• Almanya’da iki dev lazerin buluşturulacağı deney, kuantum fiziğinin yaklaşık 90 yıllık bir öngörüsünü doğrudan sınamaya hazırlanıyor. Bilim insanları, boş uzayın aslında hiç de boş olmadığını gösteren “kuantum vakumunu” ilk kez laboratuvarda doğrudan görünür hale getirmeyi hedefliyor.

DOĞAN BARIŞ ABBASOĞLU

Almanya’nın Hamburg kentinin dışındaki European X-Ray Free-Electron Laser (European XFEL) tesisinde sıra dışı bir deney hazırlanıyor. Dünyanın en güçlü X-ışını lazerlerinden birinden çıkan son derece kısa ışık darbeleri yeraltındaki paslanmaz çelik bir deney odasına gönderilecek. Aynı noktaya, başka bir dev sistemden gelen 300 terawatt gücündeki optik lazer ışını yöneltilecek. İki ışının karşılaşmasıyla ortaya çıkacak koşullar, fizikçilerin bugüne kadar laboratuvarda doğrudan göremediği bir şeyi araştırmak için kullanılacak: boşluğun kendisini.

Buradaki “boşluk”, odanın içindeki gazın veya diğer maddelerin temizlenmesi anlamında sıradan bir vakum değil. Modern kuantum fiziğine göre bütün parçacıkların ve kuvvetlerin temelinde bulunan kuantum alanları, ortada tek bir parçacık bulunmadığında bile varlığını sürdürüyor. Başka bir ifadeyle evrenin tamamen boş olduğunu düşündüğümüz bölgeleri bile gerçekte kuantum alanlarıyla dolu. Normal koşullarda bu yapı görünmez durumda. Ancak fizikçiler, yeterince güçlü elektromanyetik alanlar yaratıldığında boşluğun ışığa verdiği tepkinin ölçülebileceğini düşünüyor.

 

Boş uzay gerçekten boş değil

Modern vakum kavramının kökleri, Paul Dirac’ın 1920’lerin sonunda geliştirdiği çalışmalara kadar uzanıyor. O dönemde elektromanyetik alanın bütün uzayı doldurduğu biliniyordu ancak elektron ve proton gibi maddeler hala temel olarak ayrı parçacıklar şeklinde düşünülüyordu. Dirac, elektronların da uzaya yayılmış temel bir alanın enerji uyarımları olarak anlaşılabileceğini gösteren teorik çerçeveyi geliştirdi. Bu yaklaşım sonraki yıllarda kuantum elektrodinamiğine, yani QED’ye dönüştü.

1970’lere gelindiğinde bu düşünce daha geniş bir yapı olan parçacık fiziğinin Standart Modeli içerisinde yerini aldı. Standart Model, kütleçekimi dışında bilinen temel parçacıkları ve temel etkileşimleri kuantum alanları üzerinden açıklıyor. Bu görüşe göre elektron, elektron alanının; foton ise elektromanyetik alanın bir uyarımı. Parçacık ortadan kaldırıldığında ise alan ortadan kalkmıyor.

Üstelik bu alanlar tamamen hareketsiz de değil. Heisenberg belirsizlik ilkesi nedeniyle bir kuantum alanının değerinin kesin biçimde sıfır olması mümkün değil. Alanların en düşük enerji durumlarında bile küçük kuantum dalgalanmaları ortaya çıkıyor. Dolayısıyla kuantum fiziğinde “hiçlik”, klasik fizikte düşündüğümüz mutlak boşluk anlamına gelmiyor.

Bunun yalnızca matematiksel bir varsayım olmadığı uzun zamandır biliniyor. Hollandalı fizikçi Hendrik Casimir’in 1948’de öngördüğü Casimir etkisi bunun en bilinen örneklerinden biri. Vakum içerisinde birbirine çok yakın iki iletken levha yerleştirildiğinde, levhaların arasındaki ve dışındaki elektromanyetik alanın izin verilen dalgalanmaları farklılaşıyor. Bunun sonucunda levhalar arasında ölçülebilir bir kuvvet ortaya çıkıyor. Casimir etkisi günümüzde deneysel olarak doğrulanmış durumda ve nano ölçekte çalışan aygıtların tasarımında hesaba katılması gerekiyor.

Ancak bu, kuantum vakumunu doğrudan görmek ile aynı şey değil.

 

Boşluğu ışıkla nasıl göreceğiz?

Bir maddeyi görebilmemizin nedeni, ışıkla etkileşime girmesi. Bir bardak sudan geçen ışık su moleküllerindeki elektronlarla etkileşir; kırılır, yansır ve yön değiştirir. Gözümüze ulaşan ışığın özellikleri sayesinde bardağın içerisinde boşluk yerine su bulunduğunu anlayabiliriz.

Sıradan bir vakumdan geçen ışıkta ise böyle bir değişim göremeyiz. Kuantum alanları orada bulunmasına rağmen ışık açısından neredeyse tamamen görünmezdir. Fakat Werner Heisenberg ve Hans Euler 1930’ların ortasında bunun her koşulda geçerli olmayabileceğini hesapladı. Yeterince güçlü bir elektromanyetik alan yaratılırsa vakumun kuantum yapısının ışığın geçişini değiştirmesi gerekiyordu.

