KELVİN’İ SIFIRLAMAK

Bilimde sınırları zorlamak, zaman zaman daha önceden tahmin edilemeyen keşifleri yapmamıza olanak sağlar. Astronomik mesafelerdeki hassas ölçümler genel göreliliği , atomik boyutlara inmemiz kuantum mekaniğini getirdi. Şimdiye kadar hiç erişilememiş yükseklikte enerjilerde maddeye kütlesini veren Higgs bozonunu bulduk. Termometrelerimiz -273 dereceyi göstere yazarken de hiçbir direnç olmadan akan süperakışkanlardan elektrik akımını kayıpsız ileten süperiletkenlere, maddenin tek bir duruma çöktüğü fiziksel hali olan Bose-Einstein yoğuşmasına kadar pek çok fiziksel olayı keşfettik. Bütün bu buluşlar ayrı ayrı bir yazının konusu olabilir; ama bu yazıda -273 derecede neler olduğundan çok, bu sıcaklığa nasıl ulaşıldığını bulacaksınız.

Mutlak sıfır, teorik olarak ulaşabileceğimiz en düşük sıcaklığı gösterir ve -273.15 santigrat dereceye eşittir. Böyle bir noktanın varlığı 19. yüzyılda tartışılmış, daha sonraları da gelişen termodinamik bilgisi sayesinde Lord Kelvin tarafından değeri teorik olarak büyük bir kesinlikle hesaplanmıştır. Bunu yapmak için de, Boyle, Charles gibi o zamanın önde gelen bilimadamlarının ideal gazlar üzerine yaptıkları çalışmalar kullanılmıştır. İdeal gazların hacmi ve sıcaklığı arasınde doğrusal bir ilişki vardır (bu olgu Gay-Lussac Yasası olarak geçer). Bu hacim-sıcaklık eğrisini basıncın sıfıra eşit olduğu noktadan geçecek şekilde doğrusal olarak uzatırsanız, -273.15 dereceyi bulacaksınız.

Elbette, yüz yıl önce yapılmış bir hesaba güvenmeyebilirsiniz, ancak size sadece yapılan bütün deneylerin bu hesabın doğruluğu yönünde sonuç verdiğini söyleyeceğim. Mutlak sıfır noktasında neler olduğuna gelirsek, bu nokta klasik mekanikte bütün hareketin durduğu ve artık hiçbir devinimin olmadığı noktadır. Ancak, bu tanım kuantum mekaniğinin ortaya çıkışıyla beraber geçerliliğini yitirdi. Mutlak sıfır noktasını artık bir sistemin tamamen en düşük enerji seviyesine geçtiği nokta olarak tanımlıyoruz. Kuantum mekaniksel olarak enerjiyi sıfırlamak veya devinimi tamamen yok etmek mümkün değildir, ancak minimize edebiliriz. Bu yüzden mutlak sıfır noktası biraz önce belirttiğim gibi tanımlanmış durumda.

Çok sıcak bir günde serinlemek ve vücut sıcaklığınızı bir nebze düşürmek için elinizi yüzünüzü soğuk suyla yıkarsınız. Su yüzünüzle temas ettiği zaman önce ısınacak, sonra da buharlaşıp gidecektir. Bütün bu işlemler gerçekleşirken de çoğunlukla yüzünüzden ısıyı çekip alacaktır. Bu sayede de siz biraz olsun serinlediğinizi hissedeceksinizdir. Aynı örneği ıslak testinin güneş altında soğumasını veya vücudun terlemesi ile sıcaklığını düşürmesini de açıklamak için kullanabiliriz.

Böylesine basit ve geleneksel yöntemler, yani bir maddenin gaz haline geçmesine izin vererek veya bir gazı aniden genleştirerek etrafındaki maddeleri ya da kendisini soğutma, doğal olarak çok düşük sıcaklıklara inmek için ilk kullandığımız yöntem oldu. Her iki yöntem de öncelikle enerjinin korunumuna dayanır. Eğer bir madde sıvıdan gaz fazına geçiyorsa, o zaman etraftan ısı alması gerekir. Etraftan alacağınız ısı, çoğunlukla ortamın hareket enerjisinin azalmasına neden olacaktır, ki bu da sıcaklığın düşmesi demektir. Gazları pistonu aniden çekerek veya küçük bir delikten boşluğa aktararak yapılan, aniden genleştirerek soğutma ise, ideal olmayan gazların izole ortamda hacimlerinin artması durumunda sıcaklıklarında gözlenen düşmeye dayanır. Elbette, ideal gazlarda bu etkiyi görmeyeceğiz; çünkü ideal gazın enerjisi sadece sıcaklığa bağlıdır, hacme değil; çünkü ideal gazlarda tanım olarak tanecikler arasında bir etkileşim yoktur. Öte yandan, gerçek gazlarda bu etkileşimler vardır ve hacmi arttırmak en basit ifade ile “tanecikler arasındaki lastikleri” kopartır. İdeal davranmayan gazlarda ise hacmi arttırmak, gaz tanecikleri arasındaki etkileşimi zayıflatmak ve yenmek anlamına gelir. Eğer gaz izoleyse, yani etraftan enerji alamıyorsa, bu zayıflatma işlemini kendi hareket enerjisini kullanarak yapmak durumundadır. Gazların izole ortamda hızlıce genleştirildiklerinde gözlenen sıcaklık düşüşüne Joule-Thomson etkisi diyoruz.

