Featured Video Play Icon

Maddenin Beşinci Halini (Bose-Einstein Yoğunlaşması) Üretmek

Yıl 1978.

50 yıl kadar önce Einstein ve Bose’nin öngördüğü maddenin sıradışı hali olan Bose-Einstein Yoğunlaşması henüz üretilmiş değil. Her yolu deneyen bilim insanları yaklaşabilmiş dahi değil. Yavaş yavaş insanların kafasında “galiba somut bir şekilde gözlemleyemeyeceğiz” düşüncesi yerleşmeye, ulaşılamaz bir hedefmiş gibi görülmeye başlamış.

Ama her zaman birileri çıkar ya. Tüm umutların tükendiği o anda. Birileri fitili ateşler. Bir umut ışığı beliriverir. Ve tüm başarısızlıklar, umutsuzluklar unutularak herkes işe koyulur.

İşte. Yıl 1978.

Fizikçi Daniel Kleppner ve meslektaşı Tom Greytak bu işe bir son vermek için yola koyulacaklardı.
Kleppner ve Greytak bu iş için en iyi adayın hidrojen olduğuna karar verdiler. Öncelikle. Hidrojen hafif bir atomdu. Yani atomların diğer atomlarla karşılaştırıldığında mutlak sıfıra o kadar da çok yaklaşmadan yoğunlaşma imkanı vardı. Ayrıca hidrojen atomları da birbirleri ile çok çok az etkileşime giriyordu. Tüm işaretler hidrojenin Bose Einstein yoğunlaşmasını üretmek için mükemmel bir aday olduğunu gösteriyordu.
Soğutma işlemi için ise biraz karmaşık bir süreç gerekiyordu. Tüm atomlarda olduğu gibi hidrojen atomunun da manyetik kutupları bulunur. Bu manyetik alanı kullanarak güçlü bir manyetik alan içinde soğuk tuzak adını verdiği bir hücre içinde hidrojen atomlarını tutmaya çalışacaktı. Fakat çok çok hassas bir dengeden söz ediyoruz. Atomlar işte. Bazen bir tanesi diğeri ile durup dururken etkileşime girerek enerji ortaya çıkarıyordu. Enerji de ısı demekti. Ve tüm çalışmalar boşuna gidiyor ve sıfırdan başlamaları gerekiyordu.
Tabi bu yolda asla yalnız değillerdi. Colorado’da MIT’den iki fizikçi de bu meydan okumaya katılacak, Bose-Einstein yoğuşmasını üretmek için tamamen değişik bir yaklaşımla yola koyulacaklardı. Eric Cornell ve Carl Weiman. Bu isimleri iyi hatırlayın.
Cornell ve Weiman rakiplerinin aksine hafif atomlarla değil periyodik cetvelde bulunan rubidyum ve sezyum gibi daha ağır metalik atomlara odaklanacaktı. Mantık olarak bu atomları soğutmak için de daha farklı bir yaklaşım gerekiyordu.
Zira o zamanlarda atomlar ne kadar hafifse başarı olasılığı da o kadar yüksek olur düşüncesi hakimdi. Tamamen düz, basit ve o zaman için oldukça doğru bir yaklaşımdı bu. Fakat Weiman buna rağmen başarının bir türlü gelmemesi nedeniyle kendi tabiriyle “sırf meraktan” zor olan yolu seçmeye karar verdiklerini söylüyor.
Ağır atomları soğutmak için kullanacakları yöntem de bir o kadar “sıradışıydı”.

Lazer ışınları.

