Her Etkileşimi Kontrol Eden Doğanın Dört Temel Kuvveti Nedir?

Bilgisayarınızın başında bu makaleyi okurken, üzerinize etki eden birçok gücün farkında olmayabilirsiniz. Ancak sokakta yürümekten uzaya bir roket fırlatmaya, buzdolabınıza mıknatıs yapıştırmaya kadar her yerde fiziksel güçler iş başındadır. Üstelik tüm fiziksel deneyimlerimizi sadece dört temel kuvvete indirgemek de mümkündür.

Bu temel kuvvetler olmadan, siz ve evrendeki diğer tüm maddeler varlığını sürdüremez. Şimdi her bir temel kuvvete, her birinin ne yaptığına, nasıl keşfedildiğine ve diğerleriyle nasıl ilişkili olduğuna kısaca bakalım.

Kütleçekim Kuvveti

Bizim gezegende durmamızı, gezegenlerin yörüngelerde olmasını sağlayan ve sağduyumuzla en rahat algılayabildiğimiz kuvvet olan kütleçekim kuvveti ya da bilinen adı ile yerçekimi, aynı zamanda açıklaması en zor kuvvettir. Yerçekimi fikri hayatımıza ağaçtan düşen bir elmadan esinlenen Isaac Newton ile girdi.

Isaac Newton yerçekimini, kütleleriyle doğrudan ilişkili ve onları ayıran mesafenin karesiyle ters orantılı herhangi iki nesne arasındaki bir çekim olarak tasavvur etti. Yüzyıllar sonra, Albert Einstein, genel görelilik teorisi sayesinde, yerçekiminin bir çekim ya da güç olmadığını, bunun yerine, uzay-zaman büken nesnelerin bir sonucu olduğunu öne sürdü.

Yıldızlar ve gezegenler gibi çok yüksek kütleli cisimlere baktığımızda kütle çekimini oldukça güçlü bir kuvvet olarak görüyoruz. Bununla birlikte, atomik seviyeye yerçekimi uyguladığınızda, bunun çok az etkisi olur. Çünkü atom altı parçacıkların kütleleri çok küçüktür. Bu nedenle, aslında en zayıf kuvvet olarak kabul edilmektedir.

Elektromanyetik Kuvvet

Mıknatısların zıt kutuplarını birbirine yaklaştırın, mıknatıslar birbirini çekecektir. Bu elektromanyetik kuvvetin en iyi bilinen örneğidir.  Zıt yükler birbirini çekerken, benzer yükler iter. Bu yüklerin etkileşimi ise foton değişimi ile gerçekleşir.

Adından da anlaşılacağı gibi, elektromanyetik kuvvet iki kısımdan oluşur: elektrik kuvveti ve manyetik kuvvet. İlk başta fizikçiler bu kuvvetleri birbirinden ayrı olarak tanımlasalar da daha sonra ikisinin aynı kuvvetin bileşenleri olduğunu fark etmişlerdi. Hareketli elektrik yükleri manyetik alan üretir ve değişen manyetik alan da elektriksel gerilim üretir.

Elektromanyetizma bize protonların birbirini itmesi gerektiğini ve çekirdeğin uçup gitmesi gerektiğini söyler. Birbirleriyle etkileşime giren yüklü (veya nötrleştirilmiş) parçacıklar nedeniyle sürtünme, elastikiyet, hava direnci gibi birçok olaydan sorumludur.Ancak elektromanyetizma, çekirdeğin nasıl bir arada kaldığını açıklayamaz. Nükleer kuvvetlerin devreye girdiği yer burasıdır.

Güçlü Nükleer Kuvvet

Güçlü nükleer etkileşim olarak da adlandırılan güçlü nükleer kuvvet, doğanın dört temel kuvvetinin en güçlüsüdür. Bunun nedeni, daha büyük parçacıklar oluşturmak için maddenin temel parçacıklarını birbirine bağlamasıdır.

Bir atomun çekirdeğinde bulunan protonlar, nötronlar ve diğer parçacıklar kuark çiftlerinden ya da kuark üçlülerinden oluşmuşlardır. Güçlü nükleer kuvvet bu kuarkları bir arada tutar. Bu kuvvet diğer temel kuvvetlerin aksine, atom altı parçacıklar birbirine yaklaştıkça zayıflar. Ancak parçacıklar birbirinden en uzaktayken maksimum güce ulaşır. Güçlü ve zayıf kuvvet taşıyıcıları, 1980’li yıllarda şekildeki Süper Proton Sinkrotronu adı verilen dev hızlandırıcıda yapılan deneylerde gözlenmiştir.

