Boş uzay gerçekten boş mu? Uzaydaki bütün parçacıkları, enerjiyi ve radyasyonu çıkarırsanız ne olur? Boş uzayın enerjisi olan sıfır noktası enerjisi nedir? Şimdiye dek hep madde, enerji ve parçacıkları anlattık. Bu yazıda ise hiçliğin fiziğini, vakum enerjisini göreceğiz; çünkü uzay boşluğunun doğası fizikteki en heyecan verici şeylerden biridir. 4 temel fizik kuvvetinin menzilini, sanal parçacıkların varlığını, karanlık enerjiyi ve evrenin neden genişlediğini hep sıfır noktası enerjisi açıklar.
Boş uzayda ne kadar enerji var?
Hiçliği nasıl araştırırsınız? Boş bir kavanoz bile bir şeyler içerir: En azından hava molekülleri barındırır ve ortamdan gelen kızılötesi ışık (ısı) kavanozun içinden geçer. Aynı zamanda şehirden, akıllı telefon ve diğer cihazlardan gelen elektromanyetik gürültü vardır. Evrenin derinliklerinden gelen kozmik ışınlar da kısmen kavanoza ulaşır ve içine nüfuz eder. Peki bütün hava moleküllerini çıkarırsak, kavanozu mutlak sıfıra soğutursak ve tüm dış radyasyondan yalıtırsak ne olur? Kavanozun içi bomboş olacaktır.
Oysa boş uzay bile boş değildir. Hiç enerji harcamadan çalışan devridaim makineleri var mı yazısında mutlak sıfıra soğutulan atomlara ne olacağını anlattım ama özetle hiçbir şeyi kalıcı olarak soğutamazsınız. Heisenberg’in belirsizlik ilkesi nedeniyle mutlak sıfıra inen atomlar kendiliğinden rastgele titreşir, termodinamik yasaları bir an ihlal edilir ve bir an için ısı soğuktan sıcağa akarak atomları ısıtır. İşte bunun hiçliğin fiziği olan boş uzayın enerjisiyle, yani sıfır noktası enerjisiyle çok ilgisi var. Nasıl mı?
Sıfır noktası enerjisi ve mutlak sıfır
Mutlak sıfır atomların hiç hareket etmemesi ve titreşmemesi demektir. Oysa atomların hiç kımıldamadan durması için hem konumu hem de momentumunun kusursuz olarak belirlenmiş olması gerekir. Belirsizlik ilkesine göre bu imkansızdır. Konumunu bildiğiniz bir parçacığın momentumu belirsiz olur ve bu da parçacıkların mutlak sıfırda bile titreşmesi demektir.
Rastgele titreşim her zaman minimum enerji değerindedir. Dolayısıyla mutlak sıfırdaki atomlar minimum ısı yayarak tekrar ısınırlar. Peki atomlar kalıcı olarak mutlak sıfıra inemiyorsa ve atom enerjisi asla sıfır olmuyorsa içinden her şeyi çıkardığımız boş uzayın, vakumun enerjisi sıfır olabilir mi? Hayır ve bunun kozmolojik nedenini (evreninin oluşumuyla ilgisini) Higgs parçacığı yazısında anlattım. Bu yazıda kuantum fiziğinde hiçliğin ne olduğunu göreceğiz. Kuantum alan teorisiyle başlayalım:
Sıfır noktası enerjisi ve kuantum alanları
Uzayın kuantum yapısını kuantum alan teorisi inceler. Buna göre uzay temel kuantum alanlarıyla doludur. Kolaylık olsun diye bunları enerji alanları gibi düşünebilirsiniz ama kuantum alanlarının enerji alanı olması şart değildir. Elektron gibi parçacığın bu evrendeki bütün olası konumları, yönleri, enerjisi ve momentumunu belirleyen ve Schrödinger denklemiyle gösterilen olasılık dalgaları da kuantum alanları oluşturur. Öyle ki her parçacığın kendine eşlik eden bir olasılık dalgası vardır.
Örneğin elektronun elektron dalgası var ve bu da elektron kuantum alanında yayılan dalgadadır. Nitekim kuantum alanları gitar teli gibi farklı frekanslarla, yani farklı enerjilerle titreşir ve buna salınmak deriz. Aslında bütün parçacıklar kendi kuantum alanlarındaki titreşimlerdir. Mesela elektron alanının titreşimi elektrondur ve bu böyle sürüp gider: Kuarklar, nötrinolar, gluonlar vb. hep kuantum alanı titreşimleridir ve kuantum alanları boş uzayı doldurur.
