Belki okumuşsunuzdur. Douglas Adams’ın yazdığı (1978) Otostopçunun Galaksi Rehberi’nde “Derin Düşünce” adındaki süper bilgisayara hayatın, evrenin, her şeyin cevabını sorarlar. Bilgisayar, yedi buçuk milyon yıl hesap yaptıktan sonra “Cevap 42.” der.
Güzel bir örnekle evrendeki en küçük cisimlerle en büyük cisimlerin büyüklük sıralarını[1] kafamızda canlandırabiliriz. 42 katlı bir bina hayal edelim. Birinci katta evrendeki en küçük madde olsun, örneğin atom çekirdeği (10-15 m). Her katta bir önceki katın 10 katı büyüklüğünde maddeler olsun. Böylece birinci kata atom çekirdeğini koyarsak, beşinci katta atomlar, onuncu katta hücreler ve on beşinci katta biz insanlar yaşıyor oluruz. Yirmi ikinci katta gezegenler ve güneş sistemi, otuz altıncı katta galaksiler, kırk birinci katta gözlemlenebilir evren ve kırk ikinci katta evrenin kendisi. Evrende uzaysal büyüklük ölçeklerini böyle hayal edebiliriz.
Bu binanın bodrum katında da kuantum kütleçekim kuramı var. Fizikçiler doğadaki dört temel etkileşimin (kütleçekim, zayıf nükleer, elektromanyetik, yeğin nükleer) üçünü standart modelde toparladılar (1970’li yıllar). Ama kütleçekim kuvveti bu modelde yer almıyor. Fizikçiler için en büyük hedeflerden biri dördünü birden tek formülasyon altında birleştirip bodrum katları da düzene sokmak.
Fiziği özel kılan, fizikçilerin bodrumdan başlayıp binanın katlarının her birinde çalışabilmeleri, zaman zaman katlar arasında yazdıkları modeller yoluyla bağlantılar da kurabilmeleri. Fizikçiler farklı katlarda yaşayan maddeleri çalışırken zaman, pozisyon, hız, ivme, momentum, açısal momentum, kuvvet, enerji ve entropi gibi ölçülebilir, hesaplanabilir ve/veya gözlemlenebilir nicelikleri kullanırlar. Bu katların her birinde madde dışında enerji ve enformasyon da fizikçilerin ilgi sahasına girer. Doğada var olan her şeyi madde/kuantum alan, enerji ve enformasyon olarak üçe bölmemiz mümkün. Anti madde, karanlık madde, karanlık enerji kavramlarını da bu üç büyük “doğa yapıtaşının” altında düşünebiliriz. Doğada bir de simetriler var. Bu simetrilerin sonucu olarak da korunum yasaları var (örnek enerjinin korunumu, açısal ve çizgisel momentumun korunumu, yükün korunumu).
Kabaca bakarsak, birinci ve altıncı katlar arasında en çok kuantum mekaniği, onuncu ve yirminci katlar arasında Newton fiziği, yirminci kattan sonraysa genel görelilik kuramı evreni anlamamıza yardımcı olur.
Fiziğin alt dalları nelerdir?
Fiziği hız ve büyüklük cinsinden klasik mekanik, rölativistik mekanik, kuantum mekaniği ve kuantum alan teorisi olarak dört ana alana bölmek mümkün (Şekil 1). Burada önemli bir not: Işık hızından çok daha düşük hızlarda da rölativistik etkiler bazen önemli olabiliyor. En önemli örnek manyetizma. Akım taşıyan bir teldeki elektronların hızı bakterilerin, hücrelerin hızı mertebesinde, yani saniyede mikrometreler. Ama çok sayıda yük taşıyıcı olduğu için, yine de rölativistik etkileri görebiliyoruz.
Fizikçiler ne iş yaparlar sorusuna cevap verebilmek için biraz daha ayrıntıya ihtiyaç var.
Şimdi binamızın alt katından başlayarak yukarı doğru çıkalım.[2]
Önemli not: Üniversite fizik bölümünden mezun olana kadar aşağıda anlattığım alanlardan dersler alıyorsunuz. Ama bu konularda uzmanlaşmak için yüksek lisans ve/veya doktora yapmak gerekiyor. Şekil 2’de özetlediğim gibi artık her aşamada özel sektöre geçmek mümkün. Çok sayıda fizikçi doktoradan sonra da özel sektöre geçiyor.
