Fizik

Sicim Teorisi Gerçekten Sicimler Hakkında mıdır?

Sicim teorisi elbette sicimler hakkında değildir. Bu teori parçacık fiziğinde, kuantum mekaniği ile Einstein’in genel görelilik kuramını birleştirmeyi hedefler. Fizikçilerin tek bir matematiksel resimde tüm kuvvetlerin ve maddenin açıklamasını bir araya getirme hayalidir.  “Her Şeyin Teorisi” adayı olarak sicim teorisi, çeşitli teorik bilmeceler ile ilgilidir. Bunların en temel olanı da elektronlar ve fotonlar gibi küçük nesnelerde kütle çekiminin nasıl çalıştığıdır.

Sicim teorisinin fikirlerini ve amaçlarını anlamak için geriye dönüp fiziğin Newton’dan günümüze nasıl geliştiğini görmek faydalı olacaktır. Newton’un zamanından beri fiziği yönlendiren önemli bir fikir, birleştirme fikridir. Bu görünüşte farklı fenomenleri tek bir kapsayıcı kavramla açıklama anlamına gelir. Belki de bunun ilk örneği, 1687 tarihli Principia Mathematicae adlı çalışmasında, Ay’ın Dünya çevresindeki hareketi ile bizi Dünya’da tutan kuvvetin aynı olduğunu açıklayan Newton’un kendisinden geldi. Bu elbette yerçekimi kuvveti idi. Bu fikirden önce düşen bir elma ile Ay’ın yörüngesi arasında bağlantı olduğu hakkında bir fikrimiz yoktu.

Bir sonraki önemli birleştirici keşif, Newton’dan yaklaşık 180 yıl sonra İskoç matematikçi James Clerk Maxwell’den geldi. Maxwell, elektrostatik ve manyetizmanın, elektromanyetizma denen tek bir şeyin yalnızca farklı yönleri olduğunu gösterdi. İki yüz yıl sonra, 1984’te Pakistanlı Abdus Salam ve Amerikalı Steven Weinberg, elektromanyetik kuvvetin ve radyoaktif bozunmaya neden olan zayıf nükleer kuvvetin, elektrozayıf kuvvet olarak adlandırılan tek bir kuvvetin sadece farklı yönleri olduğunu gösterdi.

Daha İyisini Yapmak Mümkün mü?

Şimdiye kadar üç kuvvetten bahsettik: Yerçekimi, elektrozayıf kuvvet ve protonları bir arada tutan güçlü nükleer kuvvet. Peki madde hakkında ne biliyoruz? Parçacık hızlandırıcı ile yapılan deneyler, maddenin sadece on iki temel yapı taşı olduğunu göstermiştir. Bunlar temel parçacıklar olarak bilinir. Burada veya uzak yıldızlarda gördüğümüz her şey, sadece bu on iki temel parçacıktan yapılmıştır. Kısacası tüm Evren, sadece üç kuvvet ve on iki temel nesne tarafından açıklanabilir. Bu iyi, ama daha iyisini yapmak isteriz. Bu noktada da yeni bir birleştirme girişimi olarak sicim teorisi karşımıza çıkar. Ancak sicim teorisi nedir sorusuna cevap vermeden önce biraz daha ek bilgi vermemiz gerekir.

20. yüzyıl fiziğinde iki büyük atılım oldu. Belki de en ünlüsü Einstein’ın genel görelilik kuramıdır. Diğer eşit derecede etkileyici teori ise kuantum mekaniğidir. Genel göreliliğin kendisi de bir birleşmedir. Einstein, uzay ve zamanın, uzay-zaman adını verdiği tek bir nesnenin yalnızca farklı yönleri olduğunu fark etti.

Tıpkı bir trambolinin üzerine yerleştirilen bilardo topunun yakındaki bir bilyenin yuvarlanacağı bir çukur oluşturması gibi, gezegen gibi büyük bir cisim de uzayı çarpıtarak yakındaki nesnelerin kendisine çekilmesine neden olur.

20. yüzyılın diğer büyük atılımı ise kuantum mekaniğiydi. Buradaki ana fikirlerden biri, dünyaya baktığınız ölçek ne kadar küçükse, karşımıza çıkan sonuçların rastgele şeyler olmasıydı. Rastgeleliğin doğanın dokusunun bir parçası olduğu fikri devrim niteliğindeydi. Daha önce fizik yasalarının nesnelerin boyutuna bağlı olmadığı kabul edilmişti. Ama kuantum mekaniği ile bu fikrin küçük şeyler için geçerli olmadığını gördük. Burada fizikçiler aynı soruyu bir daha sordular.

