ANTİMADDE
Frank Close
Çeviren: Zeynep Alpar
A B O Ğ A Z İ Ç İ
Ü N İ V E R S İ T E S İ \ / Y A Y I N E V İ
© 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 sa k lıd ır. ISBN 978-605-4787-56-2
BÜTEK B oğaziçi E ğitim T u riz m T e k n o p a rk U y g u la m a ve D an . Hiz. S a n . Tic. A.Ş.
B oğaziçi Ü n iv e rsite si 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 e rs ite s i Yayınevi B oğaziçi Ü n iv e rsite si U ç a k s a v a r K a m p ü s ü G a ra n ti K ü ltü r M erkezi, A rk a G iriş E ti le r / İ s 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 fa k s: (212) 257 87 27 S e rtifik a No: 10821
G enel Y ayın Y önetm eni: M u ra t G ülsoy Y önetici E d itö r: E rg u n K ocabıyık B a sk ıy a H a zırlay an : M eltem Aravi
K a p a k T a sa rım ı: K erem Yeğin B ask ı: A car B a s ım ve C ilt S a n a y i T ic a re t A.Ş.
B e y sa n S a n . S ite si B irlik C ad ., No: 26 A car B in a sı, H a ra m id e re , İ s ta n b u l
Telefon: (0212) 422 18 00 S e rtifik a No: 11957
Teşekkür, ix
1. ANTİMADDE: GERÇEK Mİ KURGU MU?, 11 A ntim adde D ünyaya Ç arptı 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 u antu m E lektronu, 30 ❖ Spin Y apan 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 ❖ S onsuz Deniz, 50 ❖ Pozitif E lektron d a Ne?, 53.
4. KOZMİK BİR KEŞİF, 58
P ozitronun 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 n tik uarklar, 80 ❖
K u arkla A n tik u ark K arşılaştığında, 85. 6. ANTİMADDEYİ DEPOLAMAK, 87
7. AYNA EVREN, 107
Z am an d a Geriye G itm ek mi?, 107 ❖ Acayip P arçacıkların 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 S arm ak, 125 ❖ N ötrinolar, 127 ❖ Kıyamet m i? 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 A ntim adde, 141 ❖ Fantezi Peşinde: A ntim adde Bom bası, 144 ❖ A ntim adde: Tam Gaz İleri, 146 ❖ A ntim adde: Gerçek
S an ılan Kurgu, 150 ❖ A ntim adde F abrikası, 154.
EK 1: A ntim ad denin Maliyeti, 156 EK 2: “Dirac K od u”, 158
K aynakça, 165 Dizin, 167
Bilim üzerine ders verdiğim ve p ro g ram lara katıldığım otuz yıl b oy u n ca h e r şeyden çok an tim ad d e h a k k ın d a so ru so ru ld u b an a. 4 Ekim 2007’de BBC Radyo 4 ’te y ay ın lan an Irı
Our Time p ro g ram ın d a Melvyn Bragg, Val G ibson ve R u th
G regory’yle an tim ad d e h a k k ın d a k o n u ştu k . Bu yayının ard ın d a n , antim addeye d air bilgi ve h a b e r so ra n pek çok e-p o sta ve m ek tu p aldım . B u n la r a ra s ın d a ra h a tsız edici yeni bir özellik vardı: an tim ad d ed en silah yapılacağına, feci yıkım lar y aşan ac ağ ın a, ve D an Brow n in , sözüm o n a CERN’de yapılm ış b ir an tim ad d e b o m b asının b aşrolde olduğu M elekler ve Şeytanlar k itab ın ın ABD o rd u s u n u n çalışm aların d an ilham aldığına inan ıy o rd u in san lar.
Bu olaylar b an a, d u ru m u n etleştirm ek ve te k ra r eden so ru la ra bir cevap su n ab ilm ek am acıyla b u kitabı y azm a ilham ını verdi. Bu süreçte, o rd u d a y ap ılan işin gerçeğine ve k a n d ırm acan m b ir k ısm ın a n ed en olan havalı sa ç m a lıklara d air birçok şey öğrendim . Kelimeleri kalem e alan ben olsam da, b u ra d a k i bilgiler yıllar b o y u n ca birçok m e s lek taşım la yaptığım ız soh betlerd en geliyor. Verdiğim sayı ları kontrol eden, m üsveddelerdeki bazı h a ta la rı düzelten ve benim le an tim ad d e h a k k ın d a u z u n u z u n k o n u ş a n Rolf L an d u a’y a özellikle m üteşekkirim . B etsy Devine, George Kalm us, M ichael M arten ve editörü m L ath a M enon, h a zırladığım ta sla k la rın tam am ın ı veya bir b ö lü m ü n ü o k u dular, önerilerinin b irçoğ un u k ita b a k attım . A ntim adde a ra ştırm a la rın a d air m ak alelerinin kopyalarını veren Ge rald S m ith ’e, u zatılm ış pozitronyum h ak k m d ak i gö rü şm e lerimiz için S tan B rodsky ve T h orn to n G reen land ’e, b a n a şiiri g österen ve m addeyle an tim ad deyi “H abille Kabil kardeştir; o nların ebeveyni İlk Ebeveyn’dir (Büyük P atla ma) ; ve b ir k ard eşi diğerini ö ld ü rü r” diye a n la ta n K athryn
M aris’e ve kaydetm ediğim y orum larıyla yazdıklarım ı şe killendiren, CERN’deki ve Oxford’daki m eslek taşlarım a te şe k k ü r ederim .
1
A N TİM AD D E: G E R Ç E K M İ, KUR G U M U?
“Karşı kon ulm az bir kuvvet, y erind en kıpırd ay am ay an bir nesneyle k arşılaştığ ın d a ne o lu r?” Evrenin gizemleri söz k o n u s u o ld u ğ u n d a lafı dolandırm azdı babam ; n asıl Isa- ac Newton bir tek h a re k e t k a n u n u y la , B eethoven b ir tek senfoniyle yetinm em işse, b ab am ın d a bird en fazla s o ru su vardı: “D o k u n du ğu h e r şeyi yok eden bir m addeyi nerede tu tab ilirsin ?”
Bir şeyin önce içine k o n d u ğ u kab ı y u ta c a k olm ası fikrinin m ü th iş a n la m la n var: Neden b u n u n la k alsın ki? Böyle bir şey, içinde b u lu n d u ğ u h ap ish an ey i yok edip k açtık ta n so n ra çevresini de özgürce silip süpürebilecek, k arşısın a çıkan h e r 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 e r birimizi de dah il ederek. S ahiden de k â b u s la n n ve k o rk u edebiyatının k o n u s u k a rşı ko nu lm az bir güç o lu rd u bu.
Cevabın ş u o ld u ğ u n a k a ra r verdim : b ab am ın so ru ları bir k u rg u y a dairdi. Yanılmışım.
Karşı k on u lm az kuvvetlerin yerind en kıpırdayam a- y an nesnelerle k arşılaşm ası fikri so n su z lu k kavram ıyla o y n aşan b ir k u rg u d u r: Filozoflar birbiriyle rek ab et h a lindeki iki so n su z lu ğ u n do ğu rd u ğ u p ara d o k sla r ü s tü n e fikir yü rütebilirler, b u p ara d o k sla r “benim so n su zlu ğ u m sen in k in d en b ü y ü k ” diye çözülür. A ncak h e r şeyi tü k e te n şey b a ş k a b ir m addedir, kelim enin ta m anlam ıyla, b u n a an tim ad d e (m adde karşıtı) denir. Bilim k u rg u yazarlarının pek sevdiği b u şeyin varlığı yine de gerçek, var olm asının
an lam ıy sa b ü y ü k tü r.
A ntim adde, m ad d en in tu h a f, a ltü s t olm uş gölgesi dir; b ir şeyin tıpatıp aynı olan eşi, ay n ad ak i ak si gibi, sol, sağ olur, pozitif negatife döner. D öküm alındığında geride k alan kalıp gibi, m adde ve an tim ad d e gerçekliğin yirı ve
y a n g ’ıdır. Deniz k e n a rın d a b ir çocuk k u m d a n kale y ap
m a k için ıslak, sert ve k atı k u m d a bir ç u k u r kazdığında, kale m addeyi tem sil eder, ç u k u r d a antim addeyi.
H erhangi bir cisim, an tim ad d e ikiziyle k a rşıla şa c a k olsa, b u n la rın birbirini ta m am lay an özellikleri b ir ölüm d an sı içinde birbirini g ö tü rü rd ü . A ntim addenin m addeyi göz açıp k ap am ay a k a lm a d a n o rta d a n k ald ırm a k o n u s u n d a k i parlayıcı kabiliyeti, o n u n cazibesinin sırrıdır. An tim adde sah id en de m adde karşıtıdır.
Böylesine tu h a f b ir şeyin belki de var olabileceği fikri ortay a atılalı sek sen yıl, b u n u n “pozitron” diye bilinen ilk örneği gözlemleneli ü ç çeyrek yüzyıl oldu.
