Dokunmak Ne Demek? Herhangi Bir Şeye Dokunmak Mümkün mü?

Sevgilinize hiç dokunmadınız. Bir kaleme, defterinize, cep telefonunuza hiçbir zaman dokunmadınız. Bu yazıyı okuduğunuz cihaza hiçbir zaman dokunmadınız, hiçbir zaman da dokunamayacaksınız. Neden mi? Pauli Dışlama İlkesi dolayısıyla! Bunu yazı içerisinde izah edeceğiz; ancak baştan şunu söyleyebiliriz: Sırf "dokunmak" üzerine düşünmek bile size Evren hakkında çok şey öğretebilir!

Dokunmak Tam Olarak Ne Demek?

İlk olarak, pedantik okurlarımız için ilk itirazı aradan çıkaralım: Açıkçası, herhangi bir şeye dokunduğunuzda, gerçek anlamıyla dokunup dokunmadığınız konusu, "dokunma" derken tam olarak ne kastettiğinizle ilgilidir. Türk Dil Kurumu, "dokunma" sözcüğünü 9 farklı şekilde tanımlamaktadır; ancak bunların hiçbiri fiziksel anlamda dokunmayı tanımlayabilecek derinliğe sahip değildir.

Türk Dil Kurumu

Bunlardan bizim amaçlarımıza en uygun olanı "hafifçe değmek" tanımıdır. Buradan yola çıkarak, "değmek" sözcüğünün anlamına baktığımızda, daha işlevsel bir tanımla karşılaşıyoruz:

Türk Dil Kurumu

Birinci tanıma göre iki cismin birbirine değmesi için, "aralık kalmayıncaya kadar birbirine yaklaşması, dokunması, temas etmesi" gerekmektedir. Bu, gündelik yaşamda kullandığımız anlamıdır. Ama bu, fiziksel olarak oldukça sorunlu bir tanımdır: Her şeyden önce, birazdan detaylarını göreceğimiz üzere, birbirine dokunduğunu sandığımız nesnelerin hiçbiri "aralık kalmayacak kadar", yani aralarındaki mesafe sıfır olacak düzeyde birbirlerine yaklaşamazlar! Dolasıyısıyla eğer "dokunma"yı birbirine lokasyon olarak yeterince yakın olan iki cismin birbiriyle etkileşmesi olarak tanımlayacaksanız, elbette, cisimler birbiriyle etkileşebilirler.

Ama bu, gerçekten "dokunma" veya "değme" midir? Örneğin dolanık haldeki elektronlar, birbirlerine çok yakınken de (teoride) Evren'in iki ucundayken de birbirleriyle etkileşebilirler. Bu, dokunma mıdır? Yazı içerisinde bu tür diğer tuhaf vakalara örnekler vereceğiz.

Ayrıca "lokasyon olarak birbirine yakın" veya "aralık kalmayıncaya kadar yakınlaşma" ne demektir? Örneğin bir basketbol topu yere değdiğinde, yer ile basketbol topunun coğrafi olarak yakın olduğunu söyleriz. Bizim aşina olduğumuz mezo boyutta, yani mikroskobik ile astronomik boyutların arasındaki boyutta, bu tür bir tanımlama az çok anlamlıdır. Ama Dünya ile Güneş, "coğrafi olarak yakın" mıdır? Cevap hayır ise, hangi noktadan sonra bu iki cismin birbirine değdiğini söyleriz? Sonuçta Güneş'in iyi tanımlanmış bir sınırı yoktur; Dünya'yı Güneş'e doğru yaklaştırsak, hangi noktada dokunduklarını söylerdik? Atmosferi değdiği zaman mı? Güneş, Dünya'yı eritmeye başladığı anda mı?

Hele ki söz konusu atom gibi kuantum ölçekteki nesneler olduğunda, bunların lokasyon açısından yakın olmasından kastımız tam olarak nedir? Elektron, bir ölçüm yapılana kadar spesifik bir noktada değildir; bir olasılık bulutu olarak, atom etrafına dağılmış hâldedir. Bu durumda elektron, herhangi bir şeye lokasyon olarak nasıl yakın olabilir? Bunları birazdan daha detaylı göreceğiz.

