Featured Video Play Icon

Mutlak Sıfıra Doğru – Helyum Dağı

Evrende ulaşılabilecek en yüksek sıcaklık nedir? Mutlak sıfır, 0 kelvin’dir. Biliyorsunuz. Maksimum sıcaklık peki? 100 bin kelvin. Milyon. Trilyon? Hayır. Tam 142 nonilyon kelvindir. Nonilyon çok duymadığımız bir sayı tabi. Şöyle söyleyeyim. Milyon, milyar, trilyon, katrilyon, kentilyon, sekstilyon, septilyon, oktilyon ve sonrasında nonilyon geliyor. İlla ki yazmak gerekirse 142,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000 gibi bir sayıdan bahsediyoruz. Planck Sıcaklığı olarak bilinen bu sıcaklığa da evrende sadece bir kez ulaşıldığı düşünülüyor. Ne zaman peki? Tabi ki büyük patlamada. 

Ancak bu konuyu daha iyi kavramak için, aklımızın alabilmesi için daha önceden de konuştuğumuz gibi mutlak sıfıra doğru yolculuğumuza devam etmemiz gerekiyor. Atomik düzeyde de hareketin sıfırlandığı o “teorik” noktaya… Ve bu mücadelede de bilim insanlarının amansız mücadelesi bizi bekliyor.

Dünya üzerinde doğal şekilde gözlemlenen en düşük sıcaklık 2010 yılının Ağustos ayında -94,7 santigrat ile Antarktika’da yaşandı. Elbette doğurdan bir ölçüm değildi bu. NASA uydularından elde edilen bir veriydi bu. Zira bu sıcaklıkta tahminlere göre bir insan ekstra bir koruması yoksa 3 dakika kadar hayatta kalabilir.

Mutlak sıfırı arayan bilim insanları da bu amaçla 100 yıl önce güney kutbuna geziler düzenliyorlardı. Fakat elbette yaklaşılamıyordu bile. Mutlak sıfıra doğru asıl doğru adımlar ilk olarak laboratuvar ortamında gazlar sıvılaştırılarak atılacaktı.

Bu noktada da karşımıza çıkan ilk isim Kraliyet Enstitüsünde çalışan James Dewar’dı.

1891 yılında öncüsü Michael Faraday’i andığı bir halka açık derste “Sıcaklığın mutlak sıfıra 5 dereceye kadar yaklaşması bile maddenin özellikleri ile ilgili bilgimizi inanılmaz derecede artıracaktır” demişti.

James Dewar bilim tarihinde biraz fazla hırslı olması nedeniyle çevresinde pek iyi tanınmayan isimlerden biriydi. Fakat bu hırsı bir miktar bencilce olsa da çok önemli keşifler için de tetikleyici olmuştu.

Elbette onun da çıkış noktası kendisinden 70 yıl önce kendisi ile aynı laboratuvarda klor ve amonyak gibi gazların basınç altında sıvılaştığını gösteren ve yapay soğuğu ilk kez üreten Michael Faraday’in mirasıydı.

Ve ilk sorusu şuydu. Basınçla gazı sıvılaştırmaya yarayan bu yöntem bütün gazlar için geçerli miydi? Tüm gazlar sıvılaştırılabilir miydi? Fakat “ideal gazlar” ya da sıvılaştırılamayan gazlar olarak bilinen oksijen, nitrojen ve hidrojen gibi gazlara geldiğinde duvara toslamıştı. Ne yaparsa yapsın, ne kadar basınç uygularsa uygulasın bu gazlar bir türlü sıvılaştırılmıyordu.

Zamanının çok ötesinde bir zeka olan ve doğanın yasalarına karşı sıradışı bir algı gücü buluna Faraday pratiğin ve deneyin gücüne inanarak bunun mümkün olabileceğini o zamanlar söylemişti. Elindeki imkanlarla da farklı gazları sıvılaştırarak -130 santigrata kadar ulaşabilmişti.

