Yüz Yıldan Beri Fizikçileri Şaşırtan Bir Gizem
Bisiklet tekerleğini çok hızlı çevirdiğinde tekerleğin kendi aklı varmış gibi davrandığını fark etmişsinizdir. İşte bu, evrenin en temel büyüklüklerinden biri olan açısal momentum. 1915'te Einstein ve de Haas adında bir meslektaşı, manyetizm ile dönen hareketin birbiriyle bağlantılı olduğunu kanıtlayan çarpıcı bir deney yaptılar.
Ama sorun şu: Fizikçiler bu bağlantıyı uzun süredir bilseler de, açısal momentumun atomik seviyede katı malzemeler içinde nasıl hareket ettiğini hiçbir zaman görmemişlerdir. Sanki iki arkadaşın en yakın dostlar olduğunu bilmek ama onları hiç birlikte görmemek gibi bir durum. Garip değil mi?
İşte bu durum son zamanlarda değişti.
Atomları Dans Ettiren Laserler
Almanya, Hollanda ve başka yerlerden gelen araştırmacılar gerçekten etkileyici bir başarı elde ettiler. Terahertz laserlerini kullanarak kristal içine girerek açısal momentumun nasıl çalıştığını gözlemlediler. Bu laserler atomları belirli desenlerde titretebilecek kadar güçlüdür.
Yöntemleri şöyle işledi: Önce kristali bir lazer darbesiyle vurdular ve atomları dairesel hareket etmeye başlattılar. Hemen ardından ikinci bir darbe gönderip bu hareketin komşu atomlara nasıl yayıldığını izlediler. Sanki kristale hafif bir itme vermek ve dalgalanmayı gerçek zamanlı olarak gözlemlemek gibi.
Tuhaf Dönüş: Saat Yönü Tersi Saat Yönü Oluyor
Bu noktada işler gerçekten tuhaflaşıyor: Açısal momentum bir titreşimden diğerine hareket ederken yönünü değiştiriyordu. Dönen bir frisbee fırlatsan da arkadaşın eline çıkınca ters dönerek geliyorsa nasıl olurdu? Böyle bir şey olması imkansız gibi görünüyor, ama bu deneyde oldu.
Bunun nedeni kristal yapısının iç mimarisinde yatıyor. Bazı kristallerde saat yönünde dönüş ile saat yönünün tersi dönüş matematiksel olarak eşdeğerdir, çünkü kristal simetrik yapıya sahiptir. Dönüş değişmiyor aslında. Kristal yapısı aynı dönen durumun iki farklı şekilde var olmasına izin veriyor. Açısal momentum bu durumlar arasında hareket ederken, ters dönüş olarak görülüyor.
"1 + 1 = −1" Anı
Araştırmacılar bismut selenid adlı bir malzeme kullandılar ve bu malzeme tuhaf davranış sergiledi. İki birim açısal momentum birleşince geriye doğru dönüş yapan ve iki kat hızlı tek bir dönüş oluşturdu. Buna kuantum dünyasında "1 + 1 = −1" etkisi diyorlar. Matematik olarak saçma gibi gözüküyor, ama aslında neler olduğunu anladığında mükemmel bir fizik.
Bu olaya Umklapp süreci denir. Bilim insanları bunu fizikçinin diğer alanlarında tanıyorlardı, ama kristal açısal momentumuyla doğrudan bu şekilde gözlemlemek? Tamamen yeni bir alan.
Neden Bunun Önemli Olduğu
Tamam, atomlar bazen lazarla vurulunca geriye doğru döndüğü söyleyelim. İlginç bir hikaye, ama bunun pratik faydası nedir?
Araştırmacılar bunu daha iyi kuantum malzemeleri tasarlamak ve çok hızlı işlemleri kontrol etmek için kullanabileceğimizi düşünüyor. Belki ileride daha hızlı kuantum bilgisayarları, daha iyi bellek cihazları ya da henüz düşünmediğimiz teknolojilere yol açabilir.
Ama dürüst olmak gerekirse, bilimin en güzel yanı bazen doğanın gerçekten nasıl çalıştığını anlamak. Projenin baş araştırmacılarından Olga Minakova bunu çok güzel özetledi: "Doğanın simetrileri tarafından belirlenen fizik yasalarının ne kadar zarif olduğunu buluyorum."
İşte bu. Evrenin kuralları o kadar mükemmel ve birbiriyle bağlantılı ki, bunların açığa çıkışını izlemek matematik dilinde yazılmış bir şiire tanık olmak gibi geliyor.
Sonuç
Bilim insanları, yüz yıldan beri teorik olarak anladığımız bir şeyin tam olarak tahmin ettiğimiz gibi gerçekleştiğini kanıtladı. Üstelik tahmin etmediğimiz, güzel bir tuhaflaştırma ile birlikte. Bilim çoğu zaman böyle işler. Kuralları anladığını düşünürsün, sonra oyunun gerçekten nasıl oynandığını izlerssin ve aniden her şey yeni perspektiflerle yerline oturuyor.
Ve bu gerçekten harika bir şey.