Teorik fizik/Matematiksel fizik
Bodrum katında kuantum kütleçekim kuramı var. Bu katta henüz deney yapmamız mümkün olmadığı için bu alanda teorik fizikçiler yoğun olarak çalışıyorlar. Kuantum fiziğinin aslında tüm katları birleştirdiğini biliyoruz. Ama yukarı doğru çıktıkça matematiksel zorluklarla karşılaştığımız için farklı modeller kullanmak işimizi kolaylaştırıyor.
Teorik fizik, Kepler, Galileo ve Newton’la başladı diyebiliriz. Fizik yasalarını matematiksel formda yazmak, evreni anlayışımızda devrim yarattı. Zaman ölçeğine de kısaca göz atarsak evrende 10-24 saniye ömründe olan parçacıklar ve ömrünün en az 1041 saniyeden uzun olduğunu ölçebildiğimiz protonlar 65 katlık başka bir bina sunuyor. Teorik fizikçiler farklı uzaysal ölçeklerde ve farklı zaman ölçeklerinde çalışan güçlü modellerini matematiğin diliyle inşa ediyorlar. Doğayı anlamamız için hem deneyler ve gözlemlerin hem de matematiğin gerekli olduğunu Galileo’dan beri biliyoruz. Matematik bilgisi güçlü fizikçilerin özel sektörde finans, yazılım, mühendislik ve veri bilimi sahalarında çalıştıklarını görüyoruz.
Yüksek enerji fiziği / Parçacık fiziği ve nükleer fizik
Binamızın ilk katında çalışan nükleer fizikçiler atom çekirdeği, protonlar ve nötronlar üzerine yoğunlaşırlar. Nükleer santraller ve yeni gelişmekte olan füzyon enerji santralleri onların ilgi sahasına girer. Özellikle ileride, füzyon tabanlı temiz enerji kaynakları nükleer enerji fizikçilerini katkısıyla ortaya çıkacak.
Eksi üçüncü kata kadar inen (bu katta kuark-gluon plazması, genel olarak kuarklar, W ve Z bozonları var) yüksek enerji parçacık fizikçileri CERN’deki Büyük Hadron Hızlandırıcısı, Chicago’daki Fermi laboratuvarı veya Stanford’daki SLAC laboratuvarı gibi merkezlerde protonları, antiprotonları, elektron ve pozitronları çarpıştırarak deneyler yapıyorlar.[3] Bu deneyler sırasında o kadar çok veri toplanıyor ki parçacık fizikçileri büyük veri,[4] istatistik ve kodlama konusunda kendilerini çok geliştirmiş oluyorlar. Dolayısıyla akademide veya büyük uluslararası laboratuvarlarda devam etmemeyi tercih eden çok sayıda parçacık fizikçisini finans ve yazılım sektöründe görmek mümkün.
Yüksek enerji fiziğinde parçacıkları leptonlar, hadronlar (kuarklardan oluşurlar) ve ayar bozonları olarak sınıflandırabiliriz. Atom çekirdeğinde bulunan protonlar ve nötronların her biri kuark adı verilen üç temel parçacıktan oluşur. Doğada gözlemlediğimiz kadarıyla bir birinden farklı özelliklere sahip yukarı, aşağı, tılsım, garip, üst ve alt adını verdiğimiz altı farklı kuark var. Ender de olsa bazen bunlar arasından dört veya beş kuark bir araya gelip tetrakuark veya pentakuark denen parçacıkları oluşturabiliyor. Temel tanecikler kadar, böyle sıradışı kompozit parçacıkları, veya kuark-gluon plazması gibi maddenin çok yüksek sıcaklık ve yoğunlukta ortaya çıkan yeni hallerini araştırmak da bu alanın çalışmaları arasında. Geçen haftalarda CERN’den duyduğumuz keşif açıklamasında sözü edilen bir yeni pentakuark ve iki yeni tetrakuark da bu kompozitlerden[5]. Son olarak CERN’in önemli hedeflerinden biri de eğer taneciklerden oluşuyorsa karanlık maddeyi laboratuvarda oluşturup keşfetmek. Bu bağlamda binanın en üst katlarından (kozmolojiden) gelen veriler, en alt katta da araştırmalara vesile oluyor diyebiliriz.
Üst katlardan bu kata teknik meseleleri çözmek için gelenler oluyor: Boyu kilometrelerle ölçülebilen hızlandırıcılar ve yüksekliği onlarca metre ile ölçülebilen parçacık dedektörlerinin geliştirilmesi için kullanılacak süper iletken mıknatıslar, demet dinamiği programları, yüksek hızlı elektronik devreler hep üst katların konuları.
