Gizliilimler.tr.gg

Gizli dünyaların kapısını aralamaya hazır mısın?

Kuramsal Fizikte Son Yakın Mı?

Lütfen giriş yapın veya üye olun.

Kullanıcı adınızı ve şifrenizi girin

Sayfa: [1]
*GönderenKonu:

Kuramsal Fizikte Son Yakın Mı?

(Okunma sayısı 2297 defa)
0 Üye ve 1 Ziyaretçi konuyu incelemekte.


Çevrimiçi Akhenaton
Admin
Özel Onur Üyesi
*

Kazandığı madalyalar:
***************
Ruh Hali: Hasta
Rep Puanı: 0
Üye No: 1
Açtığı Konuları Göster
İletilerini Göster
Cinsiyet:
Nerden: Paralel Evren
İleti: 4301
  • Profili Görüntüle

Kuramsal Fizikte Son Yakın Mı?

« : Kasım 27, 2012, 10:56:30 ÖS »
Kuramsal Fizikte Son Yakın Mı?
Stephen Hawking

Bu konuşmada kuramsal fiziğin çok uzak olmayan bir gelecekte, örneğin bu yüzyılın sonuna kadar, amacına ulaşabilmesi olanağını tartışmak istiyorum. Bununla, olanaklı tüm gözlemleri tanımlayan tam, tutarlı ve birleşik bir fiziksel etkileşimler kuramına sahip olabileceğimizi belirtmek istiyorum. Kuşkusuz böyle kestirimlerde bulunulurken çok dikkatli olmak gerekir. Daha önce en az iki kez son sentezin eşiğinde olduğumuzu düşündük. Bu yüzyılın başlarında kesintisizlik mekaniğine dayanılarak herşeyin anlaşılabileceğine inanılıyordu. Tüm gereken şey elastikiyet, viskozite, iletkenlik gibi katsayıları ölçmekti. Bu ümit atomun yapısı ve kuantum mekaniğinin keşfedilmesiyle paramparça oldu. Yine 1920'lerin sonunda Max Born, Göttingen'i ziyaret eden bir grup bilim adamına "Bildiğimiz niteliğiyle fizik altı ayda sona erecektir." dedi. Bu, Lucasian Kürsüsü'nün daha önceki bir profesörü Paul Dirac'ın elektronun davranışını yöneten Dirac denklemini keşfetmesinden kısa süre sonraydı. O zamanlar diğer temel parçacık olarak bilinen protonun davranışını yöneten yasanın da benzer bir denklemle gösterilebileceği umuluyordu. Ancak nötronun ve nükleer kuvvetlerin keşfedilmesiyle bu ümitler de boşa çıktı. Biz şimdi ne protonun ne de nötronun gerçek temel parçacıklar olmadıklarını ve daha küçük parçacıklardan oluştuklarını biliyoruz. Yine de son yıllarda pek çok ilerleme sağlanmıştır, şu anda bu sayfalan okuyanlardan bazılarının yaşam süresi içinde tam bir kuramı görebileceğimiz konusunda tedbirli bir iyimserlik için bazı temeller vardır.

Eksiksiz bir birleşik kurama ulaşmayı basarsak bile, en basit durumların dışında ayrıntılı kestirimlerde bulunamayacağız. Örneğin günlük yaşamda karşılaştığımız her şeyi yöneten fiziksel yasaları halihazırda biliyoruz: Dirac'ın da belirttiği gibi onun denklemi "fiziğin çoğunun, kimyanın da tamamının" temelini oluşturuyordu. Bununla birlikte biz bu denklemi yalnızca bir proton ve bir elektrondan oluşan hidrojen atomu gibi çok basit bir sistem için çözebildik. Bırakın birden fazla çekirdek içeren molekülleri, birden fazla elektronlu göreli olarak daha karmaşık atomlar için bile yaklaştırmalara başvurmak ve geçerliliği kuşkulu sezgisel tahminlerde bulunmak zorundayız. 1023 veya benzer sayıda parçacıktan oluşan makroskopik sistemler için istatiksel yöntemler kullanmak ve denklemleri tam olarak çözme iddiasından vazgeçmek zorundayız. Tüm biyolojiyi yöneten denklemleri ilke olarak bilmemize karşın insan davranışının incelenmesini uygulamalı matematiğin bir dalına indirgeyemiyoruz.

Tam ve birleşik bir fizik kuramı ile neyi ifade ederiz? Fiziksel gerçekliği modelleştirme girişimlerimiz normal olarak iki kısımdan oluşur.

1. Çeşitli fiziksel niceliklerin uyduğu bir yerel yasalar kümesi.

Bunlar genellikle diferansiyel denklemler şeklinde formüle edilir.

2. Belirli bir zamanda Evren'in bazı bölgelerinin durumunu ve sonradan evrenin kalan kısımlarından o bölgelere hangi etkilerin yayılacağını gösteren sınır koşullan kümeleri.

Pekçok kişi bilimin rolünün bunların birincisiyle sınırlı olduğunu ve tam bir yerel yasalar kümesi elde edildiğinde kuramsal fiziğin amacına ulaşmış olacağını ileri sürecektir. Onlar Evren'in başlangıç koşullan sorununu metafiziğin ya da dinin alanında sayacaklardır.

Bu tutum bir bakıma önceki yüzyıllarda "Tüm doğal olgular, Tanrı'nın işidir ve sorgulanmamalıdır." diyerek bilimsel araştırmaları engellemeye çalışanların tutumuna benzer. Evren'in başlangıç koşullarının bilimsel inceleme ve kuram için yerel fiziksel yasalar kadar uygun bir konu olduğunu düşünüyorum. Yalnızca "şeyler", oldukları gibidir çünkü oldukları gibiydiler" demekten daha fazlasını yapamadıkça tam bir kurama sahip olamayacağız.

