Foton Nedir? Güneş'ten Gözünüze Bir Fotonun Yolculuğu!

Foton, ışık veya diğer elektromanyetik radyasyon türlerini temsil eden bir parçacıktır (bir paketçik ya da "kuantum"dur). Etrafımızda gördüğümüz ışık, tamamen fotonlardan oluşur. Fotonlar, Standart Model dahilinde tanımlanan temel parçacıklardan biridir ve spesifik olarak, tıpkı Higgs Parçacığı gibi bir bozondurlar. Temel bir parçacık olmaları, daha alt parçaları olduğunun düşünülmediği anlamına gelir; yani fotonlar, daha küçük parçalara bölünemezler. Fotonların kütlesi yoktur; yani kütlesiz parçacıklardır ve bu nedenle vakum içerisinde her zaman ışık hızında (saniyede 299.792.458 metre hızla) ilerlerler.

Fotonların elektrik yükü yoktur; yani yüksüzdürler. Dengeli parçacıklardır, yani diğer parçacıklara bozunmazlar. Fotonlar, elektronlar gibi diğer parçacıklarla etkileşime geçebilirler ve bu sırada doğal olarak yok olabilirler veya yeniden yaratılabilirler. Bir foton, bir maddeyle etkileştiği zaman, kimi durumda fotonun enerjisinin tamamı madde tarafından emilir. Bu durumda madde, emdiği fazladan enerjiyi ısı olarak etrafa saçabilir. Örneğin Güneş altında kavrulan bir asfalt yolun etrafa ısı saçması bundandır. Benzer şekilde, gözlerimiz de fotonlar ile etkileşime geçebilir ve bizler, bu sayede görme dediğimiz biyolojik olayı gerçekleştiririz. Bir foton, gözümüzdeki reseptörlere değdiğinde, bu reseptörlerde elektrik atımlarına neden olur ve beynimiz, bu atımları "görüntü" olarak algılar.

Fotonlarla ilgili en ilginç özelliklerden birisi, diğer parçacıkların da gösterdiği gibi, hem parçacık hem de dalga özelliği göstermeleridir. Buna dalga-parçacık ikiliği adı verilir. Bir diğer deyişle, kuantum mekaniğindeki her parçacık (veya kuantum), ister parçacık olarak istersek de dalga olarak ifade edilebilir ve davranışlarının bir kısmı biriyle, diğer kısmı diğeriyle izah edilebilir. Albert Einstein, bu ilginç durumu şöyle anlatmaktadır:

Görünen o ki kimi zaman bir teoriyi, kimi zaman diğer teoriyi, kimi zamansa her iki teoriyi birden kullanmamız gerekmektedir. Bu, karşılaşmak zorunda olduğumuz yeni bir zorluktur. Gerçek ile ilgili olarak, birbiriyle çelişen iki resme sahibiz. Ayrı ayrı her ikisi de ışıkla ilgili gerçekliği açıklayamıyor; ancak bir aradayken, açıklayabiliyorlar.

Var olan bütün parçacıklar; hatta atomlar ve moleküller gibi büyük parçacıklar da dalga-parçacık ikiliği özelliğine sahiplerdir. Öyle ki, insanlar veya Evren gibi devasa yapılarda da bu özellik vardır; ancak kuantum ölçekten ne kadar uzaklaşılırsa, maddenin dalga özelliği o kadar azalmaktadır ve tespit edilemez hâle gelmektedir. Bu nedenle dalga-parçacık ikiliği genellikle sadece kuantum ölçeğinde (atom altı parçacıklarda) anlamlı bilgiler verebilmektedir. Ayrıca her ne kadar dalga-parçacık ikiliği, kuantum mekaniğinde yaygın olarak kullanılsa da, bunun tam olarak ne anlama geldiği henüz çözülebilmiş değildir ve farklı kuantum mekaniği yorumlarına neden olmuştur. Konumuzla doğrudan ilgisi olmadığı için burada buna girmeyeceğiz.

