Herşeyin Teorisi

Birleşik alan teroisine doğru

1968 genç İtalyan fizikçi Gabriele Veneziano çekirdeğin içinde nötron ve protonları bir arada tutacak olan güçlü çekirdek kuvvetini açıklayacak matematiksel bir denklem arayışı içindeydi.

Bu esnada eski bir matematik kitabını karıştırırken iki yüz sene önce ortaya konmuş bir denklem dikkatini çekti.İsviçreli Matematikçi Leonhard Euler tarafından yazılmıştı denklem.Bir yıla yakın bir süre denklem üzerinde matematiksel bir merakla düşünen ve çalışan Veneziano sonunda yaptığı çalışmaların “güçlü çekirdek kuvvetini”-(strong nuclear forces) açıklayabildiğini gördü.Çalışmasını kısa zamanda yayınlayarak büyük bir başarı elde etti.Bu “string teorisini”nin de başlangıcı oldu. idi.Suskind basit ama hayranlık uyandırıcı denklemi alarak evin üst katındaki bir odada inzivaya çekildi.Formül üzerinde çalışıp epeyce oynadıktan sonra denklemin sadece “güçlü çekirdek kuvvetini” açıklamakla kalmadığını ,soyut sembollerin altında gizlenen yeni bir şeylere ,yeni bir prırıltıya da işaret ettiğini kavradı.Denklem sanki bir parçacığı tarif etmekteydi.Bir noktadan ibaret olmayan sürekli titreşen bir parçacıkdı bu.

Teoriden etkilenenlerden birisi de Amerikalı fizikçi “Leonard Suskind”Suskind bu parçacığı fiziksel olarak ortadan kesilmiş bir paket lastiğine (string) benzetti.Lastik band sadece esneyip büzülmüyor aynı zamanda diğer yönlere de hareket ediyordu.Suskind çalışmalarını bilimsel bir dergide yayınlamak istedi.Ancak dergiden gelen cevap çalışmanın yayınlanmak için yetersiz olduğu şeklindeydi.Suskind bu cevap sonrası bir çeşit depresyona girdi.

http://img694.imageshack.us/img694/6527/suskind.jpg

Fizikte “Standart Model”

Fizikte uzun yıllardır maddenin yapıtaşları olan atom ve atom altı parçacıklar küresel yapılar olarak düşünülmektedir.Kuantum fiziği deneysel olarak hızlandırılmış parçacıkları birbirine çarpıştırarak meydana gelen olayları ve ortaya çıkan yeni parçacıkları incelemekteydi.Bu esnada onlarca yeni parçacığın ortaya çıktığı görülmüştü.Neredeyse her ay yeni bir parçacık bulunuyordu.Rho Mezon, Omega,B,B1 ,B2, Phi vb. bulunan yeni parçacıkları alfabenin harfleri tanımlamaya yetmemeye başlamıştı.

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/0/00/Standard_Model_of_Elementary_Particles.svg/553px-Standard_Model_of_Elementary_Particles.svg.png

Fizikçiler doğa kuvvetlerinin parçaçıklar üzerinde yapılan çalışmalar ile açıklanabileceğine inanıyorlardı. Örneğin elektromanyetizmanın haberci partiküllerin (messenger particule) (kuvvet parçacığı-particule of force ve foton) iki maddenin atomları arasında karşılıklı atılması sayesinde oluştuğu düşünüldü.Karşılıklı atılan haberci parçacıkların sayısı ne kadar çok ise bizim hissettiğimiz manyetik güç o denli fazla oluyordu.Bu parçacıkların bulunması ile “elektromanyetik güç” ve “güçlü ile zayıf çekirdek kuvvetleri” arasında bağlantı kuracak ,Einstein da yıllarca peşinde koştuğu “birleşik alan kuramı” (unified field theory) konusunda büyük bir adım atılmış oldu.

Büyük patlama anına doğru geri sayım...

