Popüler bilimde sıkça
karşımıza çıkan, bilim kurgu türü filmlerde gizemli olayları çözmek için
kullanılan ve Stephan Hawking’in bir ömürlük rüyasını oluşturan Sicim Teorisi,
en yalın haliyle Einstein’ın ünlü genel görelilik kuramını ve parçacık
fiziğindeki kuantum mekaniğini birleştirmeyi amaçlar. Peki neden böyle bir
teoriye ihtiyaç duyuyoruz?
Annelerimizin ya da büyüklerimizin yaptığı örgü ve
dantelleri hatırlıyorsunuzdur. Ne hikmetse aynı iplikler farklı şekillerde
örüldüğünde ortaya farklı desen ve örnekler ortaya çıkardı. İşte sicim teorisi de
biraz buna benzetilebilir: Evrenimizi oluşturan örülmüş iplikler (Bu müthiş
benzetme için Kozmik Anafor’a müteşekkiriz).
Sicim teorisinin, genel görelilik ile kuantum mekaniğini birleştirmeyi
amaçladığını söylemiştik. Peki, bu iki teoriyi birleştirme ihtiyacı nereden
doğdu? Bunu anlamak için sanırız önce genel görelilik ve kuantum mekaniğini anlamamız
gerekiyor.
1915 yılında Albert Einstein tarafından yayınlanmış olan genel
görelilik teorisi, Isaac Newton tarafından inşa edilen klasik fizik teorisini
geçersiz kılmış ve evrendeki makro olayları tamamen farklı bir perspektiften
açıklamaya çalışmıştır. Örneğin Newton’un yaptığı açıklamalar kütle çekimini
vektörel bir kuvvet olarak ele alırken Einstein’a göre kütle çekimi uzay-zaman
dokusunun bükülmesiydi. Yani Newton, kütleli cisimler birbirleri üzerinde çekme
kuvvetine sahiptir derken; Einstein kütleli cisimler uzay-zaman dokusunu
büktüğü için etrafındaki cisimlere ivmeli bir hareket kazandırır diyordu.
Konuyu daha iyi tariflemek için şu örneği verebiliriz: Dünya
üzerindeki tüm uydular aslında ‘serbest düşme’ hareketi yapmaktadırlar. Ancak
kütle çekimi Newton’un söylediği gibi çizgisel bir kuvvet olmadığı ve
uzay-zamanın bükülmesi nedeniyle yörüngesel bir düzlemde gerçekleştiği için serbest
düşme hareketi de gezegenin yörüngesinde çok uzun süreler boyunca gerçekleşir.
Eğer kütle çekimi vektörel bir kuvvet olarak alınacak olsaydı, dünyanın
çevresindeki uyduların yörüngede dolanması imkânsız olurdu; bunun yerine itme
gücünü kestiğiniz anda dünyaya geri düşmeleri beklenirdi.
Aslında bakarsanız genel görelilik kuramı da klasik fiziğin
yetersiz gelmeye başlaması sayesinde doğdu. Newton’un formülleri yani klasik
fiziğin matematiği uçaklar yapıp uçmamızı sağladı belki; ancak daha ötesi için
genel göreliliğe ihtiyacımız vardı. Bugün küresel konumlandırma sistemlerinden
(GPS), uzay yolculuklarına kadar her alanda genel görelilik kuramının gücünden
faydalanıyoruz.
‘Kütle çekim kuvveti üzerine kurulmuş’ olarak
sayabileceğimiz genel görelilik teorisi makro ölçekteki olayları açıklamamızı
sağlayabiliyorken atom altı ölçekte gerçekleşen olayları açıklamakta
başarısızdır. Bunun sebebi genel görelilik teorisinin başarısız olması değil;
atom altı dünyada etkili olan kuvvetlerin tamamen farklı oluşudur. Kütle
çekimi, dört boyutlu uzay-zamandaki gezegenlerin, yıldızların, nebulaların ve
diğer tüm cisimlerin üzerinde etki eden en önemli kuvvetlerden birisiyken atom
altı dünyada tüm önemini kaybetmektedir. İşte tam da burada devreye kuantum mekaniği
girmektedir.
İlk defa Thomas Young isimli bir fizikçinin, 1801 yılında yaptığı
–ve herkesçe bilinen– ünlü çift yarık
deneyi, ışığın dalga özelliğini göstermek için hazırlanmıştı. Bu tarih
kuantum mekaniğinin ve ışığın dalga-parçacık ikiliğinin keşfinin çok öncesine
tekabül eder. Bu deney 19. yüzyılın başında elektron, foton gibi özel
parçacıklarla tekrarlanınca, bir de olaya gözlemci dahil olunca çıkan sonuç
sadece fizik dünyasında değil, felsefe dünyasında da tam bir deprem etkisi
yarattı.
