Yerçekimi Kuantum Salınımlarıyla mı Oluşuyor?

Fizikçiler kütleçekim kuvvetinin uzaydaki rastgele kuantum enerji salınımlarıyla kendiliğinden ortaya çıkabileceğini düşünüyor. Sonuçta yerçekimini kuantum fiziğiyle birleştirerek tüm evreni tek bir denklemle açıklamak istiyorlar. Ancak, bugüne dek işe yarar bir kuantum kütleçekim kuramı geliştiremediler ve yerçekimini yarı klasik yerçekimi teorisiyle açıklamaya yöneldiler.

Yerçekimi nedir?

Doğrusu bu sorunun kesin bir cevabı yok. Yerçekiminin nasıl çalıştığını biliyoruz ve görelilik teorisinde tanımlıyoruz; ama yerçekiminin tam olarak ne olduğunu ifade eden bir teori geliştiremedik.

Örneğin yerçekiminin mikroskobik ölçeklerde etkili olup olmadığını bilmiyoruz. Ancak, evreni eksiksiz anlamak için yerçekimine yol açan kütleçekim kuvvetiyle kuantum fiziğini birleştirmemiz gerekiyor.

İlgili yazı: Renk Körlüğünü Düzelten Gözlük EnChroma

yerçekimi-kuantum-kuantum_salınımları-kütleçekim-kara_delik

Yerçekimi gezegenlerden kara delik ve asteroitlere kadar bütün gökcisimlerini yüzlerce, milyarlarca ışık yılı uzaktan birbirine bağlıyor.

 

Kökeni kuantum salınımları ise ne olur?

Yerçekiminin rastgele kuantum salınımlarıyla kendiliğinden ortaya çıkmasına “yarı klasik yerçekimi teorisi” diyoruz ve bu teori doğruysa kuantum fiziği hiyerarşide yerçekiminden önce geliyor demektir. Kısacası evrenin temel doğası kuantum dünyasıdır ve görelilik kuantum fiziğinden türetilebilir.

Aslında Juan Maldecana gibi sicim teorisi fizikçilerinin geliştirmeye çalıştığı kuantum kütleçekim kuramı da bunu yapmaya çalışıyor: Yerçekimini ve üç boyutlu uzayı iki boyutlu kuantum etkileşimlerinden türetmeyi deniyor.

İlgili yazı: Düz Dünya Teorisini Çürüten 12 Kanıt

yerçekimi-kuantum-kuantum_salınımları-kütleçekim-kara_delik

Newton mekaniğinde yerçekimi uzaktan etki eden bir güç.

 

Kuantum kütleçekim

Özetle bilim insanları Einstein’ın zamanından beri galaksiler, yıldızlar ve gezegenleri birbirine bağlayan büyük ölçekli dünyayı tanımlayan görelilik teorisini atom dünyasını tanımlayan kuantum fiziğiyle birleştirmeye çalışıyor.

Kuantum kütleçekim kuramı, kütleçekim kuvvetini tıpkı ışığı oluşturan fotonlar gibi parçacıklar halinde tanımlamaya çalışıyor. Oysa kütleçekim kuvvetinin taşıyıcısı olması gereken gravitonları henüz göremedik. Görelilik teorisinde kesintisiz bir güç alanı olarak akan yerçekimini küçük, tekil enerji parçacıkları halinde nicelemeyi (kuantize etmeyi) başaramadık

İlgili yazı: İnternetinizi Uçuracak En İyi 10 Router Modem

 

yerçekimi-kuantum-kuantum_salınımları-kütleçekim-kara_delik

Görelilik teorisinde ise yerçekimi büyük kütleli cisimlerin uzay zamanı bükmesi neticesinde oluşan çukurlara diğer cisimlerin düşmesi olayı.

 

Peki sorun ne?