Fizikçiler bu günü geriye doğru takip edip 14 milyar yıl önce gerçekleşen büyük patlama esnasında trilyonlarca derece ısıya sahip yoğunlaşmış çekirdek içersinde hangi güçlerin etkin olduğunu anlamaya çalıştılar.Bugünden büyük patlamanın gerçekleştiği ilk anlara doğru film geri sarıldığında “elektromanyetik güçler ile zayıf ve güçlü çekirdek güçlerinin” birbirinden ayrılamaz olduğu bir anı keşfettiler..Tam bu anda “zayıf çekirdek kuvveti” ile “elektromanyetik kuvvet” birbiri içinde kaynaşmış tek bir kuvvet halindeydi: Bu kuvvete “elektrozayıf kuvvet”(EW=electro weak force) adı verildi. Fizikçiler kozmik filmi biraz daha geriye sardıklarında EW ‘nin “güçlü çekirdek kuvveti ile bir arada olduğu bir ana ulaşacaklarını düşündüler.Bu güç ise “süper güç” (super force) olarak adlandırıldı.Bu öngörüler deneysel olarak ispatlanmış değil ancak söz konusu kuvvetlerin atom altı seviyede nasıl işlediğini kuantum fiziği açıklayabilmektedir. bu kuvvetlerin tümünün etkileşimi anlamamızı sağlayan bu temel parçacık fiziği teorisine Sheldon Galshow ve Steven Weinberg“standart model” adını verdi.Bu buluş katkısı olan pek çok fizikçiye Nobel ödülü kazandırdı.

String teorisi çalışmaları

Standart modelin açıklamadığı bir tek alan kalmıştı.O da “yerçekimi” (gravity) -kütle çekimi idi.Bu alanın diğer güç alanları ile birleştirilmesi “string” kuramını inceleyen fizikçileri başlıca konusu haline gelmişti.String teorisine inanan fizikçiler deneysel oalrak gözlemlenemeyen-doğa dışı bir alan ile ilgili çalışmalarını yürüttükleri için fizik camiasından dışlandılar.String kuramcılarının bahsettiği parçacıklardan birisi özellikle ilginçti. “Takyon” adı verilen (fizik dışı) bu parçacığın kütlesi olmadığı için görülemediği ve ışıktan daha hızlı hareket ettiği öne sürülüyordu.Diğer bir öngörü ise teorinin on veya daha fazla boyut gerektirmesiydi.

1973 yılına gelindiğinde “string teorisi” ile ilgilenen az sayıda fizikçi çözümü çok zor görünen problemler ile uğraşıyorlardı.Bunlardan birisi olan John Schwarz matematiksel olarak takyon adı verilen kütlesiz ve doğada bulunmayan garip parçacıktan kurtulmaya ve boyutların sayısını dörtte tutmaya çalıştı.Ancak bunu başaramadı.Bunun üzerine değişik bir bakış açısı ile yaklaştı ve atomun milyarda biri boyutunda yerçekimi(gravity) sorumlu olan parçacık: “graviton” un varlığını ileri sürdü.Graviton denilen parçacık baştan beri sözü edilen “string”di.Böylece atom altı seviyede kuantum fiziğinin açıklayamadığı yerçekimi kuvvetini “string teorisi” açıklanmış oluyordu.Bu çalışmasını yayınladı ancak fizik camiasından neredeyse hiç tepki gelmedi.Yine de Schwarz, Michael Green ile birlikte yılmadan çalışmaya devam etti.

1980 lerin başlarında Schwarz ve Green’in çalışmaları sonuç verdi ve matematiksel olarak(ama deneysel değil) string teorisi ispatlandı.Bu çalışmaların duyulması ile string teorisi ile ilgilenen fizikçilerin sayısı arttı.Daha geniş ölçüde (basın-seminer ve konferanslar) teori tanıtılmaya başlandı.

Kuantum fiziği maddenin en temel yapıtaşının atomlar ve atomları oluşturan proton ve nötronlar olduğunu daha da ileri gidildiğinde ise proton ve nötronları oluşturan “kuarklar” ile karşılaşıldığını ileri sürüyordu.String teorisi ise kuarkların da ötesinde bir yapıtaşı önerdi. Titreşen, hayal edilemeyecek ölçüde küçük enerji string’leri…Eğer atomu bir güneş sistemi boyutunda düşünürsek bir string’in boyutu ancak bir ağaç kadar olabilir.

