“Gerçek Kütle” nedir…? (True nature of Mass…?)

mass2

Kuarklar

(Kaynak: PBS  Spacetime)

Madde  ve kütlenin  gerçek  tabiatı… biraz zor  bir  konu…!  Videodan  yakalamaya çalışınca  daha  da  zor  oldu…

Bu  yazı  PBS  Spacetime tarafından  hazırlanan  ve  kaynağı  yazının  sonunda belirtilen  bir sunumdan  istifade  edilerek  hazırlandı…

*

Einstein  bize  madde,  kütle  ve  zamanın  birbiri  ile  (ilişkili doğasından  dolayı)  ilişkili  (intrinsictly  connected)  olduğunu  söyledi…

“Kütle” (mass)   ve  “zaman” (time)  gerçekten mevcut  mu…?

Bir  cismin ışık hızında  hareket  edebilmesi  için kütlesinin sıfır  olması  gerekiyor. Kütle cisimlerin  hızının  ışık hızına  (speed of  causality) ulaşmasını  engelleyen  bir “şey”…!  Bunu  anlayabilmek  için, önce,  daha  derin  bir  soru  olan madde  ve zamanın  kökenini  açıklamak  gerekiyor…

Metal  atomlarının  kütlesinin  büyük  bir  kısmı,  proton  ve nötronların içindeki  kuarkları protona/nötrona  bağlayan  enerjiden (binding  energy)    ve  kuarkların  kinetik  enerjisinden  gelir.

Bu  noktada, daha fazla  yol  alabilmek  için, enerjinin  ne  olduğunu  açıklamak  gerekiyor…

Bir  obje  kütle  uyguladığında  (exerting  mass)  enerjisine  ne  olur…?

Bir  an  için kütlenin  kütleçekimi (gravitasyon)  etkisini  bir tarafa  bırakalım  ve  kütlenin cismin  ivmelenmesine karşı  direncini, yani,  eylemsizlik kütlesini  (inertial  mass)  dikkate  alalım…

Bir düşünce  deneyi tasarlayalım… İçi  foton  dolu ve  iç yüzeyi (duvarları)  aynalarla kaplı  olan,  kütlesiz (kütlesi  sıfır)  bir  kutu  düşünelim…  Kutunun  duvarları, fotonların  çarpmaları sebebiyle  aynı  miktarda  basınca  maruz  kalacağından kutu  ya hareketsizdir  ya  da   daha önceden  sahip  olduğu  hız  sebebiyle, sabit  bir  hızla  hareket  eder…

Kutuya  küçük  bir  kuvvet (itki)  uyguladığımızda, kutunun  hareket  yönüne  göre, arka  duvarı  fotonlara  yaklaşır  ve  fotonların  daha  önceki  çarpmalarına kıyasla,  daha  büyük  bir  çarpma basıncına  maruz  kalır… Kutunun  hareket  yönüne  göre  önde  olan  duvarı  ise, fotonlardan  uzaklaşacağı  için,  bu  duvara  etki  eden  basınç  azalır…

Kutuda  ortaya  çıkan  bu “geriye  doğru  itme  kuvveti” (backward  force)  itki  sebebiyle  ortaya  çıkan hıza/hız  artışına  bir direnç  olarak  hissedilebilir…

Bu  deneyde  fotonlar  kutunun  duvarına  kuvvet  uygularken,  (etki-tepki  prensibi  gereği) kutu  da  fotonların  üzerine  kuvvet  uygular…

Newton’un  üçüncü  kanununa  göre,  sistemin  momentumunda (hareket  miktarında)   artma  veya  azalma  olmaz…momentum  korunur (conservation  of  momentum)…

Bu  deneyde, kutunun  kaybettiği  momentum  fotonlara  transfer  olur…Kutunun  hareketi  durdurulursa, momentum  kutu  ve  fotonlar  arasında  eşit  olarak  bölüşülür…fotonların  kutunun  duvarlarına  uygulayacağı basınç  eşitlenir…

Kutunun  ivmeli  hareketi  devam  ettiği  sürece, basınç  farkı  sebebiyle  ortaya  çıkan  direnç  (kütle  etkisi)  bilinen kütleden  ayırdedilemez…Çünkü  bu,  (hissedilen)  bilinen  kütledir…

Sonuç  olarak,  fotonların  ve  içinde  bulundukları  kutunun  kütlesi  sıfır  olduğu  halde, ivmeli  hareket, kutuya,  içindekilerle  birlikte  kütle  kazandırır…!  Bu deneyde  kutunun  kazanacağı  kütle fotonların  enerjisinin  ışık  hızının  karesine  oranı  kadardır…

M = E / C2

Bu  eşitlik   sadece  hapsedilmiş  (confined) fotonların enerji  değişimini  kapsamayıp, kütle  ve  hapsedilmiş  enerji  arasındaki  üniversal ilişkiyi  kapsadığından, açıklamamıza  başka  bir  deneyle  devam  edelim…

Sıkıştırılmış  bir  yay serbest  haldeki  yaydan  daha  fazla  enerji  barındırır…potansiyel  enerji  depolar…  Bu  durumda, sıkıştırılmış  bir  yayın  kütlesi   serbest  haldeki  yayın  kütlesinden  daha  büyük  müdür…?  Şaşırtıcı  olarak,  bu  sorunun  cevabı:  “evet”tir…!

