Hendrik Casimir Holandalı bir teorik fizikçidir. Kendi ismini taşıyan bir etkiyi 1948 yılında ortaya atmış ve bu kuram daha sonra kesinlik kazanmıştır. Bazı kavramları bilmeden Casimir etkiyi anlamamız mümkün olmadığı için önce o kavramlara değineceğiz.
Vaküm nedir? Bir kap alın. İçinde ne varsa boşaltın.. İçinde tek bir atom bile kalmasın. Sonra onun sıcaklığını absolu sıfıra indirin. Klasik fizikte vakümun tanımı bu kadar basittir. İçinde hiç bir şeyin olmadığı daha soğuğunun mümkün olamayacağı kadar soğuk bir ortamdır.
Vakümu kuantum fiziği bakış açısından değerlendirirsek çok daha farklı ve karmaşık bir ortam olduğu görüşü ile karşılaşırız. Bütün alanlar belli değerler arasında dalgalanırlar. En iyi bilineni elektromanyetik alanlardır. Vaküm boşluğu da bir alandır ve bu bağlamda bir istisna değildir. Dalgalanır. İlginç olarak bu dalgalanma yalnız soyut bir kavram değildir. Onun somut gösterileri de vardır. Casimir etki vaküm dalgalanmalarına bağlı olarak ortaya çıkan mekanik bir süreç ve fiziksel bir etkidir.
Elektromanyetik alan çesitli frekansların bir arada bulunduğu bir spektrum oluşturur. Serbest ve geniş bir boşlukta her frekansın önemi aynıdır. Alan çok geniş ise, frekanslardan biri diğerinden daha önemli değildir. Ama frekanslar dar bir alana sıkıştırılmışlarsa, alanın genişliğine bağlı olmak üzere farklı bir durum ortaya çıkar. Bu durumu şöyle bir örnekle açıklayabiliriz:
Vaküm içinde iki aynayı, yüzleri birbirlerine karşı olmak üzere bir araya getirelim. İkisi arasında yer almış bir elektromanyetik dalganın varlığını imgeleyelim. Bu alan kendisine tam uyan dalga boyundaki yarım dalgaların iki ayna arasında gidip geldikleri için yeğlenerek çoğaltıldığı bir ortam olacaktır. Belli dalga boyunda olan elektromanyetik spektrumlar yeğlenildikleri için abartılacaklardır. İki ayna arasına oraya mükemmel şekilde sığanların dışındakilere yer yoktur. Bu dar boşluğun içindeki frekansı ifade etmek için kavite rezonansı, (kavite titreşimi) terimi kullanılır. Yalnız belli dalga boyunda olan dalgalar burada yer alabilecekler ve abartılacaklardır. Aynı şekilde vaküm dalgalanmalarının frekansları da kavite titreşimine bağlı olarak ya abartılacaklardır, ya da süprese edileceklerdir.
Yeri gelmişken yeni bir kavrama kısaca değinmek istiyorum. Ona radyasyon alanı basıncı deniyor. Kuantum mekaniğine göre alanlar enerji içerirler. Yukarda tanımını yaptığımız vaküm alanı bir istisna değildir demiştik. Elektromanyetik alanlar uzayda yayılırlar. Ve bu arada etrafa bir basınç uygularlar. Buna radyasyon basıncı deniyor. Nasıl bir nehir akarken yamaçlarına basınç uyguluyorsa, elektromanyetik alan da etrafa basınç uygulamaktadır. Bu radyasyon basıncı radyosyandaki enerjiye parelel olarak artacaktır. Radyasyonun enerjisini ise dalgalarının frekansı saptayacaktır.
Aynalar arasındaki kavite titreşimi basıncı söz konusu olunca, kavite titreşim frekanslarında kavite içindeki radyasyon basıncı daha büyük olacak ve aynaları dışa doğru itecektir. Kavite titreşim frekansı dışındaki radyasyon basıncı ise dışarda daha çok olacak ve aynaları birbirlerine doğru itecektir. Başka bir deyişe burada birbirlerine karşı gelen iki radyasyon basıncı vardır. Kavite içi basıncı aynaları dışa doğru iterken, aynalara dışardan uygulanan kavite dışı başınç buna direnecek ve aynaları birbirlerine doğru itecektir.
