Anasayfa > Bilim > E=mc² : Kütlesiz Kütle

E=mc² : Kütlesiz Kütle

E=mc²’yi Öğretmek

Einstein’a göre kütle-enerji ilişkisi, özel görelilik kuramının en önemli sonucudur.Çoğu eğitimci, modern fizik dersinde bu konuyu giriş bilgisi olarak verir. Nükleer fizik problemlerinin çözümünde gerekli olan E=mc², basit matematiksel bir bağıntı olarak ele alınmasına karşın, bu bağıntının ne anlama geldiğini tartışmak çok daha faydalı.Bu bağıntı , madde ve enerjinin doğası hakkında ne söylemekte? Durgun kütle yalnızca kuvvet alanlarının enerjisinden mi meydana gelmektedir? En azından maddelerin kütlesinin %90’ı için, bu soruya verilen cevabın “evet” olduğunun şimdilik tam farkına varılmamış görünüyor.

E=mc² ’nin Anlamı

Kütle-enerji ilişkisi , sıradan bir formülden daha ileri anlamlar taşıyor. Tüm fizik denklemlerinde olduğu gibi, bu formül de bir anlam barındırmakta. Bu noktada, kavramsal içerik, özellikle önemli oluyor. Kavramsal açıklamaya günlük hayattan başlayalım . Top atma, lastik bandı germe, bir fizik kitabını kaldırmak örnek olarak verilebilir. Her bir örnekte, sistemin kütlesi artıyor (kaldırılan kitapta, sistem kitap ve dünyadır). Ancak enerji artışı sadece birkaç joule olduğundan, kütle artışı birkaç joule’ün c²’ye oranı olarak ortaya çıkıyor. Çok çok küçük olan bu artışı gözlemlemek imkansız yada çok zor olabilir. Öte yandan, kuram her bir sistemin kütlesinin arttığını belirtiyor. Böylesine bir sonuçsa şaşırtıcı. Bir kase çorbayı ısıttığınız zaman , çorbanın kütlesini bir gramın milyarda biri kadar artırarak, 105 joule mertebesinde bir enerji verirsiniz. Bu şaşırtıcı durum fark edilemez. Günlük hayatımzda bu basit örnekler, enerji değişim zaman kütlenin de değişeceğini niçin fark edemediğimizi gösteriyor.

Aynı zamanda, bu örnekler “E=mc²’nin sadece nükleer fizike uygulanabildiği” gibi yaygın bir kavram yanılgısını da ortadan kaldırmakta.Bu durumu, bir çift mıknatıs ve birkaç interaktif kavram testi kullanarak ortaya çıkaralım. Bu iki mıknatısı birbirlerine tutturarak işe başlayalım . Daha sonra bu mıknatıslar birbirlerinden uzaklaştırın , tutturun, ayırın ve dengede bırakın . Şimdi soruyoruz: ”Mıknatıs sisteminin enerjisi, artımı ? azaldı mı? yada değişmedi mi? Bu konuda ne söyleyebilirsiniz?”. Doğru cevap, mıknatısları ayırırken iş yaptığımız için, enerji artmıştır. Diğer bir soruysa: “Sisteme verdiğimiz fazla enerji nereye gitti?” olacaktır. Bu sorunun doğru cevabıysa mıknatıslar arasında bulunan uzaydadır, yani manyetik alanda saklanmıştır. Bir sonraki sorumuz: “Mıknatıs sisteminin kütlesi arttımı; azaldı mı; yoksa aynımı kaldı?”

Böyle bir sorunun doğru cevabı, “sistemin kütlesi arttı” olacak. Çünkü, enerji artmış olup m=E/c²’dir. Sonuç olarak, “m=E/c2’lik kütle artışı nerede?”

Enerjinin olduğu yerde; yani manyetik alanda. Alanlar, hatta boş uzaydaki alanlar bile kütleye sahiptir. Kuşkusuz ilginç bir durum! ilginçliğinin yanı sıra, elektromanyetik alanların fiziksel varlığınıda ispat ettiğini söyleyebilirsiniz.