Başlangıç koşullarının eşsizliği sorunu, yerel fiziksel yasaların gelişigüzel niteliğiyle yakından ilgilidir. Bir kuram kütleler ya da birleştirme değişmezleri gibi istenilen herhangi bir değerin verilebileceği bazı ayarlanabilir parametreler içeriyorsa tam sayılmaz. Aslında anlaşılıyor ki, ne başlangıç koşulları ne de kuramdaki parametrelerin değerleri gelişigüzel değildir, bir şekilde çok dikkatli seçilmiş veya alınmışlardır. Örneğin, eğer proton-nötron kütle farkı elektronun kütlesinin yaklaşık iki katı olmasaydı, elementleri oluşturan ve kimyanın ve biyolojinin temeli olan yüz kadar dengeli nükleit birleşimi elde edilemeyecekti.

Benzer şekilde, protonun kütlesel çekim kütlesi önemli ölçüde farklı olsaydı, içinde bu nükleitlerin birikebildiği yıldızlara sahip olamayacaktık ve eğer Evren'in başlangıçtaki genişlemesi biraz daha küçük ya da büyük olsaydı Evren ya yıldızlar ortaya çıkmadan önce çökecek ya da kütlesel çekim yoğunlaşmasıyla yıldızların oluşmasına izin vermeyecek kadar yüksek bir hızla genişleyecekti. Aslında bazı kişiler bu başlangıç koşulları ve parametreler üzerindeki sınırlamaları bir ilke düzeyine, antropik ilke düzeyine yükseltecek kadar ileri gittiler. Bu ilke, "Şeyler, oldukları gibidir; çünkü biz varız." şeklinde ifade edilebilir. Bu ilkenin bir versiyonuna göre, fiziksel parametrelerin değerleri ve başlangıç koşulları farklı olan çok sayıda farklı, başka evren vardır. Bu evrenlerin çoğu akıllı yaşam için gerekli olan karmaşık yapıların gelişimine uygun koşulları sağlamayacaktır. Yalnızca koşulları ve parametreleri bizimkine benzeyen az sayıdaki evrende akıllı yaşamın gelişmesi ve "Bu evren niçin gözlemlediğimiz gibidir?" sorusunun sorulması mümkün olacaktır. Bu sorunun yanıtı elbette "Eğer başka türlü olsaydı, bu soruyu soracak kimse olmayacaktı" biçimindedir.

Antropik ilke farklı fiziksel parametrelerin değerleri arasında gözlenen dikkat çekici sayısal bağlantıların çoğuna bir tür açıklama da sağlar. Bununla birlikte tamamen tatmin edici değildir; çünkü insan daha derin bir açıklamanın olduğunu düşünmekten kendini alamaz. Ayrıca bu ilke Evren'in tüm bölgelerini dikkate alamaz. Örneğin içinde nükleer sentezle ağır elementlerin oluşabildiği yakın yıldızların daha önceki bir kuşağı gibi, Güneş Sistemi de kesinlikle bizim varlığımızın bir ön koşuludur. Hatta varlığımız için galaksimizin tamamı gerekmiş olabilir. Ama gözlenebilir evren içinde kabaca tekbiçimli olarak dağılmış halde gördüğümüz milyon kere milyon galaksi bir yana, daha yakınımızdaki galaksilerin bile varlığımız için gerekmiş olduğuna dair herhangi bir zorunluluk görünmemektedir. Evren'in bu büyük ölçekli homojenliği Evren'in yapısının oldukça tipik sarmal bir galaksinin en dış kısmındaki çok sıradan bir yıldızın etrafında dönen küçük bir gezegen üzerindeki bazı karmaşık moleküler yapılar gibi çok dışsal şeyler tarafından belirlendiğine inanmayı çok zorlaştırmaktadır.

Eğer antropik ilkeye başvurmayacaksak, Evren'in başlangıç koşullarını ve çeşitli fiziksel parametrelerin değerlerini açıklayacak birleştirici bir kurama gereksinimimiz vardır. Ancak bir kerede herşeyin bir kuramını bulmak çok zordur. (Ama anlaşılan bu durum bazı insanları durdurmuyor, her hafta postayla iki yada üç bileşik kuram alıyorum.) Bunun yerine yaptığımız şey, belirli etkileşimlerin göz ardı edilebildiği ya da onlar için basit bir şekilde yaklaştırmalar yapılabildiği durumları tanımlayan kısmi kuramlar aramaktır. Önce Evren'in maddi içeriğini iki kısma ayırırız: kuarklar, elektronlar, muonlar gibi parçacıklar olan "madde parçacıklar", ve kütlesel çekim, elektromanyetizm gibi "etkileşimler".

Madde parçacıklar tam-yarım spin (açısal moment) ile tanımlanır ve Pauli dışlama ilkesine uyar. Pauli dışlama ilkesi herhangi bir durumda verilen türde birden fazla parçacığın olmayacağını öngörür. Bir noktaya çökmeyen ya da ışımayla sonsuzluğa gitmeyen katı cisimlere sahip olabilmemizin nedeni budur. Maddenin temelini oluşturan şeyler iki gruba ayrılır: kuarklardan oluşan hadronlar ve geriye kalanı içeren leptonlar.

Etkileşimler olgusal olarak dört kategoriye ayrılır. Güçlülük sırasına göre: yalnızca hadronlarla etkileşimi olan güçlü nükleer kuvvetler, yüklü hadronlar ve leptonlarla etkileşimde bulunan elektromanyetizm, tüm hadronlar ve leptonlarla etkileşimde bulunan zayıf nükleer kuvvetler ve son olarak, hepsinin en zayıfı olan herşeyle etkileşen kütlesel çekim. Etkileşimler Pauli dışlama ilkesine uymayan tam sayı (0,1,2) açısal moment alanlarıyla gösterilirler. Bu onların aynı durumdaki pek çok parçacığa sahip olabilecekleri anlamına gelir. Elektromanyetizm ve kütlesel çekim alanında etkileşimler uzun erimlidir. Bunun anlamı çok sayıda madde parçacığının yarattığı alanların hepsinin toplamının makroskopik ölçekte saptanabilecek bir alan oluşturabileceğidir. Bu yüzden bunlar kendileri için kuramlar geliştirilen ilk kategoriler oldu. 17. yüzyılda Newton tarafından kütlesel çekim ve 19. yüzyılda Maxwell tarafından elektromanyetizim kuramları geliştirdi. Ancak bu iki kuram temelde uyumsuzdu. Çünkü Newtoncu kuram tüm sisteme herhangi bir tekbiçimli hız verildiğinde değişmeden kalıyordu.

