Temel sabitlerin çoğu biraz daha büyük veya küçük olsaydı, evrenimiz hâlâ aynı durumda olurdu. Ancak, elektronun kütlesi için bu durum geçerli değil.
100 yıldan uzun süredir kullanılan geleneksel atom modeli, negatif yüklü elektronlar tarafından yörüngeye oturtulmuş pozitif yüklü bir çekirdekten ibarettir. Her ne kadar modası geçmiş Bohr modeli bu resmin kaynağı olsa da atomun büyüklüğü elektronun yük/kütle oranına göre belirlenir. Şayet elektron daha ağır veya daha hafif olsaydı, atomlar sırasıyla daha küçük veya daha büyük, iyonlaşması daha zor veya daha kolay olurdu.
Temel Çıkarımlar
- Evrenimizin özellikleri, temel sabitlerin değerleriyle bağlantılıdır: ışık hızı, kütleçekimi kuvvetinin gücü, Planck sabiti, temel parçacıkların kütleleri ve daha fazlası.
- Evrenin bu özelliklerinin çoğu için söz konusu sabitlerin değerlerini önemli ölçüde artırabilir veya azaltabiliriz ve bu durumda evren çoğunlukla aynı kalır: yıldızlar, galaksiler, yaşam potansiyeli.
- Bununla birlikte elektronun kütlesini çok fazla değiştiremeyeceğimiz temel bir sabittir, aksi durumda karmaşık moleküller ve yaşam asla mümkün olmazdı. İşte bunun nedeni.
Evren hakkında karşılaştığımız en büyük bilmecelerden biri, içindeki temel unsurların sahip olduğu pek çok özelliğe dair hiçbir açıklamamızın olmamasıdır. Her biri kendi etkileşim gücüne sahip dört temel kuvvet vardır ve bu kuvvetlerin sahip oldukları mutlak ve relatif güçlerin neden bu şekilde olduğuna dair bir açıklamaya sahip değiliz. Bazı parçacıklar elektrik yüküne sahiptir ve elektron, proton ya da kuarklardan herhangi birinin yükünün neden bu değerlere sahip olduğuna dair bir açıklamamız yoktur. Her ne kadar Higgs temel parçacıklara sahip oldukları kalan kütleleri sağlasa da bu kütlelerin neden bu değerlere sahip olduğuna dair bir açıklama getiremiyoruz. Işık hızı gibi doğanın diğer sabitleri de açıklama olmaksızın karşımıza çıkmaktadır.
Anladığımız kadarıyla Evreni tanımlamak için en az 26 ayrı temel sabit gerekmektedir ve bu sabitlerin neden bu değerlere sahip olduğu konusunda hiçbir fikrimiz yok. Eğer bu sabitlerden bazıları çok küçük ya da çok büyük olsaydı, bildiğimiz şekliyle Evrenimiz imkânsız olurdu; bizim varlığımız, doğa kanunlarının bizim varlığımızın mümkün olmasıyla tutarlı olması gerektiğinin kanıtıdır. Eğer kütleçekimi biraz daha güçlü ya da zayıf olsaydı, yıldızlar, galaksiler, gezegenler ve yaşam var olmaya devam ederdi. Bu durum; diğer kuvvetlerin güçleri, kuarkların kütleleri ve ışık hızının değeri için de geçerlidir.
Elbette atomların boyutları biraz farklı olabilir, ışık dalgalarının yayılması farklı süreler alabilir ve var olan büyük boyutlu yapıların detayları değişebilir; ama sonuçta yine de bizim gibi yaşamın olanaklı olduğu bir evren olurdu.
Ne var ki elektronun kütlesi farklı olsaydı durum böyle olmazdı. Bunun şaşırtıcı bilimsel nedenine gelelim.
Bir atom hacim olarak çoğunlukla elektron bulutunun ağırlıkta olduğu boş bir alan olsa da atom hacminin 10-15’te 1’ini oluşturan yoğun atom çekirdeği, atom kütlesinin ~%99,95’ini içerir. Bir çekirdeğin iç bileşenleri arasındaki reaksiyonlar, bir atomun elektronlarıyla sınırlı geçişlerden daha kesin olabilir ve daha kısa zaman aralıklarında ve farklı enerjilerle gerçekleşebilir.
