Sicim Kuramı ve İlmek Kuantum Kütleçekimi Aynı Madalyonun İki Farklı Yüzü mü?

Fizikçilerin peşinde olduğu “Her Şeyin Kuramı“nın başlıca iki adayı olan Sicim Kuramı ile İlmek Kuantum Kütleçekimi (İng. loop quantum gravity) aslında aynı şey olabilir. Kuantum mekaniği ..
Görsel Telif: Quanta Magazine

Fizikçilerin peşinde olduğu “Her Şeyin Kuramı“nın başlıca iki adayı olan Sicim Kuramı ile İlmek Kuantum Kütleçekimi (İng. loop quantum gravity) aslında aynı şey olabilir. Kuantum mekaniği ile kütleçekimin uyumsuz olduğunun fark edilişinin üstünden yaklaşık 80 yıl geçti. Bunların nasıl birleştirilebileceği halen çözülememiş bir bilmece olmayı sürdürse de, araştırmacılar bu yönde iki farklı yaklaşım izliyordu: Sicim Kuramı ve İlmek Kuantum Kütleçekimi. Kuantum Mekaniği ile Görelilik Kuramı’nı birleştirerek Her şeyin Kuramı olmayı deneyen bu iki yaklaşım da birbirleri ile uyum göstermiyordu.

Kuantum kuramı ile kütleçekimi birleştirme girişimleri arasında en dikkat çekici olan sicim kuramıydı (SK). Oldukça basit bir öncüle sahipti: Her şey minik sicimlerden oluşur. Bu iplikçikler kendi üstlerine kapanmış da olabilir, açık uçlu da olabilir. Titreşebilirler, esneyebilirler, birleşip ayrılabilirler. Yaptıkları bu etkileşimlerin neticesinde de, gözlemlediğimiz tüm görüngüler oluşur; hem madde hem de uzay-zaman için.

İlmek kuantum kütleçekimi (İKK) ise madde ile daha az ilgili olup, uzay-zamanın kendisinin kuantum özelliklerini konu alır. Uzay-zaman bir ağdır. Einstein’ın kütleçekim kuramındaki pürüzsüz arka planın yerini, kuantum özelliklerin atandığı düğümler, ilmekler ve bağlantılar alır. Böylelikle uzay, ayrık yığınlardan inşa edilmiş olur. İlmek kuantum kütleçekimi büyük ölçüde bu yığınların incelenmesidir.

Uzun süre boyunca bu yaklaşımın sicim kuramı ile uyumsuz olduğu düşünüldü. Kavramsal farklar açık ve derindi. Her şeyden önce İKK uzay-zaman parçalarını incelerken, SK uzay-zamanda bulunan nesnelerin davranışına bakıyordu. Belirgin teknik sorunlar da bu iki alanı birbirinden uzak tutuyordu. SK uzay-zamanın 10 boyutlu olmasını gerektiriyordu; İKK için ise yüksek boyutlara gerek yoktu. SK ayrıca süpersimetrinin varlığına işaret ediyordu; İKK’da böyle bir durum yoktu.

Bunlar ve daha başka bir takım farklılıklar yüzünden kuramsal fizik camiası iki ayrı yaklaşımda kamplaşmıştı. Louisiana State Üniversitesi’nden fizikçi Jorge Pullin şöyle anlatıyor: “Konferanslarda ayrımcılık oluyordu. İlmekçiler ilmek konferanslarına katılıyordu; sicimciler de sicim konferanslarına. Bunlar bir yerden sonra ‘fizik’ konferanslarına bile gitmemeye başlıyordu. Bunun bu şekilde geliştiğini söylemek çok yazık.”

