d ır —çev. notu.

76 • A n tim a d d e

B u n lard an biri elektrom anyetik kuvvete benziyor am a on­ d an epeyce d a h a zayıf; Z° denen, elektriksel olarak n ötr bir bozonla aktarılıyor (Z’nin ü s tü n e yazılan sıfır, y ü k ü ­ n ü n olm adığını gösteriyor). Bu Z° fotona çok benziyor am a epey cüsseli bir şey; kütlesi dem ir ato m u n d an bile d ah a fazla; garip bir şekilde, “ağır ışık” diye bahsediliyor ondan. Zayıf kuvvetin ikinci etki etm e biçimi de, etkisi altındaki parçacıkların elektrik y ü k m iktarlarını birbirleriyle değiş to k u ş etm ek. M esela G ü n eş’in içinde bir p ro to n u n ö tro n a d ö n ü ştü rü rk e n zayıf kuvvet elektrik y ü k ü n ü p ro tondan alıp bir pozitrona veriyor. Peki o pozitron nereden çıktı? Zayıf kuvvetin taşıyıcısı olan W + tarafın d an alınıp götü­ rülen enerjiden yapıldı. Bu örnekte, ü stte k i işaret W’nin pozitif elektrik y ü k ü old u ğ u n u ifade ediyor. W negatif yük lü de olabilir, n ö tro n u n bozunm ası sırasın d a olduğu gibi. Elimizdeki d u ru m d a n ö tro n u n sıfır y ü k ü bir pozitife (proton) ve bir negatife (W ") dönü şü y o r v e W ' ’n in negatif y ü k ü bir elektrona aktarılıyor. Kuvvetleri ak ta ra n b u ajanların hepsi m addesizdir, ne m adde, ne antim adde, b u n la rın hepsi bozondur. Bo­ zonlar m adde ve an tim ad d e p arçacık ların a etki eder ve kendileri de m addeli b u iki halin birbirini dengeleyen zıt parçacıklarına dönüşebilirler; o p arçacıkların d a hepsi “ferm ion”dur. Yani doğa iki parçacık çeşidi s u n m u ş gibi­ dir: kuvvet taşıyanlar, yani bozonlar, ve m ad d en in tem el tuğlaları, yani ferm ionlar. Bozonlar gelir gider, fermionlar eninde so n u n d a b o zu n u p en k ararlı biçim lerine dö­ n e r y ani elektron olur, proton ve n ötron kom binasyonları olur, ve b u n o k tad an so n ra onlar için risk sadece a n ti­ m adde ikizinden gelir. Evrende m adde ile antim adde arasın d ak i savaş on dört m ilyar yıl önce oldu ve m adde kazandı. Ferm ionlar yapıları m eydana çıkanyor, kararlılıkları v ar ve hay ata im kân veriyorlar. M ilyarlarca yıldır var olagelmiş atom ­ lard an oluşuyoruz biz, sadece “biz” olduklarını d ü şü n en kom binasyon biçimlerinde olm aları şimdiye ait. Oksijeni ciğerlerimize çekip karbondioksidi veriyoruz, büyüyoruz,

İm ha * 7 7

ölüyoruz, am a bizi m eydana getiren atom ların varlığı de­ vam edecek. O nların en basit parçaları sonsuz çeşitlilikte yeniden biraraya gelerek uzak geleceğe yol alacak, yeter ki antim addeyle karşılaşm asınlar.