Kendi varlığımız söz konusu olduğunda, bizi oluşturan şeyi inkâr etmek mümkün değildir: atomlar. Her atomun merkezinde küçük, sıkıştırılmış, yoğun ve pozitif yüklü bir atom çekirdeği bulunur. Bir atomun kütlesinin %99,9’undan fazlasını içeren atom çekirdeği femtometrelerle ölçülen boyutuyla inanılmaz derecede küçük olan bir parçacıktır. 1 femtometre ise 10⁻¹⁵ metreye eşittir. Söz konusu atom çekirdeğinin yörüngesinde elektronlar yer alır: daha da küçük parçacıklar olan elektronlar, aksine çok hafif ve düşük kütlelidir ancak negatif yüke sahiptirler. Elektronlar, protonun yüküne eşit ve zıt bir yüktedir. Elektronları diğer elektronlarla ve dev parçacık hızlandırıcılarının içindeki çeşitli diğer parçacıklarla çarpıştırdık ve eğer fiziksel bir “boyutları” varsa,en azından 10⁻¹⁹ metreden daha küçük olduklarını belirledik. Tabiricaizse, gerçekten nokta gibi görünüyor olabilirler.
Bununla birlikte, bir atomun boyutu, bileşenlerinin boyutlarından çok daha büyüktür. Atom çekirdeklerini oluşturmak için protonlar ve nötronlar bir araya gelir ve ardından her atom genellikle çekirdeğindeki proton sayısına eşit sayıda elektron içerir, böylece elektriksel olarak nötr bir yapı haline gelir. Elektronlar noktasal (ya da en azından 10⁻¹⁹ metreden daha büyük olmayan) ve atom çekirdekleri femtometre (10⁻¹⁵ metre) ölçeğindedir, ancak atomlar genellikle angström birimleriyle ölçülür. Bir angström, etkileyici derecede büyük olan 10-10 metredir. Başka bir deyişle, atomun çekirdeğinden yaklaşık 100.000 kat daha büyük ve elektronun fiziksel boyutundan bir milyar kat daha büyüktür.
İnsan hücrelerden oluşsa da çok daha temel bir düzeyde atomlardan oluştuğunu söyleyebiliriz. Bir insan vücudunda sayı olarak çoğunlukla hidrojen, kütle olarak ise çoğunlukla oksijen ve karbon olmak üzere ~1028’e yakın atom bulunmaktadır.
Bizlerin varoluşu bu atomlara bağlıdır. İnsan vücudunun içinde, bizi oluşturan her bir proton, nötron ve elektronu sayacak olsaydınız, çok büyük bir sayı elde ederdiniz: 1029‘u aşan bir sayı, 100 oktilyon olarak da biliniyor. Bu parçacıklar atomlar şeklinde bir araya gelmiştir ve en yaygın atom, çoğunlukla Büyük Patlama’da oluşan hidrojendir. Ancak, Evrende doğal olarak bulunan, türleri çekirdeğindeki toplam proton sayısına göre belirlenen ve elementler olarak bilinen 90 farklı atom türü vardır.
Bir insanın kütlesinin çoğunluğunu oluşturan oksijen ve karbon atomları ile tam anlamıyla bir insanı oluşturmak için bu atom türlerinden birkaç düzine gereklidir. Bir insanın varlığı için hayati önem taşıyan elementler şunlardır: azot, kalsiyum, fosfor, potasyum, sülfür, sodyum, klor, magnezyum, demir.
Bu elementler oksijen, karbon ve hidrojen ile birlikte ortalama bir insan kütlesinin %99,9’unu oluşturur. Büyük Patlama sırasında oluşan hidrojen hariç, diğer tüm ağır elementler yıldızlarda ya da yıldızlarla ilgili süreçlerin sonrasında oluşmuştur. Temel sabitlerle çok fazla oynamadığımız sürece yıldızlar, füzyon ve tüm bu ağır elementlerin oluşumu devam edecektir.