Ayrıca bunlar sonsuz frekansta titreşemez, sonsuz kısa dalga boyunda olamaz ve sonsuza dek bölünebilen kesintisiz bir dalga oluşturamaz. Kuantum alanları sadece boş uzay enerjisinin tam sayı katlarıyla dalgalanabilir. Bu yüzden kuantum alan titreşimleri de enerji paketleridir. Öyleyse fotonla elektron da birer enerji paketi olup tırtıklı çizgi gibi aralıklarla dalgalanır (Bkz. Planck uzunluğu nedir?).
Atomlara geri dönersek elektron yörüngeleri çekirdekten hep belirli uzaklıklardadır. Yörüngeler arasında hep belirli bir uzaklık vardır ve ara yörüngeler olması imkansızdır. Ayrıca Pauli dışarlama ilkesi uyarınca bir yörünge sadece belirli sayıda elektron içerebilir. Örneğin 2 elektron yeri olan bir yörünge üçüncü elektronu barındıramaz. 3. elektron daha yüksek enerjideki bir üst yörüngede bulunmak zorundadır.
Bu da iyi bir şeydir!
Aksi takdirde oksijen atomu sürekli elektron alışverişinde bulunur ve asla nötr olmazdı. Bizler de hava solurken Alien asidi içmiş gibi canlı canlı yanardık. Bildiğimiz kimyayı kuantum kimyaya borçluyuz. 😉 Bunun boş uzayın enerjisiyle ne ilgisi var derseniz: Parçacıkların titreşimlerini, salınımlarını kuantum salıngaç operatörleri belirler (osilatör). Bunlar parçacıkların alabileceği enerji değerlerinin tam sayı katlarıdır. Dolayısıyla parçacıkların var olması ve yok olmasından sorumludur. İşte bunun da sanal parçacıklar ve sıfır noktası enerjisiyle ilgisi var ama bu kadar giriş yeter. Sıfır noktası enerjisi nedir?
Hiçliğin enerji düzeyi
Kuantum alanlarının en düşük enerji düzeyi uzayda hiçbir parçacığın olmadığı duruma karşılık gelir. Bu da uzayda klasik anlamda enerji içermediği ve mutlak sıfırda olduğu durumdur. Buna kuantum alanlarının vakum durumu deriz. Siz de vakum durumundaki alanların enerjisinin sıfır olmasını beklersiniz. Ancak, belirsizlik ilkesi bir parçacığın konumu ve momentumunu aynı anda bilemeyeceğimizi gösterir.
Her parçacığa kendi kuantum alanı (dalgası) eşlik ettiğine göre belirsizlik ilkesini kuantum alanlarına nasıl uygulayabiliriz? Açıkçası kuantum alanlarının enerjisini de kesin olarak ölçemezsiniz. Ya kuantum alanını ne zaman ölçtüğünüzü bilirsiniz ve enerjisi belirsiz olur ya da enerjiyi ölçersiniz ama ne zaman ölçtüğünüzü bilemezsiniz. Peki neden öyle?
Kuantum salınımlarını matematiksel nesneler olan salıngaç operatörlerinin (işlemcilerinin) belirlediğini söyledim. İşte bu operatörleri sanal parçacıklar olarak düşünebilirsiniz. Onları ölçme anını bilmeniz konumlarına karşılık gelir (bir havuzdaki dalganın anlık konumu gibi düşünün) onların ölçtüğünüz enerji de salınım frekansına karşılık gelir.
Nasıl ki havuzdaki dalga bir bütündür ve dalganın konumunu bilmek yalnızca dalganın bir kısmını dikkate almaktır, kuantum alanları da teorik olarak sonsuz büyüklüktedir ki siz kuantum dalgalarını ölçerken sadece bir bölümünü dikkate alabilirsiniz. O zaman da alan enerjisini kısmen bilebilirsiniz; çünkü dalganın tamamını ölçmemiş olursunuz. Şimdi bunu günlük dille açıklayalım:
Sıfır noktası enerjisi salınımları
Kuantum alanlarının enerjisini, dalgalanmasını, titreşimlerini ne kadar kısa aralıklarla ölçerseniz alanların enerjisi o kadar belirsiz olur. Örneğin bu evrende geçerli en kısa an Planck anıdır ve boşluğun o andaki enerji belirsizliği (enerji genliği diyelim) Planck enerjisine karşılık gelir. Oysa her parçacığın aynı zamanda dalga ve enerji olduğunu söylemiş, kuantum salıngaçlarını da parçacık gibi düşünebiliriz demiştik.