Neyse ki h â lâ buradayız, zira an tim ad d e son derece end er bu lu nu yo r, aslın d a neredeyse yok denecek k a d a r az, ve b u n u n bir p arça sı m addeyi yokluğa sürü klediğ in de, an tim ad d en in kendisi de yok oluyor. G özlem lenen o ilk an tim add e zerresi ço ktan o rtad a n kayboldu, sadece bir ta n e ato m u n te k bir elek tro n u n u yok edip gitti. Şu koskoca evrende, bilebildiğimiz kadarıyla norm olan m ad dedir, an tim ad d e değil. A ntim addenin yok oluşu, B üyük P atlam a’m n ard ın d a n gerçekleşen ilk olaylardan biri gibi görünüyor. B ugüne k alan m addi evrende, an tim add e ile m adde a ra s ın d a çok u z u n zam an önce y a ş a n a n B üyük İm h a’n ın a rtık la n var; b u n u n kalıntısı, o m uazzam olay d a n on dö rt m ilyar yıl so n ra k âin atı d o ld u ran “m ikrodalga ark ap lan ı”, yani elektrom anyetik radyasyon. Kötü ad am öldü; m adde kazandı; m adde ve an tim ad d en in birbirini dengeleyen so n su z lu k la n arasın d a , so nsu zlu ğu d a h a b ü y ü k olan, m addeydi.
Peki y a bazıları kalm ışsa, evrenin enginliği içinde bir yerlerde h â lâ sessiz sessiz sak lan ıy o rsa ve uzayd ak i ge zintilerim iz sıra sın d a biz de o n u n la k arşılaşırsa k ; y a d a
b u n u n bir kısm ı kozm ik ışın larla göklerden yağ arsa, o zam an ne olur? A raba b ü y ü k lü ğ ü n d e b ir hacim , içi an- tim addeyle dolu olsa, d ü n y an ın h e r yerind en görünebile cek koca bir p a tla m a yapardı. Böyle bir şey olacak olsa, o zam an an tim ad d e gerçekten de b ab am ın s o ru s u n a örnek olurdu, a m a neyse ki benim hayalim de canlandırdığım şekilde h e r yeri fetheden bir o rd u gibi yayılm a ve yok etm e özelliklerine sah ip değil antim add e. A ntim adde sah id en de m addeyi yok ediyor, am a kendi k en dini de yok etm e p a h a s ın a yapıyor b u n u ; işgal ettiği bedeni ö ld ü rü rk en k e n di k endini de yok ed en k a n s e r gibi b ir şey. D ünyam ızda yok ettiği h e r bir m adde p arçasın ın , an tim ad d e için bedeli kendisin in de bir p a rç a sın ın yok olm asıdır. B u n u n so n u cu ani bir rady asyon p atlam ası, m u h a re b e m ey d an ın d an ışık hızıyla k a ç a n gam a ışınları olabilir, am a a n tim ad d e nin o lu ştu rd u ğ u te h d it o rta d a n k alk m ıştır artık. İşte b u yüzden hiç an tim ad d e kalm ıyor, en azın d an b u rala rd a: m uzaffer m adde, an tim ad d e n in h ep sin i yok ettiği için.
Dolayısıyla antim add e, K urt V on neg ut’u n Kedi Beşiği ro m an ın da, k a rş ıs ın a çıkan tü m sıvıları d o n m u ş k a tila ra çeviren k u rg u sa l s u “b u z dokuz”u n feci bir versiyonu gibi değildir. K itapta önce birkaç s u birikintisi, ard ın d a n de reler, nehirler, s o n u n d a d a d ü n y an ın o k y an u sları “b ü y ü k bir vvraoom f’la d onar. A ntim addenin yapabilecekleriyse sınırlıdır. Yine de an tim ad d e n in değdiği ve yok ettiği h e r şey, bizim bildiğimiz b ü tü n b a ş k a şeylerden d a h a patlayı cı b ir etkiyle enerji açığa çıkarır.
ANTİMADDE DÜNYAYA ÇARPTI MI?
Eğer an tim ad d e evrenin b a ş k a b ir yerinde m evcutsa, a r a d a sırad a gelip d ü n y ay a çarp m asın ı bekleriz. Dört m ilyar yıllık tarihim iz içinde böyle bir şey o lm u şsa eğer, b u n a d air b ü tü n izler de çok tan yok o lm u ştu r; m eteoritler ç a rp tıkları yerlerde k ra te rle r o lu ş tu ru r ve b u n la rın çevresinde dü n y ay a a it olm ayan m addeler h â lâ b u lu nabilir, a m a a n tim adde b ir a n d a yok olacaktır. A ntim adde ça rp m a sın a
d air tek k an ıt, çaptığı e s n a d a o lu şaca k ta h rip k â r p a tla m a o lu rd u ve son bir milyon yıla k ad ar, böyle b ir şey old uğ u n u bize a k ta ra c a k kim se de olmazdı. Ama, sadece bir asır önce, 1908’in H aziran ayında, hiçbir zam an ta m olarak açık lan am ayan , m eraklılarının d ü n y a d ışın d a n gelen a n tim ad de ile çarp ışm an ın en y ak ın tarih li örneği o ld u ğ u n d a ıs ra r ettiği bir şey oldu.
M oskova’n ın 1500 kilom etre d o ğ u su n d a, kuzeyde Kuzey Buz D enizi’n d en güneyde M oğolistan’a, U ral dağla rın d an M an çury a’y a u z a n a n , n ü fu s u n çok seyrek olduğu, Batı A vrupa’n ın ta m a m ın d a n d a h a geniş b ir alan vardır. B u yalnız k ıtan ın u zak kalbinde, T ung uzk a n eh rin in saklı vadisi b u lu n u r. Nehir, yaz ay larında, so n su z çam ağaçları a ra s ın d a rengeyiklerinin otladığı o rm a n la rd a ayı ve geyik avlayarak h a y a tta kalan , T u nguzlar diye k ü ç ü k bir etn ik g ru p ta n alır adını.
30 H aziran 1908 g ü n ü h av a b u lu tsu z ve güneşliydi. S ab ah s a a t sekizde çiftçi Sergey Sem enov evinin önü nd eki b a sa m a k la rd a o tu ru rk e n gökyüzünde d ev asa b ir p a tla m a oldu. Sem enov d a h a so n ra bilim in san ların a, ateş to p u n u n g ü n eşin ışığını bile koyu gösterecek k a d a r p a rla k ve gömleği için “neredeyse v ü c u d u m u n ü s tü n d e y a n a c a k tı” diyeceği k ad ar, k o m ş u s u n u n g ü m ü ş çatal-bıçak ta k ım la rını eritecek k a d a r sıc a k tı.1 B u n d a n bile d a h a o la ğ an ü stü olarak, bilim in san ları so n ra d a n olayı araştırd ık la rın d a, p atlam a n ın Sem enov’d a n neredeyse 60 kilom etre u z a k ta o ld u ğ u n u anladılar. Bir b a ş k a çiftçi, Vasili İlyiç ise “or m anı, rengeyiklerini ve diğer b ü tü n hay vanları yok ed en ” m u azzam bir yangın o ld u ğ u n u söyledi. O ve birk aç kom ş u s u n e o ld u ğ u n a b ak m ay a gittiklerinde geyiklerden b a zılarının k öm ürleşm iş k alıntılarını b u lm u şlar, geri k alan h e r şey tam am en o rta d a n k ay b o ld u ğ u n u görm üşlerdi.
Göz k a m a ştıra n ateş to p u saniyelerle ölçülecek bir zam an dilim inde güney do ğ u d an kuzey b atıy a geçti. D ü n y an ın h e r ta ra fın d a sism ik dalgalar kaydedildi, R usy a ve
A vrupa bo y u n ca atm osfere b asın ç dalgaları yayıldı. P atla m a 700 kilom etre u z a k ta bile g örüldü ve strasto sfere öyle çok d u m a n ve toz yayıldı ki gü n eş ışığı y erk ü ren in p arla k y ü zü n d en d ü n y a n ın gölge k ısm ın a k a d a r yansıdı. D ü n y an ın d örtte biri k a d a r u zak ta, ta L ondra’d a g ü n erken doğdu, ç ü n k ü gece y arısı gökyüzü s a b a h 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 p arla m ası T ennessee, P ensilvanya ve T oronto’d a n görülecek, gök g ü rü ltü s ü Doğu Y akasın dan, güneyde A tla n ta’d an ve b a tıd a Kayalık D ağlar’d an bile du yu lacaktı. Normale d ö n ü ş iki ay aldı.
U zaydan gelen bir şey atm osfere girm işti. Böyle şeyler d a h a önce de o lm u ştu , A rizona’daki d ev asa m eteor k rate ri de b u n u gösteriyordu m esela, bir k ay a p arçasın ın , k ü ç ü k bir asteroidin d ü n y ay a çarp m asın ın s o n u c u n d a o lu şm u ş tu b u k rater. F ak at T u n gu zk a olayı diye an ılan olay d a h a başkaydı; yıllar so nra, ilk m acerap erest araştırm acılar 1927’de Çekoslovakyalı bilim in sa n ı Leonid Kulik ö n cü lü ğünde o u z a k bölgeye vardığında açıklık k azan dı bu. Eğer bir asteroid olsaydı gelen, G üneş S istem i’n d e n b ir ta ş k it lesi gelip de d ü n y ay a çarpm ış olsaydı, b u hikâyeyi bize gösterecek bir delik olm ası gerekirdi yerde. F ak at hiçbir k rater izi yoktu. Tam p a tla m a n ın olduğu yerin h iz asın d a geniş bir ç a m u r düzlü ğü o ld u ğ u n u gördüler, san k i bin tan e buldozer, L ondra k a d a r b ir şeh rin tem ellerini atm ak üzere orm anı d ü m d ü z etm işti. B u kasvetli sahneyi, y a n mış ağaç gövdelerinden b ir h a lk a çevreliyordu. B u n u n ard ın d a n ağ açlar p a tla m a n ın d arbe dalgasının etkisiyle kibrit çöpleri gibi dağılm ış, k a rm a n ç o rm a n b ir k asırg a ta rafından yere serilm işlerdi. H ayat ta m am e n yok olm uş, çeyrek yüzyıldan u z u n zam an b o y u n ca d a öyle kalm ıştı. O ta rih ten so n ra, bölgedeki to p rak otuz m etred en d a h a de rine k a d a r kazıldı, a m a m eteorit m addeye veya b u istilaya d air h erh an g i b ir ize rastlan m ad ı.
