Evren Nedir, Nelerden Oluşur?

Flavio Coelho / Getty Images

İnsanlar varoluşlarından itibaren çevrelerini anlamaya çalıştı. Örneğin gökyüzünde gördükleri parlak cisimleri, Dünya’nın nasıl bir yer olduğunu, evrenin yapısını, ne kadar büyük olduğunu ve Dünya’nın evrendeki yerini merak ettiler. Peki, siz de merak ediyor musunuz? Sahi nedir bu evren, nelerden oluşur?

Astronot Terry Virts - NASA

Bu yazıda parçacık fiziğinin gelişimini anlatmak amacıyla eski dönemlerden başlayacağımız yolculuğumuza, 1900'lü yılların ilk çeyreğindeki gelişmelere kadar devam edeceğiz.

Evren gezegenler, yıldızlar, gök adalar gibi milyarlarca gök cisminden oluşuyor. Evrenin bu çok büyük yapısını anlayabilmek için onu oluşturan en küçük yapıyı incelememiz gerekiyor.

Vectorian / iStock

Maddenin atom adı verilen yapı taşlarından oluştuğu fikrinin ortaya atılması, parçacık fiziğinin temellerinin oluşturulması açısından son derece önemlidir. MÖ 460 - MÖ 370 yılları arasında yaşayan Antik Yunan filozofu Demokritos, kendisinden önce yaşamış filozofların “evrenin temel olarak toprak, hava, su, ateş gibi maddelerden oluştuğu” fikrinden ayrılıyor ve bir noktadan sonra maddenin daha küçük parçalara ayrılamayan temel bir yapı taşı olması gerektiğini düşünüyordu. Ona göre maddeler daha küçük parçalara bölünemeyen ve çıplak gözle görülemeyecek kadar küçük olan atomlardan meydana geliyordu. Bu görüş uzun yıllar bilim insanları tarafından ihmal edildi. Ancak 19. yüzyılda İngiliz fizikçi ve kimyacı John Dalton'un yaptığı hesaplamalarda atom kavramını kullanmasıyla tekrar gündeme geldi.

Bundan sonra bilim insanları atomun yapısını anlamak için çalışmalar yapmaya başladı. Britanyalı fizikçi Joseph John Thomson'un 1897’de elektronu keşfetmesi, parçacık fiziğinde önemli ilerlemelerin başlangıcı olarak kabul edilebilir. Çünkü Thomson ilk defa atomun da kendisinden daha küçük parçacıklardan oluştuğunu göstermiş oldu.

Bu noktada başka bir tanım daha yapmamız gerekiyor. Bir parçacık kendisinden daha küçük parçacıklardan oluşabilir. Eğer bir parçacık daha küçük parçalara bölünemiyorsa buna "temel parçacık” denir. Elektron, bu temel parçacıklardan biridir. Dolayısıyla elektronun keşfi, parçacık fiziğindeki hızlı gelişmelerin bir başlangıcı oldu.

Daha sonraki yıllarda atomun bir çekirdeği olduğu, çekirdeğin içinde proton denen parçacıkların bulunduğu, elektronların ise çekirdeğin çevresinde dolandığı anlaşıldı. Bu gelişmeler 1900'lü yılların ilk çeyreğinde yaşandı. 1932 yılında ise İngiliz fizikçi James Chadwick, atomun çekirdeğinde nötron adı verilen yüksüz parçacıkların bulunduğunu keşfetti. Böylece atomun yapısı hakkındaki bilgilerimiz zaman içerisinde daha da netleşti. 1930'lu yıllara kadar atomla ilgili yaşanan gelişmelerden önemli olanlarını şöyle sıralayabiliriz:

Grafik Tasarım: Erhan Balıkçı

1800’lü yılların sonunda ve 1900’lü yılların başında, bilim insanları arasında “Evrenin doğası tam olarak anlaşıldı mı?” tartışmaları vardı. Bu görüşün temelinde, Isaac Newton tarafından ortaya konan klasik mekaniğin ve James Clerk Maxwell tarafından ortaya konan elektromanyetik teorinin, evrenin doğasının bilimsel açıklamasını yapmak için yeterli görülmesi yatıyordu. Ancak atomu oluşturan parçacıkların özelliklerinin bu iki teori ile tam olarak açıklanamadığının fark edilmesi, fizik dünyasında yeni çalışmalara kapı araladı.

