Her yanımız ışıkla sarılmış durumda, peki yanınızdan geçip giden fotonları gerçekte ne kadar tanıyorsunuz?
Işıkta göze görünenden fazlası var. İşte fotonlar hakkında sekiz aydınlatıcı olgu:
Hava boşluğunda hiçbir şey ışıktan daha hızlı seyahat edemez. Ne ki ışık, hava, su, cam ve diğer maddelerden geçerken foton-atom etkileşimiyle yavaşlar, bu da kimi ilginç neticeler doğurur.
Uzaydan gelen en yüksek enerjili gama ışınları, havadan geçen ışıktan daha büyük bir hızla Dünya atmosferine çarparlar. Bu fotonlar havada sarsıcı dalgalar üretir, ses patlamasına benzeyen bu dalgalar sesler yerine fotonları çoğaltır. VERITAS (Arizona) gibi gözlemevleri Cherenkov radyasyonu diye bilinen bu ikincil fotonları incelerler. Örneğin nükleer tepkiyicilerde nükleer yakıtı saran suyun içinde Cherenkov ışığı gözlenir.
2. Işık tiplerinin çoğu gözümüze görünmez.
Renkler, ışığın dalgaboyunu (dalga örüntüsü kendini tekrar edinceye dek ışığın ne kadar mesafe katettiğini) beynimizin yorumlama şeklidir. Ama gördüğümüz renkler –bunlara “görünür” ya da “optik” ışık denir– toplam elektromanyetik tayfın sadece küçük bir kısmıdır.
Kırmızı ışık, görünür ışıkların en uzun dalgaboyuna sahiptir; dalgalar daha da uzatılırsa kızılötesi dalgalar, mikrodalgalar (pişirmeye yarayanları da) ve radyo dalgaları elde edilir. Mordan daha kısa dalgaboylu ışıklar, morötesi dalgaları, X-ışınlarını ve gama ışınlarını kapsar. Dalgaboyu ayrıca enerjiyi de belirtir: Uzun dalgaboylu radyo ışığında düşük enerji vardır, kısa dalgaboylu gama ışınıysa en yüksek enerjiye sahiptir, canlı dokuya bu kadar zararlı olmasının önemli bir nedeni de budur.
3. Bilimciler tek tek fotonlar üzerinde ölçümler yapabilirler.
Işık, foton denen parçacıklardan oluşur, bunlar özgül miktarda enerji taşıyan elektromanyetik saha demetleridir. Yeterince hassas deneylerle fotonlar sayılabilir, tek bir tanesi üzerinde ölçümler bile yapılabilir. Hatta araştırmacılar ışığı geçici olarak dondurmuşlardır.
Ama fotonlar bilardo topu gibi düşünülmesin. Onlar dalgaya da benzer: Birbirlerine karışarak aydınlık-karanlık örüntüler üretebilirler. Foton modeli, kuantum fiziğindeki ilk zaferlerden biri olmuştu; sonraki çalışmalar elektron ve diğer maddi parçacıkların da dalgaya benzer özellikler taşıdığını gösterdi.
4. Parçacık ivmeleticilerden çıkan fotonlar kimya ve biyolojide kullanılır.
Görünür ışık dalgaboyları atom ve moleküllerden daha geniştir, o yüzden maddenin bileşenlerini harfiyen göremeyiz. Ne ki, X-ışını ve morötesi ışındaki kısa dalgaboyları böyle küçük yapıları göstermeye uygundur. Böyle yüksek enerjili ışık tiplerini görmeye yarayan yöntemleri kullanarak bilimciler atomik dünyaya göz atabilirler.
Elektronlara parçacık ivmeleticilerde manyetik sahalarla ivme verilerek özgül dalgaboylarına sahip fotonlar çıkarılabilir; buna “sinkrotron radyasyonu” denir. Araştırmacılar parçacık ivmeleticilerden X-ışını ve morötesi ışık çıkararak moleküllerin ve virüslerin yapısını çalışırlar, hatta kimyasal tepkimelerin filmlerini çekerler.
