Ana sayfa 133. Sayı Kuantum ile kütleçekimi bir birleştirsek…

Kuantum ile kütleçekimi bir birleştirsek…

263
PAYLAŞ
Newton kütleçekimini keşfettiğinde, bunu iki cismi birbirini “anında uzaktan etkileyen bir kuvvet” olarak tarif etti ve kaynağının ne olduğunu bilmediğini söyledi.

Prof. Dr. Kerem Cankoçak

Henüz elimizde her bakımdan geçerli bir kuantum kütleçekim kuramı yok, ancak  bunu elde ettiğimizde bir çok teknolojik imkanın ortaya çıkacağı kesindir. Nasıl ki 150 yıl önce elektrik ve manyetizmanın birleştirilmesinden sonra elektronik çağda yaşamaya başladık, belki de ileride bir gravitik (kütleçekimsel) çağda yaşayacağız.

Kuantum kütleçekim, genel görelilik kuramı ile kuantum fiziğinin birleştirileme çabasıdır. Bu nedenle “Her Şeyin Teorisi” adını da alır, çünkü evrendeki dört temel kuvvetten sadece kütleçekimi bir kuantum kuramı olarak ortaya konamadı. Fiziğin en önemli uğraşlarından biri de budur. Einstein genel görelilik kuramını tamamladığı 1917’den neredeyse öldüğü güne kadar bununla uğraştı ama başaramadı.

Newton kütleçekimini keşfettiğinde, bunu iki cismi birbirini “anında uzaktan etkileyen bir kuvvet” olarak tarif etti ve kaynağının ne olduğunu bilmediğini söyledi. Cisimlerin birbirlerini uzaktan etkilemesi 17. yüzyıl için hayal bile edilemeyecek bir kavramdı. Newton’a çok itirazlar geldi, hatta “voodoo fiziği yapmakla” suçlandı. Ama modeli işliyordu. Newton’ın hem yeryüzünde hem de gözkyüzündeki bütün hareketi bu kütleçekim yasasıyla açıklaması itirazları kısa sürede susturdu ve 200 yüzyıl boyunca Newton büyük bir otorite oldu. Günümüzde bile eğer aya gitmek isterseniz Newton fiziği yeterli olur. Newton fiziği hâlâ işe yaramaktadır ve belli bir hata payı içinde öngörüleri doğru çıkmaktadır. Ancak GPS gibi daha hassas aletler kullanmak istersek Newton fiziğinin hata payı büyür ve Einstein’ın kütleçekim kuramını kullanmak zorunda kalırız. Einstein kütleçekimin diğer kuvvetler gibi bir kuvvet olmadığını, uzayzaman bükülmesinin sonucu olduğunu gösterdi. Genel göreliliğe göre, gezegenlerin güneş etrafında dönmelerinin nedeni, uzayzamanın içerisindeki kütle ve enerjinin dağılımı nedeniyle bükülmüş olmasıdır. Küçük mesafelerde bu iki kuram da aynı sonucu verir, ama “kuvvet” kavramına yaklaşımları çok farklıdır.

Öte yandan, Newton’ın kuvvet kavramı zamanla başka kuvvetlerin varlığını ortaya çıkardı. Newton’dan yaklaşık 100 yıl sonra Coulomb, elektrik kuvvetini de tıpkı Newton’ın tarif ettiği gibi açıkladı. Coulomb kuvvetinde birbirini çeken iki yüklü cisim arasındaki elektrik kuvvetinin büyüklüğü, yüklerle doğru orantılı, aralarındaki mesafenin karesiyle ters orantılıdır. Tıpkı Newton’da olduğu gibi bu kuvvet de anında uzaktan etkileyen bir kuvvettir. Daha sonra 20. yüzyılda iki kuvvet daha keşfedildi: atom çekirdeğinde etkin olan zayıf ve yeğin kuvvetler. Günümüzdeki modern kuantum alan kuramlarının kökenindeki kuvvet kavramının kökeni Newton’dan gelir. Atom altı olaylarda artık bu kuvvetin doğasını çok daha iyi anlıyoruz. Artık bizim için “voodoo fiziği” değil bu kuvvet. İki atom altı parçacık arasındaki elektromanyetik, zayıf ya da yeğin kuvvet aslında “anında” etkilemez ve pek de “uzaktan” etkilediği söylenemez. Örneğin bir elektron ve pozitron arasındaki elektromanyetik etkileşim (kuvvetin modern adı) uzayzamanın yapısını değiştirerek bu parçacıklar arasında sanal parçacık çiftleri yaratır. “Kuvvet çizgileri” dediğimiz yapılar böyle ortaya çıkar. Newton’dan bu yana çok yol kat ettik ama kütleçekim kuvvetini hâlâ bu şekilde açıklayamıyoruz. İşte kuantum kütleçekim, bir anlamda kütleçekimi kuantum kuramı olarak ifade etme çabasıdır. Bu gerçekleşirse evrendeki dört kuvvetin kuantum kuramını elde etmiş olacağız.

Kuantum kütleçekim en çok evrenin tarihini yazmaya çalışan fizikçilerin uğraştığı bir alandır. Çünkü günümüzdeki evrende gözlediğimiz dört temel kuvvet (üç kuantum kuvveti ve kütleçekim) başlangıçta birleşmiş olmalıydı. Evren soğudukça bu kuvvetler ayrışıp, farklı kuvvetler gibi görünmeye başlamış olmalıdır; tıpkı elektromanyetik kuvvetlerin bize iki ayrı elektrik ve manyetik kuvvet olarak görünmesi gibi. Dolayısıyla evrenin başlangıcında işleyen bir kuantum kütleçekim kuramına ihtiyacımız var. Ancak kuantum kütleçekim kuramlarındaki en büyük zorluklardan birisi tekillik meselesidir. Yukarıda anlattığımız gibi, genel görelilik evrenin uzayzaman dokusuyla ilgilidir ve kütleçekimini uzayzamanın bükülmesiyle açıklar. Peki bu bükülmenin kara deliklerde ya da Büyük Patlamada olduğu gibi sıfıra yaklaştığı durumlarda ne olacaktır? Sıfıra yaklaşırken kuantum fiziğinde Heisenberg belirsizlik ilkesi devreye girer ve bütün fizik bilgimiz orada sona erer.