Fotonlar, frekanslarına (dolayısıyla dalgaboylarına) bağlı olarak enerji ve momentum taşırlar. Kütlesiz olmalarına rağmen fotonların enerjisi olduğu gerçeği kimi zaman şaşırtıcı olabilmektedir; çünkü yaygın kanının aksine Einstein'ın Görelilik Teorisi $E=m{c}^2$ formülünden ibaret değildir; formülün gerçek versiyonu $E^2=(m{c}^2{)}^2+(pc{)}^2$ olarak verilir. Kütlesiz bir cisim için ($m=0$) bu meşhur denklem, $E=pc$ olarak ifade edilir. Bu, $E=m{c}^2$ formülünün daha az tanınan kuzenidir; ancak fotonların enerjisini bu basit formülle tanımlamamız mümkündür. Burada $p$, momentuma karşılık gelir; $c$ ise aşina olduğunuz gibi, ışık hızıdır.

Yine Evren'i klasik fizik (Newton fiziği) üzerinden tanımlamaya alışık olanlar için fotonun bir momentumu olması da şaşırtıcı gelebilir; çünkü momentum Newton fiziğinde geleneksel olarak $p=mv$ formülüyle tanımlanır; yani bir cismin kütlesi ile hızının çarpımı, momentumu verir. Ancak kuantum fiziğinde momentum $p=\frac{h}{\lambda }$ ile de tanımlanır; yani Planck sabitinin ($h=6.63\times 10^{-34}J\cdot s$), dalganın dalgaboyuna bölünmesiyle bulunur. Fotonlar, dalga özelliği de gösterdikleri için, bu türden bir momentuma sahiplerdir.

Fotonlar, birçok doğal süreç ile yaratılabilirler. Örneğin bir yük üzerine kuvvet uygulanıp ivmelendirildiğinde, senkrotron ışınım adı verilen bir radyasyon saçarlar ve foton üretirler. Benzer şekilde, uyarılmış bir atomun etrafındaki elektronlar, yüksek enerji seviyesinden düşük enerji seviyesine geçerken etrafa o iki enerji seviyesi arasındaki farka eşit olacak enerjiye sahip bir foton saçarlar. Son olarak, bir parçacık ile antiparçacık birleştiğinde (örneğin elektron ve pozitron birbirine değdiğinde) ortaya fotonlar çıkar.

İşte bu yazının kalan kısmında, Güneş'te üretilen bir fotonun, doğumundan yüzünüzde (veya gözlerinizde) ölümüne kadar geçen süreçteki olaylara bir bakış atacağız.

Bir Fotonun Güneş'ten Gözünüze Yolculuğu

Bunu belki daha önceden duymuşsunuzdur: Şu anda eğer dışarıdaysanız, yüzünüze vuran Güneş ışınları, Güneş'ten çıkıp size ulaşana kadar tam 8 dakika 20 saniye yolculuk ettiler. Bu süre zarfında 149.6 milyon kilometre kat ettiler. Ama bu, fotonların yolculuğunun tamamını yansıtmıyor. O fotonların Güneş'in yüzeyini terk edene kadar, sistemimizin merkezindeki yıldız olan Güneş'in katmanları arasında çok uzun bir yolculuk yaparlar. Hatta Güneş'ten gelen bir fotonun "hayatının" büyük bir çoğunluğu, Güneş'in içinde geçer. Gelin bunun nedenine bir bakış atalım:

İlk olarak, Güneş'in merkezinin 15.7 milyon Kelvin sıcaklıkta olduğu düşünülmektedir. Fotosfer tabakası ise 5780 Kelvin civarındadır. Dahası, ironik bir şekilde, Güneş'in korona tabakası, yüzeyinden daha sıcaktır ve 5 milyon Kelvin civarındadır! Buna koronal ısınma problemi denir. Bu durumda, Güneş'in oldukça ilginç bir astronomik cisim olduğunu söylemek mümkündür: Evren'deki en zayıf kuvvet olmasına rağmen, bir gök cismi için fazlasıyla güçlü olan kütleçekimi tarafından bir arada tutulan, akıl almaz derecede sıcak olan, neredeyse kusursuz bir süperplazma küresi!

