Elektronlar evrendeki tüm maddelerin derinliklerinde kendi eksenleri etrafında dönüyormuş gibi hareket ederler. Bu “dönen” elektronlar, atomların ve moleküllerin nasıl çalıştığını anlamak için çok önemlidir ve kuantum fiziği için temeldir. Spin çalışması kimya, fizik, tıp ve bilgisayar elektroniği disiplinlerinde teknolojik uygulamalara sahiptir. Diğer atom altı parçacıklar da dönmektedir.
Ancak, birçok fizikçi size elektronların dönüyor gibi görünmelerine rağmen aslında dönmediklerini söyleyecektir. Örneğin, elektronlar herhangi bir şeyin dönmeye devam etme eğilimi olan açısal momentuma sahip oldukları için (dönen bir bisiklet tekerleği veya paten kayan bir patenci gibi), döndükleri sonucuna varılabilir.
Elektronların küçük mıknatıslar gibi davranması ve manyetik alanların dönen yüklü maddeler tarafından üretilmesi ek destek sağlamaktadır.
Küçük boyutları nedeniyle, elektronların bilinen açısal momentum değerlerine uyması için ışık hızından daha hızlı dönmeleri gerekir. Elektronların spin teorisinin başarısız olduğu yer burasıdır. (Bir elektronu içe doğru katlanarak dönen bir patenci olarak düşünün; toplam boyutu ne kadar küçükse o kadar hızlı döner).
Caltech asistan felsefe profesörü Chip Sebens çizim tahtasına geri dönüp bu fikri yeniden gözden geçirmek istiyor. Bir fizik filozofu olarak doğanın en temel seviyelerinde gerçekte neler olup bittiğini tespit etmeye çalışıyor.
Sebens’e göre, “çok uzun süre cevapsız kalan konular filozofları cezbetme eğilimindedir.” “Kuantum fiziğinde, elektronlar için çok iyi çalışan ve spini hesaba katan deneylerin sonuçlarını tahmin etme araçlarına sahibiz, ancak temel sorular açık kalmaya devam ediyor: Bu yöntemler neden işe yarıyor ve bir atomun içinde neler oluyor?”
Sebens, elektronların ve diğer atom altı parçacıkların gerçekten de döndüğü iddiasını destekleyen kanıtlar sunmuştur. Çözüm alanlarla ilgilidir.
Parçacıklar ve alanların her ikisi de doğada mevcuttur. Genel olarak fizikçiler alanların parçacıklardan daha temel olduğuna inanmaktadır, ancak fizikçiler bu noktada anlaşmazlığa düşmeye devam etmektedir.
Örneğin, ışık bir elektromanyetik dalga veya foton demeti olarak tanımlanabilir. Kuantum alan teorisi bu çalışma konusunun adıdır. Bu teorinin yönleri, elektronlar ve fotonlar gibi parçacıklar arasındaki etkileşimleri gösteren ve alanları eğik bir şekilde tanımlayan ünlü Feynman diyagramlarını da çizen Caltech’ten Nobel Ödüllü bir fizikçi olan merhum Richard Feynman tarafından çalışılmıştır. Sebens’e göre elimizdeki en iyi fizik kuantum alan teorisidir.
Elektronun Dönüş Hareketi
Sebens, elektronun neden sadece dönüyormuş gibi davranan noktasal boyutta bir parçacık değil de, Synthese dergisindeki yeni bir çalışma da dahil olmak üzere bir dizi araştırmada gerçekten dönen yayılmış bir yük bloğu olduğunu düşündüğünü açıklıyor.
Buz patencisi karşılaştırmasına dönersek, elektron kollarını açmış bir patenci gibidir.
Bir atomda elektron genellikle elektronun potansiyel konumlarını gösteren bir bulut olarak temsil edilir, ancak Sebens’e göre elektron aslında bulut üzerinde fiziksel olarak dağılmıştır.
Elektronun dağınık boyutu sayesinde elektron artık ışık hızından daha hızlı gitme ihtiyacını ortadan kaldıracak kadar büyüktür. Sebens bu durumda iki önemli alan olduğunu söylüyor: elektromanyetik alan ve fizikçi Paul Dirac’ın adıyla anılan “Dirac alanı”. Dirac alanının “tıpkı elektromanyetik alanın fotonları açıkladığı gibi elektronları ve pozitronları açıkladığını” iddia ediyor. Elektronun karşıt parçacığı pozitron.
Bu çalışma, Sebens’in doğanın temelde alanlardan mı yoksa parçacıklardan mı oluştuğunu belirlemeye yönelik daha büyük çabasının bir bileşenidir. Sebens aynı Synthese makalesinde alanların doğada daha temel olduğunu iddia etmektedir.
Gerekçesi kısmen spine dayanmaktadır. Daha önce de belirtildiği gibi, bir alan yöntemi dönen elektronların getirdiği karmaşıklığı açıklığa kavuşturur. Ayrıca, alan stratejisinin elektronlarla ilgili şu önemli soruyu yanıtlamada faydalı olduğunu ileri sürmektedir:
Elektronlar ürettikleri elektromanyetik alanlarda nasıl bir davranış sergilerler?
Eğer elektron nokta büyüklüğünde bir yük topu ise, bulunduğu yerde ürettiği alan sonsuz derecede güçlüdür.
Bu da alanın belirli bir yönü ve dolayısıyla kuvvetlerin hesaplanmasını zorlaştıran tanımlı kuvvetleri olmamasına yol açacaktır. Ancak elektron genişletilmiş bir yük alanı olsaydı, elektronun çeşitli kısımlarına etki eden kuvvetler sonlu olacak ve net yönlere sahip olacaktı.
Sebens, doğanın temel bileşenleri üzerine Aeon için yazdığı bir makalede, bunun “kendi kendine etkileşim ikilemini daha az keskin hale getirdiğini” iddia ediyor. “Ama henüz çözülmüş değil. Elektronun birçok bileşeni neden birbirini itmiyor da, elektronun yükü her tarafa dağılırsa elektron hızla patlıyor?”
Bu kendini itme meselesi Sebens’in şu anda araştırmakta olduğu bir konu.
Bu ve araştırdığı diğer sorunların çözümü, sonuçta kuantum fiziğindeki niceliklerin hesaplanması ve ölçülmesi için yeni ve geliştirilmiş yöntemlerle sonuçlanabilir. Araştırma aynı zamanda kuantum fiziğinde süregelen bir bulmaca olan kuantum ölçüm problemini çözmeye yönelik yeni yaklaşımlar da sağlayabilir. Aynı anda iki durumda bulunan bir elektron gibi bir kuantum sistemi ölçüldüğünde, sistem çöker ve elektron iki durumdan birini alır. Bunun neden olduğu hala tartışma konusudur. Parçacıkların ve alanların nasıl çalıştığının altında yatan ilkeleri araştırarak bulmacayı çözmek mümkün olabilir.
Aeon için yazdığı yazıda Sebens şöyle diyor: “Bazen fizikte ilerleme kaydetmek, mevcut teorileri yeniden incelemek, yeniden yorumlamak ve değiştirmek için geriye dönmek anlamına gelir. Bu tür araştırmaları yapmak için, binlerce yıl önce Antik Yunan’da yapıldığı gibi, fizikçi ve filozof sorumluluklarını birleştiren akademisyenlere ihtiyacımız var.”
Kaynak: caltech.edu/about/news