Bu olaya vakum çift kırılması – vacuum birefringence adı veriliyor.

Normal çift kırılma bazı kristallerde görülür. Kristalin içinden geçen ışığın farklı polarizasyon bileşenleri farklı biçimde hareket eder. Heisenberg ve Euler’in hesaplarına göre yeterince güçlü bir elektromanyetik alan altında kuantum vakumu da son derece zayıf biçimde böyle bir optik malzeme gibi davranmalı. Bir başka güçlü ışık demeti bu bölgeden geçirildiğinde, ışığın polarizasyonunda çok küçük bir değişiklik meydana gelmeli.

Bu nedenle fizikçi Victor Weisskopf daha 1930’larda boş uzayın kendisine belirli fiziksel özellikler atfetmek gerektiğini söylüyordu. Sorun teoride değil, deney teknolojisindeydi: O dönemin ışık kaynakları bu etkiyi ortaya çıkarabilecek gücün yanına bile yaklaşamıyordu.

 

Petawatt çağı kapıları açtı

1960’larda lazerlerin geliştirilmesiyle ulaşılabilen ışık yoğunluğu hızla yükseldi. Daha sonra “chirped pulse amplification” adı verilen ve 2018 Nobel Fizik Ödülü’ne konu olan teknik, son derece kısa lazer darbelerinde olağanüstü güçlerin yoğunlaştırılmasını mümkün kıldı. Günümüzde petawatt seviyesine ulaşabilen lazer sistemleri bulunuyor.

Aynı dönemde parçacık hızlandırıcı teknolojisindeki gelişmeler, görünür ışık yerine çok kısa ve yoğun X-ışını darbeleri üreten serbest elektron lazerlerini ortaya çıkardı. European XFEL de bunların en güçlü örneklerinden biri.

Bu sistemlerin hiçbiri başlangıçta kuantum vakumunu görmek amacıyla geliştirilmedi. Güçlü optik lazerler maddeyi aşırı koşullarda incelemek ve füzyon araştırmaları için kullanılırken, X-ışını lazerleri proteinlerin moleküler yapılarını ortaya çıkarmak ve kimyasal reaksiyonları gerçek zamanlı izlemek amacıyla geliştirildi. Ancak artık bu iki teknoloji birleştirilerek fiziğin çok daha temel bir sorusuna yöneltiliyor.

 

300 Terawattlık lazer vakumda gerilim oluşturacak

European XFEL’deki deneyin temel fikri iki güçlü ışık kaynağını kesiştirmek. XFEL’den gelen X-ışını darbeleri, 300 terawattlık optik lazer ışınıyla karşılaştırılacak. Optik lazerin oluşturduğu son derece güçlü elektromanyetik alan, elektron alanının kuantum özelliklerini etkileyerek vakumun optik davranışını değiştirecek.

Ardından bu bölgeden geçen X-ışını fotonlarının polarizasyonu ölçülecek. QED doğruysa, fotonların çok küçük bir bölümünün polarizasyonunun değişmesi gerekiyor. İşte fizikçilerin aradığı şey bu değişiklik.

Fakat sinyal olağanüstü derecede zayıf. Yaklaşık saniyenin yüz trilyonda biri kadar süren tek bir XFEL darbesinde yaklaşık 100 milyar X-ışını fotonu bulunmasına rağmen hesaplamalar, bunların yalnızca çok küçük bir kısmının vakum nedeniyle değişime uğrayacağını gösteriyor.

Fizikçi Felix Karbstein’ın hesaplarına göre deney sırasında vakumun polarizasyonunu değiştirdiği yalnızca yaklaşık iki fotonun saatte yakalanması bekleniyor.

Bu, devasa bir ışık selinin içerisinden birkaç fotonu ayırmak anlamına geliyor.

 

Yöntem güneş tutulmasına benziyor

Araştırmacılar bu sorunu çözmek için “dark-field”, yani karanlık alan tekniğine başvuruyor. X-ışını demetinin merkezine küçük dairesel bir engel yerleştiriliyor. Böylece normal X-ışınlarının büyük bölümü engellenirken, vakumla etkileşerek polarizasyonu ve yönü değişmiş fotonların çevrede oluşan karanlık bölgeye ulaşması sağlanıyor.

Deney ekibinden Tom Cowan yöntemi güneş tutulmasına benzetiyor. Normalde Güneş’in parlak yüzeyi koronayı görmemizi engeller. Ay Güneş’in önünü kapattığında ise çok daha sönük olan korona görünür hale gelir. Dark-field tekniğinde de milyarlarca normal foton bastırılarak, kuantum vakumunun değiştirdiği birkaç foton aranıyor.

Araştırmacılar geçen yıl European XFEL bünyesindeki Helmholtz International Beamline for Extreme Fields (HIBEF) tesisinde yöntemin deneme çalışmasını gerçekleştirdi. Deney henüz vakum çift kırılmasını ölçmeyi amaçlamıyordu; sistemin arka plan sinyalini yeterince bastırıp bastıramayacağı test edildi. Sonuçlar yöntemin çalışabileceğini gösterdi. Ekip ilk gerçek ölçümü gelecek yıl yapmayı planlıyor.