Bu saydıklarımızın son üç adam başına için fizikçilerin kuantum kuramları var. Böylece bu kuvvetlerden ileri gelen görüngülerin en ufak atomaltı ölçeklerde aklıselim hesaplamalarını yapabiliyorlar. Oysa kütleçekim bunun dışında kalıyor. Onlarca yıldır süren çalışmalara rağmen kütleçekim için genel kabul gören bir kuantum kuramı halen mevcut yok. Evrenin esas özelliklerinin daha iyi anlaşılabilmesi için ise bu mutlak bir gereklilik.
Stanford Üniversitesi’nden Parçacık Fiziği ve Gök Fiziği alanında çalışan Prof.Lance Dixon, kuantum kütleçekim kuramının geliştirilmesine ilişkin esas noktaları soru-cevap şeklinde ele alıyor:
Kuantum kütleçekim nedir?
Kütleçekim hariç, doğanın esas kuvvetlerini kuantum mekaniği kavramlarını kullanarak tanımlayabiliyoruz. Parçacık fiziğinin Standart Modeli’nde özetlenen bu kuramlarda kuvvetler, etkileşen parçacıklar arasındaki küçük veri parçacıklarının değiş-tokuşunun sonucudur. Örneğin elektriksel yükler, foton (elektromanyetik kuvveti içeren ışık parçacıkları) değiş-tokuşu yaparak birbirlerini iter veya çekerler. Enerjik ve cılız kuvvetlerin de fotona karşılık gelen parçacıkları vardır. Bunlar sırasıyla gluonlar ve W ile Z bozonları olarak adlandırılır.
Atomaltı süreçleri hesaplamak için sürekli olarak bu kuramları kullanıyor ve şahane hassaslıkta sonuçlar elde ediyoruz. Mesela CERN’de yer alan Büyük Hadron Çarpıştırıcısı’nda (LHC) gerçekleşen karmaşık proton-proton çarpışmaları için son derece isabetli öngörüler yapabiliyoruz.
Ama kütleçekim ayrı. Albert Einstein’ın genel görelilik kuramı büyük ölçeklerdeki kütleçekiminin kütleli nesnelerin uzay-zaman dokusunda yarattığı çarpıtmaların sonucu olduğunu açıklasa da, atomaltı parçacıkların kütleçekimden nasıl etkilendikleri konusunda birşey söylemiyor. Kuantum kütleçekimi, Einstein’ın genel göreliliği ile kuantum mekaniğini birleştirmeye çalışıyor. Diğer kuvvetlerle benzerlik kurarak, kütleçekimin de taşıyıcı parçacıkların değiş-tokuşu vasıtasıyla iletilebileceğini öngörüyor ve bu kuramsal parçacıkları graviton olarak adlandırıyoruz.
Araştırmacılar kuantum kütleçekiminin hangi soruları yanıtlamasını umuyor?
Kuantum kütleçekim evrene ilişkin önemli soruları yanıtlamamıza yardım edebilir.
Örneğin kuantum etkiler, ışığın bile kütleçekimlerinden kaçamadığı büyük kütleli nesneler olan kara deliklerin yakınında yük kazanıyor. aynı zamanda, kara deliklerin bütün olarak kara olmadığı düşünülüyor. Eğer durum ufkunun yakınındaki kuantum etkiler parçacık çiftleri üretirse ve eşlerden biri kara deliğe düşerken öteki benzer düşmezse, düşmeyen eşe Hawking Işıması adı veriliyor.
Araştırmacıların daha iyi anlamayı umduğu bir öteki şey ise Büyük Patlama’dan sonraki ilk saniyeler. O anlarda evren aşırı derecede sıcak ve yoğundu, heybetli bir enerjiydi. Planck ölçeği denilen o enerji ölçeğinde, kütleçekim öteki temel kuvvetler dek güçlüydü ve kuantum kütleçekimsel etkiler çok önemliydi. Lakin o enerjilerdeki fiziği betimleyebilecek bir kuantum kütleçekim kuramına sahip değiliz.
