Şöyle bir evrene baktığımızda madde ile ilgili söyleyebileceğimiz ilk özelliklerden biri tüm maddelerin uzayda bir yer kapladığıdır. Vücudumuzun, masanın, su bardağının, gezegenler ve galaksilerin hepsinin hacmi vardır. Ama atomun yapısına baktığımızda gördüğümüz şey paradoksal bir soruya sebep oluyor.
Eminim daha önce atomun ve dolayısıyla da maddenin yapısının büyük bir çoğunluğunun boşluk olduğunu duymuşsunuzdur. Eğer duymadıysanız bu bilgi ilk bakışta çok şaşırtıcı gelmeyebilir. Sonuçta atomun sıkış tıkış bir şey olmadığını tahmin etmek zor değildir.
Ancak durumu şu örnekle açıkladığımızda ne demek istediğimizi tam olarak anlayabilirsiniz. Eğer bir atomun çekirdeği tenis topu büyüklüğünde olsaydı, atomun tamamı yaklaşık bir futbol sahası kadar bir yer kaplardı. Kısacası elektronlar ve çekirdek arasında kocaman bir mesafe vardır.
Bu durumu bir de fiziğin dilinden açıklayalım. Tüm maddeler en nihayetinde Standart Model‘de yer alan parçacıkların etkileşiminin bir ürünüdür. Fakat Standart Model’deki parçacıklar (mesela bir elektron) sandığımız gibi çok çok küçük toplar değildir. Bu parçacıklar aslında noktasal ve ölçülebilir bir hacmi olmayan parçacıklardır.
O halde nasıl oluyor da hacmi olmayan parçacıklar bir araya gelerek hacme sahip maddeler meydana getirebiliyor? Atomun çoğunluğu boşluktan ibaretse neden hayalet Casper gibi duvardan geçemiyoruz? Bu sorulara cevap vermek için maddenin en küçük zerresinden büyüklere doğru bir yolculuk yapmamız gerekiyor.
Maddenin Temelinde Ne Var?
Maddenin kendisini parçalara ayırdığımızda her şeyin aslında daha küçük parçalardan oluştuğunu görürüz. Mesela kendi vücudumuzu önce sistemlere, sonra tek tek organlara, sonra dokulara sonra da hücrelere ayırabiliriz. Fakat hücreler vücudumuzdaki nihai en küçük birim değildir. Hücreler, organel adı verilen birimlerden oluşur. Bu organellerin de her birinin boyutu birkaç nanometreden oluşan moleküllerden oluşur. Moleküllerin her biri de atomlardan oluşur.
Atomlar da kabaca 1 angstrom çapındadır ve tipik olarak küresel simetri sergiler. Ve her ne kadar atomun kelime anlamı bölünemez olsa da bugün atomdan daha küçük parçacıklar olduğunu biliyoruz. Bir atom, atom çekirdeği ve onun etrafındaki elektronlardan oluşur. Elektronları oluşturan daha küçük parçacıklar yoktur ancak atom çekirdeğini parçalayabiliriz. Atom çekirdeğinde proton ve nötron bulunur. Tek bir proton veya nötronun çapı 0.84 ile 0.88 femtometre arasında değişmektedir. Yine de proton ve nötronu da oluşturan daha küçük parçacıklar vardır.
Proton ve nötronları oluşturan parçacıklara yani kuarklara baktığımızda şaşırtıcı bir şeyle karşılaşırız. Bu parçacıkların hacmi inanılmaz küçüktür. CERN’de yapılan deneylerin de gösterdiği üzere kuarkların boyutunun yaklaşık 100 zeptometreden yani 10-19 m’den küçük olması gerekir. Ve her nasılsa maddeyi oluşturan temel parçacıklar boyutsuz gibi davranır. Buna rağmen bir araya gelerek maddeyi meydana getirir.
Peki İnanılmaz Küçük Parçacıklar Bir Araya Gelip Hacme Sahip Bir Maddeyi Nasıl Oluşturuyor?
Aslında inanılmaz küçük bu atomaltı parçacıkların bir araya gelerek hacme sahip bir madde oluşturmasını sağlayan 3 şey vardır. Bunlar: Pauli dışlama ilkesi, 2 temel kuvvet ve parçacıkların kütleye sahip olmasıdır. O halde Pauli dışlama ilkesiyle başlayalım.