Kuantum Mekaniği İle Göreliliği Birleştirirsek Ne Olur?

Parçacık fizikçileri, evreni açıklamak için “Standart Model” adlı bir teori kullanırlar. 1970’lerde geliştirilen bu model, her şeyi oluşturan ve evreni bir arada tutan doğanın temel parçacıklarını ve güçlerini tanımlar. Bununla birlikte, Standart Model genel görelilik teorisine uymaz. Fizikçilerin bir çoğu her ne kadar eksik olsa da standart model ile çalışmaktan memnundur. Ama bir bölümü de yeni bir fizik arayışına girmiştir. Bu fizikçilerden biri olan Leonard Susskind, 1969’da sicim teorisi fikrini geliştirmiştir.

Göreliliğe göre uzay-zaman esneyebilen ve bükülebilen bir şeydir. Kuantum mekaniği, küçük ölçeklerde işlerin rastgele olduğunu söylüyor. Bu iki fikri bir araya getirmek, çok küçük ölçeklerde uzay-zamanın kendisinin eninde sonunda rastgele hale geldiğini ima eder. Ancak bu gerçekleşmediğine göre, görelilik ile kuantum mekaniğini birleştirmede yanlış bir şeyler olmalı. Ama ne? Bu teorilerin her ikisi de iyi test edilmiştir ve doğru olduğuna inanılmaktadır. O zaman başka bir detaya bakmamız gerekir. Aklımızın bir köşesinde kalan, doğanın bölünmez temel yapı taşlarının nokta benzeri olduğudur. Ancak bu mutlaka doğru olmayabilir. İşte bu noktada fizikçilerin aklına sicim teorisi gelmiştir.

Sicim Teorisi Nedir?

Sicim teorisi, doğanın temel yapı taşlarının noktalar gibi değil, sicimler gibi olduğunu iddia eder. Farklı parçacıklar ve kuvvetler, çok sayıda farklı şekilde titreşen sicimlerdir. Sicimler belirli bir frekansta titreşirse kuark oluşturabilir. Başka bir frekansta biraz farklı titreşirse de bir elektron veya foton oluşturabilir. Sicim kuramında sicimlerin uçları bir parçacık ve onun karşı parçacığıyla, örneğin bir elektron ve bir pozitronla ilişkilidir. Sicimin titreşimi bu yüklü çift arasında faaliyet gösteren kuvveti taşır.

Sicim teorisinin arkasındaki matematik uzun ve karmaşıktır, ancak ayrıntılı olarak çalışılmıştır. Ancak sorun bugüne kadar bu sicimleri gören kimsenin olmadığıdır. Yine de, sicim teorisi şimdiye kadar yerçekimi ve kuantum mekaniğini birleştirmenin bilinen tek yoludur. Arka plandaki matematiksel zarafeti ise birçok bilim insanı için onu takip etmeye devam etmek için yeterli nedendir. “Sicim teorisi gerçekten de doğru bir uzay-zaman modeliyse, o zaman bize dünya hakkında başka ne söylüyor? ” sorusunun cevabı da gerçekten ilgi çekicidir.

Boyut Sorunu

Sicim teorisi sadece uzay-zamanın on boyutunda çalışır. Peki bu altı ekstra boyut nerede? Gizli boyutlar fikri aslında Alman Theodor Kaluza ve İsveçli Oskar Klein tarafından sicim teorisinin ortaya çıkmasından yıllar önce ortaya atılmıştı. Einstein, genel görelilikte uzayın bükülmesini tanımladıktan sonra, Kaluza ve Klein, uzaysal bir boyutun bükülüp yeniden birleşmesi sonucunda ne olabileceğini düşünmüşlerdi. Bu boyutlar çok küçük olacağı için muhtemelen gözlemlenme şansları olmayacaktı. Kaluza ve Klein, buna rağmen, bu boyutların algıladığımız dünya üzerinde bir etkisi olabileceğini gösterdiler.

Fazladan boyutlar sarılıp altı boyutlu bir halka haline; yani Calabi-Yau uzayları olarak bilinen, sayıları bir milyonu aşkın altı boyutlu şekillerden birine dönüştürülebilirler.

