Her şeyin teorisi

19’uncu yüzyılın sonunda bilim insanları atomun maddenin en temel yapıtaşı olduğunu düşünüyordu. Bunun ardından atomun merkezindeki nötron, proton ve çevresinde dönen elektronlar keşfedildi. 1960’lı yıllarda ise nötron ve protonların da quark adı verilen yapıtaşlarından oluştuğu bulundu. 

Bilim insanları maddenin quark ve leptonlardan daha küçük yapıtaşları olmadığını düşünüyor. Yani atom seviyesinde artık inilebilecek en düşük noktada bulunmaktayız. Dünyada, çevremizde gördüğümüz her şey quark ve leptonlardan oluşuyor. Bir proton iki yukarı ve bir aşağı quarktan, bir nötron ise iki aşağı ve bir yukarı quarktan oluşuyor. Bunun yanında ise elektron ve sadece radyoaktivite durumunda ortaya çıkan elektron nötrino bulunuyor. 

Doğa burada durmuyor. Üç kuşak başka quark ve leptonlar da bulunuyor. Bunlar standart maddede rastladığımıza göre daha ağırlar. 

Bütün bunların yanı sıra  tüm parçacıkların anti-madde karşılıkları bulunuyor. Anti-madde karşılıkları parçacıklarla aynı fiziksel yapıda fakat tersi yüklü. 

Dört temel kuvvet

Peki bu parçacıkları ne bir arada tutuyor? Şu ana kadar maddenin bir arada durmasına etki eden dört temel kuvvet keşfedildi. Bunlardan biri Dünyamızın, Güneş’in etrafında yörüngede durmasını sağlayan yerçekimi. İkincisi ışık ve elektrik gibi ışımalardan sorumlu elektromanyetizm. Üçüncüsü radyoaktiviteden sorumlu olan zayıf nükleer kuvvet. Dördüncüsü ise atom çekirdeğinde proton ve nötronları bir arada tutan güçlü nükleer kuvvet. 

Peki kuvvet tam olarak nedir? Modern görüş kuantum alan teorisiyle kuvvetlerin tanımlanmasından ibaret. Bu teoriye göre kuvvet, maddeyi oluşturan yapıtaşları arasında taşınan ya da iki küme yapıtaşı arasındaki etkileşim sonucu ortaya çıkan çekim. Kuvvet taşıyıcı parçacıkların en bilineni fotonlardır. Fotonlar elektromanyetik kuvveti taşır. İki elektron birbirini ittiği zaman bunu bir foton takas ederek yapar. Yapılan deneylerde gluonların güçlü nükleer kuvvet, W ve Z parçacıklarının ise zayıf nükleer kuvvetin taşınmasından sorumlu oldukları 1970 ve 80’li yıllarda keşfedildi. Bütün bunlar son dönemde keşfedilen Higgs bozonu ile birleştirildiğinde fizikteki standart modelin aşağı yukarı neyle ilgili olduğunu anlıyoruz. 

Fizikte standart model son derece karmaşık bir matematik çerçeve içinde parçacık fiziği konusunda kesin hesaplar yapar ve şu ana kadar tüm deneylerden başarıyla çıkmıştır. Arkasındaki matematik o kadar kesindir ki, bilim insanları yukarı quark olmadan bu modelin işlemeyeceğini hesaplamış ve bu parçacığın varlığını öngörmüştür. Yukarı quark 1995 yılında keşfedilmiştir. 

Birçok insan standart modeli 20’nci yüzyılın en büyük düşünsel başarısı olarak görür. Ama henüz bunu söylemek için çok erken çünkü cevaplanmamış birçok soru var. 

Yerçekimi

Standart modelin eksik kaldığı noktalardan biri yerçekimidir. Einstein’a göre yerçekimi sayesinde elmalar yere düşer ve Dünyamız, Güneş’in etrafında döner. Güneş gibi dev kütleler uzay zamanı büzer ve bir yıldızın etrafında dönen gezegen aslında düz bir yol izlemeye çalışmaktadır. Ancak büzülen uzay-zaman nedeniyle yıldızın etrafında döner. (Bu keşifle birlikte artık okullarda öğrenilen Euklit geometrisi bir tarafa bırakılarak 19’uncu yüzyılda yaşamış bir matematikçi olan Bernhard Riemann’ın eğilimli geometrisi öğrenilmeye başlandı.)

Standart model, kuvvetlerin parçacıklarla taşındığı konsepti üzerine kurulmuştur. Standart modelde daha önce yerçekiminin “graviton” adı verilen parçacıklarla taşındığı düşünülüyordu. Bu tabii ki İzafiyet Teorisiyle boşa düştü. 

Birleşmeye doğru

Einstein’in İzafiyet Teorisi ile standart modeli buluşturmak için birçok girişimde bulunuldu. Bu karmaşık matematiksel denklemlerle ifade edilen iki modeli buluşturmak, düşünsel bir işten ziyade matematiksel bir çaba gerektiriyor. 