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/8/8a/String_theory.svg/284px-String_theory.svg.png

String teorisinin özü şu ana fikre dayanır.Eğer bir keman telinin farklı titreşimleri (frekansları) nasıl farklı notalar olarak algılanıyorsa,string’lerin farklı titreşimleri de parçacıkların farklı kütle ve elektrik yüklerine sahip olmaları olarak algılanır.Böylece titreşen enerji yüklü string’ler evrenin büyük ve muhteşem senfonisini oluşturabilirler.

Deneysel olarak ispatı bahsedilen ölçeklerde mümkün olmadığında teorinin bilimsel olup olmadığı sorgulanabilir.Matematik yöntemleri açısından teori açıkça ortada ve güvenlidir.Ancak deneysel olarak doğruluğunun açıkça gösterilememesi bu teorinin fiziğin bir dalına ait olmadığı ve felsefi bir görüşten öteye gidemeyeceği düşüncesini uyandırmıştır.

Zayıf ve Güçlü nükleer Kuvvet & Elektromanyetik Kuvvet

Zayıf Nükleer Kuvvet nedir?

Zayıf nükleer kuvvet ya da zayıf kuvvet, pek çok parçacığın ve hatta pek çok atom çekirdeğinin kararsız olmasından sorumludur. Zayıf kuvvetin etki ettiği parçacık, bozunarak, kendisiyle akraba bir parçacığa dönüşür. Bu esnada bir elektron ile bir nötrino çiftini ortaya çıkartır.

Enrico Fermi, 1930'ların ortasında zayıf kuvvet için genel bir formül buldu. Daha sonra teori, George Sudarshan, Robert Marshak, Murray Gell-Mann ve Richard Feynman tarafından geliştirildi.

* Kuvvet her parçacığa evrensel bir şekilde etki eder. Şiddeti her parçacık için aynıdır.

* Çok kısa menzillidir.

* Adından da anlaşılacağı üzere, kuvvet oldukça zayıftır.

* Zayıf kuvveti taşıyıcıları W+, W-'dir. Bu parçacıklar 1980'lerin başında bulunmuştur. Spinleri 1, kütleleri çok büyüktür. Ayrıca yüksüz akım taşıyıcısı Z0 da zayıf kuvvet taşıyıcılarından biridir.

Günümüzde üç temel kuvvet kabul edilmektedir. Zayıf kuvvetin, elektromanyetik kuvvet ile aynı tür olduğu 1984 yılında ispatlanmıştır.

Güçlü Nükleer Kuvvet nedir?

1970'li yıllara kadar Proton ve nötronlar'ın temel parçacıklar olduğu düşünülüyordu ve kuvvetli etkileşim ifadesi bugün nükleer kuvvet olarak bildiğimiz çekirdek içi kuvvetler için kullanılmaktaydı. Gözlemlenen kuvvet aslında kuvvetli etkileşiminin mezon ve baryonlar, yani hadronlar üzerindeki kalıntı etkileri idi. Bu kuvvet atom çekirdeğindeki protonlar arasındaki elektrostatik itme kuvvetini yenerek çekirdeği bir arada tutabilecek kadar güçlü olmalıydı; bu nedenle çekirdek içi etkileşim, güçlü etkileşim olarak adlandırıldı. Kuarkların keşfini ile birlikte bilimadamları kuvvetin protonlara değil, onları oluşturan kuark ve gluonlara etki ettiğini anladılar. Farkın anlaşılmasının ardından eski kavram kalıntı güçlü etkileşim, yeni kavram ise renk kuvveti olarak adlandırıldı.

Kuarklar ve gluonlar arasındaki etkileşim güçlü etkileşim olarak adlandırılır ve bu etkileşim Kuantum renkdinamiği kuramı (QCD) ile betimlenir. Güçlü etkileşim, gluonlar tarafından taşınan ve kuarklar ile karşı-kuarklara, ayrıca gluonların kendilerine etki eden kuvvettir. Gluon, Latince kökenli bir kelime olup, İngilizcedeki Glue kelimesinden gelmekte ve yapışkan madde anlamını karşılamaktadır.

