Ana Sayfa Bilim Gündemi Nümerik bir tesadüf sicim teorisi için kanıt teşkil edebilir

Nümerik bir tesadüf sicim teorisi için kanıt teşkil edebilir

164
Kuantum yerçekimi araştırmacıları Einstein’ın genel görelilik kuramı denklemlerinde bulunan ve kuantum mekaniğiyle ilişkilendirilen önemli bir katsayısı vardır ve bu katsayının değerini göstermek için α’yı kullanır.

Yakın zamanda açıklanan bir çalışmaya göre, üç fizikçi yer çekiminin kuantum doğasına ilişkin bir sayı hesapladı. Kütleçekiminin kuantum ölçeğindeki ayrıntıları fizikçilerin genellikle nasıl ölçeceklerini bildikleri bir şey değildir ancak bu üçlü son zamanlarda fiziğin diğer alanlarında hayret uyandıran “Önyükleme” ismi verilen bir yaklaşım kullanarak soruna saldırdılar. Önyükleme yapmak bilinen gerçeklerle neyin uyumlu olduğunu bularak dünya hakkında yeni gerçekler ortaya çıkarmaktır. Bu yöntemle üçlü şaşırtıcı bir tesadüf keşfetti: Önyükleme sayıları sicim teorisi tarafından yapılan sayı tahminleriyle eşleşiyordu. Temel kütleçekimi kuramı ve diğer her şey için aday olan sicim teorisi, tüm temel parçacıkların titreşen döngüler ve sicimler olduğunu savunur.
Vieira,  Guerrieri ve  Penedones üçlüsü sonuçlarının sicim teorisinin tahminiyle eşleştiğini bildirdiler. Bazıları sonucu sicim teorisi için yeni bir kanıt olarak yorumluyor, varsayımsal sicimlerin noktasal küçüklüğü nedeniyle deneysel doğrulamaları çok zor. California Teknoloji Enstitüsü’de teorik fizikçi olan David Simmons-Duffin “Umut, bu yöntemleri kullanarak sicim teorisinin kaçınılmazlığını kanıtlayabilmemizdir.” diyor. “ve bence bu buna doğru atılmış harika bir adım.” diye devam ediyor. Madrid Otonom Üniversitesi’nde teorik fizikçi olan Irene Valenzuela da aynı fikirde. “Sorulardan biri, sicim teorisinin benzersiz kuantum yerçekimi teorisi olup olmadığıdırdiyor ve ekliyor, “Bu sicim teorisinin benzersiz olduğu çizgisinde ilerliyor.” Diğer yorumcular hesaplamanın yapılma şekliyle ilgili uyarılara işaret ederek bunu çok cesur bir atılım olarak gördüler.

