Bilim bir ilki başardı: Tanıştıralım, karşınızda foton

Yahudi ve Hristiyan inancının ortak kutsal kitabının ‘Yaradılış’ bölümüne göre Tanrı ‘Işık olsun’ demiştir ve evren böyle başlamıştır.

Peki ama ışık nedir?

Fizik bilimi uzun yüzyıllar boyunca bu sorunun cevabını aradı. Evet ışık vardı, üstelik her yerdeydi ama neydi bu?

1900 yılında Alman fizikçi Max Planck, atomdan dışarıya enerjinin paketçikler halinde çıktığını keşfetti. Bu paketlerin en küçük birimine de, Latince’de ‘Ne kadar’ anlamına gelen ‘Quanta’ (Kuanta) adını verdi.

Onun ‘kuanta’sından hareket eden Albert Einstein, 1905 yılında dönemin hemen hemen bütün fizikçilerinin ‘Hayır, bu doğru olamaz’ dediği bir tezle ortaya çıktı: Işık, işte bu Max Planck’ın minik ‘kuanta’larından oluşuyordu, yani kesintisiz değildi, parçacıktı.

Oysa bütün fizik dünyası ışığın kesintisiz olduğuna ve dalgalar şeklinde yayıldığına inanıyordu. İnanmak ne kelime, ışığın dalgalar halinde yayıldığını kanıtlayan çok sayıda deney vardı. Ama Einstein görüşünde ısrarlı oldu, kendi iddia ettiği ‘ışık parçacığı’na ‘light quanta’ (ışık kutantası) adını verdi. Henüz foton adı ortada yoktu.

Zaman içinde Einstein’ın  haklı olduğu, ışığın parçacıklardan oluştuğu ama Einstein’a karşı çıkanların da o kadar yanılmadığı ortaya çıktı: Evet ışık parçacıktı ama dalgalar halinde yayılıyordu. Bugün buna ‘parçacık-dalga ikiliği’ diyoruz; ışık aynı anda her ikisi de olabiliyor.

Albert Einstein hayattaki yegane Nobel ödülünü de bu buluşuyla aldı, ışığın parçacık olduğu buluşuyla yani. Sonra 1926’da bir başka fizikçi, Nature dergisine yazdığı bir mektupta bu parçacığa ‘Foton’ adını koydu, isim tuttu ve benimsendi.

Peki ama nedir foton? Soru hala değişmedi. Evet ışığın ne olduğu hakkında pek çok şey öğrendik ama temel soru duruyor ortada.

Foton, pek çok doğal durumun yarattığı bir sonuç. Elektronlar enerji seviyesi değiştirdiğinde, birbiriyle çarpıştığında, bir elektronla bir anti-elektron, yani pozitron karşılaştığında vs pek çok durumda ortaya ‘ışık’ çıkıyor.

Bir süre sonra anlaşıldı ki foton, bugün adına ‘Elektro manyetik radyasyon’ dediğimiz fenomenin başlıca taşıyıcısı. Yani gözümüzle gördüğümüz ışıktan göremediğimiz radyo dalgalarına kadar her şey aslında foton. Fotonun enerji seviyesi onun dalga boyunu belirliyor, dalga boyu da bizim gözümüz tarafından görülüp görülemeyeceğini.

Fotonlar atomların içinden çıkıyor, yani onlar tarafından salıveriliyor. Ve sonra gidip başka atomlarla etkileşime giriyor, onlara çarpıyor.

Kuantum fiziğinin önemli bir bölümü işte fotonların bu neredeyse sonsuz varyasyonu olan ortaya çıkma biçimi ve diğer atomlarla etkileşimini araştırıyor.

