Higgs Hikayesi Evrenin Gizemli Dili Peşinde 25 Asırlık Yolculuk

Higgs Hikayesi

• Evrenin Gizemli Dili Peşinde 25 Asırlık Yolculuk

Önsöz

• Bu sunum Sanayi Eczacılarının Sesi dergisinin Kasım 2012 sayısı için hazırlanmış bir yazıdan yola çıkılarak hazırlanmıştır.

• Bu yazının yazılmasına ön ayak olan ve heyecanımı paylaşan eczacılara teşekkürler.

• Yazının tüm metnine şu adresten ulaşılabilir: http://www.phys.boun.edu.tr/~ozcan/

• Sunumda kullanılan şekil ve fotograflar ya kamu malıdırlar, ya da kaynak gösterilerek ve herhangi bir ticari kazanç olmadan akademik amaçla kullanılmışlardır.

2500 yıllık hikaye

• Demokritus, Lökippus: Atomos, MÖ 5. yy.

• Su, toprak, ateş, hava + esir (Aristo)

• Simyacılar : tuz, kükürt, cıva

• Toricelli, Pascal: boşluktan tiksinmeyen doğa

• Deney ve doğanın dilini konuşmak: Termodinamik, elektrodinamik

• Simya yerine kimya. Esire ne oldu?

• Newton - Huygens: Esir lazım ışık için. Dalga mı parçacık mı?

• Maxwell: Elektromanyetik denklemler - alan kavramı.

• Kütlenin sebebi esir.

• Einstein: Esire gerek olmadan, ışığa bak, görelilik.

• Kuvantum alan kuramları: Her yer dolu, boşluk boş ama fokur fokur.

• Higgs alanı her yerde ve kütlenin sebebi.

• İnsan sonunda doğanın dilini konuşuyor...

Böl, böl, nereye kadar?

• Çikolatamın bugün yarısını yerim.

• Kalanın da yarısını ertesi gün yerim.

• Onun da yarısını bir gün sonra.

• Keskin bir bıçakla, her gün her gün çikolata yiyebilir miyim?

ἄτομος

• M.Ö. 450 civarı

• İyonyalı Lökippus ve öğrencisi Trakyalı “gülen filozof” Demokritos

• Atomculuk: Kesilemez, bölünemez atomlar ve içinde durdukları boşluk

Su, Toprak, Ateş, Hava

• Babil, Mısır, Japon, Yunan…

• Tüm klasik kültürlerde maddenin dört temel unsuru.

• Ve yıldız falında.

Beşinci Element

• Dört unsura ek: Esir (Aether)

• Boşluğun maddesel hali, boşluğu doldurup boş olmasını engelleyen madde.

• Akaşa (Hindistan) Sora (空, Japonya)

• Her yeri saran, gözle görünmez, “Force” gibi bir şey.

• Aether (Αιθέρας): Yunan mitolojisine göre evrenin başlangıcındaki ilk tanrılardan.

• Aristo: Göklerdeki madde (uzayı dolduran) mükemmel olmalı, ismi Aether olsun.

Scuola di Atene

• Michelangelo, Leonardo da Vinci ve Rafael de model olarak var…

Simya

• Aristo’yu “Muallim-i Evvel” alan İslam simyagerleri.

• Câbir bin Hayyan (8.yy.): Kükürt (yanıcı özellik), cıva (metalik özellik)

• Paraselsus (16.yy.): Tria Prima - Kükürt, cıva ve tuz (katılık özelliği)

• Elementlerin sayısı artıyor. Maddeleri ayrıştırma teknikleri çeşitleniyor. Açıklamalar uzuyor.

Kimyanın Doğuşu

• Simyacılar ne kadar uğraşırlarsa uğraşsınlar, felsefe taşı bulunamıyor, kurşun bir türlü altına dönmüyor, ölümsüzlüğün sırrı keşfedilemiyor.

• Bu işi becerebilen yegane simyacı, Nicolas Flamel de 1992’de 600 küsür yaşında hayatını kaybediyor (J. K. Rowling, Harry Potter ve Felsefe Taşı).

• Simyacıların gerçek mirası: Sistematik gözlemler ve denemeler yapmak, bunları paylaşmak. => Deneysel bilimlerin doğuşu. Bazı ünlü simyageler:

• Robert Boyle: 1661’de Kuşkucu Kimyager’i yazan kimyanın babası.
• Isaac Newton: Physics Web okurlarına göre tarafından tarihin gelmiş geçmiş en büyük fizikçisi (1999).

Aydınlanma

• Felsefecinin mantığına en çok yatan doğru bilgidir.

• Doğayı anlamanın yolu, onu olduğu gibi görmek, ölçmek ve modellemektir.

• Veri topla = gözlem.
• Veriyi açıklayacak matematiksel formüller türet = model.
• Formülleri kullanarak hesap yap ve bu hesapları teste tabi tut = deney.

• Toricelli ve Pascal: İlk cıvalı barometre ve ezberlerin bozulması.

• “Horror Vacui” = Doğa boşluktan tiksinir, bırakmaz.
• O zaman cam tübün içindeki cıvanın üstündeki kısımda ne var?