Atom ve molekül fiziği
Günümüzde atom ve molekül fiziği konusundaki iş ilanlarının plazma fiziği ve atmosfer fiziği konularının temelini oluşturduğu görüyoruz. Bu sahada çalışmak isteyen fizikçilerin optik, kimya, kuantum kimya, fiziksel kimya gibi alanlarda çalışan şirketlerde ve üniversitelerde iş bulabildiklerini görüyoruz.
Atom ve molekül fiziği alanında ilk çalışan bilim insanları kuantum mekaniğinin de kurucuları arasında. Adını sıkça duyduğumuz kuantum fiziği sayesinde ise kuantum temelli “yeni” teknolojiler geliyor. Hayal edemediğimiz kadar hızlı kuantum bilgisayarlar, benzerini görmediğimiz hassasiyette kuantum sensörler. Gelişmiş ülkeler kuantum fiziği prensiplerine dayalı yeni teknolojilere çok yatırım yapıyorlar: Haberleşme, savunma, yapay zekâ vs. Bu sahada daha çok sayıda akademik pozisyon ve özel sektörde çok sayıda yeni iş sahası görmeye başlayacağız.
Biyolojik fizik/Biyofizik, Medikal fizik ve biyomedikal fizik
Altıncı ve onuncu katlar arası, biyofizik veya biyolojik fiziğin alanına giriyor. Yaşama dair her şeyin de fizik yasalarına uymak zorunda olduğunu biliyoruz. Akışkanlar mekaniği bilgilerimizle açıklayabildiklerimiz var: Örneğin bakterilerin, spermlerin neden balinalar, köpekbalıkları gibi yüzmedikleri. Bu bilgilerimizi gemi, denizaltı, uçak, roket, araba ve bisiklet tasarımında kullanıyoruz. Hatta erkekten kaynaklanan kısırlığa çözüm olan teknolojiler geliştiren şirketlerin de fizikten öğrendiğimiz temel kavramları spermlerin nasıl yüzdüklerini analiz etmekte kullandıklarını ve teknolojilerini bu şekilde geliştirdiklerini görüyoruz.
Biyolojik fizikçiler proteinler, kanser, kan hastalıkları, antibiyotik direnci gibi bir çok farklı konuda çalışarak sağlık sektöründe çığır açılmasına sebep oldular. İcat ettikleri aygıtlar moleküler biyoloji ve genetikte devrime yol açtı.
On beşinci katta çalışan medikal fizikçileri ise iki gruba ayırabiliriz. Birinci grup medikal görüntüleme, ikinci grup radyoterapi konusunda çalışıyorlar. ABD’de medikal fizikçiler ortalama maaş olarak en çok kazanan fizikçiler. Medikal görüntüleme konusunda çalışan fizikçiler hem üniversitelerde hem de şirketlerde, hastanelerde gördüğümüz nükleer görüntüleme, MRI, röntgen, bilgisayarlı tomografi, ve ultrason gibi aygıtların geliştirilmesine büyük katkıda bulunuyorlar. Bu aygıtlar, hastalıkların erken teşhisinde ve tedavisinde önemli rol üstleniyor. Ayrıca kanser hastalarının tedavisinde kullanılan radyoterapi sahasında da çok sayıda fizikçinin, hem temel araştırma hem de biyomedikal aygıt geliştirmede yoğun olarak çalıştıklarını görüyoruz.
Sinir bilimi alanında da çalışan çok sayıda fizikçi var. Fizikle beynin ilişkisi üzerine bir basit örnek vermek gerekirse, beyindeki elektrik alanları sayesinde hızlı düşünebiliyoruz. Elektrik yükleri ve alanları, difüzyon, potansiyel farkı gibi temel fizik kavramları sinir biliminde çok önemli.
Son yıllarda biyomedikal fizik doktora programlarının açıldığını görüyoruz. Bunların amacı öğrencileri klinik tıbba çevrilebilir teknolojiye odaklanan araştırmalar konusunda eğitmek. Dolayısıyla bu, mühendislik, tıp ve fiziğin birleştiği heyecan verici bir saha olarak karşımıza çıkıyor.
