Cambridge Üniversitesi Cavendish Laboratuvarı Direktörü Prof. Dr. Mete Atatüre, Bilim Akademisi’nin düzenlediği Yılın Konferansı’nda “Fiziğin Hayal Gücü” başlıklı bir konuşma yaptı. İş Sanat’ın büyük salonunu dolduran kalabalık doğal olarak Cambridge'den gelen bir fizikçinin atomlardan bahsetmesini bekliyordu. Ancak Prof. Dr. Mete Atatüre sahneye çıktığında, bize formüller, denklemler yerine sığırcık kuşları, trafik sıkışıklığı ve mutsuz elektronların hikâyesi gibi örneklerle fiziğin 2025’te geldiği yeri anlattı. Bilim Akademisi Üyesi Mete Atatüre, modern fiziğin en dinamik alanlarından biri olan yoğun madde fiziğinde belirim olgusunu ele alarak karmaşık sistemlerin doğurduğu beklenmedik davranışlardan bilimsel yaratıcılığın rolüne uzanan geniş bir çerçevede, fiziğin bugünkü sınırlarını ve geleceğe dair temel sorularını çoğunluğunu gençlerin oluşturduğu dinleyicilerle paylaştı.
Fiziği liseden hatırladığımız kadarıyla düşünürsek aklımıza genellikle iki uç nokta gelir: Ya teleskoplarla gökyüzüne bakıp evrenin sınırlarını anlamaya çalışan astrofizikçiler ya da mikroskopların bile yetmediği ölçeklerde atomun derinliklerine inen parçacık fizikçileri. Yüzyıllardır süregelen bu yaklaşım, antik Yunan filozofu Demokritos’un "Her şey atom ve boşluktan ibarettir" fikrine dayanır. Yani evrenin en küçük yapı taşını bulursak, geriye kalan her şeyi bu taşları birleştirerek anlayabiliriz inancı... Ancak Prof. Mete Atatüre, konuşmasının daha başında fizik bilgisi benim gibi yetersiz dinleyicilerin ezberini bozdu. Atatüre’ye göre modern fizik artık bu noktada değil. Çünkü parçayı bilmek, bütünü anlamaya yetmiyor. Bunu anlamak için laboratuvara girmeye gerek yok; İstanbul trafiğine bakmak yeterli. Atatüre’nin ekrana yansıttığı o basit trafik şemasında arabalar ileri gitmeye çalışırken, sıkışıklık dalgası geriye doğru akıyordu. Tek bir arabayı inceleyerek o "geriye giden hayalet dalgayı" bulamıyorduk. Ya da gökyüzündeki binlerce sığırcık kuşunun o hipnotize edici dansını (murmuration), tek bir kuşun kanat çırpışına indirgeyemiyorduk. İşte modern fiziğin tıkandığı ve kabuk değiştirdiği yer tam da burasıydı: "Çokluk, farklılık" demekti.
Bilim tarihinin uzun bir dönemi "İndirgemecilik" (Reductionism) akımının etkisinde kaldı. Bu görüşe göre, bir sistemi oluşturan parçaları anlarsanız, sistemi de anlarsınız. Fakat Atatüre, bu yaklaşımın karmaşık sistemlerde duvara tosladığını belirtiyor. Örneğin, tek bir su molekülünü en ince detayına kadar inceleyerek "ıslaklık" kavramını bulamazsınız. Islaklık, trilyonlarca su molekülünün bir araya gelmesiyle ortaya çıkan, molekülün kendisinde olmayan yeni bir özelliktir.
Benzer şekilde, bir bakır teldeki elektronların tek tek nasıl hareket ettiğini bilmek, o telden akım geçtiğinde neden ısındığını veya neden direnç gösterdiğini (Ohm Kanunu) açıklamakta zorlanır. Tek bir elektronu bir bakır kabloya sokup diğer uca gitmesini beklemekle, trilyonlarcasının kolektif hareketi bambaşka fizik yasaları doğurur.
