Her Şeyin Teorisi

http://static.fizikist.com/img/2015/09/her-seyin-teorisi-m.jpg

Einstein, yaşamının büyük bir kısmını onu bulmak için harcadı fakat başaramadı.

30 yıl önce Stephen Hawking, 2000 yılına gelindiğinde büyük ihtimalle keşfedilmiş olacağı tahmininde bulundu fakat tahminler tutmadı.

Adına nice kitaplar yazılan, uğruna kariyerler adanan, hatta filme bile isim olan fizik biliminin en büyük bilmecesinden, Her Şeyin Teorisi’nden söz ediyoruz.

Böyle bir teori gerçekten var olabilir mi?

Yıldızlardan atomlara kadar evrende meydana gelen her olayı tek başına izah edebilecek bir model oluşturulabilir mi? Bu temel soru düşünen zihinleri meşgul etmeye devam ediyor.

Eski çağlarda doğa olaylarının onları kontrol eden tanrılar tarafından yönetildiğine inanılırdı.

Antik Yunan dönemine gelindiğinde doğa filozofları, farklı olayları farklı tanrıların bilinmez inisiyatifleri ile açıklamak yerine doğadaki işleyişin bilinir ve anlaşılır olan ortak ilkelere göre gerçekleştiği düşüncesini ortaya attı. Bu düşünceye göre farklı doğa olayları onları belirleyen aynı ilkeler bütününe göre gerçekleşmektedir. Daha da ileri gidebilir ve bu ilkelerin de ortak bir çıkış noktası ile ilişkilendirebilir olduğunu ve bu sayede gözlenebilen bütün doğa olaylarını izah eden nihai bir ilkeler bütününe ulaşabileceğimizi iddia edebiliriz. “Her şeyin teorisi” diye adlandırılan bu kavramın ardında benzer bir düşünce yatmaktadır. O halde nihai bir teoriye erişmenin yolu farklı teorileri aynı çatı altında birleştirmekten geçer diyebiliriz.

Evreni yöneten kuralların ve kuvvetlerin birleştirilebilir olduğuna dair ilk ipuçları çok eskilere gider. Örneğin yağmurun yağması, rüzgârın esmesi ve bunun gibi doğada gözlediğimiz nice çeşitlilikte hareketin ve oluşun aslında ortak bir etkileşime, atomların hareketine ve dolayısıyla da bu hareketi yöneten ilkelere indirgenebilir olduğunu söyleyen Demokritus’un bu iddiası yaşadığı dönemin çok ötesinde radikal bir düşünceydi.

Bir diğer ilginç örnek, gökyüzünü ve yeryüzünü iki farklı âlem olarak gören ve dolayısıyla gökte ve yerde gözlenen fenomenlerin farklı kurallar ile izah edilmesi gerektiğini öne süren eski düşüncelerin, Newton’un kütle çekim ilkesi sayesinde yerini birleşik bir teoriye bırakmasıdır. Gezegenlerin ve yıldızların hareketini yöneten kuvvet ile yere düşen nesnelerin hareketini yöneten kuvvetin aynı kütle çekim kuvveti olduğunu göstermek suretiyle Newton, göğün ve yerin kurallarını tek çatı altında birleştirmiştir.

Akla gelen bir diğer çarpıcı örnek manyetik kuvvetler ile elektrik kuvvetlerin birleştirilmesidir. Eski Yunan bilginlerinden Tales, kehribar çubuklarını kedi kürküne sürtmek suretiyle elektriklendirmiş ve bu şekilde çubukların tüy benzeri hafif cisimleri kendine çekebilir hale geldiğini görmüştür. Bazı nesnelerin başka nesnelere sürtünmek suretiyle mıknatıs özelliği kazanabileceği sonucuna varmıştır. Tales her ne kadar elektrik ve manyetik kuvveti aynı şey zannetmekle yanılmış olsa da, bu iki kuvvetin arasında gizemli bir ilişki olabileceğine dair ilk ipucunu keşfetmiştir.

Üzerinden elektrik akımı geçen bir telin yakınında bulunan pusulanın ibresinin saptığını gözlemek suretiyle siz de bu ilişkiye şahit olabilirsiniz.