Einstein’ın kuramına yeni bir düzeltme mi?
Vieira, Guerrieri ve Penedones’in hesapladığı sayı α katsayısının olası minimum değeridir. Kabaca α  Einstein’ın kütleçekim denklemlerine ekleyebileceğiniz, bir diğer anlamda varsayılan kuantum kütleçekim birimlerini, iki graviton arasındaki etkileşimi tanımlamak için ilk ve en büyük matematiksel terimin boyutudur. Albert Einstein’ın 1915’te ortaya attığı genel görelilik teorisi, kütleçekimini madde ve enerji tarafından yaratılan uzay zaman düzleminde resmeder. Bir yıldızın yörüngesindeki gezegen gibi büyük ölçekli davranışları da mükemmel şekilde açıklar. Ancak madde çok küçük boşluklara paketlenirken genel görelilik “kısa devre” yapar.
McGill Üniversitesi’nde teorik fizikçi olan Simon Caron-Huot “Einstein kütleçekiminde bir düzenleme olmalıdır.” Diyor. Fizikçiler 1960’larda Kenneth Wilson ve Steven Weinberg tarafından geliştirilen bir şemayı kullanarak yerçekiminin mikroskobik doğası hakkındaki bilgi eksikliklerini düzenli bir şekilde giderebilirler: Genel göreliliğe önemli hale gelebilecek bir dizi olası “düzeltme” eklerler. İki gravitonun belirli bir şekilde etkileşime girme şansını tahmin etmek istediğinizi varsayalım, görelilikteki standart matematiksel terimle başlarsınız, ardından mesafeler küçüldükçe ilgili tüm değişkenleri yapı taşları olarak kullanarak daha yeni terimler eklersiniz.
Bu sahte terimler boyutlarını belirleyen α, β, γ  gibi bilinmeyen sayılarla ön plana çıkar. Farklı kuantum kütleçekimi teorileri bu tür düzenlemelere yol açacaktır. Yani bu düzeltmeler bu tür olasılıkları birbirinden ayırmanın ilk yolu. Uygulamada α yalnızca sicim teorisinde, hatta yalnızca oldukça simetrik 10 boyutlu evrenler için açıkça hesaplanmıştır. İngiliz sicim teorisyeni Michael Green ve meslektaşları 1990’larda bu tür dünyalarda α’nın en az 0.1389 olması gerektiğini belirlediler. Belirli bir sicimsel evrende daha yüksek olabilir; ne kadar yüksek olduğu sicim birleşme sabitine veya bir sicimin kendiliğinden ikiye bölünme eğilimine bağlıdır. Bu birleştirme sabiti, sicim teorisinin versiyonları arasında değişir, ancak tüm versiyonlar, sicim birleştirme sabitlerinin ekstra bir 11. Boyutta farklı pozisyonlara karşılık geldiği M- teorisi adı verilen bir teoride birleşir. İçinde yaşadığımız evrenin 11 ya da daha küçük boyutta bir uzay-zamanda bir ada (bir D-zar) olabileceği ve bu uzay-zamanda benzeri birçok evren olabileceği bu teoremle ortaya konuluyor.)
Bu sırada, alternatif kuantum kütleçekimi fikirleri α hakkında tahminlerde bulunamıyor. Fizikçiler gravitonları gerçekten tespit edemedikleri için -kütleçekimi kuvvetleri çok zayıf- kuantum kütleçekimi kuramlarını araştırma ve test etmenin bir yolu olarak α’yı doğrudan ölçemediler. Birkaç yıl önce Penedones, Vieira ve Guerrieri parçacık etkileşimeri sırasında olabilecekleri sınırlamak için önyükleme yöntemini kullanmaktan bahsetmeye başladılar. Yaklaşımı önce pion adı verilen parçacıklara başarıyla uyguladılar. “Tamam dedik, burada çok iyi çalışıyor, öyleyse neden kütleçekimine uygulamıyoruz?” dedi Guerrieri.

Bound’u Önyükleme
Bilinmeyen olasılıkları sınırlamak için kabul edilen yöntem 1960’larda parçacık fizikçileri tarafından icat edildi, sonra unutuldu, daha sonra süper bilgisayarlı araştırmacılar tarafından son 10 yılda fantastik bir etkiyle yeniden canlandırıldı: bu önyüklemenin üretebileceği zorlu formülleri çözebilir. Üçlü, iki tutarlılık koşulunu sağlamak için alfanın ne olması gerektiğini belirlemeye başladılar. “Üniterlik” olarak bilinen iki farklı sonuçların olasılıklarının her zaman %100’e eşit olması gerektiğini belirtir. “Lorentz değişmezliği” olarak bilinen ikincisi ise aynı fizik yasalarının tüm bakış açılarından geçerli olması gerektiğini söyler.
Üçlü, özellikle süpersimetrik 10 boyutlu evrenlerde bu iki ilke tarafından izin verilen α değerleri aralığını dikkate aldı. Hesaplama sadece bu ortamda başarılı olmak için yeterince basit olmakla kalmıyor (şu anda bizimki gibi 4 boyutlu evrenlerdeki α için değil), aynı zamanda onların önyükleme aralığını sicim teorisinin o 10 boyut ayarındaki 0.1389 veya üstü α tahminiyle karşılaştırmasına izin veriyor.
Üniterlik ve Lorentz değişmezliği iki graviton etkileşiminde neler olabileceğine şöyle kısıtlamalar getirir: gravitonlar yaklaştığında ve birbirlerine dağıldığında iki graviton olarak ayrı ayrı uçabilirler veya üç ya da daha başka sayılarda parçacığa dönüşebilirler. Yaklaşan gravitonların enerjilerini yükselttiğinizde iki graviton değiştikçe karşılaşmadan ortaya çıkma şansları değişir. Ancak üniterlik bu olasılığın asla %100’ü geçmemesini gerektirir. Lorentz değişmezliği olasılığın bir gözlemcinin gravitonlara göre nasıl hareket ettiğine bağlı olmayacağı ve denklemlerin biçimini kısıtlamayacağı anlamına gelir. Kurallar, alfanın sağlaması gereken karmakarışık bir önyükleme açıklamasını verir. Üçlü, Perimeter Enstitüsü’nün bilgisayar kümelerini iki graviton etkileşimlerini üniter ve Lorentz değişimi yapan değerleri çözmek için programlandı.
Bilgisayar α parametresi için alt sınırı 0.14 olarak ortaya çıkarır, sicim teorisinin alt sınırı 0.1389 ile son derece yakın ve potansiyel olarak tam bir eşleşme. Başka bir deyişle sicim teorisi izin verilen alfa değerlerinin tüm alanını kapsıyor gibi görünüyor, en azından araştırmacıların kabul ettiği 10 boyutlu yerde.

