YENİ BİR FİZİK ALANINA GİRİŞ ÇAĞRISI
ALTTA DAHA ÇOOOK YER VAR
1965 Nobel Fizik Ödülü Sahibi Richard P. Feynman (1918-1988),
California Teknoloji Enstitüsünde Amerika Fizik Derne-ği'nin yıllık toplantılarından birinin gerçekleştiği 29 Aralık 1959'da, sonradan çok ünlü olacak bir konuşma yaptı. Merak, hayal gücü ve bi­limselliği hem özel, hem bilimsel kimliğinde biraraya getirmekle ünlü Feynman'ın, dünyanın göremediğimiz küçüklükleri ve onlarla yapılabilecekler üzerindeki öngö­rüleri, çok sonraları "nanoteknoloji" olarak adlandırılan bilim dalına büyük bir esin kaynağı oldu. Öngörülerinden kimi gerçekleşti, kimiyse "küçülmemi­zi" bekliyor:
"Fiziğin ilkeleri, görebildiğim kada­rıyla, atomlarla tek tek oynayarak nesneleri manipüle etme olasılığına karşı değil. Ben de herhangi bir fizik yasasını çiğnemek niyetinde değilim. Yalnızca, bazı şeylerin, en azından ilkece olabilirliğini göstermek istiyorum. Şu ana
aa-1.jpg
kadar gerçekleşmemiş olmalarının belki de tek nedeni, fazla büyük kaçmamız." R. Feynman, 1959
Bu ünlü konuşmayı iki bölüm halinde sunuyoruz.
Deneysel fizikçilerin, dibi yokmuş gibi görünen ve insanın içine daldıkça daldığı "düşük sıcaklık" gibi bir alanı ortaya çıkaran Kamerlingh Onnes'e gıptayla baktıklarını düşünüyorum. Böyle bir insan, artık o dönem için bir lider konumundadır ve bilimsel bir se­rüvenin, bir anlamda geçici tekeline sahiptir. Percy Bridgeman, daha yük­sek basınçlar elde etmenin bir yolunu bularak bir başka yeni alana öncülük etti ve bizleri de peşinden sürükledi.
Boşluğun (vakum) giderek daha ku­sursuz biçimde geliştirilmesi, sürecin benzer türdeki gelişmelerindendi.
Ben de sizlere, ilke olarak çok şe­yin yapılabileceği, ancak pek az şeyin yapılmış olduğu bir alandan sözetmek istiyorum. Ancak bu alan, ötekilere benzemez; şu anlamda ki, "bu tuhaf parçacıklar nedir?" gibi temel fizik so­rularına getirdiği pek fazla yanıt yok­tur. Ama bize karmaşık durumlarda gerçekleşen tuhaf olaylar hakkında il-
ginç birçok şey söylemesi bakımından, katıhal fiziğine daha çok benzerlik gösterir. Önemli bir başka nokta da, çok fazla sayıda teknik uygulamaya el­verişli olması.
Üzerinde konuşmak istediğim şey, nesneleri çok küçük ölçeklerde kont­rol ve manipüle etme (tutup hareket ettirme) konusu.
Bunu söylediğim anda insanlar ba­na minyatürleştirmeden ve günümüz­de bunun ne kadar gelişmiş olduğun-
BİLİMv,TEK.NIK ISI Fviüi ?ito
aa-2.jpg
dan sözediyorlar. Yanısıra, küçük par­mağınızın tırnağı büyüklüğünde elektrik motorlarından ya da şimdiden piyasaya sürülmüş ve topluiğne başı­na dua sığdırmanıza olanak sağlayan aygıttan. Ancak bu hiçbirşey değil. Bu, benim üzerinde konuşmak istedi­ğim konu yönünde atılmış en ilkel, hatta duraksatıcı bir adım. Aşağıda inanılmaz küçüklükte bir dünya var. İleride, 2000 yılından günümüze bak­tıklarında insanlar, bu yönde ciddi bir adım atmak için neden 1960 yılına ka­dar beklendiğine şaşıracaklar.
Brittanica Ansiklopedisi'nin 24 cildini, bir topluiğne başına sığdırabilir miyiz?