Casimir etki vakümda vuku bulan dalgalanmaları ölçen bir yöntemdir. İki metal yüzeyi birbirlerine son derece yakın olmak üzere karşı karşıya getirin. Aralarındaki mesafeyi birkaç nanometreye indirin. Vakümda dalgalanma oluyorsa ve bu dalgalanmalar belli frekanslar arasında gerçekleşiyorsa, ancak belli dalga boyunda olan frekanslar iki metal plaka arasına sığacaktır. Yani kavite titreşimine uyanlar kavite içinde abartılacaklardır. Diğer frekanslar metal plakaların dışında kalacaklardır. Enerji içeren bu dalgalanmaların bir radyasyon basıncı olacaktır. Ancak belli frekansların sığdığı plakalar arasındaki boşlukta basınç daha az, dışında ise daha çok olacaktır. Bu da metal plakaların birbirlerine doğru yaklaşmasına neden olacaktır. Casimir etki vakümda belli frekanslar arasında dalgalanan bir enerjinin varlığına işaret etmektedir. Bu enerjinin kaynağı ise yalancı parçacıklardır.
Özetle diyebiliriz ki:
Her alanda enerji vardır ve bu enerji bazı değerler arasında dalgalanır. Vaküm boşluğu da bir alandır. Bu alanlardaki enerjiyi dalgaların frekansları saptar. Her türlü radyasyon etrafına basınç uygular. Alanın genişliği sınırlı ise, örneğin alan yüzyüze bakan iki paralel aynanın arasındaki boşluk ise, ancak belli dalga boylarının sığacağı bir aralık olacak ve radyasyon basıncı dışa göre nisbeten daha az olacaktır. Nedeni dar aralığa uyan frekansların sınırlı olmasıdır. Vakümdaki enerjiden ve bu enerjinin dalgalanmasından yalancı parçacıklar sorumludur.
Yalancı parçacık (virtual particle) kavramı çok önemlidir. Çünkü evrenin ve muhtemelen evrenlerin ortaya çıkışını onlarla açıklamak mümkündür. O konulara değinmeden önce kısaca yalancı parçacıklardan bahsedelim.
Yalancı parçacıklar vaküm boşluğunda ve hiçlik dediğimiz kuramsal ortamlarda aniden, karşıtları ile birlikte ortaya çıkan ve 10^-21 saniye kadar var olduktan sonra yok olan zerrelerdir. Karşıtları ile demek, biri negatif ise, diğeri pozitif demektir. İkisi bir araya gelince birbirlerini yok etmektedirler. Bunu madde ve antimadde olarak düşünmemeliyiz. Çünkü yalancı parçacıklar maddenin ortaya çıkmasından çok daha önceki bir dönemi simgelemektedirler. O dönemde daha ne madde vardır ne de büyük bir enerji. Bu 10^-21 saniye gibi, kısa zaman dilimini tüketen yalancı parçacıklar doğadan borç aldıkları yarım foton enerjiyi ona iade ederek yok olup giderler. Borç aldıkları bu enerji vaküm enerjisidir. Bizim hiçlik veya yokluk dediğimiz kavram işte budur. Hiçbir şey yok gibi durmaktadır ve pratik olarak yoktur da ama, bu yokluk zıt nitelikli yalancı parçacıkların birbirlerini nötralize etmesinden başka bir şey değildir.