E=mc² formülü, nükleer reaksiyonlarda enerji değişimi çok büyük olduğu için doğrulanabilir. Örneğin, Uranyum parçalanıp, termal enerjisi açığa çıkarılırsa, kütle kayıp oranı yaklaşık %0,1 düzeyindedir ve bu kolayca fark edilebilir. Benzer şekilde iki döteryum çekirdeği Helyum çekirdeği oluşturmak üzere birleştiği zaman kütle kaybı yaklaşık %0.6 düzeyindedir.

E=mc²’nin anlamı, mıknatıslar örneğiyle çok kolay anlaşılabilir : Enerjiye sahip olan bir sistem kütleye sahiptir. Üstelik, kütleye sahip sistem enerjiye sahiptir. Bu son ifade en iyi şekilde madde-antimadde yok olması ile gösterilir. Örneğin, her birinin kütlesi M olan elektron-pozitron yok olduğu zaman iki parçacıkta kayboluyor. Bu durumda: “Onların yerinde hiçbir şeyin olmadığını söylemek mümkün müdür?” sorusu akla gelir. Eğer, E=mc² ise;

enerji korunduğu için enerjinin başka bir çeşidi ortaya çıkmalı. Aslında, ölçümler 2 Mc²‘lik enerjiye sahip radyasyon ortaya çıkardığını göstermekte (Bu değere parçacıkların başlangıç kinetik enerjisi dahil eklenmiştir). Elektron-pozitron çifti durgun olsa bile, bu çift yapısında 2Mc²‘lik enerjiyi depolanmış iş olarak bulunduruyor.

Aynı zamanda, durgun kütlesi olan maddenin durgun kütlesi olmayan radyasyona dönüştüğünü söylemek mümkün.

Kütlesiz Kütle

Temel fizikten bildiğimiz kütlenin ortadan kaybolma olasılığına işaret etmek için “kütlesiz kütle” kavramını ilk defa John Wheeler türetti. Bu kavram, tüm sahalarda temel parçacıkların kütlelerini anlatıyor. 20. yüzyılın ilk yıllarında Hendrik A. Lorentz ve diğerleri, elektromanyetik alan cinsinden tam olarak elektronun kütlesini açıklama çabası içine girdiler. Fakat çok geçmeden, Lorentz’in klasik teorisinin yerini kuantum fiziği aldı. Bugün bile elektrona kütlesini veren nedir bilinmiyor.

Fakat kısa süre önce, Lorentz’in bu hayaline ulaşıldı ve bir maddenin neredeyse tamamına yakını oluşturan protonlar ve nötronların kütlelerinin (kısaca nükleonlar), onları oluşturan kuarkların renk alanlarının neredeyse tamamından meydana geldiği görüldü.

Eğer standart model parametrelerine bir göz atacak olursak, eğlendirici birkaç şey keşfedebiliriz. Burada, yukarı ve aşağı yönlü kuarkların kütleleri listelenmiş ve bunlar sırasıyla 3 Mev/c² ve 6 Mev/c² değerinde iki yukarı yönlü kuark ve bir aflağı yönlü kuarktan olufltuğu söylenen protonun kütlesi ise 938 Mev/c². Bazı şeylerin böyle doğrudan toplanmadığı açık. Proton kütlesinin hemen hemen %99’a yakın miktarı olan bu fark, kuarkların kuvvet alanlarının enerjilerinden ortaya çıkıyor.

Benzer şekilde bir nötron kütlesi, üç kuark (bir yukarı, iki aşağı) kütlesinin toplamından daha büyük. Buradan hemen denilebilir ki, bir nükleon kütlesinin %99’u, tıpkı iki ayrı mıknatıs parçasının enerjilerinin, kendilerinin manyetik alanlarından doğması gibi, bu tip alanlardan doğmakta. Bu %99’luk kütlenin gerçekten kuarkların arta kalan kütlelerinden bağımsız.

