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

Hintli fizikçi Satyendra Nath Bose, fizikçilere bir artı birin her zaman iki etmek zorunda olmadığını göstererek, kuantum mekaniği ile ışık ve madde kuramı arasındaki yolu açmıştır. Günümüzde, adı en çok Albert Einstein ile birlikte yaptığı ve Bose-Einstein Yoğuşması olarak bilinen çalışma ile anılmaktadır.

Parçacık fiziğinde, bozonlar, Bose-Einstein yoğuşmasına uyan parçacıklardır ve bu isim, Bose ile Einstein’a atfen verilmiştir. Bozonlar, kuantum mekaniğinde aynı enerji seviyesinde bir arada bulunabilen parçacıklardır. Bu özellikleri, onları fermiyonlardan ayırır ve çok sayıda bozonun aynı durumda bulunabildiği özel kuantum sistemlerini mümkün kılar.

Bugün, Bose’un adıyla anılan bozon istatistikleri, çok düşük sıcaklıklarda ortaya çıkan süperakışkanlık ve süperiletkenlik gibi olağanüstü kuantum olaylarını açıklamakta kullanılır. Bu istatistikler, maddenin klasik fizik kurallarının ötesine geçerek, kuantum dünyasında sergilediği şaşırtıcı davranışların temelinde yer alır.

Bozonlar Nedir?

Parçacıkların toplu davranışlarını tanımlayan istatistikler, hangi tür parçacıklarla çalıştığınıza bağlıdır. Fotonlar, birbirlerinden ayırt edilemeyen parçacıklardır ve bu özellikleri onların enerjiyi nasıl paylaştığını belirler. Fotonlar korunmaz; yani odanın duvarları, gözleriniz ya da Dünya’nın yüzeyi tarafından sürekli soğurulurlar. Bu nedenle evrendeki foton sayısı zamanla değişir. Fotonlar Bose-Einstein istatistiklerine uyar ve bu tür parçacıklar bozon olarak adlandırılır.

Buna karşılık elektronlar farklı davranır. Evrendeki toplam elektron sayısı sabittir, çünkü elektronlar korunur. Bu nedenle elektronlar gibi parçacıklar, farklı bir istatistiksel kurala uyar. Kuantum fizikçileri, bu kuralları Enrico Fermi ve Paul Dirac’ın çalışmalarına dayandırarak Fermi-Dirac istatistikleri olarak adlandırır. Bu istatistiklere uyan parçacıklara ise fermiyon denir. Fotonlar ve elektronlar bu iki temel parçacık türünün karakteristik örnekleridir.

Bose-Einstein Yoğunlaşması Nedir?

Bose-Einstein Yoğunlaşması (BEY), maddenin beş temel halinden biridir. Bu durumda atomlar öyle düşük enerji seviyelerine ulaşır ki, kuantum mekaniğinin kuralları gereği artık tek tek atomlar gibi davranmazlar. Bunun yerine adeta tek bir “süper atom” gibi hareket ederler.

Bir Bose-Einstein Yoğunlaşması yalnızca maddeler mutlak sıfıra çok yakın sıcaklıklara kadar soğutulduğunda oluşur. Bu sıcaklıkta, atomlar birbirlerine göre neredeyse hiç hareket etmez; çünkü hareket etmeleri için gereken serbest enerjiye neredeyse sahip değillerdir. Bu koşullar altında atomlar gruplaşmaya başlar ve aynı enerji seviyesine geçerler. Fiziksel olarak ayırt edilemez hâle gelir ve tamamı sanki tek bir atommuş gibi davranır.

1920’lerde kuantum mekaniğinde istatistiksel problemleri üzerinde çalışan Bose, özellikle fotonlarla ilgili düşüncelerini Albert Einstein’a gönderdi. Amerikan Fizik Derneği’ne göre, Einstein bu fikirleri yeterince önemli bularak yayımlanmasını sağladı.

Einstein yalnızca yayımlamakla kalmadı. Bose’un matematiksel yaklaşımının sadece ışık için değil, atomlar için de geçerli olabileceğini fark etti. 1924 yılında ikili, bu sıra dışı madde hâlini açıklayan bir dizi makale yayımladı.

Bose ve Einstein’ın bulguları, atomların genellikle belirli enerji seviyelerine sahip olmak zorunda olduğunu ortaya koydu. Kuantum mekaniğinin temel ilkelerinden biri, atomların ya da diğer parçacıkların enerjilerinin rastgele olamayacağıdır.

