Suda Patlayan Kabarcığın İçindeki Küçük Yıldız

Bölüm metni

Bir kavanoz suya doğru frekansta ses verirseniz, içindeki tek bir hava kabarcığı her saniye onlarca kez mavi bir ışık çakması yayar. Kabarcığın içi o an Güneş'in yüzeyinden daha sıcaktır ve bu, elinizin on santim ötesinde olur. Peki ses nasıl ışığa dönüşür?

Karanlık bir laboratuvarda, masanın üzerinde sıradan görünen bir cam küre duruyor: içi suyla dolu, yanlarına yapıştırılmış birkaç seramik halka, dışarı uzanan ince kablolar. Işıklar söndüğünde ve gözler karanlığa alıştığında, kürenin tam ortasında asılı duran mavimsi bir nokta beliriyor. Titremiyor, kaymıyor, sönüp yeniden yanmıyor. Sanki biri suyun içine bir toplu iğne başı büyüklüğünde yıldız asmış gibi. Oysa orada madde yok; orada yalnızca bir hava kabarcığı var ve o kabarcığı yerinde tutan şey, duyulmayan bir ses.

Bu olgunun adı sonolüminesans, yani sesin ışığa dönüşmesi. Hikâyesi 1934'te Köln'de başlıyor. Hermann Frenzel ve Heinrich Schultes, denizaltı sonarları üzerine çalışırken bir su banyosuna güçlü ultrason veriyor ve banyoya daldırdıkları fotoğraf plakalarının kararmış olduğunu fark ediyorlar. Ses dalgaları suda milyonlarca minik kabarcık yaratmış, o kabarcıklar da ışık saçmıştı. Ama bu ışık kaotikti: sayısız kabarcık rastgele doğuyor, rastgele çöküyor, ortalama bir parıltı bırakıyordu. Ölçülebilir tek bir olay yoktu, yalnızca bulanık bir toplam vardı.

Asıl kırılma 1989'da geldi. Mississippi Üniversitesi'nde Lawrence Crum'ın yanında çalışan Felipe Gaitan, doktora çalışması sırasında kalabalığı dağıtmayı başardı: milyonlarca kabarcık yerine tek bir kabarcığı suyun ortasında yakalayıp orada tutabildi. Üstelik o tek kabarcık, akustik alanın her çevriminde saat gibi düzenli biçimde ışıldıyordu. Böylece fizikçilerin elinde ilk kez tek tek incelenebilen, saatlerce aynı yerde duran, aynı ritimde çakan bir ışık kaynağı vardı. Bu düzeneğe tek kabarcık sonolüminesansı deniyor.

Peki bir kabarcık suyun ortasında nasıl "asılı" kalır? Kürenin duvarlarına yapıştırılmış piezoelektrik seramikler, elektrik sinyalini titreşime çevirir ve suyun içine ultrason gönderir. Frekans, kabarcığın büyüklüğüne göre değil, kabın kendi rezonansına göre seçilir; tipik düzeneklerde 20 ile 40 kHz arasında bir değer kullanılır, yani insan kulağının duyabildiği sınırın hemen üstünde. Dalgalar duvarlardan yansıyıp kendileriyle üst üste binince kabın içinde bir duran dalga oluşur. Bu dalganın merkezinde, basıncın en şiddetli salındığı bir nokta vardır. Kabarcık tam oraya çekilir; akustik alanın ona uyguladığı kuvvet, onu yukarı iten kaldırma kuvvetini dengeler ve kabarcık havada asılı kalmış gibi durur. Deneyi kurmanın en zahmetli kısmı da genellikle budur: suyun gazının bir bölümünü almak, sıcaklığı sabit tutmak, frekansı milimetrik ayarlamak ve şırıngayla bırakılan kabarcıklardan birinin tuzağa oturmasını beklemek.

Tuzaktaki kabarcık durgun değildir; her akustik çevrimde nefes alıp verir. Dinlenme halinde yarıçapı yaklaşık 4-5 mikrometredir, yani kırmızı kan hücresinden küçüktür. Basınç düştüğünde şişer, yarıçapı 50 mikrometre civarına, hacmiyse binlerce katına çıkar. Sonra basınç geri döner ve suyun tüm ataleti bu genişlemiş boşluğun üzerine kapanır. Kabarcık büyürken toplanan enerji, saliseden çok daha kısa bir sürede küçücük bir hacme sıkışır. Çöküşün en dibinde kabarcık, başlangıçtaki halinden bile küçük, mikrometrenin altında bir çapa iner ve tam o anda bir ışık çakması bırakır.