BİRKAÇ ANTİPARÇACIK DAHA Dirac aslın d a denklem ini elektronu açıklam ak için yaz­ mıştı. Ama b ü tü n ferm ionlarm yazısı oldu b u ve proton için de, nötron için de bir o k a d a r geçerli. D enklem den elektronun negatif enerji seviyesinde bir versiyonu olduğu çıkıp, Dirac b u n u gayet başarılı bir şekilde, pozitif enerji­ ye ve pozitif yüke sahip bir pozitron olarak yorum larken, proton ve n ö tro n u n d a an tim ad d e eşleri o lduğunu söylü­ yor, antiprotonla an tin ö tro n u d a öngörüyordu denklem . A ntiproton, protonla aynı kütleye sahip, am a pozitif değil negatif y ü k ü var. B u n u n gibi a n tin ö tro n u n d a kütlesi n ö t­ ronla aynı ve y ü k ü sıfır. Peki nö tro n la a n tin ö tro n u n y ü k ü aynı o lduğuna göre, onları birbirinden ayıran özellik ne? Nötron toplam da hiç elektrik y ü k ü n e sahip olm asa da, bünyesi y ü k içeriyor. İleride göreceğimiz üzere hem pro to n u n hem de n ö tro n u n k ü ç ü k am a ölçülebilir bir bo­ y u tu n d a dönüp d u ra n pozitif ve negatif elektrik yükleri var ve p ro to n u n ve n ö tro n u n y ü k ü diye b u n la rın topla­ m ına diyoruz aslında. N ötronun toplam yükleri sıfır etse de, b u n la rın hareketleri fırıl fırıl dönen elektrik akım ları ve m anyetizm a üretiyor ki b u n u n ö tro n u n m anyetik ala n ­ d a nasıl h arek e t ettiğini izleyerek hissedebiliyoruz. Anti­ n ö tro n u n içinde b u tekil elektrik yüklerinin h er birinin işareti, nötrondakilerin tersi; o n u n iç akım ları n ö tro n u n kilerin aynadaki aksi gibi dön ü p dolaşıyor. D ah a so n ra göreceğimiz üzere bir aray a gelerek protonları ve n ö tro n la­ rı o lu ştu ra n elektrik y ü k no k taların ın kendileri de, k u a rk denen k ü ç ü k parçacıklar. Proton ve n ötron k u ark la rd an oluşurken, b u n la rın an ti karşılıkları d a a n tik u ark la rd an oluşuyor.

78 • A n tim a d d e

P ozitronun keşfinin ard ın d an m esele, antihidrojen ato m u n u n diğer p arçasının, yani an tip ro to n u n d a var olup olm adığını doğrulam ak oldu. Sorun, p ro to n u n elekt­ ro n d an yaklaşık iki bin k a t d a h a ağır olmasıydı, dolayı­ sıyla antiproton d a pozitrondan bir o k a d a r ağır olacak, yani o nu m eydana getirm ek için çok d a h a fazla enerji ge­ rekecekti. Kozmik ışın lard a antip ro to n larla d a karşılaşılır am a onlar çok d a h a enderdir ve tespit edilmeleri de d a h a zordur. 1950’de kozmik ışınlar d a h a başka, d a h a yeni p a r­ çacıkları ortaya serm işti. B unlar arasın d a, elektronun d a h a ağır bir versiyonu olan m uon, p ro to n u n yaklaşık yedide biri ağırlığındaki bozon ve beklenm edik şekilde u zu n öm ürlü oldukları için “acayip” adı takılan kaon gibi parçacıklar vardı; am a antiproton yoktu. A ntiprotonun varlığı genelgeçer bilgi sayılıyordu, fizikçiler o k ad ar em in­ diler D irac’m öngörülerinden. California’daki Berkeley’de, protonları bir hedefe çarptıklarında an tip ro to n u üretecek k ad ar çok enerji sahibi olacakları raddede hızlandıracak bir parçacık hızlandırıcısı yapm ak gibi iddialı bir plan y a­ pıldı. Mesele b u cihazı y ap m ak ve an tiprotonu şüpheye yer bırakm ayacak şekilde yakalayıp tespit edecek bir yöntem tasarlam aktı. Bir an tip ro to n u n içinde kilitli b u lu n a n enerji m iktarı olan bir “m ilyar elektron volt” (billion electron volts) için kullanılan “BeV” k ısaltm asın d an gelen B eV atron’d u b u m akinenin adı. Enerji kütleli p arçacık lara d ö n ü şü rk en parçacıklar çift halinde ortay a çıkar, h er parçacığın y an ın ­ d a antiparçacığı d a olur, dolayısıyla BeVatron, an tip ro to ­ n u protonuyla berab er ü retecek kuvvette in şa edilm işti ve b u n u n böyle olacağına inanılıyordu. A ncak b ü tü n v a rsa ­ yım ların deneyle k an ıtlan m ası gerekiyordu ve b u çetrefilli bir işti; çü n k ü an tip ro to n lar çok en d er olacaktı, üstelik üretim sırasın d a elektron ve proton sağanaklarıyla pionlar gibi d a h a hafif p arçacık ların içinde kalacaklardı. E n ik n a edici teklifin hangisi o lduğuna k a d a r vere­ cek olan bilim in san ları k o m isyonuna an tip ro to n “iğne­