Kuantum kütleçekim kuramlarının gerçek evrende işlememesinin en büyük sebeplerinden biri kuantum mekaniğinin bir tür gözlemci gerektirmesi. Bazı fizikçilere göre bu gözlemci bilinçli olmak zorunda; ama diğer fizikçilere göre bilinçsiz de olabilir. Ne demek istiyorsun hocam derseniz hemen açıklayalım:

Kuantum fiziğinde bütün parçacıklara bir olasılık dalgası eşlik ediyor. Buna dalga fonksiyonu diyoruz. Fotonun, hidrojen atomunun, elektronun kendi dalgaları var. Öte yandan, dalga fonksiyonunun gerçek bir enerji dalgası olup olmadığını bilmiyoruz!

Bildiğimiz tek şey, bir parçacığı gözlemlediğimiz zaman, sağdan değil de soldan gitmesi için o parçacığa eşlik eden dalga fonksiyonun çökmüş olması gerektiği. Dalga fonksiyonu bilinçli veya bilinçsiz bir gözlemciyle etkileşime girip çöktüğü zaman, madde ile enerjiyi oluşturan parçacıklar olasılık halinden çıkıp uzayda belirli hız ve konumlara geçiyor.

İlgili yazı: Dünya’da Eksen Kayması

yerçekimi-kuantum-kuantum_salınımları-kütleçekim-kara_delik

Einstein’ın görelilik teorisi Newton mekaniğini kapsıyor tabii.

 

Ya dalga fonksiyonu çökmezse?

Dalga fonksiyonu kuantum fiziğinde bir parçacığın muhtemel davranışlarını tanımlayan olasılık dalgasıdır. Örneğin, bir fotonun bir karton perdedeki yarıktan geçerken yüzde 70 olasılıkla sağdan ve yüzde 30 olasılıkla soldan gideceğini belirliyor.

Öyle ki dalga fonksiyonu yüzünden bütün parçacıklar hem parçacık hem dalga olarak davranıyor: Ta ki biz veya dedektör; yani bir gözlemci parçacıklara bakana kadar. Kısacası fotona dalga dedektörüyle bakarsak onu dalga olarak görüyoruz. Parçacık dedektörüyle bakarsak parçacık olarak görüyoruz.

Ancak, fotona uzaktan genel olarak bakarsak onu dalga halinde görüyoruz. Nitekim çift yarık deneylerinde iki yarıklı bir kartona tek bir foton ateşlediğimiz zaman o foton arkadaki perdeye tek bir nokta olarak çarpmıyor! Tersine, tek bir foton olmasına rağmen (kendi kendisiyle girişim yaparak) perdeye hep dalgalar halinde yansıyor.

İlgili yazı: İnternette teknik takip ve gözetimi önleme rehberi

yerçekimi-kuantum-kuantum_salınımları-kütleçekim-kara_delik

Ay’ın Dünya yörüngesinde dönmesi bir denge olayı. Ancak resimdekinden çok daha istikrarlı bir denge. Resimdeki kadar hassas denge bir kara deliğe çok yaklaşınca gerçekleşiyor. Kara deliğe yaklaşınca yörüngede kalmak için sürekli roketlerinizi ateşlemek zorunda kalırsanız ve buna rağmen ya kara deliğe ya da uzaya savrulursunuz.

 

Kuantum salınımlarıyla ne ilgisi var?

Görüyoruz ki bir parçacığın gerçek dünyada gerçek bir parçacık olarak var olması için mutlaka ortam gürültüsüyle, yani bir insan gözüyle, bir dedektörle; kısacası bilinçli veya bilinçsiz bir gözlemciyle etkileşime girmesi gerek.

Kuantum kütleçekim kuramında ise gözlemcinin rolü değil de gözlemcinin ne olduğu çok belirsiz. En basitinden, bir foton kendi kendisiyle girişim yapıp perdeye dalga halinde yansıdığında, o foton kendi kendisinin gözlemcisi mi oluyor?

