Temel Fizikte Çözülemeyen En Büyük 5 Gizem

Son on yılda evrene ve onun işleyişine dair pek çok bilgi edindik. Gerçekliği destekleyen parçacıkları, kuvvetleri ve etkileşimleri belirledik. Kara deliklerin fotoğraflarını çektik. Ancak insanlık olarak evrenin gizemlerini çözmeyi başardık mı? Cevap ne yazık ki hayır.

Bildiğimiz her şeye rağmen, birçok gizem hala devam ediyor. Evren ve onu yöneten yasalar hakkında hala tamamlayamadığımız boşluklar var. Bu boşluklar, önümüzdeki yıllarda fizikçiler tarafından çözülmesi beklenen bulmacalardır. Bu yazıda beş tanesinden bahsedelim.

1-Neden antimaddeden daha fazla madde var?

Gündelik madde proton, nötron veya elektronlardan oluşur. Bu parçacıkların, aynı kütleye ancak zıt elektrik yüküne sahip olan, sırasıyla antiprotonlar, antinötronlar ve pozitronlar gibi antiparçacıklar olarak bilinen karşılıkları vardır. Bilinen evren gündelik maddeden oluşur.

Gizem, 13.7 milyar yıl önce evreni yarattığı düşünülen Büyük Patlama, her ikisini de eşit miktarda ürettiğinden, evrenin neden eşit parça antimaddeden oluşmadığıdır. Madde ve antimadde, elektrik yükleri dışında her bakımdan birbirlerinin ayna görüntüleri gibi görünür. Bu durumda madde ve antimadde birbirleriyle karşılaştıklarında yok olurlar.

antimadde
Madde; yüksüz nötronlar, artı yüklü protonlar ve eksi yüklü elektronlar gibi atom altı parçacıklardan oluşuyor. Antimadde de aynı şey, ancak yükler ters ve inanılmaz bir enerji potansiyeline sahip. Bunun sonucunda da madde ile karşı karşıya geldiğinde ikisini de yok olup enerjiye dönüşüyor. Sorun bu kadar verimli bir kaynak olduğunu bilmemize rağmen antimaddeyi elimizde tutamadığımız için nasıl işleyeceğimizi de bulamıyor oluşumuz.

Ama bu gerçekleşseydi, her ikisinin de tamamen yok olması gerekirdi. Protonlar antiprotonlarla, elektronlar anti-elektronlarla (pozitronlar), nötronlar antinötronlarla vb. birbirini götürmelidir. Ancak bunun olmadığını biliyoruz. Sonuçta bu sayede varız.  Bu durum evrenin gizemleri arasında yerini korumaktadır.

2- Ölçüm Yapmak Kuantum Dalga Fonksiyonunu Nasıl Çökertir?

Elektron, foton ve diğer temel parçacıkların hüküm sürdüğü garip dünyada geçerli yasa kuantum mekaniğidir. Parçacıklar küçük toplar gibi değil, geniş bir alana yayılmış dalgalar gibi davranırlar. Her parçacık bir dalga fonksiyonu ya da olasılık dağılımı ile betimlenir. 

Bu dağılım parçacığın konumu, hızı ve diğer özelliklerine ilişkin bilgi içerir; fakat tam bir netlikte ne olduklarını söyleyemez. Her bir özellik için bir değerler kümesi bulunur ve dalga fonksiyonu bu kümedeki değerlerin olasılıklarını söyler. Net bir yanıt isterseniz, deneysel ölçüm yapmanız gerekir. Ölçümle birlikte daga fonksiyonu çöker ve örneğin konuma ilişkin net ve tek bir yanıt alınır.

Peki nasıl ve neden parçacığı ölçmek dalga fonksiyonunun çökmesini sağlayarak, deneyimlediğimiz bu sağlam gerçekliği yaratır? Ölçüm problemi olarak bilinen bu ezoterik mesele, şayet mevcutsa gerçekliğin ne olduğunun anahtarını saklıyor.

3- Evrenin İki Önemli Gizemi: Karanlık Madde Ve Karanlık Enerji

Görünür ışık ve diğer ışınım türlerini üreten veya bunlarla etkileşime giren görünür madde tüm maddenin %31,5’ini oluşturuyor. Geriye kalanı ise ışıkla etkileşime geçmeyen ‘karanlık madde’. Karanlık madde kendisini sadece kütle çekimsel etkisi ile gösteriyor, galaksilerin dönüş hızını belirliyor ve küme içindeki galaksilerin hızlarını etkiliyor.

Karanlık-Madde

Bu gizemli madde, bildiğimiz normal maddenin beş katından daha fazladır. 20.yüzyılın insanlığa verdiği en önemli derslerden biri de belki bilinen maddenin evrenin yalnızca yaklaşık %4’ünü oluşturduğunun öğrenilmesidir. Bu madde evrende eş dağılımlı olarak bulunmuyor ve kesinlikle devasa boşlukların bir açıklaması değil.

Şu ana kadar ortaya atılan en iyi görüş, karanlık maddenin henüz bilinmeyen temel parçacıklar olan zayıf etkileşimli kütleli parçacıklardan oluştuğu yönünde. Neyse ki, karanlık madde üzerine araştırmalar ve çalışmalar tüm hızıyla devam ediyor. Cevabın, astronomik gözlemlerden ziyade, Büyük Hadron Çarpıştırıcısı gibi deneylerde ortaya çıkan ‘yeni fizik’ sayesinde bulunacağı düşünülüyor.

Diğer taraftan, evrende daha gizemli ve daha sıkıntılı bir şey daha var. ‘Karanlık enerji’nin varlığı 1990’larda, astronomlar kozmik genişlemenin hızlandığını keşfettiğinde ortaya atıldı. Hesaplamalar karanlık enerjinin evrenin %71’ini oluşturduğunu gösteriyor.