İşin sırrı da burada yatıyordu aslında. Soğukta. Ki 1873 yılında Dewar da tosladığı duvarın cevabını alacaktı. Teorik fizikçi Van Der Waals bu ideal gazların neden sıvılaşmadığını açıklayacaktı.

Moleküllerin boyutunu ve aralarındaki kuvveti hesaplayarak bu gazların basınç ile sıvılaştırılması için belirli bir kritik eşiğin altına kadar soğutulmaları gerekiyordu. Yani ideal gazların da sıvılaştırılabilmesi için bunları soğutmamız gerektiğini göstermişti.

Bu sayede önce oksijen ve ardından nitrojen sıvılaştırılabilmişti. Bu sayede insanlık ilk defa neredeyse -200 santigrata kadar erişebilmişti.

Ama sonraki aşama, sonraki gaz, Hidrojen hiç de kolay ulaşılabilir seviyede değildi. Hidrojeni sıvılaştırabilmek için -250 santigrat seviyelerine kadar inmek gerekiyordu. Buna ulaşabilen de o dönemin süperstarı olabilecekti.

Dewar bunu bir metaforla ifade edecekti. Hidrojen Dağı diyecekti bu meydan okumaya. Aşılması gereken büyük bir dağ.

Ve bu dağa tırmanarak oraya bayrağı diken ilk kişi olmak da hayattaki en büyük amacı haline gelecekti Dewar için.

Ama bir meydan okuma varsa, bir bilimsel Nirvana varsa bilim insanları hiçbir zaman yalnız değildir. Mutlaka bu hedefe ilk önce ulaşmak isteyen başkaları da çıkacaktır. İnsanlığın en güzel yarışı. Gerçeğe doğru yapılan koşu.

Ve Dewar’ın karşısına genç bir Hollandalı çıkacaktı. Heike Kamerlingh Onnes.

Aslında Onnes Dewar’a oldukça saygı duyardı. Fakat. Dedik ya. Dewar biraz, nasıl söyleyelim, gıcıktı. Onnes’e karşı kendisi çok da aynı duyguları besliyordu diyemeyiz.

Bunun üstüne Onnes bir de bayağı büyük bir laboratuvar kurmaya karar verdiğinde tabi Dewar iyice sinir olmuştu.

Hollanda’da küçük bir şehir olan Leiden’daki fizik laboratuvarının başına geçtiğinde Onnes sadece 29 yaşındaydı. Ve laboratuvarın açılışında hedeflerini açıkça belli etmişti. Büyük bir kalabalığa gelecekte gazları sıvılaştırma konusunda öncü olacağını ve Hollanda’nın adını uluslararası arenada duyuracağını söylüyordu.

O zamanlarda bu kadar vizyoner bir yaklaşım gerçekten çok sıradışıydı. Ülkesini bilimle kalkındırmak istediğini söyleyen 20’li yaşlarının sonlarında bir genç.

Bu şekilde laboratuvarını bir fabrika gibi işleten Onnes gerekli aletleri, tüpleri bünyesinde üretiyor, bu işler için çevrede “mavi önlüklü gençler” olarak tanınacak bilim aşığı gençleri topluyordu. Hatta sonrasında bugün hala açık olan bir teknik eğitim okulu da kuracaktı.

Bu açıdan Dewar ve Onnes çok farklı karakterlerdi. Dewar tüm çalışmalarını büyük gizlilikle yaparken Onnes aylık bir dergi ile laboratuvardaki çalışmaları dünya ile paylaşıyordu.

Dewar tüm gücü ile sadece deneylerle yoluna devam ediyor, Onnes ise her aşamasını teoride planladıktan sonra işe koyuluyordu.

Fakat ikisi de gazları sıvılaştırma konusunda benzer bir yaklaşım benimsemişlerdi. Hidrojeni sıvılaştırmaya da aynı yoldan ilerleyeceklerdi. Adım adım. Farklı gazları kullanarak bir gazdan diğerine giden bir süreç. En yüksek sıcaklıktan en düşüğüne doğru.

