Satyendra Nath Bose ve Maddenin 5. Hali Bose-Einstein Yoğunlaşması

Fizikçilere bir artı birin ille de iki yapması gerekmediğini gösteren, Hintli fizikçi Satyendra Nath Bose kuan­tum mekaniği ile ışık ve madde kuramına giden yolu açmıştır. Günümüzde adı Albert Einstein ile Bose-Einstein Yoğuşması üzerine yaptıkları çalışmasıyla bilinmektedir. Parçacık fiziğinde, bozonlar Bose-Einstein yoğunlaşmasına uyan parçacıklardır ve Satyendra Nath Bose ile Einstein’a atfen isimlendirilmişlerdir.

Günümüzde, Bose’un adıyla anılan bozonların istatistikleri, birçok malzemede çok düşük sıcaklıklarda meydana gelen süperakışkanlık veya süperiletkenlik gibi şaşırtıcı kuantum etkilerini açıklayan istatistiklerdir.

Bozonlar Nedir?

Birlikte hareket eden çok sayıda parçacığın davranışını tarif edecek istatistikler ne tür parçacıklarla uğraştığınıza bağlıdır. Fotonlar birbirlerinden ayırt edilemezler ve foton dünyasında fotonların istatistiki davranışı kendi aralarında enerji paylaşımını etkiler. Foton davranışının başka şaşırtıcı özellikleri de vardır. Fotonlar korunmazlar. Odanızın duvarları, gözleriniz, dünyanın yüzeyi vs. fotonları durmadan soğurur. Yani evrendeki foton sayısı durmadan değişir.

Bu, parçacık elektronların davranışına hiç benzemez. Evrendeki toplam elektron sayısı her zaman aynıdır. Bu nedenle elektron gibi parçacıklar için farklı bir tür istatistik geçerlidir. Kuantum fizikçileri buna Enrico Fermi ve Paul Dirac’ın çalışmalarına istinaden “Fermi-Dirac” istatistikleri der. Bose-Einstein istatistiklerine uyduğu bili­nen foton gibi parçacıklar da topluca “bozon” olarak bilinir. Fermi-Dirac istatistiklerine uyan elektron gibi parçacıklara ise “fermiyon” denir.

Bose-Einstein Yoğunlaşması Nedir?

Etrafımıza baktığımız her yerde maddeyi görürüz. Bu makaleyi okuduğunuz cihaz, soluduğumuz hava ve dünyadaki tüm yaşam maddeden oluşuyor. Madde de elbette atomlardan oluşur. Ancak maddenin çok farklı biçimler aldığını görmemizin nedeni, birçok farklı durumda var olmasıdır. Genel olarak madde, klasik koşullarda belirli bir sayıda haldedir. Ancak uç koşullara maruz kaldığında maddenin tamamen farklı hallerde davranır.

İşte böyle bir madde hali, az evvel kısaca aktardığımız gibi Satyendra Nath Bose ve Albert Einstein tarafından keşfedildi. Bu nedenle maddenin bu durumuna Bose-Einstein Yoğunlaşması adı dendi. Maddenin dört halini biliriz. Katı, sıvı, gaz ve plazma. Ancak Bose-Einstein Yoğunlaşması hakkında konuştuğumuzda, standart fiziksel koşullardan bahsetmeyiz.

Bu nedenle, Bose-Einstein Yoğunlaşmasını daha iyi anlamak için bir atomun kuantum fiziğine girmeliyiz. Bu nedenle de Bose-Einstein Yoğunlaşması kimi zaman maddenin 5. hali olarak da bilinmektedir. ( Göz atmak isterseniz: Katı, Sıvı, Gaz Ancak Maddenin Hali 3 Değil En Az 5’dir.)

Kuantum fiziği her atomun kendi kimliğine sahip olduğunu belirtir. Her atomun kendine özgü bir dalga boyu vardır (çünkü bir dalga gibi davranır) ve bir parçacık olarak kendi bireyselliği vardır. Bir atomu diğerinden belirli nitelikler sayesinde ayırt edebiliriz. Bose-Einstein Yoğuşması hakkında konuşurken bu fikri aklımızda tutmalıyız.

Bose-Einstein Yoğunlaşması Esnasında Tam Olarak Ne Olur?

Çoğumuz, -273 °C olan mutlak sıfırdan daha düşük bir sıcaklık olmadığını biliyoruz. Mutlak sıfır, atomların enerjisinin olmadığı ve hareketin tamamen durdurduğu sıcaklıktır. Peki, düşük yoğunluklu bir gazı mutlak sıfırın sadece biraz üzerindeki sıcaklıklara soğuttuğunuzda ne olur? Bu sorunun cevabı Bose-Einstein Yoğuşmasıdır.

Bose-Einstein yoğunlaşması esnasında farklı dalga boyları sergileyen birden fazla farklı atoma sahip olmak yerine, tek bir dalga boyu sergileyen tek bir atomu gözlemleriz. Yani bu esnada maddenin diğer tüm hallerinden farklı olarak, tüm atomlar birlikte titreşir. Bu ultra soğuk sıcaklıkta kinetik enerji transferi bir atomdan diğerine yok denecek kadar az olduğundan atomlar kümelenmeye başlar.

Artık birbirinden ayrı duran binlerce atom yoktur; aynı şekilde davranan ve dev bir dalgaymış gibi hareket eden sadece tek bir “süper atom” vardır. Bu noktada atomlar, genellikle fotonlar gibi ayırt edemediğiniz parçacıklara uygulanan Bose-Einstein istatistiklerine uymaya başlarlar. Bu da fizik dünyasında yeni ve inanılmaz başarı kapıları açma potansiyeli taşır.

Sonuç Olarak;

Teori böylesi bir madde halinin var olması gerektiğini söylese de öngörülmüş olan bu sıra dışı hal 1995 yılına gelene kadar elde edilememiştir. 1995’te Colorado Üniversitesinden Eric Cornell ve Carl Wieman rubidyum atomlarını; MIT’den Wolfgang Ketterle sodyum atomlarını lazerler ve mıknatıslar yardımıyla mutlak sıfıra çok yakın bir sıcaklığa indirmeyi başardılar ve bu başarılarından dolayı 2001 yılında Nobel Fizik Ödülünü aldılar.

“Bir kuyruklu yıldız gibiydim, bir kere gelmiş ve bir daha geri dönmemiş bir kuyruklu yıldız,” diye yorumda bulunuyor­du Satyendra Nath Bose hayatının sonlarına doğru. Fakat o kuyruklu yıldızın saçtığı par­lak ışık fizikçilerin 1920’lerdeki düşünme biçimlerini ve o zamandan beri fiziğin ilerleme biçimini değiştirmiştir.

Kaynaklar ve ileri okumalar:

• Satyendra Nath Bose; https://www.britannica.com
• Bose-Einstein Condensates in Superlattices; https://people.maths.ox.ac.uk/
• Bose-Einstein Condensate: What Is The ‘Fifth State of Matter’?; Bağlantı: https://www.sciencealert.com/
• States of Matter: Bose-Einstein Condensate; Yayınlanma tarihi: 4 Ağustos 2018; Bağlantı: https://www.livescience.com/

Matematiksel