Kütlenin Kökenine Dair İlginç Gerçek

Hiç kütlenizin nereden geldiğini merak ettiniz mi? Bu soruya cevap olarak fazla çikolata veya ekstra kek parçaları gibi bazı olası cevapları bir kenara bırakırsak, herhangi bir bilim tutkunu gibi, kütlenin gerçek kaynağının Higgs alanı adlı bir fiziksel fenomen olduğunu söyleyebilirsiniz. Bu iddia popüler bilim hikayelerinde sıkça görülse de, aslında tamamen doğru değildir. Gerçekte, Higgs alanı evrenin kütlesine çok az katkıda bulunur. Gerçek, çok daha büyüleyicidir. Bu makalede, evrendeki nesnelerin kütlesinin ardındaki detayları inceliyoruz.

Başlangıç

– Higgs Alanı:

Öncelikle, bilimsel basının neden Higgs alanının nesnelere kütle verdiğini iddia ettiğini inceleyelim. Higgs alanı, 1960'larda o dönemin başka bir popüler teorisini kurtarmak için bir tür ilk yardım olarak önerilen bir teoriydi. Fizikçiler, iki bilinen kuantum kuvvetinin – elektromanyetik kuvvet ve zayıf nükleer kuvvet – aslında tek bir temel kuvvetin farklı tezahürleri olan elektrozaif kuvvet olduğunu öne sürdüler. Elektromanyetik kuvvet, elektrik, manyetizma, ışık ve kimyanın çoğundan sorumlu iken, zayıf nükleer kuvvet bazı radyoaktif bozunma biçimlerinden sorumludur. Buz ve buharın yalnızca farklı su biçimleri olduğunu bildiğimiz gibi, bu görünürde farklı kuvvetler de aynı şeyin farklı yollarıydı.

Ancak bu yeni birleştirilmiş kuvvetle ilgili bir sorun vardı; tüm altatomik parçacıkların sıfır kütleye sahip olduğunu öngörüyordu. Bu iddia 1930'lardan beri yanlış olduğu biliniyordu ve müdahale edilmezse, elektrozaif teori doğumundan kısa süre sonra ölebilirdi. Ancak, 1960'ların ortalarında bir dizi fizikçi, bazı parçacıklara kütle veren ancak diğerlerine vermeyen, şimdi Higgs alanı olarak bilinen bir enerji alanı önerdi. Higgs alanı teorisi, Higgs bozonu adlı bir parçacığın varlığını öngördü.

Bu parçacık, 2012 yılında CERN'deki araştırmacılar tarafından gerçekten keşfedilene kadar teorik olarak kaldı. Higgs bozonunun keşfiyle elektrozaif teori doğrulandı. Higgs alanının, tanıdık elektron ve atom çekirdeklerindeki protonlar ve nötronlar içinde yer alan "kuarklar" olarak bilinen bir parçacık sınıfı gibi, bazı altatomik parçacıklara kütle verdiği doğrudur. Bu nedenle, bazı yazarlar ve bilim meraklıları, Higgs alanının bize kütle verdiğini iddia ederler.

Bize Gerçekte Kütle Veren Nedir?

Ancak Higgs teorisinin başarısına rağmen, bu iddia yanlış çıkıyor. Bunu, örneğin 80 kilogram ağırlığındaki bir kişinin kütlesinin kaynağını sorgulayarak açıklığa kavuşturabiliriz. Bir kimyager sorduğunuzda, kişinin kütlesinin yapı taşları oldukları moleküllerden geldiğini ve bu molekülleri tarttığınızda onların 80 kilogram ağırlıkta olduğunu söyleyeceklerdir. Daha derine inersek, bu molekülleri oluşturan atomların kütlesi nedir diye sorabiliriz? Onları tarttığınızda yine de 80 kilogram bulursunuz. Atomların içinde ise çekirdeğin merkezinde protonlar ve nötronlar ile çekirdeğin etrafında bir elektron bulutu bulunur. Protonlar ve nötronlar benzer kütlelere sahiptir, elektronlar ise çok daha hafiftir (bir elektronun kütlesi bir proton veya nötronun kütlesinin yaklaşık 1/2000'idir). Bu nedenle, elektronları göz ardı edebilir ve protonlar ile nötronlara odaklanabiliriz. Kişideki tüm proton ve nötronların kütlesini topladığınızda, 79.9 kilogram elde edersiniz (elektronlar 0.1 kilogram ile).

Bu noktada, kişinin kütlesinin onları oluşturan altatomik parçacıklarda yer aldığını görüyoruz; ancak sonra bir sürprizle karşılaşırız. Her bir proton ve nötronda "kuark" adı verilen üç küçük parçacık vardır. Dolayısıyla, tüm kuarkların kütlelerini toplarsak, yine aynı tekdüze rakamı (80 kilogram) elde edeceğimizi düşünebiliriz. Ancak — işte sürpriz — bu bulduğumuz şey değil. 80 kilogram ağırlığındaki bir kişideki tüm kuarkların kütlelerini topladığınızda, iki kilogramdan az olduğunu görürsünüz. Peki, diğer 78 kilogram nereden geliyor? Burada işler ilginçleşiyor.

Cevap, sıklıkla olduğu gibi, Einstein'ın ünlü denklemi E = mc²'dedir. Bu denklem bize enerji ve kütlenin eşdeğer olduğunu söyler. Peki, bu nasıl yardımcı olur? Her bir proton ve nötrondaki kuarklar inanılmaz yüksek hızlarda hareket ederler; aslında, bu hızlar ışık hızına yaklaşabilir. Bu çok yüksek hız çok yüksek enerji anlamına gelir ve Einstein'a göre çok yüksek enerji çok yüksek kütle anlamına gelir. Ancak bu hikayenin daha fazlası var. Protonlar ve nötronlar yaklaşık bir katrilyon metre çapında küçük toplara benzerler (bir katrilyon, 15 sıfırla takip edilen 1'dir ve bir milyon milyara eşittir). Protonlar çok hızlı kuarklardan oluşuyorsa ve bu küçük hacim içinde sıkışmışlarsa, onları bir arada tutan eşit derecede güçlü kuvvetler olmalıdır. Güçlü kuvvetler de yüksek enerji anlamına gelebilir, tıpkı sıkı çekilmiş bir yay gibi, bu da gevşek bir yaydan daha fazla enerjiye sahiptir. Protonlar ve nötronlar içindeki kuarkların hareket enerjisi ve onları sınırlayan enerjiyi toplarsınız ve bunu yaptığınızda, bir kişinin kütlesinin genellikle düşündüğümüz gibi "madde" olmadığını, aksine kütlemizin enerji olduğunu bulursunuz. Aslında, tüm madde enerjiden yapılmıştır. Dolayısıyla, hepimiz, bazı sahte bilimsel ifadelerin iddia ettiği gibi enerjiyiz.

Artık biri sahte bilimsel iddialarla heveslenebilir ve bu sıkça olur. Ancak kütlemizin sadece küçük altatomik parçacıkların deli dolu hareketi ve inanılmaz kuvvetlerle bir arada tutulmasından ibaret olduğu fikri, madde ve enerji hakkında tamamen farklı bir düşünme biçimi sunar. Bilim, gerçeğin hayal ettiğimizden çok daha garip olduğunu bir kez daha öğretir.