Basketbol Topuna Dokunabilir misiniz?

Bir şeylere gerçek anlamıyla dokunup dokunamayacağımızı anlamak için, öncelikle mesela bir basketbol topuna dokunduğumuzda, o dokunduğumuz noktada neler olup bittiğini anlamamız gerekmektedir. 

Dışarıdan baktığımızda, yani bizim aşina olduğumuz mezo boyuttan baktığımızda gördüğümüz, yukarıdaki oyuncu topa iki tarafından dokunmaktadır ve elinin/parmaklarının temas alanı boyunca top üzerine bir kuvvet, yani bir basınç uygulamaktadır ve bu sayede o topu istediği yerde tutabilmektedir. Ama bu kuvvet nasıl aktarılmaktadır? Yani tam da nesneye dokunduğumuz yerde neler olup bitiyor?

Eğer yukarıdaki oyuncunun topa dokunduğu yere "zoom yapacak", yani yaklaşacak olsaydık, çok ilginç bir gerçekle karşılaşırdık: Aslında parmağındaki atomlar, toptaki atomlara temas etmemektedir! Çünkü parmağını oluşturan hücrelerin atomları, topu oluşturan atomlara yaklaştıkça, bu atomların etrafındaki elektronlar birbirlerine yaklaşmaya başlarlar. İki elektron birbirine yaklaştıkça, bunlar arasında sanal fotonlar yoluyla elektromanyetik etkileşim yaşanmaya (daha doğrusu zaten var olan elektromanyetik etkileşim hızla şiddetlenmeye) başlar.

Veritasium

Bir noktadan sonra bu ikisi arasındaki itme kuvveti sonsuza yakınsayacak biçimde artar. Bunu, aşağıdaki formülle ifade ederiz:

$F=k\frac{q_1\times q_2}{r^2}$

Burada $k$, Coulomb sabiti ($8.9875517923(14)\times 10^9\text{kg}\text{m3}\text{s−2}\text{C−2}$), $q$ birbirine yaklaşan elektronların yükü, $r$ ise cisimler arasındaki mesafedir. Görebileceğiniz gibi mesafe küçüldükçe, yani $r$ değeri sıfıra yakınsadıkça, $F$, yani itme kuvveti sonsuza yakınsar. Yani ne kadar zorlarsanız zorlayın, asla iki atomu üst üste bindiremezsiniz veya birbiri içine geçiremezsiniz.

Tabii Güneş gibi bir yıldızsanız, o zaman devasa kütleniz sayesinde füzyon reaksiyonuna sebep olabilir ve atomları birbirine kaynaştırabilirdiniz; ama Güneş veya bir tokamak olmadığınızı varsayıyoruz. Dolayısıyla oyuncunun atomları, topun atomlarıyla hiçbir noktada karışmaz veya onlara dokunamaz. Sadece birbirlerini sürekli itebilirler ve bu itme kuvveti, zaten bir şeylere dokunma hissimizi veren ve topu tutabilmenizi sağlayan şeydir!

İşte bu yüzden başta yaptığımız pedantik tanım tartışması önemlidir. Eğer "dokunmak"tan kastınız, birbirine yakın iki nesnenin birbirini etkilemesi ise, evet, burada olan dokunmadır. Ama dokunmaktan kasıt, iki nesnenin birbiriyle aynı noktayı, uzay-zamanda aynı hacmi işgal etmesi veya fiziksel olarak aralarında sıfır mesafe bulunması ise, böyle bir şey asla yaşanmıyor.

Sınırı Olmayan Atomlar

Burada, şu gerçeği anlamakta fayda vardır: Bizler gibi mezo boyuttaki veya gök cisimleri gibi makro boyuttaki (bazı) cisimlerin katı dış yüzeylerinden söz edebiliyoruz. Mesela bir basketbol topunun bizim için bir katmanı vardır. Bizim boyutumuzda bunun kabaca tam da topun yüzeyinde bittiğini (veya başladığını) söyleyebiliriz. Dolayısıyla aşağıdaki gibi iki snooker topunu birbirine dokundurduğumuzda, gündelik yaşamda anlamlı olacak şekilde bunların "dokunduğunu" söyleyebiliriz.