10 Boyutlu Tesadüf
Sayısal tesadüf ne anlama geliyor? Birkaç yıl önce önyüklemenin yeniden canlanmasına yardımcı olan Simmons- Duffin’e göre, “temel ve önemli bir soruyu ele almaya çalışıyorlar: bildiğimiz şekliyle sicim teorisi kuantum kütle çekiminin tüm olası teorilerinin uzayını ne ölçüde kapsıyor? Sicim teorisi 1960’larda mezon adı verilen bileşik parçacıkları bağlayıcı görev yapan bir “yapıştırıcı”nın, var olduğu varsayılan bir resmi olarak ortaya atıldı. Bu amaç için farklı bir tanım yapıldı ancak yıllar sonra insanlar sicim teorisinin gözünü daha yükseklere çekebileceğini anladılar: Sicimler bu kadar küçükse-o kadar küçükler ki noktalara benziyorlar- doğanın temel yapı taşları olarak hizmet edebilirler. Elektronlar, fotonlar ve benzerlerinin tümü farklı şekillerde var olan aynı tür temel sicimler olacaktır. Teorinin asıl noktası kütleçekiminin bir kuantum tanımını vermesidir: Bir graviton, en düşük enerjili titreşim modunda eşit sayıda dalganın saat yönünde ve saat yönünün tersine hareket ettiği kapalı bir sicim veya döngüdür. Bu özellik kütleçekimi dalgalarının polarizasyonu gibi yerçekiminin makroskopik özelliklerinin altında yatacaktır.
Ancak teoriyi gerçekliğin diğer tüm yönleriyle eşleştirmek biraz uğraştırır. Fiziksel olmayan, ışıktan hızlı parçacıklara karşılık gelen negatif enerjilerden kurtulmak için sicim teorisi modlarının sayısını iki katına çıkaran süpersimetri adı verilen bir özelliğe ihtiyaç duyar. Bir madde parçacığına karşılık gelen her titreşim modu, bir kuvvet parçacığını ifade eden başka bir modla gelmelidir. Sicim teorisi ayrıca sicimlerin hareket etmesi için 10 uzay zaman boyutunun varlığını gerektirir. Yine de herhangi bir süpersimetrik ortak parçacık bulamadık ve evrenimiz üç boyutlu uzay ve bir zaman ile 4 boyutlu görünüyor. Bu veri noktalarının her ikisi de bir sorun teşkil ediyor.
Sicim teorisi dünyamızı tanımlıyorsa, burada süpersimetri kırılmalıdır. Bu eğer varsa ortak parçacıkların bilinen parçacıklar kümesinden deneylerde bile toplanamayacak kadar ağır olması anlamına gelir. Ve eğer gerçekten 10 boyut varsa altı tanesi bizim için algılanamayacak kadar küçük kıvrılmış olmalıdır.-uzayın herhangi bir noktasında girebileceğimiz ekstra yönlerden oluşan küçük düğümler-. 4 boyutlu görünen bir evrendeki bu sıkıştırılmış boyutların tümü sicimleri farklı şekilde etkileyen sayısız olası düzenlemeye sahip olabilir.
Bozuk süpersimetri ve görünmez boyutlar birçok kuantum kütleçekimi araştırmacısını alternatif, sicim olmayan fikirler aramaya veya tercih etmeye yönlendirdi. şimdiye kadar rakip yaklaşımlar sicim teorisinin yapabileceği graviton etkileşimleri gibi şeyler hakkında somut hesaplamalar üretmek için mücadele etti.
Bazı fizikçiler kütleçekiminni mantıksal olarak tutarlı olan tek mikroskopik tanımı olarak sicim teorisinin varsayılan kalpleri ve zihinleri kazandığını görmeyi umuyor. Araştırmacılar “sicim evrenselliğini” kanıtlayabilirlerse buna bazen, geçerli temel doğa teorileri arasında sicim teorilerinin vurgunu denildiği gibi gizli boyutlara ve duyulmaz bir sicim orkestrasına inanmaktan başka seçeneğimiz kalmayacak. Fakat bazı araştırmacılar bu sonuçlara katılmıyor. Sicimsiz bir yaklaşımda uzmanlaşmış Eichorn, “Dört boyutlu ve süpersimetrik olmayan bir kuantum kütle çekim teorisine leyhine ya da aleyhine kanıt toplamak için gerekli ortamı düşünürdüm.” Dedi. “çünkü bu en azından şu ana kadar dünyamızın en iyi tanımı.”
Eichorn üniter olabilecek, Lorentzin 10.boyutta hiçbir anlam ifade etmeyen 4.boyuttaki graviton tanımları olabileceğine dikkat çekmekte. “Basitçe  belirtmek gerekirse, bu şekilde uygulanabilir olan alternatif kuantum kütleçekimi yaklaşımlarının aynısını elde edebiliriz.” diyor. Vieira, sicim teorisinin yalnızca 10 boyutta geçerli olabileceğini kabul ediyor ve “süpersimetri ile 10. boyutta sadece sicim teorisi olabilir ama şüpheliyim.” diyor. Sicim teorisinin bu sonuçlarına başka bir eleştiri, sicim teorisi araştırmacıların araştırdığı 10 boyutlu ortamda izin verilen α değer aralığını sağlasa bile, bu diğer kuramlarda izin verilen aralıkta olmasını engellemez. “Sicim teorisinin tek cevap olduğu sonucuna varmanın pratik bir yolunu görmüyorum.” diyor Andrew Tolley.