Peki ya dalga fonksiyonu tam olarak nedir ve nasıl çöküyor? Çökünce parçacıklar matematiksel olasılıklardan hız ve konum gibi gerçek kuantum durumlarına nasıl geçiş yapıyor?

İlgili yazı: Güneş Sistemi’ndeki Kayıp 9. Gezegen ve Kardeşleri

 

yerçekimi-kuantum-kuantum_salınımları-kütleçekim-kara_delik

 

İşte bunların cevabını bilmiyoruz

Ancak Antoine Tilloy, Lajos Diósi ve diğer fizikçiler, Heisenberg’in belirsizlik ilkesinden yola çıkarak kuantum kütleçekimdeki gözlemci sorununu çözdüklerini düşünüyorlar. Bunu anlamak için de belirsizlik ilkesi ile dalga fonksiyonu, olasılıklar ve kuantum salınımları arasındaki ilişkiyi görmemiz gerekiyor.

Sonuçta dalga fonksiyonuna belirsizlik ilkesi yol açıyor. Bir parçacığın konumu ve hızını ya da diğer kuantum durumlarını aynı anda kesin olarak bilemiyoruz. Belirsizlik buradan çıkıyor; ama belirsizliğin de bir ölçüsü var ve buna dalga fonksiyonu diyoruz.

Dalga fonksiyonu, hiçbir ölçüm yapılmadığı veya ortamla parçacık arasında hiçbir fiziksel etkileşim gerçekleşmediği takdirde o parçacığın alabileceği bütün olası kuantum durumlarını gösteriyor. Örneğin bir fotonun aynada bulanabileceği bütün konumlar.

İlgili yazı: Temel Parçacıklar Tek Boyutluysa Cisimler Neden 3 Boyutlu?

yerçekimi-kuantum-kuantum_salınımları-kütleçekim-kara_delik

Everendeki en yaygın atom olan hidrojenin dalga fonksiyonu hidrojenin alabileceği bütün kuantum durumlarını gösteriyor. Her atoma bir olasılık dalgası eşlik ediyor ve bu da atomların resimdeki tek bir duruma geçmediği, farklı olasılıkların aynı potansiyele sahip olduğu süperpozisyon durumlarına yol açıyor. Büyütmek için tıklayın.

 

Peki ya dalga fonksiyonu da belirsizse?

Gerçek dünyadaki masa gibi büyük nesnelerin atomlar veya fotonlar gibi aynı anda iki yerde birden bulunamayacağını veya daha doğrusu aynı anda birden fazla kuantum durumuna sahip olamayacağını biliyoruz. Çok içip sarhoş olmadığınız takdirde sizin de sandalyeyi çift görmeniz zor. 😉

Bunun sebebi, sandalyeyi oluşturan atomların birbiriyle etkileşime girerek dalga fonksiyonlarını sürekli çökertmesi ve bütün atomları gerçek fiziksel durumlara geçmeye, tek bir gerçekleşen olasılıkta var olmaya zorlaması.

Hatta belirsizlik ilkesi yüzünden atomlar arasındaki etkileşimler rastgele gerçekleşmek ve öngörülemez olmak zorunda; çünkü atomlar çok hassas. Biz bir atoma baktığımız anda onu değiştiriyoruz. Belirsizlik ile gözlemci arasındaki ilişki bu.

Gözlemciler de ister istemez baktığı şeyin durumunu değiştiriyor ve bu yüzden neyi ne ölçüde değiştireceğini kesin bilmesi ve kontrol etmesi imkansız hale geliyor.

Dahice soru

Peki ya dalga fonksiyonunun kendisi de rastgele olarak, kendi kendine çöküyorsa? Belki tek bir fotonun bile kendisiyle girişim yaparak perdeye dalga halinde yansımasını, kendi kendine çöken foton dalga fonksiyonuyla açıklayabiliriz.

