Kuantum dünyası: Küçük boyutlarda büyük sorular - 2

Sıra geldi evrendeki en derin meselelere. Burası karanlık, soğuk, şaşırtıcı ve bilinmeyenlerle dolu. Bu dünyaya dalmaya hazır mısınız? Yani evren ve kütle çekimi hakkındaki yazıları ve kuantum fiziği ile ilgili bir önceki yazıyı okudunuz mu? O zaman işin sicimini çıkarmaya hazırlanın :)

Bu yazı derin bir yazı olacak derken şaka yapmıyorum aslında. Önceki yazılarda büyük resmi yani evreni çizmiştim. Sonrasında kafa karıştıran güçten yani kütle çekiminden bahsetmiştim. Bu ikisi küçük boyutların bilimini doğurmuştu ve kuantum fiziğini tanımıştık. Bu yazıda da yolumuz evrendeki en küçük yapılarla evreni ifade etmeye çalışan String (sicim) teorisine çıkacak. Bu noktaya direkt olarak atlamak yerine bazı bazı enteresan kavramları ve olguları anlatacağım. Çünkü 20. yüzyıl boyunca bir önceki yazıda belirttiğim bilimadamları çalışmalar yapıyor ve yeni fikirler ve çözümler öneriyorlardı. Bu çalışmalar ise teknoloji yetersizliğinden dolayı test edilemiyordu. Son 40 - 50 yıldır yeni deneyler yeni keşiflere de yol açtı.

Parçacık modelleri

20. yüzyıl başlarında parçacık dediğimiz şey atom olarak isimlendirilmişti. Sonrasında fizikçiler atomun yapısı hakkında matematiksel modeller önerdiler ve bu çalışmalarla atom pozitif yüklü proton ismi verilen atom altı parçacıklardan oluştuğunu fark ettiler. Fakat bu protonları yapıştırıcı gibi bir arada tutacak bir yapıya yani nötronlara ihtiyaç duyuldu. Elektromanyetik etkinin çalışma yapısının keşfi ile atomların etrafında elektronların da olduğu öğrenildi. Bu ilk okul seviyesinde öğrendiğimiz atom modelini oluşturdu fakat bu noktadan sonra çarşı fena karıştı. Bugün gelinen nokta ise aşağıdaki resimdeki gibi.

Zamanla proton ve nötronların farklı özelliklerdeki kuarklardan oluştukları fark edildi ve evrendeki yıldızların veya süpernova patlamalarının da lepton grubundaki parçacıkları üretebildikleri görüldü. Ama bu türlü atom altı parçacıkları tabi ki farazi olarak öneremezsiniz veya tahmin edemezsiniz. Belli bir temele dayandırmalı ve kanıtlanabilir öneriler sunmalısınız. Bu yüzden bu parçacıkları tespit edecek teknolojiniz yoksa yapabileceğiniz tek şey bu parçacıkları tahmin eden veya zorunlu kılan denklemler üretmektir. Bu yüzden bilimadamları matematiksel modellerle evrendeki bütün parçacıkları ve işleyişleri açıklamaya çalışıyorlardı. Bu modeller ise kuantum mekaniği fikirlerine dayanmakta idi. Bu şekilde yukarıdaki Standart Model oluşmuş oldu. Bunun nasıl oluştuğunu ise sıradaki başlıklarda aşağıdaki videodan yararlanarak açıklayacağım.

Quantum field theory (Kuantum alan teorisi)

1900 'lü yılların başlarında atom altı parçacıklar elektromanyetik çalışmalarla (bu terimi ben uydurdum) keşfedilmişti. Fakat bunları direkt olarak ispatlayacak bir kanıt yoktu ortada. Örneğin parçacık çarpıştırıcılar yoktu. Yine de Paul Dirac gibi bilimadamları newton 'ın kütle çekim mantığının atom altı parçacıklarla aynı potaya sığamadığını fark etmişti ve matematiği kurcalamaya başlamıştı. Erwin Schrödinger ise kelimenin tam anlamıyla yukarıdaki standart modelin temellerini atmıştı ve bundan haberi bile yoktu. Tanımladığı denklem parçacıkların olasılıksal davranışlarını ifade ediyordu ve kuantum alan teorisini doğurdu. Bu teoriye göre kuantum alanları kendi içlerinde titreşerek bildiğimiz parçacıkları oluşturuyordu. Bu süreç işe şu şekilde gelişmiş.