Oysa Maxwell kuramı seçilmiş bir hızı, ışık hızını tanımlıyordu. Sonunda Maxwell kuramının değişmeden kalma özellikleriyle uyumlu hale getirilmesi için bazı değişikliklerin yapılması gerekenin Newtoncu kütlesel çekim kuramı olduğu ortaya çıktı. Bu 1915'te formüle edilen Einstein'ın genel görecelik kuramıyla gerçekleştirildi.

Kütlesel çekimin genel görecelik kuramı ve elektrodinamiğin Maxwell kuramı klasik teoriler olarak isimlendirilen şeylerdi, yani sürekli değişken olan ve en azından ilke olarak istenen doğrulukta ölçülebilen niceliklerle ilgiliydiler. Ancak bir atom modelini kurmak amacıyla bu tür kuramlar kullanılmaya kalkışıldığında bazı problemler ortaya çıktı. Atomun negatif yüklü bir elektron bulutuyla çevrili pozitif yüklü küçük bir çekirdekten oluştuğu keşfedilmişti. Doğal varsayım, tıpkı Dünya'nın Güneş etrafında bir yörüngede olması gibi elektronların da çekirdek etrafında bir yörüngede bulundukları biçimindeydi. Ancak klasik kuram elektronların elektromanyetik dalgalar yayacağını öngörmektedir. Bu dalgalar enerji götürecekler ve elektronların sarmal biçimde çekirdeğe yaklaşmasına ve sonunda atomun çökmesine neden olacaklardır.

Bu problem kuşkusuz kuramsal fizikte yüzyılın en büyük başarısı olana kuantum kuramının keşfiyle çözüme kavuşturuldu. Kuantum kuramının temel önermesi Heinsberg belirsizlik ilkesidir. Bu ilke bir parçacığın konumu ve momenti gibi belirli nicelik çiftlerinin aynı anda istenilen doğrulukta ölçülemeyeceğini belirtir. Atom için bunun anlamı şuydu: en düşük enerji düzeyinde bir elektron çekirdekte hareketsiz halde bulunamaz, çünkü o durumda konumu ve hızının çekirdek etrafında bir olasılık dağılımı içinde belirsizleşmiş olması gerekir. Bu durumda elektron elektromanyetik dalgalar biçiminde enerji yayamaz, çünkü bu dalgaların gidebileceği daha düşük enerji düzeyi yoktur.

I920'li ve 1930'lu yıllarda kuantum mekaniği, atomlar ya da moleküller gibi yalnızca sonlu sayıda serbestlik derecesine sahip sistemlerde başarıyla uygulandı. Ancak sonsuz sayıda serbestlik derecesine (kabaca söylemek gerekirse uzay-zamanın her bir noktası için iki serbestlik derecesine) sahip olan elektromanyetik alana uygulanmaya çalışıldığında bazı zorluklar çıktı. Bu serbestlik dereceleri her birinin kendi konumu ve momentumu bulunan osilatörler olarak kabul edilebilir.

Bu osilatörler hareketsiz durumda olamazlar çünkü o zaman belirli konumları ve momentleri olacaktır. Bunun yerine her bir osilatör, "sıfır noktası dalgalanmaları" olarak adlandırılan minumum miktarda bir düzensiz değişime ve sıfır olmayan bir enerjiye sahip olmalıdır. Sonsuz sayıda serbestlik derecesinin tümünün enerjileri elektronun görünürdeki kütlesinin ve yükünün sonsuz olmasına yol açacaktır.

1940'lı yılların sonlarında bu zorluğu aşmak amacıyla "yeniden normalleştirme" olarak adlandırılan bir işlem geliştirildi. Bu işlem bazı sonsuz niceliklerin geride sonlu artıklar kalacak şekilde isteğe bağlı olarak çıkarılmasına dayanır. Elektrodinamikte, biri elektronun kütlesi öteki de yükü için böyle iki sonsuz çıkarma işlemi yapmak zorunluydu. Bu yeniden normalleştirme işlemi, hiç bir zaman çok sağlam bir kavramsal ya da matematiksel temele oturtulmamış olmasına karşın, pratikte oldukça iyi sonuç vermiştir. En büyük başarısı, hidrojen atomu tayfındaki bazı çizgilerde küçük bir yer değişikliğinin, Lamb kaymasının kestirimidir. Bununla birlikte eksiksiz bir kuram geliştirme girişimi açısından çok yeterli değildir. Çünkü sonsuz çıkarma işleminden geriye kalan sonlu artıkların değerleri hakkında herhangi bir kestirimde bulunmamaktadır. Böylece elektronun sahip olduğu kütle ve yükün nedenini açıklamak için antropik ilkeye geri dönmek zorunda kalırız.