İlgili yazı: Dünyanın Derinliklerinde Yeraltı Okyanusu Bulundu

yerçekimi-kuantum-kuantum_salınımları-kütleçekim-kara_delik

Yerçekimi Star Wars’taki Güç kavramına benzer şekilde evrendeki gökcisimlerini birbirine bağlıyor.

 

Yerçekimi ve kuantum salınımları

İşte Tilloy ve diğer fizikçilere göre yerçekimi de kuantum salınımlarından bu şekilde ortaya çıkıyor: Bir kere evreni kuantum alan kuramına göre tanımlıyoruz ve buna göre boş uzayda henüz gerçekliğe adım atmamış bir sanal parçacık (ve tabii ki sanal enerji) salınımları var. Buna bütün evrenin var olabileceği bütün olasılıkları tanımlayan evrensel dalga fonksiyonu da diyebiliriz.

1980’lerde geliştirilen yarı klasik yerçekimi teorisine göre, uzaydaki kuantum salınımlarına yol açan evrensel dalga fonksiyonu da belirsizlik ilkesi nedeniyle yer yer rastgele çöküyor. Çökerken mikroskobik enerji parlamalarına yol açıyor ve bu da uzaydaki parçacıkların genellikle belirli bir yerde ve hızda olmasına yol açıyor.

Buna göre, fizik yasalarının gözlemlenebilir evrende her yerde aynen geçerli olmasını ve evrenin düzenli bir yer olmasını, evrensel dalga fonksiyonunun sürekli kendiliğinden çökmesine borçluyuz.

İlgili yazı: Büyük Patlamada şaşırtan varsayım >> Evren 2 boyutlu başladı ve 4 boyutlu oldu

yerçekimi-kuantum-kuantum_salınımları-kütleçekim-kara_delik

Kuantum kütleçekim var mı?

 

Dahası var

Yarı klasik yerçekimi teorisine göre, evrende ne zaman bir parçacık böyle kendiliğinden sabitlense (esnek bir terim: uzayda durması şart değil, belirli bir hızla da gidebilir) bir yerçekimi alanı oluşturuyor.

Evrende çok sayıda parçacık sabitlendiği zaman da kütleçekim kuvveti bütün evreni etkiliyor. Uzayda yerçekimi kuantum salınımlarından (dalga fonksiyonunun tanımladığı belirsizlikler) işte böyle ortaya çıkıyor.

İlgili yazı: Cassini Satürn’e Son Dalışını Yaptı

yerçekimi-kuantum-kuantum_salınımları-kütleçekim-kara_delik

 

Neden yarı klasik?

Şimdi şunu merak ediyor olabilirsiniz: Yarı klasik yerçekimi modelinin sicim teorisinden türetilen kuantum kütleçekim kuramından ne farkı var? Sonuçta ikisi de kuantum salınımlarından oluşuyor. Aslında ikisi temelden farklı: Kuantum kütleçekimde yerçekimi kuantum özelliklerine sahip.

Yarı klasik yerçekimi teorisinde ise yerçekimi kuantum fiziğinden türüyor; ama makroskobik ölçeklerde etkili olan, bu yüzden de sadece klasik fiziğe tabi olan (belirsizlik ve benzeri görülmeyen) bir enerji alanı. Dolayısıyla bu yarı klasik bir teori: Yarısı klasik yerçekimi, yarısı da kuantum salınımları.

İlgili yazı: Hava Durumunu Lazerle Kontrol Etmek Mümkün mü?

yerçekimi-kuantum-kuantum_salınımları-kütleçekim-kara_delik

Kara delik çarpışması (en altta) kütleçekim dalgalarına yol açıyor ve bunlar evrende bir anlamda yankılanarak LIGO gözlemevine lazer ışınlarını titreştiren dalgalar halinde ulaşıyor. Kuantum kütleçekim varsa gözlemlerde ek titreşimler görülmeli; ama gözlemlerdeki gürültü sinyalleri bu ek titreşimleri gördüğümüzden emin olmamızı şimdilik engelliyor.