İlk gaza basınç uygulayarak bunu bir soğutucu madde içine batırılmış bir soğutma tüpüne gönderiyorlardı ve burada bu gaz sıvılaşıyordu. Ve biliyorsunuz. Gaz sıvılaştığında soğuyordu. Ardından bu sıvı bir sonraki gaz için soğutucu görevini görüyordu. Bir sonraki gaz da bu soğutucu sayesinde basınçla sıvılaştığında bir sonraki gaza geçiyorlardı.

Son aşamada da amaç hidrojene gelindiğinde atmosfer basıncının 180 katı kadar bir basınçla hidrojeni de sıkıştırıp önceki gazın sağladığı soğutucu sayesinde hedeflerine ulaşmak istiyorlardı. Bu da sıcaklığı inanılmaz bir şekilde düşürerek mutlak sıfırın sadece 21 derece üzerine, -252 santigrata ulaşacaklardı.

Fakat söz konusu basınçlar beraberinde de çok büyük riskler taşıyordu. Bu nedenle Dewar’ın laboratuvarında birçok patlama da meydana geliyordu. Birkaç asistanı savrulan camlar nedeniyle gözlerini kaybetmişlerdi. Ama Dewar işte. Notlarına baktığınızda sadece ekipmanlara ne olduğu yazıyordu. Notlarında gözlerini kaybeden asistanlarla ilgili hiçbir bilgi bulunmuyordu.

Leiden’da, Onnes’in laboratuvarında da aynı sorunlar söz konusuydu ve bu nedenle birçok şikayet nedeniyle başı polisle de dertteydi. Patlama riskleri nedeniyle sonunda müthiş umutlarla açtığı laboratuvarı polis tarafından kapatılacak ve 2 yıl boyunca kapısına mühür vurulacaktı.

Ve hidrojen dağına çıkma mücadelesinde Dewar artık öne geçecekti.

1898’de Dewar tam 20 yıldır hidrojeni sıvılaştırmaya çalışıyor olacaktı. Ve sonunda tüm gücü ile bu hedefine saldırma vakti gelmişti.

Sıvı oksijeni kullanarak hidrojen gazının sıcaklığını -200 santigrata kadar düşürmüş, kapların basınçlarını sonuna kadar artırmış ve son vanayı da açmıştı.

Neredeyse patlama seviyesine gelen son kabın ucundaki tüpteydi gözler.

Sonra birden bu tüpe sıvı akmaya başladı.

Dewar sonunda, 20 yılın sonunda, hidrojeni sıvılaştırmayı başarmıştı. Hidrojen dağının zirvesine tırmanmıştı. Zafer onundu.

O anda dünyanın en mutlu insanı olması gerekiyordu.

Fakat değildi.

Neden biliyor musunuz?

Şöyle düşünün.

Tüm hayatınızı bir dağın zirvesine tırmanmak için harcıyorsunuz. En yüksek zirve olarak bilinen noktaya. İlk çıkan da sizsiniz. Çıkıyorsunuz. Zirvedesiniz.

Bir bakıyorsunuz ileride, çok daha yüksek bir zirve var.

İşte Dewar da tam olarak böyle hissediyordu. Çünkü Hidrojen dağından daha yüksek bir dağ duruyordu karşısında. Helyum Dağıydı bu. Yeni keşfedilen bir tür asal gaz olan Helyum. Ve bunu sıvılaştırmak içinse çok daha aşağıya, mutlak sıfırın 5 derece yukarısına kadar inmeniz gerekiyordu.

Yeni bir meydan okuma.

Dewar hırslı adam tabi. Hemen işe koyuluyor ama sorun ne? O zamana kadar sadece  güneşte bulunduğu düşünülen ve yeni keşfedilen bu gazdan elde etmek, deney yapabilmek için yeterince toplamak çok çok zordu.