Elektromanyetizma ve fotonik
Fotonik ışığın fiziğidir. Elektromanyetizma ve fotonik olarak adlandırdığımızdaysa tüm elektromanyetik spektrumu bu alana katmış oluyoruz. Radyodalgaları, mikrodalgalar, kızılötesi, görünür ışık, mor ötesi, X-ışınları, ve gama ışınları bu sahanın ilgi alanına giriyor. Çevremizde gördüğümüz çok sayıda cihaz, elektromanyetizma prensipleriyle çalışıyor; örneğin lazerler, mikro/nano metamateryaller, RF (radyo frekans) bileşenler, optik algıçlar (sensörler), kablosuz sistemler. Elektro-optik ve opto-elektronik alanlarının da modern elektronik cihazlarda önemli bir yeri var. Fotodetektörler, lazer diodlar gibi ışığın elektrik sinyaline dönüşmesi üzerine dayalı teknolojiler opto-elektroniğin konusuna giriyor. Doğal olarak fiziğin, elektrik-elektronik mühendisliğiyle yoğun olarak ortak çalıştığı alanlardan biri fotonik. Benzer algıç teknojileri bilgisayarlı tomografide, nükleer görüntülemede (PET, SPECT) elektromanyetik dalgaların saptanarak hastadaki kanserli tümörün yerinin tespit edilmesinde de kullanılıyor.
Hesaplamalı fizik / Bilgisayarlı fizik
Fizikçiler doğayı anlarken matematik bilgilerini kullanarak modeller kurarlar ve bu modelleri deneyler ve gözlemlerle test ederler. Bu yüzden fiziği teorik fizik ve deneysel fizik olarak ikiye ayırmak da mümkün. Ama geçen yüzyılda bilgisayarların çok gelişmesiyle beraber model kurarken veya kurduğumuz modelleri test ederken bilgisayarları kullanmak hesaplamalı fizik adını verdiğimiz alanın çok güçlenmesine sebep oldu. Fiziğin farklı alanlarında bilgisayarları kullanan fizikçiler bunun faydasını akademiye devam etmeyip özel sektöre geçtiklerinde de görüyorlar. Çok sayıda mezunumuzun yazılım alanına geçiş yaptığını biliyoruz. Bu oran son yıllarda lisans mezunlarının %20’si civarında. Finans sektöründe de benzer şekilde iş bulan çok sayıda fizik mezunu var.
Termodinamik ve istatistiksel fizik
Termodinamik ısı, sıcaklık, iş ve enerji ilişkisi üzerine çalışan bir alan. Tüm katlarda önemli. Termodinamiğin ikinci yasası (entropi kapalı bir sistemde azalamaz) evrende zamanın neden tek yöne doğru aktığını açıklaması sebebiyle ayrı bir önem taşıyor. Şekil 1’deki dört ana alanda zamanın ters yöne doğru akmasını engelleyen pek bir şey yok.[6] Termodinamikteki entropi kavramının bazen doğadaki düzen, düzensizlik, rasgelelik, enformasyon[7] kavramlarıyla ilişkilendirildiğini okuyoruz. Hepsi doğru olsa da özellikle termodinamik entropi kavramı aslında enerjinin yayılarak dağılmasıyla ilişkili. Entropi kozmik evrimde olduğu kadar biyolojik evrimde de önemli bir rol üstleniyor. Üstüne üstlük enformasyonla ilişkisi sebebiyle bir de bakıyorsunuz bilgisayar bilimleriyle de temelden bağlantılı. Gözlemler bize evrenin başlangıcında (büyük patlama) entropinin düşük olduğunu gösteriyor. Bunun sebebini belki de henüz elimizde olmayan kuantum kütleçekim kuramıyla öğreneceğiz. Kozmik zamanın yönü, evrenin düşük entropili başlangıcından maksimum entropinin olacağı ısıl ölüme doğru. Canlılardaki biyolojik zamanı da entropiye bağlamak mümkün. İşte fiziğin neden bu denli heyecan verici olduğuna güzel bir örnek daha.[8]
İstatiksel fizik ise istatiksel yöntemleri ve olasılığı çok sayıda bir birinin aynı mikroskobik parçacıklara uyguluyor. Basınç gibi makroskopik ölçülebilir özellikleri mikroskopik özelliklere bağlıyor. Doğada gözle göremediğimiz cisimlerin özelliklerini gözle görebildiğimiz özelliklerden çıkarabiliyoruz. Şu anda odanızda bir birinin aynısı yaklaşık 1024 hava molekülü var. Vücudunuzda da aynı miktarda hücre var diyebiliriz. Ama hücreleriniz birbirinden farklı. Bu yüzden istatistiksel fiziği biyolojiye uygulamaya başladığınızda zenginlikler çıkıyor karşınıza. Giderek artan sayıda fizikçinin biyolojiye daha fazla ilgi göstermeye başladığını görüyoruz.
