Boşluk Enerjisi.

Fizik için boşluk sanılandan farklıdır Kuantum kuramı, boşluğun tam boşluk olmadığını göstermiştir


Boşluk, kaynaşan bir durumdur, çok dinamiktir, edimsiz (virtuel) parçacıklarla doludur Çok şiddetli olayların oluştuğu bir yerdir Boşluktan doğmuş bir parçacık çifti gözlenemez, fakat onların yığınsal etkisi gözlenebilir


Boşluk, boş değildir Bu sözün, bir paradoks ile ilgisi yoktur Boşluğun en derinlerinde bile sürgit birşeyler vardır En iyi boşlukta bile, kimi varlıklar saklıdır İçinde gaz, en küçük bir molekül, en yalın bir atom ya da en küçük kuark (bir kuantum parçacığı) bile bulunmayan bir uzay bölgesi düşünelim Bu en boş sanılan uzay bile tam bir boşluk değildir; bir etkinlikler bölgesidir, alanlar vardır Boşluk titreşir, dalgalanır Boşluğun bu dalgalanmaları enerji demektir Yüzyılımızın iki büyük fizikçisi, şaşırtıcı bir hesaplama yapmışlardır Richard Feynman ve John VVheeler bir elektrik ampulünün içindeki boşluğu incelemişlerdir Böyle bir boşluğun enerjisi, gezegenimizin tüm okyanuslarını kaynatmak için yeterlidir Yoksa, bu sihir midir?


Bu boşluk enerjisinin çok küçük bir bölümünü bile çıkarabilmek ve kullanabilmek özellikle çok ilginç olacaktır ABD'de Hugues Laboratuvarı'nda çalışan fizikçi Robert Favvard bu konuda deneyler yapmaktadır

Bir başka görüş açısından, günümüzün kozmoloji kuramlarında da fizikçiler, yerinde kuramsal nedenlerle, Evrenin başlangıcında boşluk enerjisinin oynamış olabileceği role başvurmaktadırlar


Böylece, bir kez daha, pek alışılmamış olan kuantum kuramına dönmek gerekmiştir Kuantum evreninde, örneğin elektronlar, dalgaparçacık niteliği gösteren değişik nesnelerdir Aynı anda hem dalga hem parçacıktırlar; her iki görünümün olabildiğince çelişik olan tüm özelliklerini sergilerler Kuantum nesnelerinin, kendilerini klasik fiziğinkilerden temel olarak ayıran çok değişik yapıları vardır Aynı şekilde kuantum kuramında, boşluğa da değişik bir yapı tanımak gerekir


Çok eskiden, ilkçağ'da, boşluk ve onun varlığı üzerine iki karşıt düşünce akımı vardı Democrite gibi atomcular için, gerçeğin temeli, bir yandan bölünmez parçacıklar olan ve farklı düzenlenimlerle nesneleri oluşturan atomlara, öte yandan da boşluğa dayanıyordu Buna karşıt olarak da, Aristo'ya ve anlaşılması güç fizik ve mtafizik uslamlamalara göre boşluk yoktu


Bu son anlayış, XVII yüzyıla dek sürecekti 1644'den başlayarak düşünceler değişti 1644de, Galile'in öğrencisi olan Toriçelli termometreyi buldu ve ayrıca ünlü deneyini yaptı Bir ucu kapalı bir cam boru aldı ve civa ile doldurdu Sonra bu boruyu ters çevirerek, yine civa ile dolu olan bir kaba batırdı Borudaki civa düzeyi alçaldı ve kaptaki civa düzeyinden yukarda bir yerde kararlı duruma ulaştı Borunun üst ucunda bir boşluk, yani içinde madde bulunmayan boş bir uzay bölgesi oluştu Blaise Pascal şu soruyu soruyordu: "Borunun yukarısındaki görünüşte boş olan uzayda, burayı dolduran fakat duyu organları ile algılanıp görülemeyen bir madde bulunamaz mı?"