Hiçlik sanal parçacıkla doludur
Sanal parçacıklar kuantum alanlarını enerji paketleri halinde tırtıklı çizgi gibi belirli zaman aralıklarıyla ölçmemizi sağlar. Evreni Planck uzunluğundan kısa mesafelerde ölçemememizin sebebi de budur. Planck uzunluğundan kısa mesafeler Planck anından kısa anlara ve Planck enerjisinden yüksek enerjiye karşılık gelir. O zaman belirsizlik sonsuza ulaşır ve denklemlerimiz 1/0 gibi tanımsız ifadeler verir. Planck anından kısa mesafelerde ne var bilmiyoruz ama bildiğimiz anlamda evren yoktur.
Uzay boşluğunun enerjisi de ancak Planck ölçeğinde tanımlıdır. Planck uzunluğu 0’dan büyük olduğuna göre (~1,6 x 10-35 metre) boş uzayın enerjisi de sıfırdan büyüktür. Boş uzayın 0’dan büyük olan minimum enerjisine sıfır noktası enerjisi denir; ama durun. Daha size vakum enerjisinin nasıl işlediğini anlatacağım. Bunu da sanal parçacıklarla yapacağım:
Sıfır noktası enerjisi ve fizik kuvvetleri
Sanal parçacıklar evrendeki parçacık etkileşimlerinin arkasındaki mekanizma gibi duruyor. En azından kuantum alan teorisine (QFT) göre öyle. Örneğin QFT elektromanyetik kuvveti elektrik yükü olan parçacıklar arasındaki sanal foton alışverişiyle tanımlar. Bu etkileşimleri de Feynman diyagramlarında gösteririz (2 elektronun fotonlarla etkileşime girmesini gösteren resimde olduğu gibi).
QFT’ye göre gerçek parçacıkların etkileşimini hesaplamak için bunları birbirine bağlayan sanal parçacıkların bütün olası davranışlarını hesaba katmamız gerekir. En düşük olasılıklı en aykırı sanal parçacık etkileşimleri de buna dahildir. Öyle ki sanal parçacıklar -1’in karekökü gibi sanal sayılar alır, her türlü kütle ve hızda olabilir, ışıktan hızlı gidebilir ve zamanda geçmişe yolculuk edebilir.
Neyse ki Feynman diyagramları gerçek parçacıklar arasındaki en basit etkileşimin (resimde en üste bakınız) gerçekleşmesi en yüksek olasılık olduğunu gösterir. Biz de bu sayede aykırı ihtimalleri görmezden gelerek elektrik yükü vb.’ni ölçebiliriz. Yine de sanal parçacıklar her istediğini yapamaz. Örneğin fizikteki enerji korunum yasalarına uymak zorundadır. Buna ek olarak hemen bütün sanal parçacıklar parçacık ve anti parçacık çiftleri halinde oluşur (fotonlar kendisinin anti parçacığıdır).
Ancak, sanal parçacıkların ödediği en büyük bedel ömürlerinin Heisenberg’in belirsizlik ilkesiyle sınırlı olmasıdır. Bir sanal parçacığın enerjisi ne kadar yüksekse uzayda o kadar kısa süre var olabilir. Bu sınırlama da fizik kuvvetlerinin menzilini belirler. Öyleyse boş uzayın enerjisi olan sıfır noktası enerjisi fizik kuvvetlerinin menzilini belirler. Örneğin elektromanyetik kuvvetin menzili elektromanyetik alanın vakum enerjisiyle, boş alanın minimum enerjisiyle sınırlıdır. Bunu fotonlarla görelim:
Kütlesiz foton menzili
Elektromanyetik kuvvetin taşıyıcısı ve ışık parçacıkları olan fotonlar sonsuz düşük enerjide olabilir ve bu yüzden sanal fotonlar da uzayda sonsuza kadar var olabilir. Bu da elektromanyetik kuvvetin menzilinin tıpkı yerçekimi gibi sonsuz olmasına yol açar. Öte yandan atom çekirdeklerini ve protonlarla nötronları oluşturan kuarkları bir arada tutan güçlü nükleer kuvvetin taşıyıcısı olan gluonlar sahip olabileceği minimum bir enerji değeri vardır ve bu da sıfırdan büyüktür.
Bu nedenle teorik olarak kütlesiz olan sanal gluonların uzaydaki menzili sınırlı ve çok kısadır. Dolayısıyla güçlü kuvvetin menzili çok kısadır ve proton çapını aşmaz. Yeri gelmişken bunun gelecekte yazacağım kuantum ölçüm problemiyle ilgisi var: Belirsizlik ilkesi nedeniyle bildiğimiz anlamda fiziğin temeli de kuantum ölçüm problemidir. Öyle ki foton dışındaki sanal parçacıkların menzilinin sınırlı olması demek, bunların konumunun ölçüm yaptığımız zaman aralıkları dışında belirsiz olması demektir.
