Bilim insanları 'hiçlikten' madde mi üretti?

Bilim insanları, süperakışkan helyum kullanarak kuantum fiziğinin en ilginç öngörülerinden biri olan Schwinger etkisine benzer bir süreci laboratuvar ortamında canlandırdı.

Çalışma, hem kuantum tünelleme hakkında yeni bilgiler sağlıyor hem de süperakışkanların davranışına dair anlayışı derinleştiriyor.

Öte yandan Schwinger etkisi diye bilinen olgunun popüler kültürde "hiçlikten madde üretmek" diye bilinmesi sebebiyle bu çalışma da kamuoyunda tartışma yarattı.

Sosyal medyada yayılan bazı paylaşımlarda bilim insanlarının “hiçlikten parçacık yarattığı” iddia ediliyor. Peki çalışmada aslında ne başarıldı?

Schwinger etkisi nedir?

1951’de fizikçi Julian Schwinger, yeterince güçlü bir elektrik alanın vakumda kendiliğinden elektron-pozitron çiftleri oluşturabileceğini öne sürmüştü. “Kuantum tünelleme” olarak bilinen bu süreç, vakumun aslında boş olmadığını; dalgalanan kuantum alanlarıyla dolu olduğunu gösteriyordu.

Daha basitçe açıklamak gerekirse bu etki aslında etrafımızdaki “boşluğun” kaynayan bir enerji denizine benzemesinden kaynaklanıyor. Kuantum fiziğine göre bu boşlukta sürekli olarak sanal parçacıklar -sanal elektron-pozitron çiftleri- oluşup yok oluyor.

Sanal parçacık, kuantum fiziğinde gerçek olmayan ama etkileri gerçek olan kısa ömürlü enerji titreşimlerine deniyor.

Ancak yeterince güçlü bir elektrik alan bu sanal çiftleri birbirinden ayırdığında Schwinger etkisi ortaya çıkıyor. Alanın gücü nedeniyle normalde hemen yok olacak bu çiftler gerçek parçacıklara dönüşüyor. Yani boşluktan kelimenin tam anlamıyla madde üretilmiş oluyor.

Öte yandan bu teori, "boşluğun" aslında hiçbir olgunun ve varlığın bulunmadığı bir "hiçlik" olmadığı anlamına da geliyor. Bu boşluk, kuantum mekaniğinde "vakum" diye adlandırılıyor. Kuantum vakumu en düşük enerjiye sahip, fakat sürekli hareket eden bir alan denizine benziyor. Bu durumda parçacıklar yok ama parçacık alanları mevcut. Bu alanlar sürekli titreşirken, titreşimler sanal parçacıklar, dalgalanmalar ve enerji sıçramaları oluşturuyor.

Ancak bu teoriyi test etmek şimdiye dek neredeyse imkansızdı: Schwinger etkisinin gerçekleşmesi için gereken elektrik alanlar öylesine güçlü ki bugüne kadar laboratuvar koşullarında üretilememişti.

Süperakışkan helyum: Yeni bir deneysel analog

Öte yandan, eylül ayında Kanada’daki British Columbia Üniversitesi’nden (UBC) araştırmacılar, bu mekanizmanın bir benzerinin süperakışkan helyumda ortaya çıkabildiğini gösterdi.

Bu yaklaşımda vakum yerine atomlar arası birkaç katman kalınlığında süperakışkan helyum filmi, güçlü elektrik alan yerine ise süperakışkanın akışı kullanılıyor.

UBC’den teorik fizikçi Dr. Philip Stamp, hakemli bilimsel dergi PNAS’ta yayınlanan çalışmayı şöyle açıklıyor: “Süperakışkan Helyum-4 inanılmaz bir malzeme. Birkaç atom kalınlığına indiğinizde kolayca sürtünmesiz bir ‘vakum benzeri’ hâle geliyor. Bu akışı başlattığımızda, elektron-pozitron yerine kendi etrafında ters yönde dönen girdap/anti-girdap çiftleri oluşuyor.”

Dr. Stamp ve çalışma arkadaşı Michael Desrochers, aslında makalede bu sürecin matematiksel temelini ortaya koyuyor ve doğrudan uygulanabilir bir deney taslağı sunuyor.

Araştırmacılara göre, bu süperakışkan film yalnızca Schwinger etkisinin değil, bazı kozmik olayların da bir analoğu olabilir.

Stamp şöyle devam ediyor: “Bu helyum filmi, derin uzaydaki vakuma, kuantum kara deliklere ve hatta evrenin ilk anlarına dair güzel bir benzetme sunuyor. Bunları doğrudan gözlemlememiz mümkün değil; fakat süperakışkanlarda benzer süreçleri inceleyebiliriz.”