Connect with us

Kozmik Anafor Arşivi

Süperiletkenler ve Süperiletken Fiziği

Bu yazıyı yaklaşık 15 dakikada okuyabilirsiniz.

Herhangi bir devre hayal edin. Aslında bunu hayal etmek sizin için hiç zor olmamalı. Çünkü telefonunuz, klimanız, bilgisayarınız, buzdolabınız, tutkuyla aşık olduğunuz televizyonunuz devrelerden oluşuyor.

Kablosunu prize takıyorsunuz ve devrelerden elektrik akımını geçirerek cihazınızı çalıştırıyorsunuz. Hatta bazen o kadar çok çalıştırıyorsunuz ki, faturanız gelince sanki dünya başınıza yıkılmış gibi oluyor.

İşte biz bu yazıda hayatımızı şekillendiren o yüce elektriği über iyi ileten süperiletkenleri inceleyeceğiz. Neden çok iyi iletiyor, nerelerde kullanılıyor, tamam da nasıl bulundu gibi temel sorularla bu yazıda sıkı fıkı olacağız. Kemerlerinizi bağlayın çünkü süperiletken fiziğinin 103 yıllık bir geçmişi var.

elektronik_devre

Macera başladı ve devrim!

Kendinizi düşünün. Elleriniz, gözleriniz, ayaklarınız, iç organlarınızla siz bir bütünsünüz. Aynen atomlar da böyledir. Protonları, nötronları ve elektronlarıyla onlar da bir bütün. Elbette bu parçacıkları da oluşturan yapı taşları var. Mesela elektronlar leptonlardan oluşur. Doğanın bize bahşettiği bu bilinç ile bizler hem mikro boyutları hem de makro boyutları araştırabilecek kadar zekiyiz.

Aslında bütün hikaye 20’inci yüzyılda “mutlak sıfır savaşı” yapan zekilerle başlıyor. O zamanlar elementleri daha düşük sıcaklıklara ulaştırmak için birbiriyle yarışan fizikçiler mevcut. Ulaşılabilecek en düşük sıcaklığın 0 Kelvin (-273 C) olduğu kuramsal olarak gösterilmişti. Neden daha da soğuğunu elde edemiyoruz derseniz bunun sebebi atomların artık o sıcaklıkta resmen donması.1 (Bu arada 21’inci yüzyıl dünyasında artık mutlak sıfıra neredeyse ulaştık!) Süperiletken keşfi de bu yarışın içinde olan bir beyefendiden geliyor ve kendisine 1913 Nobel Fizik Ödülü’nü kazandırıyor.

Keşif 1911 Nisan’ında. Hollandalı fizikçi Heike Onnes ve ekibi cıvalı termometler için cıva dirençler üretiyordu. Aynı zamanda maddeleri daha da soğutma yarışı içine girdiklerinden Helyumu -268 C’ye kadar soğutarak sıvılaştırmayı başarıyorlar. (Mutlak sıfır -273 dereceye hiç bu kadar yaklaşılamamıştı!) Bizim meraklı fizikçi ürettiği cıva teli alıp zamanının en soğuk sıvısına batırıyor ve ne olacağını merak ediyor. Ne mi oluyor? Devrim!

sivi-helyum

Devrime geçmek için önce kısa bir bilgi vermeliyim. Basitçe düşünelim. İlkokulda yaptığınız bir deney aklınıza gelsin. İki adet kablo, bir adet ışık kaynağı ve pil! Bunları doğru şekilde birbirine bağlıyoruz ve ışığı yakıyoruz. Bir devrede güç kaynağınızdan aldığınız elektriği kayıpsız bir şekilde devrenizde gezdiremezsiniz. SALLIYORUM; piliniz 5 Volt Duracell bile olsa devredeki dirençten dolayı aletinizde 2,5 volt elektrik dolanır. Devredeki gerilim, akım ve direncin çarpımına eşittir. Öyle ki kullandığınız kablonun bile direnci vardır ve pilinizdeki elektriği taşırken kayıp yaratır.

Her şeyin atomlardan oluştuğunu ve atomların içinde de elektronlar olduğunu söylemiştik. İşte elektrik akımı atomların son yörüngesinde dolanan bu elektronlar sayesinde oluşur. Kablo da atomlardan oluştuğundan, kabloda ilerleyen elektronlar mutlaka kablonun atomlarına çarparlar. Aslında direnç dediğimiz şey de yolda kaza yapan zavallı elektronlardır. Direncin bir neticesi olarak devreniz ısınır. Hemen hemen herkesin dizüstü bilgisayarı bacağını ısıtmıştır. İşte bunun yegâne sebebi elektrik canavarı elektronlardır!

Bay Onnes bu cıva teli aşırı soğuk sıvı Helyuma daldırıp bir deney yaptığında gözlerine inanamamıştı! Cıva telde elektrik hiç kayba uğramadan ilerliyordu! Yani direnç birden sıfıra inmişti! İşte bu öyle bir devrimdi ki, sıfır kayıpla elektriği ABD’den Türkiye’ye gönderebilirdiniz. Tasarruf üzerine tasarrufun kapılarını aralamaktı bu!

dizustu-bilgisayar

Hangimiz lap-top ile bacağımızı yakmadık ki? (-Ben)

Ayrıca bugün bir çok cihazı ısınma sorunu nedeniyle kısıtlı olarak kullanıyoruz. Böyle bir teknoloji demek cihazlarımızı kat be kat daha güçlü tam kapasite yapmak da demek. Daha hassas cihazlar üretebilirdiniz, bilgisayarınız bacağınızı ısıtmaz, faturanız cebinizi yakmaz (bundan o kadar emin değilim), sonsuza kadar daha uzun ömürlü pilleriniz olabilirdi! Umarım Bay Onnes’in keşiften sonra uyku düzeni bozulmamıştır.

İşte bu keşfin ardından büyük bir heyecan başladı. Artık bu iş için çalışacak fizikçiler gerekti. Hele de Nobel Fizik Ödülü’nün ardından bu alana sıçrayan çok fazla fizikçi olduğunu biliyoruz.