Dünya üstünde gerçekleşen süreçlerin fazla daha ufak enerji ölçeklerinde olduğunu, kütleçekim üstünde ölçülemeyecek denli küçük kuantum düzeltmeler olduğunu unutmamak lüzum. Örneğin LHC’de ulaşılabilen en yüksek enerjiler bile Planck ölçeğinden milyarlarca kat düşük kalıyor. O nedenle kuantum kütleçekim çalışmaları büyük ölçüde “akıl deneyleri”nden ibaret kalıyor.
Kütleçekimin bir kuantum kuramını bulmak niçin bu değin zorlama?
Kuantum kütleçekimin bir versiyonu sicim kuramı tarafından sunulmuş durumda, lakin diğer olasılıkları araştırıyoruz. Kütleçekim, kuantum kuramlarına sahip olduğumuz diğer kuvvetlerden epey öbür.
Herşeyden önce kütleçekim aşırı derecede kuvvetsiz. Öteki üç kuvvetin en zayıfı olan Zayıf Şiddet’deri bile milyarlarca kat daha güçsüz. Aslına bakarsanız kütleçekimin farkına varabilişimizin tek nedeni gezegeni yaratıcı bütün parçacıkların toplam çekim kuvvetini hissediyor oluşumuz.
Kütleçekimin bir öteki farkı da kütleli nesnelerin birbirlerine tekrar tekrar çekim uyguluyor oluşu. Tersine, enerjik şiddet sadece çok yakın mesafelerde çekim uygularken, elektromanyetik kuvvet yüklerin işaretine kadar çekici ya da itici olabiliyor.
Son olarak, graviton diğer bütün zorlama taşıyıcı parçacıklardan öbür bir parçacık özelliğine sahip. Spini, diğerlerinin iki katı kadar.
Hesaplamalar bundan nasıl etkilenir?
Matematiksel olarak ele alınması çok daha zorlaşır.
Biz çoğunlukla kuantum etkileri hesaplamaya dominant bir matematiksel terimle başlıyoruz ve gitgide artarak küçülen terimlerle devam ediyoruz. Hesaplamamız gereken terimlerin sayısı, yani mertebe, olmak istediğimiz duyarlılığa yan. İşi kompleks ışık halkası getiren şeylerden biri yüksek mertebeli terimlerin bazen ölümsüz büyüklükte olması ve bizim ilk önce bu sonsuzluklardan kurtulmamız gerekiyor. Yahut anlamlı öngörüler yapamayız.
Elektromanyetik, kuvvetsiz ve enerjik kuvvetler için bunu nasıl yapacağımızı uzun zamandır biliyoruz. Her mertebedeki sonsuzlukları imha etmek için renormalizasyon dediğimiz sistematik bir yöntemimiz var. Böylece kuantum etkileri çok alıngan biçimde hesaplayabiliyoruz. Ne eyvah ama kütleçekimin bambaşka doğasından ötürü demin kütleçekimin renormalize edilebilir bir kuramını bulamadık.
Şu asıl kadar kuantum kütleçekim hakkında neler öğrendiniz?
Geçtiğimiz yıllarda bu alanda çalışan bilimciler, kuantum kütleçekim hesaplamalarının nasıl yapılacağının daha iyi anlaşılmasında kayda değer adımlar attı. Mesela kesin kuramlarda ve belli bir mertebede graviton etkileşimleri için yazılan kompleks matematiksel ifadelerin yerine, zaten bildiğimiz daha basit ifadeler olan gluon etkileşimlerinin karesini yazabileceğimiz anlaşıldı.
Bu buluş doğruca kuantum etkileri giderek gelişen mertebelerde hesaplamayı başardık. Bu da sonsuzluklar ortaya çıktığında bize tezgâhtar oluyor. Meslektaşlarım ve ben N=8 süperkütleçekim adı verilen bir kuramda hiçbir sonsuzluğa rastlamadan dördüncü mertebeye dek hesaplama yapabildik.