İngiltere’deki Birmingham Üniversitesi’nden araştırmacılar ışık ve maddenin neredeyse sonsuz varyasyonu olan etkileşimlerini anlamak ve bir nevi kataloglamak amacıyla bir bilgisayar modeli oluşturmuş. Bunu yapmak hiç de kolay bir iş olmasa da ekip sorunu basitleştirecek bir strateji geliştirmeyi başarmış. Onlar bu stratejiyi geliştirirken bambaşka bir şeyi daha başarmışlar: Tek bir fotonun yani ışık parçacığının şeklinin nasıl olduğunu gösteren bir görüntü elde etmişler.

Şimdi, bir imkansızlığı hatırlatmak gerek: Herhangi bir fotonu ‘görmek’ imkansız; çünkü onu görmek için en azından başka bir tane fotona daha ihtiyaç var ve bizim görme dediğimiz eylem için o tek fotonun gidip görmek istediğimiz fotona çarpıp sonra bize geri dönmesi gerek. O çarpışma zaten görmek istediğimiz şeyi bozacak. Bu fiziki bir imkansızlık, buna kuantum mekaniğinde ‘Ölçme problemi’ deniyor ve aslında çözümü yok.

O yüzden kuantum seviyesindeki bütün ‘görme’ eylemlerimizi dolaylı yollardan yapmamız gerekiyor. Bilim insanları her seferinde bu dolaylı yollar geliştirme konusunda dahiyane çözümler üretmeyi başardılar bugüne kadar. Ama tabii fotonu ‘görmek’ hala imkansız.

Işık hem dalga hem de parçacık gibi davranabilir, ki buna “dalga parçacık ikiliği” denir. Yani ışık dalgalar şeklinde yayılırken ışık enerjisi de fotonlar dediğimiz parçacıklar halinde bulunabilir. Fotonlar atomlarla etkileşime girebiliyor. Bu etkileşimleri kuantum mekaniği için de çok önemli. Günlük yaşamımızdaki birçok teknoloji, fotonların maddeyle etkileşimine dayanıyor.

Dolayısıyla fotonlarla maddeler arasındaki etkileşimin doğasına çok daha yakın bir pencereden bakmak önemli. Ne var ki fotonlar maddeye çarptığında ya da ortamda hareket ederken birçok farklı şekilde davranabilir. Bu da bilgisayar modeli oluşturmadaki zorluğu yaratan şey. Araştırmacılar karmaşıklığı çözmek için olasılıkları basitleştirdiler. Yani fotonların önündeki sonsuz etkileşim seçeneği yerine daha az ve belirli bir dizi etkileşim senaryosu üstünde durdular. Buna ek olarak fotonun bir kaynaktan çıkışını ve uzak bir yere nasıl gittiğini anlamaya çalıştılar.

Physical Review Letters’de yayınlanan çalışmanın başyazarı Benjamin Yuen “Hesaplamalarımız çözülemez gibi görünen bir problemi hesaplanabilir bir şeye dönüştürmemize yardım etti. Bunun bir yan kazancı olarak da fotonun görüntüsünü elde edebildik, ki fizikte daha önce bu başarılamamıştı” dedi.

Bir fotona belli bir şekil vermek başka bir zorluk. Bunun da sebebi yine bu dalga parçacık ikiliğinden kaynaklanıyor. İşte yukarıda gördüğünüz o görüntü fotonun görüntüsü.

Hem bu görüntünün elde edilmesi hem de fotonun maddeyle etkileşimi konusundaki bilgilerimizin artması son derece önemli, çünkü bu çalışmalar hem kuantum fiziği araştırmalarında hem de malzeme biliminde karşımıza yep yeni imkanlar çıkmasına yardım edebilir.

Örneğin bu sayede bilim nanofotonik teknolojiler geliştirip çok daha güvenli haberleşmenin yollarını bulabilir, çok daha etkili tıbbi görüntüleme cihazları yapılabilir, bazı kimyasal reaksiyonların moleküler düzeyde kontrol edilmesi sağlanabilir.

Nefes kesen ışık gösterileri, konserler ve rengarenk yerel mutfaklar: Almanya’dan Japonya’ya sonbahara adanan en güzel festivaller