6.10 Bose–Einstein yoğuşması ve sü akışkanlık

Ana Sayfa ／ Bölüm 6: Kuantum alanı (V5.05)

I. Olgular ve akla takılan sorular

Bosonlardan oluşan bir topluluğu aşırı soğuttuğumuzda parçacıklar tek tek davranmayı bırakır; aynı kuantum durumunu birlikte doldurur ve fazı hizalı bir “halı” gibi salınır. Klasik işaretler şunlardır: aynı anda salınan iki bağımsız yoğuşuk bulutu net girişim çizgileri üretir; halka geometride akış uzun süre direncsiz sürer; yavaş karıştırmada neredeyse hiç viskozite yoktur, ancak bir eşik aşılınca birden kuantalanmış girdaplar belirir. Şu sorular doğar: Neden çok soğuk akışkan neredeyse sürtünmesiz kayar; neden hız sürekli değil de kuantalı basamaklarla görünür; ve neden “normal” ile “sü akışkan” bileşenleri bir arada vardır?

II. Enerji İplikleri Kuramı (EFT) ile okuma: faz kilitlenmesi, kanal kapanması, kuantalanmış kusurlar

Enerji İplikleri Kuramı (EFT) içinde kararlı yapılar — atomlar ya da eşleşmiş elektronlar — ipliklerin sarımlarından doğar; dış katman enerji denizi (Energy Sea) ile bağ kurar, çekirdek kendi ritmini tutar. Toplam spin tamsayıysa kolektif hareket bozon kurallarına uyar ve fazlar koheren toplanır. Yeterince soğutunca üç olgu belirleyicidir:

• Faz kilitlenmesi: akan “halı”yı sermek
  Sıcaklık düşünce gerilim arka plan gürültüsü (TBN) azalır; fazı bozan etkilemeler seyrekleşir. Komşuların dış katman fazı hizalanır ve örnek geneline yayılan ortak faz ağı oluşur. Böylece kolektif akışın enerji bedeli keskin biçimde düşer; akış en pürüzsüz gerilim koridorunu izler.
• Kanal kapanması: viskozite çöker
  Sıradan viskozite, enerjinin mikrodalga kanallarıyla çevreye sızmasından doğar. Halı kurulduktan sonra kolektif düzen bu kanalları bastırır: koherensi bozacak uyarımlar geri çevrilir ya da görünmez. Bu yüzden küçük sürüşte neredeyse hiç direnç yoktur; debi veya kesme arttıkça halı bütünlüğünü koruyamaz ve yeni saçılım yolları açılır.
• Kuantalanmış kusurlar: girdapların doğuşu
  Halı keyfîce bükülemez; yeterli zorlamada yalnız topolojik kusurlarla taviz verir. Temel kusur kuantalanmış girdaptır: düşük empedanslı ipliksi bir çekirdek ve etrafında fazın 1, 2, 3… tam tur dolanması. Tamsayı kapanışın zorunluluğudur. Girdap üretimi ve sönümü, sü akışın enerji kaybettiği başlıca yoldur.
• İki bileşenin doğal kökeni
  Sıcaklık sıfırın üzerinde kaldığında bir kısım nesne faz kilidini tutamaz; çevreyle enerji alışverişi yapar ve normal bileşeni oluşturur. Faz halısı ise sü akışkan bileşendir. Böylece “iki akışkan” resmi kendiliğinden çıkar: biri neredeyse kayıpsız akışı taşır, diğeri ısıyı ve viskoziteyi. Sıcaklık düştükçe halı daha geniş örter ve sü akış oranı artar.

Kavramsal not: EFT’de ölçüt bozonlar (fotonlar, gluonlar) denizde yayılan dalga paketleridir; atomik yoğuşma ise kararlı sarımların faz kilitlenmesidir. İkisi de bozoniktir, ancak “malzeme” farklıdır: alan kırışımları ile dış katmanın kolektif serbestlikleri.