Güçlü etkileşim doğrudan temel parçacıklara etki ediyor olmasına rağmen bu kuvvet hadronlar arasındaki nükleer kuvvet olarak da karşımıza çıkar. Güçlü etkileşime giren parçacıkların doğrudan gözlemlenmesinin olanaksız olduğu pek çok serbest quark gözlemleme çalışmasının başarısızlıkla sonuçlanması sonucu anlaşılmıştır. Sadece hadronların gözlemlenebilmesi görüngüsü asimptotik özgürlük kuramı ile açıklanır.

Elektromanyetik Kuvvet nedir?

Elektrik kuvveti, yüklü iki parçacığın birbirini ittiği (yükleri aynı işaretli ise) ya da bibrirlerini çektiği (yükleri zıt işaretli ise) kuvvettir.

Manyetik kuvvet, elektrik yüklü bir parçacığın manyetik alandan geçerken üzerine etki eden kuvvettir. Bir manyetik alan, bir sarmalın sarımlarında dolaşan elektron örneğinde olduğu gibi, elektrik yüklü parçacıklar hareket ettiğinde ortaya çıkar.

Elektromanyetik kuvvet ise elektrik kuvveti ve manyetik kuvvet birbirleri ile ilişkilidir. James Clerk Maxwell , 1873'te elektrik ve manyetik kuvvet alanlarının uyduğu eksiksiz denklemleri bulmayı başardı ve böylece günümüzde elektromanyetizma denilen kuramı elde etmiş oldu.

Elektromanyetik kuvvetin temel parçacıklara etki ederken gösterdiği özellikler şu şekilde sıralanabilir.

* Kuvvet, elektrik yükü üzerine evrensel bir şekilde etkir.

* Kuvvet, çok büyük bir menzile sahiptir (manyetik alanın yıldızlarası etkisi vardır).

* Kuvvet oldukça zayıftır. Kuvvetin şiddeti, elektron yükünün karesinin 2hc (2 x Planck sabiti x ışık hızı)'na bölümüne eşittir. Bu oran yaklaşık 1/137,036 dır.

* Bu kuvvetin taşıyıcısı, durgun kütlesi sıfır, spini 1 olan ve foton denilen bir parçacıktır. Fotonun kendisinin elektrik yükü yoktur.

Tarihte elektrik ve manyetizmanın ilk etkileri Çinliler ve Yunanlar tarafından incelenmiştir. Yunanlar bir parça kehribarın sürtüldüğünde bazı nesneleri çektiğini gözlemlemiştir. (Elektron kelimesi kehribarın yunanca karşılığından türemiştir). Daha sonra Oersted, Coulomb, Ampere, Biot, Savart ve Gauss'un teorik ve deneysel çalışmalarıyla elektrik ve manyetizma ile ilgili gelişmeler sağlanmıştır. Deneysel açıdan elektrik ve manyetizmaya en büyük katkının Michael Faraday tarafından yapıldığı söylenebilir. Bütün bu bilim adamlarınca biriktirilen bilgiler James Clerk Maxwell tarafından dört denklem altında toplanmıştır. Bu denklemler Maxwell denklemleri olarak bilinir ve kuantum fiziği öncesi bilinen bütün elektrik ve manyetik görüngüleri açıklamaktadır.

Paralel Evrenler ve String Teorisi

Boyutlar (Dimensions)

Newton fiziği üç boyutluydu.En-boy ve genişlik.Einstein ise fiziğe zamanı dördüncü boyut olarak dahil etti.

http://img46.imageshack.us/img46/1731/genelgorecelik.jpg

String teorisyenlerinin 1985 den itibaren yaptıkları çalışmalar ile birbirinden farklı beş değişik string teorisi oluştu.Kendi içinde matematiksel olarak tutarlı bu teoriler en,boy hacim ve zamandan oluşan bilindik dört boyuta kendi üzerine kıvrılmış ve bizim için tamamen görünmez halde bulunan altı boyut daha öngörüyordu.Boyutların varlığı string teorisinin matematiksel tutarlılığı açısından olmazsa olmaz bir koşuldu.Tek ve tutarlı bir string teorisi yerine farklı beş teorinin bulunması arzu edilen ve tek bir evreni inandırıcı şekilde izah edebilen bir durum değildi.