Bu aşırı yüksek sıcaklık ve basınç nedeniyle yıldızımızın çekirdeğinde nükleosentez adı verilen bir süreç yaşanır: Bu süreçte, hidrojen ve helyum gibi daha hafif elementler, insan vücudunun ve diğer her şeyin neredeyse tamamını oluşturan daha ağır elementlere dönüşmesi mümkün olur. Buna, füzyon tepkimesi denir.

Foton, nükleer füzyonun sonucunda açığa çıkan yüksek bir enerjidir. Nükleer füzyon reaksiyonları, iki hidrojen atomunun çarpışıp helyum açığa çıkardığı reaksiyonlardır. İki hidrojen atomu, eşit yüklü iki proton olduğu için birbirlerini iterler ve reaksiyona girmeleri oldukça zordur. Bunun için aşırı yüksek basınç ve sıcaklık gerekir. Bu aşırı basınç ve sıcaklık ise, Güneş'in devasa kütlesinin etkisiyle oluşan aşırı kütleçekimi sayesinde mümkün olur.

Güneş, Güneş Sistemi'mizdeki toplam kütlenin %98’ine tek başına sahiptir ve bu sayede muazzam bir kütleçekimi yaratır. Bu sayede milyonlarca kez çarpışan protonların %1'inden azı enerji yayar, yani reaksiyona girer. Çoğu protonun reaksiyona girmesi, milyonlarca yılı bulabilir - zaten bu nedenle Güneş'imizin toplam 9 milyar yıl kadar ömrü var (bunun 4.6 milyar yılı geçti). Eğer tüm protonlar aynı anda reaksiyon üretseydi, Güneş'imiz hızlıca yok olurdu ve belki de canlılık hiçbir zaman başlayamazdı. Bir diğer deyişle, bu başarısız reaksiyonlar sayesinde bizler hayattayız. 

Güneş’in çekirdeğinde gerçekleşen bu füzyon reaksiyonları, ışığı oluşturan fotonları yaratır. Böylelikle hikâyemizin başkahramanı foton sahneye çıkmış olur. 

Fotonlar, Ölümcül Gama Işınları Olarak Doğar!

Foton, yolculuğuna çekirdekte gama ışını olarak başlar. Gama ışını, ışık spektrumundaki en yüksek enerjiye sahip ışık türüdür ve oldukça yıkıcı bir enerjiye sahiptir. Eğer Güneş, kızgın bir ışık kütlesi olmasaydı ve az sonra anlatacağımız katmanlar bulunmasaydı, bu ışınların çekirdeği terk edip yüzeye ulaşması sadece 2 saniye alırdı. Bu da demek oluyor ki foton oluşur oluşmaz çekirdeği terk eder ve Dünya’ya gama ışını olarak ulaşırdı. Gama ışınlarına maruz kalan bir gezegen, kısa bir süre içinde atomlarına ayrışacaktır. Neyse ki foton, hidrojen atomlarından oluşmuş ve kalınlığı 600 bin kilometreyi aşan katmanlar boyunca yol almak zorundadır ve bu süreçte bolca maddeyle etkileşime geçerek enerjisinin bir kısmını yitirmektedir. Bu sayede bu fotonlar, Dünya'ya ölümcül gama ışını olarak ulaşamazlar.