Peki ama nasıl birden direnç yok oluyordu? Aslında pek fazla fizikçi böyle bir durumu hayal etmemişti. Sıfır dirence ulaşabilme ümidi olan fizikçiler elbette vardı ama onlar kademeli olarak bir azalma olacağını düşünüyorlardı. Grafikte gördüğünüz gibi ani bir değişim şok etkisi yarattı. Bu deneyin ardından artık kuramsal fizikçiler iş başına geçti. Neden böyle olduğunu matematiksel olarak modellemeleri ve konuyu aydınlatmaları gerekiyordu ve aydınlattılar da!

Diyamanyetik Keşif ve Yeni Bir Tanım

Maceranın büyük atılımlarından birisi de süperiletken malzemelerin manyetik alandan tiksinmesinin keşfiydi. Keşifçilerimiz W. Meissner ve R. Ochsenfeld, 1933 yılında tuhaf bir biçimde süperiletken maddelerin manyetik alanı dışladığını keşfettiler. Bu keşif süperiletkenimizin yüzeyindeki elektrik alanın manyetik alanı dışlamasının gözlemiydi.

meisner

Bu dışlama olayı Meissner Etkisi olarak bilinir. Gözlemin ardından kuramsal açıklamayı da Fritz ve Heinz London kardeşler yaptı. Manyetik alanla süperiletken maddelerin elektriği iletebilme gücü arasında bağlantılar kurdular ve denklemler geliştirdiler. Bu noktadan sonra süperiletken maddeler artık elektriği iyi iletenden ziyade manyetik alanı iyi dışlayan şeklinde tanımlanmaya başladı. Bu konuyu anlamak için biraz da manyetizma bilmek gerekiyor tabii. Referanslarımdaki bir döküman2 göze hitap ederek gayet güzel bir özet sunuyor, tavsiye ederim.

İzotop Etki ve BCS Kuramı

Önce izotop ne demek onun tanımını yapalım. Proton sayısı aynı olan ancak nötron sayısı farklı olan atomlara izotop atom diyoruz. Yani izotop atomlarımızın nötron sayısı farklı olduğu için kütleleri de farklı oluyor. (Bir nötronun kütlesi hemen hemen protona eşittir ve elektronun kütlesinin 1836 katına denk gelir.) Elbette süperiletkenimizde de bir takım değişiklikler olmasını bekleriz. Ekstra bilgi vermeyi de ihmal etmeyelim. Hidrojenin izotopu olan döteryumu duymuşsunuzdur belki. Güneş’in bizi ısıtmasının en önemli nedeni de hidrojenin döteryum izotopuna dönüşmesidir. Güneş’in tepkimesi bu şekilde başlar. Bu ilk tepkime Güneş’in yaydığı enerjinin yüzde 8’ine denk gelir.

Şimdi 1950’lerdeyiz. Emanuel Maxwell yeni kaşifimiz. Kendisi cıvanın farklı izotoplarını inceliyor ve bu farklı izotopların süperiletken pelerinini giymeleri için farklı sıcaklıklar gerektiğini görüyor. Yani nötronların, pelerinin kritik sıcaklığı üzerine büyük bir görev üstlendiğinin farkına varıyoruz.

1957’de BCS kuramı ortaya çıkıyor. BCS, üç kafadarın soy isimlerinin baş harfinden gelir: John Bardeen, N. Cooper, John Schrieffer. Bu beylerin kuramını açıklığa kavuşturalım.

bcs-teorisi

BCS teorisinin söylediğine göre, süperiletkenimizin yolunda hareket eden elektronlar Cooper çifti oluşturduğunda değişik bir kuantum durumuna imkân verirler.

Şekilde Cooper çifti yaratmış iki elektron görüyorsunuz. Elektron yolda ilerlerken pozitif iyonlar da haliyle ona yaklaşıyor. Yoldaki ilk elektron, yoldaki pozitif iyonları birbirine çekerek yol alıyor. İlk elektronun kendine çektiği pozitif iyonlara Cavidan diyelim. Elektronları bilirsiniz, çok hızlıdırlar. İşte ilk elektronumuz Cavidanları terk ettiğinde, Cavidanları orada tutacak bir kuvvet olmadığından eski yerlerine geri gitmelerini beklersin. Artık anasının yanı mı dersiniz; ilk konum mu dersiniz o size kalmış bir şey. Ancak bu gerçekleşmez! Çünkü ilk elektronun arkasından gelen Cooper çiftini oluşturmuş ikinci elektron vardır. Cavidanlar tam eski yerlerine gidecekken ikinci elektron gelir ve gidemezler.

Elektriğin elektronlar sayesinde oluştuğunu yazının başında söylemiş ve direncin de yolda kaza yapan elektronlar olduğunu vurgulamıştım. İşte süperiletken maddemizde yol alan bu elektronlar Cooper çifti oluşturduğunda daha kolay bir şekilde yol alabiliyor. Sanki atomun belediyesi elektronlar için yol yapmış ve hiç kaza yapmadan gidebiliyorlar. Mesela öndeki elektronun yolu açtığını arkadakinin de onu takip ettiğini düşünebiliriz. Peki bu elektronlar çiftler halinde nasıl hareket ediyorlar, iletişimi nasıl sağlıyorlar? Fononlar sayesinde! Atom örgüsünün yapısını bozarak mekanik titreşim oluştururlar ve elektronların kaza yapmadan atomdan atoma geçmesini sağlayabilirler. Elektronlar arasında da bir bağ kurarak onların eş evreli hareketini sağlayacak kadar yetenekli sanal parçacıklardır.

BCS teorisi, elektriğin direnmeden yol almasını açıklayabilecek kadar güçlü bir teori olarak görüldüğünden yaratıcıları 1972’de Nobel Fizik Ödülü’nü kaptı!

