Zaman Yolculuğunu Araştırma Merkezi © 2005 Cetin BAL - GSM:+90  05366063183 -Turkey / Denizli 

Kozmostan Kuantuma 

KOZMOLOJİ :
Kozmoloji evreni, başlangıcını, yapısını ve evrimini matematiksel ve fiziksel olarak inceler. Evrenin içinde yer alan gökcisimleri, galaksiler, yıldızlar, karadelikler, gezegenler, uydular, bunların hareketlerinin, oluşumlarının, evrimlerinin, ölümlerinin, birbirleriyle olan ilişkilerinin deneysel ve kuramsal olarak incelenmesi bu bilim dalı içine girer. Astronomi ve astrofizik kozmolojinin yanında yer alır.

Evren

Evreni düşünen ilk insanlar Sümerlerdi. Onları Mısırlılar, Çinliler ve eski Yunanlılar takip etti. Yunanlılar yaratılışın temelinde toprak, hava, ateş ve suyun bulunduğuna inanıyorlardı. Dünya'nın, evrenin merkezinde yer aldığı sanılıyordu. Evrenin ilk bilimsel incelenmesi Ptolemaios tarafından yapıldı. Ptolemaios ilk yıldızlar haritasını yaptı. Güneş ve yıldızların Dünya'nın etrafında döndüğünü söyledi. Bu inanış 16. yüzyıla kadar devam etti.

Polonyalı bilgin Nikolaos Kopernikus 1543 yılında yayımladığı kitabında, Dünya ve diğer gezegenlerin Güneş'in etrafında döndüklerini belirterek modern astronomiyi kurdu ve kendinden önce 1300 yıl boyunca inanılan Dünya merkezli inanışı yıktı. Kopernikus gezegenlerin Güneş etrafındaki hareketlerinde tam bir daire çizdiklerini de belirtti. 1582'de Danimarkalı Tycho Brahe ilk gözlemleri yaparak gezegenlerin pozisyonlarının hassas ölçümlerini buldu ve bir yılın uzunluğunu bir saniyelik hassasiyetle hesapladı. Asistanı Alman Johannes Kepler, Brahe'nin hesaplarını kullanarak gezegenlerin çizdikleri yörüngelerin birer elips şeklinde olduğunu keşfetti.

1608 yılında teleskop bulundu. Teleskopla ilk bilimsel gözlemleri İtalyan Galileo yaptı. Galileo, Jüpiter'in etrafında dönen uyduları ve Samanyolu içindeki sayısız yıldızların varlığını gördü. Daha sonra Newton bugünün modern teleskoplarının dayandığı eğri yüzü olan aynalı teleskopu imal etti. 1781'de William Herschel 124 cm'lik aynalı teleskopla Uranüs ve kuyrukluyıldızları keşfetti. Kopernikus'u takip eden 400 yıl içinde astronomide büyük gelişmeler oldu. Fakat esas gelişme, Einstein'ın genel relativite teorisi, kuantum mekaniği, Doppler etkisinin bulunmasından sonra meydana geldi. 20. yüzyılın başlarında modern kozmolojinin temelleri atılmış oldu.

Modern kozmoloji astronomiyi, matematik, relativite, parçacık fiziğini de geliştirdi. Doppler etkisi ile galaksilerin bir- birlerinden büyük hızlarla uzaklaştıkları bulundu. Parçacık fiziği evrenin milyarlarca yıl önce tek bir noktadan başlamış olabileceği fikrini doğurdu. Radyo astronomi bulundu, uzay teleskopları imal edildi ve evrene ait birçok sır çok kısa bir süre içinde çözülmüş oldu. İnsanoğlu artık içinde yaşadığı evreni anlamıştı.

Evrenin bugün bilinen genişliği 1024 kilometre, yani trilyon kere trilyon km kadardır. Bir küre şeklinde olan ve her an müthiş bir hızla genişlemeye devam eden evrenin içinde yaklaşık 100 milyar galaksi bulunmaktadır. Galaksiler içlerinde gaz ve toz bulutlarından oluşan nebulaları, yıldızları, gezegenleri ihtiva eder. Bazı galaksilerde onlarca milyon yıldızın bulunmasına karşın bazılarında yüzlerce milyar yıldız vardır. Birbirine yakın olan galaksiler grupları, onlar da dev galaksi gruplarını oluşturur. Şu ana kadar 3000 adet galaksi grubunun kataloğu yapılmıştır.

Galaksilerin içlerinde birçok olay geçmektedir. Her an yeni yıldızlar şekillenmekte ve birçok yıldız da ölmektedir. Galaksiler spiral, eliptik, dağınık gibi birçok çeşitli şekillerde olurlar. Radyo astronomi ile bugün 1021 km uzaklıktaki galaksiler tanımlanabilmektedir. Galaksilerin bize olan uzaklıkları Cepheid denilen değişken yıldızlar kanalı ile hesaplanır. Cepheid'lerin parlaklıklarındaki değişiklikler 1-50 gün arasında hassas olarak meydana gelir. 1784'ten beri bilinen bu değişken yıldızların hassas periyotları ve gerçek parlaklıkları arasındaki oran evrensel uzaklıkları hesaplamakta referans olarak kullanılmaktadır.