Bakalım, işin içine neler giriyor. Topluiğne başının çapı bir inç'in 16'da biri kadardır. (1 inç = 2,54 cm). Eğer bu çapı 25.000 kat büyütürseniz, iğne başının alanı, ansiklopedinin sayfaları­nın toplam alanına eşit olur. Öyleyse yapılması gereken, ansiklopedideki bütün yazıların boyutunu 25.000 kez küçültmekten ibaret. Bu mümkün mü? İnsan gözü, bir inç'in 1/120'ini ayırdetme yeteneğine sahip; bu da ka­baca, ansiklopedi yazılarındaki nokta­cıklardan (gren) bir tanesinin çapına karşılık geliyor. Bunu 25.000 kez kü­çülttüğünüzde, çapı 80 angstrom olur (1 angstrom = 1 x 10-10 metre); yani metrenin on milyarda biri ya da, nor­mal bir metalin 32 atomu genişliğin­de. Başka bir deyişle, bu noktalardan birinin alanı hâlâ 1000 atom içermek-
Dünyanın en küçük gitarı, yaklaşık tek bir hücre büyüklüğünde. Uzunluğu 10 mikron (mikron = 10-6 metre)
ve her biri 50 nanometre (nanometre = 10-9 metre), ya da 100 atom genişliğinde altı tele sahip. Cornell
Üniversitesi araştırmacıları tarafından, kristal halindeki silikondan yapılmış.
te. Öyleyse her nokta, baskının gerek­tirdiği boyuta kolaylıkla uyarlanabilir. Sonuç olarak, topluiğne başında, bü­tün Britannica'ya yetecek alan olduğu konusunda kuşku yok.
Dahası, bu boyutta yazılmış bir ya­zıyı okuyabiliriz de. Yazının kabarık metal harflerle yazıldığını düşünelim. Yani, ansiklopedide siyah olan yerler­de, normal boyutlarının 1/25.000'i ka­dar küçültülmüş, kabarık metal harf­ler var. Bunu nasıl okuyacağız?
Bu şekilde yazılmış birşeyi günü­müzdeki tekniklerle okuyabiliriz. (Böyle bir yazı tekniğinin gerçekleşti­ği dönemde, bunu okumak için de çok daha iyi yollar bulunacağından kuşku yok; ama ben temkini elden bırakma-
yıp, bugünkü tekniklerle yetinece­ğim.) Metali plastik bir maddeye bastı­rarak kalıbını çıkarır, plastiği dikkatle ayırarak içine silika buharı uygularız. Daha sonra, oluşan silika plakayı be­lirli bir açıyla gelen altın buharına tu­tarız. Bu işlemden sonra bütün harfler açıkça belirir. Son olarak da, silika plakadaki plastiği eritip ona bir elekt­ron mikroskopla bakarız!
Sonuç olarak, ansiklopedideki yazı­ları, iğne başı üzerinde 25.000 kez kü­çültülmüş kabartma harflere indirger­sek, onu günümüzde okumanın zor olmayacağı ortada. Üstelik bunun kopyasını oluşturmamız da zor değil. Yapacağımız tek şey, aynı metal plaka­yı plastiğe bir kez daha bastırmak.
Küçük Yazmayı Nasıl Başaracağız?
Bir sonraki sorun, nasıl yazacağı­mız. Günümüzde bunun için belirli bir teknik yok, ama bunun ilk bakışta gö­ründüğü kadar zor olmadığını söyle­meliyim. Bir kere, elektron mikrosko-pun lensleri, küçültme amacıyla ters çevrilerek bu ters merceklerden geç­mesi sağlanan iyonlar, çok küçük bir noktaya odaklandırılabilir. Bu noktayı kullanarak, TV katod ışını osiloskopu-na yazdığımız gibi, yani doğrular bo­yunca ilerleyerek yazabiliriz. Ancak bu arada, tarama sırasında bırakılacak malzemenin miktarını saptayan bir ayarlama da yapmamız gerekecek.
Yer ve elektrik yükü sınırlamaları nedeniyle bu yöntem çok yavaş olabi-
aa-3.jpg
Eylül 2003 85 BİLİ MveTEKNİK
aa-4.jpg
mi, Brezilya Üniversitesi'nin kütüpha­nesinin yanması durumunda, birkaç saat içinde bizim kütüphanedeki bü­tün kitapların ana kalıbından bir kop­ya çıkarıp, normal bir mektup zarfıyla gönderebilirdik.