Deneyi tekrarlayan bilim insanları, deneyde madde olarak
elektron kullandılar. Önce elektronları tek yarıktan atan araştırmacılar bekledikleri
gibi bir sonuç aldılar. Yani arka taraftaki panelde tek çizgi halinde bir iz
oluştuğunu gördüler. Daha sonra yarık sayısını ikiye çıkarttıklarında ve
elektronları tekrar gönderdiklerinde ilginç bir şeyle karşılaştılar: Elektronlar
dalga gibi hareket etmişlerdi. Dalga özelliğinde, dalgalar yarıklardan geçtiği
zaman arka tarafta birbirlerine tekrar çarparak panelde bir girişim modeli oluşturur.
Elektronlar da aynı özelliği göstererek bilim insanlarını şaşkına çevirdi. Bu
sefer elektronların birbirine çarptığını düşünerek işlemi değiştirdiler ve
elektronları tek tek göndererek deneyi yeniden gerçekleştirdiler. Fakat sonuç değişmedi;
yani elektronlar tek tek gönderildiği halde iki yarık olduğunda dalga gibi
davranmaya devam etmişlerdi.
Bunun sebebini anlamak için yarıkların dibine bir sensör
yerleştirerek elektronları incelemeyi düşündüler ve deneye tekrar başladıkları
zaman elektronların bu sefer tanecik özelliği gösterdiğini ve panelde sadece
iki iz oluşturduğunu gözlemlediler. Bu deneyin sonucunda evreni klasik fizik
yoluyla anlamanın imkânsız olduğu fark edilince kuantum dünyası bilim insanlarının
ilgisini daha fazla çekmeye başladı.
Kuantum alan teorisine göre, her parçacığın kendine ait bir
alanı vardır. Bu alanlar her ne kadar matematiksel olarak anlatılsa bile
matematiğe başvurmadan, zihnimizde canlandırarak da anlamaya çalışabiliriz. Bunun
için kuantum alanlarını, üst üste binmiş denizler olarak düşünelim. Bu
denizlerin her birinin farklı sıvılardan oluştuğunu ve uçsuz bucaksız
olduklarını düşünelim (Burada amaç bu dalgalı yüzeylerin birbiri ile nasıl
etkileştiğine değinmektir). Bu sıvılardan biri dalgalanınca –eğer dalga
yeterince güçlü ise– diğer denizleri de etkileyecek ve o denizlerde de dalgalanmalara
sebep olacaktır.
İşte buna benzer bir durum kuantum alan teorisinde de söz
konusudur. Kuantum alan teorisinin bize söylediği, her bir dalganın kendi alanı
içinde elektron ya da foton gibi bir parçacığı oluşturduğudur. Bu parçacıklar
kendi alanlarında dalgalandıklarında bazen diğer alanları da etkileyip onların
da dalgalanmasına sebep olur. Parçacık ve dalga aynı şey olduğu için parçacık
da bu diğer alanda farklı bir parçacığın oluşmasına neden olur. Bu da
parçacıkların etkileşimi olarak bildiğimiz durumdur. Feynman diyagramları ile
ifade edilen bu etkileşimler her şeyin temelini oluşturmaktadır; yani maddenin.
Burada, maddenin enerjiden oluştuğunu anlıyoruz. Özel görelilik teorisinde de enerjinin
maddeye dönüşebildiği söylenmektedir. Yani bu iki teori temelde maddenin ne olduğu
konusunda hemfikir gibidir.
Kuantum alan teorisine göre her parçacık tipi için bir alan
vardır. Yani evrendeki bütün fotonlar için aslında tek bir alan (foton alanı)
vardır ya da evrendeki bütün elektronlar için bir elektron alanı vardır.
Parçacıklar sadece evrenin belirli noktalarında bulunurken, örneğin boşlukta
bulunmazlarken, bu alanlar evrenin her bir noktasına yayılmış durumdadırlar.
Buraya kadar anlattıklarımızdan görüldüğü üzere, kuantum
teorisi ve görelilik teorisi birbirinden farklı alanları işliyor. Genel
görelilik makro ölçekteki evreni anlamamıza yardımcı olurken atom altı dünyada
işler tamamen değişiyor. Belki de iki teorinin de en temel ortak noktası enerji
ve enerjinin dönüşebilir oluşu.
Her şeyi önünde sonunda enerjiye bağlayıp duruyoruz fakat
tam da burada bu enerjinin ne olduğundan bahsetmezsek olmaz. Bu nedenle bu
aşamadan sonra sicim teorisine geçiş yapabiliriz; yalnız bu teorinin büyük
oranda matematiğe ve dolaylı bazı çıkarımlara dayandığını söylememiz gerekiyor.
Sicim teorisi, her şeyin temelde ‘sicim’ adı verilen ve
iplik parçalarına benzeyen yapılardan oluştuğunu söyler. Yani maddeler
atomlardan; atomlar ise proton, nötron ve elektronlardan oluşur. Proton ve
nötronlar kuarklardan; kuarklar ve elektronlar ise sicimlerden (ipliklerden)
oluşur.