Nükleonun kuarklarının görece küçük kütleleri, nükleon modelinin araştırılmasını kolaylaştırıyor. Bu modelde bütün kuark durgun kütleleri sıfıra eşit alınır. Gluonlar (kuarklara ek olarak nükleonların arta kalan bileşenleri) sıfır durgun kütleye sahip olduğu için buna “saf alan” modeli denir. Bu model nükleon kütlelerini hesaplamak için kullanıldığı zaman, sonuçlar %10’luk oranda doğrulanmakta. Kütle elbette m=E/c²‘den ortaya çıkar. Burada E, kütlesiz kuark ve gluonların hareket ve alanlarının enerjisini anlatıyor. Maddenin kütlesinin %99’undan daha fazlası nükleonlardan meydana geldiği için, bu model; maddenin kütlesinin en az %99’unun “kütlesiz kütle” olduğunu belirtir. Geri kalan %10’u benzer şekilde meydana gelir. Parçacık fiziğinin standart modeli, “Higgs Alan›” denen bir alanın, evrenin her yerinde varlığını ileri sürer. Higgs alanına doğrudan delil, Higgs alanının kuantumu olan Higgs bozonun keşfiyle ya da keşiften sonraki birkaç yıl içerisinde bulunabilecek. Higgs alanı doğrulanırsa , o zaman bu alan ve parçacıklar arasındaki etkileşme enerjisi cinsinden temel parçacıkların (örneğin elektronlar ve kuarkların durgun kütleleri) kütleleri açıklanabilecek. Bu yüzden, alanlar yardımıyla maddenin kütlesinin tamamının açıklamasını yapmış olabileceğiz.

Böylece modern fizik, en azından maddeye bakarken ”kütlesiz kütle” nin yüzyıllık görüşünü doğrulamanın eşiğinde. Madde parçacıklarının uzayda sadece kuvvet alanları olduğunu belirten bu görüş, “alan gerçeği” ni ifade etmekte. Bu fikir; çağdaş fiziğin de içinde olan rölativistik kuantum alanlar teorisininin doğruluğunu gösteren bir görüş. Örneğin, Nobel ödülü almış önde gelen kuantum alan kuramcılarından Steven Weinberg’in de ifade ettiği gibi: 1920’li yıllarda geliştirilen fizik kuramlarına göre, temel parçacıkların her bir tipi için bir alan olması gerekiyor.Bu kuramlarda evrende yaşayanların, elektron alanı, proton alanı, elektromanyetik alanlar gibi alan durumları olduğu düşünülmüş. Aslında, bu bakış açısı bugün bile geçerli ve kuantum alan teorisinin temel kabülünü oluşturuyor. “Temel kabülün alanlar takımı olduğu” fikri, kuantum mekaniği ve özel görelilik kurallarıyla uyum içinde.

Bu görüşe göre, hiçbir yerde hiçbir şey yok. Elektronlar ve diğer parçacıklar, iki manyetik kutup arasındaki alana benzeyen boş uzayda yalnızca birer kuvvet alanı. Bu görüş, her şeyin hareket halinde ve etkileşim içerisinde olduğunu vurgulamakta. Karsılıklı etkileşmeler, birbirleri arasında etkileşim halinde olduğunu sandığımız parçacıklardan daha temel. Bu görüş, parçacıkları temel alan Newton mekaniğinden çok daha farklı, yeni bir bakış açısı getiriyor.

Kategoriler:Bilim
  1. Henüz yorum yapılmamış.
  1. No trackbacks yet.

Bir Cevap Yazın

Aşağıya bilgilerinizi girin veya oturum açmak için bir simgeye tıklayın:

WordPress.com Logosu

WordPress.com hesabınızı kullanarak yorum yapıyorsunuz. Log Out / Değiştir )

Twitter resmi

Twitter hesabınızı kullanarak yorum yapıyorsunuz. Log Out / Değiştir )

Facebook fotoğrafı

Facebook hesabınızı kullanarak yorum yapıyorsunuz. Log Out / Değiştir )

Google+ fotoğrafı

Google+ hesabınızı kullanarak yorum yapıyorsunuz. Log Out / Değiştir )

Connecting to %s

%d blogcu bunu beğendi: