Fotonlar Biri Birilerinden Sekebilir mi?

Oksijen, su, azot, karbon, mineraller, vitaminler... Hepsi yaşamımızı sürdürebilmemiz için vücudumuzun ihtiyaç duyduğu ve eksikliğinde sıkıntı yaşayacağımız organik ve inorganik maddeler. Peki ya hiç organik veya inorganik olmayan hatta neredeyse madde olarak bile tanımlanamayan ama yokluğunda yaşayamayacağımız bir şey düşündünüz mü? Ya da böyle bir şey var mı?

Evet, evet böyle bir şey var ve düşündüğümüzden daha fazla ilginç özelliği olan bir şey bu: Işık. Gözlemleyebildiğimiz kadarıyla en hızlı şey olan hem dalga hem de parçacık özelliği gösteren görebildiğimiz ve göremediğimiz, yararlı ve zararlı olan ve farklı spektrumlarda yayılan ışık aslında düşündüğümüzden daha ilginç ve önemli. Ancak benim konuyla ilgili spesifik olarak değinmek istediğim şey ise fiziğin biraz derinliklerinde yer alan ve detay içeren bir soru: Işıklar biri birileri üzerinden yansıyabilir mi?

Fiziğin derinliklerine indiğimiz ve biraz araştırma yaptığımız zaman bu sorunun cevabı evettir ancak bu durum doğrudan gerçekleşmez ve oldukça nadir bir olaydır. Işık foton adı verilen çok küçük kuantum maddelerinden oluşur. Odaya girip lambayı açtığınız anda trilyonlarca foton lamba tarafından üretilip odaya yayılmaya başlar. Çok sayıda olan ve etrafa yayılan bu fotonlar bozonlar olarak bilinen kuantum parçacığı grubundadır.^[4] Bozonlar diğer gruplardan farklı ve özeldir çünkü birçok bozon aynı anda aynı kuantum konumunu işgal edebilirler. Lazer ışınları aynı kuantum konumunda olan fotonların toplamı olduğundan dolayı bozonlara lazer ışıklarını mümkün kılan asıl şey diyebiliriz. Diğer bir yandan ise bozon olmayan diğer partiküller aynı özelliği gösteremediği için diğer cisimlerdeki atomlar aynı anda aynı noktaya düşmezler ve bu partiküllere de fermiyonlar denir. Fermiyonların aynı konuma düşmeyeceğini söyleyen ilkeye Pauli Dışlama İlkesi denir.^[1]

Işık, elektrik yükü olan cisimlerle etkileşimi girme eğilimindedir ancak ışığın kendi elektrik yükü olmadığı için bir foton diğer bir fotonla etkileşim gösteremez ve doğrudan biri birilerini etkilemeden biri birilerinin içinden geçerler. Bunun temel sebebi ise fotonların yüksüz bozonlar olmasıdır. Bu etkilememe durumunu bir örnekle açıklamak istersek şunları söyleyebiliriz: Eğer iki su kaynağını biri birine doğru tutarsanız ortada oluşan bir su birikintisi elde edersiniz ancak aynı şekilde iki lazer ışınını biri birine tutarsanız yüksüz fotonlar biri birilerinin içinden geçeceği için normalden farklı bir sonuca ulaşamazsınız. Buradan da şu sonuca varabiliriz ki tüm bu normal şartlar altında bir foton başka bir foton üzerinden sekemez.

Ancak biri birine doğru karşılıklı hareket eden iki foton dolaylı yoldan çarpışabilir. Süreç şu şekilde ilerlemektedir:

Bir foton, çift üretimi^[3] olarak bilinen bir süreçte kütle ve anti-parçacığı olan bir parçacığa dejenere olabilir. Bu süreçte fotonun enerjisi tamamen iki parçacığın kütlesine dönüşür. Örneğin bir foton bir elektron ve anti-elektrona dönüşebilir. Eğer bu dönüşüm tam olarak iki fotonun biri birine doğru hareket ettiği esnada olursa ve dönüşüm de neredeyse aynı anda olursa bu parçacıklar etkileşime geçebilir. Bu etkileşim ise bir fotonun elektronuyla diğer fotonun anti-elektronu birleşecek şekilde olur. Bu birleşim sonucu ortaya yine ışık çıkar. Bu işlem iki elektron anti-elektron çifti için de gerçekleşeceği için başta olduğu gibi sonda da iki adet foton elde etmiş oluruz. Yani olay basitçe şu şekilde görünmektedir: İki foton dolaylı olarak (başka bir parçacığa dönüşerek) biri birileri üzerinde sekmiştir. Kısmi olarak da bir ışığın başka bir ışık üzerinden sektiğini de söyleyebiliriz.

Bahsettiğimiz etkileşimi aşağıdaki şemada görebilirsiniz. Dalgalı çizgiler fotonları, koyu mavi düz çizgiler anti-elektronları (pozitronlar) ve elektronları temsil etmektedir. Diyagramın köşelerinden birer foton gelmektedir ve bir elektron anti-elektron çiftine ayrışmaktadır. Her anti-elektron bir elektronla çarpışmakta ve biri birilerini yok ederek yeni bir fotona dönüşmektedirler.

American Physical Society Sites

Bütün bu nedenlerden ötürü foton-foton saçılması dolaylı bir mekanizma yoluyla mümkündür, ancak nadirdir. Nadir olmasının ise iki temel sebebi vardır. İlk olarak E=mc^2 denklemine göre ışığın kütleli yeni bir parçacığa dönüşmesi için yeterli enerji seviyesine çıkması gerekmektedir. Ancak "c" yani ışık hızı çok büyük bir sayı olduğundan dolayı çok küçük bir kütle için bile çok yüksek miktarda enerjiye ihtiyaç vardır. Yani fotonun, elektron ve anti-elektrona dönüşebilmesi için en az toplam kütlelerinin eşdeğer enerjisi kadar enerjiye sahip olması gerekir ve bu işlemi gerçekleştirmek için gereken yüksek enerjiye sadece gama ışınları sahiptir. İkinci olarak ise her iki fotondan gelen yeni parçacıkların çarpışması için fotonların tam olarak aynı ve doğru anda dönüşmesi gerekir. Bu dönüşümün de mükemmel zamanlama ile olması çok küçük bir ihtimaldir. Bu iki nedenden ötürü foton-foton saçılması çok nadirdir, hatta bütün bu bahsettiğimiz olaylar kesin bir şekilde gözlemlenmemiştir. Foton-foton saçılımındaki tüm adımlar ayrı ayrı gözlemlendiği için (çift oluşumu ve çift yok oluşu), bu durumun gerçekleşmesinin mümkün olduğunu bilmekteyiz. Ancak Büyük Hadron Çarpıştırıcısı^[2] hem yüksek enerjili ışık yaratma yeteneğine hem de çok fazla ışık üretme yeteneğine sahip olduğundan dolayı ışık-ışık saçılımı ne kadar nadir ve zor olsa da bir miktarda yönetilebilir hale gelmektedir. Kısacası Büyük Hadron Çarpıştırıcısının bir ışığın başka bir ışıktan sektiğini gözlemlemesi an meselesidir diyebiliriz. Sonuç olarak, evet bir foton başka bir foton üzerinden kısmi olarak sekebilir ancak bu durum belli koşullar gerektirdiğinden dolayı oldukça nadirdir.