Joule-Thomson etkisini kullanarak İngiliz fizikçi Michael Faraday pek çok gazı sıvılaştırmayı başarmıştı. Ancak bazı gazlar, ki onlara “kalıcı gazlar” deniyordu, her türlü denemeye karşın sıvılaşmamıştı. Bu gazlar arasında yer alan oksijeni ve azotu (-196 derece) sıvılaştırmayı 1883’te Polonyalı biliminsanları Zygmunt Wróblewski ve Karol Olszewski başardı[1]. Böylece kalıcı gazlardan iki tanesi sıvılaştırılmış, ama helyum ve hidrojen henüz sıvı halde gözlemlenmemişti. Bu durumun da üstesinden Heike Kamerlingh Onnes Hollanda’daki Leiden şehride 1908 yılında helyumu sıvılaştırarak geldi. Ama kendisi sadece Joule-Thomson etkisini kullanarak değil, aynı zamanda gazın basıncını da düşürerek -271.5 derece civarına indi. Bu sıcaklık, o zamana kadar yeryüzünde ulaşılmış olan en düşük sıcaklıktı[2].

Bu noktada kısa bir ara verip -271 derece civarında gözlemlenebilen “tuhaf” olaylardan bahsedeyim. Sözün gelişi 4.2 K (yani 4.2-273=-268.2 derece) civarında katı civanın elektrik direnci bir anda sıfıra düşer. Süperiletkenlik dediğimiz bu durum sayesinde iletkenler elektrik akımını hiçbir direnç göstermeden iletebilir. Bu, kapalı bir süperiletkene verilen akımın sonsuza kadar telde kalacağı anlamına gelir. Bir diğer durum ise, süperakışkanlık denilen, sıvıların akmaya karşı dirençlerini (vizkozite) tamamen kaybettikleri durumdur. Bu durumda sıvı hiç direnç hissetmeden akar ve görseldeki gibi fışkıyelerin oluşmasına izin verir. Kammerlingh, süperiletkenliğe geçişi gözlemlemiş ancak süperakışkanlığı gözlemleyememiştir.

Joule-thomson etkisini kullanarak ulaşabileceğimiz sıcaklıklar, birkaç K’nin altına pek inemiyor. Bu yüzden eğer devam etmek ve 0 K’e olabildiğince çok yaklaşmak istiyorsak, daha akıllı ve gelişmiş yöntemler kullanmalıyız.

Lazerler, Joule-thomson etkisinden bayrağı devralıp 0 K’e giden yolda bize yardımcı oluyorlar. Detaylara girmeden önce söyleyeyim, lazerler yardımı ile birkaç nanokelvine (milyarda bir K) inebiliyoruz. Lazerlerin soğutmaya nasıl katkıda bulunduklarını anlamak için, bu sefer biraz daha atomik boyutlarda düşünmek zorundayız.

Her parçacık, sistemin sıcaklığı ile orantılı bir hareket enerjisine sahiptir. Bu hareket enerjisinin azalması, pratik olarak sıcaklığın düşmesine karşılık gelir. Biz de, parçacıkları 0 K’e doğru soğutmak adına, hareket enerjilerini lazerler ile düşürüyoruz.

Lazerler prensipte yoğunluğu arttırılmış ama frekansı aralığı da azaltılmış olan elektromanyetik dalgalardan oluşur. Günlük hayatta elektromanyetik ışımaya “ışık” diyoruz. Işık, dalga-parçacık ikileminden bağımsız olarak, yani parçacık (foton) veya elektromanyetik dalga gibi davranmasından bağımsız olarak “momentum” taşır. Taşıdığı momentum da gene frekansı ile orantılıdır ( eğer bir toptan bahsediyor olsaydık, momentumu hızı ile kütlesinin çarpımına eşit olacaktı). Soğutma işlemi de temel olarak parçacıkların fotonlarla çarpışmasını, fotonların momentumlarının parçacıklara aktarılmasını ve nihayetinde de aktarılan momentumun daha sonra parçacık tarafından dışarıya geri salınması ile gerçekleşiyor.

