Bölüm 31- Enerjiden madde oluşturmanın ilk adımı = Strong-Force = Güçlü etkileşim

yasliProf. Dr. İsmet GEDİK

Enerji dünyası, çok değişik enerji-düzeylerine sahip, enerji düzeylerini sürekli değiştirebilen (yani osilasyon döngülü), başlı başına bir canlılık alemdir. Doğadaki tüm diğer sistemleri onlar oluştururlar. Yani doğadaki tüm varlıklar proton + nötron + elektron üçlüsünden oluşur.


NÜKLEON denilen atom çekirdekleri, proton ve nötronlardan oluşurlar; farklı atomlar ise, proton sayıları ile belirlenirler.


Buna kuantizasyon işlemi denir, yani doğadaki tüm üst-sistemler temel bir öğenin birer birer artırılması şeklinde gerçekleşir. 

çmavi


Buçuklu vs. şeklinde eklenme yapılamaz. Çünkü “yarım hamilelik” gibi bir yaşam yoktur. Tam tam hamilelik olur, ya hiç hamile değildir.

Doğada 92 civarında sabit kimyasal element olduğu bilinmektedir. Bu elementlerin en basiti tek bir protondan oluşan H=hidrojen elementidir. Diğer tüm elementler birer proton eklenmesiyle oluşurlar.

2 protonlu (1 veya 2 nötronlu) element helyum, 3 protonlu (3 veya 6 nötronlu) element lityum, 4 protonlu (3 veya 6-9 nötronlu) element berilyum, 5 protonlu (3 veya 6-11 nötronlu) element bor, 6 protonlu (3 veya 14 nötronlu) element karbon, vs. devam eder. Uranyum gibi 92 protondan oluşan çekirdekteki nötron sayısı ise 146yı bulur.

Yani kimyasal elementlerin temel özellikleri proton sayıları ile belirlenir, ama nötron sayıları proton sayısından az veya çok olabilmektedir. Bu sayede aynı kimyasal özellikli ama farklı enerji düzeyli izotoplar oluşurlar. İzotopların bazıları sabit-kararlı, bazıları ise parçalanabilirdirler, yani radyoaktiftirler.

Şimdi bu konuya bakalım.

Proton (+) elektrik-yüklüdür; elektron (-) elektrik yüklüdür. Bu nedenle birbirlerine yaklaşma dürtüleri altındadırlar. Ama birbirlerine tam yaklaşıp birleşirlerse, nötron gibi nötr bir madde ortaya çıkar ve maddeler arasında birbirlerini çekecek bir güç-sistemi oluşmaz. O zaman da doğadaki tüm oluşum ve gelişimler durmuş olur.

Diğer taraftan, protonlar (+) elektrik-yüklüdür ve aynı yüklü öğeler birbirlerini itmek zorundadırlar ve asla yan-yana gelemezler. Tek bir protonlu elementle doğadaki binlerce farklı madde oluşturulamaz; ama iki proton da bir araya gelemez, çünkü aynı elektrik yüklü olduklarından birbirlerini itmek zorundadırlar.

Yani protonların atom çekirdekleri gibi femtometre boyutlu dar bir alanda bir arada yan-yana bulunmaları olanaksızdır. Çünkü protonlar (+) elektrik yüklüdürler ve birbirlerini itmek zorundadırlar.

İşte bu zorluğun üstesinden gelebilmek için doğadaki tüm enerjinin %99.2si fizikçilerin “strong force = güçlü çekirdek kuvveti” dedikleri bir etkileşim sistemine tahsis edilmiş; protonların yanına nötron denilen ve protonla karşılıklı olarak birbirleriyle etkileşen bir mekanizma oluşturulmuştur.

Proton ve nötronlar atom çekirdekleri içinde sürekli birbirleriyle etkileşerek çok sayıda protonun bir arada tutulmasını sağlarlar. Madde oluşumu bu yöntemle gerçekleşmektedir. Doğadaki enerjinin en büyük kısmı “strong force” için ayrılmış olmasaydı doğada hiçbir madde veya varlık oluşamayacaktı.

Peki doğa bu sorunu nasıl çözmüştür?

“Güçlü-kuvvet = strong-force” adlı bir etkileşim sistemi oluşturarak!

Şöyle ki doğadaki “oluşturucu” güç sistemini 100 birimlik bir bütün olarak varsayarsanız, bu 100 birimlik enerjinin 99.2si “strong-force = güçlü kuvvet” adı verilen bir etkileşim sistemine tahsis edilmiştir. Geriye kalan 0.8lik birim ise elektromanyetik, zayıf-etkileşim ve gravite gibi tüm diğer etkileşimlere kalmıştır.

Bu nedenle güçlü-etkileşim 1 olarak kabul edildiğinde, elektromanyetik etkileşim 1/137 değerini alır, diğer kuvvetler milyonda-milyarda bir gibi çok ama çok daha az bir değerdedirler.

Peki bu güçlü-etkileşim nasıl işler?