Bu noktadan sonra konuşmanın başlığı "Altta Daha Yer Var" değil, "Altta Daha Çoook Yer Var" olmak zorunda. Şu ana kadar yapmaya ça­lıştığım, yer olduğunu, yani nesnele­rin pratik bir yolla küçültülebileceği-ni göstermek. Şimdi de bunu nasıl ya­pacağımızı değil, yalnızca ilkesel ola­rak ne yapılabileceğini, başka bir de-yişye fizik yasalarına göre neyin ola­naklı olduğunu göstermek istiyorum. Yerçekimini ortadan kaldırmaya ça­lışmıyorum; bu, ancak fizik yasaları­nın düşündüğümüz gibi çıkmaması sonucu mümkün olabilir. Söyleyecek­lerim, yasaların düşündüğümüz gibi olması durumunda nelerin yapılabile­ceği üzerine. Henüz yapılmamış ol­malarının nedeniyse, yalnızca sıra gelmemiş olması.
Küçük Ölçekli Bilgi
Bütün bilgiyi ve resimleri doğru­dan günümüzdeki biçimleriyle kopya­lamak yerine, bilgi içeriğini, harfleri nokta, çizgi ve benzerlerinden oluşan kodlarla yazdığımızı düşünelim. Her harf altı ya da yedi bit'lik bilgiyi tem­sil ediyor; yani her harf için altı ya da yedi nokta veya çizgi gerekiyor. Şim­di, herşeyi daha önceki gibi topluiğne başının yüzeyine yazmak yerine, mal­zemenin içini de kullanacağım.
Noktayı, bir metalin küçük bir noktasıyla, yanındaki çizgiyi de bir başka metalin bitişikteki bir noktasıy­la vb. gösterdiğimizi düşünelim. Yine temkinli davranarak, bir bit'lik bilgi­nin de 5 x 5 x 5 = 125 atom gibi kü­çük bir "atom küpü" gerektirdiğini varsayalım. Bilginin yayılma (difüz-yon) ya da başka bir süreçle kaybol­madığından emin olmak için, aslında 100'ün biraz üzerinde atom yeterli olabilir.
Ansiklopedideki tahmini harf sayı­sından ve 24 milyon cildin her bîrinin de ansiklopedinin bir cildinin boyut­larında olduğu varsayımından yola çı­karak, varolan bilgiyi bit cinsinden hesapladım: 1015. Her bir bit için 100 atom alırsak, insanoğlunun kitaba
lir. Ancak daha hızlı yöntemler de bu­lunabilir. Sözgelimi, bir tür fotoğrafik süreçle, üzerinde harf biçiminde delik­ler olan bir ekran yapabiliriz. Sonra, deliklerin arkasında bir kıvılcım çıka­rarak, metalik iyonları deliklerden çe­ker, az önce sözünü ettiğim lens siste­mini kullanarak, iğnenin başında me­tal birikimini sağlayacak, iyon formun­da küçük imgeler oluşturabiliriz.
Gerçi işleyip işlemeyeceğinden çok da emin değilim ama, daha basit bir yol da şu olabilir: Ters İşleyen optik bir mikroskopla, ışığı çok küçük bir fotoelektrik ekrana odaklarız. Bu du­rumda, ışığın düştüğü ekrandan elekt­ron salınımı olacaktır. Bu elektronlar, elektron mikroskopun mercekleri ta­rafından, doğrudan metalik yüzeye çarpacak şekilde küçültülerek odakla­nırlar. Böyle bir ışın yeterince uzun sürede metal üzerinde iz bırakabilir mi? Bilmiyorum ama, olmazsa, iğne­nin başını metal yüzey yerine başka bir yüzeyle (elektronların çarptığı ye­ri, daha sonra da olsa görebilmemizi sağlayacak bir değişikliğe uğratan) kaplamak mümkün olsa gerek.
Bir miktar elektronu giderek büyü­yen ekranlara yayma durumunda ol­duğu gibi, büyütmede karşılaştığımız türden bir yoğunluk sorunu, bu cihaz­larda yok. Durum tam tersi. Fotoelekt­rik ekrandan salınan bir miktar elekt­ron, çok küçük bîr bölgeye odaklanır ve çok daha şiddetli olur. Bunun şu ana kadar neden gerçekleştirilmemiş olduğunu bilmiyorum!
