Birçoğumuz gündelik hayattan veya okuldan öğrendiğimiz kadarıyla maddenin 3 ya da 4 hali olduğunu biliriz. Bunlar: Katı, sıvı, gaz[!] ve plazma[!] halidir. 20. yüzyılın sonlarında maddenin 5. hali, yani Bose-Einstein Yoğunlaşması[BEY] bulunmuştur. Aslında 20. yüzyılın başlarında Satyendra Nath Bose ve Albert Einstein tarafından keşfedilmiş ve kanıtlanması 70 yıl sürmüştür.
Öncelikle maddenin hallerinden bahsedelim. Bir maddenin katı hali, öğeciklerin [atom] düşük erkeden [enerji] dolayı sık şekilde düzene girmesidir. Bu sebepten katılar daha yoğundur ve belirli bir şekilleri vardır. Erkeyi arttırdıkça -ısı erkesi- sıvı hale geçer ve öğecikler birbiri üzerinde kaymaya başlar. Bu da sıvının akışkan özelliğini sağlar. Erke artmaya devam ettikçe madde gaz haline geçer ve artık öğecikler birbirinden bağımsız hareket etmeye başlar. Yani havada serbestçe uçuşurlar. Maddeye çok yüksek ısı erkesi verildiğinde ise madde plazma haline geçer. Plazma halinde yükünler [iyon] ve eksicikler [elektron] serbestçe dolaşabilir. Yıldırımlar, yıldızlar ve alevler maddenin plazma haline örnek olarak verilebilir. Evimizdeki ocaklarda kullandığımız doğalgaz alevinin sıcaklığı yaklaşık 1950 o°, saf müvellidülhumuzaya [oksijen] maruz kaldığında ise 2800 o°’dir. Ne kadar sıcak ve erke dolu olduğunu hissedebiliyor musunuz?
Peki, plazma halinin tam tersini düşünelim. Bir maddenin çok yüksek miktarda erkesini emersek ne olabilir?
Hindistan’ın en büyük bilim insanlarından biri olan, Satyendra Nath Bose 1920’li yıllarda nicem [kuantum] evreni ile ilgili ciddi çalışmalarda bulunmuştur. 1924 yılında özel ilgi alanı olan ışıncıklar [foton] yani ışık parçacıkları ile ilgili bir makale yazmıştır ve bu makaleyi batıdaki uluslararası dergilerde yayınlatmak istemiştir. Ancak bu konuda başarılı olamayan Bose, makaleyi aynı dönemin fizikçisi olan Albert Einstein’e yollamıştır. Makaleden çok etkilenen Einstein, Bose’nin çalışmasına destek olmuş ve konuyla ilgili daha fazla hesaplama yaparak bu fikri öğeciklere uyarlamaya çalışmıştır. Mutlak sıfıra oldukça yakın sıcaklıklarda parçacıkların nicem kurallarına uyduğunu ve maddenin yeni bir hali olabileceği tahminini yürütmüştür. İki fizikçinin ortaklaşa katkı yaptıkları bu çalışma böylelikle Bose-Einstein Yoğunlaşması adıyla anılmaya başlanmıştır.
Bose ve Einstein’in kuramını 1995 yılında Colorado Üniversitesi’nden Eric Cornell ve Carl Wieman rubidyum öğeciklerini lazer[!] ve mıknatıslar yardımıyla mutlak sıfıra çok yakın bir sıcaklığa indirmeyi başardılar. Deney daha sonra Massachusetts Teknoloji Enstitüsü’nde tekrarlandı. Farklı öğeciklerin tepkilerini görmek amacıyla sodyum[!] öğecikleri kullanıldı ve sonuç yine aynıydı. Bu başarılarından dolayı bu iki takım 2001 yılında Nobel Fizik Ödülü’nü aldılar. 1995 yılından günümüze kadar bu deneyler birçok kez birçok öğecik üzerinde denendi ve sonuç hep aynı çıktı. Mutlak sıfıra doğru maddeler hep maddenin 5.haline evrildi.
Maddelerin, öğeciklerin mutlak sıfıra [-273,15 o° = 0 Kelvin] çok yakın değerlere soğutulması ile BoseEinstein Yoğunlaşması [BEY] gerçekleşir. Aynı erke seviyesine düşen atomlar durmaya ve ardından kümeleşmeye başlar. Öğecikler ayırt edici özelliklerini kaybeder ve hepsi birleşerek tek bir öğecik gibi davranır. Artık birbirinden ayrı duran binlerce öğecik yoktur; aynı şekilde davranan ve dev bir dalgaymış gibi hareket eden sadece tek bir “üstün öğecik” [süper atom] vardır.
“Önemli olan sorgulamayı bırakmamaktır. Merakın kendi varoluş nedeni vardır.”
Peki, bahsettiğimiz bu üstün öğecik ne gibi özelliklere sahip ve bizim ne işimize yarayacak? Maddenin 5. hali üstün [süper] akışkan özelliğe, yani sıfır ağdalılığa [viskoziteye] sahiptir. Sıfır ağdalılık, sıvının akarken hiçbir direnç göstermemesi durumuna verilen isimdir ve sıfır ağdalılığa sahip bir madde içinde bulunduğu kabın kenarlarından tırmanarak kaptan dışarıya taşabilir, hatta kabın sahip olduğu özdecik [molekül] büyüklüğündeki çatlaklardan dışarıya sızabilir. Tabii ki atomların bu tuhaf davranışı nicem evrenini incelemede büyük bir adım atmamızı sağladı. Maddenin bu yoğuşuk hali sayesinde ışık çok yüksek değerlerde yavaşlatılarak ışığın parçacık ve dalga ikiliği incelenebilir.
Örneğin yaklaşık 300.000 km/sn olan ışık hızı, yaklaşık 0,0097 km/sn’ye kadar yavaşlatılır. Burada ışığı yaklaşık 31 milyon kat yavaşlatmaktan söz ediyoruz ve tam bu noktada tahmin ettiğiniz gibi kara delikler akla geliyor. Bildiğimiz üzere kara deliklerden ışık kaçamıyor. Maddenin 5. hali kara delikleri incelemeye ve benzer ortam yaratımına olanak sağlıyor. Ayrıca, nicem etkilerinin büyük ölçekte görülebilmesinden ötürü nicem bilgisi yoğuşuk ortamda biriktirilebilir. Bu da nicem bilgisayarlarında bilgi biriktirme ve saklamada kullanılıyor.
Belki şu zaman için günlük hayatımızda maddenin 5. hali ile karşılaşmayacağız ama bilimde en ufak bir kilit açıldığında ardına çığ gibi yağan bir devrimi göz ardı edemeyiz. Tam 96 yıl önce Hindistan’dan bir bilim insanı reddedilen makalesini Einstein’e yolluyor ve Einstein kara tahtasında hesaplamalara başlıyor. Buldukları bu keşif 20-25 sene sonra nicem bilgisayarlarının günlük hayatımıza dahil edilmesine yardımcı olabilir. Bilimdeki bu adımlar insanlığın yarınına yön veriyor ve geleceğe ışık tutuyor. Nicem evreni gibi gelecekte de imkânsız yoktur. Albert Einstein’in söylediği gibi “Önemli olan sorgulamayı bırakmamaktır. Merakın kendi varoluş nedeni vardır.”
1) Bağlantı 1 (21.05.2020)
2) İdris Adanur, “Bose-Einstein Yoğunlaşması”, Fizik Akademisi, 2015, Bağlantı 2 (21.05.2020)
3) Gökhan Atmaca, “Bose-Einstein Yoğunlaşması – Dünyamızı Değiştirebilecek Fizik Keşifleri #5”, KBT Bilim Sitesi, 2013, Bağlantı 3 (21.05.2020)
4) Tuna Püsgül, “Bose-Einstein Yoğuşması Nedir? Maddenin Farklı Bir Hali”, Mühendistan, 2017, Bağlantı 4 (21.05.2020)
5) Celal Demirtaş, “Bose-Einstein Yoğuşması”, Fizikolog.net, Bağlantı 5 (21.05.2020)
6) Sultan Kış, “Bose-Einstein Yoğunlaşması Nedir?”, Kozmik Anafor, 2019, Bağlantı 6 (21.05.2020)
7) Ayşegül Şenyiğit, “Maddenin Sıra dışı Hali: Bose-Einstein Yoğunlaşması”, Evrim Ağacı, 2017, Bağlantı 7 (21.05.2020)
8) Bağlantı 8 (21.05.2020)
9) Jesse Emspak, “States of Matter: Bose-Einstein Condensate”, Live Science, 2018, Bağlantı 9 (21.05.2020)