O gü n D ü n y a’y a ç a rp a n h e r n e idiyse, kayıplara k a rışm ıştı. 1965’te bir fizikçi, bir kim yacı ve b ir jeofizikçiden o lu şan bilim in sa n la rı ü ç lü s ü o ra d a n e o ld u ğ u n u n ih a i
olarak saptayabilm e u m u d u y la b ü tü n delilleri inceledi. A yakta kalabilm iş tek tü k ağ açlar üzerinde yap ılan incele mede, b u ray ı v u ra n d arbe dalgasının izleri görüldü. O lu şa n rü zg ârın kuvvetine d air bir fikir veriyordu bu; ağaçları ne m ik tard a enerjinin yakacağı d a hesap lanab ilir. D ü n y a n ın m an yetik alanının b u olaydan etkilendiğini gösteren k ay ıtlar var, sism om etreler de b u deprem etkisin in g ü c ü n ü kaydetm iş.
Işık p arlam asın ın parlaklığına ve sü resin e d air a n la tım lar d a h e s a b a katılm ış. Neredeyse bir milyon m ilyar ju l enerjinin, birkaç saniye içinde salm dığı so n u c u n a v arm ış lar; bu, İngiltere’n in tam am ın d a, bir saatte h a rc a n a n en er jiye den k sayılır2 ve nü k leer p atlam a etkisinde olacaktır.
Olay b u g ü n y a şa n a c a k olsa in sa n yapım ı bir n ü k leer sila h ta n şü p h e edilirdi tabii; fak at 1908’de, b u g ü n n ü k leer fizik diye bildiğimiz k o n u n u n ortay a çık m asın a d a h a onlarca yıl vardı. Eğer b irtak ım n ü k le er to h u m ların bu felakette gerçekten payı v a rsa b u n u n için doğal bir n e den aran m alı. P atlam an ın şeklinde ve olay yerinde hiçbir m addi k alıntı b u lu n am ay ışı gibi açık k an ıtlar, çapı a n ca k bir m etre k a d a r olan k ü ç ü k bir an ti-k ay a h alindek i a n ti m ad d en in d u ru m d a n so ru m lu olup, ato m ların çekirdek leri de dahil olm ak üzere h e r şeyi yok etm iş olm asıyla tu tarlıdır. Adli tıp k an ıtların ı d a h a sonra, antim addeye d air bilinenleri öğrendiğimizde inceleyeceğim.
KUVVETLİ ANTİMADDE
T ungu zk a olayının bü yü k lü ğ ü , an tim ad d e n in içinde giz li kuvveti h atırlatır. Eğer b ir m ik tar m adde yakıtınızsa, an tim ad d e b u n u n içindeki enerjiyi, en azın d an k u ra m sa l olarak, doğada d a h a ötesi b u lu n a m a y a c a k şekilde dışarı çık aracak olan kıvılcımdır.
2 E nergy C onsum ption in th e UK (İngiltere’de E nerji T üketim i), d ti ra p o ru , 8. say fad a tü k e tim m ik ta rı kilogram p etro l o larak veriliyor; bkz: <h ttp :/ / b e rr.g o v .u k /file s /file l 1250.p d f> 1 kilogram petro l = 5,3 x 107 J u l.
B üyük P atlam a’d a m ad d en in o lu şu m u s ıra s ın d a çok b ü y ü k m ik tard a enerji, d ü n y a üzerindeki h e r şeyi m eyda n a getiren ato m ların içindeki p arça cık la rd a k atılaştı. Kim yasal ve n ü k le er reak siy o n lard a b u parçacıklar, içerideki o enerjinin b ir b ö lü m ü n ü n açığa çıkacağı şekilde yeniden düzenlenir, a m a b u p atlam a ların en kuvvetlisinde açığa çıkan m ik tarlar bile, m ad d en in m ilyarlarca yıl önce do ğarken içine hap settiğ i enerjiye k ıyasla devede k u la k ta n dah i k ü ç ü k kalır.
C anlılar kim yasal m adde fabrikalarıdır; kendilerini o lu ştu ra n k arbo n, oksijen ve b a ş k a elem entler arasın d a k i reaksiyonlarda enerji açığa çıkarırlar. B edeninizin sıcak lığı ile bir p a tla m a n ın d arbe d algasın ın g ü cü a ra sın d a k i fark esasen sürelerle ilgilidir. B edenlerim izde enerji yavaş yavaş, v ü c u t sıcaklığı olarak salınır, sağlıklı b ir in s a n d a bu sıcaklık aşağı y u k arı 37 sa n tig ra t derecede k o ru n u r, ateşim iz çıktığı sırad ay sa, virüs gibi istenm eyen işgalciler le m ücadele etm ek için reaksiyo nlar hızlan dığ ın dan dolayı birazcık d a h a sıcak oluruz. K im yasal b ir reaksiyon d a asıl olarak b u n d a n farklı değildir, aynı şeyin d a h a hızlısıdır o kadar. Sıkı b ir yem ek yem ek sizi birkaç s a a t idare eder, om a b u sü re, söz k o n u s u enerjiyi bir m ilisaniyede verecek k ad ar sık ıştırılacak olsaydı so n u ç kelim enin ta m an lam ıy la patlayıcı olurdu.
Alışıldık ro ketler ve h a tta en b ü y ü k kim yasal p a t lam alar, etkileyici g ö rü n seler de, ato m lard a kilit a ltın d a b u lu n a n en erjin in a n c a k m ilyarda birini açığa çıkarabili yorlar. A tom un en erjisinin çoğu çekirdeğinde depolanıyor ve o n ü k leer kıvılcım tu tu ş tu ğ u n d a H iroşim a ve Nagaza- k i’deki kuvvet çıkıyor ortaya, ki kim yasal patlayıcıların gücü b u n u n y a n ın d a hiç kalıyor. Ama o rad a bile, var olan enerjinin b in p a rç a sın d a n a n c a k biri salm m ıştı. Füzyon reak siyon larınd a (G üneş’in ve hidrojen bo m b asın ın gücü b u n la rd a n gelir, bilinen en kuvvetli p a tla m a la r bunlardır) dahi, m a d d en in içindeki toplam enerjinin sadece yüzde bir k ad arı kullanılır. H epsini açığa çıkan verm ek için o enerjiyi çok zam an önce m a d d en in içinde k a tıla ştıra n s ü
reçleri te rsin e çevirmemiz gerekir.
A ntim addenin yapabileceği şey işte b u d u r. Bir kilog ram an tim ad d e n in yok edilmesiyle, bir kilogram TNT’nin patlatılm asıyla ortaya çıkan enerjinin aşağı y u k arı on mil y ar k atı açığa çıkar. H er kilogram yak ıt b a ş ın a b u m iktar, n ü k le er fisyonun üretebileceğinden bin kat, n ü k le er füz y o n u n üreteceğind en ise yüz k a t d a h a fazla enerjidir.
Uzay Yolu’n d a olduğu gibi, a n tim a d d e n in u zay ge m ilerinin u ltra-etk ili enerji kaynağı olduğu b ilim k u rg u da, antim ad deye d u y u la n h ayran lığın n ed en i işte b u ra d a y a ta r. NASA’daki enerji a ra ş tırm a p ro g ram ların d a gerçekten gerçek dışı olan d ü şü n c e le re k o n u o lm u ştu r an tim ad d e. T artışm asız en gü çlü silah o lacak olarak a n tim ad de bom basıyla d a end işe y aratır. Eğer H iroşim a’d a ve Bikini M ercan Resifı’n d e E = m c2 ü zerin d en m a d d en in sadece binde b irinin neye yol açabileceğini gördüysek, b u ra d a k i g ü cü n ta m am ın ı açığa ç ık arm an ın so n u çları ta h m in bile edilemez.
O halde, Ekim 2004’te S a n Francisco Chronicle’da y a yım lan an ve “ABD H ava Kuvvetleri gelecekte silah lard a radikal b ir güç kaynağını, s ıra d a n m ad d en in esrarengiz ‘a y n a s ı’ olan antim addeyi k u lla n m a yollarını a ra ştırm a k için sessiz sedasız m ilyonlarca dolar harcıyor” diye bir h a b e r p a tla ta n yazı k a rş ıs ın d a şaşırm am alıyız belki de. H aber d ü n y ay a yayıldı ve H in d ista n ’d a b u id dia y ü k selti lip, sad ece ABD h av a kuvvetlerinin değil, “p ek çok ülkede s av u n m a uzm anı bilim in s a n la rın ın ] an tim ad d e silah sis tem leri üzerine çalışm ak ta” olduğu, b u sistem lerin “in s a n ın elinde tutabileceği k a d a r k ü ç ü k ” olduğu yazıldı.
A ntim adde bilim kurgu ala n ın d a çok popüler, a m a b ir o k a d a r d a gerçek ve b u n o k ta d l. gö rü n en o ki o rd u s a h i , den de an tim ad d e silahları geliştiriyor. B u k ita p ta tem el am açlarım d an biri, an tim ad d e hikâyesinde k u rg u ile ger çeği birb irind en ayırt etm eye girişm ek.