1950'li ve 1960'lı yıllarda genel olarak zayıf ve güçlü nükleer kuvvetlerin yeniden normalleştirilemeyeceğine inanılıyordu. Bunları sonlu hale getirmek için sonsuz sayıda sonsuz çıkarma işleminin gerekli olacağı düşünülüyordu. Kuram tarafından belirlenmemiş sonsuz sayıda sonlu artık olacaktı. Sonsuz sayıda parametrenin hepsi hiç bir zaman ölçülemeyeceği için böyle bir kuramın hiçbir kestirim gücü bulunmayacaktı. Ancak 1971'de Gerardt Hooft daha önce Salam ve Weinberg tarafından önerilen elektromanyetik ve zayıf nükleer etkileşimlerin birleşik bir modelinin, gerçekten yalnızca sonlu sayıda sonsuz çıkarma yapılarak yeniden normalleştirilebileceğini gösterdi. Salam-Weinberg kuramında elektromanyetik etkileşimi taşıyan spin-1 parçacığı fotona W + W- ve Z olarak adlandırılan öteki, üç spin--1 eş katılır. Çok yüksek enerjilerde bu dört parçacığın tümünün benzer biçimde davranacağı öngörülür. Ancak daha düşük enerjilerde, W+, W-, Z 'in çok kütleli olmalarına karşın fotonun sıfır hareketsizlik kütlesine sahip olmasını açıklayabilmek için "kendiliğinden simetri kırılması" olarak adlandırılan bir olgu kullanılır. Bu kuramın düşük enerji öngörüleri, gözlemlerle dikkate değer ölçüde iyi bir uyum göstermiştir ve bu da 1979 yılında İsveç Akademisi'nin Salam, Weinberg ve benzer birleşik kuramlar oluşturan Sheldon Glashow'a Fizik Nobel Ödülü vermesine yol açmıştır. Ancak Glashow kendisi foton tarafından taşınan elektromanyetik kuvvetlerle W+, W-, Z tarafından taşınan zayıf kuvvetler arasındaki birleşmenin gerçekten oluştuğu yerde teoriyi test edecek kadar yüksek enerjili parçacık hızlandırıcılarına henüz sahip olmadığımız için Nobel Komitesi'nin gerçekte sonucundan emin olunmayan bir işe giriştiğini ileri sürdü. Yeterli güçteki hızlandırıcılar birkaç yıl içinde hazır olacak. Fizikçilerin çoğu bu hızlandırıcıların Salam-Weinberg kuramını [1] doğrulayacağından emindir.

Salam-Weinberg kuramının başarısı benzer bir yeniden normalleştirilebilir güçlü etkileşimler kuramının araştırılmasına yol açtı. Protonun ve pi meson gibi diğer hadronların gerçek temel parçacıklar olmayacağı, bunların kuark olarak adlandırılan başka parçacıkların bağıl durumları olmaları gerektiği çok önceden kavranmıştı. Bunlar tuhaf bir özelliğe sahip görünmektedirler. Kuarklar bir hadron içinde oldukça serbest hareket edebilmektedirler; ama kendi başına yalnızca bir kuark elde etmenin olanaksız olduğu görülüyor. Her zaman üçlü gruplar halinde (proton ya da nötron gibi) ya da bir kuark ve antikuarktan oluşan çiftler halinde (pi meson gibi) bulunuyorlar. Bunu açıklamak için kuarklara renk denen bir sıfat yakıştırılır.

Bunun normal olarak algıladığımız renklerle bir ilgisi olmadığı önemle belirtilmelidir, kuarklar görünebilir ışıkta görünmeyecek kadar küçüktür. Bu yalnızca kullanışlı bir adlandırmadır. Bu düşünceye göre kuarklar kırmızı, yeşil ve mavi renktedir. Ama bir hadron gibi ayrı bir bağıl durumun ya proton gibi kırmızı, yeşil ve mavinin bir karışımı ya da pi meson gibi kırmızı ve antikırmızı, yeşil ve antiyeşil ve mavi ve antimavinin bir karışımı olarak renksiz olmaları zorunludur.

Kuarklar arasındaki güçlü etkileşimlerin zayıf etkileşimi taşıyan parçacıklara oldukça benzeyen ve gluonlar olarak adlandırılan Spin-1 parçacıkları ile taşındığı kabul ediliyor. Gluonlar da renk taşırlar. Gluonlar ve kuarklar kuantum kromodinamiği ve kısaca QCD olarak adlandırılan yeniden normalleştirilebilir bir kurama uyarlar. Yeniden normalleştirme işleminin bir sonucu olarak kuramın birleştirme değişmezi ölçüldüğü enerjiye bağlıdır ve çok yüksek enerjilerde sıfıra iner. Bu olgu asimptotik serbestlik olarak bilinir. Bunun anlamı bir hadron içindeki kuarkların hemen hemen yüksek enerji çarpışmalarındaki serbest parçacıklar gibi davrandıklarıdır. Böylece perturbasyonları perturbasyon kuramıyla ele alınabilir. Perturbasyon kuramının öngörüleri gözlemle anlaşılır bir niteliksel uyum içindedir. Ama henüz kimse bu kuramın deneysel olarak doğrulandığını ileri süremez. Düşük enerjilerde etkili birleştirme değişmezi çok büyür ve perturbasyon kuramı artık işlemez. Bu "kızıl ötesi köleliğin" kuarkların niçin her zaman renksiz bir bağıl durumda olduğunu açıklayacağı umulmaktadır. Ama şimdilik kimse bunu gerçekten inandırıcı bir biçimde gösterememiştir.

Güçlü etkileşimler için yeniden normalleştirilebilir bir kuram, zayıf ve elektromanyetik etkileşimler için de başka bir kurama sahip olduktan sonra bu iki kuramı birleştirecek bir kuramı aramak doğaldı. Böyle kuramlara "büyük birleşik kuramlar" (Grand Unified Theories) veya GUT'ler gibi oldukça abartılı isimler verilir. Bu çok yanıltıcıdır. Çünkü bunlar ne o kadar büyük, ne tamamen . birleşik ne de tam kuramlardır. Hepsi de birleştirme değişmezleri ve kütleler gibi bazı belirlenmemiş yeniden normalleştirme parametrelerine sahiptir. Yine de tam bir birleşik kurama doğru önemli bir adım olabilirler. Temel fikir güçlü etkileşimlerin düşük enerjilerde yüksek olan etkili birleştirme değişmezinin, asimptotik serbestlik yüzünden yüksek enerjilerde derece derece azaldığıdır. Öte yandan Salam-Weinberg kuramının düşük enerjilerde küçük olan etkili birleştirme değişmezi, bu kuramın asimptotik olarak serbest olmaması yüzünden, yüksek enerjilerde derece derece artmaktadır. Eğer birleştirme değişmezlerinin düşük enerjideki artma ve azalma hızlarında bilinene dayanarak bilinmeyeni tahmin işlemi yapılırsa iki birleştirme değişmezinin yaklaşık 1015 GeV'luk bir enerjide eşit hale geldiği görülür. Bu kuramlar bu enerjinin üzerinde güçlü etkileşimlerin zayıf ve elektromanyetik etkileşimlerle birleştiğini ama daha düşük enerjilerde kendiliğinden simetri kırılmasının gerçekleştiğini öne sürerler.