Wikipedia

Ama atomlar, snooker topları gibi değillerdir. Yani ortalarında bir çekirdek, etraflarında katı bir kabuk bulunmaz. Elektronlar, atomun etrafında bir olasılık dağılımı, bir bulut gibidirler. Dolayısıyla kesin olarak bir atomun sınırının bittiği yer diye bir şey yoktur. Bu nedenle dokunmaktan kastederken, atomların snooker toplarının birbirine dokunması gibi bir değme olayından söz edemeyiz.

Peki o elektron bulutları birbirine dokunup karışıyor olabilir mi? Burada, elektronlara dair çok ilginç bir detay daha öğrenme fırsatına erişmekteyiz: Elektronları, yukarıdaki snooker toplarının küçücük, ufacık, minicik bir versiyonu gibi düşünemezsiniz; çünkü elektronlar "küçük bir top" değildir! Yani elektron, çok çok çok ufak bir kürecik değildir. Elektron dediğimiz şey, "elektron" olarak tabir ettiğimiz kuantum özelliklere karşılık gelen bir olasılık dağılımıdır, bir buluttur. Ve bu bulut, belirli bir sınıra sahip değildir.

Alibaba

Örneğin yukarıdaki tenis topunu bir kutunun içine koyarsanız, tenis topu o kutunun içinde olacaktır. Bu, gündelik yaşantımızdan aşina olduğumuz, sıradan bir gerçektir. Ama bir elektronu alıp, kuantum nokta lazerlerine yönelik deneylerde yapıldığı gibi bir kutunun içine koyacak olursanız, elektron kutunun içinde olmazdı, sadece büyük oranda kutunun içinde olurdu.

Bir kutu içindeki elektronun lokasyonunun olasılık dağılımı, kutunun dışına da taşacaktır. Yani kutuya koyduğunuz bir elektron, arada bir bariyer olmasına rağmen, kutunun dışında da bulunabilir. İşte kuantum tünelleme dediğimiz olgu, tam olarak budur: Arada bir bariyer olmasına rağmen, elektronun olasılık dağılımı, o bariyerin dışına da taşmaktadır.

Northwestern University

Bu gerçek, "dokunma" konusunda sıra dışı etkilere sahiptir: Teknik olarak, elektronların olasılık dağılımının bir sınırı yoktur; ama genel olarak elektronun bağlı olduğu atomdan uzaklığa bağlı olarak bir elektronun belli bir yerde bulunma olasılığı hızla düşer. Yani iki elektron, aralarında 1 kilometre mesafe olsa bile, teknik olarak birbirlerine dokunmaktadırlar; ancak bu olasılık dağılımlarının örtüşmesi, 1 kilometre gibi uzak bir mesafede o kadar küçüktür ki pratik amaçlar için bu dokunmayı göz ardı ederiz. Ama anlaşılması gereken kritik nokta, uzak mesafelerde bulunan elektronların bir arada bulunma ihtimalinin sıfır olmamasıdır. Yani atomlardan ve elektronlardan söz ederken önemli olan, elektronların katı halde olmadığını hatırlamaktır.

Fizikten Kimyaya Bir Köprü...

Peki, etrafında elektron bulutları taşıyan ve bunu fizikle açıklayabildiğimiz atomları birbirine çok yaklaştırırsak ne olur? Kimya olur!

Zaten kimya dediğimiz şey, işte tam olarak budur: Lise derslerinde öğretilen van de Waals kuvvetleri, iyonik bağlar ve kovalent bağlar gibi kavramların hepsi, birbiriyle çakışan elektron bulutlarının nasıl davranacağını izah etmekte kullandığımız modellerden ibarettir. Bu bağların hepsi, aslında elektromanyetik kuvvetten kaynaklanmaktadır.

Şu temel gerçeği hatırlayınız: Bu Evren'deki bütün etkileşimler, 4 temel kuvvetten biri veya birkaçı ile açıklanmak zorundadır:

• kütleçekim,
• elektromanyetizma,
• zayıf nükleer kuvvet ve
• güçlü nükleer kuvvet.

