BBC Earth, 2016 yılında bilim insanlarından 12 denklem içinden "en güzel denklemi" seçmelerini istedi ve bilim insanları en güzel denklem "Dirac denklemi" dediler.

Dirac denklemi, nasıl oldu da en güzel denklem tahtına oturdu?

Bunu anlayabilmek için zamanda geriye, 1900'lerin başına gitmemiz gerek.

Biliyorsunuz 20. yüzyılın başlarında Kuantum ve Görelilik kuramları fiziği temellerinden sarsmaya başlamıştı. 1900'de Max Planck ışık dalgalarının "kuanta" adı verilen küçük paketçikler halinde yayıldığını söylerken mikro dünyanın; Albert Einstein görelilik kuramları ile uzay-zaman ve kütle-enerji arasındaki ilişkiyi kurarak makro dünyanın kapılarını aralıyordu.

Bu kuramlar birbiri ile çelişen kurallar bütününe sahipti. Buradaki temel sorun kuantum kuramının ışık hızına yakın hareket eden parçacıklar için geçerli sonuçlar vermesiydi. Daha sonrasında Görelilik Kuramı ile Kuantum mekaniğini birleştirme fikri tüm fizikçilerin ortak rüyası haline geldi.

Paul Dirac, 1928 yılında elektronun dalga fonksiyonunu tanımlamak üzere bir denklem yazdı. Dirac denklemi olarak bilim tarihinde yerini alan bu denklem, elektronlar için iki farklı çözüm veriyordu. Çözümlerden biri pozitif enerjili, diğeri ise negatif enerjili elektronları adresliyordu. Dolayısıyla bu denklem, negatif yüke sahip elektronun aynı zamanda pozitif yüklü de olabileceği fikrine yol açtı.

Dirac, yükleri farklı ama diğer tüm özellikleriyle bire bir aynı olan iki karşıt parçacığın var olabileceği şeklinde yorum getirdi. Örneğin bir elektron için her yönüyle aynı ama pozitif yük içeren bir karşıtı var olmalıydı. Ancak klasik fiziğe göre bir parçacığın enerjisi daima pozitif olmalıydı.

Dirac Denklemi

Ve bilim dünyası ilk kez karşıt madde ile tanıştı. Karşıt madde, bilinen tüm parçacıkların ayna görüntüsü olan antimaddenin varlığını öngörüyordu. 

Dahası bizim evrenimizin dışında temel yapıtaşları karşıt madde olan bir evrenin varlığı da sözkonusuydu.

Antimadde için aranan kanıt 1932 yılında kozmik ışınları araştırırken geldi.

Kozmik ışınlar

1896 yılında Becquerel'in radyoaktiviteyi keşfi sonrası bilim insanları doğada mevcut radyasyon kaynaklarının araştırılmasına yöneldiler. Yapılan çalışmalara göre yer kabuğunda bulunan uranyum, toryum ve potasyum-40 gibi radyoakif elementler radyoaktif ışınların kaynağını oluşturmaktaydılar.

Dolayısıyla yerküre üzerinde radyasyon seviyesi yer yüzeyinden yukarı doğru gidildikçe azalması gerekiyordu.

Avusturyalı fizikçi Victor Hess atmosferin belirli seviyelerinde radyasyon miktarını belirlemek üzere bir balona binerek bir dizi ölçümler yaptı ve beklenmedik bir sonuçla karşılaştı. 1911 ve1912 yıllarında sürdürülen çalışmada görüldü ki yerden yükseldikçe radyasyon seviyesinde beklenilen azalma yok: Özellikle 1 km'den daha yukarıya çıkıldıkça radyasyon seviyesinde büyük ölçüde artış görülüyor.

 Kozmik ışın sağanağı

Bunun nedeninin Güneş kaynaklı olabileceğini düşünen Hess, 7 Nisan 1912'de gerçekleşen tam Güneş tutulması sırasında 5300 metreye kadar çıktı ve radyasyon seviyesinin yeryüzünün iki katı kadar arttığını gördü. Dolayısıyla kaynağın Güneş olamayacağına karar verdi.