Topluiğne başına sığdırılmış Brit-tanica Ansiklopedisi'nden bu kadar. Şimdi de dünyanın bütün kitaplarını ele alalım. ABD Kongre Kütüphane-si'nde yaklaşık 9 milyon cilt kitap var. British Museum Kütüphane-si'nde 5 milyon, 5 milyon da Fran­sa'nın Ulusal Kütüphane'sinde. Bun­ların bir kısmı, kuşkusuz birden fazla kopya halinde. Öyleyse diyelim ki, dünyada ilgilendiğimiz toplam 24 milyon cilt kitap var.
Bütün bu kitapları, az önce sözünü ettiğimiz ölçeğe küçültürsem ne olur? Ne kadar alan kaplarlar? Yaklaşık bir milyon topluiğne başının kapladığı ala­nı. Çünkü elimizde, 24 ciltlik ansiklo­pedi yerine 24 milyon cilt var. Bu alan, kenarları 1000 iğne başı olan bir kare­nin alanına, yani yaklaşık.2,5 m2'ye eşit. Bu demektir ki, kağıt inceliğinde­ki plastik astarlı silika kalıbın alanı, an­siklopedinin 35 sayfasının toplam ala­nı kadar. Yani, insanoğlunun bugüne kadar kitaplara geçirdiği tüm bilgi, bir broşür halinde taşınabilir; üstelik kod­lanmış olarak değil, orijinal resimler, kabartmalar ve herşeyiyle, küçük öl­çekli ama eksiksiz bir kopya olarak!
Caltech'tekİ kütüphanecimize, bun­dan on yıl sonra bir binadan ötekine koşarak yerden tavana yığılı 120.000 kitap, çekmeceler dolusu kartlar ve daha eski kitaplarla dolu depolarla uğ­raşmak, yerine, bütün bu bilgileri tek bir kütüphane kartı halinde saklayabi­leceğini söylesem kimbilir ne derdi... Başka şeyler de yapılabilirdi. Sözgeli-
BİLİMveTE KNİK 86 Eylül 2003
geçirip dikkatle biriktirdiği bütün bil­gi bu yolla, kenar uzunluğu bir inç'in 1/200'i olan bir küp içine yazılabilir; yani insan gözünün güçlükle algıla­yabileceği bir toz parçacığına, öyley­se aşağılarda gerçekten de bol bol yer var.
Bu gerçek, yani muazzam büyük­lükte bilginin son derece küçük bir hacime sığdırılabileceği gerçeği, biyo-loglarca zaten bilinmekte. Çok küçük bir hücrede, insan gibi karmaşık bir yaratığın düzenlenmesi için gereken bütün bilginin nasıl içerildiği sorusu böylece açıklanmış oluyor. Bütün bu bilgi -gözlerimizin renginin mavi ya da kahverengi oluşu, düşünüp dü­şünmediğimiz, ya da fetusun çene ke­miğinin, daha sonra oradan geçecek bir sinir için önceden bir delik geliş­tirmesi gerektiği- hücrenin çok kü­çük bir bölümünde, bir bit'lik bilgi için hücrede yaklaşık 50 atomun yer aldığı uzun DNA molekülü zincirle­rinde bulunuyor.
Daha Üstün Elektron
sizin yapmanız gereken bir şey var: Şu elektron mikroskopu 100 kat ge­liştirmek!"
İşte, günümüzde biyolojinin en te­mel ve önemli soruları: DNA'daki bazların dizilimi nasıl? Mutasyon ger­çekleştiğinde ne olur? DNA'daki baz­ların sırası, proteindeki aminoasitle-rin sırasıyla nasıl ilişkilendirilebilir? RNA'nın yapısı nasıl? Tek zincirli mi, çift zincirli mi? Baz sıralaması bakı­mından DNA'yla ilişkisi ne? Mikro-zomlar nasıl düzenleniyor? Protein­ler nasıl sentezleniyor? RNA nereye gidiyor; nasıl 'duruyor'? Proteinler nereye oturuyor? Aminoasİtler nere­ye giriyor? Fotosentezde, klorofil ne­rede, nasıl düzenlenmiş? Karotenoid-ler nerede işin içine giriyor? Işık enerjisinin kimyasal enerjiye dönüşü­münde altta yatan sistem ne?