Trafik Sıkışıklığının Fiziği
Prof. Atatüre, Nobel ödüllü fizikçi Phil Anderson’ın 1972’de yazdığı "More is Different" (Çokluk Farklılıktır) makalesine atıfta bulunarak, fiziğin yeni paradigmasını "Belirim" (Emergence) kavramıyla açıkladı. Belirim, parçaların bir araya gelerek, parçaların hiçbirinde olmayan yepyeni özellikler sergilemesi durumu olarak tanımlanıyor.
Atatüre, bu karmaşık durumu hepimizin anlayabileceği o meşhur trafik örneğiyle açıkladı. Trafikteki her bir parçacık (yani araba) ileriye doğru gitmeye çalışır. Ancak yoğunluk arttığında ortaya çıkan 'trafik sıkışıklığı' dalgası, araçların aksine geriye doğru hareket eder. Arabaları tek tek inceleyerek geriye akan bu hayalet dalgayı öngöremeyiz. Tıpkı sığırcık kuşlarının gökyüzünde oluşturduğu o büyüleyici dans (murmuration) gibi; her kuş basit bir kurala uyar ama bütünün hareketi karmaşık ve dalgalıdır. Hatta bu karmaşıklığı çözmek o kadar kıymetli ki, İtalyan fizikçi Giorgio Parisi, sığırcık sürülerinin bu hareketindeki gizli düzeni ve dalgalanmaları modelleyerek Nobel Fizik Ödülü'nü kazandı. Fizikçiler artık tek tek kuşları saymakla vakit kaybetmiyor; tıpkı Parisi’nin yaptığı gibi, o sürünün yarattığı dalga mekaniğinin matematiğini çözmeye çalışıyor.
Mutsuz Elektronlar
Atatüre bizi makro dünyadan alıp maddenin kalbine indirdiğinde işler daha da garipleşti. Elektronların da insanlar gibi "sosyal" varlıklar olduğunu öğrendik! Tek başlarınayken bildiğimiz kurallara uyuyorlar ama kalabalıklaştıklarında işin rengi değişiyor. Maddenin içine girdiğimizde, elektronların da tıpkı insanlar veya kuşlar gibi "sosyal" davranışlar sergilediği görülüyor. Normalde eksi yüklü oldukları için birbirini itmesi gereken elektronlar, süper iletken bir malzemede, kristal yapının etkisiyle "Cooper çiftleri" oluşturup el ele tutuşup ve dirençsizce akıyorlar. Atatüre burada büyüleyici bir kavramdan bahsediyor: Quasiparticles (Sanki-Parçacıklar). Bir malzemenin içinde elektronlar ve boşluklar öyle karmaşık etkileşimlere giriyor ki, sistem sanki orada hiç olmayan yeni bir parçacık varmış gibi davranıyor. Yani trilyonlarca elektronun kolektif hareketi, doğada tek başına asla göremeyeceğimiz, örneğin yükü bir elektronun üçte biri olan yeni aktörler yaratıyor. Örneğin diyor Atatüre, "Eksiton" dediğimiz şey, bir elektron ve bir boşluğun beraber hareket etmesidir. Daha da ilginci, Quantum Hall etkisinde elektronlar birleşip sanki elektronun yükünün üçte birine sahipmiş gibi davranan parçacıklar oluşturabilirler. Doğada 1/3 yüklü bir elektron yoktur ama trilyonlarca elektron bir araya geldiğinde bu davranışı yaratır".
Atatüre’nin verdiği en çarpıcı örnek ise "hüsrana uğramış" (frustrated) mıknatıslardı. Bir üçgenin köşelerine elektronları koyduğunuzu hayal edin dedi Atatüre: “Kuantum kuralı gereği yanındakine zıt yöne dönmek zorunda. Ama üçgenin üçüncü köşesindeki elektron ne yapacak? Sağa dönse biriyle, sola dönse diğeriyle çakışıyor. İşte bu kararsızlık, yani ‘frustrasyon’, malzemenin donmasını engelliyor ve mutlak sıfıra yakın soğuklukta bile akışkan kalan "Spin Sıvılarını" yaratıyor.