Daha sonra Otto de Guericke lastik pompasını buldu; bir kürenin iki yarısını birbiri üzerine kapatarak, oluşan kürenin içinde boşluk oluşturdu Deneyini 1654'de diete de Ratisbonne'da sergiledi Küreyi karşılıklı iki yanından çeken on altı at, onu açmayı başaramadılar Öyleyse boşluk vardı XIX yüzyılın sonuna doğru ise, Aristo ilkesini yeniden canlandıran bir başka boşluk kavramı ortaya çıktı Gerçek bir boşluk elde etmek için, boşaltılacak kapalı yerdeki tüm maddeyi ve ayrıca da gazı dışarı çıkarmak gerektiği bellidir Acaba bu yeterli midir? Yanıt kesin değildir ve fizik bu düşünceye de karşı çıkabilir Bunun için, bir düşünce deneyi tasarlamak uygundur; öyle ki bu deneyde araç gereçler idealdir ve deney koşulları kusursuzdur Ünce, içinde tam olarak ayarlanmış bir pistonun kayabildiği bir silindir olması gerekir Her şey ideal olduğundan piston, bir engel ile karşılaşmadan kayar ve kusursuz olarak hiçbir şey sızdırmaz Başlangıçta, piston silindirin dibine dayanmıştır Piston çekilince, silindirin dibinde oluşan uzay bir mutlak boşluk olmalıdır; piston hemen yeniden geri itilirse, başlangıç konumunu yeniden bulmalıdır Fakat piston yeterince uzun süre çekilmiş ise, yeniden silindirin dibine yerleşemeyecektir İçeriye hava sızmış değildir, fakat boşluğun içinde bir şeyler üretilmiştir ve şimdi pistonun ilk konumuna ulaşmasına engel olmaktadır Neden? Isıl ışıma nedeniyle Fizikçiler, pistonun çekildiği sırada, çeperlerden bir ısıl ışımanın yayıldığını ve boşluğu doldurduğunu göstermiş olur Öyleyse piston geri itildiği zaman, Bu ışıma sıkışır Bu basınç, bir gazın oluşturduğuna benzer bir kuvvet uygular Böylece piston, ışımanın sıcaklığını ve basıncını artırmış olur ve pistonun ilk konumuna ulaşması için, bu ışımanın yeniden silindirin çeperlerinde dağılmasını beklemek gerekir Bu ışımanın kaynağı ısıl olduğu, dolayısı ile sıcaklığa bağlı olduğu için, silindiri soğutmak gerekir Mutlak sıfır sıcaklıkta, boşluğu dolduran tüm ışıma sönecektir Buradaki ısıl ışıma, elektromıknatısal ışımadan başka bir şey değildir çeperleri oluşturan atomların elektronlarının ısıl hareketlerinden yayınlanır Boşluğa ulaşmak için tek olanak, sistemi önemli ölçüde soğutmaktır Öyleyse, buraya dek İncelenen durumlarda, boşluk soğutma ile sağlanır ve mutlak boşluk elde edilebilir


KUANTUM EVRENİNDE BOŞLUK


Şimdiye dek, klasik fizik dünyasında idik Şimdi kuantum evrenine bir sıçrama yapmalıyız Bu evrende, boşluk doludur Bu söz ilk bakışta, temel bir nedenle, bir paradoks gibidir; fizik de, astrofizik gibi boşluğun varlığını kabul eder; Evren büyük bir boşluktur ve içindeki madde bir istisnadır Yıldızlararası uzay hemen hemen boştur Bize içine sızılma-sı çok güç görünen katımadde de, boşluktan oluşmuştur Atomsal ölçekte, çekirdekler ve elektronlar arasındaki uzay çok büyüktür Madde boşluktan yapılmıştır ve onu oluşturan kütleler çok küçük uzay bölgelerinde yoğunlaşmıştır Bu düşünceye (her yerin boşluk olması ve maddenin evrende son derece seyrek dağılmış olmasına) karşıt olarak, boşluğun dolu olduğu düşüncesini de getirmek gerekir John VVheeler bir yazısında, "Hiçbir düşünce bana şundan daha temel görünmüyor: Boşluk, boş değildir En şiddetli fizik olayları nın oluştuğu yerdir" demektedir Bunlar yukarda da söylediğimiz gibi, sonsuz küçük boyutlar evrenindeki düzenlenimlerı ve süreçleri inceleyen kuantum kuramının konularıdır Bu olaylar nasıl oluşabilmektedir?


Yukarda, uzayı mutlak sıfır sıcaklık sınırlarına dek soğutarak, tüm ısıl ışınımı yok edebileceğimizi ve mutlak boşluğa ulaşabileceğimizi görmüştük Fakat, kuantum kuramına göre, bu sıcaklıkta bile, boşlukta bir k (boşaltılama-yan ve kuşkusuz madde de olmayan bir şey) bulunacaktır Bu en son k, elektromıknatısal alanlardan oluşmuştur Boşlukta, mutlak sıfır ile ilgili olarak, fizikçilerin sıfır nokta enerjisi dedikleri bir kavram vardır Mutlak sıfır sıcaklıkta, boşluk hiç durmadan dalgalanır, kımıldayan bir dalga yüzeyi gibi kaynaşır Bu dalgacıklar, hiç durmadan parçacıklar yaratan dalgalanmaların bir görüntüsüdür Bu parçacıklar ise, birbirlerini çok çabuk olarak yok ederler


Boşluğun bu tuhaf etkinliğini anlamak için, kuantum elektrodinamiğinin birkaç kuramsal temelini tanıtmak gerekir Bu temellerin ilki, bir eşitsizliğe dayanan Heisenberg belirsizlik ilkesidir Bu ilke, bir parçacığın konumunu ve hızını aynı anda ölçmenin olanaksız olduğunu gösterir Konum ve hareketin ölçümü üzerindeki bir belirsizlik önlenemez Ayrıca fiziğin büyük bir ilkesi olan, enerjisinin korunumu yasasını da göz önüne almak gerekir Hangisi olursa olsun, her etkileşmede bir enerji denkleşmesi hesabı vardır İki bilya çarpıştıkları zaman, çarpışmadan önceki ve sonraki toplam enerjiler aynı olmalıdır; başka bir deyimle, giriş ve çıkış enerjileri kusursuz olarak denklenmelidir Bu ilke, tüm fiziğin en kesin ilkelerinden biridir ve kuşkusuz, mikroskobik evrenin parçacıkları arasındaki etkileşmelere de ayrıcalıksız olarak uygulanır Yalnız, kuantum kuramınca incelenen boyutlar düzeyinde Heisenberg eşitsizliklerini gözönüne almak gerekir Bu eşitsizliklere göre, örneğin bir elektronun enerjisi ölçülürse ve bu ölçüm çok kısa fakat belirli bir zaman alırsa, enerji ölçümündeki belirsizlik ölçümün süresi ile ters oranlı olur Bu, mantıksal bakımdan, çok kısa süreler için, enerji ölçümündeki belirsizliğin çok önemli olabileceği anlamına gelir; ve bu sonsuz küçük süre içinde, bu enerjinin son derece büyük olabileceğini düşünmek için hiçbir engel yoktur Böylece, enerji korunumu yasasının gerektirdiği çok kesin denkleşme hesabı, belirsizlik ilkesi nedeniyle bozulmuş olur Sonuç olarak, boşluktan, kısa yaşamlı parçacıklar yaratılabilir Bunların yaşamları öyle kısadır ki, kendileri yüksek enerjili olurlar Örneğin, bir proton ve bunun çevresinde hiç durmadan dolanan bir elektrondan oluşan bir sistem düşünelim; buradaki elektron da, boşluktan yaratılmış parçacıklarla sarılmış olsun Bunlar, proton ve elektron arasında bulunan elektromıknatısal alanların dalgalanmasından yaratılan bir parçacıklar bulutu oluştururlar Fizikçiler, bu alanların gelişigüzel olarak dalgalandıklarını ve edimsiz denen parçacıklar ürettiklerini açıklamaktadırlar Bunlar, edimsiz olduklarından, proton ve elektron gibi gerçek parçacıklardan farklıdırlar Bunun dışında, boşluktan gelen ve zorunlu olarak yine oraya dönen bu edimsiz parçacıklar, kısa yaşamları süresince, bilinen parçacıklar gibi gerçektirler Fizikte, bu edimsiz parçacıkların çiftler halinde üretildiklerini düşünmek gerekir Bu ise, yine enerji korunumu türünden bir başka büyük ilke, momentumun korunumu ilkesi nedeniyledir Elektron ve pozitron böyle bir çifttir; bu çiftlerin her biri, yine belirsizlik ilkesi nedeniyle gözlenemez Yaratılışlarından yok oluşlarına dek gittikleri uzaklık ve hızları bir başka Heisenberg eşitsizliğini sağlarlar


