Evrenin Dört Temel Kuvveti

Evrenin gözlemlediğimiz dört temel kuvveti bulunmaktadır. Bunlar;

• Strong nuclear force (Güçlü nükleer kuvvet) ya da strong interaction(güçlü etkileşim.

• Weak nuclear force (Zayıf nükleer kuvvet) ya da weak interaction(zayıf etkileşim)

• Electromagnetic Force (Elektromanyetik Kuvvet)

• Gravitation (Kütle çekim)

 Bu kuvvetlere "temel" denilmesinin nedeni; evrenimizin bu dört temel kuvvet etrafında şekillenmesidir. Yani bu kuvvetler bir şekilde bir anda kapatılırsa var olduğunu bildiğimiz her şey bir anda birbirinden kopmaya ve parçalanmaya başlar. Tanım olarak ise; evrenin en temel yapı taşları olan temel parçacıkların (elementary particle) birbiriyle etkileşimi olarak ifade edebiliriz.





Kütle Çekim (Gravitation)

Kütle çekim, en bilindik temel kuvvettir. En basit ifade şekliyle, ayağımızı yerde tutan kuvvettir. Kütle Çekim'in ne olduğu ilk kez ciddi bir biçimde bir taslağa oturtan büyük Fizikçi Sir Isaac Newton'dur. Kendisi, cisimlerin kütlesine ve yoğunluğuna bağlı olarak yarattığı yörünge ve çekim kuvvetini ifade etmiştir ancak bunun nedenini açıklayamamıştır. Çünkü Newton'un uzay yapısında, uzay içindeki tüm cisimler üzerindeki etkiliyken, cisimlerin uzay örgüsü içinde bir etkisi bulunmamaktadır. Bu sır perdesini aralayan ise başka bir dahi, Einstein'dır. Genel Görelilik(General relavity) teorisi ile Einstein, büyük kütleli-yoğunluklu cisimlerin uzay-zamanı tıpkı bir çarşafı eğer gibi eğip-büktüğünü iddia etmiştir.(bkz soldaki resim) Böylece Newton'un uzay anlayışını değiştirmiş ve zaman kavramının uzayla kaynaşık olduğunu yani uzay-zaman'ı keşfetmiştir. Bu teoriye göre; cisimlerin yoğunlukları-kütlelerine göre cisimler uzay-zamanı bükerler, bu bükme ile etraflarında bir yörünge yaratırlar. Gene teoriye göre bükülme sonucu oluşan yörüngeler dalgalar hâlinde uzay zamanda sürekli dalgalanmaktadır. Kütle çekim en bilindik kuvvet olarak görünse de aslında tüm kuvvetler içinde en ilginç olanıdır çünkü kütleçekim diğer tüm kuvvetlerden katbekat daha güçsüzdür ve küçük ölçekte yani kuantum dünyasında ise pire gibi kalır. Şöyle düşünün; elinizi atıp masadan bir bardak kaldırmak hiçte zor bir şey değildir. Burada yaptığınız şey yerçekimine kendi kuvvetinizle karşı koymaktan başka bir şey değildir. Yanısıra ayağımızı basıp yeryüzü üzerinde durabilmemizin de nedeni yerçekiminin bu kuvvet seviyesidir. Durduruğunuz yerde zıpladığınızı düşünün, siz tam düşecekken bir anda dünyanın kütleçekimini oldukça artırırsak yeri parçalayıp merkeze doğru düşmeye başlarsınız. Ancak gerçekte bu böyle değildir ve yalnızca yere çarpıp durursunuz çünkü ayağınızda ve yerde bulunan elektronlar birbirini iter ve siz yere çarpıp durursunuz. Bu itme kuvvetinin, kütleçekimden daha güçlü olduğunu anlatan basit bir örnektir. Güncel fizikteki en büyük sırlardan birisi de kütle çekimin neden bu kadar zayıf olduğudur. Tüm kuvvetlerin bir taşıyıcı/iletici parçaçığı vardır. Kütle çekim'in taşıyıcı parçacığı ise teoriye göre "graviton" dur. Ancak graviton bu güne kadar hiç gözlemlenememiştir. Böylece konu daha da ilginçleşmekte. Kütle çekimin neden bu kadar zayıf olduğunu anlatan bir teori geliştirilmiştir. Bu teori, çoklu evren ve string teorisini de kapsamaktadır. Teoriye göre; gravitonun paralel evrenler arasında geçiş yapabileceği hesaba katılır. Bunun nedeni, hâlen keşfedilmemiş ve yalnızca teoride var olan "düğüm stringler" dir. Teoriye göre ucu açık stringler gibi bir paralel evrene yapışmayan düğüm stringler, diğer paralel evrenlere yolculuk yapabilir. Gravitonun esrarının bu olduğuna inanılmaktadır. Şayet birgün hadron çarpıştırıcılarında bir graviton gözlemler ve onun diğer evrene gidişinde yokoluşunu gözlemlersek bu konu üzerindeki sır perdesi en azından aralanmış olacaktır. Kütleçekimde önemli bir diğer nokta ise kütleçekiminin bizim için hayli kritik bir seviyede olduğudur. Eğer yerçekimi bundan daha kuvvetli olsaydı yani gerçekten kuvvetli, o halde bildiğimiz birçok nesne un ufak olacaktı. Veya dünyamızdaki yerçekimi biraz daha farklı olsaydı evrim sürecimiz daha da farklı işleyecekti ve boyutlarımız-beyinlerimiz belki de bu şekilde olmayacaktı. Kütle çekim bu kadar güçsüz olsa da büyük ölçekli dünyamızda yani gözle görebildiğimiz seviyeleri bu kuvvet yönetmektedir. Büyük ölçeklerde diğer kuvvetler, kütçe çekim gibi evreni domine edemezler. Yanısıra kütle çekimin "erişim alanı" sonsuz olarak ifade edilebilir.