ANTİMADDENİN SIRLARI
O rd u n u n en so n m aceracılıklarına d air h ab erler doğ ru y sa, ABD H ava Kuvvetleri an tim ad d e silahları geliştir m ekte. Bu hikâyeler, F lorida’daki Eglin H ava Ü ss ü ’nde b u lu n a n M ühim m at D airesi’nde “devrim ci m ü h im m a t” ekibinin b a ş ın d a b u lu n a n K enneth E d w ard s’m 24 M art 2004 tarih li k o n u şm a sın d a n filizlenmiş gibi görünüyor. Arlington, V irginia’d a düzen lenen N asa İleri K avram lar E n s titü s ü (NASA In stitu te for A dvanced C oncepts, NIAC) K onferansı’n m açılış k o n u şm asın ı y a p a n E dw ards pozit- ronlarm , yan i an tim ad d e n in tem el p arçacık ların ın po tansiyel kullan ım ların ı tartıştı. E d w ard s’m an tim ad d e n in potansiyelinin ta m am e n fark ın d a o ld 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 “d ü şü n cey e a d e ta m eydan ok u y an ” k o n u ş m asın d a, görülem eyecek k a d a r k ü ç ü k an tim ad d e zerre lerinin d ah i 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 C ity’de Alfred P. M urrah B in a sı’n d a 168 in sa n ın ölü m ü n e ve 500’den fazla in sa n ın y a ra la n m a sın a n ed en olan (FBI’a göre y ak laşık 1800 kilogram TNT’n in kullanıldığı) p atlam ay a eşit b ir infilak y aratm ay a yeterdi.
G azete h ab erlerin i o ku yan lar, b u silah sistem leri için “yok edicidir” ve “yıkım ın seviyesi hayal edilem ez” dendiği ni gördüler; “öyle o lacak” veya “olabilir” d ah i denm iyordu, sadece “dır” ve şim diki zam an vardı, san k i b u araç ların yapım ın a şim diden b aşlan m ış gibi. A ntim adde silahları çevreye d o st gibi su n u lu y o rd u : s ıra d a n atom bo m b ala rın ın aksine, pozitron bom baları “rad yo aktif a rtık la rd a n o lu şan gaz b u lu tla rı” y aratm ay ac ak tı,3 pozitron ve elekt
3 Keay D av id so n , S a n F rancisco Chronicle, 4 E k im 2004. E d w a r d s ’m s u n u m u n d a “N ü k leer K alıntı Yok” (“No N uclear R e sid u e ”) sözleri b ir k a ç defa, göze ç a r p a n kırm ızı h a rfle rle y azılm ıştı. Ş u r a 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 il e s /l ib r a r y /m e e ti n g s /f e ll o w s /M a r - 0 4 / K e n n e th -E d w a rd 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 <h ttp ://w w w .c ir c lin g .o rg /a r c h iv e s /0 0 0 0 2 2 .h tm l> a d re s i verile
ron ların yok o lu ş u n u n asıl ü r ü n ü olarak, görünm ez am a son derece tehlikeli bir g am a radyasyon p a tla m a sın ın rek lam ı yapılıyordu, b u şekilde “sivil n ü fu s a z a ra r verilm ek sizin çok sayıda ask er öldürülebilir”di.
Sa n Francisco Chronicle ’d a n gazeteciler so ru sorm aya
b aşladığında, H ava Kuvvetleri, söylenenlere b akılırsa, “ça lışanların ı an tim ad d e a ra ş tırm a program ı h a k k ın d a k a m u y a açıklam a y a p m a k ta n m en etti.” Komplo teorisyen- lerine göre an latılan hikâyelerin gerçek o ld u ğ u n u n kanıtı bu, dem ek ki elde m uazzam b ir yok etm e g ü cü n e sahip a n tim ad d e silahları var (en azın d an mecazen!).
B u iddiaların ard ın d ak i gerçek ne? Uygulam ayı bı rak ın , ilke b azın d a yapılabilirliği olan bir şey m i b u? Birinci Körfez Savaşı za m a n ın d a ortaya atılan, S addam H ü seyin’in soğuk füzyon sila h lar geliştirdiği id d iaların d an d a h a fazla gerçekliği var mı b u n u n ? 4
ABD Hava Kuvvetleri ve b u devletin diğer o rg an 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 ş tırm a şöhretin e sahip. Bir y ü k sek enerji fizikçisi olarak, ra d a r ve atom bom basın ın ü retilm esin in ard ın d a n , 1950ierde radyo astronom iye, n ü k le er fizik ve p arçacık fiziğine verilen devlet desteğinin sa f bilim sel am açla rd a n kaynaklanm adığ ını k ab u l etm ez sem sam im iyetsiz dav ranm ış olurum . Bilimin, ato m u n çekirdeğinden n asıl b ir enerji çıkarm ayı becerdiği görül m ü şk e n ve füzyon (hidrojen) bom baları ço k tan gelişti rilm işken, Soğuk Savaş dönem i sırf “bir so n rak i b ü y ü k b u lu ş ”u Sovyetler Birliği y apm ış olm asın diye bilim ve te k nolojide gerçekçi olm ayan fikirlere k a y n ak ayrıldığı b ir dö nem di. D ah a ak la yatk ın fikirlerin y an ın d a, şarlatan lığ a
bilir, b u site b e n z e r b a ş k a sitelere de b a ğ la n tıla r v e rm ek ted ir.
4 B u id d ia, S o ğ u k F ü zy o n h ile sin i o rta y a ç ık a ra n , a n c a k ta lih s iz b ir t e s a d ü fle s a v a ş ın b a şla d ığ ı g ü n y a y ım la n a n k ita b ım çıktığı s ır a d a ileri s ü r ü lm ü ş tü . BBC, k o n u n u n ço k h a s s a s o lm a s ın d a n e n d iş e e d e re k rö p o rta jla rı geri çekti. N ew York T im es d a h a s a ğ la m d u r a r a k b u s a k a n - d a lı b a ş s a y fa d a n verdi.
v aran lar d a m ev cu ttu. Telepati, psikokinezi5 ve yerçekim - sizlik boyası b u n la rd a n ü çüy dü ; dolayısıyla h ü k ü m e tlerin an tim ad d e silahları için an tim ad d e enerji k ay n ak ların ın k u llan ılm a ihtim allerini d ik kate alm ış olm ası m ü m k ü n . Az önce b ah settiğ im ü ç örneğin ak sin e, an tim ad d e için sağlam k a n ıtla r var, en azınd an 1939’d a n ü k le er fısyon için m evcut olan k a n ıtla r k a d a r sağlam k a n ıtla r b u n lar; nü k leer fısyonla atom b o m b asın ın geliştirilm esi u y g u lam alı bilim ve m üh endisliğin kuvvet gösterisi olm u ştu . N ükleer silah ların geliştirilm esinin başarılm ası, ABD’de strateji u z m an ların ın “yapılabilir” yaklaşım ını doğruladı. Dolayısıyla an tim ad d e cihazları gereken özelliklere sahip görün üy or ilk b ak ışta.
ABD H ava Kuvvetleri’n in belki elli yıldır, an tim a d denin tem el fiziğine d air çok sayıd a bilim sel ara ştırm a y a kay n ak sağladığı iddia edilm iştir. A vrupa’daki CERN ve ABD’deki Ferm ilab gibi açık la b o ra tu v a rla rd a an tim ad d e a ra ştırm a la rın d a kaydedilen ve 1996’d a n itib aren h a b e r lerde yer alm aya b aşlay an ilerlem enin ordu yu h arek ete geçirm iş olm ası d a h a m uhtem eldir. 2. ve 8. bölüm lerde an tim ad d e n in doğasını, tarih in i, taşıdığı im kânları ve sınırlılıklarım göreceğiz. Bu bilgilerle, son bölüm de a n ti m adde silahı projelerine d air id d ialara geri dö n ü p b u n la rı tartışacağız.
DOĞAL ANTİMADDE
Bir hacim o larak an tim ad de, b u ra la rd a çok k ü ç ü c ü k bir hacim halin d e b u lu n m a s a bile, bazı doğal sü reçler a n ti m a d d en in en b a sit örneği olan pozitronu, y ani elek tro n u n an ti-d ü n y ad ak i ay n asın ı k ısacık sü reler için üretiyor. E lektrik y ü k lü p arçacık ların en hafifi olan elektron b ü tü n m addelerin ato m ların d a m evcut o ld u ğ u n a göre, o n u n
5 H a re k e tin , özellikle c a n s ız n e s n e le rin ve u z a k ta k i şey lerin h a re k e tin in , p s iş ik k u v v e tle r k u lla n ıla ra k k o n tro l ed ilm esi id d ia sı —çev. notu.
an tim ad d e eşi olan pozitron d a potansiyel olarak a n tid ü n - yad ak i b ü tü n an tiato m ların elzem b ir p arçasıd ır. Bizim dü n y am ızd a elem entlerin birçoğu radyoaktiftir, ato m la rın ın çekirdeklerinde onları o lu ş tu ra n p arça cık la r d a h a k ararlı b ir 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 n asıl ki köpeklerin içinde b u lu n m u yorsa, o p ozitronlar d a söz k o n u s u atom ların içinde ö n ceden m evcut değildir; p ozitronu y a ra ta n , en erjin in açığa çıkm asıdır.