Söz konusu radyasyon belli ki çok daha uzaklardan geliyordu. Uzayın derinliklerinden Dünya'mıza ulaşan bu yüksek enerjili ışınlar "kozmik ışınlar" olarak adlandırıldı.

Kozmik ışınlar, uzaydan gelen çok yüksek enerjili parçacıklardı ve Dünya atmosferine girdiklerinde diğer parçacıklarla çarpışarak düşük enerjili parçacık sağanağı oluşturmaktaydılar.

Karşıt madde ve pozitron

Hess'in bu keşfi parçacık ve nükleer fizikte yeni keşiflerin önünü açtı.

Nitekim bundan 20 yıl sonra,1932 yılında kozmik ışınlar üzerinde çalışan Amerikalı bilim insanı Carl Anderson, atmosferde elektrona benzer parçacık izleri gördü. Bunlar elektronla aynı kütleye sahip ancak pozitif yüklü bir parçacığın bıraktığı izlere benziyordu.

Bir yıl süren çalışma ve gözlemler sonucu, izlerin elektronun pozitif yüklü bir türü olduğunu ve her birinin kozmik ışınlar tarafından bir elektron ile birlikte üretilmiş olabileceğini düşündü.

Bu parçacıklara pozitif yüklerinden dolayı "pozitron" adı verildi.

Pozitron, elektronun karşıtı yani antimaddesiydi.

Böylece Dirac'ın antimadde öngörüsü doğrulanmış oldu.

Bu kanıtla Paul Dirac 1933 Nobel Fizik Ödülü'nün sahibi oldu.

1912 de kozmik ışınları keşfeden Hess ve daha sonra kozmik ışınlar üzerinde çalışırken 1932'de elektronun karşıtı pozitronu keşfeden Anderson 1936 yılı Nobel ödülünü paylaştılar.

Enerji - madde eşdeğerliği

Keşiflerin arkası geldi ve 22 yıl sonra, 1955 te, protonun karşıt maddesi "antiproton" keşfedildi. Pozitron gibi, antiproton da doğal madde yapısında bulunmuyordu.

Çünkü madde ve antimadde bir arada olduklarında birbirini yok ederken geride enerji kalıyordu.

Buna karşın yüksek enerjili bir fotonun, bir atom çekirdeği ile çarpışarak bir proton-antiproton çifti yaratabildiği gözlendi.

Enerji-madde eşdeğerliği

Ve Einstein bir kez daha haklı çıkmıştı.

Dirac denklemi, niye en güzel denklem diye sormuştuk. Bilim insanları onu seçtiler çünkü Dirac denklemi devrimsel bir öngörüyle antimaddenin varlığını öngörüyordu.

Bu denklem, madde - antimadde olgusunu fiziğe getirirken iki önemli kuramı da bir araya getirmişti: Küçük nesnelerin davranışını tanımlayan Kuantum Kuramı ve Einstein'ın hızlı hareket eden nesnelerin davranışını tanımlayan Özel Görelilik Kuramı. 

Antimadde, gizemli olmasının yanı sıra evrenin varoluşunun da aktörü. Biliyorsunuz, Büyük Patlama anında saf bir enerji çıkışı olmuştu.

Patlama sonrası ilk 1 saniye içinde bu enerji parçacıklarından madde- anti madde çiftleri oluştu. Eşit olması beklenen madde - antimadde miktarı arasında madde lehine çok küçük bir asimetri vardı. Bu madde - antimadde savaşını çok küçük bir farkla madde kazandı ve günümüz evreni oluştu.

Madde - antimadde eşit miktarda olmuş olsalardı hepsi birbirini yok edecek ve bugünkü evren oluşmayacaktı. Muhtemelen yeni bir Büyük Patlama gerçekleşecekti.

Peki savaşı madde değil de antimadde kazanmış olsaydı ne olurdu?

Yine bir evrenimiz olurdu; o zaman evrenimizi oluşturan tüm parçacıklar antimadde parçacıkları olurdu.

Yani bizim ayna görüntümüz!

Belki de her durumda biz yine var olurduk!

Kaynakça:

https://timeline.web.cern.ch/victor-hess-discovers-cosmic-rays-0

https://home.cern/science/physics/antimatter