Tüm bu sorulan yanıtlamak, as­lında çok kolay: bakmak yeter. Zincir­deki bazların sırasını da, mikrozomla-rın yapısını da görürsünüz o zaman Ne yazık ki günümüzdeki mikroskop­lar bu açıdan biraz kaba kaçıyor. Mik­roskopu 100 kat güçlü yaptığınızday-sa, biyolojinin birçok sorusunun üs­tesinden gelmek çok daha kolaylaşa­caktır. Kabul, abartıyorum; ama biyo­logların size minnettar olacakları ke­sin. Minnettar olmayı da, matematik­ten daha fazla yararlanmaları gerekti­ği konusundaki eleştirilere tercih edecekleri konusunda kuşku yok!
Günümüzde kimyasal süreçlere iliş­kin kuramlar, kuramsal fiziğe dayan­dırılmış durumda. Bu anlamda fizik, kimyanın temelini oluşturur. Ancak
kimya, analiz de içerir. Elinizde tuhaf bir madde var ve onun ne olduğunu bilmek istiyorsanız, uzun ve karmaşık bir kimyasal analiz sürecinden geç­mek zorundasınızdır. Günümüzde he­men herşey çözümlenebilir, yani ana­liz edilebilir: bu yüzden düşüncelerim biraz geç kalmış sayılır. Ancak fizikçi­ler, eğer isterlerse, kimyasal analiz ko­nusunda kimyacıların kuyusunu kaza­bilirler. Karmaşık herhangi bir madde­nin analizini yapmak çok kolay olabi­lir; yapılacak tek şey, ona bakıp atom­larının nerede olduğunu görmek. Ne yazık ki, günümüzdeki elektron mik­roskoplar bunu yapmak için gereken gücün 100 kat altındalar. (Daha sonra şu soruyu sormak isterim: Fizikçiler, kimyacıların üçüncü sorunu olan sen­tez konusunda birşey yapabilirler mi? Herhangi bir kimyasal maddeyi oluş­turmak için fiziksel bir yol var mıdır?) Elektron mikroskobun bu denli za­yıf olmasının nedeni, merceklerin f-de-ğerinin l'e 1000'le kalması; dolayısıyla diyafram açıklığı yeterince büyük de­ğil. Eksene göre simetrik durağan alan mercekleriyle belirli bir değerden bü­yük f-değeri oluşturmanın olanaksız olduğunu kanıtlayan kuramlar olduğu­nu biliyorum. Bu nedenle günümüzde­ki ayırdedici güç, kuramsal olarak ala­bileceği en büyük değeri taşıyor. An­cak her kuram, belirli varsayımlar içe­rir. Peki alan, ille de simetrik mi olmak zorunda? Şimdi soruyorum: Elektron mikroskobu daha güçlü hale getirecek bir yol gerçekten yok mu?
Mikroskoplar
Eğer bir bit için 5x5x5 atomun içerildiği bir kodlamayla yazmışsam, onu bugün nasıl okuyacağım? Elekt­ron mikroskop yeterli değil; en fazla 10 angstrom'u ayırdedebilir. Bütün bu küçük ölçekli şeylerden sözeder-ken, elektron mikroskopun ayırdetme gücünü 100 kat geliştirmenin önemini vurgulamak isterim. Bu olanaksız de­ğil; çünkü, elektronların kırınım yasa­larına ters değil. Böyle bir mikroskop­taki bir elektronun dalga boyu, bir angstrom'un yalnızca 1/20'i olacaktır. Öyleyse atomları tek tek görmek mümkün olmalı. İyi de, atomları tek tek görmek ne işe yarayacak?
Başka alanlarda da dostlarımız var; sözgelimi biyolojide. Biz fizikçi­ler, sık sık onlara deriz ki "Sizlerin bu kadar yavaş ilerlemenizin nedeni ne, biliyor musunuz? Matematikten bizim yararlandığımız kadar yararlan­mamanız." (Aslına bakılırsa, günü­müzde biyolojiden daha hızlı ilerle­yen bir alan bilmiyorum!) Aslında bi­ze iyi bir yanıt verebilirler; ancak ne­zaketleri buna elvermiyor. Ben onla­rın yerine yanıt vereyim öyleyse: "Bi­zim daha hızlı ilerlememiz İçin, asıl
Çeviri: Nermin Arık
Kaynak: http://iyvex.mm/niiTiotech/feyninaii.litml
aa-5.jpg
Eylül 2003 87 BİLİMveTEKNİK