Mikroölçekte korunum yasaları

 

 

 

 

 

Fizikte korunum kanunları denince, fiziksel bir proses geçiren kapalı bir sistemde ölçülebilen bazı niceliklerin sabit kalacağını ifade eden yasalar anlaşılır. Çokları korunum kanunlarını fiziğin en temel yasaları olarak kabul eder.
Böyle bir yasayı ilk olarak formüle eden 18. yüzyıl Fransız kimyacısı Antoine Lavoisier'dir. Maddenin korunumu yasası olarak bilinen bu yasanın ifadesi şöyledir: Bir kimyasal reaksiyonda, reaksiyona giren ve reaksiyondan çıkan madde toplamı sabit kalır. Bu yasanın en genel ifadesi de şöyledir: Kapalı bir sistemdeki toplam madde miktarı sabit kalır.
19. yüzyılın başlarına kadar bilimciler enerjinin kinetik, potansiyel ve ısı formlarında bulunduğunu ve bunların birbirlerine dönüşebildiğini fark etmişlerdi. Bunu sonucunda Alman Hermann von Helmholtz ve Julius Robert von Mayer ve İngiliz James Prescott Joule enerjinin korunumu yasasını formüle etti. Bu yasa kapalı bir sistemdeki her türden toplam enerji miktarının sabit kaldığını ifade eder. Bugün bu Termodinamik'in I. Yasası olarak bilinir.
Klasik mekanikte temel kanunlar lineer (çizgisel) momentumun korunumu ve açısal momentumun korunumu yasalarıdır. Lineer momentum, öteleme hareketi yapan (doğrusal hareket eden) bir cismin kütlesiyle hızının çarpımıdır. Açısal momentum dönme hareketi yapan bir cismin lineer momentumuyla dönme eksenine dik uzaklığının çarpımıdır.
Aynı derecede temel diğer bir yasa da elektrik yükünün korunumu yasasıdır. Buna göre herhangi bir prosese giren maddenin toplam elektriksel yükü proses boyunca aynı kalır.
1905'te Albert Einstein'ın özel relativite teorisiyle madde ve enerjinin eşdeğer olduğunu [E=mc2] göstermesinden sonra maddenin korunumu ve enerjinin korunumu yasalarını birleştirmek gerekmiştir. Daha genel ve kesin olan korunum yasasına toplam madde ve enerjinin korunumu yasası denir. Bugün kısaca enerjinin korunumu dendiğinde bu yasa kastedilir ve anlaşılır.
Elektron, muon ve nötrino gibi parçacıklara genel olarak lepton denir. Bir fiziksel prosese giren lepton sayısı, prosesten çıkan lepton sayısına eşittir. Bu. lepton sayısının korunması yasasıdır.
Fizikçiler bütün korunum yasalarının tabiattaki simetrilerden kaynaklandığına inanıyorlar.
Bir sistem bazı fiziksel operasyonlar sırasında değişmez kalıyorsa fiziksel simetri sergiliyor demektir. Bir prosesin aynadaki görüntüsü simetriktir [mirror reversal, parity veya space inversion].
Bir proses zamanda geriye giderken izlendiğinde (örneğin filme alınıp film geri oynatıldığında) fizik yasalarına aykırı bir durum yoktur; bu da fiziksel sistemlerin zamanın tersine akması halinde simetrik oldukları anlamına gelir (time reversal). Time reversal, bir mikroskobik sistemi tanımlayan matematik denklemlerdeki zamanla ilgili değişkenlerin yerine eksi işaretlilerinin konmasıyla elde edilir. Ancak 1964'te Christenson ve diğerleri tarafından yapılan gözlemler, nadiren de olsa, time-reversal invaryansının ihlal edildiğini gösterdi. Bu da şu demektir: Tabiat mikroölçekte zamanın akış yönünü ayırt edebilmektedir.
Bir prosesi tanımlayan koordinat eksenlerini zaman-mekan ötelemesine tabi tutarsak, sistemi belirleyen fizik yasalarının aynı kaldığını görürüz [space-time translation].
Yük eşleniği [charge conjugation] bir sistemdeki her parçacığın kendi antiparçacığına dönüştürülmesi prosesidir. Örneğin, temel haldeki bir döteryum atomunun yük eşleniği bir antinötron ve bir antiprotondan oluşan bir çekirdek ve bir atomik pozitrondan ibarettir. Bütün deneysel veriler hem güçlü hem de elektromagnetik etkileşimlerin yük eşleniğinden etkilenmedikleri yani yük eşleniğinde invaryant olduklarını gösteriyor.
Güçlü etkileşimlere giren bütün fermionlara (proton, nötron, ve mezonlar) baryon adı verilir. Protonlar ve nötronların baryon sayısı 1, bunların antiparçacıklarının baryon sayısı -1 ve mezonların baryon sayıları sıfırdır. Bir fiziksel proseste toplam baryon sayısı sabittir.
Dünyanın kendi etrafında dönmesine benzer şekilde elektronun da kendi etrafında döndüğü kabul edilip bununla ilgili açısal momentum niceliğine spin adı verilmişti. Daha sonra bu benzetmenin doğru olmadığı anlaşılsa bile artık elektron (ve diğer parçacıkların) intrinsic spin denen bir niceliğe sahip oldukları biliniyor. Bir fiziksel proseste toplam spin sayısı da korunur. [*]
Şimdi bu yasaları listeleyelim:
S: Strong interactions (=güçlü etkileşimler)
EM: Electromagnetic interactions (=elektromagnetik etkileşimler)
W: Weak interactions (=zayıf etkileşimler)Spin hakkında