Bu çakmanın en şaşırtıcı yanı düzenidir. Kabarcık, ultrasonun her periyodunda bir kez ışıldar; 26 kHz'lik bir düzenekte bu, saniyede yaklaşık 26 bin flaş demektir. Flaşlar arasındaki zamanlama o kadar tutarlıdır ki, ölçümler saliseden trilyonda birler mertebesinde sapmalar gösterir. Her bir çakma ise inanılmaz kısadır: laboratuvar ölçümleri, ışığın 35 ile 350 pikosaniye arasında sürdüğünü göstermiştir. Bir pikosaniye, saniyenin trilyonda biridir; ışık bu sürede bir milimetrenin ancak küçük bir kesrini alır. Her flaşta salınan foton sayısı milyon mertebesindedir ve renk dağılımı maviye, hatta morötesine doğru uzanır. Kulağa az gibi gelebilir, ama bunlar bir toplu iğne ucundan bile küçük bir hacimden çıkar; enerji yoğunluğu olarak bakıldığında ses dalgasının yayılmış enerjisi burada yaklaşık bir trilyon kat sıkıştırılmış olur.

İşin ayrıntısında saklı, sonradan anlaşılan bir püf noktası daha var. Kabarcığın uzun süre kararlı kalması için suyun içindeki çözünmüş gazın önemli bir bölümünün alınması gerekir; ve o kabarcığın içinde asıl belirleyici olan, havanın çoğunu oluşturan azot ya da oksijen değil, yüzde 1 kadarını oluşturan argondur. Soy gazlar kimyasal tepkimelere girmediği için kabarcıkta birikir ve zamanla içerisi neredeyse saf argona döner. Yani kavanozun ortasındaki o inatçı mavi nokta, aslında sesle örülmüş bir kafeste tutulan minik bir soy gaz balonudur. Geriye tek bir soru kalır: o çöküşün en dibinde, tam ışık doğarken, orada ne oluyor?

Şimdi o ışık noktasına yaklaşalım, çünkü kavanozun ortasında asılı duran kabarcık aslında hiç hareketsiz değil. Onu yerinde tutan ses dalgası, saniyede 20 ila 40 bin kez sıkışıp gevşiyor ve kabarcık bu ritmi harfiyen izliyor. Basıncın düştüğü yarım periyotta su, kabarcığı âdeta içine çekiyor: dinlenme halinde birkaç mikrometrelik olan yarıçap, 50 mikrometre dolayına kadar şişiyor. Bu, kabarcığın ömrünün en tembel ve en uzun bölümü. Sonra basınç geri dönüyor ve etrafındaki su duvarı içeri doğru harekete geçiyor. Asıl hikâye, o andan itibaren mikrosaniyeler içinde yaşanıyor.

Çöküşü yürüten şey, gazın kendisi değil, suyun eylemsizliği. İçeri doğru koşan su kabuğu, kazandığı momentumu bir yerde bırakmak zorunda ve bunu ancak merkeze yaklaştıkça hızlanarak yapabiliyor. Kabarcık duvarının hızı, sürecin son evresinde suyun içindeki ses hızını, yani saniyede yaklaşık 1500 metreyi aşacak düzeye çıkıyor. Yarıçap 50 mikrometreden 1 mikrometrenin altına iniyor; hacim olarak bu, yüz binlerce katlık bir sıkışma demek. İçerideki gazın kaçacak yeri yok, ısısını çevresine aktaracak zamanı da yok. Sıkışma o kadar hızlı ki neredeyse hiçbir enerji dışarı sızmadan, tamamı gazın iç hareketine dönüşüyor.

Ve sıkıştırdığınız bir gaz ısınır. Bisiklet pompasının gövdesinin ılıması bunun küçük, uysal bir versiyonu. Burada aynı fizik, akıl almaz bir uçta çalışıyor: ses dalgasının kendisi son derece seyreltik bir enerji taşırken, kabarcığın merkezinde bu enerji zaman ve mekân bakımından öyle bir yoğunlaşıyor ki, ortaya çıkan enerji yoğunluğu başlangıçtakinin yaklaşık 1 trilyon katına ulaşabiliyor. Bir odayı zar zor duyulur bir uğultuyla dolduran akustik enerji, bir toplu iğne başının milyonda birine sığdırılmış bir cehenneme dönüşüyor.

