Ana Sayfa Kuantum Hesaplama QED/KEDİ: Kuantum Elektrodinamiği

QED/KEDİ: Kuantum Elektrodinamiği

557
0

Teori ve ölçümleri, trilyon başına parça olarak kabul edilen ve bu onu şimdiye kadar ileri sürülen en kesin fizik teorisi yapan kuram ile karşı karşıyayız. Elektrik yüklü parçacıkların birbirleriyle ve manyetik alanlarla foton değiş tokuşuyla nasıl etkileştiklerini betimleyen kuram olan “Kuantum Elektrodinamiği”, kısa adıyla KEDİ, kuantum fiziği tacındaki mücevher olup deneysel olarak virgülden sonra 11 basamağa kadar sınanmış ve hepsinden başarıyla geçmiştir. Bunu ölçeklendirecek olursak, dünyanın çapını tahmin edip, bu tahmininizi insan saçı çapının beşte biri oranında bir yanlışlık payı ile ölçmek gibidir. Bu, çok yüksek oranda bir teori-ölçüm eşleşmesidir.

Ancak, KEDİ olarak bilinen asıl kuram 1940’ların ortalarından sonlarına kadar üç büyük fizikçi tarafından bağımsız olarak geliştirildi. Julian Schwinger, Şin-İtiro Tomonaga ve Richard Feynman. Schwinger ve Tomonaga, kuantum mekaniğinin geleneksel yapısını ve 1930’lardaki yaklaşımları; Feynman ise bütünüyle farklı bir yaklaşım kullandı. Fiziksel bir yaklaşım sağlayan Feynman, “Feynman Diyagramları” adı verilen yaklaşımıyla problemlerin çözümü için oldukça güçlü bir hesap aracı kazandırdı. Bu yazıda Feynman yaklaşımından bahsedeceğiz fakat matematiğin derinlerine inmeyeceğiz.

Farz edin ki iki elektronu birbirine fırlattığınızda nasıl dağıldığını basit bir şekilde hesaplamak istiyorsunuz. Herhangi bir klasik fizik eğitiminiz varsa, şüphesiz ikisini birbirinden ayıran bir elektrik alanı olacaktır diye düşüneceksiniz. Kuantum Elektrodinamiğinde ise en büyük etkenlerden biri elektrik alanının nicelleştirilmiş olmasıdır. Büyük kuvvet alanından ziyade, elektrik alanı bireysel ve ayrık foton serileri tarafından yaratılır.

KEDİ’nin kökleri 1930’larda Hans Bethe ve Enrico Fermi’nin yüklü parçacıkların arasındaki etkileşimin fotonlar aracılığıyla olması şeklinde betimlenebileceğini önermelerine kadar gider. Bir fotonun fiziksel olarak bir çift yüklü parçacığa dönüşmesi, ışık ve madde arasındaki yakın bağları gösterirken; bu, Paul Dirac’ı pozitronların bir negatif enerjili elektron denizindeki “delikler” olduğu fikrine dayanan bir türünü geliştirmeye yönlendirdi. Bu fikirle yürütülen çalışmalar İkinci Dünya Savaşıyla kesintiye uğradı.

Bu nedenle, elektronlar arasındaki saçılmayı düşünmenin doğru yolu; saçılmanın iki parçacığın üstünde olması veya daha fazla foton alışverişi yapmasıdır. Bir elektron, fotonu yayarken, onu emen elektron gibi geri tepiyor. Birden fazla foton yayılır ve emilirse, giden elektron yörüngeleri tüm emisyonların katkısını yansıtmış olur.

Görseldeki spiral çizgiler fotonu temsil ederken düz çizgiler ise elektronu temsil ediyor. Fotoğraftaki spiral çizgiler bir fotonun değişimi olabileceği gibi iki veya daha fazla foton alışverişini de temsil edebilir. Foton geçiş yaparken elektron ve anti-madde elektron çiftlerine dönüşebilir, elektronun kendisi foton değişimi yapabilir ve bunun gibi birçok olasılığı barındırabilir. Fotonların hani durumlarda olduğunu bilmeden, Feynman Diyagramlarındaki köşe sayılarını dahil ederek bu problemler çözülebilmektedir.

Her fotonun ayrıldığı ve absorbe edildiği nokta, köşe (vertice) olarak adlandırılır. Bu köşelerin her biri, olasılığı yaklaşık 1/100 oranında azaltır. Formülize edecek olursak;
“Üç köşeli diyagram= %1 İki köşeli diyagram ve Dört köşeli= %1 Üç Köşeli = %0.01 İki köşeli” şeklinde olur.

Bu nedenle en basit Feynman Diyagramı olan 2 köşeli diyagram, işin en büyük kısmını çözmekte yeterli oluyor. Bu dramatik keşif, diğer fizikçileri parçacık fiziğinde yeni bir fikrin ilerlemeye değer olup olmadığına karar vermek için Feynman Diyagramı ile gösterilip gösterilemeyeceğini kontrol etmenin yeterli olduğu kanısında sabitledi.

Basit (halkasız) Feynman Diyagramı, parçacık ve alan teoremlerinin bilinen davranışlarını sergiler. Ama elektronun kendisiyle etkileşmesi ile sanal foton salıp yeniden soğurması diyagramda bir halka yaratır. Hesaplanınca, manyetik momenti 1’den biraz büyük ve ölçülen değere yakın olur, bu hesap 1940’larda sağlanmıştır.

Sonraki adım elektronun art arda iki foton salıp onları soğurmasıdır. Hesaplaması daha zor olup tamamlanması iki yıl almıştı. Üç sanal foton içeren sürecin daha da karmaşık hesapları ve tamamlanması 1980’lerin ortalarını buldu. Fotonun mertebesi ilerledikçe hesabın deneysel değere “yakınsadığı” söylenir ki kuantum kütle çekimi kuramında bu süreç tam tersidir.
Henüz hesaplanamayan daha da karmaşık problemler var ancak bunlar diyagramlar yardımıyla, Feynman yaklaşımının gücüne örnek olarak resimlendirilebilmektedir. Aslında her “gerçek” elektron sürekli varlık ile yokluk arasında gidip gelen sanal foton ve başka parçacıklardan oluşan bir köpük bulutu ile kuşatılmıştır.

Zamanda ileri giden bir elektron ile zamanda geri giden bir pozitron tamı tamına aynıdır. KEDİ zamanda bütünüyle simetriktir, bütün kuantum mekaniğinde olduğu gibi..

Çevirmen: Emine Elif Pekduru
Redaktör: Berfu Deniz Kara

Kaynak:

Bu içeriği paylaş
Önceki İçerikFizikçiler Evren Anlayışımızla Uyuşmayan Kuantum Kuralını Yeniden Yazıyor
Sonraki İçerikKuantum Bilgisayar

CEVAP VER

Lütfen yorumunuzu giriniz!
Lütfen isminizi buraya giriniz