1015 GeV'luk bir enerji herhangi bir laboratuar ekipmanının kapasitesinin ötesindedir. Günümüzdeki parçacık hızlandırıcıları yaklaşık 10 GeV'luk kütle merkezi enerjileri üretebiliyor. Gelecekte kurulacak olanlar ise 100 GeV'luk ya da ona yakın enerji üretecekler. Bu düzey Salam-Weinberg kuramına göre elektromanyetik kuvvetlerle zayıf kuvvetlerin birleşik hale gelmesi gerektiği enerji aralığını incelemek için yeterlidir. Ancak zayıf ve elektromanyetik etkileşimlerin kuvvetli etkileşimlerle birleşeceğinin öngörüldüğü çok yüksek enerji düzeyleri için yeterli değildir. Bununla birlikte büyük birleşik kuramların laboratuarda denenebilir düşük enerji öngörüleri bulunabilir. Örneğin, kuramlar protunun tamamen kararlı olmadığını ve1031 yıl gibi bir sürenin sonunda bozunacağını öngörür. Yaşam süresi üzerine mevcut deneysel alt sınır yaklaşık1030 yıldır ve bunu geliştirmek olanaklı olmalıdır.

Başka bir gözlenebilir kestirim Evren'deki baryonların fotonlara oranıyla ilgilidir. Fizik yasaları parçacıklar ve anti-parçacıklar için aynı görünmektedir. Daha kesin bir şekilde söylenecek olursa, bu yasalar parçacıklar karşıparçacıklarla, sağ yönlüler sol yönlülerle değiştirildiğinde ve tüm parçacıkların hızları ters yöne çevrildiğinde aynı kalmaktadır.

Bu CPT teoremi olarak bilinir ve herhangi bir akla uygun kuramda bulunması gereken temel varsayımların bir sonucudur

Öte yandan Dünya ve gerçekte tüm Güneş Sistemi, herhangi bir antiproton ya da antinötron içermeksizin proton ve nötronlardan oluşmuştur. Gerçekte parçacıklar ve anti-parçacıklar arasındaki bu dengesizlik, var oluşumuzun bir başka önkoşuludur. Çünkü eğer Güneş Sistemi parçacık ve anti-parçacıkların eşit bir karışımından oluşsaydı. bunların hepsi geriye yalnızca radyasyon bırakarak birbirlerini yok edeceklerdi. Bu tür bir imha radyasyonunun yokluğunu dikkate alarak galaksimizin anti-parçacıklar yerine tamamen parçacıklardan oluştuğu sonucuna varabiliriz. Öteki galaksiler için doğrudan kanıtlara sahip değiliz ama onların da parçacıklardan oluştuğu ve bir bütün olarak Evren'de parçacıkların anti-parçacıklardan her 108 fotonda bir parçacık daha fazla olduğu görülmektedir. Bu antropik ilkeyle açıklanmaya çalışılabilir ama büyük birleşik kuramlar gerçekte bu dengesizliği açıklamaya yarayan bir mekanizmayı sağlarlar. Tüm etkileşimlerin C (parçacıkların anti-parçacıklarla yer değiştirmesi).

P (sağ yönlülerin sol yönlülerle değişimi), ve T (zamanın yönünün tersine çevrilmesi) bileşimi altında değişmez görünmesine karşın, yalnız T altında değişmez olmayan etkileşimlerin bulunduğu bilinmektedir. Genişlemenin verdiği çok belirgin bir zaman okunun bulunduğu en erken evren döneminde bu etkileşimler anti-parçacıklardan daha fazla sayıda parçacık üretebilirdiler. Ancak sayıları modele çok bağımlı olduğundan gözlemle uyum büyük birleşik kuramların bir doğrulaması olmaktan uzaktır.

Şimdiye kadar sarf edilen çabaların çoğu, fiziksel etkileşimlerin ilk üç kategorisinin, güçlü ve zayıf nükleer kuvvetler ve elektromanyetizmin birleştirilmesine yöneltilmişti. Dördüncü ve sonuncusu, kütlesel çekim ihmal edilmiştir. Bunun haklı bir nedeni, kütlesel çekim etkisinin çok zayıf olmasıdır. Kuantum kütlesel çekim etkileri ancak herhangi bir parçacık hızlandırıcısında görülebilenlerin ötesindeki parçacık enerjilerinde büyük olabilecektir. Başka bir neden, kütlesel çekimin yeniden normalleştirilebilir görünmemesidir. Sonlu sayıda yanıtlar elde etmek için, sonsuz sayıda belirlenmemiş sonlu artık veren sonsuz sayıda sonsuz çıkarma yapılması gerekebilir. Ancak tamamen birleşik bir kuram elde edilecekse, kütlesel çekim de buna dahil edilmek zorundadır.

