İnce Yapı Sabiti Nedir? Neden 137 Sayısı Bu Kadar Önemlidir?

Fizikte parçacıkların birbiriyle nasıl etkileştiğini tanımlayan bazı temel sabitler vardır ve bu sabitler doğanın “ayar düğmeleri” gibidir. Bunlardan biri de ince yapı sabiti olarak bilinen ve genellikle alfa (α) sembolüyle gösterilen sabittir. Bu sabitin yaklaşık değeri 1/137’dir ve bu sayı, fiziğin en gizemli sabitlerinden biri olarak kabul edilir

Özellikle fizik alanında çalışırken, karşılaştığımız niceliklerin büyük çoğunluğu birimlerle ifade edilir. Hız, enerji, kuvvet ya da kütle gibi büyüklüklerin hepsi belli birimlerle ölçülür; örneğin metre/saniye, joule ya da kilogram gibi. Ancak fiziksel önemi yüksek olan bazı özel sayılar vardır ki bunların birimleri yoktur. Bunlara boyutsuz sabitler denir.

Bu tür sabitlerin en tanınanı, hepimizin bildiği π (pi) sayısıdır. Pi, bir dairenin çevresinin çapına oranıdır ve yaklaşık olarak 3.14’tür. Ne çevre ne de çap oranlandığında, birim kalmaz; dolayısıyla π sayısı birimsiz bir büyüklüktür. Benzer şekilde, ince yapı sabiti yani α da birimsizdir. Yaklaşık değeri 1/137 olan α, tıpkı π gibi, birçok temel fizik denkleminde kendiliğinden ortaya çıkar. Ve yine π gibi, bu sabitin değeri evrenseldir. Evrenin başka bir yerinde ölçülse de aynı sonucu verir. Çünkü tanımı doğrudan ölçüm birimlerine değil, doğanın yapısına dayanır.

İnce Yapı Sabiti Nedir?

Evreni en temel yapıtaşlarına ayırdığımızda karşımıza Standart Model çıkar. Bu model, doğada var olan temel parçacıkları ve aralarındaki etkileşimleri açıklar. Bu parçacıkların en bilinenleri arasında kuarklar ve gluonlar yer alır. Kuarklar, gluonlar aracılığıyla birbirlerine bağlanır ve birlikte proton ve nötron gibi bileşik parçacıkları oluştururlar. Bu bileşik parçacıklar da atom çekirdeğini meydana getirir.

Bir diğer temel parçacık türü olan elektron, lepton ailesinin bir üyesidir ve bu ailenin en hafif yüklü üyesidir. Elektronlar, atom çekirdeğiyle birleştiğinde atomları meydana getirirler. Yani, evrendeki tüm maddeler, bu temel bileşenlerin belirli düzenlerde bir araya gelmesiyle oluşur.

1912 yılında Niels Bohr, atomların yapısına dair devrim niteliğinde bir model önerdi. Elektronların, çekirdek çevresinde belirli enerji düzeylerinde, yani sabit “atomik yörüngelerde” dolandığını ileri sürdü. Bu model, o dönem için çığır açıcıydı; ancak zamanla bazı eksiklikleri olduğu da ortaya çıktı. Özellikle, deneylerde gözlemlenen daha ince enerji geçişlerini açıklamakta yetersizdi.

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, ilk başta bu sabit üzerine fazla durmadı. Ancak zamanla, kuantum dünyasına dair anlayışımız derinleştikçe, ince yapı sabiti olan α (alfa) neredeyse her yerde karşımıza çıkmaya başladı. Özellikle, yüklü parçacıkların ışıkla etkileşimde bulunduğu her durumda bu sabit kendini gösteriyor gibiydi. Işık yayımı, soğurulması ya da saçılması gibi süreçlerde, bu sabit belirleyici bir rol oynuyordu.

Zamanla fizikçiler, α’nın aslında çok daha temel bir anlam taşıdığını fark etti. İnce yapı sabiti, yüklü parçacıkların elektromanyetik radyasyonla nasıl ve ne şiddette etkileştiğini belirleyen bir ölçüydü. Alfa sabitini bu kadar özel yapan şey, onun üç temel fizik sabitinin birleşiminden oluşmasıdır. Yani α, elektromanyetizma, kuantum mekaniği ve özel görelilik gibi fiziksel kuramların tam kesişim noktasında yer alır.

Bir atomun enerji düzeylerini, özellikle de çok hassas geçişleri açıklamak istiyorsak, ince yapı etkilerini hesaba katmak zorundayız. Bu etkiler olmadan, atom tayflarındaki bazı küçük ayrıntılar açıklanamaz. İşte bu nedenle α, uzun yıllardır fizikçilerin ilgisini çeker.

Fizikçilerin bu sabite olan takıntısı öyle derindir ki, bu durumu en iyi anlatanlardan biri, Nobel Ödülü sahibi Wolfgang Pauli olmuştur. Onun şu ünlü sözü, fizik dünyasında alfa’nın yarattığı merakı mükemmel şekilde özetler:“Öldüğümde Şeytan’a ilk sorum şu olacak: İnce yapı sabitinin anlamı nedir?”

İnce Yapı Sabiti Başka Bir Sayı Olursa Ne Olur?

Bilim tarihinin farklı dönemlerinde yapılan çeşitli ölçümler, α sabitinin zamanla veya Evren’in farklı bölgelerinde değişebileceğine işaret etmiştir. Özellikle hidrojen ve döteryumun spektral çizgilerine dayalı bazı ölçümler, α’nın uzayda ya da zamanda yaklaşık %0,0001 oranında değişmiş olabileceğini göstermiştir.

Ancak bu durum önemli bir sorunu beraberinde getirir. Bu sayının değeri değişirse, evrenin yapısı da değişir. İnce yapı sabiti farklı olsaydı, atomların boyutları değişirdi, kimyasal tepkimeler bambaşka olurdu, hatta nükleer süreçlerin işleyişi bile farklı olurdu. Ve eğer bu sabit yalnızca çok az farklı bir değere sahip olsaydı, hayat bildiğimiz haliyle var olamazdı.

Bugün, bu sabitin kökenine dair elimizde hiçbir açıklama yok. Aslında, neden var olduğuna dair de hiçbir teorik açıklamamız yok. Onu yalnızca deneyle ölçüyoruz ve elde edilen değeri fizik denklemlerimize yerleştirerek başka hesaplamalar yapıyoruz.

İnce yapı sabitine dair daha fazla bilgi edinmek, parçacık fiziğinde bir sonraki büyük devrimin kapısını aralayabilir. Şimdilik, bu sırra yaklaşmanın tek yolu, doğru deneyi yapabilmekten geçiyor.

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

Matematiksel