Josephson Eklemi ve SQUID

Üzgünüm ama sizden ikinci kez, ilkokulda yaptığınız devreyi hayal etmenizi isteyeceğim. Sıradan çinko karbon pillere göre 10 kata kadar daha uzun ömürlü Duracell pilinizi kablolarınız yardımıyla ışık kaynağına bağladınız ve etrafı aydınlattınız. Bunu kablolarınızla yaptınız!

lamba-devresi

Sakın ilkokulda bu deneyi yapmadım demeyin…

1962 yılında Brian Josephson, ilkokulda kurulması zor bir şey hayal etti. Bu sefer iki adet süperiletken levha düşlüyoruz. Arasına da incecik yalıtkan malzeme yerleştiriyoruz. Süperiletkenlerimizin kablo, yalıtkan malzememizin de plastik bir parça olduğunu varsayalım. Düz mantıkla kablolar arasındaki teli kesintiye uğratıp bir plastik koyarsak elektron akışı oluşmaz. Ancak mikro ölçekteki gözlemler gösterdi ki; süperiletkenler arasında dolanan Cooper çifti elektronlar hiçbir bağlantı olmaksızın kuantum tünelleme yoluyla karşıya ulaşabiliyor ve doğru akım oluşturabiliyorlar. Resmen karşıya zıplıyorlar değil mi? Parçacık kafalıysanız tabii ki size öyle gelecektir. Bu öngörü de bir yıl sonra deneysel olarak kanıtlanıyor. Bu arada kuantum tünelleme hakkında bilgisi olmayanlar için şurada güzel, sade bir yazımız var.

Şimdi SQUID’e gelelim. Böyle bir deniz canlısı da varmış. Google’dan arayınca gördüm ve gayet tatlı, çizgi film karakteri gibi bir canlı. Ama onunla yakından uzaktan alakası yok bizim aletin.

SQUID: Superconducting Quantum Interference Device: Kuantum Girişim Cihazı

İsminde pek hayır bulamasanız da bu cihazımız çok önemli. Çok zayıf manyetik alanların ölçümünü yapmaya yarayan, Josephson eklemleriyle donatılmış halkasal süperiletkenler içeren gayet hassas bir cihaz. Tıptan jeolojiye kadar birçok alanda kullanılıyor. Yazının ilerleyen kısımlarında süperiletkenlerin kullanım alanlarını incelerken SQUID diye ayrı bir başlık atarak irdeleyeceğiz bu cihazı.

Birinci Tip ve İkinci Tip Süperiletkenler

Daha yazının başında söylediğimiz üzere ilk süperiletkenimiz 1911 yılında bulunuyordu. Bu süperiletken Helyum soğutularak elde edilmişti. Birinci Tip Süperiletken dediğimiz şey sadece bir metal elementten oluşan maddeler. Ancak İkinci Tip Süperiletkenler iki tane metalden oluşuyorlar. Yani bir alaşım3. Bazı geçiş metalleri de İkinci Tip Süperiletken olabiliyor.

1931 yılında Rus fizikçi Lev Shubnikov bizim İkinci Tip Süperiletkenler kaşifimiz. (Yok, bu adama Nobel vermemişler.) Bildiğiniz gibi Birinci Tip Süperiletkenler, Meissner etkisi sayesinde manyetik alanı dışlıyorlardı. Ancak manyetik alanında bir sınırı var değil mi? Mesela her yaz gittiğimiz bir tatil köyü ve orada da bir ağaç olsun. Bir yıl sonra baya bir kilo almış olsanız ve her zaman sizi taşıyan zavallı ağacın dalına otursanız kırılır. Aynı mantık süperiletkenler için de geçerli. Manyetik alanı dışlıyor ama bir sınırı var. Kritik manyetik alan diyoruz biz bu sınıra. Hurra koca bir manyetik alan uygularsanız süperiletkenlik bozulur.

İkinci Tip Süperiletkenlerde durum biraz karışık. Onlar hem dışlıyor hem dışlamıyor hem ortalığı karıştırıyor. Evet, yazdığım şu tekerlemeyi açıklığa kavuşturalım. İkinci Tip Süperiletken malzememizde iki tane kritik değer vardır. İlkine alt kritik manyetik alan, ikincisine üst kritik manyetik alan deniyor. İkinci Tip Süperiletkenimize alt kritik manyetik alana kadar manyetik alan uygularsak aynen Birinci Tip Süperiletken gibi davranıyor, Meissner etkisi görebiliyoruz. Ancak bu değeri aşarsanız süperiletkeninizin içine bir miktar manyetik alan girer. Hala süperiletken özellik gösterebilir. Eğer üst kritik manyetik alan sınırına ulaşırsanız da süperiletken özellik tahmin ettiğiniz gibi yok olur.

İkinci Tip Süperiletkenlerin alt kritik manyetik alan değeri düşük, üst kritik manyetik alan değeri ise yüksektir. Üst kritik manyetik alan değeri yüksek olduğu için mıknatıs yapımında ve teknolojik uygulamalarda İkinci Tip Süperiletken malzemeler tercih edilir.

Süperiletkenler ve Cehennem Ateşi

Bilim insanları düşük sıcaklık savaşı verip süperiletkenleri keşfettiklerinden beri her şey tam tersine döndü diyebiliriz. Bir süre kritik sıcaklığa (0 Kelvin) ulaşmak için yarıştılar. En sonunda da ulaştılar tabii ki. Sonrasındaysa yüksek sıcaklıkta ve gelecekte belki oda sıcaklığında süperiletken malzemeler üretme çağına girdiler.

süperiletken

Alın size süperiletken ile yapılmış uçan kaykay…

Her elementi veya alaşımı süperiletken pozisyona geçirmek için farklı sıcaklıklar gerekiyor. Kritik sıcaklığa yaklaştıkça yeni süperiletkenler keşfettiler çünkü haliyle bazı elementlerin süperiletken pozisyona geçebilmeleri için daha da soğuk sıcaklıklar gerekiyordu. Süperiletken olabilen elementler incelendikten sonra alaşım oluşturup farklı süperiletken maddeler geliştirilmeye başlandı. İkinci Tip Süperiletkenlerin alaşımlardan oluştuğunu söylemiştik, işte yüksek sıcaklık süperiletkenleri İkinci Tip Süperiletkenlerdir.