Gauge invariance yani ölçüden bağımsızlık diye düşünebileceğiniz bir kavram var. Bu kavrama göre yaptığınız bir ölçümlere göreceli olan gözlem noktalarından etkilenmemeli. Mesela bir topu yukarıdan bıraktığınızda yere çarpar ve burada yer ifadesinden kasıt evininizin halısı da olabilir dünyanın merkezi de. Her ne olursa olsun bu topun uyacağı kinetik enerji ve hareket yasaları aynı şekilde çalışacaktır. Bu bizim başlangıç noktamız. Schrödinger denklemine yakından baktığınızda momentumun bağımsız olamadığını ve olasılığının lokal (anlık) değişimleri ile denklemi etkilendiğini görüyorsunuz. Başka bir deyişle, parçacığın momentumu dışardan bir etki ile etkilendiğinde bütün denklem çöküyor. Bu da bir kriz tabi ki. Denklemin tek bir parçacık için rölativistik olmayan formu aşağıdaki gibi.

Bu yüzden denklemi modifiye ediyorlar ve vektör potansiyeli kavramını ekliyorlar dengeyi tekrar kurabilmek için. Bu vektörlerin birleşimi de aslında elektromanyetik alanın vektörlerini ifade ediyormuş. Bu büyük bir sürpriz oluyor tabi ki, çünkü düşünülenden daha fazla kuantum alanı olduğunu ispat ediyor bir anlamda. Fakat bu denklemin de tam olarak çalışabilmesi için Dirac 'ın denklemleri ile güncellenmesi gerekiyor. Bu güncelleme ile özel görecelilik ile uyumlu hale geliyor.

İşin içine elektromanyetik alan da girince denklem ayrıca kuantum elektrodinamiklerine göre tekrar güncelleniyor. Bu noktada denklemde başta yaptığımız gibi bağımsızlıkları veya simetrileri sağlayabilecek başka açık noktaları keşfetmemiz gerekiyor. Basit bir deyişle, parçacığın farklı özelliklerine dışardan müdahale edilse bile denklemin hayatta kalabilmesi gerekiyor. Bu şekilde 3 farklı simetri keşfediliyor ve bu simetrileri sağlayabilen kuantum alanları evrende bilinen güçleri de oluşturuyor. Zayıf ve güçlü nükleer güç ve bozonlar.

Şimdi standart modele geri dönelim. Buradaki parçacıklar yaptıkları etkileşim, spin, kütle ve yük özelliklerine göre gruplanıyor. Mesela leptonlar güçlü nükleer etkileşime girmiyorlar. Spin dediğimiz özellik ise temelde momentum ve hizalanma (alignment) bilgilerini ifade ediyor. Bozonlar parçacıklara belli özellikler veren parçacıklardır (bu garip bir cümle evet) ve bu sayede karakterize olurlar. Bir bakıma ölçüm araçlarıdır diyebiliriz. Bu parçacıklar hakkında konuşabiliyoruz çünkü deneylerle ispatlanabiliyorlar. Bu deneylerin en büyüğü Cern 'deki büyük hadron çarpıştırıcısı yani LHC. Burada beklenenden daha fazlası bile keşfedildi.

Cern

Çocuklarınız evde oyuncaklarını birbirine çarparak parçaladığında aslında parçacık çarpıştırma deneyinin minik bir versiyonunu yapıyorlar. Oyuncağın içinden yeni parçalar elde ediyorlar. Bu imkanı yaramaz ve çalışkan bilimadamlarına verdiğinizde parçacıkları ışık hızına çok yakın hızlarda çarpıştıran neredeyse bir kasaba büyüklüğünde bir çarpıştırıcı elde ediyorsunuz. Bu parçacıkları çarpıştırdığınızda atomaltı parçacıkları gözlemleyebiliyorsunuz. Aynı işi çocuklarınız yaptığında ortalığı dağıtmış oluyorlar, bilimadamları yaptığında devrim yapmış oluyorlar :) Bu olay aşağıdaki gibi görünüyor.

Cern 'de bugüne kadar yapılan en büyük ve güncel keşif muhtemelen 2008 'de tamamlanan LHC 'de (Large Hadron Collider) yapıldı. Cern 'deki daha küçük çalışmalarda başka keşifler yapılmış olsa da Higgs bozonu standart modelin ve kütle çekiminin temelini sarsan bir değişiklik oldu. Bir parçacığa kütle özelliği veren yapının Higgs alanı olduğu keşfedildi. Parçacık higgs alanı ile ne kadar fazla etkileşime giriyorsa o kadar kütlesi artıyor. Bu parçacıklar da uzay zamanı büküyor ve genel görecelilik ile kütle çekimi ifade ediliyor. Bu yaklaşım Peter Higgs tarafından 1964 'de önerilmişti. Buradaki higgs parçacığı ise evrenin parçacıklar seviyesinde süper simetrik olup olmadığı konusunda bilgi verebilecek. Bu konuda çalışmalar hala devam ediyor çünkü parçacıkları da bir yere kadar yüksek hızda çarpıştırabiliyorsunuz. Ama uzun lafın kısası, kuantum alanları ve genel görecelilik direkt olarak bir araya gelemiyor.