Ancak atomlar mutlak sıfıra milyarda bir derece kadar yaklaştırıldığında, bazıları aynı enerji seviyesine geçmeye başlar ve birbirlerinden ayırt edilemez hâle gelir. İşte bu yüzden, tek tek atomlar yerine, bulanık bir küre gibi görünen ortak bir kuantum alanı ile karşılaşırsınız.

Maddenin diğer tüm halleri, fizikçi Wolfgang Pauli’nin adıyla anılan Pauli Dışlama İlkesine uyar. Bu ilkeye göre, fermiyonlar –yani kuarklar ve leptonlar gibi maddeyi oluşturan parçacıklar– aynı kuantum durumunu paylaşamazlar. Bu ilke, kimyanın işleyişini ve atomların neden aynı yerde aynı anda bulunamayacağını açıklar. Ancak Bose-Einstein Yoğunlaşmaları bu kurala uymaz. Bu özel hâlde, parçacıklar aynı kuantum durumuna geçebilirler. İşte bu, onları klasik maddenin diğer hallerinden ayıran temel farktır.

Bose-Einstein Yoğunlaşmasının Üretimi Fizikçilere Nobel Ödülü Kazandırdı

Bose ve Einstein’ın çalışmaları, bu tür bir maddenin varlığını kuramsal olarak öngörmüştü. Ancak bu yoğunlaşmaların deneysel olarak varlığı, ilk kez 1995 yılında kanıtlandı. Joint Institute for Lab Astrophysics (JILA) bünyesinde Eric A. Cornell ve Carl E. Wieman önderliğindeki ekip, rubidyum atomlarından bir Bose-Einstein Yoğunlaşması üretmeyi başardı. Aynı dönemde MIT’den Wolfgang Ketterle ve ekibi de sodyum atomlarıyla benzer bir başarı elde etti.

Bu öncü çalışmaları nedeniyle üç bilim insanı, 2001 yılında Nobel Fizik Ödülü’nü paylaştı. Böylece yaklaşık yetmiş yıl önce ortaya atılan kuramsal bir fikir, somut bir gerçekliğe dönüşmüş oldu.

Temmuz 2018’de Uluslararası Uzay İstasyonu’nda yürütülen bir deney, rubidyum atomlarından oluşan bir gaz bulutunu mutlak sıfırın yalnızca on milyonda biri kadar üstünde bir sıcaklığa kadar soğutarak uzayda bir Bose-Einstein Yoğunlaşması oluşturdu. Aynı deney, 2020 yılında uzay istasyonunda tekrarlandı. Bu çalışma, şu anda uzayda bilinen en soğuk nesne rekorunu elinde tutuyor.

2023 yılında ise Chicago Üniversitesi’nden bilim insanları, ilk kez kuantum süperkimya adı verilen garip bir olguyu gösteren bir Bose-Einstein Yoğunlaşması üretmeyi başardılar. Bu sıra dışı kuantum olayda, yoğunlaşmadaki bireysel atomlar aynı anda kimyasal tepkimeye giriyor.

Deneyde, binlerce sezyum atomunun aynı anda birbirine bağlanarak sezyum molekülleri oluşturduğu, ardından neredeyse anında tekrar atomlara ayrıldığı açık biçimde gösterildi. Bu bulgu, madde ve kimyasal süreçlere dair anlayışımızda yepyeni bir kapı aralıyor.

Kaynaklar ve ileri okumalar:

• The Editors of Encyclopaedia Britannica. “Satyendra Nath Bose”. Encyclopedia Britannica, 14 Mar. 2025, https://www.britannica.com/biography/Satyendra-Nath-Bose. Accessed 30 March 2025.
• van Noort, Martijn & Porter, Mason & Yi, Y. & Chow, Shui-Nee. (2007). Quasiperiodic Dynamics in Bose-Einstein Condensates in Periodic Lattices and Superlattices. Journal of Nonlinear Science. 17. 59-83. 10.1007/s00332-005-0723-4.
• Bose-Einstein condensate: The fifth state of matter. Yayınlanma tarihi: Kaynak site: Live Scienceç Bağlantı: Bose-Einstein condensate: The fifth state of matter

Size Bir Mesajımız Var!

Matematiksel, 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 da büyümemize destek olabilirsiniz. Matematik ile kalalım, bilim ile kalalım.

Matematiksel