1980’li yıllarda en yüksek sıcaklıkta çalışabilen süperiletken pelerinini Nb3Ge giymişti. Kendisinin 23,2 K sıcaklığında bir pelerini vardı ve havasını da herkese atıyordu. 1986 yılındaysa havasını söndürecek bir keşif Zürich IBM Araştırma Labaratovarları’nda çalışan K. Alex Müller ve J. George Bednorz’dan geldi. Bu ikili 35 K’de bir süperiletken yaratmayı başardı.

O zamanlar gerek Nobel’li BCS teorisi, gerek diğer birçok teori yaklaşık 30 K üzerinde süperiletkenler olmasını öngörmüyor ve bunu sınır olarak kabul ediyordu. Fakat lantan, baryum, bakır ve oksijenden oluşan bir seramik üreten tatlı fizikçiler bu öngörülere yapacağını yaptı diyebiliriz. Fizik dünyasında şok yaratan bu gelişme elbette karşılıksız kalmayacaktı. Şüphelendiğiniz üzere bu beyler de keşiflerinin ertesi yılı Nobel Fizik Ödülü’nü evlerine götürdüler.

Bu gelişmenin ardından çılgına dönen süperiletken fizikçileri ne yapacaklarını şaşırmış olmalı. Bölümün sonunda söylemem gerek ama fazla heyecan yaratmadan ağzımdaki baklayı çıkarayım. Bugün yaklaşık 200 K’ye kadar süperiletken malzemeler üretebilme şerefine eriştik!

Yıl 1987 olduğunda Paul Chu isimli bir fizikçimiz de, 92 K’de süperiletken malzeme üretmeyi başarıyor. Bu gelişme de çok büyük bir gelişme sayılıyor. Çünkü bu döneme kadar süperiletken malzemeler sıvı helyum ile soğutuluyorlardı, çok soğuk sıvılar gerekiyordu. Durum böyle olunca bu tür sıvıları üretmek ve saklamak ciddi derecede maliyete sebep olmaktaydı. 92 K’nin üzerine geçmek helyumdan vazgeçilmesini sağladı. Çünkü sıvı azotun kaynama derecesi 77 Kelvin. Azotu üretmek ve saklamak da helyuma nazaran hem daha kolay hem daha ucuz olduğundan artık azot dönemi başladı.

1988 yılında 120 K’de süperiletken keşfedildi. Ardından 125 K ve ardından 134 K’ye kadar ulaşıldı. 134 K’de süperiletken olan cıva, baryum, kalsiyum, bakır ve oksijenden oluşan malzememize basınç uygulanarak bu değeri 166 K’ye kadar çıkarmayı başardılar.

Şimdilerde süperiletken fizikçileri rüyalarında oda sıcaklığında süperiletkenler görüyorlar. Bu herkesin hayali, umarım gerçek olur. Farklı malzemelerle farklı süperiletken maddeler üreten deneysel fizikçiler bir taraftan, onlara yol gösteren kuramsal fizikçiler de başka bir taraftan araştırmalarını sürdürüyor. Oda sıcaklığında çalışan bir süperiletkeni üreten fizikçilere de elbette hemen Nobel Fizik Ödülü verilecek. Sanırım süperiletken fizikçilerinin ne kadar canla başla ve hevesle çalıştığını söylemeye gerek yok. Bir gün oda sıcaklığında süperiletken haberi verme ümidiyle bu yazıyı sonlandırıyorum.

Hazırlayan: Oğulcan Açıkgöz

1Maddeleri basitçe sınıflandırmak istersek katı, sıvı ve gaz şeklinde sınıflandırabiliriz. Bildiğiniz gibi katı bir cisim çok serttir. Sıvı cisimlerin içine, mesela suya ayağınızı daldırabilirsiniz. Gaz ise bir hayalet gibidir. Maddeleri daha sert yapmak için soğuturuz. Mesela bir suyu buzluğa koyduğumuzda donmaya başlar. Donma olayı sadece bir hal değiştirmedir. Sıvıdan katıya geçişte atomlar birbirine daha da çok yaklaşırlar. O kadar çok yaklaşırlar ki, artık neredeyse sadece titreşim yaparlar. Oysa sıvı haldeyken hem titreşim hem de öteleme yapabilecek yeteneğe sahiptirler. Gaz halde ise bu özelliklere bir de dönme eklenir. Görüldüğü üzere soğutulma işlemi maddemizin özelliklerini kısıtlayarak yeni doğmuş bir bebeği kundaklamak gibi bir duruma sürüklüyor.

İskoç bilimci Lord William Thomson Kelvin 19’uncu yüzyılda termodinamik üzerine yaptığı çalışmalarla tanındı. Her ne kadar Türkiye’de Celsius ölçeğini kullansak da Kelvin ölçeğini kullanan ülkeler de mevcut. Mesela ABD bunlardan birisi. Celsius ölçeğini de 18’inci yüzyıl astronomlarından İsveçli Anders Celsius’a borçluyuz. Sadece 273 birimlik bir fark söz konusu. Mesela şimdi benim termometrem, odamı 35 santigrat derece gösteriyorsa, ABD’li dostum Melissa’nın termometresi 273+35=308 kelvin gösterir.

2http://iys.inonu.edu.tr/webpanel/dosyalar/1022/file/BiyofizikD6.pdf

3Elementler birbiriyle birleşebilir. Bir metal element ile bir ametal element iyonik bağ yaparlar. Ametal element elektron alarak metal element ise elektron vererek soygazlara benzemeye çalışır. Ametal elementler kendi aralarında birleşebilirler ve bu sayede kovalent bağlı bileşikler oluştururlar. Bu bağda elektronlar ortaklaşa kullanılır ve soygazlara benzemeye çalışılır. Alaşım ise metallerin kendi aralarında homojen olarak birleşip oluşturdukları yapıya denilir. Ametal, metal ve soygazları görmek için Google’den “elementlerin periyodik tablosu” şeklinde arama yapabilirsiniz.