Bu konudaki ilk girişimlerden biri 1920’li yıllarda Alman fizikçi Theodor Kaluza tarafından yapıldı. Kaluza, Einstein’in yerçekimi teorisi ile James Clerk Maxwell’in eletromanyetik teorisini birleştirmeye çalıştı. 

İçinde yaşadığımız evren dört boyuttan oluşuyor. Uzayın üç boyutu var. Sağ-sol, yukarı-aşağı ve ileri-geri. Dördüncü boyut ise zaman. Kaluza, Einstein’in teorisini uzayın beş boyutu varmış gibi yeniden yazdı. Kaluza bu şekilde iki teoriyi matematiksel olarak mükemmel şekilde birleştirdi. Beşinci boyut yerçekimi alanına bazı ekler yapıyordu. Kaluze bu ekleri Maxwell’in elektromanyetik alanı olarak düşündü. 

Beşinci boyutu neden göremiyoruz?

1926’da İsveçli fizikçi Oskar Klein, beşinci boyutun diğer dört boyut gibi olmadığını bir dairenin çevresine eklemlenmiş gibi durduğu için görmek için çok küçük. olduğunu ortaya koydu. Bunu daha iyi anlamak için basit bir analoji kullanalım. İnce bir ipin üzerinde yürüyen karıncayı düşünün. Karınca ipin her tarafında yürüyebilir. Bunu ipin aynı zamanda yuvarlak olan şekline borçludur. Karıncanın farkında olduğu bu çok boyutlu durum uzaktan bakan biri için ise yoktur. Uzaktan ipi gören onu tek boyutlu bir çizgi olarak görür. Çünkü ek boyut gizlidir. 

Klein da Kaluza’nın beş boyutlu evreni ve hesaplamalarını bu şekilde anlattı. Beşinci boyut görülemeyecek kadar küçük ve belirsizdi ve bu yüzden biz dört boyutlu bir dünya içinde yaşadığımızı düşünüyoruz. 

Kaluza ve Klein’ın görüşleri uzun süre baskın olarak kaldı. Birçok noktası çağının oldukça ilerisindeydi ama o dönem zayıf ve güçlü nükleer kuvvet konusunda hiçbir şey bilmiyorduk. Bu fikir yerini yıllar sonra süpersimetriye bıraktı. 

Süpersimetri

Quark ve leptonlar doğanın kuvvetlerini taşıyan parçacıklardan oldukça farklıdır. 1970li yıllarda teorik fizikçiler madde yapıtaşı parçacıklarla kuvvet taşıyıcısı parçacıkların yer değiştirmesi durumunda da matematiksel denklemlerin kurulabileceğini gördü. Bu bilim dünyası için müthiş bir buluştu. 

Bu buluş doğadaki yeni bir simetrinin varlığına işaret ediyor. Süpersimetrinin öngörülerine göre standart model içindeki her parçacığın süpersimetrik bir eşi bulunuyor. Bir parçacığın süpersimetrik bir eşini elde etmek için çok büyük enerji gerektiğinden henüz bu başarılamadı. 

40 yıldır hiçbir deneysel kanıta kavuşturulamayan süpersimetrinin en çarpıcı tarafı ise yerçekimini öngörmesiydi. Süpersimetrinin matematiğinde bir elektronun süpersimetrik eşine dönüştürülüp sonra kendi orijinal haline döndürülmesi ile uzay-zaman düzlemi içerisinde hareket etmesi denklemleriyle aynı. 

Bu daha önce kuantum parçacıkları ve uzay zaman ve yerçekimi arasında kurulamayan bağlantının sağlanmasına işaret ediyor. Zaten teori sonucunda yerçekimi gücünün simetriği olan süpersimetrik yerçekimine ulaşılıyor. 

Süperyerçekiminin matematiğine göre uzay-zaman düzleminin 11’den fazla boyutu olamaz. Bu hesaplar 1980’li yılların ilk yarısında Kaluza-Klein’in teorisinin mevcut 4 boyuta 7 yuvarlanmış boyutun eklenerek güncellenmesini de gündeme getirdi. Ancak süpersimetrinin de cevaplayamadığı birçok soru var. 

En önemlisi 11 boyutlu süperyerçekimi ortamında quark ve elektronların zayıf nükleer kuvvet ile etkileşim kuracağına dair hesaplar işlemiyor. Bir diğer sorun ise kuantum alan teorisi ile süperyerçekimi denklemlerini birleştirirken cevabı sonsuz olan denklemler ortaya çıkıyor. Döneminde “her şeyin teorisi” olmaya en yakın konumda olan süpersimetri bu hesap sorunları nedeniyle gözden düştü. Ve bilim dünyası yüzünü bir diğer matematik dahiliğine çevirdi: Sicim Teorisi. 