Pauli dışlama ilkesi temelde iki özdeş kuantum parçacığın aynı kuantum durumu işgal edemeyeceğini ifade eder. Söz konusu parçacıklar Standart Model’de bozonlar ve fermiyonlar olmak üzere ikiye ayrılır. Bozonlar için aynı kuantum durumu işgal edememe gibi bir kısıtlama yoktur. Ancak tüm fermiyonlar için Pauli dışlama ilkesi geçerlidir. Bu nedenle atomun etrafındaki elektronlar bir arada bulunamaz. Benzer şekilde atom çekirdeğindeki kuarklar da aynı alanı işgal edemez. Bu bir arada olamama durumu da atoma hacim kazandırır.
Bir diğer etken, fiziğin 4 temel kuvvetinden ikisi olan elektromanyetik kuvvet ve güçlü nükleer kuvvettir. Elektromanyetik kuvvet sebebiyle aynı çeşit yüke sahip fermiyonik parçacıklar birbirini iter. Bu durumu en iyi örneği iki eksi yükün birbirini itmesidir. Güçlü nükleer kuvvet de gluonlar aracılığıyla atom çekirdeğini bir arada tutar. Bu nedenle de atomun çekirdeği ve elektronlar arasında mesafe vardır.
Üçüncü etkense doğadaki tüm fermiyonların ve bazı bozonların ortak özelliği olan kütledir. Eğer bir şeyin kütlesi sıfırsa o şey hareketsiz kalamaz. Hareketsiz kalamaması bir yana bir de ışık hızıyla hareket etmek zorundadır. Mesela buna en güzel örnek fotonlardır. Yanı sıra gluonlar ve kütleçekim dalgaları da kütlesiz olup ışık hızında hareket eder.
Dolayısıyla bir şeyin kütlesinin olması onun yavaş hareket ettiği hatta bazen durgun olduğu anlamına gelir. Atomun yapısındaki elektronlar ve kuarklar da kütleli olduğundan buna tabiidir. Bu sayede bu parçacıklar belli bir yerde toplanıp maddeyi meydana getirebilir.
Sonuç olarak;
Atomun büyük çoğunluğunun boşluk olduğunu söylemek aslında pek doğru değildir. Çünkü yukarıda da anlattığımız gibi, parçacıklar arasındaki etkileşimler nedeniyle o boşluklar vardır. Bu nedenle hayalet Casper gibi duvardan geçemezsiniz. Parçacıklar arasında etkileşim olması oranın tam olarak boş olduğu anlamına gelmez. Sonuçta orada bir kuvvet vardır.
Kısacası Pauli dışlama ilkesi, parçacıklar arasındaki etkileşim sonucu doğan kuvvetler ve kütle, atomun hacim kazanmasını sağlar. Bu sayede atomlardan oluşan maddenin kendisi de hacim kazanır.
Kaynaklar ve İleri Okumalar
- The idea that matter is mostly empty space is mostly wrong ; Bağlantı: The idea that matter is mostly empty space is mostly wrong – Big Think ; Yayınlanma tarihi: 19 Nisan 2024
- If atoms are mostly empty space, why do objects look and feel solid? ; Bağlantı: If atoms are mostly empty space, why do objects look and feel solid? (theconversation.com) ; Yayınlanma tarihi: 16 Şubat 2017
Size Bir Mesajımız Var!
Matematiksel, 2015 yılından beri yayında olan ve Türkiye’de matematiğe karşı duyulan önyargıyı azaltmak ve ilgiyi arttırmak amacıyla kurulmuş bir platformdur. Sitemizde, öncelikli olarak matematik ile ilgili yazılar yer almaktadır. Ancak bilimin bütünsel yapısı itibari ile diğer bilim dalları ile ilgili konular da ilerleyen yıllarda sitemize dahil edilmiştir. Bu sitenin tek kazancı sizlere göstermek zorunda kaldığımız reklamlardır. Yüksek okunurluk düzeyine sahip bir web sitesi barındırmak ne yazık ki günümüzde oldukça masraflıdır. Bu konuda bizi anlayacağınızı umuyoruz. Ayrıca yazımızı paylaşarak veya Patreon üzerinden ufak bir bağış yaparak da büyümemize destek olabilirsiniz. Matematik ile kalalım, bilim ile kalalım.
Matematiksel