Kuantum fiziğinin ilgi alanı olan atomaltı evrenini ve orada vuku bulan olağanüstü tepkileşmeleri insan aklının imgelemesi mümkün olmayabilir. Fizikçiler yapılan gözlemleri açıklamak için bazı modeller oluşturmuşlardır ama, modellemede başarılı değillerdir. Bu modeller çoğu kere matematiksel denklemler ve kuantum evreninde nelerin vuku bulduğunu simgeleyen imgeler şeklinde belirtilirler. O modellerden bazıları adı geçen quantum fenomeni açıklamada gerçeğe çok sadık olabilirler. Ve onu doğru ve anlaşılır bir şekilde yansıtabilirler. Ancak diğerleri son derece müphem imgelerden öteye gitmeyen anlaşılmaları güç soyut kavramlardır. Modellerle ilgili bilinmesi gerekli tek gerçek onların gerçek olmadıklarıdır. Bir quantum fenomeni açıklamada son derece başarılı birden fazla model olabilir. İlginç olarak bu modeller birbirlerinin tam zıttı da olabilirler. Örneğin ışık modelini ele alalım. Işık hem dalga, hem de parçacık olarak imgelenebilir. Bazı koşullarda dalga özelliği diğer durumlarda ise parçacık özelligi manifest hala geçer. İkisini aynı anda modellemek mümkün değildir. Atom modeli de böyle bir şeydir. Yapılan modellerin hiç birisi gerçeği yansıtmaz. Bazı atom modelleri atomun gözlemlenen niteliklerinden birini çok güzel açıklayabilir. Ama diğerlerini açıklamada başarısızdır. Her model yalnız kendi konusunda yararlıdır.
Muhtemelen insan aklının quantum aleminde vuku bulan süreçleri anlamasına olanak yoktur. Modellemelerle o dünyada vuku bulan ekzotik süreçlerden yalnız birinin bir yüzü açıklanabilir. Yalancı parçacıkları da bu gözlemler göz önünde bulundurarak değerlendirmek gerekmektedir.
Aslında vaküm dalgalanması kuantum dalgalanmadır. Bu dalgalanma sırasında yalancı parçacıklar ortaya çıkmaktadır. Bu bir modellemedir. Aslında ortaya çıkan yalancı parçacık çiftleridir. Bunlar birbirlerinin zıttı olduklarından evrenin elektrik yükünün dengesi bozulmaz. Hep nötraldir. Bunların ortaya çıkması konservasyon (conservation) yasalarını tatmin etmek zorundadır. Doğa için bu önemli bir yasadır. Ama konservasyon yasalarını izlemeyen parçacıklar da vardır. Örnegin fotonlar. Fotonlar karşıtları olmadan ortaya çıkabilirler.
Yalancı parçacıklar, gerçek parçacıklarla ilgili davranışları açıklamadaki büyük önemlerine rağmen, direkt olarak gösterilememişlerdir. Casimir etki onların varlığının, direkt değil, indirekt kanıtıdır. Her yalancı parçacık konservasyon yasalarına uymaz. Yani zıt etkili çiftler halinde ortaya çıkmayabilirler. Yalancı parçacıkların da türleri vardır. Şimdi biraz da onlardan bahsetmek gerekiyor. Elektronların etrafında bir bulut oluşturan yalancı parçacıklar vardır. Onlar için bazan yalancı fotonlar da deniyor.
Elektronla nötrino arasındaki tepkileşmeye kısa bir göz atalım. Elektronun çevresindeki yalancı parçacıklardan W- denen bir parçacık nötrinoya doğru gönderilir ve nötrino tarafından bu parçacık absorbe edilir. Emilir yani. Peki bunun sonucunda ne olur? Çok ilginç ve insan sağduyusu ile bağdaşmayan bir şey olur. W- yalancı parçacığını gönderen elektron nötrino olurken, nötrino elektron olur. Her ikisinin de yükü ve diğer nitelikleri konservasyon yasaları tarafından korunmuştur. Burada aradaki ilişkileri başaran W- yalancı parçacığı bunu karşıtı ile başarmamıştır. Karşıtı ile ortaya çıksaydı böyle bir tepkileşme vuku bulmayacaktı.
Bütün quantum parçacıkların etrafında yalancı parçacıklardan oluşan bir bulutun varlığına inanılmaktadır. Onlar yayılır ve emilirler. Bu yalancı parçacıkların yaşamı ve ne kadar uzağa gidebilecekleri belirsizlik yasaları ile saptanmıştır. Enerjileri ne kadar yüksekse yaşamları ve kat ettikleri mesafe o kadar kısadır. İki madde parçacığı birbirlerine yaklaşırlarsa, aralarında bu yalancı parçacıklar aracılığı ile bir tepkileşme vuku bulacaktır.