İdealimiz, sonsuzluklara ilişkin farklı alanlara yönlendirilmiş öngörüleri sınamak için daha yüksek mertebelere çıkmak, lakin bu çok zorlama.
Yakın zamanda bundan başka birbirleri üzerinden saçılma yapan iki gravitona ilişkin varsayım üstüne çalışmamız oldu. 30 yıldan fazla süre önce, bu hesaplamaların ikinci mertebesinde sonsuzlukların belirdiği ve bunların dualite dönüşümleri ile değiştirilebileceği gösterilmişti. Yani kütleçekimsel alanların bir tanımını, eşit bir başkası ile değiştirebiliyoruz. Bu metamorfoz fazla şaşırtıcıydı çünkü tanımların kuantum düzeyinde eşit olmayabileceği anlamına geliyordu. Hemen biz bu farklılıkların gerçekten temelde yatan fiziği değiştirmediğini göstermiş olduk.
Sizin kuantum kütleçekim yaklaşımınızın sicim kuramından farkı ne?
Bizim yaklaşımımızda atomaltı parçacıklar noktasal olarak betimleniyor, tıpatıp Standart Model’de olduğu gibi. Bu parçacıkların herkes uzay ve zaman boyunca yayılan bir temel bölge ile ilişkili oluyor. öte taraftan sicim kuramında parçacıkların yayılmış bir nesnenin öbür titreşimleri olduğu düşünülür; benzer gitar telinden çıkan ayrı notalar gibi. Birincil yaklaşımda, mesela gravitonlar ile fotonlar kütleçekimsel ve foton alanları ile bağlantılıdır. sicik kuramında ise her ikisi de bir sicimin bambaşka titreşim modlarıdır.
Sicim kuramının albenili yanlarından biri, parçacıkları noktasal olmayan yani yayılmış nesneler olarak almasının sonsuzlukları gideriyor olmasıdır. Dolayısıyla ilkesel olarak sicim kuramı kütleçekimsel etkileri atomaltı düzeyde öngörebilir.
aynı zamanda, araştırmacılar yıllar içinde sicim kuramlarının doğru görünmesini sağlayacak diğer yollar bulmuşlardır. 1980’lerin ortasında Princeton’da lisansüstü öğrencisi olduğum dönemde, öngörü yapabilecek sicim kuramı için çok sayıda seçenek olabileceği aklıma gelmişti. 10 yıl kadar sonra olası çözüm sayısı 10^500 mertebesine ulaşmıştı. Bir karşılaştırma gerçekleştirmek icabında Dünya üzerindeki insan sayısı 10^10’dan azdır; Samanyolu’ndaki yıldız sayısı da 10^12’den azdır. Peki bizim evrenimizi içten biçimde tanımlayanını nasıl bulacağız?
Kuantum kütleçekim için ise koşul bütün tersi. Bu da yaklaşımı sicim kuramından daha iyi sağduyu yapabilir kılıyor, ilkesel olarak. Olasılıkla kuantum kütleçekimdeki sonsuzlukları yerinde biçimde gidermemizi sağlayacak o kadar fazla kuram değil; daha bir tane bile bulmuş değiliz.
Ne nesil bir gelişme bu alanda çığır açardı?
Birisi olağanüstü bir şekilde, kuantum kütleçekimsel etkileri şu lahza muhtemel olandan daha yüksek duyarlılıkta öngörmek için sürekli olarak kullanabileceğimiz bir varsayım bulsa, çok ilginç olurdu. Böyle bir kütleçekim kuramı, şu an elimizde bulunan diğer doğa kuvvetleri tablosuna uyardı.
Kaynak
*Bilimfili - "Kuantum Kütleçekime İlişkin Esas Sorular"
http://bilimfili.com/kuantum-kutlecekime-iliskin-esas-sorular/
Başlığı Kapat Kodları GösterKodları Kapar Emojileri GösterEmojileri Kapar