5. Işık, tabiattaki dört temel kuvvetten birinin tezahürüdür.
Fotonlar elektromanyetik kuvvet taşırlar, bu da dört temel kuvvetten birisidir (diğerleri zayıf kuvvet, güçlü kuvvet ve kütle çekimidir). Bir elektron uzaydan geçtiğinde, diğer yüklü parçacıklar elektriksel çekim ya da itim sayesinde onu hissederler. Bu etki ışık hızıyla sınırlanmış olduğu için, diğer parçacıkların verdiği gerçel [actual] tepki, elektronun olmuş olduğu yere verilir, elektronun olduğu gerçel yere verilmez. Kuantum fiziğinde boş uzay görcül [virtual] parçacıklarla dolup taşan bir çorbaya benzetilerek bu izah edilir. Elektronlar görcül fotonlara vururlar, onlar da ışık hızında uçup diğer parçacıklara çarparlar, enerji ve momentum takası yaparlar.
6. Fotonlar kolayca yaratılır ve yok edilirler.
Maddenin aksine, fotonları yapan ve yok eden türlü türlü sebep vardır. Eğer bu yazıyı bir bilgisayar ekranından okuyorsanız, ekran lambasından gelen fotonlar gözünüze gelip orada soğurulurlar – yok edilirler.
Fotonların hem yaratılmasının hem de yok edilmesinin sorumlusu, elektronların hareketidir; ışığın üretilmesi ve soğurulmasında çoğu zaman bu böyledir. Elektron güçlü bir manyetik sahadan geçtiğinde sadece ivmesinden bile fotonlar türer.
Bunun gibi, foton bir atoma çarptığında, eğer doğru dalgaboyuna sahipse, gözden kaybolur ve bütün enerjisi elektronun yeni bir enerji zeminine çıkarılmasına harcanır. Elektron kendi ilk konumuna düştüğünde, yeni bir foton yaratılır ve neşredilir. Her bir atom ya da molekül tipinin sergilediği eşsiz ışık tayfının sorumlusu, bu soğurma ve neşretmedir, kimyacı, fizikçi ve astronomların kimyasal cevherleri tanımasının önemli bir yolu da budur.
7. Madde ile zıt-madde imha olunca ışık bunun yan ürünü olur.
Elektron ve pozitron aynı kütleye sahiptir, ama elektrik yükü gibi kuantum özellikleri birbirine zıttır. Karşılaştıklarında bu zıtlıklar birbirini iptal eder, ve parçacıkların kütlesi, bir çift gama ışını fotonu halindeki enerjiye çevrilir.
8. Fotonları çarpıştırarak parçacıklar elde edilebilir.
Foton kendi kendisinin zıt-parçacığıdır. Ama işin eğlenceli yanı: Fotonları yöneten fizik kanunları zamana göre simetriktir. Yani elektron ile pozitronu çarpıştırıp iki gama ışını fotonunu elde edebiliyorsak, doğru enerjiye sahip iki fotonu çarpıştırarak bir elektron-pozitron çiftini de elde edebilmemiz gerekir.
Pratikte bunu yapmak zordur: Başarılı deneyler genelde ışıktan daha başka parçacıkları da içerir. Ne ki, Geniş Hadron Çarpıştırıcısı’nda (LHC) proton çarpışmaları süresince üretilen fotonların sadece sayısına bakılarak, kimilerinin zaman zaman birbirlerine çarptıkları anlaşılır.
Bazı fizikçiler bir foton-foton çarpıştırıcısı inşa edilmesini, böylece foton huzmelerinin daha başka fotonlarla dolu bir oyuğa doğru ateşlendiği çarpışmalardan doğabilecek parçacıkların çalışılmasını tasarlarlar.
Türkçesi: Işık Barış Fidaner
İllüstrasyonlar: Sandbox Studio, Chicago’dan Kimberly Boustead
Orjinali: Matthew R. Francis – symmetrymagazine.org
Kaynak: www.yersizseyler.net