Bir   helezon  yay  bir  ucundan  itildiğinde,  tüm  yay aynı  anda  hareket  etmez…Yay, ancak, itilen  uç  bölgesinde  ortaya  çıkan  sıkışma  (basınç) dalgası  yayın  sonuna  ulaştıktan  sonra hareket  eder… Sıkıştırılmış  durumdaki  yayın ucunda  basınç  dalgası  yaratılması  serbest haldeki (relaxed)  yaya  göre  daha  zordur…Bu  (sıkıştırılmış) yay  daha  büyük  kütleye  sahipmiş  gibi  hissettirir  ki… gerçekten  de  öyledir…!

Bu  kutu  ve  yay  deneylerinde, görünüşte çok  farklı  olan  bu  iki  fiziksel  etki,  enerji-kütle  dönüşümü  için,   aynı  yasaya (E = M.C2)  göre  gerçekleşir…!

Çünkü, altındaki  sebep  enerji-kütle  etkileşimin  ışık  hızıyla  yayılmasıdır.

Foton  kutusundaki  fotonlar  ve  yaydaki  yoğunluk  dalgası (density  wave), atomlar arasında  elektromanyetik etkileşmelerini, ortaya  çıkan basınç  dalgası  ışık  hızı  ile  hareket  etmese  bile,  ışık  hızıyla  yapar…

Proton  nasıl  oluşur…?

Bir protonun  enerjisinin  yüzde doksandokuzu  kuarkların (quark) tireşim  enerjisi  ile  gluon  alanının bağlama (binding)  enerjisidir. Kuarkların kendi  doğal  kütlelerinin  protonun  kütlesine  katkısı  çok  küçüktür.  Bu  sebeple,  bir  proton  foton  kutusu  ile  yayın  birleşimi  gibidir.

Gluon  alanında seken  quarklar  potansiyel  enerji  depolamış,  sıkıştırılmış  yay  gibi  davranır.

Daha  önce  görüldüğü  gibi, elektronlar  ve  kuarklar  çok  küçük  kütleleriyle     Higgs  alanında (Higgs  field) bir  çeşit   tutsaklık yaşarlar… Higgs  alanı  ortadan kaldırıldığında  ise,  kütlesiz  fakat  ışık  hızıyla  hareket  eden parçacıklar  olurlar…

Kütleli  her  parçacık, evrende  ışık  hızı  ile  serbestçe  hareketi  engellenmiş   (doğal  olarak  kütlesiz)  parçacıklar  ile, bu  parçacıkları hapseden  alanlardır.  Bu  sebeple, kütle  doğal  bir  özellik  olmayıp,  kütlesiz  parçacıklar  ile  alanların  etkileşiminin  bir  sonucu  olarak  ortaya  çıkan  ve   ivmelenmeye  direnen  bir  özelliktir.

Harekete  direnen kütle (inertial  mass)   parçacıklar  bütününün  (ensemble)  kazandığı  bir  özelliktir…

Yine  de, gravitasyondan bahsetmeden   büyük kütleli  cisimlerden  bahsedemeyiz…

Büyük  kütleli  cisimler  kütleçekimi (gravite)  uygular  veya  kütleçekimi   kuvvetine  reaksiyon  gösterir ki,   buna  gravitasyon  kütlesi  (gravitation  mass) denir…

Foton  kutusundaki   eylemsizlik  kütlesi   (inertial  mass)  gravitasyon  kütlesine  nasıl  dönüşür…?

Einstein’in  genel  görecelikte  tanımladığı uzay-zaman (dokusu) tanımını  kabul  ettiğimizde  foton  kutusunun  hissettiği  kütle  çekimini     kabul  etmek  zor değildir… Eşdeğerlilik  prensibi  bize, uzayda  ivmelenme  ile  hissedilen    etkinin gravitasyon  alanında  hissedilen ağırlık  ile aynı   olduğunu  söyler…

Foton  kutusunu  Dünyanın  kütleçekimi  etkisi  altında  tuttuğumuzda, uzayda  1  “g”lik  ivmelenmeye  maruz  kalınmış  gibi  (kuvvet)  hissederiz.  Foton  kutusu,  sıkıştırılmış “serbest (relaxed)  yay”ın sıkıştırılmasına  kıyasla, önceden sıkıştırılmış  bir  yayın (tekrar)   sıkıştırılmasında ortaya  çıkan  güçlük  gibi, kendini  gravitasyon  alanında daha  ağır (büyük  kuvvet)  hissettirir. 