Pozitron ato m d an u ç u p gider ve a n c a k b ir elek tro n la k a rşıla şm a k ta n kaçınabildiği sürece v ar olur. D ü n y a mız a to m lard a n o lu ştu ğ u ve b u n la rın h ep sin in de içinde elek tro nlar olduğu için pozitron k ısa sü re içinde gidip bir elek tro n a to sla r ve b u birbirine d en k zıtların ikisi birlikte, b ir g am a ışını p a rla m a sın d a o rta d a n kaybolurlar, o gam a ışını p arla m asıy sa gözle görebildiğimiz tayfın çok d ışın d a k alan b ir ışık tan ib arettir. Lâkin özel cihazlar b u ışınları saptay ab ilirler ve b u im k ân tıp ta PET ta ra m a s ın d a k u l lanılır: b u n u n açılımı positron em ission tom ography, yani pozitron yayıcı tom ografidir.7 A ntim adde yok edicidir am a çelişkiye b ak ın ki kontrol a ltın d a k ullanıldığında can k u r tarabilir.
Doğa pozitronları d a h a b ü y ü k ölçekte, G ü n e ş’in m er kezinde ü retir. B u g ü n bize p arla y an günışığı kısm en, G ü n e ş’in m erkezinde yüz b in yıl k a d a r önce o lu şm u ş ve a n ın d a yok olm uş olan pozitronlar sayesindedir.
G üneş b ü y ü k ölçüde hidrojenden, y ani en b a sit ele m en tten olu şu r. Sıcaklığın on milyon dereceyi aştığı m er kezinde, hidrojen atom ları onları o lu ş tu ra n p arça cık la ra ayrışır, elektron lar ve p ro to n lar bağım sız ve rasgele et ra fta u ç u ş u r. P rotonlar zam an zam an birbirin e ç a rp a r ve
6 E n erji, b ir m a d d e p a rç a c ığ ı ve b ir a n tim a d d e p a rç a c ığ ı, y a n i p o z itro n o la ra k cisim leşir.
bir dizi sü reç so n u c u n d a birbirlerine bağlanıp, so n u n d a hely u m u n çekirdeğini o lu ştu ru rla r; helyum d a en b a sit ikinci elem enttir. B u füzyon reak siy o n u n d a n k alan k ü l d ü r helyum ; k ü tlesi on u o lu ştu rm u ş olan pro to nlarm kin- den d a h a azdır. Kaybedilen k ü tle enerjiye d ö n ü şm ü ştü r;
E = m c2 iş b aşın d ad ır, o enerji de işte gü n eş ışığıdır. Peki
pozitronlarm b u n u n la ne alak ası var? Bir helyum çekir değinde iki p roton ve iki elektron b u lu n u r. U ygun şa rtla r altın d a proton n ö tro n a dö nüşebilir ve enerji yayar, b u n u n bir b ölü m ü de pozitron o larak cisim leşir, d ü n y a d a tıp ta k u llan ılan pozitron yayıcılarda o lan lar gibi.
Pozitron ken din i G ü n e ş’in kalbinde b u lu r ve b u ra d a bol m ik ta rd a elektron vardır; pozitron a n ın d a yok olur ve gam a ışın ların a d ö n ü şü r. G am a ışınları ışık hızıyla kaçıp gitm ek isterler a m a için için k ay n ay a n b u yıldızı o lu ş tu ran , elektrik y ü k lü b ir s ü rü parçacık, elektronlar, p ro to n la r on ların ö n ü n ü keser. Bir o y a n a b ir b u y a n a sav ru lan , h a bire elek tro nlar ta ra fın d a n em ilen ve öncekinden d a h a az enerjiyle geri yayılan gam a ışın larının, yüz binlerce ki lom etre y u k a rıd a b u lu n a n yüzeye v arm ası yüz b in yıl s ü recektir. Böylece ışın lar epeyce enerji kaybeder; önce x ışı nı özelliğine, o n d an m orötesine geçer, so n u n d a d a bizim gözüm üzle görebildiğimiz gökkuşağı ren klerind e dönerler. Dolayısıyla günışığı, G ü n eş’in m erkezinde an tim ad d e ü r e tilm esinin ve k ısm en de b u n u n yok o lu ş u n u n so n u c u d u r. A ntim addenin ta rih tek i h ikâyesi değil b u sadece; G ü n eş’e g ü c ü n ü veren füzyon süreçleri siz b u n u o k u rk en de pozitron ü retm ek te ve o p ozitronlar siz d a h a cüm lenin s o n u n a v aram ad an yok edilm ekte. Tam ş u a n d a o lu şan gam a ışın la n şim diden y u k arıy a doğru dolam baçlı yolları n a çıktılar, b u g ü n d e n b in a sır so n ra yüzeye varıp dünyayı aydınlatacaklar.
Hikâyem izde göreceğimiz üzere, pozitron şeklindeki an tim ad d e pek çok in s a n ın san d ığ ın d an d a h a yaygın ola ra k m evcut. B u gü n tıp ta, teknolojide ve bilim de kullanılı yor pozitron. D oğanın en y ü k se k hız sın ın olan ışık hızıyla arasın d a , a n c a k s a a tte 50 m etre gibi k ü ç ü c ü k b ir fark
k a la n a k a d a r hızlandırılm ış b u lu n u y o r. Pozitron ayrıca, elektrik ve m anyetik a lan ların yönlendirdiği dem etlerde odaklanıp, m adde dem etleriyle çarpıştırılarak, b u n u n s o n u c u n d a o lu şan enerji şimşeğiyle, k ü ç ü k b ir hacim de kısacık b ir a n için, B üy ük P atlam a’nm ilk â n ın d a b ü tü n evrenin yaşadığı k o şu lla r y eniden üretiliyor. Yani a n ti m adde, h e r şeyin n ereden geldiğine d air o b ü y ü k so ru ları m ızın cevabını öğrenm em izi m ü m k ü n kılıyor.
Bir tek elek tro n u n yok edilmesiyle serb est kalacak m ik ta rd a enerjiyi, kim yasal b ir patlayıcının bir m ilyar d a n fazla ato m u a n c a k ü retebilir. Bir gram cık antim ad- deyi yok edin, iki düzine u zay m ekiğinin y ak ıt depolarını do ld u rac ak k a d a r enerji elde edersiniz. Pozitron enerji d ö n ü şü m ü , sa v a şta n k a z a n a n la rın çok ilgisini çeken dev rim niteliğinde bir enerji kaynağı, zira b u n u n yarım gra mı patlayıcı gücü olarak 20 kilotona, y ani H iroşim a’daki bom baya eşit.8
O halde, an tim ad d e üretilebilecek ve gerek d u y u la n a k a d a r saklan abilecek olsa, u zay sanayiinin ilgisini çeke cek güce ve ordu yu h ey ecan lan d ıracak silah lar için po tansiyele sah ip olm ası şaşırtıcı değil. B u im k ân ların fiilen a ra ştırılm a k ta o ld u ğ u n d an hiç şü p h em yok. B u k itap size an tim ad d e n in hikâyesini an latacak : an tim ad d e nedir, n a sıl keşfedildi, o n u n asıl yapabiliriz ve bize ne gibi im k ân lar su n u p n asıl teh d itler o lu ş tu ru r? Kitap, u zay m a cerala rı n ın yakıtı ve silah o larak an tim ad d e gerçeğini de o rtaya koyacak.
Bir an tim ad d e p a rç a sı görecek olsanız, o n u tanım azdınız; dış g ö rü n ü ş a d ın a hiçbir bak ım d an , s ıra d a n m add eden farklı görünm ez. Kendini o k a d a r iyi sa k la r ki aileden biri sanırsınız; d o k u n d u ğ u h e r şeyi yok etm e yeteneğiyle tam bir “iç d ü ş m a n ” olurdu. O halde n ed ir an tim ad d e? M ad denin tersi o ld u ğ u n u söylem ek dile kolay, am a a n tim a d denin ta m olarak n esi “te rs ”? A ntim addeyle k ısacık bir tem asın o n a d o k u n a n h e r şeyi u n u tu lu ş a sürükleyeceğini bilm ek b ü y ü k h ay ran lık u yan dırıyor da, antim add ey e b u gücü veren ne?
A ntim addeyi an lam ay a b a şla rk e n önce s ıra d a n m a d denin içine doğru b ir yolculuk yapm am ız lazım, m esela kendi içimize doğru. Kişisel özelliklerimiz DNAlarımıza, yani k a rm a şık m oleküllerden o lu şa n m in y a tü r sa rm a l la ra kodlanm ıştır. B u m oleküller de a to m lard a n o lu şu r, ato m larsa bir elem entin -m e se la k a rb o n u n , hidrojenin, d em irin - tek b a ş ın a v ar olabilen ve yine de o elem entin özelliklerini ta şıy a n en k ü ç ü k p arçalarıdır.
