Loading

Sağduyumuzu Zorlayan Bir Gerçek: Antimadde

Antimadde Nedir? Antimaddeyi Bu Kadar Pahalı Ve Özel Yapan Şey Nedir?

Antimadde kurgu görseli

20. yüzyılın başlarında fizikçiler atomun yüklü atomaltı parçacıklardan oluştuğunu keşfetmişlerdi. Bunlardan elektron negatif yük ile yüklüdür, çekirdek ise proton ve nötrondan oluşur, proton sayesinde pozitif yük taşır.

1930’lu yıllarda ise her parçacığın bir anti parçacığı olduğunu ve zıt yükle yüklendiğini anladılar. Keşfedilen ilk anti parçacığa “Pozitron” adı verildi. Bu pozitif yük ile yüklenmiş bir elektrondu. Antimadde ise kendisiyle spin, kütle ve ölçülebilen tüm özellikleri bakımından tamamen özdeş ve aynı değerlere sahip, fakat elektriksel yükü ters olan parçacıklara verilen isimdir.

1955 yılında Bevatron (California Üniversitesi’ndeki parçacık hızlandırıcısı) ilk antiprotonu üretti. Bu protonun negatif yük taşıyanıydı. Antiproton üretmek, antiatom yaratılabileceği anlamına geliyordu. Kuramsal olarak ise bu başarı anti-elementleri, anti-insanları, anti-dünyaları ve  hatta anti-evrenleri mümkün kılıyordu.

Maddenin ve antimaddenin birbirini yok ederek enerjiye dönüşümü bir hidrojen bombasından çok daha verimlidir. Madde ile anti madde karşılaştıklarında birbirlerini yok etmeleri sonucu bunların durgun kütle enerjilerinin en az iki katı kadar (2mc²) enerji açığa çıkaracağı için bu yeni ve müthiş bir enerji kaynağı olarak karşımıza çıkar. Antimadde, birçok bilim kurguya konu olmuş durumdadır. Bunlardan biri de antimadde bombalarıdır. Şu anki teknolojimiz yeterli gelmese de eğer yapılabilirse, %100 verimli olabilirler. Bir atom bombası ise tüm dehşet vericiliğine rağmen %1 verimlilik sağlar. Tüm bunlara geçmeden önce antimadde kuramını bulan kişiden bahsedelim.

Paul Dirac

Antimadde kuramını keşfeden isim Paul Dirac’dır. O sıralar yirmili yaşlarda olan Dirac, Schrödinger’in  denkleminde hata olduğunu fark etti. Denklem yalnızca düşük hızlarda hareket eden elektronları tanımlamaktaydı. Ayrıca, Einstein’ın ünlü E=mc² denkleminin tam anlamıyla doğru olmadığını fark etti. 1928’de İngiliz fizikçi Paul Dirac, elektronun davranışını tanımlamak için kuantum teorisi ile özel göreliliği birleştiren bir denklem yazdı. Denklemin X²=4 gibi iki olası çözümü olabilirdi; X=2 ve X= -2 bu da pozitif enerjili elektron ve negatif enerjili elektron demekti. Dirac Denizi kavramını icat etti ve negatif enerjili maddenin normal madde gibi görüneceğini fakat zıt yüke sahip olduğunu buldu. Anti elektron, anti protonun etrafında dönerek antiatom oluşturabilirdi. Antiatom ise antimolekülleri, antimoleküller ise antigezegenleri oluşturabilirdi.

İlk defa Dirac tarafından öngörülen bu antimadde kavramı, Carl Anderson’un bir manyetik alan içerisinde pozitronun yani antielektronun keşfedilmesiyle kanıtlandı. Ve Dirac 1933 yılında Nobel ödülü aldı. Bundan birkaç sene sonra yani 1936 yılında ise Anderson Nobel ödülüne layık görüldü.