Eşdeğerlilik  prensibi  bize,  bir  objenin  gravitasyonel  kütlesi  ile eylemsizlik kütlesinin  aynı  olduğunu  söyler.  Fakat, kütle  sadece gravitasyon  alanına  karşı tepki  göstermez, aynı  zamanda  onu  yaratır…!

Kütle (mass) uzay-zaman  dokusunu  eğer (curve)…

Gerçekte,  uzay-zamanı  sadece kütle  eğmez…  Mevcut  olan enerji  akışı,  momentum  ve basıncın  da,  uzay-zaman  üzerinde, oldukça  farklı  etkileri  mevcuttur.

Tekil  fotonlar  bile  uzay-zamanı  etkiler,  bir  kutuya  hapsedildiklerinde  yarattıkları uzay-zaman eğilmesi   gravitenin  sebep  olduğu  gibidir.

Kısaca, hapsedilmiş  kütlesiz  parçacıklar  çok  gerçekçi  bir  gravitasyon  alanı  yaratırlar.

Bu  sebeple, kütle, kütlesiz parçacıkların  etkileşiminin  birlikte  ortaya  çıkardıkları (emergent) bir    özelliktir…

Peki…”zaman”  nedir…?

Tekil  bir  foton için  “zaman” yoktur…zamanı  hissetmez…!  Bu  durum  tüm  kütlesiz  parçacıklar  için  geçerlidir…

Fakat,  foton  kutusunun  bir  kütlesi  olduğundan, zamanı  hissetmesi  gerekir…!

Bu  “zaman”  nerede  ve  ne  zaman  ortaya  çıkar…?

Tekil  fotonlarda bu zaman  algısı  yokken, kutu  içinde,  bir  taraftan  diğer  tarafa  hareket  ederken, kutunun duvarlarından  sekerken  zaman  gerçekleşir  mi; sarfedilir  mi…?  Fotonların bir  arada  oluşuyla   zaman  hissedilir  mi…?

Higgs  alanı,  sürtünme  gibi, parçacıkların  hızını  yavaşlatmazken,  onların hızlanmalarını  zorlaştıracak atalet (inertial  mass) kazandırır…! Parçacıkların  hızlanmasını ve yavaşlamasını zorlaştırır…Onların  ışık  hızına  ulaşmasını  engeller…

Sağ-el  elektronu (right-hand  electron) zayıf  hiper-şarja  sahip  değilse,  kütlesiz  olmak  zorunda  değil  mi…?  Cevabı  evet  ve  hayırdır…!   Sağ-el  elektronu  Higgs  alanından  etkilenirken bir  miktar zayıf  hiper-şarj  kazanır…

Bir  elektron,  “Plank  Zamanından” (Plank  Time)  daha  kısa  sürelerde,   sağ-el  ve  sol-el  karakterleri  arasında  geçişler yapabildiğinden,  aynı  anda  sağ-el  ve  sol-el durumunda  olması  sözkonusudur…!  Burada,  elektronun  güncel (anlık)  durumunda  bir   kuantum  bulanıklığı (blur) sözkonusudur…

Sağ-el / sol-el  tipi  çıplak  elektron  kütlesizken, bu  kompozit  elektron  kütleye  sahiptir…

Çok  aşırı  sıcaklıklarda Higgs  alanı  sıfır  değerinde  olabilir…  Büyük  Patlamadan  sonraki saniyenin  kesrinde böyle  bir  ortam  mevcuttu…  Zayıf  nükleer  kuvvet  ve   elektromanyetik  kuvvet  aynıydı…Evrenin  soğumasından  sonra meydana  gelen  simetri kırılması (spontaneous  symmetry  breaking)  sebebiyle  Higgs  alanı  sıfırdan  farklı  bir  değer  kazandı  ve zayıf-kuvvet  taşıyıcıları  kütle  kazanarak, elektromanyetik  kuvvetten  ayrıştı…

Daha  sonraki  dönemde  Higgs  alanı  daima mevcut  oldu…

 

Yararlanılan  Kaynak:

https://www.youtube.com/watch?v=gSKzgpt4HBU

 

Bir Cevap Yazın

Aşağıya bilgilerinizi girin veya oturum açmak için bir simgeye tıklayın:

WordPress.com Logosu

WordPress.com hesabınızı kullanarak yorum yapıyorsunuz. Çıkış  Yap / Değiştir )

Twitter resmi

Twitter hesabınızı kullanarak yorum yapıyorsunuz. Çıkış  Yap / Değiştir )

Facebook fotoğrafı

Facebook hesabınızı kullanarak yorum yapıyorsunuz. Çıkış  Yap / Değiştir )

Google+ fotoğrafı

Google+ hesabınızı kullanarak yorum yapıyorsunuz. Çıkış  Yap / Değiştir )

Connecting to %s