İçinde yer aldığımız galaksiye Samanyolu ismi verilir. Galaksimiz 200 milyar adet yıldızı ihtiva etmektedir. Bunların çoğunun gezegenlere sahip olduğu tahmin edilmektedir. 100.000 ışık yılı genişliğindeki Samanyolu etrafında spiral kolları olan bir disk şeklindedir. Yıldızların çoğu 30.000 ışık yılı genişliğindeki orta merkez bölgesindedir. Eteklerde ise yıldızlar seyrek olarak dağılmış olup, genellikle gaz ve toz bulutları vardır. Bu toz ve gaz bulutlarından meydana gelen genç yıldızlar da genellikle eteklerde yer alır. Merkezde ise yaşlı ve kızıl yıldızlar mevcuttur. Etrafında dönmekte olduğumuz Güneş galaksinin merkezinden 28.000 ışık yılı uzaklıkta spiral kollardan birinin ortalarında yer almaktadır. Birçok kozmik olayın olduğu yoğun merkezden uzak ve sakin bir yerde bulunduğumuz için şanslı sayılırız.

Evrendeki her cisim hareket halindedir. Galaksiler birbirlerinden uzaklaştıkları gibi kendi eksenleri etrafında da dönerler. Samanyolu'nun Güneş'in yer aldığı bölge merkezin etrafında saniyede 230 km hızla dönmekte olup bir tam dönüşünü 220 milyon yılda tamamlar. Merkezden 60.000 ışık yılı uzaklıktaki bölgenin dönüş hızı ise yaklaşık saniyede 300 kilometredir. Galaksimizin merkezinden şiddetli şekilde X-ışınları gelmektedir. Bu ışınlardan orada yıldız çarpışmalarının, süpernova patlamalarının olduğu ve ayrıca merkezde büyük bir kara deliğin yer aldığı anlaşılmaktadır.

Samanyolu, içinde yirmiden fazla galaksinin yer aldığı bir galaksi grubundadır. Buna yerli grup denir. Grubun boyu 3 milyon ışık yılı kadardır. En yakın komşularımız, 31.000 ışık yılı genişliğinde ve bizden 150.000 ışık yılı uzaklıktaki Büyük Magellan ve 24.000 ışık yılı çapında ve bize 173.000 ışık yılı mesafedeki Küçük Magellan Bulutları'dır. Bunlar güney yarımküreden çıplak gözle görülebilirler. Her iki bulut, Samanyolu'nun gravitasyon kuvveti ile birbirinden ayrılmış fakat birbirine oldukça yakın konumda bulunmaktadır. Büyük bulutun içinde 200 ışık yılı genişliğinde Tarantula Nebulası adı verilen ve 100 adet çok parlak yıldız tarafından aydınlatılan geniş ve parlak bir bölge vardır.

Daha uzaklardaki, yerli grubun en büyük üyesi ve bir spiral galaksi olan Andromeda bizden 2.3 milyon ışık yılı uzaklıkta olup içinde bir trilyon yıldızı barındırır. Çapı 130.000 ışık yılı kadardır. Yerli grubun içinde ayrıca ikili ve üçlü sistemler halinde diğer galaksiler bulunmaktadır. Grubumuzun dışında çok büyük diğer gruplar da mevcuttur. 50 milyon ışık yılı uzaklıktaki Virgo galaksiler grubu en büyüklerindendir.

İnanılması zor da olsa, 15 milyar yıl önce içinde sonsuz yoğunlukta ve sonsuz sıcaklıkta maddenin sıkışmış olduğu ‘iğne ucu' büyüklüğündeki bir nokta birden patladı ve bu müthiş patlamanın şiddetiyle etrafa yayılan madde bugün içinde yaşadığımız evreni meydana getirdi. Bütün veriler bunu göstermektedir. Evrenin oluşumuna ait bugünün tek ve en ciddi teorisi Big Bang adı verilen Büyük Patlama'dır.

1842'de Avusturyalı Christian Doppler yaklaşan ve uzaklaşan ses dalgalarının duran bir gözlemciye göre konumlarını keşfetti. Buna göre, gözlemciye yaklaşan ses dalgaları daha sık aralıklarda ve kısa dalga boylarında geliyor, ses kaynağı uzaklaştıkça dalgaların boyları uzuyordu. Daha sonra bu durum ışık dalgalarına tatbik edildi ve aynı şey bulundu. Uzaklaşan ışık kaynağından çıkan ışınların çıkardığı çizgilerin spektrumun kırmızı tarafına kaydığı görüldü.

1868'de William Huggins bu tekniği kullanarak Sirrus yıldızının Dünya'dan uzaklaştığını ve uzaklaşma hızını hesap etti. 1929'da Edwin Hubble aynı metodu kullanarak bütün galaksilerin birbirlerinden büyük hızlarla uzaklaştıklarını gösterdi. Uzaklardaki galaksilerin uzaklaşma hızları ise daha büyüktü. Yani evren durmadan genişliyordu. Bir zamanlar ise bir nokta halindeydi. Bu keşif, Büyük Patlama teorisinin başlangıcı oldu.

Teoriye göre, sonsuz yoğunluk ve sıcaklıktaki bir nokta halindeki madde birdenbire patladı ve düşünülemeyecek miktarda bir enerji serbest kaldı. Patlama ile birlikte ‘zaman' akmaya başladı. Galaksiler, yıldızlar oluştu. Büyük Patlamadan önce bir uzay yoktu. Uzay, Büyük Patlama ile meydana geldi. Hesaplamalar patlamanın 15 milyar yıl önce olmuş olduğunu göstermektedir.

Şişmekte olan bir balonun üzerinde bulunan noktaların, balon şişerek genişledikçe, birbirlerinden uzaklaşmaları gibi, evren de hâlâ şişmeye devam etmekte ve içindeki bütün madde, galaksiler, yıldızlar, birbirlerinden durmadan uzaklaşmaktadır. Evrenin merkezinde hiçbir şey yoktur ve hiçbir şey de evrenin merkezi değildir. Merkezde sadece bir zamanlar bir nokta halinde olan sonsuz yoğun madde bulunmaktaydı.