Edward Witten

Beş farklı string teorisi aklı karıştırmakta iken dünyanın yaşayan en büyük fizikçisi olarak Einstein’ın varisi olarak gösterilmeye başlanan Institute for Advanced Study de (İleri çalışmalar enstitüsü:Princeton,New Jersey de Albert Einstein, John von Neumann ve Kurt Gödel gibi fizikçilerin Amerika’ya göç etmelerinden sonra çalıştıkları enstitüdür) öğretim üyesi olan Ed Witten ortaya çıktı.

http://img46.imageshack.us/img46/6141/witten.jpg

1995 de Güney Kaliforniya'da yapılan yıllık String fizikçileri kongresinde Ed Witten yaptığı sunumlarla birbirinden farklı beş string isminin nereden geldiği pek açık olmasa da M-Teorisi adı altında tek bir çatı altında toplamayı başardığını gösterdi.

Bu ad bazılarına göre gizem(mysterious) bazılarına göre sihir (magic) bazılarına göre matrix anlamına gelmektedir.M teorisi diğer teorilerden farklı olarak “on” değil “onbir” paralel evren öngörmektedir.

Diğer string teorilerinden farklı olarak on birinci paralel evreni de öngören M Teorisi ,stringlerin yanı sıra membransı dev yapıların varlığını da öngörüyordu.Eğer string yeterince enerji elde edebilirse dev bir membran (kısaca brane deniyor) halinde uzanarak tek başına üç veya daha fazla boyutlu bir evren haline dönüşebiliyordu.

http://img19.imageshack.us/img19/438/membrane.jpg

Paralel evrenler

Evrenimiz olarak düşündüğümüz yer acaba çok daha büyük bir şeyin parçası olamaz mı?Bize komşu ama fark etmediğimiz başka dünyalar olabilir mi? Savas Dimopoulos belki de bizim daha yüksek boyutlu bir uzayın içinde yüzen üç boyutlu bir katman üzerinde yaşıyor olabileceğimizi söylüyor.

http://img19.imageshack.us/img19/9531/dimopoulos.jpg

Savas Dimopoulos CERN’de ve Stanford Universitesinde parçacık fiziği üzerinde çalışmaktadır...İstanbulda doğan Dimopoulos, 1950 ve 60’larda etnik gerginlikler yüzünden Atina’ya göç etti..Houston üniversitesinde okuduktan sonra Chicago üniversitesinde doktorasını tamamladı ..1980’lerde Stanford üniversitesinde öğretim üyeliği yaptı ve şu anda CERN çalışmalarına katılmak üzere oradaki pozisyonundan ayrılmış bulunuyor.Standart modelin ötesine uzanan çalışmaları şu anda partikül çarpıştırıcılar üzerinden yapılan deneyler ile test edilmekte. “Minimal Supersymmetric Standard Model” (MSSM) ve Nima Arkani-Hamed ve Gia Dvali ile birlikte geliştirdikleri Large Extra Dimensions” (geniş ekstra boyutlar) üzerine teorileri ile tanınıyor.