Ayrıca klasik genel görecelik kuramı kütlesel çekim alanının sonsuz derecede güçlü olduğu uzay-zaman tekilliklerinin varlığını öngörüyor. Bu tekillikler, geçmişte Evren'in şimdiki genişlemesinin başlangıcında (Büyük Patlamada) vardı ve gelecekte de yıldızların ve büyük olasılıkla Evren'in kendisinin çöküşünde bulunacaktır. Tekillik öngörüleri klasik kuramın çökeceğine işaret eder görünüyor. Ancak kütlesel çekim alanının kütlesel çekim kuantum etkilerinin önem kazanmasını sağlayacak derecede güçlenmesine kadar klasik kuramın çökmesi için bir neden görünmüyor. Bu nedenle, eğer Evren'in ilk zamanlarını tanımlamak ve yalnızca antropik ilkeye başvurmanın ötesinde başlangıç koşulları için bazı açıklamalar getirmek istiyorsak kütlesel çekimin kuantum kuramı zorunludur.

Böyle bir kuram, ayrıca "Zaman, gerçekten bir başlangıca ve belki klasik genel görecelik kuramının öngördüğü gibi bir sona sahip mi?" ya da "Büyük patlama ve Büyük Çatırtı'daki tekillikler bir şekilde kuantum etkileriyle mi oluşuyor?" gibi sorulara yanıt bulabilmek için de gereklidir. Uzay ve zamanın kendi yapılarının da belirsizlik ilkesine tabi olduğunu düşündüğümüzde, bu soru iyi tanımlanmış bir anlam vermenin çok zor olacağı bir sorudur. Kişisel görüşüm, belirli bir matematiksel anlamda onları geçerek zamana devam edilebilirse de, tekilliklerin büyük olasılıkla hala var olduklarıdır. Ancak bilinç yada ölçme yeteneğiyle ilişkili öznel, zaman kavramı bir sona ulaşacaktır.

Kütlesel çekimin kuantum kuramının elde edilmesi ve onunla öteki üç kategorideki etkileşimlerin birleştirilmesi konusunda beklenen nedir? En büyük umut genel göreceliğin süper kütlesel çekim olarak adlandırılan bir uzantısında yatıyor görünmektedir. Bunda kütlesel çekim etkileşimini taşıyan spin-2 parçacığı gravitonun, süpersimetri dönüşümleri kanalıyla bazı düşük spinli başka alanlarla bağlantısı vardır. Böyle bir kuram, yarım-tam sayılı spin parçacıklarıyla temsil edilen "madde" ile tamsayılı spin parçacıklarıyla temsil edilen "etkileşimler" arasındaki eski ikiye bölme işlemini ortadan kaldırdığı için daha üstündür. Onun bir başka büyük üstünlüğü de kuantum kuramında ortaya çıkan çok sayıdaki sonsuzluğun birbirini yok etmesidir. Ancak herhangi bir sonsuz çıkarma olmaksızın sonlu olan bir kuram verecek şekilde hepsinin birbirini götürüp götürmedikleri henüz bilinmemektedir. Öyle oldukları umuluyor, çünkü kütlesel çekimi kapsayan kuramların ya sonsuz ya da yeniden normalleştirilemez oldukları gösterilebilir, yani herhangi bir sonsuz çıkarma yapmak zorunluysa, bunu karşılık gelen sonsuz sayıda belirlenmemiş kalanla sonsuz sayıda yapmak zorunlu olacaktır. Böylece süper kütlesel çekimdeki tüm sonsuzlukların birbirlerini yok ettiği ortaya çıkarsa biz yalnızca tüm madde parçacıkları ve etkileşimlerini tamamen birleştirmekle kalmayan, ama aynı zamanda belirlenmemiş herhangi bir yeniden normalleştirme parametresinin kalmamış olması anlamında tam bir kurama sahip olabiliriz.

Kütlesel çekimi öteki fiziksel etkileşimlerle birleştiren kuram bir yana, henüz uygun bir kuantum kütlesel çekim kuramına da sahip değilsek de, onun taşıması gereken bazı özellikler hakkında bir fikrimiz var. Bunlardan biri, kütlesel çekimin uzay-zamanın nedensel yapısını etkilemesiyle ilgilidir; yani kütlesel çekim hangi olayların birbiriyle nedensel olarak bağlantılı olabileceğini belirler.

Klasik genel görecelik kuramında bunun bir örneği, kütlesel çekim alanının herhangi bir ışık ya da başka sinyali geriye içine doğru çekecek ve dışarı çıkarmayacak kadar güçlü olduğu bir uzay-zaman bölgesi olan karadeliklerdir. Karadeliğin yakınındaki yoğun kütlesel çekim alanı, bir karadeliğe düşen, öteki sonsuzluğa kaçan parçacık ve anti-parçacık çiftlerinin yaratılmasına neden olur. Kaçan parçacık karadelik tarafından yayılmış görünür.

Karadelikten belirli bir uzaklıktaki bir gözlemci yalnızca dışarı giden parçacıkları ölçebilir ve deliğin içine düşenleri gözleyemediği için onlarla dışarı gidenler arasında ilişki kuramaz. Bu, dışarı giden parçacıkların belirsizlik ilkesine konu olanın ötesinde daha yüksek bir rastgelelik ve kestirilemezlik düzeyine sahip oldukları anlamına gelir. Normal durumlarda belirsizlik ilkesi bir parçacığın ya konumu ya hızı ya da konumu ile hızının bir birleşimi hakkında kesin bir kestirimde bulunulabileceği anlamına gelir. Böylece kabaca söylersek, insanın kesin öngörülerde bulunma yeteneği yarıya iner. Ancak bir karadelikten yayımlanan parçacıklar durumunda, karadeliğin içinde neler olduğunu kimsenin gözleyememesi, yayılan parçacıkların ne konumu ne de hızı hakkında kesin bir kestirimde bulunulamayacağı anlamına gelir. Yapılabilecek tek şey, parçacıkların belirli modlarda yayılma olasılıklarını vermektir.