1956'da George Gamow, eğer böyle bir patlama olduysa ondan arta kalan bir ısının evrende bugün bile bulunması gerektiğini matematiksel olarak ifade etti. Isı 1964 yılında bulundu. Bulunan 2.74 K sıcaklığındaki ısı, 15 milyar yıl önce olmuş patlamadan bugüne kadar gelebilmiş bir kırıntıydı. 2.74 K'lık, arka alan radyasyonu denilen bu ısı kırıntısının bulunması, galaksilerin birbirlerinden uzaklaşmakta olmalarının keşfi, hidrojen atomunun bugünkü değerinin geriye gidilerek patlama anındaki değeri ile karşılaştırıldığında bulunan uyumluluk, fotonun proton ve nötronlara oranı, patlamadan hemen sonra şekillenen proton ve nötronun oranları arasındaki uyum, Büyük Patlama'yı destekleyen en önemli delillerdir.

Büyük Patlama modeli birtakım soruları da birlikte getirdi. 2.74 K'lık arka alan radyasyonu neden her taraftan aynı şiddette ve üniform şekilde alınmakta, galaksiler nasıl şekillendi, evrendeki madde miktarı nedir, evren genişlemeye ne süre devam edecek ve bir gün genişleme son bulup evren kendi içine çökmeye başlayacak mı, vs? Bütün bunlara çeşitli cevaplar verildi. Büyük Patlama üzerinde yapılan muhtelif düzeltmelerin en önemlisi 1980'de Alan Guth'dan geldi.

Guth, enflasyon modelini ileri sürdü. Bu modele göre Büyük Patlama'dan hemen sonraki genişleme üniform bir şekilde olmadı. Patlamanın hemen sonrasındaki çok kısa bir süre içinde doğal kuvvetlerin operasyonu değişti ve gravitasyonun etkisi tersine döndü. Gravitasyon kuvveti çekici yerine itici hale geldi. Gravitasyon kuvveti, cisimler arasındaki, cisimlerin kütlelerinin büyüklüğü ile doğru orantılı, aralarındaki uzaklığın karesi ile ters orantılı olan bir kuvvettir. Temel maddenin sonsuz yoğunlukta olması itici gravitasyonun düşünülemeyecek büyüklükte bir ikinci patlamayı meydana getirmesine neden oldu. Bu esnada oluşan evren çok küçük ve sıcaklığı ise çok büyük olduğundan derhal ısısal eşdeğerine ulaştı. Bu da arka alan radyasyonunun üniformluğunu sağladı.

İlk saniyenin çok ufak bir kesrinde evren 1030 kat büyümüştü. Doğa yasaları ortaya çıkmıştı. Sonra çabuk soğuma oldu ve parçacıklar şekillenmeye başladı. İlk saniyenin bir milyonuncu anında kuarklar, proton ve nötronları oluşturmaya başladılar. Bu sırada, proton ve nötronların sıcaklığı onları bir arada tutacak bağlanma enerjisinin çok üzerinde olduğundan atom şekillenemiyordu.

Birinci saniyenin sonunda sıcaklık 10 milyar K'ye inince hidrojen ve helyum gibi en hafif çekirdekler gözüktü. Bu çekirdekler ancak 100.000 yıl sonra etraftaki elektronları tutarak bir atomu meydana getirebildiler. Sıcaklık 10.000 K'ye düşmüştü. Atomun yapısı kurulunca normal gravitasyon tekrar işlemeye başladı. Gravitasyonun işlemesiyle galaksileri oluşturacak madde şekillenmeye başladı.

Enflasyon modeline göre patlamadan çıkan arka alan radyasyonunun günümüze kadar ulaşmış olması ve uzayın her yönünden aynı sıcaklık ve şiddette alınması uyumlu bulunmaktadır. 1990 yılında COBE yapay uydusundan alınan veriler enflasyon modelini teyit etmektedir. COBE'nin verdiği bilgilere göre, Büyük Patlama'dan 10-43 saniye sonra enerjide bir değişiklik oldu ve ani bir genişleme meydana geldi. Bu ikinci genişlemeden 300.000 yıl sonra galaksilerin malzemesini oluşturacak bir üçüncü genişleme daha meydana geldi. Ve evrenimiz bugün 15 milyar yıl sonraki genişliğine ulaştı.

MODERN FİZİK :

Relativiteye dilimizde izafiyet veya görecelilik de denmektedir. Relativite kuramları, öğrencilik yılları oldukça zor geçen, İsviçre'deki patent bürosundaki memurluğu sırasında teorik fizik konusunda okuduğu makalelerle kendisini yetiştiren Albert Einstein tarafından ortaya atıldı. Ondan beş yıl önce Max Planck tarafından başlatılan kuantum teorisinin de gelişmesine neden olan Einstein'ın teorilerine bilim adamları uzun süre şüphe ile baktılar. Çünkü teorileri Newton tarafından 1666'da kurulmuş olan klasik fiziği yıkıyor ve evren boyutunda geçerli olan yepyeni, modern fizik bilimini getiriyordu.

Einstein'ın relativite teorileri iki bölümde incelenir. 1905 yılında yayımladığı özel relativite ve 1916 yılında yayımladığı genel relativite teorisidir. İlk teorisi yayımlanmasından sekiz yıl sonra kabul gören Einstein bu buluşu ile bilimde yeni bir çığır açtı ve modern fiziğin başlamasına neden oldu. Einstein, teorilerine o zamana kadar hiç kimsenin aklına gelmeyen, ışığı ve zamanı soktu ve kendisinden önceki bilimsel inanışları tamamen değiştirdi.

1800'lerin ortalarında ışığın bir elektromanyetik dalga hareketi olduğu anlaşılınca, onun ancak bir ortam içinde yol alabileceğine inanıldı. Bu ortama eter adı verildi. Bütün evrenin eter denilen madde ile kaplı olduğu sanılıyordu. Zira ses hava, katı veya sıvı gibi bir ortam içinde gittiğine göre ışığın da yol alabilmesi için bir ortamın bulunması gerekliydi. 1880'lerde herkesi sürpriz içinde bırakan bir deney yapıldı. Dünya, Güneş'in etrafındaki yörüngesinde uzayda bir eter içinde yol aldığına göre, yeryüzündeki bir kaynaktan Dünya'nın gidiş yönünde çıkan bir ışık demetinin ilerideki bir noktaya gidip yansıdıktan sonra kaynağa geri dönmesi için geçen sürenin, Dünya'nın gidiş yönünün yan tarafındaki aynı eşit uzaklığa gidip geri dönmesi için geçecek süreden daha az olması gerekirdi. Deney sonucu, ışığın her iki yönde gidiş ve geri dönüş süreleri eşit çıktı.

Albert Michelson ve Edward Morley tarafından yapılan bu deneye ilk tepki George F. Fitzgerald‘dan geldi. Fitzgerald, maddenin hareket yönünde büzüleceğini ileri sürdü. Daha sonra Hendrick A. Lorentz hareket yönünde kütlenin artacağını belirtti. Michelson-Morley deneyi ve Fitzgerald ve Lorenz'in çalışmalarında uzayda bir eterin izine rastlanmadı. Işığın içinde yol alabileceğine inanılan eterin bulunamaması bilim adamlarının kafasını karıştırdı. Ta ki Einstein'ın 1905'te yayımladığı özel relativite teorisine kadar.

1905'te yayımlanan özel relativite teorisi, birbirlerine göre hızlanma ve yavaşlama olmaksızın yani ivmesiz, sabit hızlarda hareket eden cisimleri inceler. Özel relativitenin birinci sonucu uzayda eterin mevcut olmadığını açıklar. Evrendeki bütün cisimler hareket halindedir ve hiçbiri sabit ve durağan değildir. Eğer bir eter bulunmuş olsaydı bunlar sabit hızlara sahip olacaklardı. Evrendeki cisimlerin hareketlerinde referans olarak alınabilecek bir sabit cisim bulunmamaktadır.

Uzayda bütün yıldızlardan uzak, boşlukta bir gemi içinde yol alan bir insan hareket edip etmediğini asla anlayamaz. Çünkü civarında referans alabileceği bir gökcismi yoktur. Hareket ettiğini ancak görebileceği başka bir cisme göre söyleyebilir. Bir cismin hareketi sadece başka bir cisme göre tarif edilebilir ve ancak bu durumda hareket mutlaktır. Gerçekte evrendeki bütün hareketler relatif yani izafidir. Yeryüzü üzerinde yol alan bir cisim, hareketini ve hızını ancak üzerinde bulunduğu Dünya'ya göre tarif edebilir. Aynı cisim uzay boşluğunda ise hareket ettiğini bilemez. Dolayısıyla, evrende eter denilen bir madde yoktur ve olsaydı bile Dünya'dan tespit edilemezdi.

Özel relativitenin ikinci konusu ışık hızıdır. Buna göre ışık hızı sabittir, asla değişmez. Işık, ışığın çıktığı yönde veya tersi yönde çok büyük hızla giden hangi cisimden çıkarsa çıksın daima aynı hızda yol alır. Işık hızına ne bir hız ilave edilir ne de ondan başka bir hız çıkartılır. Boşlukta ışık hızı son hızdır ve bu evrendeki en büyük hızdır. Hiçbir şey ışık hızından daha hızlı gidemez. Bu durum doğada sadece ışığa ait olan bir özelliktir.

Bir cismin hızı arttıkça boyu kısalır. Işık hızına ulaşınca cismin boyu sıfır olur ve cisim ortadan kaybolur. Cismin hızı arttıkça o cismin kütlesi artar ve ışık hızına ulaşınca cismin kütlesi sonsuz olur. Yani ışık hızında cisimlerin boyu sıfır, kütleleri sonsuz olur. Dolayısıyla bunlar olamayacağından ışık hızına asla ulaşılamaz. Bir cismi ışık hızına ulaştırmak için ona sonsuz miktarda enerji vermek gerekir ki bu da imkânsızdır.

Bir cismin hızı yükseldikçe kütlesi artar. Kütle artınca onun enerjisi de artar. Çünkü eşit hızlarda, ağır bir cismin enerjisi hafif cisimden daha fazladır. Hız yükseldikçe kütle artacağından, kütleye gelen ilave kütleye ait enerji, kütle ile birlikte fazlalaşır ve ışık hızına ulaşıldığında cisimdeki kütle ve enerji eşit olur. Bu durum E=mc2 (Enerji = kütle x ışık hızının karesi) formülü ile ifade edilir.

Hız arttıkça geçen zaman yavaşlar. Işık hızına ulaşıldığında zaman tamamen durur. Hareket eden iki uzay gemisinin içindeki insanların saatleri birbirine göre yavaşlamış görünür. Bunun nedeni, gemiler arasında yol alan ışık dalgalarının bir gemiden diğerine ulaşması için geçen zamanın aralığıdır. Işık hızına yakın hızlarda uzaktaki bir yıldıza yolculuk eden bir insan için gidiş ve dönüş süresi çok kısa olmasına karşılık, onu Dünya'dan uğurlayan insanlara bu süre çok uzun görülecektir. Buna zamanın genleşmesi adı verilir.

Işık hızının %80'i bir hızda 4 ışık yılı uzaklıktaki bir yıldıza yolculuk yapan bir insan için gidiş ve dönüş süresi 6 yıl olur. Onun Dünya'da bıraktığı ikiz kardeşi için ise bu süre 10 yıl olarak hesap edilir. Seyahat eden kardeş dönüşünde ikizinden 4 yıl daha genç olur. Dolayısıyla, hızlı hareket eden insanlar daha uzun süre yaşarlar. Ve ışık hızına ulaşabilenler ise hiç ölmezler. Fakat bu durum daha önce belirtilen nedenlerden dolayı mümkün olamaz. Günlük yaşamda zaman bir cisme veya bir olaya dayanılarak ölçülür. Zaman için ideal olan standart ışık hızı olup, relatif olan zaman hareket eden ve duran gözlemciler için farklı bir şeydir.

1916 yılında yayımlanan genel relativite teorisi, birbirine göre hızlanan veya yavaşlayan yani sabit olmayan ivmeli hızlarda hareket eden cisimleri inceler. Bu teori, özel relativitenin daha genişletilmiş hali olup, Einstein'ın en büyük eseri ve tarihin en önemli kuramlarından biridir. Kütlelerin birbirine yaptıkları çekim kuvveti üzerine kurulmuş olan teori uzay ve zamanın mutlak olmadığını açıklar.

1687'de Isaac Newton, evrende kütlesi bulunan bütün cisimlerin birbirlerini çektiklerini bularak, evrensel gravitasyon kuvvetini yaratmıştı. Newton teorisinde gezegenlerin Güneş etrafındaki hareketlerinde daireye çok yakın bir eliptik yörünge çizdiklerini de öngörmüştü. Genel relativiteye göre, gezegenlerin yörünge düzlemleri aynı konumda kalmayıp dönmektedir. Çok küçük miktarlarda olan bu düzlemsel dönüşler ancak milyonlarca yıl sonra tam bir dönüş haline gelmektedir.

Genel relativite gravitasyonun kütleler arasındaki bir kuvvet olmadığını belirtir. Teoriye göre evrendeki ağır cisimler uzayı ağırlıklarından dolayı çukurlaştırmaktadır. Cismin ortasında yer aldığı bu çukura civarındaki daha az ağır cisimler çekilmektedir. Güneş'in etrafında milyarlarca yıldan beri dönüp duran gezegen ve Ay'lar, onun uyguladığı çekim kuvvetinden değil, Güneş'in çukurlaştırdığı ve eğdiği uzay-zaman içinde kalıp çukurun dışına çıkamadıkları için dolanmaktadır. Nitekim, Güneş'in arkasındaki uzak bir yıldızdan Dünya'ya gelen ışık ışını Güneş'in yanından geçerken onun etrafındaki uzay-zamanın eğriliğine girer, yolunu değiştirerek Dünya'ya ulaşır. Böylece kütlesel çekim yerini uzay-zaman devamlılığında ağır cisimlerin oluşturdukları bükülmüş uzay-zamana bırakmış oldu.

Teori, büyük kütleli cisimler üzerindeki zamanın, küçük kütleli cisimlerdeki zamandan daha yavaş akacağını da öngörmektedir. Dünya'daki saatler Güneş'te yavaşlar. Ay'daki bir saat Dünya'dakine göre daha hızlı çalışır. Aynı şekilde Dünya üzerindeki bir yüksek binanın üst katında bulunan bir saat alt katta bulunan saatten daha hızlı ilerler. Bunun sebebi, Dünya'nın çekim merkezine daha yakın olan alt kattaki saatin çekim merkezinin etkisinde kalmasıdır.

Genel relativite, üç boyutlu evrene bir dördüncü boyut olan zamanı ilave etti. Uzay ve zaman birbirinden bağımsız olmayan değerlerdir. Evrendeki bütün cisimler biri zaman, diğer üçü de uzay olan dört boyutlu uzay-zamanda hareket etmektedir. Uzay-zaman ağır cisimlerin etrafında eğrilmiş olduğundan ağır cisimlerin etrafından geçen daha hafif cisimler eğrilmiş yüzeyin eğriliğini takip eder. Gravitasyon kuvveti, uzay-zamanın bu eğriliğinin yerini almaktadır. Ağır ve hafif cisimlerin birlikte bir gravitasyon alanı içinde hareket etmeleri ve cisimlerin kütleleri ne olursa olsun, hareketleri uzay-zamanın eğriliğine bağlıdır. Bu yüzden ağır ve hafif iki cisim aynı hızla düşer.

Genel relativitenin sonuçlarından evrenin, genişlemekte olan açık bir evren olduğu hesap edildi. Evrenin ortalama yoğunluğunun kritik bir değere olan oranı, evrenin durumunu belirtecektir. Bugünkü bilgiler ortalama yoğunluğun kritik değerin altında olduğunu göstermektedir. Dolayısıyla evren devamlı genişlemektedir.

Cisimlerin gözle görülemeyecek kadar küçük nesnelerden meydana gelmiş olduğu fikri ilk defa Demokritos tarafından ileri sürüldü. Eski Yunanlı filozof Demokritos bu nesnelere atom adını verdi. Atom teorisinin babası olan Demokritos'tan 2200 yıl sonra John Dalton atomu tarif etti ve atomların görülemeyen ve değişmez parçacıklar olduğunu söyledi.

Daha sonra J. J. Thomson katot tüpünde yaptığı bir deneyde, katot ışınlarının floresan ekran üzerinde belirgin noktaların bir manyetik alan içinde saptıklarını gördü ve bunların pozitif kutupta çekildiklerini, negatif kutupta ise itildiklerini gözledi. Thomson bu noktada parçacıkların negatif yüklü olduklarını, sonradan bunlara elektron adı verilecek yeni parçacıklar olduğunu anladı. Sapmaların miktarından bu yeni parçacıkların kütlelerini hesaplayarak bir hidrojen atomunun kütlesinden 2000 defa daha küçük olduklarını keşfetti. Böylece bir atomdan daha küçük olan ilk parçacık bulunmuş oldu.

Atomun kendisinden daha küçük olan bir parçacığının bulunduğunun anlaşılması üzerine onun yapısı üzerindeki çalışmalar yoğunlaştırıldı. Bu sıralarda Ernest Rutherford radyoaktivite üzerinde çalışıyordu ve radyoaktif cisimlerden çıkan ışınların pozitif yüklü alpha ve negatif yüklü beta ışınları olduğunu ve alpha ışınlarının helyum atomunun çekirdeklerinden meydana geldiğini biliyordu.

Rutherford alpha parçacıklarını çok ince bir altın levhaya ateşledi. Parçacıklardan çoğu levhadan geçip gitti. Her 20.000 parçacıktan biri ise levhaya çarpıp geri döndü. Geri dönen bu parçacıklar Rutherford'u çok şaşırttı ve Rutherford bu olaydan atomun içinin boş olduğunu ve ayrıca alpha parçacıkları gibi pozitif yüklü bir merkezi olabileceğini tahmin etti. Zira, aynı yüklerin birbirini ittiği halen biliniyordu ve pozitif yüklü alpha parçacıkları aynı yüke sahip merkeze çarpıp geri dönüyor olmalıydı.

Rutherford 1911 yılında atom modelini kurdu. Buna göre, atomun merkezinde yer alan pozitif yüklü bir çekirdek bütün atom hacminin sadece çok küçük bir kısmını işgal ediyordu. Çekirdeğin etrafındaki geniş boşlukta da negatif yüklü elektronlar yer alıyordu. Rutherford, çekirdekte bulunan pozitif yüklü parçacığın elektrondan 1800 kat daha ağır olduğunu hesaplayarak bu parçacığa proton adını verdi. Çekirdekle ters yüklü olan elektronlar onun etrafında hızlı bir şekilde dönebilmek için kendilerine ait birer enerjiye sahip olmalıydılar. Rutherford, çekirdek etrafındaki yörüngelerinde dolanan elektronların çekirdeğin çekim kuvvetini dengeleyecek miktarda bir açısal hıza sahip olduklarını ileri sürdü. Ayrıca bir atomun elektriksel bakımdan nötr olabilmesi için her protona karşılık bir adet elektronun bulunması gerektiğini de belirtti.

Hidrojen atomu, çekirdeğinde bir adet proton ve bir adet elektrona sahiptir. Helyum atomu iki proton ve iki elektron, lityum üç proton ve üç elektrona haizdir. Rutherford, iki tane protona sahip olan helyum çekirdeğinin kütlesinin iki kat olması gerektiğini hesap etti. Önceleri helyum çekirdeğinde ikisinin iki adet elektronla nötrleştirildiği dört proton bulunduğunu düşündü, sonra çekirdekte proton ile aynı kütleye sahip yüksüz başka bir parçacığın da bulunması gerektiğini anladı. Bu yüksüz yeni parçacık onun asistanı James Chadwick tarafından 1934'te keşfedildi ve adına nötron dendi. Rutherford tarafından bulunan bu klasik atom modeli tarih boyunca yapılmış en büyük keşiflerden biri olmuştur.

Hidrojen, çekirdeğinde nötron bulunmayan tek atomdur. Tek protonu ve tek elektronu vardır. Helyum atomunda iki proton iki nötron ve iki adet de elektron bulunur. Bu sayılar diğer atomlarda böylece devam eder. Çekirdeklerdeki proton adetleri atomik sayıları ifade eder. Proton sayıları birer adet ilave edilerek, hidrojenden 92 protonlu uranyum atomuna kadar devam eder ve farklı ağırlıklardaki elementleri meydana getirir. Doğadaki elementlerin en ağırı 92 adet protonu bulunan uranyumdur.

Çekirdekteki nötronların sayısı protonlar gibi birer sayı ilavesiyle çoğalmaz. Birçok ağır atom çekirdeğinde proton sayısından daha fazla nötron bulunur. Keza, birçok aynı sayıda protona sahip aynı elementin atom çekirdeğinde farklı sayıda nötron yer almaktadır. Uranyum atomlarının birçoğu 238 proton kütlesine sahip olup, bunun 92'si proton, 146'sı ise nötrondur. 235 sayılı uranyumun 92 protona karşılık 143 adet nötronu vardır.

Atomlar özel biçimlerde birleşerek kimyasal bileşimleri oluştururlar. Atomların bu birleşmelerini çekirdek etrafında dönen elektronlar sağlar. Böyle birleşmelerin özellikleri de atomdaki elektronların, dolayısıyla protonların sayısı ile ifade edilir. Aynı sayıda protonu fakat farklı sayıda nötronu olan atomlara izotop adı verilir. İzotopların fiziksel özellikleri nötronların sayısı ile belirlenir. Nötron sayısı daha fazla olan ağır atomlar pek dayanıklı olmayıp kırılarak iki proton ve iki nötrondan oluşan alpha parçacıkları çıkarır. Çekirdekten iki proton eksilince atom farklı bir atom haline gelir ve farklı kimyasal özelliklere sahip bir element ortaya çıkar. Bu tür elementlere de radyoaktif element denir.