Evet. Lazer ışını. İnsanın aklına lazer ışını deyince direkt ısı geliyor. Isıtmak geliyor. Fakat işte bilimsel bakış açısı da tam olarak böyle bir şey. Kimsenin aklına gelmeyecek bir yönteme sadece ufak bir fark ile baktığınız zaman önünüzde acayip kapılar açılıyor.
Cornell ve Weiman lazer ışınının belirli bir hızda hareket eden atomların frekansına ayarlanması durumunda atomları yavaşlatarak onları soğuttuğunu keşfediyor. Hatırlayın. Isı dediğimiz şey atomların hareketi ile alakalıydı. Ne kadar hızlı hareket ederlerse enerjisi ve haliyle ısısı da daha yüksek oluyordu. İşte bir gaz bulutunun içindeki atomlara ışık parçacıkları çarptığında bu atomlar yavaşlatılarak haliyle soğumaları sağlanıyordu.
Soruna bu şekilde farklı bir çözüm üreten Cornell ve Weiman farkında olmadan atomların sıcaklığının mutlak sıfırın birkaç milyonda birine kadar soğutulmasını sağlayacak bir yol bulmuşlardı.
Bu inanılmaz zekice çözüm ile elbette taşlar yerinden oynamaya başlamış, herkes gözünü bu çözüme çevirmişti. Bu arada 70lerde başlatılan mücadelenin üzerinden 20 yıl kadar geçmiş, 1990’ların başına gelinmişti. Bu aşamada Cornell ve Weiman’a rakip olarak, MIT’ye yeni gelen, 30’larında genç bir fizikçi olan Wolfgang Ketterle de katılacaktı.
Lazer ışınlarının farklı bir şekilde düzenlenmesi ile atomları soğutma çalışmaları yavaş yavaş meyvesini vermeye başlayacaktı.
Tabi heyecan tavan yapacaktı. MIT’de tüm imkanlar bu çalışmalara yönlendirilecek, 70 yıldır ilk defa bir Bose-Einstein Yoğunlaşması üretilebileceğine dair umutlar yeşermişti.
MIT ile birlikte birçok farklı laboratuvar da bunu başaracak ilk ekip olmak için var gücüyle çalışıyordu.
Helyum dağını hatırlıyor musunuz? Onnes ve Dewar’ın rekabetini. Benzer bir hava hakimdi bilim dünyasında.
O nedenle eğer özellikle bu konularda bir keşif yapmak istiyorsanız hızlı olmak zorundasınız. Eric Cornell’in dediği gibi, hayat kısaydı, ömürleri kısıtlıydı ve bilim ilerlemeye devam ediyordu.
Bunun için Cornell ve Weiman Colorado’daki Boulder laboratuvarlarında işe koyulmuş ve mümkün olan tüm teknikleri harmanlayarak önce gazı hapsedebilecekleri bir odacık üretmiş, bu odacığa ışın göndererek atomları yavaşlatmak adına çok gelişmiş lazer ekipmanları edinmiş ve bunun üstüne ilk başlarda kullanılan manyetik alan tuzağını da kullanmışlardı.
Diğer taraftan Ketterle de MIT’deki gelişmiş laboratuvarında benzer yaklaşımlarla sodyum buharı ile çalışmalara başlamıştı.
Boulder Laboratuvarında Cornell ve Weimen, MIT’de Ketterle. Hepsinin daha sonra bahsedeceği gibi arkadaşça bir rekabet içindelerdi. Hatta kimi zaman birbirlerine ipuçları da veriyor, bulgularını paylaşıyorlardı. Fakat ipi göğüsleme konusunda elbette herkes bencildi.
Fakat bir noktada lazer ve manyetik tuzaklama yeterli olmayacak, buharlaştırma ile soğutmayı da kullanmaları gerekecekti.
Bu da çok basit bir mantık aslında. Sıcak bir kahve içerken çıkan buharı düşünün. Bu buhar aslında kahvenizden firar eden ortamdaki en sıcak kahve molekülleri. Haliyle kahvenizin soğumasına da neden olan bu firariler. Aynı mantığı atomları bir araya getirerek, bir manyetik kase adını verebileceğimiz bir tuzak içinde bekleterek yüksek enerjili olanların buharlaşarak kaçmasını ancak kasenin üst kısmından geri dönerek enerjiyi düşürmesini ve bu sayede belirli bir süre sonra atom çorbasının buz gibi olmasını sağlıyorlar.
Bu şekilde tuzağın sınırlarını gittikçe daraltarak sonunda Bose-Einstein Yoğunlaşmasını üretebilecek koşullara ulaşmaya çalışıyorlar.
Cornell ve Ketterle farklı yerlerde konferanslar veriyor, herkes bu ikiliye çalışmanın durumunu soruyor, ikisi de birbirlerinin çalışmalarının ne durumda olduğunu yakından takip ediyorlardı.
Yarışta artık son düzlüktelerdi.