Bu nedenle, öyle görülüyor ki bir birleşik kuram bulsak bile belki yalnızca istatistiksel öngörülerde bulunabileceğiz. Ayrıca gözlediğimiz tek bir evrenin var olduğu düşüncesinden de vazgeçmek zorunda kalacağız. Onun yerine içinde bir olasılık dağılımıyla mümkün tüm evrenlerin bir topluluğunun bulunduğu bir resim kabul etmek zorunda kalacağız. Bu Evren'in niçin Büyük Patlamada hemen hemen mükemmel bir ısıl dengede başladığını açıklayabilir. Çünkü ısıl denge en büyük sayıda mikroskopik düzenlenişe ve bu nedenle de en büyük olasılığa karşılık gelecektir. Voltair'in filozofu Pangloss'u tekrarlarsak: "Tüm olanaklı dünyaların en olası olanında yaşıyoruz".

Çok uzak olmayan gelecekte tam bir birleşik kuram bulmamız konusunda beklentiler nelerdir? Gözlemlerimizi daha küçük ölçeklere ve daha yüksek enerjilere her yöneltişimizde yeni yapı katmanları keşfettik. Bu yüzyılın başında, 320-2 eV'luk tipik bir enerji parçacığıyla yapılan Brown hareketinin keşfi maddenin sürekli olmadığını, atomlardan oluştuğunu ortaya koydu. Ondan kısa bir süre sonra da, bu bölünemez olarak görülen atomların birkaç elektron-voltluk enerjileriyle bir çekirdek etrafında dönen elektronlardan oluştuğu bulundu. Daha sonra sırasıyla çekirdeğin temel parçacıklar olarak adlandırılan proton ve nötrondan oluştuğu ve bunların106 eV'luk nükleer bağlarla bir arada tutulduğu anlaşıldı. Bu öykünün en son bölümü proton ve nötronun 109 eV'luk bağlarla bir arada bağlı tutulan kuarklardan oluştuğunu bulmamızdır. Kuramsal fizikte şimdiden büyük bir yol almış olmamızın kefareti ise, sonuçlarını önceden göremediğimiz bir deneyi ger¬çekleştirebilmek için çok büyük makinelerin ve önemli miktarda paranın gerekli hale gelmesidir.

Geçmiş deneyimimiz, gittikçe yükselen enerjilerde sonsuz bir yapı katmanları dizisi bulunduğunu düşündürebilir. Gerçekten buna benzer sonsuza kadar giden kutu içinde kutu görüşü, Çin'de Dörtlü Çete döneminde resmi doğmaydı. Ancak kütlesel çekim yalnızca 10-33 cm gibi çok küçük bir uzunluk ölçeğinde ya da 1028 eV gibi çok yüksek bir enerji düzeyinde de olsa bir sınır sağlıyor görünmektedir. Bundan küçük uzunluk ölçeklerinde, uzay-zamanın düzgün süreklilik davranışını bırakacağı ve kütlesel çekim alanının kuantum dalgalanmaları yüzünden köpüğe benzeyen bir yapı kazanacağı beklenir.

Şimdiki yaklaşık 10 eV'Iuk deneysel sınırımı/, ile kütlesel çekim için kritik enerji olan 1028 eV'luk dikey arasında henüz keşfedilmemiş çok büyük bir bölge vardır. Büyük birleşik kuramların yaptığı gibi bu çok büyük aralıkla yalnızca bir ya da iki yapı katmanı olduğunu düşünmek sallık olarak görünebilir. Ancak iyimser olmak için nedenler vardır. Şu anda, en azından, kütlesel çekimin öteki fiziksel etkileşimlerle yalnızca bir süper kütlesel çekim kuramı içinde birleştirilebileceği görülmektedir. Böyle kuramların sınırlı sayıda olacağı görülüyor. Özellikle, bu tür kuramların en büyüğü. N=8 genişletilmiş süper kütlesel çekim olarak adlandırılan kuram vardır.

Bu. bir graviton. gravitino olarak adlandırılan sekiz spin-3/2 parçacığı, yirmi sekiz spin-1 parçacığı, elli altı spin-1/2 parçacığı ve yetmiş spin 0 parçacığı içeriyor. Bu kadar büyük sayılar güçlü ve zayıf etkileşimlerde gözlemler göründüğümüz tüm parçacıkları açıklamaya yetecek büyüklükte değildir. Örneğin N=8 kuramı yirmi sekiz spin-1 parçacığına sahiptir. Bunlar güçlü etkileşimleri taşıyan gluonları ve zayıf etkileşimleri taşıyan dört parçacıktan ikisini açıklamak için yeterlidir. Ama öteki ikisi için yetersizdir.

Bu nedenle gluonlar ya da kuarklar gibi gözlemlenen parçacıkların bir çoğunun ya da çoğunluğunun gerçekte o anda gö¬ründükleri gibi temel parçacıklar olmadığına ve temel N=8 parçacıklarının bağıl durumları olduğuna inanmak zorunlu olacaktır. Görülebilir bir gelecekte ya da şimdiki ekonomik eğilimlere bakarak değerlendirdiğimizde hiç bir zaman, bu bileşik yapıları incelemeye yetecek güçte hızlandırıcılara sahip olabilmemiz pek olası değil. Yine de. bu bağıl yapıların iyi tanımlanmış N=8 kuramından çıkmış olmaları şimdi ya da yakın gelecekte ulaşılabilecek enerjilerde denenebilecek bazı kestirimlerde bu¬lunmamıza olanak sağlayacaktır. Böylece bu durum elektromanyetizm ile zayıf etkileşimleri birleştiren Salam-Weinberg kuramının durumuna benzeyebilir. Bu kuramın düşük enerji öngörüleri gözlemle o kadar uyum içindedir ki. birleşmenin gerçekleşeceği enerjiye henüz ulaşmadığımız halde kuram genel olarak kabul edilmektedir.

Evren'i tanımlayan kuramda çok ayırt edici bir şey olmalıdır. Öteki kuramlar yalnızca bulanların akıllarında var olurken bu kuram niçin yaşam kazanıyor? N=8 süper kütlesel çekim kuramı, özgün olacak bazı niteliklere sahiptir. Bu kuramın

1-Dört boyutlu olan 2-Kütlesel çekimi içeren

3-Herhangi bir sonsuz çıkarma olmadan sonlu olan tek teori olabileceği anlaşılıyor.