Örneğin gluonlar teorik olarak ışık hızında gider ve biz onları ancak ışık hızıyla güçlü nükleer kuvvetin menziline ulaştıkları sürede, o kısacık zaman aralığında ölçebiliriz. Bu aralıklar Planck anından uzundur ve gluonların hareketini daha kısa aralıklarla ölçemeyiz. Bu da güçlü kuvvet menzilinin sınırlı olduğunu göstermenin başka bir yoludur: Aynı zamanda gluonların konum/momentum ve gluon kuantum alanının zaman/enerji belirsizliğidir.
Sanal parçacıklar gerçek mi?
Fizikçiler sanal parçacıkların gerçek olduğunu düşünmüyor. Bunlar kuantum ölçümleri yapmak için kullandığımız matematiksel araçlardır. Sanal parçacıklar büyük olasılıkla yoktur ama biz kesikli enerjiden oluşan kuantum alanlarını ancak sanal parçacıklarla ölçüp hesaplayabiliriz. Başka bir deyişle ve yukarıdaki belirsizlikten yola çıkarsak: Sanal gluonlar ancak gerçek parçacıkları ölçtüğümüz zaman aralıkları dışında “var olur”. Fotonları 1 saniyelik aralıklarla ölçüyorsak sanal fotonlar yarım saniyelik aralıklarda var olur vb. Peki gerçek hayalet parçacık denen sanal parçacıkları nasıl keşfettik?
Sıfır noktası enerjisi gerçek mi?
Sanal parçacıklarla ilgili ilk ipucu 1947’de geldi. O yıl Willis Lam ve Robert Rutherford hidrojen atomunun ikinci enerji düzeyinde (yörüngesinde) yer alan iki elektronun enerji değeri arasında küçük bir fark olduğunu gördüler. Normalde aynı yörüngedeki elektronların enerjisi eşittir fakat çok küçük bir fark vardı. Bilim insanları bunu Lamb Kayması olarak adlandırdı.
Aynı yıl Alman fizikçi Hans Bethe, Lamb Kaymasını vakum enerjisindeki rastgele kuantum salınımlarıyla açıkladı. Kısacası sıfır noktası enerjisi gerçekti ve bunu hesaplamayı sağlayan sanal parçacıkları kuantum fiziğinden çıkarıp atmak imkansızdı. Bunlar sanaldı ama bir şekilde etkiliydi. Nasıl derseniz:
Hidrojen atomu yörüngeleri arasındaki boşluklarda bulunan sanal parçacık ve anti parçacık çiftleri, atomun elektrik alanını oluşturan güç çizgileri üzerinde hizalanıyordu. Bu da elektronları çekirdekteki protonların pozitif yükünden kısmen yalıtan bir enerji alanı yaratıyor ve aynı yörüngede iki elektronun aynı enerjide olmasını engelliyordu. Sonuçta sanal parçacıklar sanal olduğu için sonsuz sayıdadır ve sayıları artsa da azalsa da değişmez. Böylece kesikli kuantum alanlarını kesintisiz ölçmemizi sağlar.
Sıfır noktası enerjisi ve Casimir Etkisi
1948’de Danimarkalı fizikçi Hendrick Casimir boşluktaki rastgele enerji salınımlarının görünümü olan ve herhangi bir kuantum alanının minimum enerji düzeyini ölçmemizi sağlayan sanal parçacıkların gerçek dünyadaki etkisini göstermek üzere dahice bir deney tasarladı. Bunun için birbirine çok yakın iki metal levha aldı ve aralarındaki sanal foton salınımlarıyla levhaların dışındaki foton salınımlarını hesapladı.
Nitekim boşlukta her türlü sanal parçacık olabilir ama pratikte sadece sanal fotonlar vardır. Termodinamik yasalarına göre evren her zaman en düşük enerji düzeyinde olmak ister ve sanal fotonlar en düşük enerji düzeyinde olabilir. Sonsuz sayıda sanal foton olması nedeniyle hiçliğin enerjisi olan sıfır noktası enerjisi pratikte kızılötesi fotonlardan, yani termal radyasyondan oluşur.
Casimir işte levhalar arasındaki bu tür sanal fotonları ölçtü ve iki levhanın görünüşte kendiliğinden birbirine yaklaştığını gördü. Neden derseniz: Levhaların arasındaki uzay boşluğu, levhaların dışından küçüktü ve bu yüzden levhaların arasında sadece belirli frekanslarda enerji salınımları olabilirdi. Bu da levhaların arasında daha az sanal foton olduğunu gösteriyordu.
