Sanal Gerçeklik: Kuantum Alanlar - 2

Etkileşimler ve Sanal Parçacıklar

İki elektrik yüklü parçacık arasındaki etkileşim, sanal parçacıkların alışverişinden ibarettir. Peki nasıl oluyor da birbirlerine sanal fotonlar gönderen parçacıklar çekim kuvveti oluşturuyor? İlk bakışta, foton alışverişi yapan yüklü cisimlerin birbirlerini her zaman itmeleri gerektiği zannedilebilir (birbirine basket topu fırlatan iki patenli adamın, topun etkisiyle birbirlerinden uzaklaşmaları gibi). Ancak + ve - yüklü cisimlerin birbirlerini çektiklerini biliyoruz. 

Çünkü Sanal fotonların taşıdıkları momentum, aktardıkları enerji ile aynı yönde olmak zorunda değildir. Bu özelliği günlük hayatta bir analojiyle anlatmak istersek: elinizdeki ağır bir cismi fırlattığınız zaman normalde kendinizi geriye doğru itilmiş hissedersiniz. Bu, fırlattığınız cismin taşıdığı momentumun, sizin sahip olduğunuz momentumla zıt yönlü olmasından kaynaklanır. Çünkü "momentumun korunumu yasası"na  göre toplam momentumunuzun sıfır olması gerekir. Sanal parçacıklar, Heisenberg belirsizlik ilkesinin* izin verdiği ölçüde olmak şartıyla, bu korunum yasasına uymak zorunda değildirler.

Vakum Enerjisi: Sonsuz mu, Sıfır mı?

Kuantum alan teorisinin en ilginç sonucu, vakumdaki enerji yoğunluğunun değeridir. Bir taraftan, vakum, yani uzay boşluğu hiç kütle ve enerji içermediği için vakumun herhangi bir noktasındaki enerji yoğunluğunun da sıfır olması beklenir. Diğer taraftan, teorinin öngördüğü, elektromanyetik alanın sıfır-nokta dalgalanmalarından kaynaklanan bir enerji yoğunluğu olmalıdır. Aşağıdaki integral ifadesi birim hacim başına düşen enerji miktarını verir:

İntegral, kuantum dalgalanmalarının frekansları üzerinden alınır. Ancak bu integralden hesaplanan değer sonsuzdur. KUANTUM ALAN TEORİSİ'nin öngördüğü vakumdaki enerji yoğunluğu sonsuzdur ve ilginç olan, bu teori doğruluğuna dair hiç şüphe beslemediğimiz en sağlam teorilerden biridir. 

Bu durumu daha makul hale getirmek için şöyle bir yol izleyebiliriz. Dikkat edilirse integrali alınan frekans değerinin sınırları sıfırla sonsuz arasında olduğu görülüyor. Üst sınırı sonsuza götürmek yerine belli bir limit değerde tutalım. Peki bu limiti neye göre belirlemeliyiz?

Ölçülebilecek en küçük mesafenin, Planck uzunluğu olduğuna dair elimizde mantıklı gerekçeler var. Planck uzunluğu: 

Minimum bir ölçülebilir uzunluk, maksimum bir sınır frekansına işaret eder**. İntegralde kullanılan frekansı bu değerle sınırlasak bile yine de çok korkunç büyüklüklerde enerji yoğunluğu değerleri elde ediyoruz.

Neden bahsettiğimizi biraz daha ayrıntılandıralım. Uzayın her noktasının bazı alanlarla doldurulduğunu biliyoruz. Bu temel alanlara en basit ve bilinen örnek olarak elektromanyetik alanı zikredebiliriz. KUANTUM ALAN TEORİSİ, bu alanların uzayın her noktasında kuantize olduğunu söyler. Kuantize, kesikli demektir. Kuantize alan deyince zihnimizde birbirine yaylarla bağlı minik toplardan oluşmuş bir örgü canlandırabiliriz. Kesikliden kasıt, bu analojideki toplarla belirlenen parçacıklı yapıdır.

Teori bu örgüde "titreşimler" olduğunu öngörür. Yukarıdaki integral ifadesinde geçen frekansları, bu titreşimlere ait frekanslar olarak düşünebiliriz. Uzayın her noktasındaki bu topların titreşimler yapan harmonik salınıcılar olduğunu farz edelim. Basit Harmonik Hareketten bildiğimiz temel mekaniği kuantum fiziğine uyarladığımızda her salınıcının belirli frekanslarda salınım yapabildiğini biliyoruz. Bu salınımların mümkün olan en düşük enerji seviyesi: 

Uzayı dolduran bu düşünsel harmonik salınıcıların her uyarılmış durumu, yani bu temel enerji seviyesinin her bir üst durumu, bildiğimiz anlamda bir parçacığın yaratılmasına denk gelir. İşte uzayın her bir noktasını dolduran bu salınıcıların mümkün olan her salınımının sahip olduğu enerjisini topladığımızda her bir noktada sonsuz enerji depo edildiği gibi bir sonuca ulaşıyoruz.

Deneysel olarak hesaplanan vakum enerji yoğunluğu bir metreküp hacim için 1 joule'ün milyarda biri kadardır. Ancak Planck uzunluğu ile sınırladığımız halde hesaplanan vakum enerji yoğunluğu değeri  10¹¹³ joule'dür. Bu sayıyı yazmak kolay olsa da, öyle büyük bir değerdir ki, bildiğimiz anlamda bütün evrenin,yüz milyarlarca galaksi ve trilyonlarca yıldızın toplam kütle enerjisi, bu değerin ancak yüzbin milyar kere milyar kere milyarda biridir.

Çarpışan Fotonlar

Voltran'daki veya Star Wars'daki ışın kılıçlarına hepimiz aşinayız. Bilim kurgu filmlerinde çokça geçen, çarpışan ışın demetleri aslında günlük hayatta görmemizin mümkün olmadığı bir olaydır. Çünkü klasik elektromanyetik teoride fotonlar birbirleriyle etkileşime girmezler. Yani iki ışık hüzmesi birbirlerini hiç etkilemeden birbirlerinin içinden geçip giderler. Mesela kırmızı ışıkla yeşil ışığı çaprazlama bir yolda kesiştirsek, kesişim noktasında bize sarı olarak görünse de yine de yollarına kendi renklerinde bir bozulma olmadan devam ederler. 

Ancak kuantum alan teorisi fotonların da birbirleriyle etkileşime girebileceğini öngörür. Çok yoğun ve yüksek enerjili gama ışınlarıyla yapılan deneyde de fotonlar çarpıştırılabilmiş ve elektron pozitron çiftinin oluşması sağlanmıştır. Yani saf ışıktan madde (ve anti-madde) elde edilebilmektedir. Bu anlamda, uzay boşluğunun (vakum'un) sürekli yaratılıp yok edilen madde & anti-madde çiftleri ve sanal fotonlarla dolu olduğunu söyleyebiliriz.

* Heisenberg belirsizlik ilkesine göre aynı anda hem konum em de momentum kesin bir şekilde belirlenemez. Diğer bir ifadeyle de konum-momentum (veya enerji-zaman) değerlerinin ölçümlenmesinde belirsizlik olmak zorundadır.. Bu belirsizlik bizim ölçüm aletlerimizin veya bilgimizin kısıtlılığından kaynaklanmaz. Aksine, bizatihi doğanın yapısı bu belirsizliği gerektirir. 

Somutlaştırmak gerekirse, bir şeyi ne kadar uzun zaman gözlemlersek, o şeyin sahip olduğu enerjiyi o kadar kesin bir şekilde biliriz. Aynı şekilde, zaman aralığı ne kadar daralırsa, o cismin sahip olduğu enerjideki belirsizlik o nisbette artar. Çok çok kısa aralıklarda var olup yok olan vakumdaki sanal parçacıklar bu yüzden çok çok yüksek enerjilere sahip olabilir.

** Dalgaboyu ile frekans arasındaki ilişkiyi kullanarak Planck uzunluğuna denk gelen bir frekans değeri elde edilebilir.