A tom ların en hafifi olan hidrojen atom ları, atm osfer de y u k arıy a doğru u ç u p k açm a eğilim indedir. B u yüzden hidrojen d ü n y a d a n isp eten az b u lu n u r, evrenin genelin deyse en sık b u lu n a n elem enttir. H idrojenin b ü y ü k b ö lü m ü B üy ük P a tla m a ’m n h em en a rd ın d a n o lu ş m u ş tu r ve neredeyse on d ört m ilyar yıl y aşınd ad ır.
tıpkı bizim G üneş gibi. E lem entlerin tü m çeşitliliğinin olu şu m yeri yıldızlardır. S o lu du ğun uz oksijen ato m larının h e m en h em en tam am ı, cildinizde ve b u sayfadaki m ü rek k ep te b u lu n a n karbo n, D ü n y a’n m ilk ortaya çıktığı dönem de, aşağı y u k arı beş m ilyar yıl önce yıldızlarda yapıldı. Dola yısıyla esa se n hepim iz yıldız tozuyuz, y a d a eğer o k a d a r rom an tik değilseniz, n ü k le er artığız, zira yıldızlar, tem el yakıtı hidrojen, enerji çıktısı yıldız ışığı; “k ü lü ” y a d a artık ü rü n ü y s e m uhtelif elem entler olan nü k leer ocaklardır.
A tom ların ne k a d a r k ü ç ü k o ld u ğ u n a d air bir fikir edinm ek için b u cüm lenin so n u n d a k i n o k ta işaretin e b a kın; içinde yüz m ilyar ta n e k a rb o n ato m u var ve b u sayı gelmiş geçm iş b ü tü n in sa n la rın toplam say ısın d an d a h a fazla. O ato m lard a n h erh an g i birini çıplak gözle görmeye k alk acak olsanız, noktayı çapı yüz m etre olacak k a d a r b ü yü tm en iz gerekirdi.
Temel k arb o n atom ları farklı şekillerde bağ lanabilir ler, elm as, grafit ve is k a ra sı gibi -k u ru m , o d u n k ö m ü rü ve ta ş k öm ürü. A ntim adde de m olekül ve ato m lard a n olu şur. A ntikarbon ato m ların ın üreteceği an tielm aslar, bildiğimiz elm as k a d a r güzel ve sert olurdu. A n tiku rum k u ru m k a d a r k ara, a n tik ita p ta k i n o k ta lar d a b u k itap tak i n o k ta larla aynı o lurdu. O nların da, an tik arb o n ato m ları n ın görülebilm esi için ç a p la n yüz m etreyi b u la n a k a d a r b ü y ü tü lm esi gerekirdi. B u n u y ap m ak kabil olsaydı eğer, an tik a rb o n u n en u fak zerrelerinin k a rb o n d a n ayırt edi lemeyeceğini görü rdü k. Yani en tem elde, ato m lar seviye sinde d a h i m adde ile an tim ad d e b irbirinin aynı g örünür: A ralan n d ak i zıtlığın ned en i b u n d a n d a h a d a derinde bir yerde y atar.
Atom çok k ü ç ü k b ir şeydir a m a en k ü ç ü k şey o de ğildir. A tom un içine girdiğinizde ve onları o lu ş tu ra n tem el to h u m larla karşılaştığın ızd a an laşılır m addeyle a n tim a d de a ra sın d a k i d erin zıtlık.
Her a to m u n içinde b ir iç yapı labiren ti vardır. Mer kezde yoğun ve sıkışık bir çekirdek b u lu n u r ve a to m u n k ü tlesin in h em en h em en tam am ın ı o o lu ştu ru r. M ürek
kep noktam ızı y üz m etreye k a d a r b ü y ü tm ek ato m u gör memize yetecek o lsa da, atom çekirdeğini gözle görm ek is teyecek o lu rsanız n o k ta n ın genişliğini 10.000 kilom etreye çıkarm anız, y an i D ü n y a’n ın iki k u tb u arasın d a k i m esafe k ad ar b üy ü tm en iz gerekir. A n tin ok talar ve an tiato m lar için de aynı şey geçerlidir. Maddeyle an tim ad d e a ra s ın d a ki incecik ayrım , a n c a k b u n la r b u k a d a r ayrıntılı o larak görülebildiğinde k end in i gösterm eye b aşlar.
E in stein ’m görelilik k u ram ıy la birlikte u zay ın ve zam anın iç içe geçişi, atom ların içinde h ü k ü m sü ren , im kânsızm ış gibi g örü n en geçici belirsizlik âlemiyle bir old u ğ u n d a o la ğ a n ü stü b ir so n u ç çıkar ortaya: D oğanın, m addenin sadece bildiğimiz b a sit toh um larıy la işlem esi m ü m k ü n değildir. Atomaltı p arçacık ların b ü tü n çeşitle ri için doğa b ir de o lum suz g ö rü n tü y ü , ay n a ak sin d ek i zıddını k ab u l etm eye m ecb u rd u r; b u te rs p arçacık ların her biri de alıştığım ız p arçacık lar için geçerli olan k atı k u rallara ay nen u y arlar. T anıdık p arça cık la r n asıl atom ları ve m addeyi o lu ştu ru y o rsa, on ların zıtları d a ilk b a k ışta norm al m adde gibi g örü n en a m a tem elinde o n a hiç b e n zem eyen y ap ılar oluşturabilir.
MADDE VE ANTİMADDE
Atom ların içinde fırıl fırıl dö nen elektrik akım ları, kuvvet li m anyetik a la n la r ve bazı şeyleri ken dine doğru çeken, bazılarını d a iten elektrik kuvvetler vardır. A ntim adde ato m ların d a d a m e v cu ttu r b u akım lar, ala n la r ve kuvvet ler, a m a k u tu p la n m ad den in kilerin ta m tersidir: Kuzey k u tu p la r güney olur, pozitif yü k ler de negatif. İçlerindeki tek tek ato m la n y a d a a n tia to m la n görebileceğimiz şekil de 100 m etreye b ü y ü tü lm ü ş m ü rek k ep noktam ızı ve an- tinoktam ızı d ü ş ü n ü n . K ü çücük bir m ıknatısı, b ir ato m u n dış bölgelerine doğru nazikçe y ak laştırın, so n ra b ir de an- tiatom a doğru g ö tü rü n ve b ak ın ne oluyor. B irinde sola doğru olan y u m u ş a k d ö n ü ş ötekinde sağ a doğru, b ir ay n a g ö rü n tü s ü yayı çizer; m ık n atıs az önce çekildiği n o k ta d a n
şim di itilir; önceden reddedildiği yere şim di y a p ışm a k ta dır; d a h a önce güvendeyken şim di yok olm akla k a rşı 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 la rı olm ası ve b u n d a n gelen kuvvetle birbirlerini itip çekm eleri gibi, elektrik y ü k ü n ü n k u ralı d a aynı yüklerin birbirini itip zıt yük lerin birbirini çekm esidir. Normal m ad ded e atom çekirdeği pozitif (+) y ü k taşır; elektronlar, y an i atom ların d ışın a y ak ın yerde b u lu n a n m in nacık ve çok hafif p a r çacıklar ise negatif (-) y ü k lü d ü r. E n b a sit elem ent olan hidrojenin ato m u, m erkezde yer alan ve tek b ir p ro to n d an o lu şa n çekirdeğin etrafın d a u z a k ta n d o laşan tek b ir elekt ro n d a n olu şur.
Negatif y ü k lü elektronların u z a k ta n u z a k ta n m erkez deki pozitif y ü k lü çekirdek etrafın d a do laşm aların ı sağla y an şey, birbirine zıt elektrik y ük lerinin karşılıklı olarak birbirini çekm esidir. M olekülleri ve m akrosko pik yapıları (kristaller, dokular, ta ş la r ve canlılar) düzenleyen ve bir a ra d a tu ta n incecik bağlar, ato m ların derinliklerinde iş leyen işte b u elektrik kuvveti ve m anyetik kuvvettir (mık n atıslık kuvveti).
K ütleçekim i (yer çekimi) kuvveti galaksilere, gezegen lere ve yere d ü şe n elm alara h ü k m ed er, ayaklarım ızı yere b astırır. Lâkin bizi şekillendiren ve y ap ılan d ıran , elektrik ve m any etik kuvvetlerdir. E lektrom anyetik kuvvet k ü tle çekim i kuvvetinden çok d a h a g ü çlü d ü r, fak at top lu h a l deki m addede pozitif ve n egatif y ü k ler a ra sın d a k 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, v ü cu d u m u zd ak i 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 d air pek çok ip u c u v ard ır ve pozitif ve n eg atif y üklerin etkilerinin birbirini ta m olarak götürm ediği d u ru m la rd a belirginleşir b u ipuçları. D enge lenm em iş elektrik y ü k ü n ü n birikm esi p a rla m a la ra n ed en
olur, tıpkı şim şek çak m asın d a olduğu gibi; m ıkn atıs bir m etal k ü tlesin i y u k arı kaldırabilir ve b u n u y ap ark e n b ü tü n d ü n y an ın uyguladığı, aşağı doğru kütleçekim ini aşar. D aha b ü y ü k ölçekte, D ü n y a’n m m erkezinde fırıl fırıl dola şa n elektrik yü k ler b ü tü n gezegeni dev asa b ir m ık n atısa d ö n ü ş tü rm ü ş tü r; p u s u la n ın ibresi kuzey ve güney k u tu p ların ı gö stererek D ü n y a’n m m an yetik a la n ın a uy gu n olarak h arek e t ettiğinde b u n u görürüz.
1928’de an tim ad d e n in hikâyesi b aşladığınd a bili n en ler b u kadardı. A ntim adde d e sta n ın ın ilk b ö lü m ü n ü n başrol oy uncuları Paul Dirac, Cari A nderson ve Robert M illikan’m anlad ık ları haliyle atom lar, yoğun ve k o cam an proton yığınlarıyla, kozm ik bir vals içinde onların pozitif elektrik y ü k ü n e y a k a la n a n n eg atif y ü k lü ve hafif elekt ro n lard a n o lu şu y o rd u .1 B u bilgiyle k u ş a n a ra k an tim ad d e fikrinin değerini an lam ay a başlayabiliriz.