Şimdi, yukarıda sıraladığımız keşiflerden birini detaylı olarak ele alalım: Ernest Rutherford ve protonun keşfine kapı aralayan ünlü deneyi…

J. J. Thomson, elektronu keşfettikten sonra, atomlar yüksüz olduklarına göre eksi yüklü elektronları dengeleyebilmek için artı yüklü parçacıklara da sahip olması gerektiğini düşündü ve yeni bir atom modeli önerdi. Buna göre atom artı yüklü bir ortam içinde dağılmış çok sayıda eksi yüklü elektrondan oluşuyordu. Ancak bu model, atomun deneylerle elde edilen özellikleri ile tam olarak uyumlu değildi.

Universal Images Group North America LLC / Alamy Stock Photo

Thomson atom modeli

J. J. Thomson’ın öğrencisi olan Ernest Rutherford, atomun yapısını incelemek için alfa parçacıklarını kullanabileceğini düşündü. Rutherford, öğrencileri olan Geiger ve Marsden ile birlikte yaptığı deneyde, radyoaktif malzemeden çıkan alfa parçacıklarını çok ince bir altın levhaya yönlendirdi ve alfa parçacıklarının hareketini inceledi. Rutherford'un yaptığı deneyde elektrondan çok daha ağır olan alfa parçacıklarının, herhangi bir sapma olmadan veya çok küçük sapmalar ile yoluna devam etmesi beklenirdi. Ancak Rutherford’un deneyinde parçacıkların büyük kısmının levhadan geçtiği, yalnızca küçük bir kısmının geldiği yöne doğru saçıldığı gözlemlendi.

Jacobin / Science Photo Library

Radyoaktif bir malzemeden çıkan alfa parçacıkları, inceltilmiş altın levha atomlarına gönderildiğinde etkileşme hiç beklendiği gibi olmadı.

Rutherford, alfa parçacıklarının küçük bir kısmının ince altın levhadan büyük açılarla geri saçılmasını açıklamak için iki yıl süren deneyler yaptı. Sonuçta, atomun artı yüklerden oluşan bir çekirdeği olduğunu ve elektronların bu çekirdeğin etrafına dağılmış olduğunu öne süren modelini ortaya koydu. Rutherford, bu deneyler sırasında hızlı parçacıkları altın atomuna çarptırarak atomun iç yapısı hakkında çıkarımlar yaptı.

Bugün İsviçre'deki Avrupa Nükleer Araştırma Merkezi'nde (CERN) bulunan ve dünyanın en büyük parçacık hızlandırıcısı olan Büyük Hadron Çarpıştırıcı’da, Rutherford ve öğrencisinin bu yöntemi kullanılıyor. Ama küçük bir farkla! CERN’deki deneyler çevre uzunluğu 27 km olan devasa büyüklükteki, dünyanın en karmaşık hızlandırıcısında şimdiye dek ulaşılan en yüksek çarpışma enerjisiyle yapılıyor.

Ivan Savini / iStock

Parçacık hızlandırıcıları, CERN’de yapılan araştırmaları ve daha fazlasını bir sonraki yazımızda ele alacağız.

Kaynaklar:

• Adıvar, A., Tarih Boyunca İlim ve Din, 1944.
• Arslan, A., İlk Çağ Felsefe Tarihi-1, İstanbul Bilgi Üniversitesi Yayınları, 2020.
• Etişken, Ö., 1911’den 2011’e Rutherford’dan 100 Yıllık Hediye, Bilim ve Teknik, Aralık 2011.
• Etişken, Ö., Parçacık Hızlandırıcı ve Bilim Merkezi, Çizgi Kitapevi-Sergileme Tasarımı Kitabı, Ocak 2022.
• Gagnon, P., Who Cares about Particle Physics?: Making Sense of the Higgs Boson, the Large Hadron Collider and CERN, Oxford, 2017.
• Gillies, J., CERN and the Higgs Boson: The Global Quest for the Building Blocks of Reality, Hot Science, 2018.
• Krause, M., CERN How We Found the Higgs Boson, World Scientific, 2014.
• Lincoln, D., The Large Hadron Collider: The Extraordinary Story of the Higgs Boson and Other Stuff That Will Blow Your Mind, John Hopkins University Press, 2014.
• Weinberg, S., Atomaltı Parçacıklar - Bir Keşif Serüveni, TÜBİTAK Popüler Bilim Yayınları, 2005.
• https://home.cern, Erişim: Aralık 2022.

Yazarlar Hakkında:

Dr. Özgür Etişken

Parçacık Hızlandırıcı Fizikçisi

Dr. Cafer Bayar

Parçacık Hızlandırıcı Fizikçisi