Nihayetinde İngiliz fizikçi James Clerk Maxwell, hareket eden elektrik kuvvetlerin manyetik kuvvetleri, hareket eden manyetik kuvvetlerin de elektrik kuvvetleri meydana getirdiği gerçeğinden yola çıkarak elektromanyetik teoriyi oluşturmuştur. Bugün biliyoruz ki atomların hareketini yöneten elektromanyetik kuvvet etkileşimleri sayesinde atomlar birbirleri ile bağ yapar, kimyanın ve yaşamın var olması mümkün olur. 2400 yıl sonra haklı olduğunu gördüğümüz Demokritus’tan ilhamla yola devam eden fizikçiler, atomların dünyasında etkin olan elektromanyetik alan etkileşimi ile büyük nesnelerin dünyasını yöneten kütle çekim alanı etkileşimini de aynı çatı altında birleştirip, küçükten büyüğe evrendeki bütün hareket ve oluşu izah edebilecek nihai birleşik teoriye erişmeyi umut etmiştir. Einstein, yaşamının 30 yılını “Birleşik Alan Teorisi” ismini verdiği bu hayali gerçekleştirmek için harcamış, fakat 20.yüzyılda fizikte yaşanan gelişmeler bu işin hiç kolay olmayacağını göstermiştir.

Newton, kütle çekimini bir “kuvvet” olarak tanımlamıştı ancak bu kuvvetin gerçekte ne olduğu ve nasıl ortaya çıktığını kimse bilmiyordu. Benzer bir durum elektromanyetik kuvvet için de geçerliydi. Nihayetinde Einstein, kütle çekiminin gizemini çözdü ve onu bir kuvvet olarak değil, fakat zaman ve mekan dokusunda meydana gelen bir çeşit eğim olarak tanımladı. Kütle çekim etkisi, hareket eden nesnelerin basitçe bu eğimleri takip etmesinden kaynaklanıyordu. Genel rölativite teorisi olarak adlandırılan bu büyük devrimin ardından bir diğer devrim kuantum teorisi ile geldi.

19 yüzyıla gelindiğinde maddenin en küçük yapı taşı olarak atomların varlığı biliniyordu ancak ardından yapılan deneyler atomların çok daha küçük yapı taşlarından (proton, nötron, elektron gibi) oluştuğunu göstermişti. Bu nedenle elektromanyetik kuvvet, atomların doğasını tek başına izah etmeye yetmiyordu. Örneğin atom çekirdeğini meydana getiren protonlar aynı elektrik yüküne sahip olduğu ve benzer elektrik yükleri birbirini ittiği halde atom çekirdeğinde nasıl bir arada durmayı başarır diye sorabiliriz. Bunun olabilmesi için atom altı mesafelerde etkisini gösteren ve elektromanyetik kuvvetten daha güçlü olan yeni bir kuvvetin varlığı gereklidir. Çekirdeği meydana getiren parçacıkları bir arada tutan ve “güçlü nükleer kuvvet” olarak isimlendirilen bu etkileşime ek olarak, radyoaktif maddelerde örneğini gördüğümüz üzere, parçacıkların bozunmasını ve çekirdeğin bu defa kırılmasını sağlayan bir etkileşimin daha var olması gerekir. Bu olayın sorumlusu, elektromanyetik kuvvetten daha zayıf olduğu için “zayıf nükleer kuvvet” olarak isimlendirilen dördüncü bir kuvvettir. [1]

Genel rölativite kütle çekimini izah ederken, kuantum teorisi de elektromanyetik kuvvet, güçlü nükleer kuvvet ve zayıf nükleer kuvveti izah etmeyi mümkün kılmıştır. Buna göre bu son üç kuvvet, madde parçacıkları arasında kuvvet taşıyıcısı diye isimlendirilen özel parçacıkların alışverişi ile ortaya çıkar. Örneğin patenler ile buz pistinde duran ve birbirine top atıp tutan iki kişi, aralarında itici bir kuvvet varmış gibi, gerçekleşen momentum alışverişi neticesinde birbirinden uzaklaşmaya başlar. Momentumun negatif olması halinde ise bu defa birbirlerine yaklaşırlar.