Toplu haldeki m a d d en in varlığının a rd ın d a y a ta n elektrik ve m ıkn atıslık kuvvetleri, m a d d en in h ang i zerre lerinin negatif y ü k taşıyıp h an gilerinin pozitif o ld u ğ u n u önem sem ez. B ü tü n negatifleri pozitife, b ü tü n pozitifleri de negatife çevirecek olsak, o rtay a çıkan kuvvetler yine aynı o lu rd u ve b u n la rın o lu ştu rd u ğ u y ap ılard a d a b ir değişik lik olmazdı. Negatif y ü k lü b ü tü n elektro nların o n u n yeri ne pozitif o ld u ğ u n u , b u n a k arşılık p ro to n ların d a negatif o ld u ğ u n u hayal edersek, ato m a d ışta n bakıldığında hiçbir şey değişm iş olmazdı.
Yükleri b u şekilde birbiriyle değiştirm ek, m adde dedi ğimiz şeyi an tim ad d e dediğimiz şeye d ö n ü ştü rm e k tir. Bir an tih id ro jen a n tiato m u , negatif b ir “an tip ro to n ”la o n u n etrafınd ak i pozitif y ü k lü “pozitron”d a n olu şacaktır. M ad denin böyle b ir ay n a ak sin in var olm ası gerektiğini ilk ön
1 E le k trik k a n u n la r ın a göre, p r o to n la rd a n o lu ş a n b ir k ü m e n in , a r a la r ın d a k i k a rşılık lı itm e d e n dolayı d a ğ ılm a sı b ek len ird i. A n c a k d en ey im ler ve d en ey le r b u r a 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 ç lü b a ş k a b ir k u v v e tin 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 r a y a g e tire re k a to m çek ird eğ in i o lu ş tu r d u ğ u n u gösteriyor.
gören kişi olan Paul Dirac, 1933’te Nobel Ö d ü lü ’n ü alırken b u bilmeceyi şöyle özetlem işti:
D ü n y a ’n m (ve b ü y ü k ih tim a lle b ü tü n G ü n e ş S is te m i’nin) n e g a tif e le k tro n la r ve p o zitif p ro to n la rı b a s k ın o la ra k iç e r 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 y ıld ızlar için d u r u m u n b u n u n te rs i o lm ası, o yıldız la rın asıl o la ra k [pozitif y ü k lü e le k tro n la rd a n ] ve n e g a tif p ro to n la rd a n o lu ş m a s ı p e k â lâ m ü m k ü n d ü r.
B üyük önseziyle, pozitif ve negatif arasın d a k i derin si m etrin in ta m am e n fark ın d a olarak, yıldızların yarısının bir tü rd e n , diğerinin de ö tekind en 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 a k a rk e n iki çeşidi b irb irind en ayırm am ızın yolu yok.
TAYFLAR VE KUANTUM ELEKTRONU
B irbirine zıt b u iki varlık biçim inin araların d ak i farkı gös terdikleri tek yer atom altı âlem idir. K anu nları bizim d ü n y an ın genelinde tecrü b e ettiğimiz şeylere göre garip k aça n bir ü lk ed ir b u rası. O k a n u n la rın getirdiği so n u çları a n la m aya çalışırken te sad ü fe n k a rşıla ştı bilim, an tim ad d e n in kaçınılmazlığıyla.
Isaac N ewton’m , sayılam ayacak k a d a r çok m ilyar ato m u n u y u m içinde h a re k e t ettiği gözle görülen cisim lerin d av ranışlarını açıklayan h a re k e t k a n u n la rı, bilardo top larının n asıl çarpışacağını k esin olarak öngörebilir. Tek tek atom lar ve onları o lu ş tu ra n p arçacık lar içinse iş ler b am b aşk ad ır; b u n la r bir şeyin olm asının a n c a k göreli ihtim allerinin öngörülebileceği b ir belirsizlik d ü n y asm d a- dır. Bilardo topları birbirine belirli bir biçim de çarp ark en , atom dem etleri, b ir açıklığın kırıp dağıttığı s u dalgaları n ın y ü k se k ve alçak n o k ta la rın a benzeyen y o ğ u nluk ve seyreklik alan ları o lu ş tu ra ra k bazı yönlere diğerlerinden d a h a fazla saçılır.
am a aslın d a öyle değildir. A tom lar “k u a n tu m m ekaniği”nin k an u n larıy la tan ım lan ır, b u k a n u n la r d a belli b ir a to m u n şöyle veya böyle y ap m a olasılığını öngörür. Bir bozuk p a rayı attığım da yazı m ı tu r a mı geleceğini k esin o larak ön- göremem, a m a b ir milyon ta n e sin i a tsa m tu r a gelenlerle yazı gelenlerin birbirine o ran ın ın neredeyse 1 olacağını kesin o larak bilebilirim ve n e k a d a r çok atış y a p a rsa m o k a d a r d a h a k esin konuşabilirim . A tom larda d a d u ru m böyle işte. K u an tu m m ekaniğinin tem el k u ralları h e r bir atom için geçerlidir; tek b ir a to m u n o n a bir şey çarptığ ın da n asıl tepki vereceğini k esin o larak öngörem em ; m ecaz la ifade edecek o lu rsak , yazı mı gelecek tu r a mı söyleye mem, a m a m ilyonlarcası söz k o n u s u o ld u ğ u n d a yazı ve tu ra n ın ra s t gelme şa n sı eşitlenir. Çok sayıda atom söz k o n u su o ld u ğ u n d a da, a ltta y a ta n k u a n tu m k a n u n la rın dan N ew ton’m k esin k a n u n la rı o rtay a çıkar.
N ew ton’m k an u n ları, m add eden o lu şan top ların h a reketinin, an tim ad d e d en o lu şa n toplannkiyle tıp atıp aynı olacağını öngörüyor: m ilyarlarca atom nasıl d avran ırsa, m ilyarlarca a n tiato m d a öyle davranır. F ak at atom ların h er b irinin içinde m a d d en in ik ik u tu p lu doğası p u s u d a dır; k u a n tu m k a n u n la rın ın h ü k ü m sü rd ü ğ ü yer de işte bu rasıd ır. B u k u a n tu m k an u n ları, E in stein ’m görelilik kuram ıy la b ir a ra y a getirildiğinde tek bir m adde biçim i n in yeterli olm adığını o rtay a çıkarır: B üyük P atlam a’n m yaratıcı h areketi, zıtlıkları birbirini dengeleyen iki çeşit ü retm iş olm ak zo ru nd adır.
Popüler an latım lard a 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 ç ü k şeyler. Gelgelelim, bu resim ortaya atılır atılm az in sanları endişelere sürükledi.
D ü n y a’n m G ü n e ş’in etra fın d a d olaşm ası b ir yıl alı yor ve D ü ny a d ört m ilyar yıldan d a h a u z u n zam and ır zararsız ziyansız b u şekilde dolaşıyor. H idrojen a to 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 m ilyar
tu r a ta n elektronla kıyaslayın b u n u . Bir b a ş k a deyişle, elek tro n u n saniyenin m ilyonda birinde p ro to n u n etrafın d a yaptığı d ö n ü ş sayısı, D ü n y a’m n b ü tü n ta rih i boyunca G ü n e ş’in etrafın da yaptığı d ö n ü şlerd en d a h a fazla. B u fi kirlerin ortay a çıkm aya başladığı yirm inci yüzyıl b a şın 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 p arlam asıyla çekirdeğe göm ülm esi gerekirdi. Peki o zam an ato m lar n asıl v ar olabiliyor; h erh 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 birin d en d a h a k ısa m esafelere, yani ato m ların b o y u tu n a indiğinizde, gündelik şeylere d air de neyim im iz b u ra d a ne bekleyeceğimize d air iyi bir reh b er değildir artık.
1900’de Max Planck ışık dalgalarının foton d en en ayrı ayrı m ikroskopik “p a k e t”ler veya “k u a n tu m ’l a r 2 halinde yayıldığını gösterm işti; 1905’te de E instein ışığın u zay bo y u n c a yol alırken b u p ak etlerin içinde kaldığını gösterdi. K u an tu m k u ram ın ın , yani parçacıkların in s a n a im kânsız gibi gelen özelliklere sahip olabileceği fikrinin başlangıcıydı bu; parçacık lar ne o rad a ne de b u rad a, a m a “m uh tem elen b u rad a, belki de o rad a” olabilirdi. K u antum m ekaniğinde kesinliğin yerini olasılık alır, olasılık bir dalga gibi yükselir ve düşer. Bu fikrin ortaya atılır atılm az gösterdiği b aşarı, atom ların nasıl olup d a var old uğ un u açıklam ak oldu.