Sicim teorisi devrimi

Süper sicim teorisinde maddeyi oluşturan temel yapıtaşları parçacıklar gibi birer nokta değil. Onun yerine 10 boyutlu uzay-zaman düzlemindeki tek boyutlu sicimler maddeyi oluşturuyor. Aynı bir kemandaki gibi farklı titreşimler yaratabilen bu sicimlerin her  biri bir temel parçacığı temsil ediyor. Bu sicimlerden bazılarının titreşimleri, yerçekimi kuvvetini taşıdığı düşünülen teorik taşıyıcılar olan gravitonları dahi tanımlayabiliyor. 

Süpersicim teorisi bir teorisyenin rüyası gibidir. Buradaki 6 ekstra boyutla ulaşılan 10 boyut, 11 boyutlu süperyerçekimi teorisinin karşılaştığı zayıf nükleer kuvvet hesapları sorunlarıyla karşılaşmamakta. Bu teoriyle elde edilen hesaplarla İzafiyet Teorisi ile Kuantum Alan Teorisi başarılı bir şekilde birleştirildi. Teorisyenler için bu büyük bir zafer oldu. Ama bu heyecan bulutunun dağılmasının ardından şüpheler sicim teorisi devriminin de üzerine düştü. 

Son cevabımız: M teorisi

Süper sicim teorisi bazı noktalarda ciddi sorunlarla karşılaştı. Her şeyden önce matematiksel olarak geçerli bir değil tam beş tane sicim teorisi vardı. Bir anda her şeyin teorisi için beş aday ortaya çıkmıştı. 

Bir diğer sorun ise süpersimetri teorisine göre evrenin en fazla 11 boyutu olabilirdi. Ancak süper sicim teorisi 10 boyutta kalmıştı. Bilim insanları süpersicim teorisindeki sicimlerin neden tek boyutlu olduğunu sorgulamaya başladı. Bunlar neden iki boyutlu zarımsı şekilli nesneler olmuyordu? 1987 yılında yapılan hesaplara göre 10 boyutta yaşayan süpersicimler gibi süperzarlar da süperyerçekiminin baskın olduğu 11 boyutlu uzay zamanda var olabilirdi. 

Bununla birlikte 11’inci boyut aynı Kaluza ve Klein’in önermesinde olduğu gibi gizlenebilir ve bu şekilde zar etrafına sarılabilirdi. Eğer bu boyutlar sıkı bir şekilde birbirine geçerse süperzarların olduğu evren de sicim teorisindeki gibi 10 boyutlu gözükebilirdi. 

Uzun yıllar bilim dünyası 11 boyutçular ve 10 boyutçular olarak bölündü. Ta ki 1985 yılında ABD’li bilim insanı Edward Witten, beş sicim teorisi ile 11 boyutlu süperyerçekimi teorisinin ayrı teoriler olmadığını, M-teorisi olarak adlandırdığı bir şemsiyenin altında birbirini destekleyen hesaplamalar olduğunu gösterene kadar.

Mesela karadelikleri ele alalım. 1974 yılında Stephen Hawking karadeliklerin tamamen karanlık olmadığını, kuantum etkilerine bağlı olarak enerji yaydıklarını göstermişti. Bu, karadeliklerin ısı ve bir diğer termodinamik özellik olan entropiye sahip olduğunu gösteriyor. Ancak hesaplamalar bunu bir türlü ispatlayamıyordu. 

M-teorisi Hawking’in karadelikler için öne sürdüğü entropi formülünü ispatladı. Bu  M-teorisine olan güveni arttırdı. 

1998 yılında ABD’li fizikçi Juan Maldacena yeni bir evren teorisiyle ortaya çıktı. Maldecana’nın kurguladığı evrende sicimler değil çok boyutlu zarlar, çok boyutlu uzay ve yerçekimi ile etkileşim içinde vardı. Bu evrenin sınırlarındaki zarla içinde yaşananlar arasında bir ikilik prensibi bulunuyordu. Yani Maldecana’nın hesapladığı evrende bizim dünyamız bu evrenin uzak sınırlarında depolu bilginin bir izdüşümü, yansıması konumunda. 

Yani ne yaşıyorsak, çok uzakta bir yerde depolanmış bilgiye göre yaşıyoruz. Onun bir izdüşümü olarak yaşıyoruz. 

Kafa karıştırıcı değil mi?

Sonuçta M-teorisi de bugün birçok alanda birleştirmeyi yakalamış olsa da evreni açıklayan tek bir teori geliştirmekten uzak olduğumuzu biliyoruz. Böyle bir teori var, çünkü evren gözümüzün önünde kafamızın aldığı, almadığı; anlayıp, anlamadığımız birçok şekilde var ve yok oluyor. Bilim insanları bu teorinin şekillenmesinin daha zaman alacağını söylüyor.