Kuantum elektrodinamik teorisi (QED), elektrik yükü taşıyan parçacıklar arasında çekme-itmeye neden olan elektromanyetik kuvveti buna benzer bir sanal foton alışverişi ile izah eder.

Kuantum kromodinamik teorisi (QCD) benzer bir mekanizmayı güçlü nükleer kuvvet için tanımlarken,

kuantum çeşnidinamik teorisi (QFD) de zayıf nükleer kuvveti izah eder (günümüzde elektrozayıf etkileşim teorisi olarak da bilinir). Bu teorilere göre güçlü nükleer kuvvet gluon adı verilen parçacıkların alışverişi ile ortaya çıkarken zayıf nükleer kuvvet ise W ve Z bozonlarının alışverişine ile ortaya çıkmaktadır.

Elektromanyetik, güçlü ve zayıf nükleer kuvvetlerin sahip olduğu ortak kuantum doğası, onların aynı potada eritilip ortak bir teori altında toplanmasını mümkün kılmıştır.

Günümüzde Standart Model olarak bilinen bu teori başta Sheldon Glashow, Steven Weinberg ve Muhammed Abdus Salam’ın çalışmalarıyla 1970’lerde oluşturulmuştur. Bu teoriye göre önce zayıf nükleer kuvvet ile elektromanyetik kuvvet, elektrozayıf kuvvet adı verilen tek bir kuvvet altında birleştirilmiştir. Ardından enerji seviyesinin daha yüksek olduğu durumlarda elektrozayıf kuvvetin güçlü nükleer kuvvet ile birleşebildiği ve ortak bir birleşik kuvvetin meydana gelmesi gerektiği gösterilmiştir. Bu sayede üç kuvvet, tek bir birleşik teori altında toplanabilmektedir. Evrenin ilk anlarında bu üç kuvvetin simetri koşulu altında tek bir kuvvet halinde var olduğu, sonrasında evrenin soğuması ile düşük enerji seviyelerinde meydana gelen simetri kırılmaları sonucu birbirlerinden ayrıştıkları ve günümüzdeki hallerine geldikleri kabul edilmektedir. [2]

Taşların yerine oturmaya başladığı bu senaryoda açıkta kalan kütle çekim kuvvetinin diğer üç kuvvete nasıl dahil edileceği çözüm bekleyen büyük bir problemdir. Bu problemin kökeninde kütle çekiminin farklı doğası yatmaktadır. Genel rölativiteye göre kütle çekimi, kesintisiz bir yapı olan uzay-zaman dokusundaki eğimden kaynaklanır. Standart modeldekinden farklı olarak parçacık alışverişi mekanizmasına dayanmaz. Bu nedenle kütle çekim etkisi altında hareket eden bir gezegenin hareketi sürekli ve düzgündür. Gezegenin herhangi bir anda yörüngesinde hangi konumda bulunduğunu ve hangi hızla hareket ettiğini kesinlik ile bilebiliriz. Ancak atomların dünyasında etkin olan kuvvetler parçacık alışverişi mekanizmasına dayandığı ve parçacıklar için kuantum belirsizlik kuralı işlediği için, bir parçacığın herhangi bir anda ne yaptığı ve nerede olduğu ancak bir olasılıklar bütünü olarak tanımlanabilir.

Neticede rölativite ve kuantum teorileri birbirinden çok farklı iki gerçeklik ortaya koyar.Her şeyin teorisi, bu iki farklı gerçekliğin ortak çatı altında birleşebildiği bir çözüm sunmak zorundadır. Bu amaca yönelik olarak kütle çekimi, standart modeldeki parçacık alışverişi mekanizmasına uygun olarak modellenmiştir. Bu modeldeki kuvvet taşıyıcı parçacığa graviton adı verilmiştir. Ancak hiçbir deney ve gözlem gravitonun var olduğunu ispatlayamadığı gibi graviton parçacığı düşüncesi beraberinde başka problemler de getirmiştir. İşte bu noktada, kütle çekim teorisini diğer kuvvetlerle birleştirme çabasında karşımıza yeni bir aday çıkıyor:

String Teorisi

Türkçe’ye genellikle sicim teorisi veya tel teorisi olarak çevrilen string teorisi, doğada var olan bütün parçacıkları noktasal formda tarif etmek yerine, belli frekanslarda titreşen küçük teller formunda tarif ederek evrenin aslında bir müzik bestesi olduğunu söylemektedir.