Yine de kampları birbirine iten çok sayıda etken vardı. Yeni kuramsal bulgular, İKK ile SK arasındaki potansiyel benzerlikleri açığa çıkardı. Yeni nesil sicim kuramcıları, araştırmalarında işlerine yarayabilecek yöntem ve araçlar aramak için alanlarının sınırlarından dışarı çıkmaya başladı. Ayrıca kara delikler ve enformasyon kaybına ilişkin paradoksun hala çözülemeyişi de herkese taze bir alçakgönüllülük veriyordu.

Dahası, her iki kuram için de deneysel kanıt yokken, ikisinin aslında aynı madalyonun iki yüzü olduğuna ilişkin matematiksel bir kanıt, bilimcilerin her şeyin kuramını bulma yolunda ilerledikleri düşüncesini destekleyebilirdi. İKK ile SK’nın birleştirilmesi gerçekten de geride başka bir şey bırakmayabilirdi.

Beklenmeyen Bir Bağlantı

İKK’nın bazı içsel sorunlarını çözme çabası, SK ile aralarındaki şaşırtıcı bağlantının ilk ortaya çıktığı yer oldu. İKK çalışan fizikçiler, uzay-zaman yığınlarından oluşan ağlarına nasıl uzaktan bakabileceklerini tam anlayamamışlardı ve elimizdeki en iyi kütleçekim kuramı olan Einstein genel göreliliği ile iyi uyuşan bir büyük ölçekli uzay-zaman tanımına varmışlardı.

Yine de kuramlarının kütleçekimin ihmal edilebileceği özel durumla uyumlu olmaması endişe vericiydi. Yığınlardan oluşmuş uzay-zamana dayanan her yaklaşımın bu duruma düşmesi rahatsızlık vericiydi: Einstein’ın özel görelilik kuramında bir nesne, gözlemcinin göreli hızına bağlı olarak uzunluğu büzüşmüş gibi görünür. Bu büzüşme uzay-zaman yığınlarını da etkileyecektir ve farklı hızlardaki gözlemciler tarafından farklı algılanacaktır. Uyumsuzluk Einstein’ın kuramının temel direklerinden olan fizik yasalarının tüm gözlemciler için aynı olacağı postülası ile sorun yaratır. “Özel göreliliği zora sokmadan ayrık yapılar düşünmek pek mümkün olmuyor,” diyor Pullin. Kendisi 2014 yılında yayımladığı bir makalede, İKK’ni özel görelilik ile uyumlu duruma getirmek için SK’da bulunan etkileşimlerin benzerlerine gerek olduğunu yazmıştı.

Bu iki yaklaşımda ortak birşeyler olması, 1990’ların sonunda Juan Maldacena tarafından yapılmış bir keşiften dolayı Pullin’e olası gözüküyordu. Maldacena uzay-zaman sınırında, bir alan kuramı (CFT) ile anti-de Sitter (AdS) uzay-zamanındaki bir kütleçekim kuramını eşleştirmişti (Bkz. Uzay-Zamanın Kuantum Kaynağı). Yığın-sınır eşdeğerliliğini, yani bu AdS/CFT özdeşliğini kullanarak, kütleçekim kuramını daha iyi anlaşılmış olan alan kuramı ile tanımlamak mümkündü. İkiliğin bütünü tahminiydi, ama sicim kuramının rol oynamadığı iyi anlaşılmış bir limit durumuna sahipti. Bu limit durumunda sicimler önemli olmadığından, herhangi bir kütleçekim kuramında da aynı olmalıydı. Pullin bunu bir bağlantı noktası olarak görüyor.