Evrenimizde yaşamın nasıl ortaya çıktığına dair anlatılan klasik hikâyenin bir parçasıdır bu. Bildiğimiz şekliyle, Evrenimiz sıcak Büyük Patlamayla başladı ve bu olayın ardından her şey genişledi, soğudu, daha az yoğun hale geldi ve kütleçekiminin etkisiyle bir araya gelip toplandıkça giderek homojen olmayan bir hal aldı. İlk başlarda protonlar ve nötronlar, kuarklardan ve gluonlardan oluştu: kuarklar tamamen kütlesiz kalsaydı bile bu mümkün olabilirdi. Eğer kuarkların kütlesini 10 hatta 100 kat arttırır ya da azaltırsanız, proton ve nötronların kütleleri çok az değişecektir. Bunun nedeni kuarkların kütlesinin protonun kütlesine oranla çok küçük olmasıdır: protonun toplam kütlesinin yalnızcayaklaşık %1’ini oluştururlar. Eğer kuarkların hepsi tamamen kütlesiz olsaydı bile, protonun kütlesinin büyük kısmı gluon alanından, yani güçlü kuvvetin gücünden gelirdi ve bu yüzden kuark kütleleriyle oynamak protonun kütlesini sadece çok az değiştirirdi.
Bir süre sonra, nükleer füzyon meydana geldi ve helyum ve lityum gibi hafif atom çekirdeklerini oluşturdu. Milyonlarca yıl sonra, yıldızlar kütleçekimsel olarak çökmüş maddenin yoğun koleksiyonlarından oluşmaya başladığında, nükleer füzyon tekrar ortaya çıkacaktı. Temel sabitlerdeki önemli değişiklikler bile bunun gerçekleşmesini engellemeyecek ve Evrenin yıldızlarda oluşan ağır elementlerle (karbon, oksijen, nitrojen ve çok daha fazlası) dolmasını sağlayacaktır. Yıldızlararası atmosfer yeterince zenginleştiğinde, oluşacak yeni nesil yıldızlar kayalık gezegenlerin (veya gaz devi gezegenlerin etrafındaki kayalık uydularının) oluşabileceği kadar ağır elementler bakımından zengin olacak ve bu da Evrende nihayet yaşamın ortaya çıkma olasılığını artıracaktır.
Kendi Güneş Sistemimizde, tek bir yıldız, iç taraftaki kayalık gezegenlerin, orta mesafeli bir asteroit kuşağının ve daha uzak gaz devi gezegenlerin sonunda yerini Kuiper kuşağı ve Oort bulutuna bıraktığı sistemi sabitler. Bildiğimiz kadarıyla yaşamın tek yuvası olan kayalık gezegenler, yalnızca önceki yıldız nesillerinin yaşam ve ölümlerinin sonucunda yeterince büyük miktarda ağır elementlerle oluşmuş yıldızların etrafında ortaya çıkabilir.
Temel sabitlerin hemen hepsi (ışığın hızı, kütleçekimi sabiti, Planck sabiti, kuarkların kütleleri vb.) dramatik bir şekilde değiştirilebilir, artırılabilir veya azaltılabilir ve bu kozmik hikâyenin ana hatları değişmeden kalabilir. Ne var ki elektronun kütlesiyle bu şekilde oynamaya kalkarsanız, yaşamın ortaya çıkma olasılığı hızla ortadan kalkar:
- Elektronun kütlesini çok büyük miktarda artıracak olursanız, atomik ve moleküler geçişler konvansiyonel koşullar altında hatta doğrudan güneş ışığı altında bile imkânsız hale gelecektir.
- Aynı şekilde, elektronun kütlesini önemli ölçüde azaltacak olursanız, zayıf ve düşük enerjili etkileşimler bile herhangi bir türde kararlı atom veya moleküllere sahip olmamızı çok uzun süre engelleyecektir.
Yaşam, organik moleküller hatta her türden karmaşık kimyasal maddelerin var olabilmesi ancak evrenimizin sahip olduğu elektron kütlesinin değeriyle ya da en azından bu kütlenin çok dar bir aralıkta kalmasıyla mümkündür. Bu durumu, tek bir protonun tek bir elektron tarafından yörüngeye yerleştirildiği, bildiğimiz en yaygın hidrojen formunu, laboratuvar koşullarında çok kısa bir süre için yapılabilen özel bir “egzotik” hidrojen türüyle karşılaştırarak anlayabiliriz: müonik hidrojen.
