Madde Nedir, Ne Demektir?

En temel özellikleri yer kaplama, girilmezlik olan maddenin, ayrıca doğası itibarıyla parçacık ya da atomlardan oluştuğu, bilinemez olduğu, fiziki etkinlik ya da değişme potansiyeline sahip bulunduğu, kütlesi olduğu söylenir.

Madde, bu çerçeve içinde, tüm gerçekliğin şekil almamış, belirsiz temeli; varlığın, sürekli olarak değişen sonsuz sayıdaki fenomenle sergilenen dayanağı ve deneyimin temel nedeni olmak durumundadır.

Modern Fizikte Madde

Madde, görünen âlemde enerjiyle birlikte bütün objektif olayların temelini oluşturan, kendisine ölçülebilir fizikî özellikler izâfe edilebilen nesnedir. Maddenin makroskopik zatî özellikleri “gravitasyon” ve “eylemsizlik”tir. Gravitasyon, maddî nesnelerin biribirini çekme özelliği, eylemsizlik ise maddenin sükûnet şartlarının veya hareketinin değişmesine karşı gösterdiği dirençtir. Bir cismin kütlesi onun eylemsizliğinin ölçüsüdür. Özel rölativite teorisinin tahkik edilmiş sonuçlarına göre kütle ile enerji arasında eşdeğerlilik vardır; maddeyi enerjiye, enerjiyi maddeye dönüştürmek mümkündür. Makroskopik ölçekte kütlenin enerjiye dönüşmesi nükleer reaktörlerde vuku bulmaktadır. 1 gram uranyum-235 atomunun fisyon yoluyla bir günde parçalanması sonucu açığa çıkan enerji 1 megavat olup bu 3 ton kömürün yanmasıyla çıkan enerjiye denktir. Enerjinin maddeleşmesi ise mikroskopik ölçekte vuku bulmaktadır.

Maddenin mikroskopik özellikleri hakkında ilk düşünenler eski Yunan’da Leukippos ile Demokritos olmuştur. Bunlar maddenin sonsuza kadar bölünemeyen taneciklerden oluştuğunu ileri sürmüşler ve bu taneciklere atom (eski Grekçe’de atomos “bölünmeyen”) ismini vermişlerdir. Leukippos ve Demokritos, atomların bir araya toplanarak maddeyi nasıl meydana getirdiğinin akla yatkın bir açıklamasını verebilmek için bazı atomların toparlak ve bazılarının çengelli olması gerektiğini, çengelli atomların aralarındaki ilgi ve çekim sayesinde birbirine çengellenerek katı maddeyi oluşturduğunu savunmuştur. Bu model, sıvıların oluşumunu da toparlak atomların bir araya gelip birbirinin üzerinden kaymasıyla açıklıyordu.

Bugünkü anlayışa uygun element kavramı 1661’de Robert Boyle tarafından tanımlanmış, kimyasal reaksiyonları açıklayıcı mahiyetteki atom ve molekül kavramları ise 1808’de Dalton ve 1811’de Avogadro tarafından geliştirilmiştir. Atomun yalnızca kimyacıların değil fizikçilerin de ilgi odağı olması XIX. yüzyılın sonlarına doğru gerçekleşmiştir.

Madde, moleküllerin yapısına has (meselâ kohezyon kuvvetleri ve valans gibi) özelliklerin, uygulanan sıcaklığın, basıncın, iyonlaştırma sürecinin fonksiyonu olarak gaz, sıvı, katı ya da plazma hallerinde ya da cüce yıldızlar ve nötron yıldızlarında vuku bulduğuna inanıldığı gibi soysuzlaşmış (dejenere) hâlde de bulunabilir.

Gelişen gözlem ve deney imkânları, uzun süre parçalanmaz sanılan atom ve onun yapı taşları hakkında tutarlı bilgi edinilmesini mümkün kılmıştır. Buna göre atom, etrafında elektronların dolandığı bir çekirdekten oluşmaktadır. Atomlar içinde en küçüğü etrafında tek (negatif elektrik yüklü) elektronun dolandığı, çekirdeğinde (pozitif yüklü) bir proton bulunan hidrojen atomudur. Eğer hidrojen atomunu 1 trilyon kere büyütmek mümkün olsaydı tek bir protondan oluşan çekirdeğin çapı 1 mm. ve kütlesi 1,7 milyon ton, elektronun çapı ise 1 milimetrenin binde birinden küçük, kütlesi de 900 ton olurdu; bu elektron yaklaşık 100 m. çapındaki bir hacim içinde dolanırdı. Bu örnek, atomun ne kadar büyük bir boşluk içermekte olduğunu göstermektedir.