Nasıl ki gitarın tellerinin farklı frekanslarda titreşmesi farklı tonlarda seslere karşılık geliyorsa, sicim teorisinin tanımladığı ve enerji yüklü küçük tellerin farklı frekanslarda titreşmesi de farklı parçacıklara karşılık gelmektedir. Bu mantıktan yola çıkarak standart modeldeki bütün parçacıkları ve kütle çekiminden sorumlu olduğu kabul edilen gravitonu dahi titreşen teller şeklinde yeniden tanımlayabilir ve bu sayede evreni yöneten 4 kuvvetin hepsini aynı teori altında birleştirebiliriz. Ancak bunu yaparken bir bedel ödemek zorundayız. Parçacıkların hepsini tarif edebilmek için tellerin sadece 3 boyutta titreşmesi yetmez. Yeni boyutlara ihtiyaç doğar. Bu nedenle sicim teorisinin bir versiyonu olan M-teorisinde toplam 10 farklı mekan boyutunda gerçekleşen titreşimler tarif edilmektedir. [3]

Bu modelde var olan ek boyutları neden göremediğimiz akla gelen tek soru değildir. Esas büyük soru, bu titreşimlerin sayılamayacak kadar çok değişik versiyonda parçacık ve kuvvet etkileşim kümeleri tarif etmesinin ne anlama geldiğinde yatıyor. Yani sicim teorisi, sadece bir adet “her şeyin teorisi” değil, yaklaşık 10 üzeri 500 adet değişik “her şey” için bir teori tanımlayabiliyor.

“Her şey” derken kastımız elbette evrendir. O halde sicim teorisi, içinde yaşadığımız evrendeki bütün kuvvetleri ve parçacıkları tek bir teori altında birleştirmemiz için bir yol gösterirken öbür yandan bu işlemin 10 üzeri 500 değişik versiyon ile de yapılabilmesinin mümkün olduğunu söyler.

Yani “evren” kelimesinin tek bir evrene karşılık gelmediğini, her birinde kuralların farklı olduğu sayamayacağımız kadar çok değişik versiyonda evrenlerden oluşan bir multievrende (veya mega evrende) yaşadığımızı ima eder. [4]

Ayrıca teorinin baş aktörleri olan titreşen teller o denli küçüktür ki gözlenmeleri neredeyse imkânsızdır. Özetle; eğer sicim teorisi gerçekten genel rölativite ve kuantum teorisini birleştiren teori ise, bu durumda hem her şeyin teorisidir hem de değildir gibi tuhaf bir sonuçla karşı karşıya kalırız. Sanırım “her şey” kelimesinden ne kast ettiğimize bağlı. Deneyle test edilip ispatlanması ise bugün için imkânsız göründüğünden, böyle bir teoriye erişip erişmediğimizi belki de hiçbir zaman bilemeyeceğiz.

İleri okuma ve kaynak;

[1] Dört Temel Kuvvet: Evreni Yöneten Dört Temel Kuvvet - http://evreningercekligi.com/blog/temel-kuvvetler

[2] Simetri kırılması kavramı: Arı, Vural. Rölativite'den Kuantum'a Evrenin Gerçekliği. İstanbul Bilgi Üniversitesi Yayınları, 2015. s.363 ve 368 D&R - K

[3] String teorisinden M-teorisine geçiş: Becker, Katrin. String Theory and M-Theory: A Modern Introduction. Cambridge University Press, 2007. s. 323 - 329

String Theory and M-Theory: A Modern Introduction: Katrin Becker, Melanie Becker, John H. Schwarz: 9780521860697: Amazon.com: Books

[4] String teorisinde evren versiyonları: Susskind, Leonard. The Cosmic Landscape: String Theory and the Illusion of Intelligent Design. Little, Brown and Company, 2005. s.169The Cosmic Landscape: String Theory and the Illusion of Intelligent Design: Leonard Susskind: 9780316155793: Amazon.com: Books