Bu daha sadece bir başlangıç
Önyükleyiciler benzer sonuçları daha fazla genişletebilirse, tesadüfün anlamını değerlendirmek daha kolay olacaktır. CERN’de teorik fizikçi olan Alexander Zhiboedov “şu anda pek çok insan bu fikirleri çeşitli varyasyonlarda takip ediyor.” dedi. Guerrieri, Penedones and Vieira, daha önce yaptıkları gibi sınırın üstünde uygulanabilir alfa değerlerini çözmek yerine minimumdan daha az çözümleri göz ardı ederek alfayı aşağıda sınırlayan bir “ikili” önyükleme hesaplamasını zaten tamamladılar. Bu ikili bilgisayar kümelerinin sicim teorisi aralığının dışında ek olarak uygulanabilir kuantum yerçekimi teorilerine karşılık gelen daha küçük alfa değerlerini kolay kolay kaçırmadığını gösteriyor. Ayrıca bir bağlaşıma daha fazla kanıt aramak için sicim teorisi hesaplamalarının hala bir miktar kontrol altında olduğu(yalnızca bir boyut kıvrıldığı için) dokuz büyük boyutlu dünya için alt sınır olarak başlatmayı planlıyorlar. Önyükleyiciler alfanın yanı sıra β ve γ ‘yi de hesaplamayı amaçlıyor ve süpersimetrinin bozulduğu veya varolmadığı dünyalarla ilgili daha zor hesaplamalara nasıl yaklaşılacağına dair fikirleri var. Bu şekilde izin verilen kuantum yerçekimi teorilerinin alanını oluşturmaya çalışacaklar ve süreçte sicim evrenselliğini test edecekler.
Imperial College’da bir teorisyen olan Claudia de Rham önyükleme ilkelerinin sadece sicim teorisinden daha fazla fikri keşfetmek için yararlı olduğuna işaret ederek “agnostik” olma ihtiyacının altını çizdi. O ve Tolley pozitifliği -olasılıkların her zaman pozitif olduğu kuralı- kullanarak sicim teorisinin dışavurumu olabilecek ve olmayabilecek “yüksek kütleli kütleçekimi(massive gravity) “adı verilen bir teoriyi geliştirdiler. Potansiyel olarak test edilebilir sonuçlar keşfettiler ve yüksek kütleli kütleçekiminin yalnızca belirli egzotik parçacıklar varsa pozitifliği karşıladığını gösterdiler. De Rham önyükleme ilkelerini ve pozitiflik sınırlarını temel fizikte “şu anda en heyecan verici gelişmelerinden biri” olarak görüyor. Zhiboedov, “bildiğimiz her şeyi alıp tutarlılıkla bir araya getirme işini hiç kimse daha önce yapamadı.” diyor.

KAYNAK:  Natalie Wolchover, Quanta Magazine

Önceki İçerikBilim ve Gelecek Şubat sayısı çıktı!
Sonraki İçerikYabani tahılı lezzetli bulmuş avcı-toplayıcılar, tarımın Avrupa’da yayılmasını sağlamış olabilir