proton

atom altı parçacıkların en önemlisi ve en görkemlisi olan, 1/2 dönüş (spin)’e sahip baryondur. cisimlerin baryon kategorisinde olması için fermiyon’ların kompozit yapısı olması gerekir. örneğin nörton iki down bir up quark’a sahiptir. özel görecelikten sonra, genel göreceliğin gelişmesine kadar beklenen 7 yıllık süre aralığında rutherford, 1920’de protonları, nitrojen atomundan çıkartmayı başararak hidrojen atomunu tekrardan oluşturduklarını gözlemlemiş ve protonu temel parçacık olarak belirlemiştir. bu süre zarfında proton ile ilgili her hangi bir tuhaflık gözlemlenmemesin, parçacığın kuantum mekaniğine ait davranışlar göstermesine rağmen, nötron ile birlikte kütle merkezini yaratması onu genel görelilik içinde önemli bir noktaya koydu. 1960’lara kadar proton özelinde temel bir sorun teşkil etmezken fermi ve bose’un iki farklı koldan temel parçacıkları matematiksel olarak, kuantum mekaniğinde sınıflandırmasıyla birlikte büyük bir problem ortaya konuldu fermiyonlar ve bosonlar.

fermiyonlar, dirac-fermi istatistiklerine uyan aynı kuantum durumunda bulunmayan temel maddeleri oluşturan parçacıklarken, bosonlar kuvveti aktaran ve bose-einstein istatistiklerine uyan, aynı kuantum durumunu paylaşabilen parçacıklardır. temel atom altı parçacıkların sınıflandırılması bu sınıfa uyan parçacıkların araştırılmasını başlattı ve 1960’ların sonuna doğru quarkların bulunmasıyla birlikte proton gündemin ortasına tek başına çöktü.

proton da keza nötron gibi toplamda üç quark’tan oluşur bunların ikisi up quark iken, üçüncüsü down quarktır. proton içerisinde ki quarklar, protonun kütlesinin toplamda %1’ini oluştururlar, geri kalan %99 ise her hangi bir parçacıktan kaynaklanmamaktadır. bu şu demek poşetin içinde iki elma bir portakal var, poşet 1000gr geliyor ken, poşeti çıkardığınızda iki elma ve bir portakalın terazide ki toplam kütlesi 10gr. 990gr eksik var. geri kalan relativistik kütle quarkların arasında oluşturulan bağlanma enerjisi, quarkların sahip olduğu toplam relativistik kinetik enerji ve yeyin nükleer kuvvetin oluşmasıyla quarkların bağlamasını asıl sağlayan gluon alanına (gluon particle field) dağılmıştır. bunu anlamanın yolu özel görelilikten geçer. özel görelilikte yazmıştım, temelde bu teori maddelerin hız ve uzayzaman etkileri arasında ki ilişkileri açıklar. bu etkiler enerji, kütle, zaman ve uzay düzlemi üzerinedir. quarklar proton içerisinde iken iki farklı durum (state) altında incelenir birincisi bizim yaptığımız terazi kıyaslaması, yani bilinen quark kütlelerini kıyaslamak (current state quark), ikincisi, yani unuttuğumuz quarkların protonu oluşturma durumları (constituent state quark). quarklar protonu oluşturdukları durumlarda sahip oldukları kütleleri sadece bilinen kütleleri değil buna ek olarak quark’ın etrafını saran gluon parçacık alanının enerjisidir. gluonlar kütlesizdir ve ilk başka bu çok mantıklı gelmeyebilir, fakat gluonların taşıdığı çok yüksek miktarda ki enerji quark’lar üzerinde taşınır, bu enerji aynı zamanda quark’a da etki eder, quark’ı sahip olduğu enerji miktarı bilinenden çok daha fazla bir büyüklükte artar ve quarkın momentumunda bir artış yaratır. bu momentum artışı durağan (rest mass) kütlesine özel görecelikte de hesaplandığı gibi bir relativistik kütle artışı etkisi yapar. bu nedenle proton’un üç quark’ın etkileşimi ile hesaplanan kütlesi, quark’ları etkileşimden bağımsız bir biçimde hesapladığınızdan çok daha yüksektir. bu fark kuantum kromodinamiği adı verilen fiziğin en zor, fakat en dehşet alanının da başrol oyuncusudur.

aslına bakarsanız relativistik kütle, özel görelilikte sadece hesapların sonuçlarının momentum üzerindeki etkisini biraz daha klasik mekanikte anlaşılsın diye ortaya atılmış bir kavramdır. özel görelilikte maddelerin enerjileri arttırıldığında, sahip oldukları momentumda, tıpkı hızı, boyu ve zamanı gibi gamma sabiti ile eş değer bir biçimde değişkenlik göstermektedir. momentumun klasik mekanikteki hesabına uymaması demek, ya hız ya da cismin kütlesinde gamma oranında bir değişikliğin gözlemlenmesiyle açıklanabilirdir. bizim bildiğimiz durağan kütleler cisimlerin kütle merkezinden yapılan ölçümlerin verdiği sonuç iken, cisimlerin momentum merkezlerine göre yapılan toplam kütle ölçümü arasında bir fark vardır. bu yüzden relativistik kütle adı altında bu uyumsuzluğu açıklamak için sanal bir kavram üretilmiştir. relativistik kütle aslında cisimlerin sahip oldukları toplam enerjileri ile momentumları arasındaki farkın kökü kadar bir değişmdir, kütle aslında kaybolmaz sadece form değiştirir. bu form değişimini açıklamanın kolaya kaçılan ve pedagojik olarak doğru olmayan yollarından bir taneside relativistik kütledir.

ve kütlenin asıl tanımını ortaya çıkartır: bir enerji formu.