İm ha *79

sini” parçacıklar sam anlığından nasıl ayrıştırılacağm a dair birkaç fikir su n u ld u . Yarışmayı Owen C ham berlain, Emilio Segre, Clyde W iegand ve Tom Y psilantis’ten o lu şan k ü çü k bir ekip kazandı ve B eV atron’u n kullan ım ın d a ilk sırayı aldılar. Fikirleri işe yaradı, deney çok başarılı oldu ve 1955’te an tip ro to n u n b u lu n d u ğ u n u ilan ettiler. Yarış­ m aya katılm ış olan O reste Piccione liderliğindeki bir diğer ekip de 1957’de an tin ö tro n u sap tay a rak başarıy a u laştı. Böylece D irac’m o çığır açıcı öngörüde b u lu n m a sın d a n otuz yıl so n ra an tid ü n y an m tem el parçacıklarının hepsi yerli yerindeydi: pozitron, antip ro to n ve antinötron. A ntim adde hikâyesinin başlangıcının so n u y d u bu, am a yıllarca sürecek ve so n u n d a dav alara dönüşecek anlaşm azlıklar d a h a yeni başlıyordu. 1959’u n Nobel Fi­ zik Ö dülü, an tip ro to n u n keşfindeki rollerinden dolayı, deneyi y ü rü ten ekibin b aşın d ak i C ham berlain le Segre tarafın d an paylaşıldı. Kavganın büyüğü, an tin ö tro n u b u lan ekipteki O reste Piccione etrafın d a koptu. Mesele, Piccione’nin, herkes tarafın d an p asta n ın ü stü n d ek i s ü s ­ leme gibi görülen a n tin ö tro n u n d a bir ödülü h a k ettiğini d ü şü n m esin d e n çok, antip ro to n ö d ü lünden kendisine de bir pay düşm esi gerektiğine inanm asıydı. Piccione o d en e­ yi y ap an d ö rtlü n ü n içinde olm adığına göre n ed en bir payı olmalı diye m erak edebilirsiniz. BeV atron Komisyonu yeni m akineyi ilk kim in k u lla­ n acağına dair görüşm eleri y ap ark en Piccione u ç a r k açar an tip ro to n u n nasıl yak alan acağ ın a dair bazı akıllıca yön­ tem ler d ü ş ü n m ü ş ve su n d u ğ u teklifte b u n la ra yer ver­ m işti. A ncak h e r şey göz ö n ü n e alındığında C ham berlain ve Segre’n in b u lu n d u ğ u ekibin teklifi d a h a iyi g ö rü n d ü ve böylece m akineyi önce onlar, ikinci olarak d a Piccione kullandı. Hikâye b u n u n la kalsaydı bir şanssızlık örneğin­ den ibaret olacaktı. Fakat, en azından Piccione’ye göre, o n u n fikirleri rakip ekibin deneyinde kullanılm ış ve tu r ­ nayı gözünden v u rm aların d a b u fikirlerin çok faydası ol­ m u ştu . B u Piccione’n in o k a d a r içine o tu rd u ki 1972’de, on ü ç yıl önce verilen Nobel Ö d ü lü ’ne haksız olarak o rtak

80 • A n tim a d d e

edilm em esinden dolayı tazm in at talebiyle dava açtı. On üç yine u ğ u rsu zlu ğ u n u gösterdi: M ahkemeye yapılan b aşv u ­ ru ile söz k o n u su olay a ra sın d a çok fazla zam an geçtiğine hükm edildi ve dava zam an aşım ın d an dolayı u su le n d ü ­ şü rü ld ü . D avanın so n u cu buydu; Piccione geç kalm asaydı d a ­ vayı kazanır mıydı, o n u hiç bilemeyeceğiz. Bilim in s a n ­ ları cam iasında görüşler birbirinden farklıydı. B azılarına göre Piccione ödülden pay alm ayı h a k etm işti; diğer u ç ta bazı kişiler b u n u hiçbirinin h a k etm ediğini söylüyordu, veya belki de deneyler için zam anı ayıran kom itedekiler ya d a b u m akineyi an tip ro to n u d ü şü n erek tasarlam ış olanlar almalıydı ödülü; zira b u n u n benzersiz önem ini takdir eden “kavrayış’fn sahibi onlardı. A ntiparçacıklar, en azından bilim in san ları cam iası içinde özel bir ilgi toplam ıyordu artık. A ncak b u d u ru m , m addenin ve tabii an tim addenin d a h a derin bir k atm an ın ın , “k u a rk ’la rm ve “a n tik u a rk ”ların keşfedilmesiyle değişecek, b u d a so n u n ­ da m addenin B üyük P atlam a’y la nasıl ortaya çıktığına dair bir açıklam aya varacaktı.

