Herkes için Kuantum Elektrodinamiği -3

    Kuantum ElektroDinamiği geliştirilen ilk kuantum alan teorisiydi. Adından da anlaşılacağı üzere, KED, elektroanyetik etkileşimleri tarif eder. Aslında fizikçiler bütün fiziksel etkileşimleri kuantum elektrodinamiğinin sahip olduğu netlikte açıklayabilmek isterler.

    KED'nin gelişimi bize kuvvetlerin “parçacıklar arasında kuvvet taşıyıcısı parçacıkların değiş-tokuşu” ile açıklanabileceğini gösterdi. Elektromanyetik kuvvetler de elektrik yüklü parçacıklar arasında sanal fotonların alışverişiyle gerçekleşmektedir. Sanal kelimesini kullanıyoruz, çünkü yüklü parçacıklar arasında alıp verilen fotonları her hangi bir şekilde doğrudan gözlemlemek, algılamak mümkün değildir. Bu sanal fotonların taşıdığı momentum sonucu iki elektron arasında itme kuvveti olduğunu gözlemleriz. Gerçekte olan, sanal fotonlar vasıtasıyla elektronların birbirlerine momentum aktarmasıdır.

    Doğadaki temel kuvvetlerin etkileşim şiddeti “çiftlenim sabiti” denilen bir kavramla ölçümlenir. Her fiziksel etkileşimin bir çiftlenim sabiti vardır. KED süreçlerinin çiftlenim sabiti de ince yapı sabiti olarak adlandırılan sayıdır. Değeri 1/137 gibi oldukça küçük sayılabilecek bir miktardır. Aslında çiftlenim sabitlerinin 1'den çok küçük olması, o etkileşimin modellenmesinde oldukça kolaylık sağlar. Şöyle ki, eğer bir niceliği çiftlenim sabiti cinsinden bir seriye açarsak (bu fizikte sık sık başvurulan bir yöntemdir, “kuvvet serileri yöntemi”) üst mertebeli terimleri ihmal etmek kolaylaşır. Bir önceki yazıda bahsedilen pertürbasyon teorisi tam da böyle bir metottur.

Kuantizasyon:

    Elektromanyetik alanı kuantize edince elektromanyetizmanın kuantum alan teorisi olan kuantum elektrodinamiğini elde ettiğimizden daha önce de bahsetmiştik. Kuantizasyon demek, sürekliliğe sahip olarak bilinen bir kavramı kesikli hale getirmek demektir. Mesela, reel sayılar kümesinde küçük bir aralık belirten herhangi iki nokta arasında sonsuz sayıda reel sayı yazabiliriz. 0 ile 1 arasında trilyonlarca sayı yazmak mümkün. Aralığı 0,0001 ile 0,0002 sayıları arasında alsak sonuç yine değişmez, yine bu minicik aralığa ait trilyonlarca sayı yazabiliriz. Ancak doğal sayılar kümesini ele aldığımızda bu süreklilik ortadan kalkar. 0 ile 10 arasında sadece 9 sayımız vardır. 0 ile 1 arasında ise hiç doğal sayı yoktur. İşte reel sayılar kümesi sürekli bir kavramı ifade ederken, doğal sayılar kümesi kuantize edilmiş bir kavramı temsil eder. Dijital teknoloji de kuantize edilmiş olgularla doludur. Yüksek çözünürlüklü bir televizyonun ekranı sınırlı sayıda pixel içerdiği için kuantizedir.

    Doğanın yapısı bizatihi kuantizedir. Işık foton adlı parçacıklarla kuantize edilmiştir. Madde atom denilen parçacıklarla, fiziksel itme-çekme kuvvetleri bile bozon denilen parçacıklarla kuantize edilmiştir. Kuantum alan teorisi de bu ilkeye dayanır. Uzayı doldurduğunu düşündüğümüz alanların kuantize edilerek parçacıklarla temsil edilmesidir. Sürekli bir ortam olduğunu düşündüğümüz elektromanyetik alan aslında kuantize edilerek, her an yaratılan–yok edilen fotonlar tarafından yüklü cisimler arasında taşınan bir etkileşimdir.

    Bu etkileşimi anlamak için güzel bir analoji yapılabilir: patenleri üzerinde duran iki kişinin birbirlerine bir basket topunu atıp tuttuğunu düşünelim. Basket topunun her el değiştirmesinde bu iki kişi birbirinden biraz daha uzaklaşacaktır. Topu atan, topa kazandırdığı hız (momentum) yüzünden kendini geriye doğru itilmiş hissedecek, topu tutan da topun hızının etkisiyle geriye doğru gidecektir. Temelde bu bir momentum alış verişidir. Elektronlar da birbirleri arasındaki foton alışverişi sebebiyle birbirlerini iterler.

    Özetle, elektromanyetik alan bir foton alanı, elektromanyetik etkileşimin kuvvet taşıyıcı parçacığı foton, etkileşimin kendisi de bir foton alışverişidir.