Standart hidrojen (iki yukarı kuark, bir aşağı kuark, ve bir elektron) ile müonik hidrojeni (iki yukarı kuark, bir aşağı kuark, ve bir müon) oluşturan temel parçacıklar çok benzer olabilir, ne var ki müonun çok daha büyük kütleli yapısı atomun boyutunun çok daha küçük olmasına neden olur. Bir hidrojen atomunun boyutu yaklaşık bir angström iken, müonik hidrojen sadece 0,005 angström büyüklüğündedir.
Bilinen, tipik madde protonlar, nötronlar ve elektronlardan oluşsa da madde söz konusu olduğunda var olan tek olasılıklar bunlar değildir. Protonlar ve nötronlar yukarı ve aşağı kuarklardan oluşur, ancak dört tane daha ağır kuark türü mevcuttur: tuhaf, tılsım, alt ve üst kuarklar (the strange, charm, bottom, and top quarks). Elektronlar en hafif yüklü parçacık olabilir, ancak daha ağır, kararsız iki kuzeni vardır: müon ve tau. Tek tek protonlar ve elektronlar kararlı olsa da (proton ve nötronların birleşiminden oluşan çekirdekler gibi), maddenin var olan diğer türlerinin hiçbiri, yani daha ağır kuarklardan oluşan madde ya da müon ve tau içeren madde çok uzun süre varlığını sürdüremeyecektir. Bu maddeler zayıf nükleer etkileşim nedeniyle hızla daha hafif, daha kararlı “yavru” parçacıklara dönüşerek bozunacaklardır.
Ne var ki müon, kararsız temel parçacıklar arasında en uzun ömürlü olanıdır ve ortalama ömrü 2,2 mikrosaniyedir. Bu süre çok uzun bir süre gibi görünmeyebilir, ama müonun protonlarla bağlı durumlar oluşturarak hidrojenin birçok önemli açıdan farklı bir formuna dönüşmesine yetecek kadar uzun bir süredir. Müon, elektron gibi bir leptondur, protonunkine eşit ve zıt bir yüke sahip ve bu protonun kendisinden çok daha hafiftir.
Ancak elektronla karşılaştırıldığında müon, aynı elektrik yükünü korurken 200 kattan (tam olarak 206 kat) daha büyük bir kütleye sahiptir. Bu daha ağır kütle, elektronların atom çekirdeğinden uzaklaşmasını engelleyen elektrik kuvvetinin, müonu atom çekirdeğine bir elektrona göre çok daha yakın olacak şekilde bağlayacağı anlamına gelir.
Bu illüstrasyon, boyut ve iyonlaşma enerjisi açısından standart hidrojenin (bir proton ve bir elektron içeren), müonyumun (protonun yerini bir anti-müonun aldığı) ve müonik hidrojenin (hidrojende elektronun yerini bir müonun aldığı) arasındaki farkı göstermektedir. Müonyum için boyut ve iyonlaşma enerjisi çok az değişirken, müonik hidrojen çok daha küçüktür ve müonun elektrona göre çok daha büyük kütlesi nedeniyle uyarılması veya iyonlaştırılması çok daha zordur.
Söz konusu oranın doğrudan olduğu ortaya çıktı: elektrondan 206 kat daha büyük ancak aynı elektrik yüküne sahip bir parçacık olan müon için, müonik hidrojenin yarıçapı standart hidrojenin yarıçapının 1/206’sı kadardır. Yaklaşık 1 angström (10-10 metre) büyüklüğünde olan normal bir hidrojen atomu yerine, bir müonik hidrojen atomu sadece yaklaşık 0,005 angström (5×10-13 metre) büyüklüğündedir. Elektronlardan daha ağır olan müonlar kararsız olup, birkaç mikrosaniye sonra kendiliğinden bir elektrona, bir elektron antinötrinosuna ve bir müon nötrinosuna bozunacaktır. Bununla birlikte, müon devam ettiği ve müonik hidrojen kararlı kaldığı sürece, standart hidrojen ile arasında bir dizi önemli farklılık olacaktır.