Güneş’in çekirdeği, radyasyon bölgesi ile çevrilidir. Bu bölge öylesine yoğundur ki içinden geçmek neredeyse imkânsızdır. Buradaki sıkışmış gazlar yoğun olmakla kalmaz aynı zamanda aşırı sıcaktır: 7 milyon °C’ye kadar ulaşan sıcaklıklardadır! Sıcaklığın etkisiyle buradaki gazlar maddenin 4. hali olan plazma halindedir. Plazma halindeyken atomlar parçalanır ve elektronlar etrafa yayılır. Bu yoğun bölge, 320 bin km boyunca uzanır ve elektrik yüklü plazma, fotonumuzu hapseder.

Gama ışını olarak radyasyon bölgesine giren foton, yüklü bir plazma parçasına çarpar ve plazma parçası fotonumuzu absorbe eder ve ardından fırlatır. Foton başka bir maddeyle daha çarpışır ve tekrar fırlatılır. Her seferinde başka bir atoma çarpar ve fırlatılır. Bölgenin dışına çıkana kadar plazma parçaları tarafından absorbe edilip fırlatılma süreci defalarca tekrarlanır. Bu sayede, radyasyon bölgesinde bir noktadan diğerine kayarak oldukça yavaş ilerler. Çarpışmalar sonucunda foton, değişime uğrar.

Fotonların Güneş katmanları içindeki hareketine rastgele yürüme denir; çünkü fotonların doğduktan sonraki hareketleri, bir parkta rastgele yürüyen sarhoş bir insanın hareketine benzerdir. Bunu aşağıdaki grafikte görebilirsiniz:

Yoğun radyasyon bölgesinde bir noktadan diğerine doğru savrulan fotonun enerjisi her bir çarpışmada biraz daha azalır. Sonunda ölümcül bir gama ışınından, düşük enerjiye sahip bir X-ışınına dönüşür. En "çılgın" olanı ise şudur: Bir fotonun çekirdekte doğmasından, yüzeye ulaşmasına kadar geçen süre 100.000 yıl ila 50 milyon yıl sürebilir! Bu sürecin ortalamada 150.000 yıl sürdüğü düşünülmektedir.

Fotonumuz, doğumundan yüz binlerce yıl sonra nihayet radyasyon bölgesinden çıkabilmiştir; ama hala serbest kalamamıştır.

Kaotik Bölgede Fotonları, Atomlar Taşır!

Kahramanımız, şiddetli bir katmandan daha geçmek zorundadır. 200 bin km derinliğe sahip bu kaotik bölgenin adı, ısı yayımsal bölgedir. Bu bölgenin sesini dinleyen astrofizikçiler, bölgenin tıpkı bir aslan gibi kükrediğini işitmişlerdir. Bu sese, "kaosun sesi" denmektedir. Öyle ki bu sesin yarattığı dalgalar, Güneş'in yüzeyinde titreşim olarak gözlemlenebilir. Isınmış gazların yükselip, soğuyan gazların alçalması buradaki kükremeleri ortaya çıkarmaktadır ve bu hareketlilik, Güneş'i adeta titretmektedir. İşte fotonumuz, şimdi de bu kaotik bölgededir. Ancak burada ilerlemesi o kadar da zor değildir. Bir foton, yaklaşık 1 haftada bu bölgeyi geçebilir. Peki nasıl?

Isı yayımsal bölgenin derinliklerinde fotonlar, plazma halindeki atomlara çarpıp onları ısıtır ve bu atomlar tarafından emilirler. Bu sayede plazma halindeki atomu kaynama noktasına ulaştırmış olurlar. Tencerenizde su kaynattığınızda kaynayan suyun baloncuklar halinde yukarı yükseldiğini görürsünüz; işte burada olan da özünde budur. Kaynayan plazma, fotonumuzu yukarıya doğru taşır ve yukarıya gelince serbest bırakır. Bu durumda atomlar, fotonlar için taşıyıcı görevi görür ve bu ısı alışverişi sonucunda fotonun yukarı doğru yükselmesini sağlar. Bu esnada foton tekrar değişime uğrar. Isı yayımsal bölgenin derinliğinde sıcaklık 200 bin °C dereceye, dış çeperinde ise 5500 °C dereceye kadar ulaşır. Yani, foton yükselirken soğur ve enerji kaybına uğrar. X-ışınından gözle görülebilir ışığa dönüşür.