Boşluktan çift yaratılmasının enerji korunumunu bozduğunu, fakat iyi bir hesaplayıcı olan doğanın buradan ışık elde ettiğini belirtelim Bu süreç ile boşluktan ödünç alınan enerjinin istendiğince çok olabileceğini özellikle yineleyelim Ödünç alınan enerji ne kadar çoksa, parçacığın yok oluşunda ödenecek olan borcun süresi de o ölçüde kısa olacaktır


Böylece, herhangi bir uzay bölgesi en küçük bir parçacığın bile bulunmadığı ölçüde boştur; bu boşlukta, yalnızca gelişigüzel dalgalanmalar vardır Bu dalgalanmalar ise, boşluktan sürekli olarak edimsiz parçacıklar üretirler ve bunlar oluştukları ancak gözlenebildikten hemen sonra yiterler


Bu açıklamalardan sonra, her şeyin kaynağının boşluk olduğunu söyleyebiliriz; boşluktaki alanların dalgalanması, bilinen tüm parçacıkların, yüksek enerji fiziğindeki elektrondan (en hafif) en bilinmeyene (en ağır) dek tüm parçacıkların oluşmasını sağlayabilir Öyleyse boşluk, eylemsiz ve özelliksiz boş bir uzay olarak değil, tam tersine, enerji titreşkeni olarak tanımlanabilir Dolayısıyla, John VVheeler'in açıkladığı gibi, boşlukta yer değiştiren bir elektronu, her türden edimsiz parçacığın oluşturduğu bir çorba içinde yüzüyor ve onların sürekli saldırısına uğruyor olarak düşünebiliriz


Şimdi, haklı olarak, boşluğun böyle bir etkinliğinin herhangi bir kanıtlamasının olup olmadığı sorulabilir Kuramın, edimsiz parçacıkları öngördüğü kesindir; fakat, bunların varlığı gerçekten gözlenebilmiş midir? Yanıt, evettir


Boşluğun böyle bir etkinliği olduğunu gösteren ilk gözlemsel gerçeği, 194O'lı yılların sonuna doğru, Hollandalı fizikçi Hendrik Cosımır saptamıştır Edimsiz bir parçacık çifti gözlenemese bile, onların yığınsal etkisi gözlenebilir Casimir etkisini gösteren düzenek şöyledir: İçi boş bir kapalı kaba, iki ****l yaprak yerleştirilir ve sistem soğutulur Sıfır nokta enerjisine ulaşmadan önce, ısıl ışıma iki yaprağı birbirlerine yaklaştırmaya çalışır; sıfır nokta değerinde ise, elektromıknatısa! ışıma kuvveti de yaprakları birbirlerine doğru iter Böylece, boşluk enerjisi bir basınca yol açmaktadır Bu en küçük fazlalık basınç, 1958de bir başka Hollandalı fizikçi MSparnaay tarafından ölçülmüştür


Boşluk enerjisinin ikinci ve görkemli örneği, Lamb kayması adı ile tanınır Yukarıda gördüğümüz gibi, elektronu bir atomun çekirdeğine bağlayan elektromıknatısal alan, edimsiz parçacıklar çorbasından bir elektron-pozitron parçacık çifti yaratabilir Bu edimsiz parçacıkların yaratılıp yok edilmesi, fizikçilerin boşluğun kutuplanması dedikleri olaya neden olur Bu kutuplanmanın etkisi, elektronun çekirdek çevresindeki yörüngesinin hafifçe değişmesi biçimindedir VVillis Lamb, bu küçük yer değiştirmeyi olağanüstü bir duyarlıkla ölçebilmiştir Bu ölçüm ona Nobel ödülü kazandırmıştır Böylece, günümüz kuantum elektrodinamiği hesaplamalarında, boşluğun enerjisinden ileri gelen Lamb kaymaları da gözönüne alınır Şimdi, bu kaymanın ölçümü, tüm fiziğin en önemli ölçümlerinden biridir


Kuşkusuz, boşluğun enerji kaynağı olarak kullanılması sorunu çözümlenmiş değildir Çekirdek kaynaşmasının denetlenmesinde karşılaşılan güçlük bilindiğinden, boşluktan enerji elde edilmesi düşüncesinin, fizikçilerin dudaklarında kuşkucu bir gülümsemeye neden olacağı sanılmaktadır Yine de, Robert Foward'ın, Casimir etkisinden yola çıkarak, boşluktan elektrik enerjisi çıkarma ile ilgili çalışmaları tarihsel bir adım olarak kalacaktır