1. Bikifi
  2. Lise Ders Notları
  3. Fizik Ders Notları
  4. Büyük Patlama ve Evrenin Oluşumu

Büyük Patlama ve Evrenin Oluşumu

1. Büyük Patlama Teorisi

Güneş merkezli evren modelinin 16.yy’da ortaya konulması ile dünyanın ve evrenin incelenmesi yönünde bir etki yaratmıştır. 19.yy’da gökbilimci Edwing Hubble’ın yaptığı gözlemler daha büyük etki yaratmıştır. Hubble yaptığı gözlemler sonucu evrenin sabit olmadığını ve sürekli genişlediğini göstermiştir.

Hubble’ın gözlemlerine kadarki süreçte evrenin oluşumu ile ilgili birçok teori ortaya atılmıştır ve bunlardan en çok etki yaratanlar aşağıdaki gibidir.

  • Sabit Durum Modeli: Evren daima aynı ve sabit olduğu görüşünü savunur.
  • Açılıp Kapanan Evren Modeli: Evrenin önce genişleyip sonra büzüldüğünü ve bunun sürekli devam ettiğini savunan modeldir.
  • Sonsuz Evrenler ve Vakum Modeli: İnsanların içinde yaşadığı evren dışında birçok evrenin var olduğunu kabul eden modeldir. Bu sonsuz evrenler sonsuz sayıda sabun köpüğünün bir araya gelip oluşturduğu bir okyanusa benzetilir.

Galaksilerin yaydığı ışık tayfını gözlemleyen Hubble, gözlemleri sonucu çevremizdeki bütün galaksilerin bizden uzaklaştığını ortaya koydu. Hubble yasası olarak bilinen bu yasaya göre galaksiler ile aramızdaki mesafe ne kadar büyük ise galaksinin bizden uzaklaşma hızı da o kadar büyüktür. Bu yasa ışığında düşünürsek. Evrendeki bütün madde ve enerji uzak geçmişte tek bir noktada toplanmış olmalıdır. Bu nokta aşırı yoğun ve sıcak olan küçük tekil bir noktaydı.

Büyük Patlama ve Evrenin Oluşumu

Evreni genişleyen bir balonun yüzeyine benzeten Arthur Eddington galaksileri ise bu balonun üzerindeki noktalara benzetmiştir. Bu benzetme evrenin genişlemesini ve uzaktaki galaksilerin yakın olanlara göre daha hızlı uzaklaşmasını modellemektedir.

Büyük patlamayı zihnimizde canlandırırken çok büyük bir enerji ve kütlenin çok küçük bir noktada toplandığını, saniyeler ve milisaniyeler içinde gerçekleşen değişimlerin çok önemli olduğunu unutmamalıyız..

Büyük patlamadan sonraki ikinci saniyede evren hala aşırı sıcak ve yoğundur. Bu aşamada hala atomlar dahi oluşmamıştır. Teoriye göre dört temel kuvvetin ilk ayrışanı kütle çekim kuvveti olmuştur. Böylelikle evren genişleyip soğudukça kuarklar ve leptonlar yani maddenin yapıtaşı oluşmuştur. Bir dakika sonrasında ise kuarklar ve leptonlar yapışıp protonlar ve leptonlar oluşmuştur. Bunların ardından 3 dakikada protonlar ve nötronlar ilk atom çekirdeklerini oluşturmuştur. 300 bin yıl sonra ise çekirdekler elektronlar ile bağlanarak ilk atomları meydana getirmiştir. 200 milyon yıl sonra ise ilk yıldızlar oluşmuştur.

Büyük patlama teorisini destekleyen en önemli bulgular teleskoplar sayesinde keşfedilmiştir. Büyük patlama fikrinin oluşmasında tetikleyici rol üstlenen Edwin Hubble’dır. Hubble’ın anısına 24 Nisan 1990 da uzaya gönderilen uzay teleskobuna Hubble Uzay Teleskobu ismi verilmiştir. Bilim insanları evrenin genişleme hızının sürekli arttığını bu teleskop sayesinde keşfetmiştir.

Büyük Hadron Çarpıştırıcısı

Büyük Patlama ve Evrenin Oluşumu

Büyük patlamayı destekleyen daha çok bulgu keşfedildikçe bilim insanları büyük patlamayı kontrollü bir ortamda, daha küçük bir ölçekte oluşturmak ve bunun sonuçlarını yeniden gözlemlemek için çalışmıştır.

İsviçre ve Fransa sınırında kurulan CERN’de (Conseil Europeen pour la Recherche Nuleaire-Avrupa Nükleer Araştırma Konseyi) Büyük Hadron Çarpıştırıcısı ismi verilen bir parçacık fiziği labaratuvarı inşa edilmiştir.

Yerin 100 metre altında ve 27 km uzunluğunda halka şeklindeki tünellerde dev mıknatıslar ile zıt yönde hızlandırılan proton demetleri, ışık hızına yaklaştıkları anda çarpıştırılmaktadır. Bu çarpışmalarda ortaya çıkan atom altı parçacıklar, algıçlar(dedektörler) ile tespit edilmektedir. Bu deneyler ile evrenin oluşumuna ışık tutulmaya çalışılmaktadır.

Her yıl lise öğrencileri için CERN’de yarışma düzenlenmektedir. Öğrencilerin CERN’i görüp oradaki labaratuvarlarda çalışma imkanı sağlamaktadır. Merak edenler aşağıdaki linkten ilgili adrese göz atabilir.

https://beamlineforschools.cern/

CERN’de çalışan bir Türk bilim insanı ile yapılan röportajı izlemek için aşağıdaki videoyu izleyebilirsiniz.

2. Atom Altı Parçacıklar ve Standart Model

Atomun maddenin parçalanamayan yapı taşı olduğu bir zamanlar doğru bir düşünceydi fakat 20.yüzyılın başlarında elektron, proton ve nötron gibi atomun daha küçük parçacıkları keşfedildi. Fakat bilim insanları buldukları bu parçacıkların da en küçük yapıtaşı olmadığını bir süre sonra fark etti.

20. yüzyılın ikinci yarısında parçacık hızlandırıcılar ile yapılan deneylerde elektron, proton ve nötronun parçacık fiziğinde sadece buz dağının görünen kısmı olduğu fark edildi. Yüksek enerjili parçacık hızlandırıcılar ile yapılan deneyler ile yeni atom altı parçacıklar keşfedildi. Bu parçacıklar oldukça kararsız yani çok kısa süre gözlemlenebilen kısa ömürlü parçacıklardı.

Deneyler ile elde edilen sonuçlar ışığında tüm atom altı parçacıklar tek çatı altında toplanarak bir nevi soy ağacı modeli çıkarılmıştır. Buna standart model denilmektedir.

Nötronun yüksüz olmasına rağmen manyetik alandan etkilenmesi, nötronun başka parçacıklardan oluştuğu fikrini ortaya çıkarmıştır. Bu tezi doğrulamak için Rutherford deneyine benzer bir düzenek tasarlanmıştır ve yüksek hızlarda proton ve nötronlar çarpıştırılmıştır. Bu deneyler ile proton ve nötronların da kuark adı verilen daha küçük parçacıklardan oluştuğu ıspatlanmıştır. Kuarklar, gluonlar aracılığı ile birbirine bağlanır.

Büyük Patlama ve Evrenin Oluşumu

20. yuzyılda parçacık fiziğinin en büyük başarılarından biri olan standart model Sheldon Glashow, Abdus Salam ve Steven Weinberg tarafından 1960’larda ortaya atılmıştır. Günümüzde atom altı parçacıkları en iyi açıklayan modeldir.

Büyük Patlama ve Evrenin Oluşumu

Standart modele göre maddenin en küçük yapıtaşı kuarklar ve leptonlardır. Bu madde parçacılarına fermiyon denir. Fermiyonlar kesirli spin sayılarına sahip parçacıkların genel adıdır. Evren;kuarklar,leptonlar ve kuvvet taşıyıcılarından oluşmuştur. Madde parçacıkları arasındaki etkileşimlere aracılık eden kuvvet taşıyılarına ise bozon denir. Bozonlar tam sayılı spine sahip parçacıkların genel adıdır.

Kuarklar

Altı çeşit kuark vardır ve kuarklar gruplar halinde var olabilir. Kütleleri ve yükleri vardır. Kuark türleri aşağıdaki gibidir.

  • Yukarı kuark (u)
  • Aşağı kuark(d)
  • Acayip kuark(s)
  • Tılsım kuark(c)
  • Alt kuark(b)
  • Tepe kuark(t)

1.nesil kuarkların (u ve d) bir araya gelmesi ile oluşan hadronlar uzun ömürlüdür. 2. nesil kuarkları (s ve c) içeren hadronlar ise kararsızdır. 2.nesil kuarkların birleşimi ile olulan parçacıkların en uzun ömürlü olanı lamdandır ve ömrü saniyenin milyarda birinden azdır. 3. nesil kuarklar (b ve t) ise kuarkların en kararsızlarıdır.

Elektron ve nötronun yükleri olduğunu biliyoruz. Kuarkların da tıpkı bunlar gibi kırmızı, mavi ve yeşil renkyükleri vardır. Kurkları sınıflandırmak için bulunmuş bir yöntemdir. Bu renkyüklerinin bildiğimiz ışık renkleriyle bir ilgisi yoktur. Elektrik yüklerinde olduğu gibi kuark yükleri de birbirine kuvvet uygular. Kuarkların tek başlarına bulunmamasının sebebi de bu yüklerdir. Kuarklar sadece renk toplamları nötr (yani renk yükü olmayacak şekilde) olacak şekilde bir arada bulunabilir.

Üç kuarktan oluşan parçacıklara Yunanca ağır anlamına gelen barus kelimesinden dolayı baryon denir. Baryonlar ağır anlamına gelmektedir. Bu ailenin en hafif parçacığı protondur. Proton 2 tane u, 1 tane d kuarkı olmak üzere 3 kuarktan oluşur. Nötronlar 2 tane d, 1 tane u kuarktan oluşmaktadır. Parçacıkların yükünü kuarklar belirlemektedir. u kuark +2/3, d kuarkı -1/3 yüke sahiptir.

Bir protonun yükü= 2 u kuarkı + 1 d kuarkı şeklinde bulunur ve €€{2\over3} +{2\over3} -{1\over3} =+1€€’dir.

Bir nötronun yükü= 2 d kuarkı + 1 u kuarkı şeklinde bulunur ve €€-{1\over3} -{1\over3}+{2\over3} =0 €€’dır.

İkili kuark grubuna mezon denir. Yunanca orta anlamındaki mesos kelimesinden gelir. Mezonlar bir kuark ve bir antikuarktan oluşur. Antikuarklar aşağıdaki taploda olduğu gibi kütle ve spin gibi özellikleriyle kuarklara benzer fakat elektrik yükleri kuarkların tam tersidir. Antikuarklar harflerin üzerine çizgi koyularak gösterilir.

Leptonlar

Kuarkların tersine doğada serbest olarak bulunabilen fermiyonlara lepton denir. Yunanca küçük veya hafif anlamındaki leptos kelimesinden gelmektedir. Bu grubun en bilinen örneği elektrondur. Kütlelerine göre büyükten küçüğe sıralarsak tau, müon ve elektron olmak üzre üç nesil lepton bulunur. Her leptonun ilgili bir nötrinosu vardır. Nötrinolar yüksüzdür ve hemen hemen hiç kütleleri olmadığı için neredeyse hiçbirşeyle etkileşime girmezler. Bütün leptonların birde karşıt parçacıkları vardır. Aşağıdaki tabloda temel parçacıklar ve özellikleri belirtilmiştir.

Detaylı Okuma Linki

https://bilimteknik.tubitak.gov.tr/sites/default/files/posterler/41x55_poster_haziran_2017.pdf

3. Atom Altı Parçacıklar Arasındaki Etkileşim Kuvveti

Temel parçacıkların tam olarak anlaşılabilnmesi için parçacıklar arası kuvvetlerin de tam olarak anlaşılması gerekir. Doğadaki tüm parçacıklar dört temel kuvvetin etkisindedir.

Güçlü Nükleer Kuvvet

Büyük Patlama ve Evrenin Oluşumu
  • Temel kuvvetler içerisinde şiddeti en büyük olan kuvvettir.
  • Nötron ve protonları çekirdeğe bağlamaktır. Nükleonları bir arada tutan kuvvettir.
  • Yaklaşık €€10^{-15}€€m civarında oldukça kısa bir mesafede etkilidir.

Elektromanyetik Kuvvet

  • Atom ve moleküllerin bir arada bulunmasını sağlayan kuvvettir.
  • Parçacıklar arasındaki uzaklığın karesi ile ters orantılı olarak etkisi azalır. Etki mesafesi uzundur.
  • Büyüklük olarak güçlü nükleer kuvvetten sonra ikincidir.

Zayıf Nükleer Kuvvet

  • Bazı atomların çekirdeklerindeki kararsızlığın sebebi olan kuvvettir.
  • Radyoaktif bozunmaların birçoğunun oluşmasında pay sahibidir.
  • €€10^{-18}€€m civarında menzili vardır ve oldukça kısa bir menzildir.
  • Büyüklük olarak elektromanyetik kuvvetten sonra üçüncü sırada yer alır.

Kütle Çekim Kuvveti

  • Etki mesafesi oldukça uzun bir kuvvettir.
  • Gök cisimleri gibi büyük kütleli cisimler üzerinde oldukça etkili olsa da çok küçük olan temel parçacıklar düzeyinde etkisi ihmal edilebilir.
  • Temel kuvvetler arasında en zayıf olan kuvvettir.

Abdus Salam, Sheldon Glashow ve Steven Weinberg isimli üç bilim insanı, parçacıkların yüksek enerji düzeylerine ulaştığı durumlarda elektromanyetik ve zayıf kuvvetlerin birleşik bir kuvvet görünümünde olduğunu keşfetmiştir. 1979 yılında ilgili çalışmalarından dolayı Nobel Fizik Ödülü verilmiştir. Elektronamyetik etkileşim ve zayıf etkileşimi beraber tanımlayan matematiksel modele elektrozayıf teori denir.

Parçacık fiziğine göre yukarda bahsetiğimiz dört temel kuvvetin oluşumunda rol alan parçacıklar, alan ya da etkileşim parçacıklarıdır. Bu alan parçacıkları bozon olarak isimlendirilir. Elektromanyetik etkileşime fotonlar, güçlü etkileşime gluonlar, zayıf etkileşime W ve Z bozonları aracılık eder. Bu bozonların tamamının spini 1’dir. Diğer üç kuvvette olduğu gibi kütle çekim kuvvetini de bir alan parçacığının olması gerekir. Henüz gözlemlenemeyen bu parçacığa graviton denir. Kütle çekim kuvveti parçacık boyutlarında çok zayıf bir kuvvet olduğu için bu parçacık henüz gözlenememiştir.

4. Atomların Madde Oluşturma Süreci

Yukarda değindiğimiz standart modele göre maddenin en küçük yapı taşları kuarklar ve leptonlardır. Kararlı maddeyi 1. nesil kuarklar yani aşağı ve yukarı kuarklar oluşturur.

Büyük Patlama ve Evrenin Oluşumu

Higgs Bozonu

Büyük Patlama ve Evrenin Oluşumu

Standart modeldeki parçalardan bazılarınun kütlesi mevcutken bazıları kütlesizdir. Standart model bunu Higgs alanı fikriyle açıklar. Bu alanı açıklamak için bir bardağın içine küçük bir taş attığımızı düşünelim. Bardak su ile dolu iken taşın bardağın dibine inmesi bardağın boş halindeki duruma göre daha uzun sürer. Higgs alanı da bu örnekteki su gibi davranmaktadır.

Fermisyonlar ile W ve Z bozonları uzayda hareket ederken Higgs alanı ile etkileşerek kütle kazanır. Fotonlar ve gluonlar ise bu alanla etkileşime girmediklerinden kütlesizdir. Etkileşimde aracılık eden parçacığa Higgs bozonu ya da Higgs parçacığı denir. Higgs bozonu da Higgs alanıyla etkilerek kütle kazanır. İlk defa 1964 yılında Peter Higgs tarafından ortaya atılan maddelere kütle kazandıran alan ve parçacık fikri 2012’de CERN’de yapılan deneylerde Higgs bozonunun saptanmasıyla ispatlanmıştır.

Madde ve Antimadde

Antimadde kavramı ilk defa 1928’de Paul Dirac tarafından ortaya atıldı. Her maddenin bir anti maddesi olduğu gibi her parçanın da bir antiparçacığı vardır. Elektron ile ilgili yaptığı teorsik çalışmalar sırasında Dirac elektronun bir antiparcağının olması gerektiğini söylemiştir. Bu parçacık 1932 yılında Carl Anderson tarafından deneysel olarak bulundu ve pozitron adını aldı. Bu antiparçacık elektron ile aynı yük ve işarete sahiptir fakat yük işareti elektronun zıddıdır.

Bu keşif sis odasında pozitif yüklü elektron gibi davranan parçacıkların izlerinin incelenmesi sonucu saptanmıştır.

Parçacık hızlandırıcıların inşa edilerek parçacıkların yüksek enerjiyle çarpıştırılması sonucu keşifleri hızlanan yeni antiparçacıklar bulunmuştur.

1955’te antiproton ve ondan kısa süre sonrada antinötron parçacıkları bulunmuştur. Parçacık ile onun antiparçacığı bir arada uzun süre bulunamaz ve birbirlerine temas ettikleride bir enerji parlamasıyla yok olurlar. Yani kütle tamamen enerjiye dönüşür. CERN’de bulunan parçacık hızlandırıcılar ile antimadde üretilmektedir. Fakat belirttiğimiz gibi bu antimadde çok kısa süre içinde yok olmaktadır.