Parametresiz tam bir kurama sahip olacaksak üçüncü özelliğin zorunlu olduğunu belirtmiş bulunuyorum. Ancak antropik ilkeye başvurmaksızın birinci ve ikinci özellikleri açıklamak zordur. Bi-rinci ve üçüncü özellikleri sağlayan ama kütlesel çekimi içermeyen tutarlı bir kuramın olabileceği görülüyor. Ancak böyle bir evrende karmaşık yapıların gelişimi için büyük olasılıkla zorunlu olan maddenin büyük kümeler halinde bir araya toplanmasını sağlayacak çekim kuvvetleri bakımından muhtemelen bu yeterli olmayacaktır. "Uzay-zaman neden dört boyutlu olmalı?" sorusu, normal olarak fiziğin alanı dışında olduğu düşünülen bir sorudur. Bununla birlikte onun için de uygun bir antropik ilke tezi vardır. İkisi uzay ve biri zaman olmak üzere üç uzay-zaman boyutunun herhangi bir karmaşık organizma için yetersiz olduğu açıktır. Öte yandan eğer üçten fazla uzay boyutu olsaydı, gezegenlerin Güneş etrafındaki veya elektronların çekirdek etrafındaki yörüngeleri kararsız olacak ve içeriye doğru sarmallar çizmeye eğilim gösterecekti. Geriye birden fazla zaman boyutunun bulunması olasılığı kalıyor ama böyle bir evreni imgelemenin çok zor olduğunu düşünüyorum.

Şimdiye kadar dolaylı olarak en temel kuram niteliğinde bir kuramın varlığını kabul ettim. Ama gerçekte var mı? En azından üç olasılık görünüyor;

1. Tam bir birleşik kuram var.

2. En temel kuram niteliğinde bir kuram yoktur ama zincirin yeterince aşağısında bir teorinin alınmasıyla herhangi bir özel gözlemler sınıfı hakkında kestirimde bulunulabilen sonsuz bir teoriler dizisi vardır.

3. Bir kuram yok. Gözlemler belirli bir noktanın ötesinde tanımlanamaz ya da kestirilemez, gelişigüzeldirler.

Üçüncü görüş 17. ve 18 yüzyılların bilim insanlarına karşı kullanılan bir tez olarak ileri sürüldü. "Bilim insanları Tanrı'nın fikrini değiştirme özgürlüğünü azaltacak yasaları nasıl formüle edebilirlerdi?". Ama yaptılar ve oldu. Modern zamanlarda üçüncü olasılığı planımızın içine katarak tamamen yok ettik: kuantum mekaniği temel olarak bilmediklerimizin ve kestirimde bulunamadıklarımızın bir kuramıdır.

İkinci olanak gittikçe yükselen enerjilerde sonsuz bir yapılar dizisi resmine karşılık gelir. Daha önce de belirttiğim gibi bu olanaksız görülüyor. Çünkü 10 eV'luk Planck enerjisinin bir sınır olacağı düşünülmektedir. Bu durumda geriye birinci olanak kalıyor. Şu anda N=8 süper kütlesel çekim kuramı, görünen tek adaydır.[2]

Ama gelecek birkaç yıl içinde bu kuramın iyi olmadığını gösterme olanağına sahip can alıcı hesaplamalar geliştirebiliriz. Eğer teori bu testleri aşarsa, kestirimlerde bulunmamızı sağlayacak hesaplama yöntemleri geliştirmemizden ve yerel fiziksel yasaların yanı sıra Evren'in ilk koşullarını açıklayabilmemizden önce muhtemelen daha birkaç yıl geçmesi gerekecektir.

Bunlar, gelecekteki yaklaşık yirmi yıllık dönemde kuramsal fizikçiler için önemli problemler olacaktır. Fakat biraz alarmlı bir notla bitirirsek, ondan daha fazla zaman olmayabilir. Şimdiki durumda bilgisayarlar araştırmalarımızda yararlı bir yardımcıdır, ama insan aklıyla yönetilmeleri zorunludur. Ancak son yıllardaki hızlı gelişmelerini temel alınarak gelecek için tahminde bulunulursa kuramsal fiziği tümüyle ele geçirmelerinin çok mümkün olduğu görülür. Bu nedenle belki kuramsal fizik için değil, ama kuramsal fizikçiler için son yakındır.[3]

Kaynaklar ve Dipnotlar

[1] Aslında W ve Z parçacıkları 1983 yılında Cenevre'de CERN laboratuarında gözlemlenmişler ve 1984 yılında bu keşfi yapan ekibe önderlik eden Carlo Rubbia ve Simon van der Meere'e Nobel ödülü verilmiştir. Bir ödülü kaçıran kişi Hooft olmuştur.
[2] Süper kütlesel çekim teorileri 1, 2 ve 3 özelliklerini taşıyan tek parçacık teorileri gibi görünüyor, fakat bu yazının yazılışından beri süpersicim teorileri denen teorilere yönelik büyük bir ilgi dalgası yükselmiştir. Bunlarda temel nesneler nokta parçacıklar değil küçük sicim döngüleri gibi uzatılmış nesnelerdir. Burada fikir bize bir parçacık olarak görünen şeyin bir döngüdeki bir titreşim olduğudur. Bu süpersicim teorileri düşük enerji sınırında süper kütlesel çekime indirgenir görünüyorlar, fakat şimdiye kadar süpersicim teorisinden deneysel olarak test edilebilir kestirimler elde etmede çok az başarı sağlanmıştır.
[3] Stephen Hawking, "Blackholes and Baby UniversesUniverses".

facebookta paylaş

Kayıtlı

Facebook / Twitter / Paltalk: Akhenaton41 / Paltalk Odası: Edep Sahiplerine Munhasir Oda

Sayfa: [1]