Bunu dinlerken şunu fark ediyorsunuz: Maddenin özellikleri atomların kendisinden değil, onların birbiriyle kurduğu bu karmaşık, bazen de Atatüre’nin deyimiyle "mutsuz" ilişkilerden doğuyor.
Doğada Olmayanı Tasarlamak
Konuşmanın belki de en heyecan verici kısmı, fiziğin artık sadece doğayı anlamakla kalmayıp, doğada var olmayan malzemeleri "Lego parçaları gibi" inşa etme aşamasına gelmesiydi. Prof. Atatüre, elimizdeki periyodik tablonun artık bir keşif haritası değil, bir Lego kutusu olduğunu söyleyince salonda gülüşmeler başladı. Atatüre bu cümleyle ne kastettiğini şöyle açıkladı: “Eskiden, ‘Bu malzeme neden iletken?’ diye sorardık. Şimdi ‘Bana öyle bir malzeme yap ki, oda sıcaklığında elektriği kayıpsız iletsin’ diyoruz. Doğada böyle bir şey yok mu? Sorun değil, biz yaparız.”
Bunun en güzel kanıtı, kurşun kalemlerimizin ucundaki grafen. Prof. Atatüre, "Twisted Bilayer Graphene" (Döndürülmüş Çift Katmanlı Grafen) örneğini veriyor. Karbon atomlarından oluşan tek katmanlı iki grafen yaprağını alıp, birini diğerinin üzerinde milimetrik bir açıyla (yaklaşık 1,1 derece) döndürdüğünüzde, sıradan malzeme bir süper iletkene dönüşüyor. Malzemeyi değiştirmemize gerek kalmıyor; sadece mimariyi, yani atomların dizilişini değiştirerek yeni bir fizik elde ediyoruz. Bu, doğada kendiliğinden oluşmayan, insan hayal gücünün ve mühendisliğinin ürünü.
Hayal Gücümüzün Sınırı Yok
Prof. Atatüre konuşmasını tamamladığında fiziğin doğayı edilgen bir şekilde gözlemleyen keşif sürecinden sıyrılıp, laboratuvar ortamında maddenin davranışlarını tasarlayan aktif bir bilim dalı olduğu bilgisi izleyenleri epeyce şaşırttı. Bilim insanları, doğanın kendiliğinden sunmadığı yapay maddeleri ve kuantum simülasyonlarını kullanarak, evrenin işleyiş potansiyelini sınıyor. Tıpkı bir mimarın elindeki tuğlalarla özgün bir bina tasarlaması gibi; fizikçiler de atomları ve ışığı bir araya getirerek maddeye doğada rastlanmayan yeni özellikler kazandırıyor. Bu yeni dönemde bilimin ufku, artık doğada "ne olduğuyla" değil, araştırmacının "neyi inşa edebileceğiyle" belirleniyor. Ve görünen o ki, fiziğin hayal gücünün sınırı yok.
Mete Atatüre
Bilkent Üniversitesi Fizik Bölümü mezunu Mete Atatüre doktorasını Boston Üniversitesi, Kuantum Görüntüleme Laboratuvarında tamamladı, İsviçre Federal Teknoloji Enstitüsü Kuantum Fotonik Grubunda doktora sonrası araştırmacı olarak çalıştı.
Bilim Akademisi üyesi olan Mete Atatüre halen 30 Nobel ödüllü bilim insanının yolunun geçtiği Cambridge Üniversitesi Fizik Bölümü Cavendish Laboratuvarı’nın 16’ncı direktörü. Aldığı çok sayıda ödül arasında Thomas Young Madalyası ve Ödülü (2020) ve Koç Üniversitesi Rahmi M. Koç Bilim Madalyası (2024) var.
Mete Atatüre araştırmalarının yanı sıra bilimsel düşüncenin yaygınlaşması, bilimsel dürüstlük, bilimde çeşitlilik ve eşitliğin sağlanması konularında faaliyetler yürüten saygın ve etkili bir bilim iletişimcisi.