Danimarkalı Niels Bohr, Rutherford'un atom modelini yeterli bulmadı. Bohr, bir dairesel yörüngede durmadan dönen elektronun gittikçe hızlanacağını, devamlı radyasyon çıkaracağını ve enerji kaybederek sonunda spiral bir hareketle çekirdeğe çarpacağını iddia etti. Bu problemin çözümü olarak Bohr, elektronların sadece ve sadece belli ve izin verilmiş yörüngelerde dönmeleri gerektiğini söyledi. Elektronlar bu belli yörüngelerde dolanırken radyasyon çıkarmamalıydılar. Her elektron kendi yörüngesinde belli bir enerjiye sahipti ve sahip olduğu potansiyel enerjisi çekirdekten olan uzaklığına, kinetik enerjisi de onun hareketine bağlıydı. Her bir yörünge özel bir enerji seviyesini belirtiyor ve her bir elektron aniden yüksek bir enerji seviyesinden düşük bir enerji seviyesine hareket edebiliyordu. Böyle farklı enerji seviyeleri arasında sıçrama olunca aradaki enerji farkı bir kuanta veya özel bir frekansa sahip bir elektromanyetik radyasyon paketi olarak dışarı çıkacaktı.

Bohr'un bu modeli Erwin Schrödinger tarafından tamamlandı. Schrödinger dalga mekaniğini ileri sürdü ve bunu 1926'da matematiksel olarak izah etti. Daha sonra De Broglie elektronların bir dalga karakterine sahip olduklarını ispat etti. Böylece Bohr'un modeli de tamamlanmış oldu.

Rutherford-Bohr modeline göre yörüngelerde dönen elektronların sayısı çekirdekteki protonların sayısına eşittir. Her bir yörüngede yer alan elektron sayısı limitli olup, birinci yörüngede ikiden fazla, ikinci yörüngede sekizden fazla, üçüncü yörüngede on sekizden fazla elektron yer alamaz. Ve bu böyle devam eder. Eğer bir elektron enerji kazanırsa bir üst yörüngeye sıçrar. Her yörüngenin kendine ait bir enerji seviyesi vardır ve elektronlar yörüngeler arasında gidip geldikçe ya enerji kaybederler ya da enerji kazanırlar. Elektron bir üst yörüngeden bir alt yörüngeye indiğinde kaybettiği enerji, elektromanyetik radyasyonun parçacığı olan foton şeklinde atomun dışına çıkar. Dışarı çıkan fotonlar da ışığı meydana getirir.

Kuantum teorisi bir atomun içinde bulunan, atomdan daha küçük boyutlardaki parçacıkları inceler. Teorinin fikir babası olan Max Planck bir atomun içindeki parçacıklardan her birinin kendine ait özelliklere ve kuanta denilen enerjilere sahip olduğunu ortaya attı. Planck ile başlayan ve sonraki yıllarda geliştirilen kuantum teorisi, bilim tarihinin en başarılı buluşlarından biri olarak, doğadaki olayların çoğunun anlaşılmasına yardımcı olmuştur.

1600'lerin ortalarında Isaac Newton ışığın çok küçük parçacıklardan oluşmuş bir yağmur şeklinde ilerlediğini belirtmişti. 1807 yılında Thomas Young bunun doğru olmadığını ve ışığın dalgalar halinde yayıldığını ileri sürdü ve bu durumu meşhur çift yarık deneyi ile ispat etti. Birbirine yakın iki dar yarığın içinden geçen bir ışık demetinin arkadaki bir ekran üzerinde çıkardığı girişim şeklinden, ışığın dalgalar halinde ilerlediği anlaşılıyordu. Bu durum, Einstein'ın ışığın parçacıklar halinde yol aldığını ispatlamasına kadar devam etti. 1905 yılında Einstein'ın fotoelektrik etkiyi bulması ile ışığın hem dalgalar halinde hem parçacıklar halinde yayıldığı anlaşılmış oldu.

Evrendeki bütün cisimler, dalga boyları sıcaklıklarına bağlı olmak üzere, elektromanyetik radyasyon çıkarırlar. Çok sıcak cisimlerin çıkardığı radyasyonun dalga boyları spektrumun görünen ışık bölgesinde olup çok kısa dalga uzunluklarındadır. Soğuk cisimlerin çıkardıkları dalgaların boyları ise daha uzundur. En uzun dalga boyuna sahip dalgalar ise en soğuk bölgelerden geçen mikrodalga ve radyo dalgalarıdır.

Klasik fiziğe göre, dalga boyu kısaldıkça daha büyük enerji ortaya çıkar. Bunun sebebi, sabit olan ışık hızında dalga boyu ve frekansın birbiri ile ters orantılı olmasıdır. Yani dalga boyu büyüdükçe frekans azalır veya tersi olur. Dolayısıyla, enerji ile frekans orantılıdır. Bu teoriye göre, morötesi ışınımın enerjisinin çok yoğun ve büyük, dalga boyunun da çok kısa olması gerekirdi. Halbuki durum böyle değildir. Nitekim, çok kısa dalga boylu x-ışınları insanları yakıp kavurmaktadır. Teoride bir yanlışlık olmalıydı. Problemin çözümünü 1900 yılında Max Planck yaptı.

