Bilim insanları Evren’in ilk anlarını laboratuarda yarattı. Sırada ışıktan madde yaratmak, masaüstü mini parçacık hızlandırıcılar geliştirmek ve bu sayede uzay gemilerine antimadde yakıtı üretmek var.
Dijital filozoflar Evren’in bir simülasyon olduğunu düşünürken fizikçiler de büyük patlamayı anlamak için laboratuarda kainatın başlangıç koşullarını yaratıyor. Queen’s Üniversitesi araştırmacıları test tüpünde eşit miktarda madde ve antimadde içeren egzotik plazma oluşturdular. Amaçları ise varoluşun en büyük gizemlerinden birini çözmek: İçinde bulunduğumuz evren neden antimadde yerine maddeden oluşuyor?
Bu soru önemli, çünkü kuantum fiziğine göre büyük patlama sırasında eşit oranda madde ve antimadde oluştu. Üstelik bu ikisi birbiriyle temas ettiği an büyük bir enerji açığa çıkararak yok oluyor. Öyleyse Evren neden dev bir antimadde patlamasıyla yok olmadı? Neden eşit miktarda madde ve antimadde birbirini yok ettikten sonra geriye 200 milyar galaksiyi oluşturacak kadar madde kaldı? Bilim insanları maddenin nasıl üstün geldiğini anlamak ve Evren’in nasıl hayatta kaldığını açıklamak istiyor.
Bir Varoluş Sorunu
Queen’s Üniversitesi Matematik ve Fizik Profesörü Gianluca Sarri ve ekibi, bunu çözmek için laboratuarda güçlü lazer ışınları ile madde ve antimadde plazması yarattı. Sarri, madde−antimadde plazmasının Evren’in doğumundan sonra saniyenin ufak bir kesrinde var olduğunu, ama hemen ardından uzaydaki galaksileri oluşturan madde plazmasına dönüştüğünü söylüyor:
“Fizikteki en büyük gizemlerden biri Evren’in antimaddeden daha fazla madde içermesidir. Oysa ikisi arasındaki tek fark antimadde ile maddenin zıt elektrik yüküne sahip olması. Örneğin anti elektronların, yani bilimsel adıyla pozitronların elektrik yükünün pozitif olduğunu biliyoruz. Fizik biliminin bu gizemi çözmesi ve birbirine denk olan iki madde türünün Evren’de neden eşit miktarda bulunmadığını açıklaması gerekiyor. Bu sorunun cevabını vermek üzere Evren’in doğumunda var olduğunu düşündüğümüz egzotik madde−antimadde plazmasına odaklandık ve kısa bir süre önce laboratuardaki test tüpünde antimadde plazması yaratmayı başardık.”
Maddenin Dört Hali
Fizikte maddenin dört temel hali bulunuyor: Katı, sıvı, gaz ve plazma. Plazma, atomların elektronlarını kaybettiği ve elektronların atomlarla birlikte serbestçe yüzdüğü süper sıcak gazdan oluşuyor. Ancak Evren’in başlangıcında maddenin bir de egzotik hali vardı. Bilim insanları bunu madde−antimadde plazması olarak adlandırıyor. Egzotik plazmada madde ile antimadde arasında kusursuz bir simetri bulunuyor. Simetrik plazma ortamında parçacıkların birbirine temas etmemesi, madde ve antimaddenin çarpışarak yok olmasını kısa süre için önlüyor.
Evren son 13 milyar yılda oldukça soğuduğu için egzotik plazma günümüzde sadece kara delikler ve nötron yıldızları gibi sıra dışı gökcisimlerinin çevresinde yer alıyor. Ancak Evren, yaratılışın ilk saniyesinde trilyonlarca derece sıcaklıktaydı ve uzaya egzotik plazma hakimdi. Oysa büyük patlamadan 0,0001 salise sonra başlayıp yaklaşık 10 saniye süren lepton çağında büyük miktarda madde ve antimadde birbirini yok etti, böylece geriye Evren’i oluşturan madde kaldı.
Tehlikeli Madde
Gianluca Sarri araştırmaların riskini anlatırken “Antimaddeyle oynamak tehlikelidir” diyor, “ancak şansımıza laboratuarda büyük bir patlamaya yol açacak kadar çok antimadde üretemiyoruz ve bu aynı zamanda şanssız olduğumuz bir nokta. Çünkü antimadde ve madde parçacıklarını bir arada oluşturmaktaki en büyük sorun, bunların birbiriyle temas eder etmez parlak bir ışık patlamasıyla yok olması. Neyse ki bu bir anda olmuyor ve biz de saniyenin çok ufak bir kesrinde antimadde plazmasını test tüpünde gözlemleyebiliyoruz.”
Bilim insanları daha önce parçacık hızlandırıcıları kullanarak süper sıcak kuark−gluon plazması yaratmayı başardılar. Ancak, Evren’in nasıl meydana geldiğini açıklamak için madde-antimadde plazması oluşturmak bugüne dek mümkün olmadı. Öyle ki CERN bünyesinde yer alan Büyük Hadron Çarpıştırıcısı bile egzotik plazma üretemedi. Öte yandan Profesör Sarri’nin İngiliz, Alman, İtalyan ve Portekizli araştırmacılardan kurulu uluslararası ekibi büyük yatırım ve enerji gerektiren parçacık hızlandırıcılar yerine sadece lazer ışınlarından yararlanarak bunu başardı.
Evcil Evren
“Bu deneylerden yola çıkarak parçacık hızlandırıcıların gelecekte lazer ışınlarıyla çalışacağını söyleyebiliriz. Henüz elimizde masaya sığacak kadar küçük lazerler yok, ama İngiltere Oxfordshire’daki Rutherford Appleton Laboratuarı Ana Lazer Tesisi’ndeki kompakt lazerleri kullanarak büyük ilerleme kaydettik. Tesisteki ultra vakum odasında dünya atmosferinden yüz milyon kat seyrek bir boşluk yarattık ve gökteki Güneş’ten 1 milyon trilyon kez daha parlak olan lazer ışınları kullandık. Süper parlak lazer ışınlarıyla azot gazını ısıttık ve elektronları plazmadan kopararak plazma içerisinde neredeyse ışık hızında gitmelerini sağladık.”
Lazer deneyi sırasında elektron ışınları test odasının kenarındaki kurşun bloktan sekerek yavaşladı ve yavaşlayarak eneri kaybederken ortama foton parçacıkları saldı. Fotonlar da test odasının çeperleriyle etkileşime girerek elektron ve pozitron çiftleri (egzotik madde-antimadde plazması) oluşturdu. Sarri bu deneyin fizikte çığır açacağını söylüyor: ”Maddenin antimaddeye üstün gelmesine ek olarak egzotik plazmanın süper güçlü lazer ışınlarına nasıl tepki gösterdiğini izledik. Artık egzotik plazmanın vakumda ve seyrek atmosferde nasıl davrandığını biliyoruz ve bu da Evren’deki en güçlü patlamalar olan süpernovaları daha iyi anlamamızı sağlayacak.”
Şişedeki Süpernova
Çarpışan kara delikler, çarpışan nötron yıldızları, yıldız yutan süper kütleli kara deliklerle süpernovalar büyük miktarda enerji üretiyor ve bu enerji uzaya gama ışını patlamalarıyla yayılıyor. Egzotik plazmanın Evren’in doğumuyla ilgili olması gibi gama ışını patlamaları da uzaydaki galaksilerin gelişimiyle ilgili bulunuyor. Bu patlamalar galaksilerin termometresi olarak çalışıyor ve bir galaksi ne kadar aktifse o kadar çok gama ışını patlaması üretiyor. Süpernova olarak adlandırılan yıldız patlamalarının yol açtığı gama ışınları aynı zamanda galaksideki yıldızların oluşum hızını gösteriyor.
Imperial College London’dan fizikçi Oliver Pike ve ekibi laboratuarda süper sıcak süpernova plazması yaratarak Evren’in nasıl oluştuğunu anlamaya çalışıyor. Ancak Pike konuya biraz daha iddialı yaklaştıklarını kabul ediyor: “Amacımız biraz da şiirsel bir ifadeyle ışıktan madde yaratmak. Bu tür bir sürecin pratikte mümkün olması hem büyük patlamayı anlamamızı kolaylaştıracak hem de Uzay Yolu’ndaki holo-güverte teknolojisini geliştirmemize imkan verecek. Bildiğiniz gibi holo-güverteler dokunmatik üç boyutlu projeksiyonlar yoluyla gerçeğinden ayırt edilemeyen sanal dünyalar yaratıyor. Dolayısıyla bu teknoloji eğlence sektöründen sanata ve kozmoloji araştırmalarına kadar birçok alanda fayda sağlayacak.”
“Işık Olsun”
Eski Ahit’te Tanrı’nın ışığı yaratmasına karşılık gelen Fiat lux sözünden esinlenen iki Amerikalı fizikçi Gregory Breit ve John Wheeler, 1934 yılında saf ışıktan madde yaratmakla ilgili bir teori geliştirdiler. Ancak o yıllarda bu rüyayı gerçekleştirmelerini sağlayacak teknoloji yoktu ve kısa sürede laboratuar deneylerinden vazgeçmek zorunda kaldılar. Şimdi fizikçi Oliver Pike ve meslektaşları fiziğin en iddialı projelerinden birini gerçekleştirmek üzere süper güçlü lazerlerden yararlanıyor. Altından üretilen bir deney kabına lazer ışınları tutan fizikçiler, fotonları madde ve antimadde çiftlerine dönüştürmek istiyor.
“Ana fikir şu: Işık girer, madde çıkar. Elbette burada ışıktan sandalye veya masa yaratmaktan söz etmiyoruz. Bunun yerine fotonları kullanarak elektron ve pozitron parçacıkları, yani madde ve antimadde üretiyoruz.” Pike’a göre bunun en büyük yararı antimadde üretmek. Gelecekte Avatar filminde olduğu gibi ışık hızının yüzde 70’i ile yakın yıldızlara 10 yılda gidecek uzay gemileri inşa etmek için bol miktarda antimadde yakıtı üretmek gerekiyor. “Elbette lazer ışınlarının gücünü artırarak daha ağır parçacıklar da oluşturabiliriz, ama bu çok enerji gerektiren bir işlem.”
Pike ve arkadaşları ışıktan madde yaratan ilk ekip değil. 1997 yılında Stanford Doğrusal Hızlandırıcı Merkezi’nde (SLAC) çalışan araştırmacılar da farklı bir yöntemle bunu başardılar. SLAC deneyinde elektronlar önce yüksek enerjili fotonlar üretmekte kullanıldı. Bunlar da reaksiyon odasında birbiriyle defalarca çarpışarak pozitron−elektron çiftleri oluşturdu. Breit-Wheeler süreci denilen bu yöntem adını 1934’te teoriyi geliştiren Amerikalı fizikçilerden alıyor.
Bununla birlikte Pike, SLAC deneyinden daha basit bir yöntem kullandıklarını vurguluyor: “Yalnızca iki adımdan oluşan yeni yöntemde lazer ışınını serbest elektronlardan üreteceğiz, ama elektron akışı antimadde plazmasından bağımsız olacak. Bu da işimizi hızlandıracak ama bize boşluktan madde yaratma gücü kazandırmayacak. Sonuçta termodinamik yasaları nedeniyle ışıktan madde yaratmanın pek verimli olmadığı bir evrende yaşıyoruz, ama biz fizikçiler için ışıktan madde yaratmak aynı zamanda ucuza parçacık hızlandırma deneyleri yapmak anlamına geliyor. Asıl amacımız fizik biliminde ilerleme kaydetmek için dünyanın ilk pratik masaüstü parçacık hızlandırıcısını geliştirmek.”
Mini Hızlandırıcılar
“Geleneksel olarak parçacık fiziği deneylerinde atom altı parçacıkları ışık hızına yakın hızlara çıkarıp birbiriyle çarpıştırıyoruz ve patlamayla yaratılan yeni parçacıkları inceliyoruz. Büyük Hadron Çarpıştırıcısı’nda Higgs bozonunu böyle bulduk. Yeni deneyde ise Almanca terimiyle altın duvarlı bir hohlraum’a (boş oda) lazer ışınları tutuyoruz. Odanın altın çeperleri lazer ışınlarından etkileniyor ve lazeri oluşturan fotonlar altın atomlarıyla etkileşime girerek elektron−pozitron çiftlerinden oluşan egzotik plazmayı yaratıyor. Bu basit ve sade yöntem araştırma sonuçlarını hızla analiz etmemizi sağlayacak ve böylece bir deneyi modellemek için yıllarca beklemek zorunda kalmayacağız.”
Pike ve meslektaşları deneylerine başlamak için şimdiden lazer tesislerinde yer ayırtmaya çalışıyor ve öncelikle Berkshire, Aldermaston ile New York, Rochester seçeneklerini değerlendiriyorlar; fakat meslektaşları konuya biraz daha temkinli yaklaşıyor. Örneğin Oxford Üniversitesi’nden Andrei Seryi yeni lazer teknolojisinin henüz prototip aşamasında olduğunu belirtiyor, ama bu gelişmenin heyecan verici olduğunu da gizlemiyor: “Işıktan parçacık üreterek deney yapmak harika olurdu. Yüksek güçlü lazerler sayesinde büyük parçacık hızlandırıcılar inşa etmek zorunda kalmayız. Büyük Hadron Çarpıştırıcısı (LHC) inşaatın 10 yıl sürdüğünü ve bugünün kuruyla yaklaşık 10 milyar dolara mal olduğunu düşündüğümüzde masaüstü mini hızlandırıcılarla çalışmak kulağa cazip geliyor. Özellikle de sistemi her çalıştırdığımızda büyük bir kasaba kadar elektrik tüketmek istemiyorsak.”
Pike ve arkadaşları için sırada şişede süpernova yaratmak var, fakat dijital filozof Nick Bostrom’un dediği gibi bu tür araştırmalar aynı zamanda Evren’in bir bilgisayar simülasyonu olduğu ihtimalini de güçlendiriyor. “Bugün Evren’in başlangıç koşullarını laboratuarda test edebiliyorsak gelişmiş dünya dışı uygarlıkların da kendi bebek evrenlerini yaratabileceğini ve bizim de Evren büyüklüğündeki bir test tüpünde yaşıyor olabileceğimizi kabul etmek gerekir” diyor Bostrom.