Diğer elementlerin çekirdeklerinde protonlardan başka nötron adı verilen, elektrik yüklü olmayan, kütlesi yaklaşık protonunkine eşit tanecikler de bulunur. Bu olgular karşısında maddenin yapı taşlarının proton, nötron ve elektrondan ibaret olduğu sanılmıştı. Fakat bir süre sonra gerek tanecik hızlandırıcılarında taneciklerin çok yüksek hızlarda birbiriyle çarpıştırılması neticesinde, gerekse fezanın derinliklerinden gelen kozmik ışınlarda farklı fiziksel özelliklere sahip bu kabil 200 kadar taneciğin varlığı ortaya çıkarıldı. Bu gelişme sonucunda maddenin gerçek yapı taşları olan tabiattaki taneciklerin elemanter tanecikler, leptonlar, kuvarklar, bozonlar ile birleşik taneciklerden baryonlar, mezonlardan ibaret olduğu ortaya konmuştur.

Leptonlar elektron, müon ve tau ile bunların her birine tekabül eden elektron nötrinosu, müon nötrinosu ve tau nötri- nosundan oluşmaktadır. Kuvarkın da altı farklı türü vardır. Bozonlar ise foton, gluon, aracı bozonlar (W+, W-Z°) ve gravitondan oluşan ayar bozonları ile Higgs bozonu diye beş sınıfa ayrılmaktadır. Teorilerin varlığına işaret ettikleri graviton ile Higgs bozonunun varlığı henüz deneysel olarak ortaya konulabilmiş değildir.

Baryonlar, proton ve nötronu ihtiva eden nükleonlar ile bir cins lambda, üç cins sigma, iki cins ksi, dört cins delta ve bir cins omega taneciklerini ihtiva eden hiperonlardan oluşmaktadır. Mezonlar ise üç cins pion, üç cins kaon, eta, fı ve ro taneciklerinden meydana gelmektedir. Birleşik taneciklerin hepsine birden “hadronlar” denilmektedir.

Ayrıca elektronların, kuvarkların ve nötrinoların karşıt tanecikleri de vardır. Elektronun karşıt taneciği aynı kütleye, fakat pozitif yüke sahip pozitrondur. Karşıt nötronun kütlesi nötronunkiyle aynı ve yüksüzdür, ancak nötronun +1 olan baryonik sayısının aksine -1 baryonik sayısına sahiptir. Bir tanecikle bunun karşıt taneciği çarpışacak olursa bunların kütlelerinin tamamı gamma ışınları şeklinde salt enerjiye dönüşür. Tabiatta kendi başına karşıt maddeden yani karşıt taneciklerden oluşmuş atomlar yoktur. Laboratuvarda ilk defa 1995 sonunda Cenevre’deki Avrupa Nükleer Araştırmalar Merkezi’nde (CERN) dokuz adet karşıt hidrojen atomu imal edilmiştir.

Maddenin yapı taşları hakkındaki bu sınıflandırma standart model diye bilinen ve şimdilik geçerli olan teorik bir model çerçevesi içinde sentez edilmiş bulunmaktadır. Çok girift bir matematiksel formalizm üzerine inşa edilen bu model kuvantum teorisiyle rölativite teorisine dayanmaktadır. Bu formalizmin gücü, aracı bozonlann varlığını ve özelliklerini -deneyle var oldukları tesbit edilmeden önce- öngörebilmiş olmasından ileri gelmektedir. Bu model, gravitasyon olayı hariç tanecikler arasındaki bütün etkileşmeleri, yani taneciklerin birbirine uyguladığı kuvvetleri açıklayabilmektedir. Bu sebeple standart model, maddenin nihaî teorisini değil yalnızca bugün madde hakkında elde edilen bilgilerin bir sentezini temsil etmektedir. Teorik fizikçilerin rüyası ise tabiatta birbirinden bağımsız gibi görünen ve maddenin değişik birleşenleri arasındaki bağı sağlayan gravitasyon etkileşmesinin, bütün kimyaya hükmeden elektromagnetik etkileşmenin, kuvarklarm ve dolayısıyla atom çekirdeklerinin kararlılığını sağlayan kuvvetli etkileşmenin, nihayet beta radyoaktivitesinden ve kâinatta doğal olarak karşıt maddenin değil yalnızca maddenin bulunmasından sorumlu olan zayıf etkileşmenin aslında tek bir kuvvetin farklı şartlar altında dört ayrı tecellisi olduğunun deneylerle uyumlu matematiksel bir çerçeve içinde tevhid edilmesidir. Ancak bu henüz bir ütopya mesabesindedir.