Sicim teorisi Kaluza-Klein fikrini benimsemiştir ve şu anda gizli boyutları denemek ve gözlemlemek için çeşitli deneyler tasarlanmaktadır. Bir umut, ekstra boyutların kozmik mikrodalga arka plan üzerinde yani Büyük Patlama’dan kalan radyasyon üzerinde bir iz bırakmış olabileceği ve bu radyasyonun ayrıntılı bir çalışmasının bunları ortaya çıkarabileceğidir. Diğer deneyler daha doğrudandır. Yerçekimi kuvveti büyük ölçüde boyutların sayısına bağlıdır. Bu nedenle yerçekimi kuvvetlerini kısa mesafelerde inceleyerek Newton yasasından sapmaları tespit edebilir ve ekstra boyutların varlığını görebiliriz.

Ancak kütle çekimini kısa mesafelerde ölçmek uzun mesafelerde ölçmeye benzemez. Kütleler küçük olduğu zaman, aradaki kütle çekiminin de ölçülmesi neredeyse imkansız derecede azdır. Son yıllarda yapılan yoğun çalışmalar sayesinde fizikçiler, kütle çekiminin bir milimetrelik mesafede bile nasıl değiştiğini ölçmeyi başardılar. Elde ettikleri bulgulara göre bir milimetreye kadar olan mesafede kütle çekimi kuvveti büyük ölçeklerde nasıl davranıyorsa gene aynı şiddetteydi. Bu, farklı boyutların mevcut olmadığı anlamına gelmez.. Sadece boyutların, bir milimetreden bile küçük olabilecekleri anlamına gelir.

Sicim Teorisi İle İlgili Sorunlar ve Sorular

Matematik ve fizik her zaman birbirini etkilemiştir. Sicim teorisi bu nedenle birçok matematikçiye ilham veren çalışmalara neden olmuştur. Bunlar, gizli boyutların olası geometrileri, minimum bir mesafe olduğunda geometrinin temel fikirlerinin ne olacağı, sicimlerin ayrılıp bir araya gelme yolları gibi konulardır. Sicim teoremi hala varsayımsal bir teoridir. Bir teorinin tamamıyla tutarlı ve matematiksel olarak da cezbedici olması onun bilimsel anlamda geçerli olacağı anlamına gelmez. Bu nedenle kimi fizikçiler sicim teorisinin geçerliliğini yitirdiğini düşünmektedir. Sonuçta teori Planck uzunluğu seviyesindeki objelerle ilgilendiği için, şu ana kadar bilimsel anlamda test edilmesi mümkün olmamıştır.

Sicim teorisi tarafından tahmin edilen dinamikler, uzay-zaman boyutlarının sayısı ve şekilleri tarafından belirlenir. Bu boyutları seçmenin de birden fazla yöntemi vardır. Yaklaşık olarak söylemek gerekirse bu rakam, 10500‘den fazladır. Bu da evrendeki bütün parçacıkların sayısından fazladır. Yapılan çalışmaların bu rastlantısal seçim fazlalığını azaltacağını ümit edebiliriz. Ama parametre sayısına baktığımızda önde daha çok yol var gibi gözükmektedir.

Açık olan tek bir şey var: evren, hala keşfedilmeyi bekleyen sırlarla doludur. Bu nedenle sicim teorisi, teorinin nasıl bir araya geldiğini ve etrafımızda gördüğümüz dünyayı nasıl ürettiğini görmek için çalışan yüzlerce insanın çalıştığı aktif bir araştırma alanıdır. Bazı araştırmacılar, sicim teorisinin bir gün sonuç vereceğini iddia ediyor. Ancak teorinin nihai kaderi henüz belli değildir.


Göz atmak isterseniz


Kaynaklar:

Matematiksel

Sibel Çağlar

Merhabalar. Matematik öğretmeni olarak başladığım hayatıma 2016 yılında kurduğum matematiksel.org web sitesinde içerikler üreterek devam ediyorum. Matematiğin aydınlık yüzünü paylaşıyorum. Amacım matematiğin hayattan kopuk olmadığını kanıtlamaktı. Devamında ekip arkadaşlarımın da dahil olması ile kocaman bir aile olduk. Amacımıza da kısmen ulaştık. Yolumuz daha uzun ama kesinlikle çok keyifli.
Başa dön tuşu