1.png
Şekil 95: Kuark denilen atom-altı-öğeler arasında “quantum-chromodynamics = kuantum renk dinamiği” adı verilen renk-yükü değiş-tokuşuna dayalı bir çekim sistemi vardır.


Güçlü etkileşim protonları bir arada tutan kuvvettir. Şöyle ki: proton kuark denilen daha küçük öğelerden oluşmaktadır, 2 up ve 1 down kuarktan oluşur. Nötron da yine 3 kuarktan oluşur, ama 2 down ve 1 up kuarktan. Kuark denilen bu atom-altı-öğeler arasında “quantum-chromodynamics = kuantum renk dinamiği” adı verilen renk-yükü değiş-tokuşuna dayalı bir çekim sistemi vardır.

Gluon adı verilen bir bağlayıcı faktörün, kuarkların renk-yüklerini değiştirerek, up-kuarkı down kuarka, down-kuarkı up-kuarka dönüştürdüğü ve bu sayede protonu nörona, nötronu protona dönüştürerek, protonların birbirlerini itmelerine engel olmaktadır.

Yani atom çekirdeklerinin içi kaynayan kazanlardan oluşmaktadırlar ve saniyenin trilyonlarcada birlik çok kısa süreçlerde nötronların protona, protonların nötrona dönüşümlerini sağlayarak protonların birbirlerini itmelerine engel olunmaktadır. Ne dahiyane bir çözüm!

Hidrojen elementi 1 proton ve ona bağlı bir elektrondan oluşur. Proton ise 2 up ve 1 down kuarktan oluşur.

Şekilde görüldüğü üzere up-quark kütlesi 2.3 MeV, down-quark ise 4.8 MeV değerlerine sahiptirler. 2 up-kuark = 4.6 MeV eder. Buna 1 down-kuark kütlesi (4.8) eklenince 9.4 MeV ortaya çıkar. Halbuki proton’un kütlesi 938 MeV değerindedir. Neredeyse 100 kat daha ağırdır. Bu 100 kat kadar kütle artışının nedeni nedir?

Önce protonu ele alalım.

Proton içindeki kuarklar arasında sürekli bir etkileşim vardır. Gluon adlı güçlü-etkileşim öğesi farklı kuarkları birbirlerine bağlayıcı rol oynarlar. Ayrıca kuarklar arasında bir renk-yükü (color-charge, chromo-dinamik) denilen bir enerji değiş-tokuşu sürmektedir. Bu enerji alış-verişleri kuark-antikuark çiftleri oluşumlarına da yol açarlar. Dolayısıyla proton içinde sürekli bir hareketlilik vardır.

Kuantsal sistem öğeleri sürekli bir osilasyon, yani döngüsel hareketlilik içinde olduklarından, onlar için sabit bir enerji-potansiyeli değeri söz konusu değildir, çünkü hareket düzeylerine göre enerji-potansiyelleri artar veya azalırlar. Bu nedenle atom-altı-öğelerin enerji-potansiyelleri, onların en durgun oldukları  “Rest mass= durgunluk kütlesine” denk gelen değer olarak hesaplanır.

Up-kuark’ın (u) durgunluk kütlesi değeri yaklaşık 2.3 MeV/c2

Down-kuark’ın (d) durgunluk kütlesi değeri yaklaşık 4.8 MeV/c2 dir.

2 up kuark kütlesi 4.6 MeV eder. Buna 1 down kuark kütlesi (4.8 MeV) eklenirse 9.4 MeV eder. Halbuki protonun durgunluk kütlesi yaklaşık 938 MeV/c2 gibi muazzam bir değere sahiptir. Peki proton bu ekstra kütleye nasıl ulaşır?

Protonun böyle büyük bir kütleye ulaşabilmesi, onun içinde muazzam bir hareketlilik var olmasıyla olasıdır. Yani proton içinde muazzam bir enerji depolanmıştır ve E = mc2 formülüne göre ortaya çıkan nükleer enerji bu güçlü-etkileşim etkisinden kaynaklanmaktadır.

Ancak 2 ve daha fazla protonlu elementlerin oluşumları, nötron adı verilen bir başka atom-altı-öğenin katılımıyla mümkün oluyor. Yani temel kimyasal elementler, nükleon adı verilen proton+nötron yığışımlarından oluşuyorlar.

Atom çekirdekleri femtometre ölçekli çok ama çok küçük boyutludurlar. Ve bu çok küçük boyutlu sistemlerde ise, doğadaki tüm enerji miktarının %99.2sine yakınını kapsayan strong-force = güçlü etkileşim sistemi depolanmış bulunmaktadır. Çekirdeğin çevresindeki angström boyutlu elektron bölgesinde ise doğadaki enerjinin sadece binde 8ine yakın diğer kısmı bulunur.


2.gifŞekil 96: Atom çekirdeklerinde proton ile nötron arasında sürekli bir enerji alış-verişi vardır. Bu sayede çok sayıda proton bir arada tutulabilmekte ve doğadaki yaygın 92 element oluşumu mümkün olmaktadır.