Bunlardan son ikisi, proton ve nötronlarla ilgilidir; kütleçekim ise büyük gök cisimleri ve genel olarak mezo ve makro dünyayla ilgilidir. Yani aslında Evren'deki etkileşimlerin önemli bir bölümü, elektromanyetizma tarafından domine edilmektedir.

Nasıl mı? İki elektronu birbirine yaklaştırmaya çalıştığınızda, bunlar arasında fotonlar yoluyla veri akışı olmaktadır. Bunu yapan fotonlara "sanal foton" adını vermekteyiz; ama bu terim kafanızı karıştırmasın. Sonuçta foton, her türlü fotondur. Sadece bunlar, yüklü parçacıklar arası etkileşimi tanımlarken kullandığımız bir terimdir. En nihayetinde fotonlar, elektronlar arası kuvvet aktarımını sağlamaktadır.

Örneğin lise derslerinde elektrik yüklerinin birbiriyle nasıl etkileştiğini veya Coulomb sabiti gibi terimleri görmüşsünüzdür. Ama nasıl oluyor da elektrik akımını sağlayan elektronlar birbirlerinden haberdar oluyor, birbirleriyle etkileşiyorlar, bunlar pek anlatılmaz. İşte bu elektromanyetik etkileşimi sağlayan şey, fotonlardır! 

Elektronlar birbirine yaklaştıkça, olasılık dağılımlarının daha yüksek, daha şiddetli olduğu yerler birbirleriyle çakışmaya başlamaktadır. Bu, bazı elektronların aynı orbitali, yani atom etrafında elektronların işgal ettiği kabuklardan aynısını işgal etmeye zorlamaktadır. Ama bu mümkün değildir; çünkü Pauli'nin Dışlama İlkesi dediğimiz bir ilke, aynı kuantum sistem içindeki, mesela bir atom etrafındaki parçacıkların birebir aynı kuantum durumunda olmasına izin vermemektedir.

İşte, kimyayla ilgili bir diğer müthiş gerçeği öğrendik: 2, 8, 8, 18, 18, 32, 32 diye giden ve atomlar etrafındaki kabuklarda kaç elektron bulunabileceğini söyleyen sayıları hatırladınız mı? Veya 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ diye giden sayıları? Hani atom numarasından yola çıkıp, bir atomun periyodik cetveldeki yerini bulmanızı sağlayan veya iyonik bağ mı yapacak kovalent bağ mı yapacak bunu anlamanızı sağlayan sayılar... İşte bunlar, Pauli'nin Dışlama İlkesi'nden ve her bir orbitalin taşıyabileceği enerjiden yola çıkarak hesaplanan sayılardır.

Bir atomun ilk kabuğunda 2 adet elektron olabilmektedir. 3. bir elektron, o kabuğun taşıyabildiği enerji miktarı dolayısıyla mümkün değildir. Eğer 3. bir elektron, halihazırda bir kabukta var olan ikisiyle aynı kuantum durumunda olmaya çalışırsa, bu mümkün olamamaktadır; çünkü Pauli'nin İlkesi bu ihtimali dışlamaktadır. Dolayısıyla 3. elektron, 2. kabuğa çıkmak zorundadır. İşte elektronlar, atom etrafındaki olası enerji seviyelerini böyle tek tek doldururlar (daha fazla bilgi için buradaki yazımızı okuyabilirsiniz). Tabii bu, basitleştirilmiş bir modellemedir. Aslında elektronlar bilye gibi değillerdir, bunu lütfen unutmayınız. Bu sayılar, yalnızca; ikinci, üçüncü, dördüncü elektronların bulunabileceği yerlerin atom etrafındaki dağılımının nasıl değiştiğini anlatmaktadır.

Tüm Bunların Dokunma ile Ne Alakası Var?

Dokunmaya dönelim. Atomları birbirine ne kadar yaklaştırırsanız yaklaştırın, eğer aralarında bir nükleer tepkime veya kimyasal tepkime olmazsa, o atomlar asla birbirleriyle aynı uzay-zaman bölgesini kaplayamaz, hatta birbiriyle sanal fotonlar haricinde herhangi bir parça alışverişi de yapamazlar. Birbirlerini şiddetle iterler.