Deney = Doğanın Diline Giriş

• Aydınlanma ile kendi kafamızdakini söylemeyi bırakıp, doğanın dilini öğrenmeye başlarız. Sonuçlar:

• Termodinamik: verimli buhar makineleri => sanayi devrimi
• Akışkanlar dinamiği: Metallerin hidrolik baskıyla şekillendirilebilmesi, rüzgar tünelleriyle uçakların anlaşılması
• Elektromanyetik kuram: Telgraf, telefon, radyo.
• Mikroskop, hücre, bakteri, hastalıkların patojenik kuramı, pastörizasyon ve aşılar.

• Bilimkurgunun babaları: Jules Verne, George Wells, Hugo Gernsbacher.

• Denizler altında, yerin içinde, aya, geleceğe, geçmişe, dünyanın çevresinde yolculuk.

Periyodik Tablo Sürüm 1.0

• Dimitri Mendeleyev: modern anlamda ilk periyodik tablo (1869)

• Hava: %78 N2, %21 O2, vs. Su: H20 Ateş: Zincirleme reaksiyonla oksitlenme. Toprak: Si, C, Ca, vs.

Pekiyi ya esire ne oldu?

• 20. yüzyılın başında esir hala ortalıktadır ve onun ne olduğu, ne çeşit parçacıklardan oluşmuş olabileceği tartışma konusudur.

• Örneğin asal gazların keşfinden hareketle, Mendeleyev esirin de kimyasal olarak tepkimesiz bir çeşit element olabileceğini önerir.

• Ama boşluğa karşı olan felsefi tiksinmemizden kurtulduğumuz halde, neden bu görünmez boşluk maddesi hipotezi sağ kalmıştır?

Tanecik mi, Dalga mı?

• Isaac Newton: Işık küçük taneciklerden oluşur.

• Kırılmayı ve dağılmayı açıklamak için bu tanecikleri etkileyen görünmez başka bir madde olmalı: Esir

• Christiaan Huygens: Işık bir dalgadır.

• Esir diye bir madde vardır, bu maddedeki dalgalanmalar ışıktır.

• Işığın doğası ne olursa olsun, esire esir düşmüşüz.

Elektromanyetik Kuram

• Faraday: Elektrik ve manyetik alan.

• Maxwell denklemleri: E ve M tek bir şeyin iki ayrı yüzü.

Alan (Field) Kavramı

• Sıcaklık alanı: Herhangi bir noktaya gidersek, oradaki termometrenin okuyacağı sıcaklık.

• Elektrik alan: Herhangi bir noktaya küçücük bir yüklü tanecik konursa, o taneciğe etki edecek elektrik kuvvet.

Elektromanyetik Dalga

• Maxwell denklemleri: Elektrik alan değişirse, manyetik alan değişir. Manyetik alan değişirse, elektrik alan değişir.

• Elinize bir mıknatısı alıp sağa sola sallayın, gözle görünmez bir EM dalgası oluşturursunuz.

• Farklı hızda salladıkça dalganın rengi değişir. Renk gözümüzün görebildiklerinden çıkarsa, ona da ışık deriz.

Esirsiz Olamam

• 19. yy. son çeyreği: Işık EM dalgadır. Her dalga gibi onu taşıyan bir ortam gereklidir, yani esir!

• Büyük heyecan: Acaba bir taşla sadece iki kuş değil, üstüne bir de devekuşu avlayabilir miyiz?

• Maxwell denklemlerini de kullanarak gösterebiliriz ki, esirin içinde hareket eden yüklü parçacıklar atalet kazanırlar.
• Elektronun keşfi: Atomlar artı ve eksi yüklü taneciklerden oluşmuşlardır.
• O halde acaba maddenin kütlesi dediğimiz şey, esirle olan etkileşimleri olabilir mi? Her yerde var olan görünmez esir, sadece ışığı taşımıyor, aynı zamanda tüm maddeye kütle veriyor olabilir mi?

Boşluk boş!

• Esiri aramaya koyuluruz ve… Bulamayız.

• Esir yoktur. Aristo’dan bu yana ilk defa “kesin” olarak boşluk tamamen boştur.

Hatamız nerede?

• Doğanın dilini hala düzgün konuşamamışız.

• Esir bizim omuzlarımızda boşuna taşıdığımız bir yükmüş.
• Türkçe (insanca) konuşup doğanın diline çeviriyormuşuz. Doğrudan doğanın dilinde düşünmek lazım!
• Alan kavramı daha temel, parçacık veya dalga değil!

Çözüm

• Kuantum alan kuramları: Gördüğümüz tüm madde ve onların etkileşimleri evreni saran birer alanın titreşimleridir.

• Elektron alanının titreşimlerini elektron olarak yorumlarız, elektromanyetik alanın titreşimleriyse foton olur.

• Dalga-parçacık ikilemi diye bilinen, Newton ve Huygens’den beri tartıştığımız konu da otomatik olarak çözülmüş olur. Alandaki salınımlar dalgalar şeklinde yayılırlar ve aynı zamanda kümeleştikleri yerlerde parçacık gibi saçılırlar.