Bu yüzden de 1930 'lardan beri graviton isimli bir parçacık düşünülüyor. Bu parçacığın kütle çekiminden sorumlu olduğunu kanıtlamaya çalışıyorlar ve gözlemlemeye çalışıyorlar. Kuantum alanları ile eğilip bükülebilen bir uzayzaman dokusu oluşturulup kuantalanamıyor yani bölümlenemiyor. Kuantalama işlemi önemli idi önceki yazıdan hatırlarsanız. Eğer elimizde bir parçacık veya yeni bir kuantum alanı olursa kütle çekiminin de aksiyonunu açıklayabileceğiz. Bilimadamlarına göre parçacıkları yeterince hızlı çarpıştırabilirsek bu gravtion 'lar diğer evrenlere fırlayabilirmiş :)

Bütün bu gözlemler genelde Fermilab, Stanford Linear Accelerator Center veya Cern gibi parçacık hızlandırıcılarda yapılıyor. Buralarda antiparçacıklar da keşfedilmiş durumda. Yani parçacığın aynı kütleli ve ters yüklü olanı. İlk önce Dirac tarafından manyetik alan içerisinde anti-elektron yani pozitron keşfediliyor. Sonrasında 100 yıl boyunca deneylerle diğer anti parçacıklar keşfediliyor ve denklemler ile test ediliyor. Bilimkurgu filmlerinden bildiğiniz gibi parçacık ve antiparçacık da birbiri ile çarpıştığında birbirilerini yok ediyor.

Tabi parçacığın kendisini keşfettikten sonra bu parçacık durur mu durduğu yerde? Bu parçacıklar kuantum alanları ile etkileşime geçerek farklı parçacıkları üretip dönüşebiliyorlar. Hatırlarsanız Feynman diagramları da bu dönüşümleri ifade ediyordu. Mesela bazıları fotonlar gibi kütlesiz. Bazıları (neutrino) dünyanın bir ucundan girip diğer ucundan ortada dünya yokmuş gibi çıkabilir. Ama bu davranışların en enteresan olanı muhtemelen dolanıklılık yani entanglement.

Entanglement

Şu anda kafanızda herşey birbirine girmiş (entangeled) olmalı :) Ama merak etmeyin. Şu aşamada parçacık fiziğinin nasıl işlediğini anlamış olduk. Bundan sonrası çoğunlukla enteresan olayları örneklemekle geçecek. Entanglement dediğimiz şey iki atomaltı parçacığın spin özelliklerinin birbirleri ile bağlı olması durumudur. Hani vudu büyüsü yapılır da oyuncak bebeğe iğne batırılınca gerçek insan etkilenir ya onun gibi :D Kuantum mekaniğinde de bir parçacık gözlemlendiğinde olasılık fonksiyonu sonlanır ve kesinleşir. Bu da anında diğer parçacığın da durumunu etkiler. Bu işlem uzaklıktan bağımsız olarak anlık gerçekleşir ve ışık hızını falan solda sıfır bırakır. Deney aşağıdaki gibi.

Einstein bu olaya "spooky action at a distance" yani "bayram değil seyran değil bu parçacık neden etkilendi" gibi bir yaklaşım getiriyor. Çünkü evrensel hız sınırını aşıyor bu durum. Hakikaten bu sınırın aşılması da Einstein 'ı sinir ediyor. Parçacığın birisi gözlemlendiğinde spin özelliği açığa çıkıyor ve diğeri de sanki bunu biliyormuş gibi anında durumunu değiştiriyor. Bu olay gözlemlenebiliyor gerçekten ama bilinen kuantum mekaniği denklemlerine oturtmak kolay olmuyor tabi. Bilimadamları işi daha ileri götürüp bu gözlemi yapacak farklı deneyler öneriyorlar ve Veritasium youtube kanalında bu deneylerden bu videoda bahsediyor. Olasılıksal durumların gözlemlenmesi ile gerçekten de garip bulgular elde edildiğini açıklıyor.

Gariplikler burada da bitmiyor. Bu dolanık parçacıklar geçmişi yeniden yazıyor gibi görünüyor. Örneğin bir parçacığı kopyalayıp gözlemlediğinizde diğer kopyası da bu gözlemden haberdar olup geçmişe gitmiş ve kendi durumunu güncelleyebilmiş gibi görünüyor. Aşağıdaki video bu durumu açıklıyor ve aslında açıklaması çok basit. Nerede ve ne zaman yaparsan yap, yaptığın gözlem sonuçta olasılık fonksiyonunu etkiliyor ve diğer parçacığı etkiliyor.