Sicim kuramı üzerinde çalışan Princeton Üniversitesi kuramsal fizikçilerinden Herman Verlinde, İKK yöntemlerinin söz konusu ikiliğin kütleçekim yanını aydınlatmaya yardımcı olabilmesinin mümkün olabileceğini düşünüyor. Yakın zamanda yayımladığı bir makalede, Verlinde sadece iki uzay boyutu ve bir zaman boyutu olan, yani fizikçilerin deyişiyle 2+1’lik basitleştirilmiş bir AdS/CFT modelini ele almış. AdS uzayının, İKK’de kullanılanlara benzer bir ağ ile tanımlanabileceğini bulmuş. Bu yapılandırma her ne kadar şimdilik sadece 2+1 için işe yarıyor olsa da, kütleçekim hakkında düşünmek için yeni bir yol öneriyor. Verlinde modeli daha yüksek boyutlara genelleştirmeyi umuyor. “İlmek kuantum kütleçekime çok dar bakılıyordu. Benim yaklaşımım kapsamlı. Düşünsel açıdan çok daha ileri görüşlü,” diyor. Ancak AdS uzayında ilerleme kaydetmek adına İKK metodları SK ile başarılı şekilde birleştirilse bile şu soru yanıtlanmıyor: Bu birleştirme ne kadar yararlı? AdS uzay-zamanları negatif kozmolojik sabitlere (evrenin büyük ölçekli geometrisini tanımlayan sayı) sahip oluyor. Bizim evrenimizinki ise pozitif. Yani AdS uzayınınkine benzer matematiksel yapılı bir evrende yaşamıyoruz.

Verlinde pragmatik bir insan. Pozitif kozmolojik sabitli evren için bütünüyle yeni bir kurama gereksinim olduğunu söyleyenler olduğunu belirtiyor ve öyle bir kuramın ne kadar farklı olacağını soruyor. Şu anda aradığımız yapı için elimizdeki en iyi ipucunun AdS olduğunu vurguluyor. Buradan pozitif kozmolojik sabitli bir evrene geçiş yapmak gerektiğini belirtiyor.

Bir Kara Delikte Bir araya Geliyorlar

Hem Verlinde hem de Pullin SK ve İKK camialarının bir araya gelebileceği bir diğer şansa işaret ediyor: Kara deliğe düşen bilginin gizemli yazgısı onları birleştirebilir. 2012’de California Üniversitesi Santa Barbara Kampüsü’nden dört araştırmacı, varolan kuramdaki içsel bir uyumsuzluğu gözler önüne serdi.

Bir kara deliğin enformasyon kaçışına izin vermesi için ufkunun çevresindeki narin boş uzay yapısını yıkması gerektiğini, dolayısıyla yüksek enerjili bir bariyer (bir nevi güvenlik duvarı) yaratacağını ileri sürdüler. Bu güvenlik duvarı, temeldeki genel görelilik kuramına uymuyordu. Çünkü göreliliğe göre, gözlemciler ufku geçip geçmediklerini ayırt edemezlerdi. Bu durumda, kara delik enformasyonunu anladıklarını sanan sicim kuramcılarının konuya tekrar eğilmeleri gerekiyordu.

Tabi meydan okumayla yüz yüze kalan sadece sicimciler değildi. Verlinde neden tartışmanın sadece sicim camiasının sınırları içinde kaldığını anlayamadığını, sonuçta kuantum enformasyon, dolaşıklık ve bir Hilbert uzayının matematiksel olarak yapılandırılması sorularının tam olarak İKK’cıların konusu olduğunu söylüyor.

Bu sıralarda sicimcilerin çoğunun dikkatinden kaçan bir gelişme oluyordu. Bir zamanlar süpersimetri ve ek boyutlar tarafında ortaya konan bariyer de çöküyordu. Almanya’da bulunan Friedrich-Alexander Üniversitesi’nden Thomas Thiemann liderliğinde bir ekip, İKK’yı yüksek boyutlara genişletmiş ve süpersimetriyi kurama dahil etmişti, ki bunların her ikisi de evvelce sicim kuramının alanındaydı.