Önceleri maddenin en küçük atom altı yapıtaşlarının boyutsuz
noktasal parçacıklar olduğu düşünülüyordu ancak 1984 yılında Queen Mary
Kolejinden Michael Green ile California Teknoloji Enstitüsünden John Schwarz
evrenin boyutsuz noktasal parçacıklardan değil, sürekli titreşen tek boyutlu
planck uzunluğunda olan ipliksilerden oluştuğunu öne sürdüler. Peki her şey bu
sicim denen tek boyutlu ipliklerden oluşuyorsa o halde bu aynı iplikler
birbirinden farklı maddeleri nasıl oluşturuyor? Cevap basit: Sicimlerin
titreşim frekansının farklı olması farklı maddelerin oluşmasını sağlıyor. Bu
ise bize tüm maddeleri oluşturan şeyin titreşim, yani bir çeşit enerji olduğunu
ifade ediyor.
Her ne kadar kafa karıştırıcı ve lüzumsuz gibi dursa da
sicim teorisinin ortaya çıkması için oldukça geçerli bir sebep var: Bu teori kütle
çekimi ile diğer kuvvetleri birbirine bağlamaya çalışıyor çünkü kütle çekimi
diğer kuvvetlerin aksine oldukça zayıf ve bunun bir nedeninin olması gerekiyor
(Eğer kütle çekiminin çok kuvvetli olduğunu düşünüyorsanız, bir tarağı veya
pipeti saçlarımıza sürterek ufak kâğıtları nasıl da kendisine çekebildiğine
bakın. Kütle çekimini kolaylıkla yendiniz!)
Sicim teorisinde, kütle çekiminin zayıflığı matematikten
faydalanılarak açıklanmaya çalışılıyor. Buna göre, evrende farklı boyutlar var
ve bu farklı boyutlar enerjilerin gücünün belirlenmesinde önemli rol oynuyor. Tıpkı
yıldızından uzaklaştıkça enerjisi azalan fotonlar gibi her tür enerji,
kaynağından uzaklaştıkça gücünü kaybediyor. Kütle çekimi de bir tür enerji
olduğuna göre, kaynağından ne kadar uzaklaşırsa enerjisini de o kadar
kaybedecektir. Bu yüzden makro dünyanın altında, yani atom altı dünyada
işlevini tamamen yitiriyor (Çünkü daha alt seviyede bir alana geçiyor ve
kaynağından tamamen uzaklaşmış oluyor).
Bilim insanları da tam olarak bu durumu açıklayabilmek için
fazladan boyutlar olduğunu ileri sürdüler. Theodor Kaluza isimli bir
matematikçi 5 boyutlu bir evrende kütle çekimini incelerken bu evrendeki kütle
çekiminin bizim evrenimizdekine çok benzediğini gördü. Çünkü eğer evren aslında
5 boyutlu ise bizim evrenimizde kütle çekiminin neden daha güçsüz olduğu da
anlaşılır. Üç boyutlu evrende yayılan bir enerjinin nasıl ki 2 boyutlu bir
evrende sadece bir parçası tespit edilebiliyorsa, 5 boyutlu bir evrende yayılan
kütle çekimi de 4 boyutta haliyle daha zayıf görünecektir. Bu fikir sicim
kuramının temelini oluşturmaktadır.
Burada işler biraz daha karışıyor çünkü sözde "var olan
ama görülemeyen" bu 5. boyut kulağa çok mantıklı gelmediği ve görünürde
varlığına dair bir kanıt olmadığı için Oskar Klein isimli fizikçi bu boyutların
kompakt olması gerektiği fikrini ortaya atmıştır. Ayrıca, bu fazladan evrenin 3
uzay ve bir zaman boyutu olan evrendeki ileri-geri, sağ-sol kavramlarına benzer
yeni bir yöne sahip olduğunu da ileri sürmüştür. Bu yön bir çember misali
boyutun kendi üzerine katlanmasından ya da bir bakıma kendi etrafında hareket
etmesinden oluşuyordu. Buradan Kaluza-Klein teorisi ortaya çıkmıştır.
Daha sonradan bu tezin güçlü nükleer kuvvet gibi diğer
kuvvetleri açıklayamadığı görüldü. Bu gibi açıkları kapatmak için gereken
boyutları da ekleyince kompakt halde toplam 11 boyut olması gerektiği
hesaplandı.
Görüldüğü üzere sicim teorisi, kuantum mekaniği ile genel
göreliliği birleştirmeye ve bu şekilde evreni makro ve mikro ölçekte anlamaya
çalışmaktadır. Üstelik birbirinden ayrı gibi görünen ve etkileri birbirinden çok
farklı olan nükleer kuvvet, yer çekimi kuvveti ve elektromanyetik kuvvet gibi enerji
alanlarını birleştirmeyi amaçlamaktadır. Bilim insanlarının bu çabaları sayesinde,
belki de şu an elimizdeki teorilerin tek tek yapamadıklarını yapabilecek ve
evrenimizi her yönüyle açıklayabilecek bir teoriye ulaşabiliriz.
Kaynaklar