Paralel evren düşüncesini anlamak ve algılamak son derece güçtür.Zira insanın duyu organları sadece üç boyutu (zamanı da biyolojik saatimiz bakımından dahil edersek) dört boyutu algılamaya müsaittir.Sinemada bir film seyrettiğinizi düşünün.Burada olaylar fiziksel dünyanın bir benzerini taklit ediyor gibi görünse de sadece iki boyut mevcuttur.Perde boyunca enine ve boyuna bir hareket.Oysa ileri-geri yani derinlemesine bir hareket perde üzerinde gerçekleşemez.Örneğin kahramanın üzerine uzaktan hızla gelen bir araba görüntüsü gerçek bir hareketi göstermez ,sadece optik bir yanılsamadan (uzaktaki arabanın perde üzerinde gittikçe büyümesi) ibarettir.Eğer araba veya kahraman filmden aniden çıkarak(Woody Allen’in “Kahirenin Mor Gülü” filminde olduğu gibi) seyirciyi ezmez ya da yanına oturmaya kalkışmaz ise tabi…

Paralel evrenlerin yer aldığı ana evreni (bulk) fizikçiler bir ekmek somunu gibi düşünmektedir.

http://img192.imageshack.us/img192/5986/paralelevren1.jpg

Bu somunun dilimlenmesi esnasında her bir dilimin bir evrene karşılık geldiğini düşünebiliriz.İşte biz de bu dilimlerden birisinde-kendi evrenimizde yaşıyor olmalıyız.

http://img192.imageshack.us/img192/932/paralelevren2.jpg

Komşu dilimlerde ise başka evrenler olmalı.Bu everenlerde maddeler ve fizik yasaları bizimkine benziyor olabilir.Ya da çok daha tuhaf bize göre farklı yasalar işliyor olabilir.

http://img192.imageshack.us/img192/2265/paralelevren3.jpg

İşin ilginç yanı bu evrenlerin bizim evrenimizle neredeyse iç içe geçecek kadar (bir milimetreden daha) yakın olduğu düşünülmektedir.

http://img19.imageshack.us/img19/2205/membran2.jpg

Peki neden bu evrenlerden haberdar değiliz? Zira bir membrana yapıştığı düşünülen o evrene ait yapılar bu evrenden dışarı asla kaçamazlar.O yüzden iki membran-evren arasındaki mesafe ne denli küçük olursa olsun bu iki evrene ait parçacıklar birbirine temas edememektedir.Bu durumda string lerin biçimleri önceden düşünüldüğü gibi kapalı titreşen bir halka biçiminde olmayacaktır.Aksine Bir yarım daire oluşturacak şekilde iki ayakları ile membran yüzeyine tutunmuş olarak tasvir edilmeleri gerekir.

http://img707.imageshack.us/img707/4978/stringopen.jpg

Ancak tam bir halka şeklinde olan bir string de vardır.Graviton isimli bu string bir istisna teşkil etmektedir ve evrenler arasında bağ kurması olası string de budur.

http://www.felsefeforumu.com/images/resim/kozmos/stringclosed.jpg

Bilardo masası-membrana yapışan parçacıklar örneği

Gravitonun nasıl membrandan kaçabileceğini hayal etmek için bilardo masası örneğine bakalım.Bir bilardo masası bir evren olsun ve membran şeklindeki bu evrene yapışık bilardo topları hareket edecek ve birbirleriyle çarpışacaklar ancak membran üzerinde kalmaya devam edeceklerdir.,tıpkı bizim evrenimizde hareket eden ve çarpışan parçacıklar gibi…Ancak her çarpışma bilardo masasının dışında duyulan bir ses duyulmasına yol açar.Bu ses dalgasıdır ve toplar kaçamadığı halde bilardo masasının membranından kaçabilmektedir.

http://i46.tinypic.com/v6ho9c.jpg

İşte bu ses dalgalarının kaçması gibi graviton denilen string’lerin evrenimizden başka evrenlere kaçabileceği düşünülmektedir.Gravitonlar başka evrenlerle ilişki kurmamızı sağlayacak parçacıklar olabilir.

http://i48.tinypic.com/15g860l.jpg

Kaynaklar:

Elegant Universe Documantery Part II-III

tr.wikipedia.org/wiki/Standart_Model

zamandayolculuk.com

Güzel anlatım sitede NEVERMORE un açtığı bi başlık vardı bu konunun belgeselini de o başlığı bulup izleyebilirsiniz.Sting teorisini daha iyi anlamanıza yardımcı olucak bir belgesel tadında video.Videoyu yapanlar sa bu teorideki fizikçi ve araştırmacılar...