Casimir Etkisi Nedir? Kuantum Mekaniği, Enerji Verilmeden Gerçekleşen Hareketleri Açıklayabilir mi?

Casimir etkisi, sonsuz uzunlukta elektrik yükü sıfır olan iki metal levhanın vakum ortamına aralarında 100 nanometre gibi çok küçük bir mesafe bırakılacak biçimde paralel olarak konduğunda birbirine doğru itilmesidir. Fiziğin en temel yasalarına göre bir maddenin hareket edebilmesi için üzerine kuvvet uygulanması gerekir. Ancak dikkatinizi çekeriz ki sisteme dışarıdan enerji verilmemektedir, yani levhaların birbirine doğru hareket etmesine neden olacak herhangi bir etki görünürde yoktur.

Casimir etkisinden ilk olarak 1948 yılında Hollandalı fizikçi Hendrik Brugt Gerhard Casimir yayınladığı bir makalesinde bahsetmiştir.^[1] Başlarda çok ilgi görmeyen bu yazı, 1970 yılında Amerikalı fizikçi Gerald Moore'un yayınladığı bir makalede, Casimir etkisine neden olan sanal parçacıkların gerçeğe dönüşebileceğini göstermesi üzerine birçok bilim insanının ilgisini çekmeye başlamıştır.^[2]

Kuantum Dalgalanmaları

Burada neler olduğunu anlamak için, her mantığa aykırı olayda olduğu gibi biraz kuantum mekaniğinden yardım alacağız: Burada bahsi geçen boşluk, aslında tam olarak boş değil; kuantum alanlarla dolu. Her temel parçacık, kendisine karşılık gelen kuantum alan içerisindeki mümkün en düşük yoğunluğa sahip dalgacıktır. Örneğin fotonlar, elektrik alan içindeki minik dalgalardır. Nasıl ki durgun olduğundan bunu hissetmesek bile odamız hava ile doluysa; evrende de boş diye nitelendirdiğimiz, hiçbir parçacık barındırmayan bölgeler de bu kuantum alanları ile doludur. Ancak bütünüyle hareketsiz değillerdir. Uzayın herhangi bir noktası her zaman biraz titreşir. İşte bu titreşimler de kuantum dalgalanması olarak adlandırılır.

Heisenberg belirsizlik ilkesine göre bir parçacığın ölçüm aletinize vardığında sahip olduğu enerjiyi ve buraya vardığı zamanı aynı anda kesin olarak bilmek mümkün değildir. Ya parçacığın sahip olduğu enerjiyi bilebilirsiniz ya da parçacığı tam olarak ne zaman belirlediğinizi bilebilirsiniz. Bu durumda bir parçacığın var olmaması demek hem sıfır enerjiye hem de sıfır zamana sahip olması demektir ki bu da parçacığın zamanını ve enerjisini aynı anda bilmemizi gerektirir. İşte burada kuantum dalgalanmalarını oluşturan sanal parçacıklardan bahsedebiliriz. Parçacık çok doğru bir adlandırma olmasa da kuantum alanlarında sürekli sanal parçacıklar meydana geliyor ve ölçülemeyecek kadar kısa bir süre sonra yok oluyorlar.

Burada aklınıza şöyle bir soru gelebilir: "Bir anda beliren parçacıklar, yoktan enerji var etmek anlamına gelmiyor mu?". Hayır, gelmiyor. Öncelikle bu parçacıklar, sanal anti parçacıklarıyla birlikte meydana geliyorlar ve çok kısa bir süre var olup ardından birbirlerini yok ediyorlar. Evrenin son durumdaki enerjisinde bir artış ya da azalış olmadığından bu durum mümkün olabiliyor.

Gelelim bu sanal parçacıklarla Casimir etkisi arasındaki bağlantıya. Her ne kadar levhaların boşlukta durduğu varsayılsa da bu, levhaların kuantum alanlarından muaf olabileceği anlamına gelmiyor. Levhaların hem arasında hem dış taraflarında meydana gelen kuantum dalgalanmaları sonucu sanal parçacık çiftleri sürekli oluşuyor ve yok oluyorlar. Ancak 100 nanometreden daha uzun dalga boyuna sahip fotonlar iki levha arasında pek fazla oluşamayacağından içeride oluşacak sanal foton sayısı, dışarıdakinden daha az oluyor. Bu da levhalara dıştan daha büyük bir basınç uygulanmasına ve levhaların birbirine itilmesine, yani Casimir etkisine neden oluyor.

Dinamik Casimir Etkisi ve Hawking Işıması

Peki, bu sanal parçacıklar sanal kalmaya, oluştuktan ölçülemeyecek kadar kısa bir süre sonra yok olmaya mahkûmlar mıdır? Bunun yanıtı da dinamik Casimir etkisinde.

Eğer levhalardan birini uygun bir frekansla ileri geri hareket ettirirsek levha, oluşan sanal parçacıklardan biri eşiyle buluşamadan onları ayırabilir. Bu gerçekleştiğinde geriye kalan parçacığı yok edecek anti parçacık artık bulunmadığından, ömrüne gerçek bir parçacık olarak devam eder. Aslında bu da yoktan parçacık var etmek değildir. Çünkü levhayı hareket ettirirken zaten sisteme dışarıdan enerji eklemiş oluruz. Ancak bunun için levhayı neredeyse ışık hızında hareket ettirmek gerektiğinden dinamik Casimir etkisini bu şekilde gözlemlemek şu an için imkânsız görünüyor. Bu yazıda ayrıntısına girmeyeceğimiz ancak belirtmekte fayda gördüğümüz bir çalışma var. Bu da 2011 yılında Chalmers Teknik Üniversitesinde süper iletken devreyle yapılan deney sonucunda dinamik Casimir etkisinden doğan fotonların gözlemlenmesi üzerine bir çalışmadır.^[3]

Sanal fotonları gerçeğe çevirmek, yalnızca bilim insanlarınca laboratuvarlarda, yapay ortamlarda yapılan bir şey değil. Evrende, belki de evrenin en esrarengiz oluşumlarında yani kara deliklerde de bu olayı görmek mümkün. Kara deliklerin olay ufkunda oluşan sanal parçacık çiftlerinden bazıları, bazen eşini kara deliğin muazzam kütleçekimine kaptırır ve gerçek bir parçacığa dönüşerek yoluna devam eder. Oluşan bu yeni, gerçek parçacığın enerjisi de kara deliğin kütlesinden karşılanır ve bu olay Hawking radyasyonu (ışıması) olarak bilinir. Bu, kara deliğe kütle kaybettiren bir olaydır ancak çok yavaş bir süreç olduğundan kara delikler ömürleri boyunca bu şekilde kaybettiklerinden çok daha fazla madde kazanırlar. Ancak ne yazık ki kara deliklerin bu şekilde kütle kaybettiği henüz gözlemlenememiştir.