Dirac denklemi antimaddenin varlığını öngörmekten ziyade elektronun dönüşünü de öngörür. Bir topaç gibi dönen atomaltı parçacıklardan elektronun dönüşü, transistörler ve yarı iletkenlerde çok önemlidir. Dirac, bu denkleminin patentini almamıştır ve Stephen Hawking bu duruma üzülmüştür. Eğer alsaydı bir servet sahibi olacağını, her televizyon, walkman, video oyunu ve bilgisayardan telif hakkı alacağını söylemiştir.

CERN’deki ve Fermilab’daki parçacık hızlandırıcılar çok az miktarlarda anti hidrojen yapmayı başarmıştır. Bu olay, parçacık hızlandırıcılar kullanarak hedefe yüksek enerjili proton ışını göndermek suretiyle gerçekleşir. Çok güçlü mıknatıslar ise antiprotonları ayıklar. Sodyum-22’den yayılan antielektronlar antiprotonlarla aynı yörüngeye girdiklerinde ise bir antihidrojen meydana gelmektedir.  Özel bir vakum ortamında saklanması gereken bu antimadde, normal bir ortamda maddeyle etkileşerek yok olur ve ortama enerji çıkışı yaşanır. Fakat saf bir vakum ortamında sonsuza kadar yaşayabilirler.

CERN, 1995 yılında dokuz adet antihidrojen atomu yarattığını duyurdu. Daha sonra ise Fermilab yüz tane antihidrojen atomu üretti. Birkaç gram antimadde yapmak bile bir ülkeyi iflasın eşiğine getirebilecek iken bunları üretememenin en büyük nedeni tabi ki maliyetleridir. Yıllık antimadde üretimi gramın milyarda biri civarında seyretmektedir. 2004 yılında CERN, bir gramın birkaç trilyonda biri kadar antimadde üretmek için 20 milyon dolar harcamıştır. Bu durum anti maddeyi dünyanın en değerli varlığı haline getirmektedir. Antimaddeyi ikinci olarak gramı 27 milyon dolar ile Californium-252 elementi takip etmektedir.

Antimadde bu kadar pahalı olmasına rağmen her geçen yıl maliyeti düşmektedir. Hedef antimaddeyi bilim kurgunun dışına çıkarmak, ulaşım ve tıp gibi alanlarda kullanılmasını sağlamaktır. Pozitronlar bazı nükleer çekirdeklerin bozunması ile doğal olarak üretilmektedir ve tıbbi görüntülemede yaygın olarak kullanılmaktadırlar (PET:Positron Emission Tomography)

Eğer CERN’deki üretilen bütün anti maddeyi toplayıp madde ile yok etseydik bir ampülü yakacak kadar enerji elde edebilirdik. Maliyetinden sonraki bir başka konu ise anti maddenin saklama koşullarıdır. Madde ile temasa geçen bir antimadde patlama ile sonuçlanır. Manyetik alan yaratan bir manyetik şişe içerisinde hapsetmek en güvenli çözümlerden biri olacaktır.

Antimadde motoru ve antimadde roketi:

Star Trek dizisindeki Enterprise (Atılgan)’ın enerji kaynağı bir antimadde motorudur. Böyle bir motor için sürekli bir antimadde akışı gerekir. Ve kimyasal roketlerdeki gibi kontrollü bir patlama ve bunun sonrasında ise ortaya çıkan iyonlar roketin ucundan püskürtülerek itme gücü sağlanır.

Antimaddeyi roket için düşünecek olursak dört miligram pozitron(antielektron) kullanılarak inşa edilen bir antimadde roketi birkaç hafta içinde Mars’a gidebilir. Antimadde kullanılarak hazırlanan bu roket içindeki enerji normal roket yakıtlarının enerjilerinden bir milyar kat fazladır.

Doğal olarak antimadde var mı?