Oyun parkının içinde rastgele koştuğunuzu varsayın. Eğer ben sizi yavaşlatmak istiyorsam, üzerinize top atabilirim (evet biraz gaddarım). Eğer topu siz bana yaklaşırken atarsam, top sizi biraz yavaşlatacaktır. Tam tersi durumda atarsam da hızlandıracaktır. O halde, sizi durdurmak için topları pek çok kez doğru zamanda, yani siz bana doğru koşarken size atmalıyım. Lazer ile soğutma işlemi de aynı bu örnekteki gibi belli manyetik ve optik kuvvetler kullanılarak hapsedilmiş parçacıkları belli frekanslarda ve zamanlarda foton bombardımanına tutarak yapılıyor. Tek farkı, gönderilen

fotonların momentumlarını aktarabilmeleri için parçacıkları tarafından emilmeleri gerektiği. Yani top sizden sekmeyecek, siz topu tutacaksınız. Fakat bu topu sonsuza kadar tutamazsınız; koşmak için topu bırakmalı ve kararlı haliniz olan topsuz halinize geri dönmelisiniz. Topu arkaya doğru atarsanız biraz hızlanacaksınız, öne doğru atarsanız yavaşlayacaksınız; ama eğer sizin gibi koşuşturan onlarca kişi topları ellerinden rastgele yönlerde çıkarıyorsa, bunun hareketiniz üzerine toplam etkisi sıfır olacaktır. Bunun açıklamasını biraz içgüdüsel yapayım: bazı kişiler topu öne doğru atacak ve yavaşlayacak, bazıları arkaya atacak ve hızlanacak, diğerleri ise sağ-sola atıp yönlerini değiştirecek. Böyle koşturan binlerce kişiyi düşünürseniz, bu kişilerin tamamının ortalama hızında bir değişiklik olmayacaktır. Özetlemek gerekirse, parçacıkların fotonları geri salmaları toplamda sistemin momentumunu, haliyle de hızını düşürecek ve sıcaklığı azalacaktır. Bu sayede nano, hatta pikokelvin (trilyonda bir K) seviyelerine inmek mümkün olmuştur. Steven Chu, Claude Cohen-Tannoudji ve William Daniel Phillips ise bu tekniğin geliştirilmesinde oynadıkları rolden ötürü 1997 yılında Nobel Fizik Ödülü’ne layık görülmüştür.

0 Kelvin’e doğru inmek için kullanılan başka yöntemler de elbette mevcut. Bunlar arasında en önemlisi, ama teknik zorluğu sebebiyle daha yüzeysel anlatacağım yöntem parçacıkları büyüklüğü sürekli değişen bir manyetik alana hapsetmeyi içeriyor. Hapishane içerisindeki parçacıklar gene sürekli hareket halindeler. Ama hızlı gidenler, yani yüksek enerjili olanlar, manyetik alanın büyüklüğü değiştiği için hapishaneden kaçma fırsatını yakalıyor. Düşük enerjili parçacıklar içeriden kaldığı ama yüksek hızlı olanlar dışarı kaçtıkları için sistemin enerjisi giderek azalıyor. Bu sayede, gene nano ve piko kelvin seviyelerine inmemiz mümkün.

Bu noktada “aga iyi de neden” sorusuna cevap vermem gerekiyor. Neden 0 K civarında geziyoruz, neden ona daha da yaklaşmak istiyoruz? 4 K civarı bir sıcaklıkta süperiletkenliği görüyorsak, amacımız ne? İlk neden elbette bilimsel merak. Yani, 0 K’e yaklaştıkça neler gözlemleyebileceğimizi merak edeiyoruz. Fiziksel nedeni ise, 0 K civarında maddenin Bose-Einstein yoğuşması adı verilen yeni bir hale (faza) geçiyor olması. Bose-Einstein yoğuşması ise en kısa, ama basit olmaya açıklamayasıyla bütün maddenin tek bir kuantum durumuna çökmesi olarak adlandırılıyor. Bu halde, bütün sistem tek bir kuantum mekaniksel dalga fonksiyonu olarak yazılabiliyor, atomlar teker teker bütün “tekilliklerini” yitiriyor ve bir bütün olarak davranmaya başlıyor, yani sistem aslında “saf bir kuantum” haline geçiyor. Kuantum mekaniksel deneyler yapmak istiyorsanız bulunmaz nimet. Dahası, bu sistemleri hala tam olarak açıklayan bir teorimiz yok; test edilecek onca şey var ve bu yüzden de bu kadar düşük sıcaklıklara inmek durumundayız (bu biraz, “N’apalım, elimiz mecbur” gibi oldu).

Tıpkı yüksek sıcaklıklar, yüksek hızlar gibi düşük sıcaklıklar da pek çok yeni ve ilginç fiziksel olay ile dolu. Süperakışkanlık ve süperiletkenlik, insanlık 0 Kelvin’e çok yaklaşmayı başardığı zaman gözlemlendi ve hayatımıza yüksek hızlı trenlerden yüksek gerilim hatlarına her yerde girmeye başladılar. Daha önce de dediğim gibi, bu olaylar başka birer yazının konusu olabilirler. Öte yandan, düşük sıcaklıklara inmek de bilimsel teorinin ve pratiğin en ileri örneklerini gerektiriyor. Lazerler ve manyetik hapisler ile 0 Kelvin’in çok yakınlarında gezebiliyoruz ancak ona daha da yaklaşmak için de çabalarımız hala sürüyor.

Kaynakça:

1- http://en.wikipedia.org/wiki/Zygmunt_Florenty_Wr%C3%B3blewski

2- http://en.wikipedia.org/wiki/Heike_Kamerlingh_Onnes