K u a n tu m u n olasılık dalgaları belli bir u z u n lu k ta k i ipin dalgalanm ası gibi canlandırılabilir. Eğer ip, kem ent gibi, b ir daire o lu ştu ra c a k şekilde kıvrılırsa, ipin ü zerinde o lu şacak h e r d alg alanm anın u zu n lu ğ u , ipin çevre u z u n luğ u içine yerleşecek k a d a r olacaktır. Bu halkayı sa a tin k a d ra n ı gibi d ü ş ü n ü n . İp üzerindeki dalg anın tepe n o k ta sı s a a t 12’ye, dip n o k ta sı d a 6 ’y a d en k gelirse, b ir so n rak i tepe n o k tası yine s a a t ta m 12’ye m ükem m el şekilde o tu ru r. H âlbuki zirvesini 12’de yapıp en d ü ş ü k n o k tay a
s a a t 5 ’te gelecek o lu rsa, b ir so n rak i zirveyi s a a t 10’d a b u lacak dem ektir, böylece dalgan ın v u r u ş u n a göre s a a t 12 n o k tası zam an ın d ışın d a k alacak tır. D anim arkalI fizikçi Niels B ohr 1912 yazında, ato m lard a d o la şan elektro nla rın dalgaların ın d a h e r b ir çem bere m ükem m el şekilde o tu rm ası gerektiğini anladı; elektron lar k afaların ın estiği yere gidem iyorlar, sadece dalg aların ın m ükem m el şekilde yerleştiği b u yollar üzerind e seyredebiliyorlar. Dolayısıyla spiral çizerek çekirdekte yok olm aya d a koşam azlar: atom kararlıdır, (bkz. Şekil 1.)
İki yüzyıllık b ir sır olan ato m 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 o rtay a çık arm alarını
sağ lam ak n isp eten kolaydır. Bir elem enti, m esela sodyu m u ateşe atıp, o lu şan ışığa p rizm ad an veya kırınım ağın d a n b a k a ra k yapabilirsiniz b u n u , böylece ışık o n u o lu ş tu r a n renklere ayrılacaktır. B u ren k ler a ra s ın d a bir dizi p a rla k ışık olur, m esela sodyum söz k o n u s u olduğunda, özellikle yoğun olan iki ta n e sarım sı tu r u n c u çizgi vardır ki b u n la r sodyum so kak lam b aların ın ta n ıd ık rengini ve rirler. Benzer şekilde, cıva b u h a r lam baları m avim si yeşil p arlar, yıldızların pek çok resm ind e görülen pem be ışık sa h idrojenin gökkuşağının u z a k kırm ızı u c u n d a n bazı göz le g ö rü lü r ışıklar yaym asıyla ilgilidir. İşte b u güzel renkli d esen ler bir açık lam a istiyordu: B u n a n ed en olan nedir? D esenler n ed en bir elem entten ötekine değişiklik gösterir? Şim di biliyoruz ki b u n la r, atom ların içindeki elektronların k u a n tu m h arek etlerinin sonuçlarıdır.
Işık yalnızca, bir elektron b ir yoldan diğerine geçtiği sıra d a salınır. Eğer ilk yol sadece y ü k sek enerjili elekt ron ları k ab u l ediyorsa ve elektron enerjinin d a h a d ü ş ü k olduğu b ir yola geçerse, iki enerji seviyesi a ra sın d a k i fark, salm an ışık fo to n u n a gider. Toplam enerji aynı kalır, sadece dağılımı yeniden düzenlenm iştir. Dolayısıyla b u fotonlar sadece belirli ayrık3 m ik ta rla rd a enerjiye sah ip olabilirler ve b u m iktarı d a elek tro n u n yapabileceği belli sıçram alar tayin eder. F otonlarm sahip olduğu enerjile rin ayrık değerleri gözüm üze değişik ren k ler olarak g ö rü n ü r. B u n u n so n u cu n d a, sa lm a n ışık h e r atom ik elem ente kend in e özgü b ir ren k tayfı verir. K ozm osun h e r ta ra fın d a hangi atom ik elem entlerin m evcut old uğ un u, 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 p arçacık ların d ü n y a sın a h ü k m ed en , dü zenlenm iş olasılı ğın k u a n tu m dalgalarının gözle görülen k an ıtlan d ır.
3 M ik ta rla rı te m sil e d e n sa y ıla r a r a s ın d a sü re k lilik y o k s a m a te m a tik te b u n la r a a y rık s a y ıla r (discrete num bers) d e n ir. Y ani, b ir şey in m ik ta rı, m e s e la 1.01, 1.02, 1.11, 1.2 gibi değil de y a ln ız c a 1, 2, 3 diye ifade e d i lebiliyor, 1 ile 2 a r a s ın d a b a ş k a d eğ er a la m ıy o rsa , a y n k tır —çev. notu.
SPİN YAPAN ELEKTRON
M addi dünyam ızın gizemli gölgesi an tim ad d e âlem ini bize elektron tak dim edecek. 1897’de J . J . T hom son, elektro n u ato m dak i h ap ish a n e sin d e n bağım sız olarak, yalıtılm ış o rtam d a ilk kez ü rettiğ in d en beri biliyoruz ki elek tron lar vardır ve tayfın kaynağı d a atom ların içindeki elektron la rın varlığıdır. T hom son b u n u şüph eye yer b ırak m ay acak şekilde k a n ıtla m a d a n önce bile bilim in san ları böyle bir atom y ap ıtaşı b u lu n d u ğ u n u d ü şü n ü y o rlard ı, h a tta b u n u n h em elektrik y ü k ü n e, hem de iki u çlu bilindik çu b u k m ık n atısın kuzey ve güney k u tu p la rı gibi iki yönlü bir m anyetizm aya sah ip o ld u ğ u n u d a çıkarm ışlardı. Yarım asır so n ra b u d u ru m Paul D irac ta ra fın d a n açık lan acak ve yaptığı açık lam a o n u n an tim ad d e n in varlığını öngör m esini sağlayacaktı.
1896’d a HollandalI tayf ölçüm cü (spektroskop) Peter Zeem an, örneklerinin y a n ın d a kuvvetli m ık n atıslar b u lu n d u ğ u n d a so d y um u n yaydığı p arla k s a n çizgilerde çok k ü çü k b ir değişiklik o ldu ğu nu fark etm işti. Bu çizgiler n o r m alde çok k eskind ir ve çok n et tanım lıdır, an ca k Zeem an m anyetik a la n d a çizgilerin genişlediğini görüyordu. D aha so n ra geliştirilen d a h a güçlü ölçüm cihazlan, genişlem e gibi gö rün en olayın aslın d a b ir çizginin ikiye veya d a h a fazla çizgiye ay nlm ası o ldu ğ u n u gösterdi. B u tek tek çiz gilerin ayrışm ası Z eem an’m göremeyeceği k a d a r k ü çü k ölçekliydi; geniş b ir bulanıklık gibi görünüyorlardı, miyop b ir in sa n ın onları gözlüksüz b ak ark e n göreceği gibiydiler.
B u d u ru m u n elek tro n u n m anyetizm aya sah ip olm a sın d a n kay naklandığı an laşıldı so n rad an . İki m ıknatıs n asıl ki k u tu p la rın ın yerine göre birbirini itebilir veya çe kebilirse, elek tro n u n m an yetik alan d ak i k o n u m u d a on u n enerjisini etkiler. B u n a bağlı olarak, sa lm a n fotonlarm enerjisi de k ü ç ü k b ir değişiklik gösterecek ve tayf çizgile rin in o lu ştu rd u ğ u d esen böylece değişecektir.
“Zeem an etkisi” e lek tro n u n k en di kuzey ve güney k u t b u olan k ü ç ü k b ir m ık n atıs gibi davranabileceğini o rtaya
koydu. S anki elek tro n u n ken d in d en m en k u l b ir dönm e h arek e ti vardı içinde; “sp in ” d en en b u h a re k e t b ir m a n yetik alan d a, s a a t y ö n ü n d e veya s a a t y ö n ü n ü n tersine, iki yöne doğru d a olabilir. Ö lçülebilir bir b o y u tu dah i ol m ayan b ir elek tro n u n bir de “sp in ” y ap m ası fikri gündelik hayatım ızın terim lerinde anlam sız kaçabilir, a n c a k elekt ro n u n b u acayip özelliğinden b ah sed erk en fizikçilerin r a h atlık la kullandığı b ir 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, a m a u z u n za m a n bo y u n ca “sp in ” fikri b ir s ü rü veriyi açıklayabilm ek a d ın a yapılm ış çaresizce bir girişim sayılm anın pek de ötesine geçemedi. B u özelliğin kaynağı neydi? Spin ned en oluyordu? B u n lar an c a k 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 u an tu m k a n u n la rı ve E in ste in ’m görelilik k u ra m ı bir aray a getirildiğinde hem sp in hem de an tim ad d e fizikî d ü n y an ın b a ş k a tü rlü o lam ayacak özellikleri o larak or ta y a çıkar. E nerjinin a slın d a ne o ld u ğ u n u ilk gösteren E in ste in ’dır, m ad den in aslın d a y ak alan m ış enerji olduğu gibi o la ğ a n ü stü b ir so n u c u o rtay a ko y m u ştu r. Enerji do n u p m adde p arça cık la rın a d ö n ü şü rk e n n eg atif b ir iz b ıra kır, b u d a antim ad dedir. B u derin h ak ik ati ilk a n la y a n sa Paul Dirac olm u ştu r.
H areketin k lasik k a n u n la rı 300 yıldan u z u n za m a n önce Isaac Newton ta ra fın d a n keşfedilm işti. Önce N ewton’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 la rı gibi d u ru la r veya sab it hızla h a re k e t ederler. M iskin d u ru m la rın d a n çıkarılm ak veya istik rarlı h arek etlerin in değişm esi k o n u s u n d a bir isteksizliği v ard ır cisim lerin: D eneyim bize, bir yaprağı h a re k e t ettirm en in bir k u r ş u n kitlesini h a re ket ettirm ek ten d a h a kolay o ld u ğ u n u gösterir. Newton, b u