O cehennemin dışarıya verdiği tek işaret, ışık. Ama nasıl bir ışık: her çakma yaklaşık 100 bin ile 1 milyon arasında foton içeriyor ve hepsi 35 ile 350 pikosaniye arasında bir süreye sıkışıyor. Pikosaniye, saniyenin trilyonda biri; ışığın bu sürede alabildiği yol, bir saç telinin kalınlığı mertebesinde. 1990'ların sonunda yapılan ölçümler, çakmanın gerçekten bu kadar kısa olduğunu ve renginden bağımsız biçimde aynı anda sönüp yandığını gösterdi. Dahası, kabarcık şaşırtıcı bir saat gibi çalışıyor: art arda gelen çakmaların zamanlaması, çoğu zaman çakmanın kendi süresi mertebesinde, yani pikosaniyeler düzeyinde bir sapmayla tekrarlanıyor. Işığın tayfı da alışılmadık: belirgin bir tepe noktası yok, mora ve morötesine doğru yükselmeye devam ediyor ve nerede kesildiğini büyük ölçüde suyun soğurması belirliyor. Bu tayfa uydurulan kara cisim eğrileri, kabaca 10 bin ile 25 bin kelvin arasına işaret ediyor. Yani güneş yüzeyinin birkaç katı sıcaklıkta bir nokta, oda sıcaklığındaki bir su kabının içinde.

Peki bu gerçekten plazma mı? En güçlü kanıt, Kenneth Suslick ve David Flannigan'ın 2005'te Nature'da yayımladığı çalışmadan geldi. Ekip, kabarcığı sudan farklı bir ortamda, derişik sülfürik asit içinde ve içine soy gaz katarak sürdürdü; bu düzenekte ışıma o kadar parlaklaştı ki tayfta yalnızca sürekli bir zemin değil, keskin çizgiler de görünür oldu. Uyarılmış argon atomlarının çizgilerinin yanında, iyonlaşmış oksijen molekülüne ait emisyon da ölçüldü. Bir gazın iyonlaşması, elektronların atomlardan koparak serbest dolaşması demek; yani tanım gereği plazma. Ölçülen etkin sıcaklık 15 bin kelvin dolayındaydı ve bazı koşullarda daha da yükseldi. Suslick'in daha önce, tek değil çok sayıda kabarcığın bulunduğu ortamlarda kimyasal tepkime hızlarından hesapladığı yaklaşık 5000 kelvinlik değerle birlikte düşünüldüğünde, tablo tutarlı: çöken kabarcığın çekirdeği, gerçekten iyonlaşmış madde barındırıyor.

Burada bir uyarıyı hemen eklemek gerekiyor, çünkü bu sayılar bir termometreyle okunmuyor. Hepsi ışığın tayfından, belirli varsayımlar üzerine kurulu modellerle geriye doğru çıkarılıyor. Kabarcığın içindeki sıcaklığın tek bir değeri olmayabilir; en sıcak bölge, kabarcığın hacminin çok küçük bir kesrindeki bir çekirdek olabilir ve o çekirdeğin ne kadar sıcak olduğu, ışığı hangi mekanizmanın ürettiğine bağlı olarak değişir.

Sonrası ise başladığı kadar hızlı bitiyor. Sıkışan gaz geri yaylanıyor, sıcaklık nanosaniyeler içinde düşüyor, kabarcık birkaç kez seğirip yeniden kararlı boyutuna dönüyor ve bir sonraki ses periyodunda her şey baştan tekrarlanıyor. Saniyede on binlerce kez. Ama bu düzenli tekrarın altında, hâlâ tam olarak yanıtlanmamış bir soru duruyor: o ışığı üreten mekanizma tam olarak nedir?

Pikosaniyelik çakma söndükten sonra geriye tek bir soru kalıyor: o ışığı tam olarak ne üretiyor? Şaşırtıcı olan şu ki, kabarcığın çöküşünü milimetrenin binde biri hassasiyetinde ölçebilen fizikçiler, bu sorunun tam yanıtı konusunda otuz yılı aşkın süredir tartışmayı sürdürüyor. Deneyin kendisi bir mutfak masasına sığacak kadar basit; açıklaması ise değil.

1990'lar boyunca masaya birkaç rakip model kondu. En etkililerinden biri, 1993'te Cheng Wu ve Paul Roberts'ın önerdiği şok dalgası senaryosuydu. Bu modelde kabarcık büzülürken içeride merkeze doğru yakınsayan bir şok cephesi oluşuyor, cephe küçüldükçe enerji giderek daralan bir hacme sıkışıyor ve merkezde sıcaklık, kabarcığın ortalamasının çok üstüne, milyon dereceler mertebesine fırlıyordu. Çekici bir fikirdi, çünkü ışığın neden bu kadar kısa sürdüğünü doğal biçimde açıklıyordu. Ama kabarcığın simetrisinin bu kadar kusursuz kalıp kalamayacağı hep tartışmalı kaldı.