Gerçi boşluktaki sanal foton sayısı hep sonsuzdur ama levhaların dışındaki sonsuzluk levhaların arasındaki sonsuzluktan büyüktür. Bu durum da levhaların dışında yüksek basınç ve arasında düşük basınç oluşuyordu. Dış uzayın uyguladığı yüksek basınç levhaları birbirine doğru itiyordu. Casimir bu etkiyi gözlemledi ve boşluğun sıfır noktası enerjisinin gerçek olduğunu gösterdi. Bu keşif bizi karanlık enerjiye getirdi:
Negatif enerji ve negatif basınç
Evet, boşluğun enerjisi sıfırdan büyüktür ama boşluk evrendeki en düşük enerji düzeyi olduğu için bunu sıfır olarak kabul edebiliriz (sahte vakum). Bunu Dünya’daki deniz seviyesi gibi düşünün: Küresel ısınma nedeniyle buzullar erir ve deniz seviyesi yükselir ama Dünya’nın yerçekimi şiddetine göre belirlenen bir ortalama deniz seviyesi vardır. Denizlerdeki yükselme de buna göre ölçülür. Yoksa İsrail’deki Lut Gölü kıyıları da yeryüzündedir ama deniz seviyesinin 420 metre altında kalır.
Bu durumda Casimir levhalarının dışındaki uzayın enerjisini göreli 0 kabul ederiz ve o zaman levhalar arasındaki enerji de sıfırın altında, yani negatif olur. Negatif enerji negatif basınç oluşturacaktır. Bu da içi boş bir oksijen tüpünün içinde gergin yaylar döşemek gibidir. Levhalar büzülerek tüpün çeperini her yönden içe çekmeye, tüpü kendi içine çökertmeye çalışır.
Keza Casimir levhalarını da dış uzay birbirine doğru itmez. Levhalar arasındaki uzayda etkili olan negatif enerji levhaları içeriden birbirine doğru çeker! Biz de Casimir etkisini 1948’de gösterdik ama ancak 1996 yılında ölçebildik. Bu başarı da Washington Üniversitesi’nden Steven Lamoreaux’ya ait. Özetle boşlukta metrenin milyonda biri kadar yakın olan iki ince iletken levha birbirini çekecektir.
Buraya dek anlattıklarımızı toparlarsak: 1) Uzay boşluğunun enerjisi kuantum salınımları nedeniyle her zaman sıfırdan büyüktür ve 2) Boş uzayın enerjisi olan sıfır noktası enerjisini sanal parçacıklarla (pratikte sanal fotonlarla) ölçeriz. Peki boş uzayın enerjisi kaç ergdir? (Erg bir enerji ölçü birimidir):
Sıfır noktası enerjisi ve karanlık enerji
Boş uzayın enerjisini 1 ergin 100 milyonda biri olarak ölçüyoruz. Boş uzayın enerjisi de karanlık enerji olup evrenin yüzde 68’ini karanlık enerji meydana getirir. Karanlık enerjinin tam olarak ne olduğunu bilmiyoruz ama evrenin son 5 milyar yılda gittikçe daha hızlı genişlemesine neden olduğunu biliyoruz. Peki karanlık enerjinin ne olduğunu bilmiyorsak sıfır noktası enerjisi olduğunu nereden biliyoruz?
Bunu Casimir Etkisi gösteriyor. İki levhanın boş uzayda birbirine yaklaşması için uzayda terk ettiği boşlukta yeni uzay boşluğu oluşması gerekiyor. Bu da uzayın ve dolayısıyla evrenin genişlemesi demektir (detaylar kuantum köpükleri ve vakum felaketi yazılarında)! Yine de karanlık enerjiyi Casimir etkisine yol açan kuantum salınımlarını hesaplamakta kullandığımız QFT ile hesaplamaya kalktığımız zaman karanlık enerjinin şiddeti uzayda gözlemlenen değerinden 10120 kat fazla çıkıyor!
İşte bu yüzden karanlık enerjinin var olduğunu biliyor, bunun sıfır noktası enerjisiyle ilişkili olduğunu da biliyor ama tam olarak ne olduğunu bilmiyoruz. Eh, hiçliğin fiziği de bu kadar olur. [1][1]
Kaynaklar
- Kozan Demircan. Hiçliğin Fiziği: Sıfır Noktası Enerjisi Nedir? » Kozan Demircan. (18 Temmuz 2020). Alındığı Tarih: 14 Kasım 2022. Alındığı Yer: Kozan Demircan | Arşiv Bağlantısı