Quantum leap (Kuantum sıçraması)

Bir yazı için yeterince bilgi oldu ama kuantum sıçraması önemli bir olay. Bir elektronun atom çevresindeki yörüngelerden birinden birine sıçraması kuantum sıçraması olarak isimlendiriliyor. Bu sıçramanın anında mı olduğu yoksa zaman alan bir sıçrama mı olduğu merak ediliyor. Anında olabiliyorsa kopenhag yorumu bir açıdan doğrulanmış oluyor. Zaman alıyorsa daha deterministik bir evden modelimiz var demektir. PBS spacetime 'ın aşağıdaki videosu bunu açıklıyor ve sonucun aslında direkt olarak çıkarılamayacağını söylüyor. Çünkü bu parçacıklar da bir şekilde manyetik alanda yani gözlem altında. Bu da şu yüzden bana önemli bir olay gibi geliyor. Evren sanki ne kadar derinine iner ve zorlarsanız o kadar fazla geri tepki veriyor gibi. Kesin olarak nitelendirdiğimiz durumlar ve olaylar yanıltıcılık içerebiliyor. Kuantum sıçramasını açıklayan video aşağıda.

Yeniden String (sicim) teorisi

Döndük dolaştık geldik kürkçü dükkanımız olan string teorisine. Bilimadamları genel görecelilik ve kuantum mekaniğini bir araya getiremedi bugüne kadar. String teorisi aslında kendi başına bir blog yazısını hak ediyor ama kesin olarak kanıtlanamamış ve fazlaca varsayımı olan bir grup teori hakkında yazı yazmak çok mantıklı olmayacak. Önceki yazılarda kısaca bahsetmiştim. Şimdi neden "herşeyin teorisi" 'ne ihtiyaç duyulduğunu anlıyorsunuz. String teorisine göre bütün bu garip parçacıklar, alanlar ve davranışlar küçük ip gibi yapıların belli bir frekansa titreşimi ile oluşuyor. Bir kemanın tellerinin farklı frekanslarda titreşerek farklı sesler çıkarması gibi. Bu teorinin test edilmesi de çok çok zor ve belki de imkansız.

Ama bu bilimadamlarını durdurmuyor. İlk string teorisin 1960 'larda önerildi ve inflation (şişme) teorisi ile tekrardan popülerlik kazandı. Bu teorinin big bang, kara delikler, kara madde ve enerji gibi kavramlara getirdiği açıklamalar var. Ama en önemlisi kütle çekimini açıklamaya çalışıyor. String teorisinin farklı versiyonları mevcut. Bazıları çok boyutlu, bazılarına göre paralel evrenler var bazılarına göre de sonsuz sayıda evren var. 10 veya 11 boyutlu versiyonu (M teorisi) en popüler olanları diye biliyorum. Bu çalışmalarda önem arz eden birisi var. Edward Witten, bu boyutları sadeleştirerek bilimadamlarının işini epeyce kolaylaştırıyor. Bu da büyük bir olay aslında. Ne kadar fazla boyut, katlanarak artan karmaşa demek.

Bu şekilde farklı string teorilerinin gelişmesinin sebebi soruna getirdikleri çözüm yaklaşımından kaynaklanıyor. Burada mesela kopenhag veya deterministik yaklaşımı mı benimsedin, paralel gerçeklikler var mı, kütle çekimi için önerdiğin bir parçacık veya yeni bir yapı var mı gibi sorular bulunuyor. Elinizde ipler var ve bu sorulara vereceğiniz cevaplara göre türlü türlü varyasyonlar türetebiliyorsunuz. Bu ipleri neden ve nasıl kullandığınıza göre alternatifler geliştirebiliyorsunuz.

Bana sorarsanız

Bütün bu gizemli olaylara bir çözümüm yok tabi ki ama gerçeklik ve onun işleyişi ile ilgili kendimce matematiksel olmayan bir teorik yaklaşımım var. Bunun için de zamana ihtiyacım var :) Zaten bu noktadan sonra üretilen fikirleri anlayabilmek veya derinlerine inebilmek için insanın bu sorunları anlaması yani bir background 'unun olması gerekiyor. Bu şekilde 4 parçadan oluşan bu yazı dizisi de bitmiş ve büyük resimden küçüğe olan yolculuğumuz son bulmuş oluyor. Umarım aydınlatıcı olmuştur. Bir sonraki yazıda görüşmek üzere :)