Referanslar
Zeynep Ünalan, “Süperiletkenlik”, TÜBİTAK Bilim ve Teknik Dergisi, Sayı 524, Temmuz 2011

http://www.acikders.org.tr/file.php/9/LectureNotes/Lecture_23.pdf
http://tr.wikipedia.org/wiki/S%C3%BCperiletken
http://tr.wikipedia.org/wiki/Celsius_(%C3%B6l%C3%A7ek)
http://www.bipm.org/en/CGPM/db/13/3/
http://iys.inonu.edu.tr/webpanel/dosyalar/1022/file/BiyofizikD6.pdf

Kozmik Anafor Arşivi

Video: Gökalp Gönen İle Animasyon ve CGI

• İçerik Üreticisi:

Bu yazıyı yaklaşık 1 dakikada okuyabilirsiniz.

Kozmik Anafor ve Hypatia Bilim işbirliği içinde hazırladığımız “Meğer Hepsi Kurguymuş” isimli programımızda; Pentagram’ın Sur klibindeki kısa animasyon filmi ile geniş bir tanınırlığa kavuşan Gökalp Gönen konuğumuz oldu…

Gökalp Gönen, dünya çapında Avarya gibi başarılı animasyon filmlerine imza atan, çok sayıda uluslararası ödüle sahip başarılı bir yönetmen ve animasyon sanatçısıdır. Nurcan Seven ve Ümit Çakır moderatörlüğündeki programımızın Youtube videosunu, aşağıdan veya bu linke tıklayarak izleyebilirsiniz.

Hypatia Bilim ve Kozmik Anafor ortaklığında Youtube kanalımızda, yeni çalışmalarımızla sizlerle birlikte olmayı sürdüreceğiz. Kozmik Anafor Astronomi Platformu olarak, her zaman popüler bilim platformlarının işbirliği içinde olmasının, ülkemizde bilimin tüm halk tabanında yeterince değer görmesi açısından gerekliliğini dile getiriyoruz ve bildiğiniz gibi ülkemizin BilimfiliGerçek BilimAçık Bilim,  Gelecek Bilimde ve Feza Gezginleri gibi takdir edilesi popüler bilim platformlarıyla her zaman işbirliği içinde oluyoruz.

Unutmayın, popüler bilim platformları ve bilim insanları, birbirleriyle işbirliği içinde olmazlar, yalnız başlarına hareket etmeyi tercih ederlerse, ülkemizde bilim halk tabanında yeterince yaygınlaşamaz ve değer göremez!

Hypatia Bilim‘i Youtube üzerinden takip etmek için bu linke,
Kozmik Anafor‘u Youtube üzerinden takip etmek için ise bu linke tıklayıp abone olabilirsiniz.

Okumaya devam et

Güneş Sistemi

Maat Mons, Venüs’teki Dev Volkan

• İçerik Üreticisi:

Bu yazıyı yaklaşık 2 dakikada okuyabilirsiniz.

Maat Mons, Venüs’teki en yüksek ikinci dağdır. Onu Venüs’ün diğer yüksek dağlarından ayıran şey ise, gezegenin en yüksek yanardağı olmasıdır.

Venüs’ün atmosferi kalın bulutlarla kaplıdır. Bu nedenle yörüngeden yüzeyinin görüntülenebilmesi mümkün değildir. Ancak, 1990’lı yıllarda Magellan Uzay Aracı sayesinde, yüksek çözünürlüklü radar görüntüleri ile kalın Venüs bulutlarını yarıp geçerek gezegenin ilginç yüzey oluşumlarını inceleme fırsatını elde etmiş olduk.

Venüs yüzeyinde bilinen en belirgin oluşumlar, hiç kuşkusuz ki volkanlardır. Gezegen üzerinde 1.100 den fazla volkan oluşumu olduğunu biliyoruz. Henüz onların hala etkin birer yanardağ olup olmadıkları ile ilgili kesin bir kanıya sahip olmasak da, bu oluşumların Venüs yüzey şekillerini son 300 ile 500 Milyon yıl öncesine kadar önemli ölçüde değiştirdiklerinden eminiz.

Üstteki fotoğrafta yer alan bu üç boyutlu görüntü, Venüs’ün bilinen en büyük volkanı olan Maat Mons yanardağına ait. Macellan Sondasından alınan radar görüntülerini ve Venüs yükseklik verilerini birleştiren gökbilimciler, sonuçta bu üç boyutlu Venüs volkan yapısı görüntüsünü oluşturmayı başardılar.

İsmini Eski Mısır’ın adalet ve doğruluk tanrısı Maat’dan alan bu volkan oluşumu, yaklaşık 395 km çapa ve yüzeyden yaklaşık 8 km yüksekliğe sahip. Görselde Maat Mons’u, zirvesinden 560 km uzakta ve yerden yaklaşık 1,6 km yukarıdaki bir bakış noktasından görüyoruz. Ön tarafta görmüş olduğumuz oluşumlar, katılaşmış lav akıntılarıyla kısmen kapalı duruma gelmiş ve ciddi oranda parçalanmış ovalardır.

Araştırmalar, Maat Mons’un zirvesinden lav akış izleri olduğunu gösteriyor. Bu da volkanın nispeten yeni bir tarihte patladığının, hala aktif bir volkan olduğunun işareti olarak niteleniyor. Yine de, radar verileri ile bu görüşü doğrulamak mümkün değil. Dünya’ya yakın büyüklük ve kütlesiyle Venüs’ün jeolojik olarak hala aktif bir gezegen olduğuna eminiz ancak, tüm atmosferini kaplayan bulutların görünür ışık dalga boyunda gözleme izin vermemesi nedeniyle kesin bir kanıta şimdilik ulaşamıyoruz.

Hazırlayan: Sinan DUYGULU

https://www.lpi.usra.edu/meetings/lpsc1994/pdf/1475.pdf
https://photojournal.jpl.nasa.gov/catalog/PIA00106

Okumaya devam et

Fizik / Astrofizik

Negatif Enerji ve Negatif Kütleli Madde Nedir?

• İçerik Üreticisi:

Bu yazıyı yaklaşık 3 dakikada okuyabilirsiniz.

Negatif enerji ve negatif kütle, özellikle “warp sürüşü” veya “solucan deliği” gibi kavramların konuşulduğu ortamlarda sıklıkla dile getiriliyor.