 Protondaki kütle artışı, kuarkların kinetik ve potansiyel enerjileriyle, strong-force = güçlü etkilşim faktörü gluon’un etkileşimleri sonucu oluşmaktadır. (Bak: Dove, J., Kerns B. et al. 2021 The asymmetry of antimatter in the proton. Nature Vol 590, 25 February 2021, 561-573)


3.pngŞekil 97: Proton ile nötron arasında sürekli bir madde – anti-madde çifti şeklinde enerji alış-verişi yapılarak, doğayı oluşturan temel elementlerin oluşumu sağlanmaktadır.


Yani protondaki (ve de nötrondaki) kütle artışının nedeni, onların içinde çalışan-işleyen muazzam fabrikanın bulunmasıdır. Bu fabrika “Quantum-Chromo-Dynamic” adı verilen ve doğadaki enerjilerin &99.2sine yakın muazzam bölümünü içeren “strong-force = güçlü-kuvvet” sistemidir. Maddelerin en temel bileşeni olan kuarklar birbirlerine renk-enerjisi denilen bu güçlerce bağlanır. Onların hareketlerinden oluşan kinetik ve potansiyel enerjiler proton ve nötrondaki kütle artışını sağlar.

Nükleon adı verilen proton ve nötronların “quark”  adı verilen daha ufak öğelerden oluştukları anlaşılır. Bu kuarkların ise başlı-başına kendi içlerinde bir “hayat-döngüsüne” sahip oldukları ortaya çıkar. Kuarklar, color-charge (renk- yükü) denilen ve gluon adı verilen kuvvet taşıyıcısıyla aktarılan sürekli bir enerji-değiş-tokuşu içindedirler. Gluonların aktardıkları bu enerjiler kuarkların sürekli bir “renk”-değişim-dönüşümü içinde olmalarına yol açar.

Yandaki animasyonlu şekilde, çekirdekteki proton ve nötron arasındaki etkileşimler yansıtılmaktadır. Görüleceği üzere, proton ile nötron arasında sürekli bir enerji alış-verişi var. Bu enerji alış-verişlerinde madde – antimadde oluşumlarının da bulunması, atomlar aleminde canlılığın başlangıcındaki anizotropik durumun devrede olduğunu gösterir. Bu etkileşimler sırasında pion adlı bir kuvvet aktarıcısı da ortaya çıkar ve proton ile nötronu bir arada tutar.

Yukarıda “dikkat edilmesi gereken bir nokta” olduğu ve “bu üç kuarkın kütleleri toplanırsa bir proton kütlesi oluşturamadıkları belirtilmişti. Peki proton (veya nötron) kütlesi oluşturmak için nereden yatırım yapıldı? Sorusu sorulmuştu.

Bu sorunun yanıtı, yukarıda açıklanan “güçlü-etkileşim” sisteminde verilmiştir. Gluon adlı yapıştırıcı sisteme o kadar enerji yatırımı yapılmıştır ki, bu yatırım proton ve nötronların kütlelerinin artırılmasına yaramıştır.

Görüleceği üzere, doğadaki olaylar ve işlemler varlıklar arası etkileşimlerle sağlanıyor. Etkileşimler ise varlıklar arası karşılıklı uzlaşmalarla (rezonans), varlıklar-arası bilgi oluşumlarına dayalı rahatlama çabalarıdır.

Görüldüğü üzere, atomların içinde sürekli bir canlılık döngüsü sürmektedir. Atom çekirdeklerindeki proton ve nötronların içleri kaynayan kazanlar gibidir. Proton içindeki kuarklarla nötronlar içindeki kuarklar arasında sürekli bir enerji-değiş-tokuşu vardır.

Bu süreç içinde madde-antimadde arası bir değişim-dönüşüm gerçekleşir. Yani asıl hayat, bedenlerimizi oluşturan atomların içinde yaşanmaktadır. Yaşam onların içinde başlar ve enerjinin maddelere bağlanarak çeşitli doğal ürünlere dönüşmesiyle çeşitlenerek devam eder.

Ama doğada herşeyin sürekli değişim-dönüşüm içinde olması gibi, hem protonların içinde, hem nötronların içinde, hem de proton-nötronlar arası ilişkilerde sürekli bir değişim-dönüsü oyunu sürmektedir.

Devamı var.

Bir Cevap Yazın

Please log in using one of these methods to post your comment:

WordPress.com Logosu

WordPress.com hesabınızı kullanarak yorum yapıyorsunuz. Çıkış  Yap /  Değiştir )

Twitter resmi

Twitter hesabınızı kullanarak yorum yapıyorsunuz. Çıkış  Yap /  Değiştir )

Facebook fotoğrafı

Facebook hesabınızı kullanarak yorum yapıyorsunuz. Çıkış  Yap /  Değiştir )

Connecting to %s

This site uses Akismet to reduce spam. Learn how your comment data is processed.

%d blogcu bunu beğendi: