Patlamış Mısırlar ve Atomlar

Kızgın bir kapta mısır tanelerinin patlamalarını beklemek, pek çoğumuzun hatırladığı çocukluk anılarındandır. Mısır tanelerini kaba koyup altını yaktıktan sonra önce tek tük patlamalar görürüz. Ardından bu süreç hızlanır ve nihayet çoğu tane patladıktan sonra süreç yavaşlar. Son mısır tanelerinin patlaması bazen şaşırtıcı derecede geç olur.

Pek dikkat etmediğimiz ve öylesine olduğunu düşündüğümüz bu mısır patlama sürecine klasik fizik açısından bakarsak ilginç bir şey fark ederiz: Tüm mısır taneleri aynı anda, aynı sıcaklıktaki kaba konuyor. Hepsine eşit miktarda ısı veriliyor. Mısır taneleri de hemen hemen özdeş olduğuna göre, neden bazı mısır taneleri diğerlerinden çok önce patlarken kimisi de diğerlerinden çok geç patlıyor? Bununla birlikte, aynı olmasa da, büyük çoğunluğun patlaması için geçen süre ortalama bir değere sahip. 

Halbuki fiziksel şartlar açısından hepsinin hemen hemen aynı zamanda patlamalarını beklemeliyiz.

İstatistiksel olarak bu olaya bakınca aslında o kadar da şaşırtıcı olmadığına kanaat getiririz. Çünkü mısır patlatmak gibi basit bir olayda dahi, süreci etkileyen onlarca farklı parametre mevcuttur. Isı kaynağının kaba aktarılışı, kabın ısıyı homojen olarak dağıtma kapasitesi, ısı kaynağı ile mısır tanelerinin her biri arasındaki uzaklık, mısır tanelerinin içerisindeki su miktarı, suyun taneler içindeki dağılımı vs.. 

Eğer tüm bu parametreleri her bir mısır tanesi için tam olarak eşit şekilde ayarlasaydık, mısır tanelerinin hepsi aynı anda patlar mıydı?

Bu soruya klasik fizik eğitimi almış herkesin "evet" dediğini duyar gibi olsam da, kuantum fiziği ile tanışan biri olarak, evet demeden önce kesinlikle şüphe ile yaklaşırım. Çünkü 'bilinemezlik' evrenin doğasında var. 

Bir miktar radyoaktif maddeyi ele alalım. Her radyoaktif elementin yarılanma ömrü dediğimiz bir özelliği vardır. Belli bir miktar radyoaktif maddenin ne kadar zamanda yarısının bozunacağını ifade eder. Örneğin Karbon-14 izotopu için yarılanma ömrü 5730 yıl iken Sezyum-137 için sadece 30 yıldır. Çok daha 'aktif' maddeler olduğu gibi, çok daha yavaş bozunan radyoaktif maddeler de vardır. Peki bu süreleri belirleyen mekanizma nedir?

Radyoaktivitenin kaynağı, 'zayıf etkileşim' olarak adlandırılan, erimi bir atomun çekirdeğinin dışına uzanamayan bir temel kuvvettir. Bu yazıda zayıf etkileşimin doğasıyla ilgilenmek yerine, istatistiksel olarak bozunmayı inceleyeceğiz. 

Sezyum-137 izotopunu ele alalım. Dünya'nın neresine giderseniz gidin, hangi Sezyum-137 kaynağına bakarsanız bakın, hepsinin yarı ömrünün 30 yıl olduğunu göreceksiniz. Elimizde 10 gram bu maddeden olduğunu düşünelim. 30 yıl beklersek elimizdeki Sezyum-137 miktarı 5 grama düşecektir. 

Şimdi bu 10 gramlık maddeye daha yakından bakalım. Çekirdeğindeki proton ve nötronların toplamı 137 olan, hepsi birbirinin tıpatıp aynısı olan trilyonlarca Sezyum atomu göreceğiz. (Mısır tanelerini hatırlarsak, her bir tanenin içerdiği sudan, büyüklüğüne kadar aslında pek çok farkı olduğunu biliyoruz. Hiç bir mısır tanesi birbirinin özdeşi değildi.) Bu Sezyum atomları o kadar birbirlerinin aynısıdır ki, Dünya üzerinde hiçbir fotokopi makinesi bu kadar özdeş iki ürün çıkaramaz. Herhangi iki Sezyum-137 atomunu yer değiştirsek aradaki farkı anlamak imkansızdır, çünkü aslında fark yoktur!

Şimdi işin can alıcı kısmına geldik. Madem bütün Sezyum-137 atomları bu kadar birbirinin aynısı, neden hepsi aynı anda bozunmuyor, neden kimi 5 dakika sonra bozunurken diğeri 50 yıl sonra bozunabiliyor?