Aslında şanslıydı. Çünkü helyumu keşfeden iki kimyacı Lord Rayleigh ve William Ramsay hemen yanındaki laboratuvardalardı. Ama dedik ya. Dewar sevilmiyor diye. Dewar bu bilim insanlarının çalışmalarına hep küçümseyerek bakmıştı o zamana kadar. Haliyle ihtiyacı olan helyumu bu kişilerden alamayacaktı.

Ama bu noktada bizim genç bilim insanı Onnes devreye girecek ve kurduğu bağlantılar sayesinde yeterli helyumu toplayarak hemen işe koyulacaktı.

İlk cepheyi kaybetmişti fakat savaşı kazanmaya kararlıydı.

Bu sırada Dewar’ın da şanssızlıklar peşini bırakmıyordu. Biriktebildiği bir miktar helyumun bulunduğu tüpün vanasını yanlışlıkla açan asistanı tüm birikimi bir anda yok etmişti.

Ve 1908 yılında Onnes artık sona yakındı.

Tüm ekibini laboratuvarda toplamış ve senaryoyu birkaç kez prova ettikten sonra ekipmanlardaki tüm havayı boşaltmışlar ve deneye başlamışlardı.

Uzun süren süreç sonunda hidrojen de sıvılaştırıldıktan sonra sıcaklık gittikçe düşmeye başlamış ve sonunda alttaki tüpe bir fenerle bakan Onnes Helyumdan gelen sıvıyı gözleri ile görmüştü.

Onnes. Helyum dağının zirvesindeydi.

Mutlak sıfıra bu kadar yaklaşan ilk insan olmuştu. -268 santigrata ulaşmıştı.

Bu inanılmaz başarısı ile de Nobel Ödülünün sahibi olacaktı.

Hırs, başarısızlık, mücadele ile dolu bu hikaye aslında bilim insanlarının mücadeleci ruhunu da bize gösteriyor. Gösterdiği ve kanıtladığı başka bir şey ise aslında mücadelenin hiç ama hiç bitmediğiydi. Bir hedefe ulaştığınızda mutlaka karşınıza yeni bir hedef, yeni bir meydan okuma çıkıyor.  Her cevap yeni bir soru doğuruyor diyorum ya hep. Bu da o hikayelerden biriydi. Bilimdeki yarış asla bir bitiş çizgisine doğru yapılan bir yarış değil. Sona ulaştığınızda perde kapanmıyor. Hiç beklemediğiniz başka meydan okumalar bekliyor sizi. Doğa her zaman bizden bir adım önde zira. Her zaman bir gizem barındırıyor.

Onnes de bunu yaşayacaktı. Helyumu sıvılaştırdıktan sonra hemen çok düşük sıcaklıklarda maddenin elektriği nasıl ilettiğini araştırmaya koyulacaktı. Ve bir noktada çok acayip bir şey gözlemleyecekti. Mutlak sıfırın dört derece üstünde, bir miktar cıvada elektrik akışının direnci bir anda kaybolacaktı.

İletkenlik çok acayip bir seviyeye çıkacaktı.

Onnes bunun için de yeni bir kelime bulmak zorunda kalacaktı.

SÜPER İLETKEN!

Ama bu bambaşka bir hikayenin konusu.

Ve her zaman olduğu gibi.

Tekrar görüşene dek.

İyi ki varsınız.

Sevgiler…

Kaynaklar:

https://www.nbcnews.com/mach/science/what-absolute-zero-ncna936581#:~:text=In%201848%2C%20the%20Scottish%2DIrish,of%20the%20unwieldy%20negative%20numbers.

https://www.livescience.com/39994-kelvin.html

https://cen.acs.org/articles/82/i35/HISTORY-MADE-ABSOLUTE-ZERO.html

https://www.smithsonianmag.com/science-nature/absolute-zero-13930448/

Bir cevap yazın

E-posta hesabınız yayımlanmayacak. Gerekli alanlar * ile işaretlenmişlerdir