Evrenin ağırlıklı olarak antimaddeden değil de maddeden oluşması antimadde arayışlarının pek fazla sonuç vermemesine neden olmaktadır. Evrenin başlangıcında madde ile antimaddenin eşit yani simetrik olarak bulunduğu kabul edilir. Yokluğu bu yüzden şaşırtıcıdır. En iyi açıklama ise Sovyetler Birliği için hidrojen bombası tasarlayan kişi Andrei Sakharov tarafından önerilmiştir. “CP İhlali” olarak bilinen bu kavram basitçe simetri bozukluğu olarak tanımlanabilir. Big Bang’de madde ve antimadde arasında ufak da olsa (milyarda bir) bir asimetri bulunuyordu. Fazla miktarda bulunan ise maddeydi.  Bu zıt enerjili madde ile antimadde birbirini yok ederek sadece az miktarda maddenin kalmasına yol açtı. Bu madde ise şu andaki görünür evreni meydana getirdi. Diğer bir deyişle, madde ile antimaddenin birbirini yok etmesinden arta kalan az miktardaki madde bizi oluşturdu, CP İhlali olmasaydı evren olmazdı.

Bu kuram doğal olarak evrenin bir köşesinde antimadde çeşmeleri olacağı fikrini doğuruyor. Bu tarz araştırmalar hala sürmektedir. 2006 yılında PAMELA uydusu antimaddeyi aramak için yörüngede yerini almıştı.

Bir uzay gemisi yalnızca 30 miligram antimadde ile Plüton’a kadar gidebilir. On yedi gram antmadde, bir yıldız gemisini Alpha Centauri’ye götürmek için yeterli enerjiyi sağlayabilir. Araştırmacılar, Mars ve Venüs’ün yörüngeleri arasında bu iş için tasarlanmış uzay sondası tarafından toplanabilecek seksen gram kadar antimadde olabileceğini öne sürmektedirler.

Anti-Evrenler:

Dirac’in kuramı bazı soruları da beraberinde getiriyor. Antievrenler var mı? Doğa buna izin veriyor mu?

Fizikçilerin ters yüklü (C-reversed) evren adını verdiği evrenlerde anti-insanlar, anti-fizik ve kimya yasaları, anti-şehirler vs bulunur. Bu gezegen Dünya ile aynıdır. Fakat her şey antimaddeden yaratılmıştır.

Diğer bir evren ise ters pariteli (P-reversed) evren olarak adlandırılır. Bu ayna evrendir ve her şeyin sağı solu yer değiştirmiştir. Herkesin kalbi sağ taraftadır, insanların çoğunluğu solaktır.

Peki bu evrenler gerçekten olabilir mi?

Newton ve Einstein’in denklemlerini ters çevirdiğimizde bu evrenlerin teorik olarak mümkün olduğu görülmektedir. Richard Feynman, bu evrenler ile ilgili farklı bir soru ortaya koymuştur. Uzak bir gezegendeki uzaylılarla iletişime geçecek olsaydık onlara “sağ” ve “sol” kavramını anlatabilir miydik? Eğer karşımızdaki uzaylılar ters pariteli bir evrende bulunuyorsalar bunu imkansız olması gerekirdi. Daha sonra iki bilim insanı (C. N. Yang ve T. D. Lee) ayna evrenlerin var olamayacaklarını kanıtladılar. Bu haber fizik dünyasında “Tanrı bir yanlışlık yapmış olmalı” şeklinde yankı bulurken Yang ve Lee Nobel ödülü aldılar.

Bunun ardından Feynman, radyoaktif Kobalt-60 ile tasarladığı bir deney sayesinde “sağ”, “sol” kavramını anlayabilmemize olanak sağlayacağını düşündü. Bunun sebebi Kobalt-60’dan çıkan elektronların saat yönünde ve saat yönünün tersine olacak şekilde dönenlerin sayısı eşit değildir. Pariteyi bozarlar. Bu deneyi hayalinde canlandıran Feynman, bu sayede uzaylılara sağ sol, saat yönü ve tersi kavramlarını açıklayabileceğimizi düşündü. Fakat uzaylılar tokalaşma sırasında sağ ellerini değil de sol ellerini uzatırsalar ne olurdu? Bu ölümcül bir hata olurdu. Deneyin başarısız olduğunu, daha da kötüsü antimaddeden yapılmış bir evrenden gelen antiuzaylılarla tokalaşmamız sonucunda havaya uçacağımız anlamına gelirdi. 