Bu soruya cevap bulmak için yarılanma ömrü kavramına tekrar dönelim. Bu kavram, tamamen istatistiksel bir kavramdır ve kabaca şunu ifade eder: Bir atomun tam olarak hangi anda bozunacağını bilememekle beraber, ortalama olarak yüzde ellisinin ne kadar süre sonra bozunmuş olacağını 'gözlemsel' olarak biliyoruz. Bu ortalama süreye de yarılanma ömrü diyoruz. Elimizde 10bin tane Sezyum-137 atomu varsa, 30 yıl sonra bu sayının kabaca 5bin olacağını gözlemsel olarak biliyoruz.

Ama bundan şu anlam da çıkıyor: 300 yıl sonra bile, hâlâ bozunmamış atomlar kalmış olacak. Her 30 yılda bir yarı yarıya azalan atomlar, 300 yıl sonunda 10 kez yarılanmış olacak ve sonuçta yaklaşık 10 tane bozunmamış Sezyum-137 atomu kalmış olacak. 

Bir gramın binde biri kadar bile olsa bu maddeden alsanız göreceksiniz ki her saniye bozunuma uğrayan pek çok Sezyum atomu var. Asırlar sonra bile hâlâ bozunma devam edecek. (Bu kadar az miktar maddede bile milyarlarca atom vardır.) Şimdi, 5 dakikada bozunan atom ile 300 yıl sonra bozunan atomu yan yana getirdiğimizde ikisi arasında hiçbir fark göremeyeceğiz. Kusursuz biçimde birbirlerinin aynısı olan bu iki atomun bu kadar farklı davranmasının sebebi modern fizik için bile tam bir muammadır. Bu durumu açıklayan (ya da açıklanamayacağını açıklayan?) fiziksel kavrama Heisenberg'in belirsizlik ilkesi diyoruz. Kuantum mekaniksel süreçlerin bütününde geçerli olan bu durum aslında sayısız yaşamsal olayın da kaynağıdır. 

Olayı daha net anlamak için biraz daha yakından bakalım. Sezyum-137 atomu içinde bir nötron, bir proton ve bir elektrona bozunur ve Beta ışıması yapar (elektron yayar). Çekirdek içindeki onlarca nötron ve proton, güçlü etkileşim adı verilen bir kuvvetle bir arada tutulurlar. Bu kuvvetten dolayı protonlar arasında mezon adı verilen sanal parçacıkların alışverişi sözkonusudur ve bu alışveriş esnasında nötronlar ve protonlar birbirlerine aşılması imkânsız bir kuvvetle bağlanırlar. Normalde bu bağı koparıp bir nötronun bozunması mümkün değil gibidir ama her nasıl oluyorsa, nötronlardan biri bu bariyeri aşarak bozunmayı başarır. Tıpkı, bir adamın 100 metre yüksekliğindeki bir duvarı zıplayarak aşması gibi.

Bizim dünyamızda bu tür bir engeli zıplayarak aşmak tabii ki mümkün değil. Ancak atomik boyutlarda, enerjiniz ne kadar düşük olursa olsun, karşınızdaki engeli aşmanın bir 'olasılığı' hep vardır. Bir milyonuncu denemede de olsa, o engel bir gün aşılır. İşte tam burada bilinemezlik ortaya çıkıyor. Engeli aşmak için kaç kez deneme yapmak gerektiğini bilmenin bir yolu yok. Atom altı parçacıklar enerji bariyerlerini ilk denemede de aşabilir, trilyonuncu denemelerinde de aşabilir. Atomik süreçler çok hızlı olduğu için, ve çok fazla sayıda atom olduğu için biz gerçekleşmesi çok zor ve nadir olan tüm bu süreçleri gözlemleme imkânı buluyoruz. Radyoaktivite de bu tür bir olaydır. Klasik fizikle açıklanamayacak şekilde, kendi enerjilerinin çok üstündeki enerji bariyerlerini aşarak ışıma yapan atom altı parçacıklar. Tıpkı hangi mısırın ne zaman patlayacağını bilemesek de, belli bir süre sonra mısırların hemen hepsinin patlayacağını bildiğimiz gibi, radyoaktif atomların da bir miktar süre sonra hangi oranda bozunacağını biliyoruz.

Bu noktada insanı hayrete sevk eden soru şu: Ne zaman bozunacağı asla ama asla belli olmayan Sezyum atomları, bir araya gelip aralarında anlşıyor ve: "ortalama 30 yıl sonunda yarımız bozunmuş olsun!" mu diyorlar? Nasıl oluyor da dünyanın neresinde, kaç kez tekrarlanırsa tekrarlansın, aynı tip atomun yarılanma ömrü hep aynı çıkıyor? Tek tek atomlara bakıldığında korkunç bir bilinmezlik varken, nasıl oluyor da trilyonlarcası bir araya geldiğinde, yarılanma ömrü gibi net bir bilgi edinmek mümkün oluyor? Neden bu istatistiksel değerden sapmalar çok ama çok küçük değerlerde kalıyor?