Planck, ışık dahil bütün elektromanyetik radyasyonun sadece durmadan yayılan dalgalar olmadığını, aynı zamanda, kuanta adını verdiği çok küçük enerji paketleri seli olduğunu ve çıkan bu enerji paketçiklerinin belli bir minimum ölçünün üzerinde bir boyutta bulunduklarını ileri sürdü ve bu paketlerin enerjisi ile frekansları arasındaki ilişkinin E=hf (E=enerji, f=frekans, h=6.6262x10-34 Joule x saniye) formülü ile ifade edilebileceğini gösterdi.

Bilim tarihinin en önemli formüllerinden biri olan bu eşitlik birçok olayı açıklığa kavuşturmuştur. Elektronların atom çekirdeğinin etrafında sadece belli enerji seviyelerine sahip yörüngelerde yer alabilecekleri, bir yüksek enerji seviyesinden düşük enerji seviyesine sıçradıklarında bir radyasyon neşredecekleri, yüksek sıcaklık ve frekanslarda bir radyasyon çıkarabilmek için büyük enerjinin gerektiği vs. bu formülle izah edilmiştir.

Planck'ın çalışmasından etkilenen Einstein 1905 yılında fotoelektrik etkiyi buldu. Buna göre, ışık veya bir elektromanyetik radyasyon bazı metal cisimlerin üzerine düştüğünde metalden elektron çıkarıp fırlatır. Einstein bu olayın sadece Planck'ın teorisinin doğru olması halinde, yani ışığın kuanta denilen küçük enerji paketleri ve belli enerji seviyelerinde ve dalga boylarında olması durumunda, geçerli olabileceğini ileri sürdü. Böylece ışığın, dalga karakterinin yanında belli enerji seviyesinde ve belli dalga boyunda paketçikler halinde yayıldığı ispat edilmiş oldu. Einstein, bu ışık paketçiklerine foton ismini verdi.

Louis de Broglie, Einstein'ın buluşunu elektronlara uyguladı ve elektronların da ışık gibi, hem dalgalar hem de parçacıklar halinde hareket ettiklerini ispat etti. De Broglie, bir parçacığın dalga uzunluğunun, Planck sabitinin parçacığın momentumuna bölümüne eşit olduğunu gösterdi. Planck sabiti 6,6262x10-34 gibi son derece küçük bir değer olduğundan, büyük momentumlara sahip günlük yaşamdaki cisimler çok küçük dalga boyuna sahip olup, onların dalgasal hareketleri fark edilememektedir. Momentumu küçük olan atomdan daha ufak parçacıklar ise, bu formüle göre, uzun dalga boylarındadır.

Maddenin günlük yaşamdaki halinde gözlenemeyen dalga-parçacık ikiliği, atomik boyutlardaki her davranışta görülür. Sonuçta, doğadaki maddeyi oluşturan bütün nesnelerin hem dalgalar hem de parçacıklar halinde davrandıkları açıklığa kavuşmuş oldu.

1927 yılında Werner Heisenberg, atomik boyutlarda maddenin ölçüm ve gözlem hassasiyetlerinin farklı olduğunu, bir parçacığın pozisyonunu hassas olarak ölçmek için yapılacak bir uğraşın onun hızını etkileyip değiştireceğini ve keza hızının ölçülmesinin pozisyonunu etkileyeceğini ileri sürdü. 1600'lerden beri kullanılan klasik fizik cisimlerin belli bir andaki pozisyon ve hızlarının hesaplanabileceğini öngörüyordu. Ve bu durum Dünya üzerindeki elle tutulur büyüklükteki cisimler için geçerliydi. Atom boyutlarındaki küçük nesneler için ise durum tamamen farklıydı. Heisenberg ise, çok küçük parçacıkların hız ve yerlerinin, aynı bir an içinde, hassas olarak ölçülemeyeceğini, birinin ölçülmesinin diğerini bozacağını belirterek, teorisine belirsizlik ilkesi adını verdi. Pozisyondaki belirsizlik miktarı ile momentumdaki belirsizlik miktarının çarpımının, 6.6262x10-34 olan Planck sabitine eşit veya ondan büyük olduğunu hesapladı.

Böylece Newton'un kurduğu klasik fizik son buldu ve yepyeni bir fizik olan kuantum mekaniği ortaya çıktı. Atomu yani maddeyi meydana getiren, atomdan daha küçük boyutlardaki parçacıkların hiçbir kaideye uymayan tuhaf davranışlarını açıklayan kuantum mekaniği bilimde bir çığır açtı. Bir atomun içindeki dünyalar anlaşıldı, parçacık fiziği, nükleer fizik ortaya çıktı, elektronik gelişti, maser ve laser, bilgisayar, hesap makineleri gibi binlerce cihaz onun sonucu olarak, daha küçük boyutlarda daha hızlı ve verimli olarak üretildi.

Alıntı: Kozmostan Kuantuma -Yalçın İnan-

Hiçbir yazı/ resim  izinsiz olarak kullanılamaz!!  Telif hakları uyarınca bu bir suçtur..! Tüm hakları Çetin BAL' a aittir. Kaynak gösterilmek şartıyla  siteden alıntı yapılabilir.

The Time Machine Project © 2005 Cetin BAL - GSM:+90  05366063183 -Turkiye/Denizli 

Ana Sayfa /index /Roket bilimi / E-Mail /CetinBAL/Quantum Teleportation-2   

Time Travel Technology /Ziyaretçi Defteri /UFO Technology/Duyuru

Kuantum Teleportation /Kuantum Fizigi /Uçaklar(Aeroplane)

New World Order(Macro Philosophy) /Astronomy