Yoğun madde fiziği
Yoğun madde fiziği, en çok sayıda fizikçinin bulunduğu alanlardan ve fizikçiler burada beşinci ve yirmi altıncı katlar arasında çalışabiliyorlar.[9] Bu alandakilerin odaklandığı konu maddenin mikroskobik ve makroskopik özellikleri, yani farklı uzaysal ve zamansal ölçeklerde fizik yaparak maddenin mikroskobik ve makroskopik özellikleri arasındaki ilişkileri keşfetmek. Güzel bir örnek süper iletkenlik. Süper iletkenler hastanelerdeki manyetik resonans görüntüleme (MRI) cihazlarında yüksek manyetik alan oluşturmak için kullanılıyor. Bu cihazlar bugüne dek milyonlarca insanın hayatını kurtardı.
Yoğun madde fiziği aslında İkinci Dünya Savaşından önce yoktu.[10] Ama savaştan sonra çok hızlı gelişen teknoloji katı-hal fiziğinin doğuşuna sebep oldu. Ardından da katı-hal fiziği zamanla yoğun madde fiziğinin altında sınıflandırılmaya başlandı. Yoğun madde fiziği tarihsel olarak akademi ve endüstrinin yoğun olarak beraber çalışmaya başladığı ilk alan denebilir. Bu alandaki fizikçiler hem deneysel hem teorik hem de kodlama becerileriyle özel sektörde iş bulabiliyorlar.
Bu alandaki kuramcıların az bilinen bir özelliklerine de değinmeden geçmeyelim: Kuantum alan kuramları burada da uygulama sahası bulabiliyor ve kendiliğinden simetri kırılması gibi bazı matematiksel fikirler bu alanda ortaya çıkıp sonradan parçacık fizikçileri tarafından benimsenebiliyor. Örneğin, ünlü Higgs Bozonu’na ait 1960’lardaki yayınlara giden yolda yoğun madde fizikçisi Philip Anderson’ın adına rastlayabiliyoruz.
Astrofizik ve kozmoloji
Yirmi ikinci ve kırk ikinci katlar arası astrofizik ve kozmolojinin araştırma alanına giriyor. Astrofizikçiler gezegenleri, ötegezegenleri, galaksileri, yıldızları, astroitleri, kara delikleri, yıldızlar arası ortamı ve kozmik arka plan ışımasını çalışırlar.[11] Fizik, matematik dışında kimya bilgileri de iyidir. Son yıllarda güçlü teleskopların kullanılması evrendeki yaşam konusunda uzmanlaşan astrobiyoloji biliminin doğmasına sebep oldu. Bu da bir çok astrofizikçinin az veya çok biyoloji öğrenmesine sebep oldu.
Kozmoloji, evreni en büyük ölçekte çalışan bilim alanı. Kozmoloji çalışan fizikçiler evrenin ivmelenerek genişlemesi, kozmik arka plan ışıması, genel görelilik, karanlık enerji, karanlık madde, kozmik enflasyon gibi konular üzerinde kafa patlatırlar. Genelde 37. Kat ve üstünde çalışsalar da örneğin düzlük problemini (uzayın eğriliğinin genişlemeye katkısı neredeyse sıfır) çözebilmek için kuantum fiziği bilmek gerekir, çünkü evren başlangıçta çok küçük ve düşük entropili. Bir de elbette evrenin başlangıç koşullarını anlayabilmek için kuantum kütle çekim kuramına ihtiyacımız var. Ama görünen o ki henüz böyle bir kuramdan uzaktayız.
Yazının en başına dönelim. Otostopçunun Galaksi Rehberi’nde bilgisayar hayatın anlamı nedir sorusuna “42” diye cevap veriyor. Kitapta bu cevap hiçbir şeye bağlanmıyor, rastgele verilmiş “matrak” bir cevap olarak kalıyor. Ama güzel bir rastlantı ile evren gerçekten de neredeyse 42 kattan oluşuyor. Bu katları anlayan hayatı da anlıyor. Fizik, “Hayat nedir?” sorusuna dair benzersiz ipuçları sunuyor.
Hiç yorum yok:
Yorum Gönder
ders,plan,proje,performans,ödev