Fizikçilerin âleme bakış açısına kuvantum mekaniğinin hâkim olmasından önce etkileşmenin taneciklerden yayıldığı varsayılan bir kuvvet alanı aracılığıyla vuku bulduğunu savunan bir model geçerliydi. Kuvantum mekaniği iki tanecik arasındaki böyle bir etkileşmenin ancak aralarında bozon denilen bir aracı taneceğin değiş tokuşu ile mümkün olduğunu bildirmektedir. Bu, tıpkı birbiriyle konuşan iki insanın etkileşme bozonunun aralarında teati edilen söz olması gibidir.

Elektromagnetik etkileşmelerin bozonu foton, zayıf etkileşmelerinki W+, W- Z° tanecikleri, kuvvetli etkileşmelerinki gluonlar, gravitasyonunki henüz daha deneysel olarak ortaya konulamadığından teorik bir tanecik olan gravitondur. Standart model, W bozonuna belirli bir kütle izâfe edilmesini mümkün kılan Higgs bozonlarını da öngörmekle beraber deneysel olarak bunların varlığını tesbit etmek henüz mümkün olmamıştır.

Farklı taneciklerin oluşumunu açıklamak üzere “büyük patlama teorisi” diye bilinen bir senaryo ileri sürülmüştür. Bu senaryoya göre tabiattaki elementler kâinatın hemen başlangıcında değil yıldızların içinde oluşmuştur. Buna göre kâinatın başlangıcı sayılan büyük patlama esnasında proton, nötron ve elektronlar daha çok hidrojenle helyum ve çok daha düşük miktarlarda lityum, berilyum ve bor gibi basit elementleri oluşturacak biçimde bir araya gelmiş, bu iptidaî maddeden hareketle yıldızlar oluşmaya başlamıştır. Bu yıldızların içinde hâkim olan büyük basınç ve sıcaklığın etkisiyle ağırlıkları bakımından demir elementine kadar olan elementler nükleer füzyon aracılığıyla oluşmuştur, demirden daha ağır elementlerin ise “süpernova” diye adlandırılan bazı yıldızların patlaması sonunda oluşan fiziksel şartlarda meydana geldiği düşünülmektedir.

Maddenin sırrı söz konusu olduğunda eski Yunan filozoflarının bu husustaki vehim ve hayalleriyle, teori ve deneylerin birbirini yakından denetlemesi sayesinde ulaşılan bugünkü olgunluk mertebesinin yansıttığı görüntü arasında büyük mahiyet farkı vardır. Fizikçiler, maddenin elemanter yapı taşlarının proton, nötron ve elektrondan ibaret olduğuna kani olmalarından bir müddet sonra karşılarında yüzlerce yeni tanecik bulmuşlar, nihayet elemanter tanecik olarak vehmettikleri proton ve nötronun aslında kuvarklardan oluşan birleşik tanecikler olduğunu keşfetmişlerdir. Bugün kuvarkların dahi daha da derinde saklı birtakım elemanter taneciklerden oluştuğu hakkında şüpheler ileri sürülmekte, madde nihaî sırrını hâlâ saklı tutmaktadır.

Kavram, bir şeyin tasarımını gösteren şeydir. Buna göre, insan bir şeyin tekliğini, onu başka her şeyden ayıran biricikliğini tasarlayabildikten başka, tek ve biricik olanlara ortak olan özellikler yardımıyla, aynı tek ve biricik olanlar için geçerli olan bir genellik de tasarlayabilir. Kavram denilince de anlaşılması gereken işte bu ikinci tasarımdır. Kavram, bir sözcüğe yüklenmiş, bir sözcükte toplanmış bir bilgiyi ifade eder.

Hazırlayan: Sosyolog Ömer Yıldırım