Yazan: Ümit Sözbilir
Düzenleyen: Alper Topal
Özet: CERN, Dünyamızın uydusu olan Ay tarafından kütle çekim etkisiyle etkileniyor olabilir mi? Buna benzer etki başka bir yerde olabilir mi?
Giriş
İnsanlığın en büyük merakı nedir? Yıllardan beri insanlar tek bir şeyi merak etti: Gerçeği öğrenmek. Farklı inanışlar insanlara gerçekleri sunduğunu söylese de “doğruyu” ve “gerçeği” her zaman bilim sayesinde bulabiliriz. Bilimsel bir yöntemin nasıl ilerlediğini merak ediyorsanız “Bilimsel Yöntemin Basamakları” adlı yazımızı buradan okuyabilirsiniz.
Mağara döneminden beri belki de insanların aklına en çok takılan soru kim olduğu, nereden geldiği ve nereye gittiğidir. Tarih boyunca birçok düşünür ve bilim insanı bu sorulara cevap vermeye çalışmıştır. Hatta günümüzde de hâlâ bu sorular güncelliğini korumaktadır. İşte tüm bu sorulara yanıt verebilecek şey aslında parçacık fiziğidir! Çünkü parçacık fiziği hem evrenin nasıl oluştuğunu hem de maddenin yapısını araştırmaktadır. Unutmayın, bir şeyle ilgili her şeyi öğrenmek istiyorsanız onun en temelini bilmelisiniz veya onu küçük parçalara ayırmalısınız. İnsanlık eğer maddeyi tam anlamıyla anlarsa maddeden oluşan her şeyi de anlamaya yaklaşır. İşte bu sorulara cevap vermek isteyen bilim insanları 1954 yılında bir laboratuvar kurdular: CERN.
CERN’de Yapılan Çarpıştırmanın Ölçeği
Dünyanın en büyük parçacık fiziği laboratuvarı olan CERN, İsviçre ile Fransa topraklarında bulunmaktadır. CERN, birden fazla deneyin aynı anda yürütüldüğü bir yer olup dünyanın en büyük çarpıştırıcı düzeneği ve deneyi olan Büyük Hadron Çarpıştırıcısı (BHÇ) ile de bilinmektedir. BHÇ’de yapılan deney aslında hidrojen elementinden protonları ayrıştırıp bunları vakumlu borulara zıt yönlerde hareket edecek şekilde yönlendirmek ardından elektromanyetik kuvvet yardımıyla bu protonları çok yüksek enerjilere çıkartmak ve belli başlı yerlerde (ki bu yerler aslında algıçların olduğu yerlerdir) çarpıştırmaktır. 27 km’lik bir çevreye sahip olan çembersel hızlandırıcı içerisinde hareket eden protonları kafa kafaya çarpıştırmak oldukça büyük mühendislik becerisi gerektirmektedir. Burada yapılan işin ne kadar hassas olduğunu şöyle bir örnekle açıklamaya çalışalım: 15 Temmuz Şehitler Köprüsünün (eski adıyla Boğaziçi Köprüsü) iki ucunda birer kişi olsun ve başlarından bir adet saç teli koparsın. Ardından bu saç tellerini birbirlerine doğru fırlatsınlar. İşte bu iki telin çarpışmasının hassasiyetinde bir çalışmadan bahsediyoruz.
CERN’de Eskiden Kullanılan Çarpıştırıcı
Deney düzeneği çok hassas olunca yapılan ölçümler de oldukça hassas olmaktadır. BHÇ, 2010 yılında çalışmaya başlamasına karşın BHÇ’den önce Büyük Elektron-Pozitron Çarpıştırıcı1 (LEP) denilen bir hızlandırma düzeneği bulunmaktaydı. LEP, 1989-2000 yılları arasında hizmet vermiş olup birçok deneyin gerçekleşmesine olanak sağlamış ve internetin icadı, ilk karşıt hidrojenin üretimi gibi bilimsel gelişmeleri insanlık tarihine geçirmiştir. CERN hakkında sitemizde yazılan diğer yazıları okumak için buraya tıklayabilirsiniz.
Ay’ın Önemi
Çağlardan beri insanların en büyük meraklarından birisi de gökyüzü olmuştur. Karanlık çöktüğünde geceleri aydınlatan gökyüzündeki yıldızlar ve uydumuz olan Ay’dır. Birçok inanışa temel oluşturmuş; insanları etkilemiş; şiirlere, şarkılara, resimlere konu olmuş; insanın temel sorularına cevap olabileceği düşünülmüş ve görece cevap da olmuş olan Ay sizce sadece bunları mı yapmıştır?
Günümüzde de popülerliğini yitirmemiş olan bir hikâyeye geçelim: Kurt adam. Kurt adam efsanesi tarihi oldukça eski olup ilk kez Antik Yunan’da Herodot’un yazdığı “Histories” adlı eserde görülmüştür [1]. Günümüzde bildiğimiz, dolunayda kurt adama dönüşme hikâyesi ise İtalya, Fransa ve Almanya’daki halk masallarında ortaya çıkar [2]. Yıllar içerisinde birçok sürümü çıkan ve farklı kültürlerde farklı şekillerde geçen bu hikâye sonucunda insanlar gerçekten dolunayın kendilerini etkilediğini düşünmüştür. İnsanlara etkisi olup olmaması konusu şimdilik bir kenarda dursun, şimdi gezegenimize olan etkisi hakkında konuşacağız.
Ay Dünya’yı Etkiliyor mu?
4 milyar yıldır evimizin, Dünyamızın etrafında dönerek ona eşlik eden gök cismi sizce Dünya’yı etkiliyor mudur? Buna doğrudan “Evet, elbette etkiliyor. En basit örneğiyle gelgitler bunun bir göstergesidir.” diye bir cevap verebilirsiniz. Eğer cevabı merak ediyorsanız ve gelgitlerle ilgili daha fazla şey öğrenmek isterseniz sitemizde bulunan “Gelgit Nedir ve Nasıl Oluşur?” adlı yazımızı buradan okuyabilirsiniz.
Dünya’daki büyük su kütleleri kütle çekim etkisiyle hareket ediyor olabilir ama Ay’ın hareketi bunlarla mı sınırlı? Gelin bunun cevabını almak için biraz zamanda geriye gidelim.
Ay’ın CERN’e Etkisi
Yıl 1992. Yer: İsviçre’de bulunan CERN’in LEP deneyindeki kontrol odası. Atomaltı boyutta hassasiyete sahip olan bu devasa cihaz 3 yıldır çalışıyor ve veri topluyor. İşin arkasındaki fizikçiler sürekli olarak testler ve sistemin doğru çalışıp çalışmadığı konusunda toplantılar yapıyorlar. Yazının başında atomaltı parçacıkları çarpıştırma konusunda saç teli örneği vermiştim. Bu hassasiyette gün boyu birçok defa çarpışan elektron ve pozitronlar ne hikmetse günün belirli bir anında bir sonraki çarpışmalarını gerçekleştiremiyor. Durumu fark eden bir fizikçi bu çok hassas ve hatasız kabul edilebilecek cihazda bir sorun olduğunu düşünüyor ve kontrol odasında bulunan gözlem defterine notunu alıp sorumlu kişileri bilgilendiriyor. Parçacık demetlerinin bir defa birbirini ıskalaması gözünüze önemsiz gelebilir belki ama burada aslında çok ciddi bir sorun var: Bu kadar hassas olan bir cihaz düzgün çalışmıyor! Eğer böyleyse alınacak ölçümler ve varılacak sonuçlar ne derece güvenli olurdu? Uzman fizikçiler sorunu anlayabilmek için çok ince detayları da düşünüp hatanın nereden kaynaklandığını bulmaya çalıştı. Düz bir doğrultuda hareket eden parçacıklardan oluşan ışın demeti nasıl olur da deney düzeneği üzerinde bir değişiklik yapılmadığı hâlde yolundan sapabiliyor? Elektromanyetik kuvvet ile odaklanan bu parçacık demetini yolundan saptıran ne olabilir?2
Yapılan incelemeler sonucunda deney düzeneğinin hizalanmasının günde iki kez değiştiği keşfediliyor. Bu değişim tam olarak 1 mm idi. Evet, 27 km büyüklüğünde olan düzenek 1 mm yer değiştiriyordu. [3] Böylesine büyük bir şeyin böylesine hassas ölçülmesi çok güzel değil mi? Bilim gerçekten büyüleyici değil mi?
Peki bu 1 mm değişim parçacıkları yolundan saptıran temel sorun muydu, cevap “evet”. Gün içerisinde 2 defa çarpıştırıcının boyu değişiyor, bundan dolayı parçacıklar gün içerisinde defalarca kez gerçekleştirdikleri çarpışmaların 2 tanesinde çarpışmakta sorun yaşıyordu. Elbette bu farkın tersinin uygulandığı bir düzeltme faktörü sisteme eklenip değişimin önüne geçilmişti. Günün hangi zamanı değişim gerçekleştiği tespit ediliyor ve o zaman düzeltme yapılıyor. Böylelikle sistem düzgün bir şekilde çalışmaya devam ediyor. [3] [4]
Sebebin ne olduğunu düşünen fizikçiler cevabı kafalarını gökyüzüne kaldırdıklarında buldular. Birçok bilim insanı tarafından dünyanın en zeki insanı olarak gösterilen Isaac Newton, 1600’lü yıllarda Ay’ın kütle çekimsel etkisinin Dünya’da sadece suları değil kabuğu da hareket ettirdiğini söylemişti. Gerçi bu söylem MÖ 100’de Poseidoinos tarafından ortaya atılmıştı ve Newton tarafından desteklenmişti. Buna karşın deneysel ispatın 1940 yılında Amerikalı Jeofizikçi Chaim Leib Pekeris tarafından gerçekleştiğini biliyor musunuz? [5] Tam olarak 2.000 yıllık bir gizem. Ay’ın gelgit hareketi Dünya’da sadece suları hareket ettirmiyor aynı zamanda toprağı da hareket ettiriyor. Eğer bu kütle çekimsel etki Güneş’in kütle çekimiyle birleşirse etki görece daha büyük oluyor ve toplamda Dünya’nın yerel çapı 25 cm kadar değişiyor. Bu da hızlandırıcının uzunluğunu 1 mm değiştiriyor. Saç telinden daha hassas3 bir çarpıştırma düzeneğinde bu değişim oldukça büyük bir sorun yaratmaktadır. [4]
Jüpiter ile Io’nun Kütle Çekimsel İlişkisi
Peki bu gelgit hareketinin etkisi sadece Dünya’yı ve sadece CERN’ü mü etkiliyor? Bu etkiyi başka yerde görmek mümkün mü? Cevap yine “evet”.
Jüpiter’in uydusu olan Io’da NASA’nın Voyager 1 uzay aracı tarafından 1979 yılında yapılan araştırmalarda bu etki gözükebilir. Io, üzerinde 400’den fazla aktif yanardağ barındıran, Güneş sistemindeki jeolojik olarak en aktif gök cismidir. Jüpiter yaklaşık olarak Dünyamızın 318 katı büyüklüğündedir ve bu büyüklükte bir gök cismi, etrafındaki diğer gök cisimlerine oldukça büyük kütle çekim kuvveti uygulamaktadır. Burada sizlerin hayal dünyasına bir düşünce bırakmak istiyorum: Dünya’nın %1,2’si büyüklüğünde olan Ay’ın Dünya üzerindeki etkisiyle Dünya’nın 318 katı büyüklüğünde olan Jüpiter’in kendi uydusu olan Io üzerindeki etkisini kıyaslayın. Ne kadarlık bir fark olduğunu isterseniz yorum olarak yazın. Ben şimdilik cevabı vermiyorum lakin bu büyüklüğün çok fazla olduğunu belirtmek istiyorum. İşte bu yüzden Io’da gelgit ısınması denilen bir olgu vardır.
Dünya’nın iç sıcaklığının radyoaktif ısınmadan kaynaklı olmasına karşın Io’nun iç sıcaklığı gelgit ısınmasından kaynaklıdır. Jüpiter’in büyük kütle çekim etkisi sebebiyle Io’nun şekli sürekli olarak değişmekte ve bu da iç yapısında ısınma meydana getirip volkanik faaliyetlere sebebiyet vermektedir.
1 İng. Large Electron-Positron Collider.
2 Kütle çekim kuvvetinin etkisi aslında o kadar zayıftır ki sadece büyük cisimler üzerinde büyük etkiye sahiptir. O yüzden atomaltı parçacıklarla ilgili çalışmalarda bu kuvvet pek dâhil edilmez.
3 Bir saç teli takriben 8×10−5 m iken deneydeki parçacıklar takriben 10−18 m’dir. [6]