Bu kavramların gerçekliği her ne kadar tartışmalı olsa ve bilim insanlarının büyük kısmı tarafından spekülasyon olarak görülse de, ne olup olmadıklarını açıklamak gerektiğini düşündük.

Negatif Kütleli Madde

Negatif kütleli madde denildiğinde çoğumuzun aklına Antimadde ya da Karanlık Madde geliyor. Ancak, bunlarla karıştırmayınız. Teorik fizikte, negatif kütle sahibi madde, 0 ağırlıktan daha düşük kütleye sahip, “hiçbir şeyden daha hafif” diye tabir edebileceğimiz ve kütle çekimi tarafından çekilmeyen tersine itilen spekülatif bir egzotik maddedir.

Bir ya da daha fazla enerji durumunu ihlal eder. Bir tartı üzerine koyarsanız tartıya ters basınç uygular ve -10 kg gibi bir sonuç görürsünüz. Eğer evrende negatif kütleli egzotik madde çeşitleri varsa, gezegenlerin, yıldızların hatta galaksilerin kütle çekimleri tarafından çok uzaklara itilmiş ve belki de hiçbir zaman ulaşamayacağımız galaksiler arası derin uzayda bulunuyor olabilirler.

Peki fizik kanunlarını ihlal ediyorsa nasıl gerçek olabilecekmiş gibi konuşabiliyoruz? Böyle bir şeyin bizim evrenimizde bulunmaması gerekmez mi? Katı haldeki negatif kütleli madde, ancak “mükemmel sıvı” diye tabir edilen bir halde negatif kütle sahibi maddede bulunabilir.

Kanada, Montreal Üniversitesi’ndeki kozmologlar Saoussen Mbarek ve Manu Paranjape mükemmel sıvı haldeki negatif kütle sahibi bir maddenin hiçbir enerji durumunu ihlal etmediğini açığa çıkardı. Gereken tek şey, bu maddeyi Big Bang esnasında üretmiş olabilecek bir mekanizma. Kısacası şu anda böyle bir maddenin gerçekliğini ne inkar edip imkansız diyebilecek ne de onaylayabilecek bir durumdayız.

Negatif enerji

Negatif enerji, adından da anlaşılacağı üzere eksi değerleri olan enerji seviyelerine denir. Karanlık Enerji ile karıştırmayınız. Tamamen kuramsal olan negatif kütleli madde, aksine negatif enerji çeşitli kuantum durumlarında stabil olmayan şekilde mümkün olabiliyor.

Bununla birlikte karakteristik olarak negatif enerjiye oldukça benzeyen ancak negatif enerji sayılmayan ve çok küçük ölçeklerde gerçekleşen Casimir etkisinden de bahsedelim. 1933’te Hendrik Casimir, Kuantum Teorisi’nin kanunlarını kullanarak garip bir öngörüde bulundu. Casimire göre; (alttaki resimde görülen) vakum içerisindeki iki adet paralel, yüksüz metal plaka birbirlerini itecekti.

Normalde yüksüz olan bu plakaların sabit durması gerekmekteydi ancak bu iki plaka arasındaki vakum boş değildi, gerçekliğe giriş, çıkış yapan sanal parçacıklar ile doluydu. Bu noktada sanal parçacıklarla ilgili yazımıza göz atmanız faydalı olacaktır. (Bkz. Belirsizlik ve Kuantum Dalgalanmaları)

Bu vakum, çok kısa ömürlü elektronların ve pozitronların ortaya çıkıp birbirlerini imha ederek yok olduğu kuantum aktiviteleri ile doludur. Normalde bu yoktan var olan ufak madde-antimadde olayları Enerjinin Korunumu Kanunu’nu ihlal ediyor gibi görünse de; belirsizlik ilkesi sebebiyle bu küçük patlamalar inanılmaz ölçüde kısa ömürlü olup, net enerjide değişikliğe sebep olmamaktadır. Böylece Casimir bu kısa ömürlü olayların plakalar arası vakumda bir basınç yaratacağını ve bu basıncın plakaları iteceğini keşfetti. Normalde bu plakalar birbirinden uzakken bu etki gerçekleşmezken, plakalar yaklaştırıldıkça aralarında bu enerji açığa çıkmaya başlar.

Bu enerji 1948’de laboratuvarda, Casimir’in öngördüğü gibi gözlemlendi. Bu enerjiyi ölçmek için inanılmaz hassas ve sanat eseri sayılabilecek ekipman gerektiğinden, 1996’da ilk hassas ölçüm yapıldığında bu etkiden kaynaklanan basıncın bir karıncanın ağırlığının 30 binde 1’i kadar olduğu bulundu. Tahmin ettiğiniz gibi uzay-zamanı bükmek için çok yeterli değil.

Negatif enerjiye başka bir örnek de, kara deliklerin buharlaşma sürecinde açığa çıkan ve Hawking radyasyonu mekanizması sırasında oluşan kısa ömürlü sanal parçacıklar verilebilir.

Hazırlayan: Berkan Alptekin

Okumaya devam et

Kozmik Anafor Arşivi

Fantastik Uzay Projeleri: Yıldız Motoru

• İçerik Üreticisi:

Bu yazıyı yaklaşık 8 dakikada okuyabilirsiniz.

Görünen o ki insanlık Ay’dan sonra Mars’ı da gözüne kestirdi. Önümüzdeki 10 yıllık süreç, bu konuda çok ciddi gelişmeler gösterecek gibi duruyor. Tabii Mars ile de kalınmayacak, eğer kendi türümüzü yok etmezsek, 21. Yüzyıl sona ermeden Güneş Sistemi’nin pek çok noktası muhtemelen insan oğlunun ulaştığı yerler haline gelecek. Peki ya bunun da sonrası? Bir yıldız motoru yapıp yıldızımızla birlikte yolculuğa çıkmak mı?