Kuvvet, erişim alanı, taşıyıcı kuvvet, kütlesi ve spini gibi detaylar için soldaki resmi inceleyebilirsiniz.

Güçlü Nükleer Kuvvet (Strong Nuclear Force)

Atomun çekirdeği, proton ve nötronların birbirine sımsıkı tutunması ile meydana gelir.(bkz sağdaki resim) Proton + yüklüyken nötronlar yüksüzdür. Peki aynı yüke sahip protonlar nasıl olurda birbirini itmiyor, yüksüz nötronlarla nasıl bir arada sanki kancayla bağlamışlar gibi sımsıkı duruyor ? Bizi ve gördüğümüz her şeyi var eden atomlar nasıl olurda oluşmuş olabilir ? Bilim dünyası bu sorunun yanıtını "güçlü nükleer kuvvet" ile verebilmiştir. Güçlü nükleer kuvvetin ne olduğunu izah eden teori; Quantum chromodynamics'i yani kuantum renk dinamiğidir. Atomun çekirdeğini oluşturan proton ve nötronları da oluşturan parçacıklar vardır ve bunlara kuarklar denir. Kuarklar birbirine color charge(renk şarjı) ile tutunmaktadır. Kuarklar, birbirinin zıttı renklere sahip olan kuarklarla birbirlerini çekerler. (bkz; aşağı-sağ resim) Kuarklar arasındaki güç taşıyıcı/iletici parçacık ise gluon'dur. Gluon, adından da anlayacağınız üzere kuantum dünyasındaki bu güçlü etkileşimde "yapıştırıcı" görevindedir. Güçlü nükleer kuvvetin etki alanı, kütle çekimin aksine, mikroskopik çaplardadır. Bu çaplarda ise Eistein'in kütleçekimi açıkladığı genel görelilik teorisi işlememektedir. Mikroskopik boyurtların ilginç dünyasında işleyen mekanizma kuantum mekaniğidir.

Soldaki resimde, güçlü nükleer kuvvet hakkında kuvvet, erişim alanı, taşıyıcı partikül gibi özelliklerin detaylarını görebilirsiniz.



Zayıf Nükleer Kuvvet (Weak Nuclear Force)