Ve 5 Haziran 1995’te büyük gün gelmişti. Fizik tarihinin en önemli günlerinden biri.
Cornell ve Weimen’ın başını çektiği Boulder laboratuvarlarındaki ekip, Einstein’ın 70 yıl önce teorileştirdiği Bose-Einstein Yoğunlaşmasını üretmeyi başarmışlardı.
Tabi ilk tepkileri “Bir saniye. Bu gerçek mi?” olacaktı. Yani. Emin olmaları gerekiyordu. Çünkü bu yoğunlaşmayı, bu maddeyi bir vampire benzetebiliriz. Çok az miktarda güneş ışığı bile değse tamamen yok olacak bir madde. Karanlıkta hüküm süren bir madde. Fakat tabi ki bu ortamda fotoğrafını çekebilirdiniz. Lazer ışığını inanılmaz hızlarda maddeye gönderdiğinizde, madde yok olsa bile fotoğraf filminde yansımasını görebilirsiniz.
Bu şekilde. Yapabilecekleri tüm kontrolleri yaptıktan sonra Cornell ve Weiman Mutlak Sıfırın 170 milyarda birine kadar soğutulmuş 3000 kadar rubidyum atomunda saf bir Bose-Einstein yoğunlaşmasını ürettiklerini anlayacaklardı. Evrende. Bizim bildiğimiz kadarıyla. **Maddenin bu hali aldığı ilk andı bu. Tarihi bir an.
Bu başarının ardından, MIT laboratuvarında Wolfgang Ketterle de, sadece birkaç hafta içinde, benzer bir yöntemle, ancak sodyum atomlarını kullanarak, yaklaşık 500 bin tane sodyum atomunu neredeyse durma noktasına gelecek kadar soğutmayı başararak, Cornell ve Weiman’ın ürettiğinden de fazla, hatta çıplak gözle görülebilecek kadar fazla madde üretebilecekti.
Tabi bilimsel başarı söz konusu olduğunda rakip gibi görülen bu 3 bilim insanı da gerektiği gibi ödüllendirilecek, farklı yerlerde, farklı zamanlarda bu maddeyi üretebilen bu 3 bilim insanı da 2001 yılında Nobel Fizik Ödülünü paylaşacaktı.
Başta bahsettiğimiz ve bu yarışı tetikleyen Daniel Kleppner’a ne oldu diye merak ediyorsanız. Bilimde küsmek diye bir şey yok. Başkaları bu maddeyi halihazırda üretmiş olmasına rağmen çalışmalarına bir gün bile ara vermedi. 20 yılın ardından ise 1998’de hidrojen ile Bose-Einstein yoğunlaşmasını üretebildi.
Belki Nobel ödülü alamadı ancak büyük fizikçilerin buluştuğu, her yıl konferansların düzenlendiği Enrico Fermi Uluslararası Fizik Okulunda sahneye çıktığında tüm salon ayağa kalkmış ve dakikalarca alkışlamışlardı Kleppner’ı. Yani asıl önemli olanı, bilim insanlarının saygısını kazanmıştı.
Bu noktada da bir yarışın daha sonuna geldiğimizi, herkesin şapkasını asıp emekliye ayrıldığını düşünebilirsiniz.
Fakat ne demiştik. Her yeni keşif, her yeni büyük gelişme sayısız yeni sorunun da başlangıcıdır.
Sizlerin de baştan beri aklının bir köşesinde durduğunu düşündüğüm bir soru. Tamam. Şimdi maddenin yeni hali teorileşti, 70 yılın ardından, büyük mücadeleler sonunda bu maddeyi ürettik. De. Ee? Yani. Bu maddeyi biz ne yapacağız? Hep diyoruz ya. Bu bilgi bizim ne işimize yarayacak?
Evet. Yarayacak. Hem de çok. Ama onu ayrıca konuşalım isterseniz.
İşte bu yüzden her şeyin bir hikayesi var ve hikayesini öğrenmeden o şeyi öğrenmeniz mümkün değil diyorum. Her şey ama. Bir insanı da. Gerçekten o insanı o insan yapan arka planı öğrenmeden tanıdığınızı iddia edemezsiniz. Bir formülü de öyle. Bilimsel bir fikri. O fikri ortaya çıkaran motivasyon neydi? Kimler nasıl düşünerek bu büyük fikirleri ortaya çıkardı? İşte bebarbilim’de benim yapmaya çalıştığım da tam olarak bu. Perdeyi biraz aralayarak öğrendiklerimizi bilmekten öteye götürmek. Gerçekten anlamak için bir hikaye anlatmak. O yüzden bilimin hikayesini anlatmaya çok uzun süre devam edeceğim.
Sizler de bu yolda bana destek olmak isterseniz Katıl Butonu ve Patreon üzerinden katkıda bulunabilirsiniz.
Bu zamana kadar katkıda bulunan ve bulunmaya devam eden herkese çok çok teşekkürler.
Ve her zaman olduğu gibi.
Tekrar görüşene dek.
İyi ki varsınız.
Sevgiler…

Bir cevap yazın

E-posta hesabınız yayımlanmayacak. Gerekli alanlar * ile işaretlenmişlerdir