1. Enerji [S, E, W]

2. Momentum [S,EM,W]

3. Açısal momentum [S,EM,W]

4. Yük [S,EM,W]

5. Elektron-aile sayısı (Lepton sayısı) [S,EM,W]

6. Muon - aile sayısı (Muon sayısı) [S,EM,W]

7. Baryon - aile sayısı (Baryon sayısı) [S,EM,W]

8. Zamanın tersine akışı (T) [S,EM,W]

9. Parite (space inversion, P) ve yük eşleniği (charge conjugation, C) birlikte (PC) [S,EM,W]

10. Yalnız parite (space inversion, P) ve yalnız yük eşleniği (charge conjugation, C) [S,EM]

11. Tuhaflık (strangeness) [S,EM]

12. İzotopik spin [S]

Notlar:

• Güçlü etkileşimler bütün korunum yasalarına uyarlar.

• Elektromagnetik etkileşimler (şiddet bakımından ikinci sırada) izotopik spin korunumuna uymaz.

• Zayıf etkileşimler (şiddetçe bir aşağı) isotopik spin korunumuna, tuhaflık korunumuna, parite (space inversion) korunumuna ve yük eşleniği invariansına uymaz (fakat PC kombinasyonuna uyar).

• Çekimsel etkileşimler mikroölçekte henüz incelenmemiştir.

Özet:

• #5 Lepton sayısı korunumu elektronların kararlılığını açıklar. (Elektrondan daha hafif lepton yoktur.)

• #7 Baryon sayısı korunumu protonların kararlılığını açıklar. (Protondan daha hafif baryon yoktur.)

• #8, #9 ve #10 aslında invaryans ilkeleridir. İnvaryans ilkesi "koşulların değişmesi durumunda (deney yapılan yerin değiştirilmesi gibi) bütün fizik yasalarının geçerli kalacağını" söyleyen kanundur. Bütün fizik yasaları, o invaryans ilkesince "korunan nicelik" demektir. Zamanın tersine akması invaryans ilkesine göre, bir prosesin mümkün olabilmesi için, zamanda tersinebilir olması gerekir. Bir pozitron-elektron yokoluşu sırasında iki foton ortaya çıkıyorsa (çıkar), iki fotonun yokoluşu sırasında da bir pozitron ve bir elektron ortaya çıkmalıdır (çıkar).

• Korunum yasaları ve invaryans ilkeleri fizikçilerin simetriler adını verdikleri şeylere dayanır. Uzay her yönde ve her yerde aynıdır (izotropik ve homojendir), zaman da homojendir.

[*] Spin hakkında kısa bir not yazmak gerekiyor:
Spin kendi etrafında dönmek gibi algılanmıştır bir zamanlar. Bu yanlış bile olsa doğru olan spinin açısal momentum gibi bir şey olmasıdır. Her atomaltı parçacık açısal momentum boyutunda, sabit, kesin ve bilinen intrinsic (zati hassa niteliğinde) bir spine sahiptir, öyle ki bir parçacığın spini bozulursa parçacık da yok olur; ancak orada dönen bir şey yoktur! Yani, elektronların Mevleviler gibi döndüklerini söylemek, fizik bilmemekle aynı anlamdadır.