Aralarındaki en büyük fark belki de enerji seviyeleridir. Normal (elektron içeren) hidrojenin bulunduğu sadece belirli bir dizi enerji seviyesi vardır: temel durum (n=1), ilk uyarılmış durum (n=2), tam iyonize duruma kadar (n=∞) ve enerji seviyesinde yükselmek için uygun enerjideki bir fotonun onunla etkileşime girmesi gerekir. Temel (en düşük enerjili) durumdan ilk uyarılmış duruma geçmek için 10,2 eV (elektron-volt) enerjiye ihtiyaç vardır; tamamen iyonlaşmak için ise 13,6 eV enerjiye ihtiyaç vardır. Bir müon, bir elektronun 206 katı kütleye sahip olduğundan, 206 katı enerji gerektirir. Müonik hidrojen, 2,1 keV’lik (veya kilo-elektron-volt) bir foton ona çarpmadıkça uyarılamaz ve en az 2,8 keV’lik bir foton onunla karşılaşmadıkça iyonlaşamaz.
Güneş’in elektromanyetik spektrum boyunca yaydığı ışık, esas olarak hidrojeni helyuma dönüştüren nükleer füzyondan kaynaklanmaktadır. Nükleer reaksiyonlar kaynakta nötrinolar ve gama ışını radyasyonu üretir, ancak Güneş’in kalın dış katmanları, Güneş’in fotosferini terk ettikleri zaman bu gama ışınlarını önemli ölçüde azaltır. Güneş’in enerjisinin sadece trilyonda biri X-ışınları şeklinde yayılır.
Bu enerjiye sahip fotonlar evrenimizde mevcuttur, ancak bunlar nadirdir ve birer X-ışını örneğidir. Güneş gibi yıldızlar da X-ışınlarını yayar, tabi sadece çok küçük miktarlarda yayarlar: Görülebilir ışıkta yayılan enerji miktarının yaklaşık trilyonda biri büyüklüğünde bir yayılım gösterirler. Güneş ışığı, biyolojik açıdan son derece önemli olan fotosentez de dahil olmak üzere Dünyadaki her türlü atomik ve moleküler sürece güç sağlarken, Dünyaya çarpan devasa miktardaki güneş enerjisi sayesinde yaşam mümkün olabilmektedir. Güneş, Dünya’ya çarptığı her metrekareye toplamda yaklaşık 1500 watt güç verir ve bu enerjinin çoğu görülebilir, neredeyse kızılötesi ve ultraviyole ışık şeklinde gelir. Bu gücün sadece yaklaşık on nanowatt’ı (10-8 W) X-ışınları şeklinde bulunur.
Başka bir deyişle, eğer elektron olduğundan çok daha büyük bir kütleye sahip olsaydı, evrende meydana gelen enerjik olaylar (yıldızların parlaması, jeotermal ısı, volkanik patlamalar vb.) atomik ya da moleküler bir geçişe nadiren neden olabileceğinden, Dünyadaki tüm biyolojik süreçlere güç veren kimyasal reaksiyonlar son derece az görülürdü. Bunlar olmasaydı, her türlü karmaşık kimyasal, zincirleme reaksiyonlar ya da biyolojik süreçler güvenilir bir şekilde gerçekleşemezdi. Elektronun olduğundan daha yoğun olduğu bir evren, sadece 10 kat daha ağır olsa bile (ve belki de daha az), bildiğimiz ve anladığımız şekliyle yaşamı desteklemekten aciz olurdu.
Fotoğraftaki grafik, çinko atomuna bağlı bir elektron için elektron enerjisinin bir fonksiyonu olarak foton enerjisinin, belirli bir frekansın (veya enerjinin) altında, çinko atomundan hiçbir fotonun atılmadığını ortaya koymaktadır. Bu durum yoğunluktan bağımsızdır. Ancak, belirli bir enerji eşiğinin üzerinde (yeterince kısa dalga boylarında), fotonlar her zaman elektronları koparır. İyonlaştırıcı fotonların enerjisini artırmaya devam ettikçe, elektronlar artan hızlarla fırlatılır. Eğer elektronun kütlesi önemli ölçüde azaltılmış olsaydı, elektronlar atom çekirdeği tarafından çok daha serbest bir şekilde tutulacağı için çinkonun (ve tüm atomların) iyonlaşması daha kolay olurdu.
