Fizikte, parçacıkların birbiri ile nasıl etkileşime girdiğini belirleyen ve temel sabitler olarak bilinen bir dizi sayı vardır. Alfa adı verilen ince yapı sabiti de bunlardan birisidir. Bir sayısının alfa adı verilen bu sabite bölümü ise 137 ile başlar. İnce yapı sabiti α, fizik açısından son derece ilgi çekicidir.
Özellikle fizikte uğraştığımız niceliklerin çoğu birimlerle ifade edilmektedir. Ancak bazı sayıların birimleri yoktur. Örneğin ~3.14 olarak kabul ettiğimiz ve bir dairenin çevresinin çapına oranını temsil eden Pi sayısının da birimi yoktur. İnce yapı sabiti yani α da böyledir. Ve tıpkı π gibi, α da çeşitli fizik denklemlerinde ortaya çıkar.
İnce Yapı Sabiti Nedir?
Evrenimizi en küçük bileşenlerine ayırırsak Standart Modelin parçacıklarından oluştuğunu görürüz. Bu parçacıkların iki türü olan kuarklar ve gluonlar, proton ve nötron gibi durumları oluşturmak üzere atom çekirdeğinde bir araya gelirler. Bir başka temel parçacık türü olan elektronlar yüklü leptonların en hafifidir. Elektronlar ve atom çekirdeği bir araya geldiğinde de atomları oluştururlar.
1912’de Niels Bohr, elektronların atom çekirdeğinin etrafında, “atomik yörüngeler” olarak adlandırdığı belirli enerji seviyelerinde, döndüğünü bizlere gösterdi. Katkıları son derece önemli ancak eksikti. Bu eksiklik ilerleyen süreçte keşfettiğimiz ek enerji seviyeleri ile anlaşılmıştı. Bu ek enerji seviyeleri, bugün atomların ince yapısı dediğimiz şeyin ilk kanıtıydı.
1916’da fizikçi Arnold Sommerfeld bir şeyin farkına vardı. Bohr’un yaptığı gibi bir hidrojen atomunu modellediğinizde ve elektronunun hızını ışık hızıyla oranladığınızda çok özel bir değer elde ediyordunuz. Somerfeld bu orana alfa dedi ve ince yapı sabiti olarak adlandırdı.
Yukarıdaki eşitlikte gördüğünüz gibi alfa, Plank sabiti (h), ışık hızı (c) ve bir elektronun taşıdığı elektrik yükü (e) bir araya geldiği zaman ortaya çıkar. Bu üç sabit birbirine oranlandığında, tüm birimler birbirini götürür. Sonuç, h.c/e2 yaklaşık 137,036’ya eşit olur.
137,036 sadece ilgi çekici değil, aynı zamanda önemlidir. Çünkü tersi, e2/h.c = α = 1/137,03599920611 (son iki rakam hala belirsizdir).biçimindedir. Bu sayı yaklaşık olarak 0,007’ye eşittir. Bu sayıya bağlanma sabiti denir; yüklü parçacıkları elektromanyetik enerjinin kuantum taşıyıcıları olan fotonlara bağlar.
İnce Yapı Sabiti Neden Bu Kadar Önemlidir?
Sommerfeld başlangıçta sabit üzerinde çok fazla düşünmedi, ancak kuantum dünyasına ilişkin anlayışımız geliştikçe, ince- yapı sabiti giderek daha fazla yerde ortaya çıkmaya başladı. Yüklü parçacıkların ışıkla etkileşime girdiği her an ortaya çıkıyor gibi görünüyordu. Zamanla bunun, yüklü parçacıkların elektromanyetik radyasyonla nasıl etkileşime girdiğinin gücünün temel ölçüsü olduğunu fark ettik.
İnce yapı sabitinin en önemli özelliği doğanın temel sabitlerinden üçünün birleşimi olmasıdır. Bu da onu görelilik, elektromanyetizma ve kuantum mekaniği gibi fiziğin kilit alanlarının kesişme noktasında götürmektedir.
Bir atomun enerji seviyeleri, bu ince yapı etkileri dahil edilmeden gerektiği gibi açıklanamaz. Bu ve daha pek çok incelikli durum sonucunda, ince yapı sabiti α, fizikçilerin uzun yıllardır ilgisini çekmektedir. Bazıları bunun tamamen sabit olup olamayacağını bile araştırdı.
Nobel Ödülü sahibi Wolfgang Pauli’nin (1900-1958) bu söylemi, fizikçilerin bu sayıya kafayı nasıl taktığını anlamanıza yardımcı olacaktır. “Öldüğümde Şeytan’a ilk sorum şu olacak: İnce yapı sabitinin anlamı nedir?”
İnce Yapı Sabiti Başka Bir Sayı Olursa Ne Olur?
Bilimsel tarihimizin çeşitli noktalarında yapılan çeşitli ölçümler, α’nın zamana göre ya da Evren’deki konumdan konuma değişebileceğini göstermiştir. Hidrojen ve döteryumun spektral çizgilerinin ölçümleri, bazı durumlarda, α’nın uzay veya zaman içinde ~%0,0001 oranında değiştiğini göstermiştir.
Ancak bu bir sorundur. Eğer bu tür bir değişimi sağlam bir şekilde gözlemleyebilirsek, bu bize Evren’de değişmediğini gözlemlediğimiz bir şeyin - elektron yükü, Planck sabiti veya ışık hızı gibi - aslında uzay veya zaman boyunca sabit olmadığını gösterecektir.
Bu sayıyı değiştirin, evreni değiştirin. Eğer ince yapı sabiti farklı bir değere sahip olsaydı atomların boyutları farklı olurdu, kimya tamamen değişirdi ve nükleer reaksiyonlar değişirdi. Eğer ince yapı sabiti biraz farklı bir değere sahip olsaydı, bildiğimiz hayat tamamen imkansız olurdu.
Bugün bu sabitin kökenine dair hiçbir açıklamamız yok. Aslına bakılırsa onun varlığına dair hiçbir teorik açıklamamız yok. Bunu basitçe deneylerle ölçüyoruz ve sonra ölçülen değeri başka tahminler yapmak için denklemlerimize yerleştiriyoruz. İnce yapı hakkında daha fazla şey öğrenmek, parçacık fiziğindeki bir sonraki büyük devrimin geldiği yer olabilir. Şimdilik doğru deneyi yapmak, bunu başarabilmememizin tek yoludur.
Kaynaklar ve İleri Okumalar:
- The strange number 1/137 shows up everywhere in physics. What does it mean?. Yayınlanma tarihi: 29 Ekim 2022; Kaynak site: Big Think. Bağlantı: The strange number 1/137 shows up everywhere in physics. What does it mean?
- What Is The Fine Structure Constant And Why Does It Matter?. Yayınlanma tarihi: 1 Haziran 2019. Kaynak site: Big Think. Bağlantı: What Is The Fine Structure Constant And Why Does It Matter?
- Morel, L., Yao, Z., Cladé, P. et al. Determination of the fine-structure constant with an accuracy of 81 parts per trillion. Nature 588, 61–65 (2020). https://doi.org/10.1038/s41586-020-2964-7
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