Fakat bu 1960’a kadar böyleydi. Kendi evrenimiz ile diğer evrenlerin arasındaki farkı anlamak zordu. Parite ve yükü ters çevirirsek ortaya çıkan ters CP evren fizik kurallarına uygun olurdu. Yani ters CP evrenlerin var olması hala mümkündü. 1964 yılında ise bu ters yüklü ve ters pariteli evrenin de mümkün olamayacağı kanıtlandı. James Cronin ve Val Fitch, 1980 yılında Nobel ödülü kazandılar.

Bu olay fizikçileri mutsuz etse de CP İhlalinin kanıtıdır. Eğer bu evrenler var olsaydı madde ve antimadde etkileşimiyle gerçekleşen patlamadan arta kalan madde ve biz olmayacaktık. Aynı miktarda madde ve antimadde %100 bir yok oluşu beraberinde getirirdi.

Peki ters dönmüş evrenler var mıdır? Evet, ters pariteli ve ters yüklü evrenler olmasa bile, bir antievren mümkün olabilir. Yükleri, pariteyi ve zamanın geçişini tersine çevirirsek ters CPT evrenlerin varlığı mümkündür.

Sağduyumuz bunun mantıksız ve var olamayacağını söylemektedir. Fakat matematikse denklemlere göre bu mümkündür. Newton’un yasaları hem ileriye hem de geriye doğru sorunsuz işlemektedir. Fakat kuantum kuramında zamanın ters dönmesi, kendi içinde yasalarla çakışsa da ters CPT evrene izin verir. Yani bu evrende Feynman QED(Kuantum Elektrodinamiği) kuramına göre zamanda ileri giden bir maddenin, zamanda geri giden bir antimaddeden ayırt edilemez olduğunu öne sürdü. Fakat bu evrenle iletişimimiz mümkün olmayacaktır. Çünkü radyo ile ilettiğimiz her şey zamanda ileriye giden bir evren için geleceklerinde olacaktır ve biz onlara bir şey söylediğimiz anda unutup gideceklerdir. Fizik ne kadar olabileceğini öngörse de radyo dalgalarıyla iletişim mümkün değildir.

Bu yazımızı özetleyecek olursak maddenin negatif yüklüsü olarak bulunan antimadde, şu anki sahip olduğumuz teknolojiyle üretimi açısından maliyetli bir araştırma alanıdır. Fakat yeterli miktarda üretilebilirse veya bulunabilirse ileride antimadde roketleri, antimadde motorları gibi teknolojilerde kullanılabilirler. CP ihlali sebebiyle kaynaklanan asimetri hala evrenin bir köşesinde saklı antimadde cepleri olduğunu ve bunların toplanabileceği sonucuna varmamızı sağlamaktadır. Fakat yukarıda da bahsettiğimiz gibi bu teknoloji şu an için olanaksızlık olarak adlandırılabilir.

Kaynakça:

https://www.symmetrymagazine.org/article/april-2015/ten-things-you-might-not-know-about-antimatter

https://home.cern/science/physics/antimatter

http://www.physics.metu.edu.tr/uploads/Admission.ADM-146/8-Antimadde2-BilUt202-nis11.pdf

Michio Kaku, Olanaksızın Fiziği ve Einstein’dan Ötesi

Gülşah Toyran
Yazar / 5 Yazı / 1,7K Okunma

1997 Bursa doğumlu. Moleküler Biyoloji ve Genetik mezunu.


Yorum Yap

E-Posta adresiniz yayınlanmayacaktır.

ya da üye olmadan yorum yap ve onaylanmasını bekle.
ÜST