Daha yakın zamanda ise şu anda Varşova Üniversitesi’nde çalışan ve Thiemann’ın eski öğrencilerinden olan Norbert Bodendorfer, İKK’nın ilmek kuantizasyon metodlarını AdS uzayına uygulamayı başardı. Bodendorfer, İKK’nın AdS/CFT ikiliği için sicimcilerin kütleçekimsel hesaplamaları nasıl yapacaklarını bilemedikleri durumlarda yararlı olabildiğini öne sürdü. SK ile İKK arasındaki uçurumun kaybolmaya başladığını hissediyordu. Sicimcilerin İKK hakkında çok az şey bildikleri için o konuda konuşmak istemedikleri izlenimine kapıldığını belirtiyor. “Ama genç nesil sicimciler daha açık fikirli,” diye ekliyor.

“En büyük fark, sorularımızı tanımlayış biçimimizde. Bilimselden ziyade sosyolojik, ne yazık ki,” diyor Verlinde. İki yaklaşımın anlaşmazlık içinde olduğunu da düşünmüyor. “Bu iki kurama hep aynı tanımın iki parçası olarak baktım. İKK bir kuram değildir; bir yöntemdir. Kuantum mekaniği ve geometriyi düşünme metodlarından biridir. Sicim kuramcılarının kullanabileceği ve zaten kullanmakta olduğu bir yöntemdir. Bunlar bir araya getirilemeyecek şeyler değil,” diye açıklıyor.

Buna herkesin ikna olduğu söylenemez. British Columbia Üniversitesi’nden sicim kuramcısı Moshe Rozali kuşkuculardan biri. “Benim kişisel olarak İKK üzerinde çalımama sebebim özel görelilik meselesi. Eğer yaklaşımınız özel göreliliğin simetrilerine riayet etmiyorsa, o takdirde ara adımlarınızdan birinde bir mucizeye ihtiyacınız var demektir,” şeklinde konuşuyor. Rozali yine de İKK’da geliştirilmiş bazı matematiksel araçların yararlı olabileceğini ekliyor. “SK ile İKK’nın yakınlaşacağı bir orta nokta olacağına ihtimal vermiyorum. Ama normal olarak insanlar metodları önemser ve bunlar yeterince benzer. Bir noktada belki matematiksel yöntemler örtüşür,” diyor.

İKK cephesinde de herkesin birleşme beklediği yok. İKK’nın kurucularından olan ve Marsilya Üniversitesi’nde çalışan Carlo Rovelli alanının yükselmekte olduğuna inanıyor. “Sicim gezegeni on yıl öncekine göre sonsuz derecede daha az kibirli; özellikle de süpersimetrik parçacıkların bulunamayışından ötürü yaşanan büyük hayal kırıklığından beri,” diyor. İki yaklaşımın ortak bir çözümün parçaları olabileceğini ama kendisinin bunu pek sanmadığını söylüyor. Sicim kuramının 80’li yıllardaki vaatlerini gerçekleştiremeyen bir kuram olduğunu ve bilim tarihine “güzel fikir ama doğa öyle değil”lerden biri olarak iz bıraktığını belirtiyor. İnsanların halen ondan umutlu olmalarına da anlam veremediğini ekliyor.

Pullin’e göre ilan edilen zafer henüz olgunlaşmamış. “Geriye bir tek biz kaldık, diyen İKK’cılar var. Ben bu tip bir tartışmaya girmem. Her iki yaklaşımın da çok eksik olduğunu düşünüyorum,” diyor.

Kaynak ve İleri Okuma

Etiket
  • Projelerimizde bize destek olmak ister misiniz?
  • Dilediğiniz miktarda aylık veya tek seferlik bağış yapabilirsiniz.
  • Destek Ol
Yorum Yap (0 )

Yorum yapabilmek için giriş yapmalısınız.

Bunlar da ilginizi çekebilir

Bağış Yap, Destek Ol!
Projelerimizde bize destek olmak isterseniz,
Patreon üzerinden
bütçenizi zorlamayacak şekilde aylık veya tek seferlik bağışta bulunabilirsiniz.
E-Bülten Üyeliği
Duyurulardan e-posta ile
haberdar olmak istiyorum.
Reklam Reklam Ver
Arşiv