Neden duvar içinden geçemeyiz?
Paradigma olağan bilim tarafından kabul edilen düşünceler, kavramlar ve yasalar bütünü olarak tanımlanabilir. Olağan bilim belirli bir paradigma çerçevesinde yapılan bulmaca çözme aktivitesi gibidir.
Prof. Dr. Sertaç ÖZTÜRK
Thomas Khun Bilimsel Devrimlerin Yapısı adlı eserinde paradigma kavramını ortaya atar. Paradigma olağan bilim tarafından kabul edilen düşünceler, kavramlar ve yasalar bütünü olarak tanımlanabilir. Olağan bilim belirli bir paradigma çerçevesinde yapılan bir nevi bulmaca çözme aktivitesi gibidir. Bazen olgular ile paradigma arasında öyle uyuşmazlıklar ortaya çıkar ki bulmacayı çözme eylemi işin içinde çıkılmaz bir hal almaya başlar. İşte böyle durumlarda olağan bilim bunalım evresine girer. Bu bunalım döneminin en somut örneği kuantum mekaniğinin doğuşuyla sonuçlanan 20. yüzyılın ilk yarısıdır. Bu dönemi Wolfgang Pauli bir dostuna yazdığı mektupta söylediği şu sözlerle çok güzel özetler: “Şu sıralar fizik gene korkunç bir karmaşa içinde. Her ne hal ise bu durum benim için çok zor. Bazen keşke bir film oyuncusu ya da öyle bir şey olsaydım da fizik nedir hiç bilmeseydim diyorum.”
WOLFGANG PAULI
Paradigma değişimi ile sonuçlanan kuantum devriminin en önemli öncülerinden birisi kesinlikle Wolfgang Pauli’dir. Avusturya asıllı teorik fizikçi olan Pauli oldukça keskin dilli, mükemmeliyetçi ve çok yönlü bir insandı. 1930 yılında beta bozunumundan yola çıkarak nötrinoların varlığını ilk kez öngördü. Aynı dönemlerde biten evliliği ve annesinin intiharıyla kişisel bir krize giren Pauli’nin yolu terapi almak için Carl Gustav Jung ile kesişti ve Jung’un düşünceleri üzerinde bariz bir etkisi oldu.
Modern kuantum mekaniğinin geliştirilmesinde çok önemli katkılar sunan Pauli’nin belki de en önemli keşfi Nobel ödülünü kazanmasını sağlayan dışarlama ilkesidir. Pauli dışarlama ilkesinin temelinde spin kavramı vardır. Bir önceki yazımda Stern-Gerlach deneyinin parçacıkların içsel bir dönüşü olan spin özelliğini bilime nasıl kazandırdığını yazmıştım. Spin kuantum mekaniğinin en temel özelliklerinden biridir ve parçacıkların nasıl bir özellik göstereceğini belirler. Eğer bir parçacığın spin değeri kesikli ise (1/2, 3/2, …) ona fermiyon denir. Fermiyonlar maddeyi oluşturan parçacıklardır. Eğer spin değeri tam sayı ise (0, 1, …) bu tür parçacıklara bozon denir. Bozonlar etkileşimi, yani kuvveti ileten parçacıklardır. Burada kuvveti biraz açıklamak faydalı olacaktır. Doğada bilinen dört tane temel kuvvet vardır. Bunlardan ilki hepimizin az çok bildiği elektromanyetik kuvvettir. İki mıknatısın veya iki yükün birbirini itip çekmesi elektromanyetik etkileşimdir. Atom çekirdeğinin içerisinde kendisini gösteren çok kısa erimli iki kuvvet daha vardır. Bunlar güçlü kuvvet ve zayıf kuvvettir. Bu kuvvetler atom çekirdeğinde bulunan parçacıkların bir arada bulunmasını sağlar. Dördüncü kuvvet ise gezegenlerin ve yıldızların hareketlerinde kendisini gösteren kütle çekimi kuvvetidir. Kütle çekimi için elimizdeki en iyi açıklama olan genel görelilik kuramına göre büyük kütleler uzay-zamanı eğer ve bu eğrilikte kütle çekimi olarak algılanır. Kütle çekimi kuvveti dışında geriye kalan diğer üç kuvvetin taşıyıcı parçacıklarını (foton, gluon, W ve Z bozonları) ve bunların özelliklerini biliyoruz.
FERMİYONLAR
Fermiyonlar ise bildiğimiz maddeyi oluşturan parçacıklardır. Atomu meydana getiren protonlar, nötronlar ve elektronlar birer fermiyondur. Pauli dışarlama ilkesi aynı kuantum durumunda birden fazla fermiyon bulunamayacağını söyler. Yani bir kuantum durumda ancak tek bir fermiyon bulunabilir. Atomun en alt yörüngesine baktığımız zaman en fazla iki tane elektronun bu yörüngede bulunabileceğini görürüz. Bu elektronlardan birinin spini +1/2 iken diğer elektronun spini -1/2 dir. O yörüngeye üçüncü bir elektron yerleştirmeniz Pauli dışarlama ilkesine göre mümkün değildir. Çünkü üçüncü bir elektronun spin değeri diğer iki elektrondan birisi ile aynı olacağından Pauli dışarlama ilkesi buna izin vermez. Bu yüzden elektronlar farklı yörünge katmanları halinde sıralanarak atomu meydana getirir. Eğer Pauli dışlarlama ilkesi olmasaydı her atomda bütün elektronlar en alt yörüngede yığılmış olurdu ve bildiğimiz maddeden çok farklı bir yapı ortaya çıkardı.
MADDESEL BOŞLUK
Atomun yapısına yakından bakarsak çekirdeği ile etrafındaki elektronlar arasında kocaman maddesel bir boşluk olduğunu görürüz. Örneğin atomun çekirdeği bir futbol topu büyüklüğünde olsaydı ona en yakın elektron 1 km uzakta olurdu. Dolayısıyla bir atomun yaklaşık %99,9999’u maddesel boşluktan meydana geliyor. Tıpkı atomlardan meydana gelen bedenlerimiz, üzerinde oturduğumuz koltuk, elimizde tuttuğumuz bu gazetenin sayfaları gibi. Bizi çevreleyen tüm o cisimler aslında kocaman birer de maddesel boşluk. Peki nasıl oluyor da bu boşluklar içi içe girmiyor, bir madde diğerinin içinden geçemiyor? İşte bunun sebebi Pauli dışarlama ilkesidir. İki tane atom hayal edin. Bu atomların boşluklarının içi içe girmesi aslında atomların birbirlerine dokunması demektir. Bu durumda atomlardaki farklı elektronlar aynı kuantum durumu paylaşmak zorunda kalırlar. Ama bu Pauli dışarlama ilkesine aykırıdır. Dolayısıyla atomların, elektronların yani aslında maddenin birbirine dokunması mümkün değildir. Elimize bir cisim aldığımızda aslında olan şey elimizdeki atomlar ile o cismin atomları arasındaki elektromanyetik etkileşimdir. Pauli dışarlama ilkesine ek olarak atomların oluşturduğu elektrik alanlar da birbirine iterler. Yani atom içerisinde o maddesel boşluğu dolduran fiziksel alanlar vardır ve maddesel boşluk demek fizikte hiçlik demek değildir.
Artık yazının başlığında yer alan sorunun cevabını biliyoruz. Maddenin formunu kısıtlayan ve şekillendiren Pauli dışarlama ilkesi bu sorunun cevabı. Toplumlarda da bir tür cehalet dışarlama ilkesinin kabul göreceği umut dolu yarınların gelmesi dileğiyle.