III. Örnek sahneler: helyumdan soğuk atomlara

• Sü akışkan helyum
  Helyum-4; çeşme etkisi, duvara sürtünmesiz tırmanma ve girdap kafesleri gösterir. EFT’ye göre faz halısı hacmi kaplar; yavaş sürüşte enerji denizine kaçak kanalı neredeyse açılmaz, ta ki girdap kanalları zorla etkinleşene dek.
• Seyrek soğuk atom yoğuşmaları
  Manyeto-optik tuzaklardaki alkali bulutları yoğuşur; bırakıldıklarında iki bağımsız yoğuşuk üst üste gelip girişim çizgileri çizer. EFT: iki halının kenarı hizalanır; çizgiler tek tek çarpışma izi değil, “faz hizası desenidir”.
• Halka tuzaklar ve kalıcı akımlar
  Halka geometrisinde dolaşım çok uzun yaşar. EFT: kapalı halının sarım sayısı kilitlidir; ancak sürüş, girdap eşiğini aşınca bir sonraki tamsayıya sıçrar.
• Kritik hız ve engeller
  Optik “kaşık” yavaş çekildiğinde iz bırakmaz; hız belli eşiği aşınca girdap sokağı doğar ve viskozite artar. EFT: düşük sürüşte kanallar kapalıdır; yüksek sürüşte halı yırtılır, kusurlar dizi hâlinde dışarı atılır ve enerji taşınır.
• İki boyutlu filmler ve çiftlenen girdaplar
  2B’de girdap-antigirdap eşleşir; sıcaklık belirli noktayı geçince çiftler çözülür ve düzen bozulur. EFT: 2B halı yalnız eşli kusurlara tahammül eder; çift bozulduğunda faz ağı çöker.

IV. Gözlenebilir parmak izleri

• Girişim: yoğuşukların üst üste binmesiyle kararlı çizgiler, fazı küresel faz farkına göre kayar.
• Neredeyse sıfır viskozluluk: küçük sürüşte basınç-debi ilişkisi neredeyse kayıpsızdır, basınç düşümü birikmez.
• Kuantalanmış girdaplar: dönmede ya da sert karıştırmada kafesler oluşur; sayım dönme frekansı ile orantılıdır, çekirdek ölçeği karakteristiktir.
• Kritik sıçramalar: hız eşiği aşılınca dağılım ve ısınma aniden artar.
• İki bileşenli taşıma: ısı ve kütle akışları ayrışabilir; “entropi dalgası”na benzer ikinci ses modu belirir.

V. Standart betimlemeyle karşılaştırma

Standart dil, faz halısını makroskopik dalga fonksiyonu (düzen parametresi) ile yazar; hız faz gradyanını izler ve düşük hızda uyarılabilir enerji taşıyıcısı yoktur, dolayısıyla kayıp yoktur. Kritik hız, girdap ve fonon uyarımına bağlıdır. EFT yorumu daha “maddesel” bir resim ekler: gerilim arka plan gürültüsü (TBN) bastırılınca dış katman fazları ortak ağa kilitlenir; düşük sürüşte kaçak kanalları kapalı kalır; güçlü sürüşte kanallar kuantalanmış kusur olarak açılır. Gözlenebilirler ve ölçek yasaları örtüşür; vurgu farklıdır: geometri-dalga karşısında iplik-ve-deniz.

VI. Kısacası

Bose–Einstein yoğuşması ve sü akışkanlık “aşırı soğuğun garipliği” değil; ölçekler arası bir faz halısının kilitlenmesidir. Bu halı akışı en düzgün gerilim koridorlarına yönlendirir ve küçük sürüşte kayıp kanallarını kapalı tutar; zorlama büyüyünce kuantalanmış girdaplarla taviz verir ve dağılım başlar.
Kısacası: faz kilitlenir, halı kanalları kapatır; zorlayınca kusur çıkar, dağılım başlar.