İşte bu itmeden kaynaklı olarak, parmaklarınızın ucunda deformasyon oluşur. Bu deformasyon, sinir hücrelerinizi tetikler ve beyninize sertlik, kuvvet, basınç gibi bilgileri iletir. Böylece siz, bir şeylere dokunduğunuzu zannedersiniz. Ama atomlarınız asında hiçbir şeye gerçek anlamıyla dokunmaz, sadece onlarla daha yüksek miktarda çakışırlar. Biz bunu, "dokunma" olarak adlandırırız.

Birbirine dokunan snooker topları için de aynısı geçerlidir: Dışarıdan bakan biri için bu toplar birbirine dokunmaktadır. Ama atomik düzeye indiğinizde, hiçbir atom birbirine aslında dokunmadığını görürsünüz. Aynı şey, bir makasla bir şeyleri kestiğinizde veya bir iğneyi derinize sapladığınızda da olmaktadır. Makasın atomları kağıt ile, iğnenin atomları sizinle kaynaşmamaktadır. Olan şey, bunların o atomları kuvvetle farklı yönlere doğru itmesidir. Makas, birbirine paralel ama zıt yönde ittiği için kağıdı yırtıverir. İğne, çok sivri ve güçlü bir uç ile derinizdeki atomları ittiği için vücudunuzda bir delik açabilir. Ama kimyasal olmayan, sadece fiziksel olan bu etkileşimde hiçbir noktada atomlar birbirine gerçek anlamda dokunmuyorlar.

Yani ilginç bir şekilde, atomların gerçek anlamda birbirleriyle dokunabilmesi için, en azından bir elektron alışverişi (iyonik bağ) ve hatta daha iyisi, bir elektron paylaşımı (kovalent bağ) olması gerekmektedir. Atom çekirdeklerinin de birbiriyle dokunmasını istiyorsanız, bir nükleer reaksiyon (füzyon) meydana gelmeli ve atomlar birbirine kaynaşmalıdır. Bunların hiçbiri, fiziksel olarak yakınlaşma ile olabilecek olaylar değillerdir. Kimyasal tepkimeler için doğru enzimler ve ortam koşulları, füzyon reaksiyonu içinse yüksek sıcaklık ve basınç gerekmektedir.

Eğer gerçek anlamda atomların birbirine karışmasından söz etmek istiyorsanız, en azından bir atomdan diğerine elektron transferi veya elektron paylaşımı olması gerektiği söylenebilir. Yani elektronun o atom etrafında değil de, bu atom etrafında bulunma ihtimalinin artması veya bunların ortaklaşa kullanılması gerekmektedir. Parmağınızla bunu yapacak olursanız, yandınız. Yok, gerçekten yandınız! Mesela parmağınızı ateşe sokup da derinizi yaktığınızda, hücrelerinizin atomlarında kimyasal değişimler meydana gelmektedir ya da elinizi asite batıracak olursanız, kimyanız değişmektedir ve gündelik anlamda değil, gerçek anlamda eskiden "asit" olan şeye "değmiş" olursunuz. Asiti oluşturan atomlar, artık elinizin bir parçasıdır (ve tam tersi)!

Sonuç

Tüm bunların, şairene bir sonucu da vardır: Kimine göre hayatımızda sadece 2 kişiye dokunabiliriz: Annemize ve babamıza... Çünkü bizi oluşturan sperm ve yumurta, gerçek anlamıyla kimyasal bir tepkime geçirerek kaynaşmakta ve birbirlerine dokunmaktadır. Bu, bir insan hücresiyle gerçek anlamda dokunduğunuz çok nadir durumlardan biridir.

Tabii kanibal/yamyam değilseniz... Eğer bir insanı yerseniz, sindirim kanalınız boyunca o insanın hücreleriyle kimyasal tepkimeye girersiniz ve onlara da dokunmuş sayılırsınız. Ama sırf birilerine dokunacağız diye, bu kadar ileri gitmeye gerek yok.