Teorize edilmesinin asıl sebebi 1973 de gözlemlenen ve temel parçacıklar diziminde bulunan W ve Z bozonları arasında oluşan birbirleri ile değişim durumudur. Dolayısıyla W ve Z bozonları aynı zamanda, zayıf nükleer kuvvetin taşıyıcı/iletici parçacığıdır. Zayıf Nükleer Kuvvet kuark türlerinin birbirleri arasında değişimi ile görevlidir. (flavor of quark; üst - alt- garip - sevimli - en alt - en üst olarak katogorize edilmiş kuarklar bulunmaktadır) Bu ise evrenimiz için oldukça önemlidir. Bu önemi izah etmek gerekirse; eğer zayıf nükleer kuvvet olmasaydı p -> n geçişi olamazdı yani döteryum biçimlenemez ve döteryum füzyonu oluşamazdı. Bu da şu anlama geliyor ki güneşimiz şimdi ki gibi yanamazdı. Yanısıra Zayıf Nükleer Kuvvet sayesinde oluşan kuarklar arası dönüşümler nükleer partikül bozulması ile paralel olarak işlemektedir. Nükleer partiküllerin bozulması kuarklar arasında tür geçişleri ile mümkündür ve bu da Zayıf Nükleer Kuvvetin işlevidir. Radyoaktif bozulma, beta bozulmasında olduğu gibi zayıf nükleer kuvvetin işleviyle ortaya çıkmaktadır. Burada Zayıf Nükleer Kuvvet bir kuarkın bir diğer kuar türü/rengine ya da leptonun başka bir leptona dönüşümünden sorumludur ve bu sürece tür/renk değişimi (flavor changes) denir.

Zayıf Nükleer Kuvvetin sorumlu olduğu geçiş alanları yani lepton ve kuark değişimlerinde Güçlü Nükleer Kuvvet etkili olamaz çünkü  "Leptonların renkleri yoktur dolayısıyla Güçlü Nükleer Kuvvet ile idare edilmezler, nötrinoların ise şarjı yoktur yani elektromanyetik gücü tecrübe edemezler ama bunların tümü zayıf nükleer kuvvet/zayıf etkileşim e katılır(Griffiths) [1]

 Soldaki resimde, zayıf nükleer kuvvet hakkında kuvvet, erişim alanı, taşıyıcı partikül gibi özelliklerin detaylarını görebilirsiniz.


Elektromanyetik Kuvvet (Electromagnetik Force)

Elektromanyetizmayı; elektrik şarjı bulunanan parçacıklar arasında oluşan kuvvet olarak nitelendirebiliriz. Yükler arasındaki etkileşim pek bilindiktir, aynı yükler birbirini iter, farklı yükler birbirini çeker. Peki elektromanyetizma nedir ? Elektrik ile manyetik alan arasındaki ilişki ne anlama gelir ? Bu ikili arasındaki ilişki ilk kez Hans Christian Ørsted tarafından 1820 yılında, bir ders için hazırlık yaparken keşfedildi. Ørsted, mıknatısın yanından geçen elektriğin mıknatısın yönünü değiştirdiği gözlemledi. Böylece bu mesele üzerine çalışmalara başladı ve ilk temellerini attı. Elektrik ve manyetizma arasındaki gizemli ilişki Faraday'ın oldukça dikkatini çekmişti ve Faraday hayatının önemli bir kısmını bu ilişkiyi çözmek üzerine harcadı ancak önerilerini formülize edecek matematiksel birikime sahip değildi. Burada devreye Maxwell girdi ve Faraday'ın önerilerini büyük ölçüde formülize edip genişletti. [2] Bu temel kuvvet üzerinde çalışma yapan diğer bilim insanlarının da gayretleriyle 19. yy en büyük fiziksel ve matematiksel keşiflerinden biri yapılmış oldu. Elektrik ve manyetizma arasındaki bu ilişkinin keşfedilmesi aynı zamanda "ışığın" doğasını anlamamızı sağladı böylece ışığın bir elektromanyetik bir dalga olduğunu keşfedildi. Elektrik manyetizmayı, manyetizma ise elektriği üretmektedir bu ise saniyede ortalama 300.000 km ile olmaktadır ve bu sayı ışık hızının ta kendisidir. Böylece ışık hızı gözlemlendi ve ışığın elektromanyetizmanın görünen hâli olduğunu anlaşıldı. Bu büyük buluş Einstein'in Özel Görelilik'i keşfinin ilk yapıtaşlarını oluşturdu.

Manyetizmanın ve elektriğin iletici/taşıyıcı parçacığı fotondur(photon). Elektromanyetik kuvvet, atomları ve molekülleri bir arada tutmaktadır. Elektromanyetik kuvveti bu çekim ve itim gücü hakkında, elektromanyetik kuvvetin diğer 3 kuvvetten daha dominant/egemen olduğunu söyleyebiliriz. [3]

Soldaki resimde, elektromanyetik kuvvet hakkında kuvvet, erişim alanı, taşıyıcı partikül gibi özelliklerin detaylarını görebilirsiniz.




-----------------------

[1]: http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/forces/funfor.html
[2]: http://www.youtube.com/watch?v=hbD7zC_NUHw
[3]: http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/forces/funfor.html