Çok daha radikal bir öneri ise Julian Schwinger'den geldi. Kuantum elektrodinamiği çalışmalarıyla Nobel almış bu fizikçi, 1990'ların başında yayımladığı bir dizi makalede sonolüminesansın maddenin ısınmasıyla değil, kabarcığın sınırının hızla değişmesiyle boşluğun kendisinden koparılan fotonlarla ilgili olabileceğini savundu; bugün dinamik Casimir etkisi dediğimiz mekanizmanın bir akrabası. Claudia Eberlein 1996'da fikri ayrıntılı bir hesaba dönüştürdü. Ancak izleyen yıllarda Peter Milonni ve başkaları, bu yoldan çıkacak enerjinin ölçülenin yanına bile yaklaşamayacağını, aradaki farkın mertebelerce büyük olduğunu gösterdi. Öneri meşru bir fizik tartışmasıydı ve reddedildi; sonolüminesansı bugün "kuantum boşluğunun ışığı" diye anlatmak, terk edilmiş bir hipotezi diri tutmak olur.

Defteri asıl daraltan iki gelişme oldu. Birincisi 1997'de Detlef Lohse, Michael Brenner ve arkadaşlarının ortaya koyduğu argon doğrultma fikriydi. Kavanozdaki kabarcık havadan yapılmıştı ve havanın yüzde 78'i azot, yüzde 21'i oksijendi. Bu iki gaz, her çöküşün cehenneminde parçalanıp nitrik asit gibi ürünlere dönüşüyor ve suda çözünüp kabarcığı terk ediyordu. Geriye kimyasal olarak tepkimeye girmeyen, havanın yaklaşık yüzde 1'lik soy gazı argon kalıyordu. Yani kabarcık, saatler süren binlerce çevrim boyunca kendi kendini damıtıyor, sonunda neredeyse saf argondan oluşan kararlı bir yıldıza dönüşüyordu. Işığın uzun süreli kararlılığının sırrı buydu.

İkincisi doğrudan gözlemdi. 2005'te David Flannigan ve Kenneth Suslick, suyun yerine derişik sülfürik asit kullanarak o güne dek görülmüş en parlak tek kabarcık ışımasını elde etti. Bu kez spektrumda yalnızca donuk bir süreklilik değil, argon atomlarının çizgileri ve iyonlaşmış oksijenin bantları vardı; yani içeride elektronların atomlardan koparıldığına dair doğrudan imza. Ölçtükleri sıcaklık 15.000 K civarındaydı, Güneş yüzeyinin iki katından fazla. Bugünkü genel kabul buradan doğuyor: kabarcığın çekirdeğinde kısmen iyonlaşmış, sıcak ve yoğun bir plazma oluşuyor; ışık ağırlıklı olarak serbest elektronların iyonlar arasında savrulurken saldığı frenleme ışımasından ve yeniden birleşmelerden geliyor. Yine de çekirdekteki sıcaklığın gerçek dağılımı, gazın ne kadar opaklaştığı ve darbe süresinin neden dalga boyuna göre değişmediği gibi ayrıntılar tam oturmuş değil.

Ve bir de kapanmayan hesabın en gürültülü sayfası var. 2002'de Rusi Taleyarkhan ve ekibi Science dergisinde, döteryumlu aseton içinde oluşturulan kavitasyon kabarcıklarında füzyona işaret eden bulgular, trityum üretimi ve 2,45 MeV'lik nötronlar bildirdiklerini açıkladı. İddia doğru olsaydı, masaüstü ölçekte bir füzyon kaynağı demekti. Ama aynı laboratuvarda Dan Shapira ve Michael Saltmarsh'ın yürüttüğü bağımsız ölçümler sonucu yeniden üretemedi. Yıllar içinde başka gruplar da doğrulayamadı; Seth Putterman'ın UCLA'daki ekibi 2007'de yayımladığı çalışmada, benzer düzeneklerde nötron salımına ancak bir üst sınır koyabildi. Süreç bilimsel tartışmayı aşıp kurumsal soruşturmalara taşındı: Purdue Üniversitesi 2008'de araştırma suistimaline ilişkin iki suçlamada aleyhte karar verdi ve 2009'da ABD Deniz Kuvvetleri Araştırma Ofisi tarafından federal fonlardan men edildi.

Bugün kabarcık füzyonu, bilim camiasında doğrulanmamış bir iddia olarak duruyor. Ölçülen 15.000 dereceyle füzyonun gerektirdiği milyonlarca derece arasında hâlâ kapanmamış çok büyük bir uçurum var. Kavanozdaki minik yıldız gerçek; ama yıldızın kalbindeki asıl reaksiyon, orada değil.

Nöron Bilim'de bugünkü bölümün sonuna geldik. Yeni bir hikâyede yeniden buluşmak üzere.