Elektronun çok hafif olması durumunda ise tam aksi bir sorun ortaya çıkacaktır. Daha ağır bir elektronun daha küçük, daha sıkı bağlı ve uyarılması (ya da iyonize edilmesi) daha zor bir atom anlamına gelmesi durumunda olduğu gibi, daha hafif bir elektron da tam tersi koşullara yol açacaktır; daha büyük, daha gevşek bağlı, daha kolay uyarılan (ya da iyonize olan) bir elektron olacaktır. Daha ağır bir elektron durumunda olduğu gibi, bu sadece hidrojen için değil, tüm atomlar için geçerli olacaktır.
Günümüzde Güneş ve çekirdeklerinde nükleer füzyona uğrayan tüm yıldızlar tarafından üretilen görünür ışık fotonlarının ortalama enerjisinin 2 ya da 3 eV civarında olduğunu düşünün. Bu durumda elektronun kütlesini beş kat azaltarak bugünkü kütlesinin sadece %20’sine indirirsek, doğrudan güneş ışığında sık sık meydana gelen atomik veya moleküler geçişler yerine, atomlar ve moleküller sadece ışığa maruz bırakılarak tamamen iyonize edileceğinden, atomik ve moleküler bağlar olağan olarak yok edilecektir.
Güneş ışığı hem yaratma hem de yok etme gücüne sahiptir. Elektronun kütlesi, atomik ve moleküler geçişlerin rutin olarak uyarıldığı, ancak bu bağların doğrudan güneş ışığının enerjisi tarafından kırılmadığı “hassas noktaya” düştüğü için, fotosentetik olanlar da dahil olmak üzere pek çok reaksiyon hem dünyamızda hem de evrenimizde mümkün ve olağan hale gelmiştir.
Buradaki detaylı çizim ışık toplama kompleksi 2 (LH2) molekülünün moleküler yapısını göstermektedir: gelen foton enerjisinin fotosentetik reaksiyon merkezine doğru taşınmasında önemli bir moleküldür. Bu anten proteinleri enerjiyi son derece verimli bir şekilde taşır: açıklanması zor bir fenomendir.
İnsanların doğa yasalarına ve onu tanımlayan temel sabitlere bakarken sıklıkla sordukları sorulardan biri, Evrenimizin varlığımızın kabul edilebilir olması için gerekli hassas ayara sahip olup olmadığıdır. Yasaların ve sabitlerin çoğu söz konusu olduğunda, genellikle etkileşimlerin gücünü ya da sabitlerin değerlerini artırmanın ya da azaltmanın evrenimizle ilgili belirli özellikleri değiştireceği, ancak yine de bildiğimiz evrene çok benzeyeceği düşünülmektedir. Bazı şeyleri büyük ölçüde değiştirsek bile (örneğin 10, 100, 1000 veya daha fazla kat) evrenimizde gözle görülür farklılıklar olsa da atomlar, moleküller, yıldızlar, kara delikler, nükleer reaksiyonlar, gezegenler, galaksiler ve hatta kimya ve yaşam gibi alışık olduğumuz şeyler büyük olasılıkla bir şekilde var olmaya devam edecektir.
Ne var ki evrenimizdeki küçük ölçekli nesnelerin yapı taşları, yani atomlar, elektronun kütlesine karşı son derece hassastır. Eğer diğer her şey aynı kalsaydı ama elektronun kütlesi bugün sahip olduğu değerden önemli ölçüde farklı olsaydı (önemli ölçüde daha hafif ya da daha ağır), karmaşık kimya ve yaşam süreçleri neredeyse imkânsız olurdu. Elektronun çok hafif olması, atomların ve moleküllerin çok kolay yok olduğu ve görünür ışığın bile oluşmaya çalışan her şeyi “pişirdiği” bir evrene yol açardı. Aşırı ağır bir elektron ise atom ve moleküllerin temel halden çıkamamasına, tüm kimyasal ve biyolojik tepkimelerin bağlı olduğu geçişlerin gerçekleşememesine neden olurdu.
Evrenimizde ve mevcut sabitlerle yaşam kesinlikle mümkündür. Ancak elektronun kütlesi birazcık değişseydi (ister daha ağır ister daha hafif olsun) evren çok daha ıssız olurdu.
Orijinal Başlık: Why the electron’s mass is vital to life in the Universe
Yazar: Ethan Siegel
Türkçeye Çeviren: Özlem Kırtay
Editör: Sevgi Hazır