S. Hawking’e göre kuantum kütleçekimi söz konusu olduğunda iki zormuk vardır: Birincisi her ne kadar böyle bir kuramın sahip olmak zorunda olduğu biçim hakkında oldukça fazla şey biliyor olsak da, henüz hangi kuramın genel görelilik ile kuantum mekaniğini başarıyla birleştirdiğinden tam olarak emin değiliz. İkincisi bütün evreni ayrıntılarıyla betimleyen bir model matematiksel yönden muhtemelen bizim kesin öngörülerini hesaplayamayacağımız kadar karmaşık olacaktır.

Hawking ve Penrose gibi fizikçiler probleme bir anlamda “klasik” yoldan çözümler bulmaya çabalarken, 1980’lerden sonra popülerleşen sicim kuramcıları oldukça spekülatif yöntemlerle (titreşen sicimler ve ek boyutlar gibi) “Her Şeyin Kuramı”nı elde etmeye çalışırlar.

Başlangıçtaki tekillik durumu yüzünden, kuantum kütleçekim kuramında evren için çok sayıda farklı olası kuantum durumu vardır. Hawking’in probleme yaklaşımı Feynman’ın kuantum fiziğine getirdiği geçmişlerin toplamına dayanır. Hawking’e göre eğri Öklit uzay-zamanlarının daha öncesinde, geçmişleri toplamında nasıl davrandıklarını bilirsek, evrenin kuantum durumunu biliyor oluruz. Bu noktada kuram evrenin sınır koşulu problemiyle karşılaşır. Hawking bu zorluğu aşmak için sanal zaman kavramını önerir.

Sicim kuramı doğada gözlenen sayısız temel parçacığı tek bir nicelikle, sicimle açıklar.

Sicim kuramı

Sicim kuramına göre madde, titreşen sicim benzeri nesnelerden ve uzay da ekstra gizli boyutlardan oluşur; bilinen her parçacık aslında salınan küçük bir sicimdir ve sicimler farklı şekillerde salınarak farklı parçacıkları meydana getirirler. Ufak sicimlerin yanı sıra kozmik sicimlere benzeyen çok büyük sicimlerin de olması olasıdır. Bu kuram doğada gözlenen sayısız temel parçacığı tek bir nicelikle, sicimle açıklayabildiği için güzel bir kuramdır. Sicimler kesin,  kuantize olmuş hareketlere sahip olarak titreşir ve dönerler; böylece her yeni kuantize durum kütle, yük ve spin gibi bir dizi fiziksel özellik ortaya çıkartır. Fotonları ya da kütleçekimin kuvvet taşıyıcıları olan gravitonları tanımlayan sicimlerin ufak parçaları yaklaşık olarak bir protonun çapının bir trilyonda birinden daha küçüktür ve o nedenle de günümüz teknolojileriyle saptanamazlar. Sicim kuramı kütleçekimi de açıklayabildiği için çok başarılı bir kuramdır ama henüz kanıtlanamamıştır. Yine de sicim kuramı, sonsuzlukları barındırmayan bir kuantum kütleçekim kuramını otomatik olarak kapsar. Sicimin iki parçası çarpıştığında, birleştiğinde ve parçalara ayrıldığında meydana gelen olayların hesapları sonlu değerler verir. Hiçbir tekillik ya da sonsuzluk yoktur.

Sicim kuramının modern versiyonu Edward Witten’ın fikirlerine dayanır ve bu bize yeni bir kuantum kütleçekim kuramı sunar. E. Witten (ortada), David Gross ve Stephen Hawking ile birlikte.

Başlangıcı 1968’e dayanan sicim kuramının modern versiyonu Edward Witten’ın fikirlerine dayanır ve bu bize yeni bir kuantum kütleçekim kuramı sunar. Sicim kuramının bu versiyonunda sıradan üç boyutlu evren, deneyimlenemeyecek dördüncü bir boyut boyunca uzanan ince bir boşluk sayesinde birbirlerinden ayrılır. Atomlar ve ışık, içinde yaşadığımız uzayın yüksekliği, genişliği ve derinliği boyunca hareket edebilir ama ekstra boyutta hareket etmeleri sicim kuramı yasalarınca yasaklanmıştır. Diğer evren de ekstra boyutta hareketleri yasaklanmış kendine has madde ve ışığa sahiptir ve bu iki evren birbirleriyle kütleçekim sayesinde etkileşebilirler.

Sonuç olarak, henüz elimizde her bakımdan geçerli bir kuantum kütleçekim kuramı yok, ancak  bunu elde ettiğimizde bir çok teknolojik imkanın ortaya çıkacağı kesindir. Nasıl ki 150 yıl önce elektrik ve manyetizmanın birleştirilmesinden sonra elektronik çağda yaşamaya başladık, belki de ileride bir gravitik (kütleçekimsel) çağda yaşayacağız. Günümüzde kullandığımız hemen her şey elektromanyetizma kuramına dayanır. Evrendeki dört temel kuvvetin birleştirilmesi karşımıza çok farklı bir evren görünümü çıkaracaktır.