Evren’in genişlemesine yol açan karanlık enerji Evren’in kütle enerjisinin yaklaşık üçte ikisini oluşturur. Bu, kozmologları oldukça şaşırtan bir sonuçtu. Çünkü, karanlık enerji tüm Evren’i etkileyen kütle çekimi bastırmış ve Evren’in kontrolünü yaklaşık beş milyar yıl önce ele geçirmişti.

Karanlık enerji uzayın kendisinin dahili bir özelliği veya antikütle çekimi gibi etki eden beşinci bir kuvvet olabilir. Evrenin bu gizeminin cevabını henüz bilmiyoruz.

4- Evrenin Geleceğinde Ne var?

Evrenin geleceği bilinmeyen bir omega faktörüne bağlı. Evrendeki madde ve enerji yoğunluğunun bir ölçüsü olan Ω faktörü eğer 1’den büyükse, uzay-zaman tıpkı bir küre gibi kapalı demektir. Karanlık enerji yoksa, evrenin genişlemesi eninde-sonunda duracak ve bu kez büzüşme başlayacak demektir. Sonunda da evren kendi içinde çökecek, yani Büyük Çökme gerçekleşecektir. Eğer evren kapalı ama karanlık enerji de mevcut ise, küresel evren sonsuza dek genişleyebilir.

Ω faktörü 1’den küçükse, evrenin geometrisi açık bir yapıda demektir. Bu durumda nihai son, Büyük Donma’yı izleyen bir Büyük Yırtılma olacaktır. Evrenin dışa genişlemesi gökadaları ve yıldızları birbirlerinden uzaklaştıracak, ardından da genişleme hızı o denli artacaktır ki, atomları bir arada tutan kuvvetleri bile etkisiz kılacaktır.

Ama eğer Ω=1 ise, evren düzdür ve sonsuz bir düzlem olarak genişler. Eğer karanlık enerji yoksa, böyle bir düzlemsel evren sonsuza dek genişler, fakat giderek azalan bir genişleme hızı olur ve durmaya yaklaşır. Eğer karanlık enerji varsa, düz evren de sonunda Büyük Yırtılma deneyimi yaşayacaktır.

5- Doğanın Temel Yapı Taşları Sorunu

Evrenimizde var olan her şey, anladığımız kadarıyla, parçacıklardan ve alanlardan oluşur. Temel düzeyde, bölünebilirlik sınırına ulaşana kadar her şeyi parçalayabilirsiniz. Sonucunda bir şey daha fazla bölünemediğinde, gerçekten temel olan bir varlığa ulaştığımızı ilan ederiz.

Evrenimizin üç temel kuantum kuvvetine aracılık eden bozonlar

Şu anki anlayışımıza göre, bilinen temel parçacıklar var. Bunlar temel parçacık fiziğinin Standart Modeli tarafından temsil ediliyorlar. Ancak doğası gereği, henüz bilemediğimiz parçacıklar da var. Bu parçacıklar karanlık madde, karanlık enerji ve Evrenimizde madde-antimadde asimetrisini yaratmaktan sorumlu parçacık ya da parçacıklardır.

Ancak Standart Model’de bile, tam olarak yeterli açıklamamızın olmadığı şeyler var. Standart Model iki tür parçacıktan oluşur. Bunlar çeşitli temel kuvvetlere aracılık eden bozonlar ve ve Evrendeki tüm normal maddenin oluştuğu fermiyonlar. Bozonların her birinin yalnızca bir kopyası varken, nedense fermiyonik parçacıkların her birinin üç kopyası vardır: bunlar üç nesilde gelirler.  Standart Model’in üç kuşak doğası, evrenin en büyük gizemlerinden biridir.

Sonuç olarak gördüğünüz gibi Evrenin doğası hakkında çözüm bekleyen bilmeceler var. Yoksa karanlık maddeyi, karanlık enerjiyi, madde-antimadde asimetrisinin kökenini ve birçok şeyi asla anlayamayacağız.


Göz Atmak İsterseniz


Kaynaklar ve ileri okumalar:

  • The Universe’s 7 biggest mysteries (and why they’re unsolved); yayınlanma tarihi: 16 Şubat 2021; Bağlantı: https://www.sciencefocus.com
  • The 18 biggest unsolved mysteries in physics; Yayınlanma tarihi: 27 Şubat 2017; Bağlantı: https://www.livescience.com
  • Why are there exactly 3 generations of particles? Yayınlanma tarihi: 7 Haziran 2022; Bağlantı: https://bigthink.com
  • The 5 greatest puzzles in fundamental physics. Yayınlanma tarihi: 8 Ekim 2023; Bağlantı: https://bigthink.com/s

Matematiksel

İrem Şalk

Çocukluğumda matematiğe ve lise ile birlikte ise fiziğe ilgi duymaya başladım. Şu an İTÜ-Fizik mühendisliği 4. Sınıf öğrencisiyim. Hayal etmeyi ve yeni şeyler keşfetmeyi sevmemin; doğa ve sanata olan düşkünlüğümün temelinde evrenin bu köşesinde anlamaya çalıştığımız doğa bilimlerini görüyorum. Bu yüzden, benim doğa da gördüğüm hayran bırakacak güzelliği, kaosu ve sadeliği, belirlenemez ve belirlenebilir davranışları imkanım olduğu kadar başkaları ile paylasabilmek için yazılar yazma kararı aldım. Hep birlikte yüzümüzü aydınlığa ve bilime dönebilmemiz umuduyla.

Bu Yazılarımıza da Bakmanızı Öneririz