Zayıf Nükleer Kuvvet

Bir başka nükleer fenomenin açıklamak için de başka bir nükleer güç gereklidir. Radyoaktif bozunma esnasında bir nötron bir protona, anti-nötrinoya ve elektrona (beta parçacığı) bozunur. Elektron ve anti-nötrino çekirdekten dışarı atılır. Bu bozunma ve yayılımdan sorumlu olan kuvvet, güçlü kuvvetten farklı ve daha zayıf olmalıdır. Zayıf kuvvet, adını diğer temel kuvvetlere göre daha düşük bir etkileşim alanına sahip olmasından alır.

Bu kuvvet pek çok parçacığın ve hatta pek çok atom çekirdeğinin kararsız olmasından sorumludur. Atom çekirdeği ve daha küçük ölçeklerde gözlenen bu kuvvetin etkisini günlük hayatta doğrudan fark edemeyiz. Ancak güneşe güç veren ve Dünya’daki çoğu yaşam formu için gerekli olan enerjiyi üreten nükleer füzyon reaksiyonları için kritik öneme sahiptir. 

Bu kuvvet ayrıca arkeologların antik eserleri tarihlemek için karbon-14’ü kullanabilmesinin de nedenidir. Karbon-14’ün altı protonu ve sekiz nötron vardır. Bu nötronlardan biri bozunarak, yedi proton ve yedi nötron içeren nitrojen-14’ü yapmak için bir protona dönüşür. Bu bozunma belli bir oranda gerçekleşecektir. Bu da bilim insanlarının eski eserlerin kaç yaşında olduğunu belirlemelerine olanak tanır.

4 Temel Kuvveti Birleştirmek

Bilim asla dinlenmez, bu nedenle temel kuvvetler üzerindeki çalışmalar henüz bitmedi. Bir sonraki zorluk, dört kuvvetin birleşik bir büyük teorisini inşa etmektir. Ancak bunun için bilim insanlarının yerçekimi teorilerini kuantum mekaniğininkilerle uzlaştırmaları gereklidir.

Astronomik ölçeklerde, yerçekimi hakimdir ve en iyi Einstein’ın genel görelilik teorisi tarafından tanımlanır. Ancak moleküler, atomik veya atom altı ölçeklerde kuantum mekaniği doğal dünyayı en iyi şekilde tanımlar. Ve şimdiye kadar kimse bu iki dünyayı birleştirmenin iyi bir yolunu bulamadı.

Parçacık hızlandırıcıların işe yaradığı yer burasıdır. 1963’te fizikçiler Sheldon Glashow, Abdul Salam ve Steve Weinberg,elektromanyetik kuvveti zayıf kuvvetle birleştirerek elektrozayıf etkileşim kavramını oluşturdu. Kendileri bu buluş ile Nobel Fizik Ödülü’nü kazandı.

Devamında 20. Yüzyılın ortalarında, fizikçiler “neredeyse her şeyin teorisi” olarak adlandırılan Standart Modeli geliştirdiler. Bu model, bilinen tüm atom parçacıkların ve dört temel kuvvetten üçünün etkileşimlerini açıklar. Fakat yer çekimini açıklayamaz.

Bulmacanın son parçası bu kuvvetler ile kütleçekim teorisi birleştiğinde tamamlanacak. Ancak bu o kadar da kolay bir süreç değil. Bu dört temel kuvvet birleşirse sizin hayatınız değişecek mi? Muhtemelen değil. Sonucunda bulduklarımız bir dizi denklemden ibaret olacaktır. Bununla birlikte bu denklemler, kuvvetlerin doğası ve evrenin kökenleri ve kaderi hakkındaki anlayışımızı geliştirecektir.

Konu ile ilgili daha fazla detaya erişmek istiyorsanız, bu yazımıza göz atabilirsiniz. Her Şeyin Teorisine Dair Her Şey: Standart Model Nedir?

Kaynaklar ve ileri okumalar:

• What are the four fundamental forces of nature? Yayınlanma tarihi: 9 Temmuz 2023. Bağlantı: What are the four fundamental forces of nature?
• The Four Fundamental Forces of Nature; Yayınlanma tarihi: 1 Ekim 2019. Bağlantı: The Four Fundamental Forces of Nature

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