Isı yayımsal bölgenin tepesine vardığında fotonu görünür ışık olarak serbest bırakan taşıyıcı atom ise soğur ve tekrar aşağı çöker. Bu sayede başka fotonları absorbe etme görevine devam edebilir.

Bu rastgele yürüyüş sonucunda nihayetinde atomlar Güneş'in tüm katmanlarını aşarak yüzeye ulaşırlar. Ama görebileceğiniz gibi bu, hiç de basit bir iş değildir. Hızlıca özetleyecek olursak: Çekirdekte doğan atomlar, öncelikle radyatif bölgeye ulaşırlar. Bu bölge, Güneş'in X-ışını ve morötesi ışınları ürettiği kalın tabakasıdır. Fotonlar en çok burada elektronlar ve diğer malzemeyle etkileşirler. Sonrasında konvektif bölgeye, ondan sonra da fotosfere ulaşırlar. Bu tabakadan bize ulaşan ışığı, gözümüz algılayabilir. Yani yüzünüze vuran fotonlar, sadece 8 dakika 20 saniyelik bir uzay yolculuğu yapmadılar; aynı zamanda yıldızımızın içinde on binlerce, belki milyonlarca yıl geçirdiler!

Manyetizma, Son Bir Engel Yaratır!

Daha önce de anlattığımız gibi Güneş lekeleri, ışığın hapsolduğu yerleri gösterir ve enerjinin azaldığı noktalara karşılık gelmektedir. Bu durum, fotonun Güneş’in yüzeyini terk etmesine mani olan güçlü bir engelle karşılaşmasından kaynaklanır: manyetizma.

Güneş, dev bir gaz bulutu olduğu için, ekvatoru kutuplardan daha hızlı döner. Her dönüşte manyetik alanı bükülür. Manyetik çizgilerin büküldüğü yerlerde plazmanın taşıdığı fotonların yüzeye erişmesi engellenmiş olur. Yüzeye erişmiş fotonlar bu sefer de manyetizma kuvvetinin engeline takılmış olur. Işığın serbest kalamadığı noktalarda koyu lekeler oluşur.

Manyetik çizgiler, düğümlendiği bu noktalardaki gerilime daha fazla dayanamaz ve tepki olarak patlamalara yol açarlar. Dolayısıyla buralarda birikmiş manyetik enerji dengesiz bir şekilde serbest kalır ve püskürür. Bazen de manyetik bir alanda birikmiş enerji, bir diğer manyetik alanda birikmiş başka bir enerjiyle birleşir ve daha güçlü, daha büyük manyetik çizgi ve daha büyük patlamalara sebep olurlar. İşte bu patlamalara da koronal kütle boşalması denir ve çok büyük bir enerji serbest kalır. Bu sayede, kimi zaman milyonlarca yıl süren bir yolculuktan sonra foton, sonunda bir kaçış yolu bulmuştur. Trilyonlarca başka fotonla birlikte uzaydaki serüveni başlamış olur.

Bazı fotonlar, evrenin çok uzak köşelerine doğru fırlarlar ve onların nereye gittiklerini belki de hiçbir zaman bilemeyeceğiz. Bu fotonlardan çok küçük bir kısmı, yaklaşık sadece 2.2 milyarda 1'i gezegenimize ulaşmaktadır.

Artık özgür olan foton, ışık hızıyla, yani saniyede yaklaşık 300 bin kilometre hızla uzayda yol alır ve Güneş'i terk ettikten sadece 8 dakika 20 saniye sonra gözlerimize ulaşır. Güneş’in çekirdeğinde üretilen enerjiyi nihayet gezegenimize taşıyan foton, gezegenimizdeki yaşamın devam etmesini sağlar.