Başka yıldızlara gitmeye çalışacak uzak gelecekteki torunlarımız. Ama bu huzur dolu yuvamızı, biricik Güneş’imizi terk etmek istemezsek ne olacak? Başımızı alıp gitmektense, Güneş’imizi de yanımızda götürsek, olmaz mı? Hmm… Bunun da bir yolu var, tek ihtiyacımız ise bir Yıldız Motoru. Kemerlerinizi bağlayın, Güneş Sistemi’ni devasa bir uzay mekiğine dönüştürüyoruz.

İlk bakışta ütopik gibi gelmiş olabilir. Ancak unutmayın; “Fantastik Uzay Projeleri” yazı serisindeyiz. Hem hatırlatmak isteriz ki önceki yazılarımızda “Gök Kancaları” yapıp, Dünya’mızın yörüngesine yerleştirmiştik. Bununla kalmadık, başka gezegenlere, onların uydularına ve hatta gök taşlarına bile gök kancaları kurarak Güneş Sistemi’nin dört köşesini su yolu yaptık. Ender bulunan madenleri ve füzyon için gerekli elementleri Dünya’mıza getirip, füzyona hükmederek enerji sorunumuzu büyük oranda çözdük.

Füzyon da kesmedi, Güneş’in ürettiği her 1 kalori enerjiyi kontrol altına almaya karar verdik. Merkür’ü feda edip bir Dyson küresi yaptık. Bu sayede Kardashev ölçeğinde 2. seviye medeniyet seviyesine yükseldik.

Teknolojide ulaştığımız bu noktayla, hedeflerimizi çok daha ileriye taşıyabileceğiz. Güneş Sistemi artık bizden sorulduğuna göre yeni hedef Güneş Sistemi’nin dışı olmalı. Ancak, uzay boşluğu; karanlık, soğuk ve sıkıcı… Üstelik yakınlarda da ilgi çekici pek fazla şey yok. Örnek verecek olursak, bize en yakın yıldızları içeren Alfa Centauri yıldız sistemi Güneş Sistemi’mizden 4.3 ışık yılı mesafede.

Yani ışık hızıyla gitsek, ulaşmamız 4.3 yıl sürecek. Işık hızının yaklaşık %0.1’i ile yolculuk etsek, 4300 yıllık bir yolculuktan bahsediyoruz. Kaldı ki, şu ana kadar insan yapımı bir aracın ulaşacağı en yüksek hız olarak, Nasa’nın Parker Güneş Sondası’nın 193km/sn’lik hızı öngörülüyor ki bu da ışık hızının sadece %0.064’üne tekabül ediyor. Elbette Dyson küresi teknolojisine ulaşmış bir medeniyet için çok daha hızlı yolculuklar öngörmek yanlış olmasa da uzay boşluğundaki mesafelerin büyüklüğünü de göz ardı etmemek gerekir. Üstelik hedef noktamıza vardığımızda bulacaklarımızın da bu çileli yolculuğa değer olması gerekir.

 

Bu bağlamda bir yıldız motoruna sahip olmak beraberinde çok farklı avantajlar getirebilir. Yıldız motoru, Güneş’i (ya da genel manada bir yıldızı) mevcut yörüngesinden oynatmak ve farklı yönlere doğru hareket ettirmek için tasarlanmış, olası farklı varyasyonları bilimsel olarak kanıtlanmış, hipotetik mega yapıya verilen addır. Güneş’i yerinden oynatacağız deyince tabii, “Eee, Dünya’dakiler ne yapacak? Dünya Güneş’siz mi kalacak?” endişesine kapılabilir insan. Telaşa hiç gerek yok. Dünya ve Güneş Sistemi’nin diğer tüm üyeleri kütle çekim kuvveti ile Güneş’e sabitlenmiştir. Güneş nereye, herkes oraya.

İşte yıldız motorunu güzel kılan en temel özellik de bu diyebiliriz. Yazımızın başında “Güneş Sistemi’ni devasa bir uzay mekiğine dönüştürüyoruz” derken kast ettiğimiz buydu. Hayata geçirilen bir yıldız motoru ile kolonize edilmiş halde Güneş Sistemi’ni toptan hareket ettirebiliriz.

Peki bunu neden yapmak istiyoruz?

  • Samanyolu Gökadası’nda bulunan diğer sistemleri kolonize etmek için, onlara doğru tüm Güneş Sistemi olarak gitmek isteyebiliriz. Yeteri kadar yaklaştığımızda görev araçları gönderip, ihtiyacımız olan kaynakları elde edebiliriz. Ya da yakınlarında bir yere park edip, sürekli yeni komşumuzdan faydalanabiliriz.
  • Dünya’mızı hatta Güneş Sistemi’ni topyekûn yok edecek bir süpernova patlamasının etkilerinden kaçmak zorunda kalabiliriz. Tip 2 seviyesine ulaşmış bir medeniyet, çevresindeki pek çok yıldızın yapısını ve ne kadar ömrünün kaldığını çok detaylı şekilde hesaplayabilmiş olacaktır. Bu da onlara olası süpernova patlamalarını milyonlarca yıl önceden tespit etme kabiliyeti verecektir. Bu medeniyet, kendisini tehdit edecek bir patlamayı ön görmüş ve ondan kaçma mücadelesine girmek zorunda kalabilir.

(Burada bir ayrıntıyı belirtelim, böyle bir olayı gözlemleyerek önceden bilemeyiz. Süpernova patlaması yaşamış bir yıldızı tespit ettiğimizde, o yıldız aslında çoktan patlamış ve ışığı bize ancak ulaşmıştır. O nedenle, önlem alabilmek için yıldızın formasyonunu çok iyi bilip, ne kadar ömrü kaldığını hesaplamak gerekecektir. Bugün, Dünya’mıza zarar vereceği düşünülen süpernova adayı yıldız yoktur.

Betelgeuse isimli büyük kütleli yıldızın her an patlayacağı düşünülse de çok uzak olması nedeniyle, gökyüzünde haftalar sürecek bir ışık şöleninden öteye gitmeyecektir. Bu olay, siz bu satırlar okurken de gerçekleşebilir, milyonlarca yıl sonra da. Dünya’yı tehlikeye atabilecek süpernova patlamalarının 15 milyon yılda bir gerçekleştiği düşünülmektedir.)