KUARKLAR, VE TABİİ ANTİKUARKLAR Dirac antim adde fikrini ortaya attığında sadece elektronla pro to n u biliyordu. D ikkat çekici olarak, D irac’m pozitro n u n u n tespit edildiği yılda n ö tro n u n b u lu n m asın d an so n ra bile parçacık m e n ü sü h â lâ n isp eten sadeydi. Gel­ geldim otuz yıl içinde kozm ik ışın lard a ve yeni yapılan parçacık hızlandırıcılarında o k a d a r çok p arçacık keşfe­ dildi ki, D irac b u ö n g örüsünde o zam an b u lu n say d ı pek bir heyecan yaratm azdı m uhtem elen: bir parçacık d ah a mı varm ış, ee-e? Berkeley’de an tip ro to n u ü retm ek için ta sa rla n a n hız­ landırıcı, parçacıkların giderek zenginleşen m e n ü sü n e de k atk ıd a b u lu n d u . Yeni p arçacıkların hepsi kararsızdı, ki­ m inin öm rü bir ışık h ü zm esin in atom çekirdeğinden geçip

İmha

*81

gitm esi k a d a r bile sürm üyordu. Parçacığın o lu ştu ğ u a n d a ölm esini söylem ek dem ek bu, zira E in stein ’m görelilik k u ­ ram ı bilginin ışık hızından d a h a hızlı yol alam ayacağını söyler ve b ü tü n parçacığın o lu şu p dağılm ası an cak o k ı­ sacık a n k a d a r sürebilecektir. D aha u z u n y aşay an b a şk a parçacıklar d a keşfedildi, u z u n derken yine de saniyenin m ilyarda birinden k ısa süreyi kastediyoruz, yani ışığın eli­ nizin bir tarafın d an diğerine geçm esi için gereken sü re k a ­ dar. B u k a d a r gelip geçici bir şeyden in san ın nasıl hab eri olabilir diye m erak ediyorsunuz belki de. S o ru n u n cevabı m odern elektroniktir, bir de, b u parçacıkların ışık hızına yakın hızlarda yol alırken kısacık öm ürlerinde b ü y ü k m e­ safeler k a t edebilmeleri. E lektrik y ü k ü olan h er tü rlü p arçacık havadaki ato m ­ la ra çarptığında elektronları o n lard an dışarı a ta r (yani on­ ları iyonlaştırır). Eğer hav a nem liyse, parçacık geçerken b u h a rd a n bir iz bırakır. Sis odası yirm inci yüzyılın ilk y a­ rısında, pozitronun keşfi de dahil olm ak üzere, atom p a r­ çacıklarına dair an laşılan lard a bir devrim yarattı; yüzyılın ikinci y arısın d a d a h a yetenekli araçların icat edilmesiyle de m üzelik oldu. 1952’de M ichigan Ü niversitesi’nde Donald G laser bir b ard ak b iran ın içinde b aloncukların nasıl o lu ştu ğ u ü s ­ tü n e düşüncelere dalm ıştı. B u n u d ü şü n ü rk e n b u ld u ğ u ilham la kabarcık odasını icat etti ve b u icadı k ısa sü re içinde atom altı parçacıklarının d an sın ı izlem enin olağa­ n ü s tü bir yolu haline geldi. Sis o d asın d a parçacıklar gazın içinde sıvı kabarcıkları olu ştu ru y o rk en , kabarcık o d asın ­ da sıvının içinde gaz kabarcıkları oluşturuyorlardı. M an­ yetik a lan lard a spiraller çizen, bir parçacık bozu n u rk en birbirinden ayrılan, ebeveynin genlerini yav ru ların a a k ­ ta rm ası gibi yeni k u şa k la r ü re te n k ab arcık izi görüntüleri bir y a n d a n nefis s a n a t eserleri o lu ştu ru rk en diğer y an d an b u n la rı deşifre etmeyi bilenlere derin hak ik atler açıklıyor. Koskoca yeni parçacık ailelerinin ortaya çıkm ası işte b u kab arcık odası devrimiyle oldu. D üzenin oluşm ası n e ­ redeyse on yıl aldı.

82 • A n tim a d d e

Proton ve n ö tro n u n y an m a k ısa sü re içinde yeni p a r­ çacıklar katıldı, yeniler san k i onların d a h a ağır versiyonla­ rı gibi görünüyordu am a kendilerine “acayip p arçacık lar” adının yakıştırılm asm a n ed en olan özellikleri vardı. B a­ zıları diğerlerinden d a h a acayipti. S onra bir de, “acayip” denen o özelliği taşım ay an am a yine de gayet acayip ve kışkırtıcı olanlar vardı. İsimleri Y unan alfabesinin Lambd a ’sını (71), O m ega’sını (O), Sigm a’sını (2), Ksi’sini (S) ve D elta’sm ı (Z\) alıp, b u n la r yetm em eye başlayınca k ü çü k h a rf fı’ye ((fi), ita ’ya (rj), om ega’y a (