Eser ve Sanatçı

• Müzikten hoşlanmak için müzisyen olmak gerekmez, dinlemek yeterlidir.

• Ama herhangi bir eserin altında yatan gerçek ihtişamı görebilmek için biraz yorulmak işe yarayabilir.

• Sistine Şapel’in veya Süleymaniye’nin tavanındaki muhteşem güzelliği görmek için kafanızı yukarı kaldırmalı ve boynunuzu biraz yormalısınız. Hele bir de azıcık resim yapıyor veya mimariyi takip ediyorsanız, işte o zaman diliniz tutulabilir.

Şaheserler

• Bazen öyle bir fikir gelir ki sanatçının aklına, öyle bir tutturuverir ki zanaatçının eli, işte o an bir şaheser çıkacağını anlayıverir.

• İşte fizikçi de bazen öyle güzel seçebilir ki doğanın dilinin sözcüklerini, inanılmaz güzel ama bir o kadar da sade bir şiir çıkıverir karşımıza. Can Yücel’in veya Nazım Hikmet’in veya Orhan Veli’nin şiirleri gibi, az sayıda sözcük bir araya gelir ve “güzel” olur.

Higgs Alanı

• Higgs mekanizması dediğimiz şiir de işte böyle güzeldir. Kuvantum alanı, kendiliğinden simetri kırılması gibi doğanın dilbilgisindeki bazı en temel yapıları kullanılarak yazılmıştır.

• Higgs mekanizması, elektrozayıf simetrinin nasıl kendiliğinden kırıldığını açıklar. Higgs alanıyla etkileşimler maddenin nasıl kütle kazandığını sadelikle ifade eder.

Higgs Mekanizması

• Çok güzel ve basit bir fikir.

• Parçacık fiziğinin “modern periyodik tablosunda” her “hesabın / formülün” güzel bir simetrisi var. Herşey simetrikken değişik bozonların (foton, W, Z) kütleleri nasıl farklı olabiliyor?

• Cevap: Kendiliğinden simetri kırılması.

• Fikrin babaları: Higgs & Englert, Brout & Guralnik, Hagen & Kibble (1964-67)

Higgs Alanı

• http://www.hep.ucl.ac.uk/~djm/higgsa.html

4 Temmuz 2012

• 50 yıllık çabamızın sonunda elde ettiğimiz sonuçları gururla paylaşıyoruz: Higgs bozonunu aradığımız yerde, beklediğimiz özelliklerde yeni bir bozon bulduk!

• Bu CERN’deki fizikçilerin başarısı değil sadece.

• Hızlandırıcı, bilgisayar ve dedektörleri geliştiren veya kilometrelerce tünel kazan fizikçi ve mühendislerin, LHC’nin her bir vidasını sıkan teknisyenlerin de değil.
• Hatta CERN’ün çalışabilmesi için her yıl, yılda bir kahve eksik içmeyi kabul eden Avrupa ülkelerinin vatandaşlarının da değil.
• Aristo, Demokritus, ve felsefecilerin, onları resmeden Rafael ve sanatçıların, hayallerimizi canlandıran bilimkurgu yazarlarının, Câbir bin Hayyan ve simyacıların, Newton, Huygens ve tüm bilim insanlarının, bilime destek veren vizyon sahibi devlet adamlarının…
• Kısacası doğanın güzelliği karşısından heyecanlanan tüm insanlığın başarısı!

Son Bir Gözlem

• Son bir gözlem:

• Boşluk aslında bir nevi boş değilmiş, çünkü bir an oluşup sonra inanılmaz derecede kısacık süreler sonra geri yok olan parçacıklar öngörür kuvantum alan kuramları.
• Higgs alanı her yerde ve tüm parçacıklarla etkileşerek onlara kütle veriyormuş, 19. yy. sonundaki fizikçilerin esirden beklediklerine de felsefi olarak benzer şekilde.

• Demek ki dili öğrendikçe doğruya yaklaşıyoruz.

Bir de Son Uyarı!

• Simyacılar ne kadar uğraştılarsa da kurşunu altına çeviremediler.

• Bugün nükleer tepkimelerde sadece altın değil, hemen her değerli metali üretmek mümkün.

• Mum teknolojisine ne kadar çok yatırım yaparsanız yapın, elektrik ampülü ortaya çıkmaz.

• Uygulamalı bilimler bugünün, temel bilimlerse yarının teknolojisini üretir.

• Evrenin dilini öğrenmek = temel bilim!

Evrenin En Anlaşılmaz Yanı

• İnsan olarak gurur duymalıyız: Doğanın dilini öğrenmekte öylesine yol kat ettik ki, güzelliğini hissettiğimiz şiirler gerçeğin açıklaması çıkabiliyor!

• Nasıl olabiliyor da evrenimizin görünüşe göre hiçbir özel yanı olmayan vasat bir köşesindeki ufak bir gezegenin üzerinde dolaşan ve evrenin boyutları yanında mikrop gibi kalan biz insanlar, bu evrenin dilini öğrenip de doğru konuşabiliyoruz?