  • Bir başka yıldızın yakınlarına sokulmak ve Dünya’mızı onun yörüngesine sokarak Güneş Sistemi’ni terk etmek.

Shkadov İticisi

Aynı Dyson küresinde olduğu gibi, 1937 yılında Olaf Stapledon tarafından yazılan Star Maker romanında yıldız motoru konusu da işlenmiştir. Ancak bilimsel literatüre girmesi, ilk olarak Leonid Mikhailovich Shkadov tarafından 1987 yılında tanıttığı makalesi ile olmuştur. Shkadov, Güneş’in etrafına kurulacak devasa ama çok ince bir ayna tasarlamıştır.

Aslında, Shkadov Thruster (Shkadov İticisi/Roketi) olarak adlandırılan bu yapı, Dyson küresi ebatlarında bir roket motoru olarak düşünülebilir. Prensipte bir roket gibi çalışan motorumuz, birbirlerine ters vektörler olan Güneş’in kütle çekim kuvveti ve radyasyon basıncı sayesinde sabit konumda kalacak, Güneş’ten gelen ışığı, yani fotonları yansıtarak itki kuvveti oluşturacak ve hareket sağlayabilecektir. Ancak Shkadov İticisi’nin bazı dezavantajları vardır:

  • Bu yöntem ile elde edilecek hız muhtemelen tatmin edici olmayacaktır. Galaktik ölçekte kayda değer mesafeler almak yüz milyonlarca yıl sürebilir.
  • Shkadov İticisini, yani aynamızı; gezegenleri ve tabii Dünya’mızı yakma riskini karşı sadece Güneş’in kutuplarının üzerine koyabiliriz. Bu da istediğimiz her yöne gidemeyeceğimiz anlamına gelir.

Kedi olmadan fare yakalama meraklısı insanlık, madem Shkadov İticisi ciddi dezavantajlar barındırıyor, öyleyse daha iyisini tasarlayalım demiş ve de Illinois Üniversitesi’nden Fizik profesörü Matthew Caplan yeni bir tasarım yapmıştır. Shkadov İticisi gibi yıldız motorlarına “Pasif iticiler” tanımlaması yapan Caplan, bir yıldız motoru inşa edecek olan medeniyetin Dyson küresi sahibi olduğu varsayımından hareketle, bu Dyson küresi yardımıyla, termonükleer enerji kullanan ve “Aktif itici” olarak tanımladığı yeni bir yıldız motorunu ortaya çıkarmıştır. En azından kâğıt üzerinde.

Görsel Telif: Getty/Cokada

Caplan İticisi

Caplan iticisinin/roketinin, gerekli kuvveti elde edebilmesi için ihtiyaç duyulan yakıt, Dyson küresinin Güneş üzerinde küçük bir noktaya odaklanması ile oluyor. Aşırı derecede ısınan bölgeden Güneş için küçük ama bizim için büyük kütleler kopması bekleniyor. Bu malzeme, aktif iticimizce yakalanıp, motor üzerinde bulunan füzyon reaktörlerinde enerjiye çevriliyor ve aşırı yüksek ısıdaki nükleer atık, motorumuzun Güneş’e uzak ucundan dışarı atılarak çok büyük bir itki kuvveti elde ediliyor.

Elbette, motorun Güneş’e saplanmaması ve Güneş’i itebilmesi için de motorun Güneş’e bakan ucundan yine motor üzerinde bulunan parçacık hızlandırıcılarda hızlandırılmış hidrojen Güneş’e doğru ateşleniyor. Böylece, Caplan iticisi hem kendini dengelemiş hem de elde ettiği itkiyi Güneş’e yönlendirmiş oluyor.

Caplan, yaptığı çalışmada, iticinin gücünü maksimuma çıkardığımızda, Güneş’in, yıldız motoruna 100 milyon yıl yetecek kadar enerji vereceğini gösteriyor. Ancak, aktif itki yöntemi ile varılacak hızlar sayesinde, bunun çok daha altında bir zaman diliminde yukarıda belirttiğimiz amaçlarımıza ulaşabiliriz.

Güneş’in kütlesini yakıt olarak milyonlarca yıl boyunca harcadığımızda, Güneş’in ömrünü kısalttığımız düşünülmemelidir. Bilakis, bir yıldızın ömrü kütlesi ile ters orantılıdır. Güneş, kütlesinden kaybettikçe, kendi yakıtını daha yavaş harcayacak ve ömrünün kısalması şurada dursun, bilakis uzayacaktır.

Elimizde, böyle bir yıldız motorunun var olduğunu düşünsenize… Kim bilir, belki Samanyolu’ndan sıkılır ve “neden başka gökadaları da kontrol altına almayalım ki?” bile diyebiliriz.

Bekle Andromeda, biz geliyoruz!

Hazırlayan: Uğur Çontu
Düzenleyen: Kemal Cihat Toprakçı

Kaynaklar ve Referanslar: 

1. Mosher, D. (2018, Kasım 05). NASA just smashed the record for the fastest human-made object – Its $1.5 billion solar probe is flying past the Sun at up to 213,200 mph. Erişim Tarihi: Şubat 24, 2021, Erişim Adresi: https://www.businessinsider.com/nasa-parker-solar-probe-fastest-human-object-2018-11

2. Hadhazy, A. (2018, Şubat 15). How to move an entire solar system. Erişim Tarihi: Şubat 24, 2021, Erişim Adresi: https://www.popularmechanics.com/space/deep-space/a10885/the-shkadov-thruster-or-how-to-move-an-entire-solar-system-17000392/

3. Badescu, V., & Catchcart, R. B. STELLAR ENGINES AND THE CONTROLLED MOVEMENT OF THE SUN. Erişim Adresi: https://www.dynamical-systems.org/zwicky/stellarengines.pdf

4. Caplana, M. E. Stellar Engines: Design Considerations for Maximizing Acceleration. Erişim Tarihi: Şubat 24, 2021, Erişim Adresi: https://drive.google.com/file/d/1ZpjAWcPhbCMTFYqPI5HnqtlHGWqzL45S/view

Okumaya devam et

Çok Okunanlar