 

Peki ya kanıt?

Yarı klasik yerçekimi kuramı henüz kanıtlanmadı. Ancak geçerli olabileceğine dair ipuçları var. Büyük patlamadan hemen sonra oluşan mikroskobik kuantum salınımlarının kozmik enflasyon (şişme modeli) ile bugün evrende gördüğümüz büyük ölçekli yapılara dönüştüğünü biliyoruz.

Açıkçası evren büyük patlamadan sonra çok kısa bir süre için ışıktan hızlı şişti. Böylece bir bezelye tanesinden neredeyse bugünkü boyutlarına ulaştı. Demek ki uzayda küçük kuantum salınımlarının büyük mesafeleri etkilemesini sağlayan fiziksel bir süreç var. Bu sebeple kuantum salınımları makroskobik yerçekimi kuvvetini üretilebilir.

Büyük ölçekli yapılar derken onu da netleştirelim: Bugün yaşadığımız Samanyolu ve diğer galaksiler büyük patlamadan hemen sonra oluşan mikroskobik enerji kabarcıklarının evrenin ışıktan hızlı şişmesi ile “gerilip” bütün uzaya yayılması neticesinde oluştu (sonuçta ışıktan hızlı gitmek yasak. ama uzayın ışıktan hızlı genişlemesi yasak değil).

İlgili yazı: Dokuzuncu Gezegen Hakkında Yeni Kanıt Bulundu

yerçekimi-kuantum-kuantum_salınımları-kütleçekim-kara_delik

 

Kara delikler ve enformasyon paradoksu

Kara deliklerin yuttukları kitap, astronot ve politikacı gibi cisimlerin bilgisini yok edip etmediği ayrı bir sorun. Nihayet kara deliklerin içini göremiyoruz ve içine düşen astronota ne olacağını da bilmiyoruz. Bilgisizliğimize enformasyon paradoksu diyoruz.

Ancak, kara deliklerin Hawking radyasyonu yayarak buharlaştığını biliyoruz. Buna göre kara deliğin dış sınırı olan olay ufkundaki kuantum salınımları rastgele sanal parçacık çiftleri oluşturuyor. Bunların bir kısmı kara deliğe düşüyor. Geri kalan ve eşinden kopan sanal parçacıklar ise uzaya kaçıp gerçek parçacıklara dönüşüyor.

Kısacası kuantum salınımlarının gerçek uzaya yeni parçacıklar eklemesini sağlayan bir mekanizma var ve buna Hawking radyasyonu diyoruz. Tilloy ve meslektaşları da kozmik şişme ile Hawking radyasyonu formüllerini kullanarak yarı klasik yerçekimi teorisini geliştirdiler.

İlgili yazı: LISA Kütleçekim Dalgalarını Uzayda Arayacak

yerçekimi-kuantum-kuantum_salınımları-kütleçekim-kara_delik

LIGO gözlemevi çapraz lazer ışınlarını birbirine tutuyor ve bunlar titreyip yoldan saptıkları zaman uzaklarda gerçekleşen kara delik çarpışmalarına bağlı kütleçekim dalgalarının varlığına işaret ediyor; çünkü uzay-zamandaki titreşimleri algılıyor.

 

Yine de kanıt isteriz

Amerika’daki LIGO gözlemevi milyarlarca ışık yılı uzakta çarpışan kara deliklerin yaydığı kütleçekim dalgalarını tespit ediyor.

Öyle ki ister kuantum kütleçekim olsun, ister yarı klasik yerçekimi teorisi, kuantum salınımları yerçekimini bir şekilde etkiliyorsa çarpışan kara deliklerin yaydığı kütleçekim dalgalarının farklı bir şekilde dalgalanması (titremesi lazım). Nitekim fizikçiler geçenlerde bu farkı gördüklerini öne sürdüler.2

İlgili yazı: Kara delikler ne kadar büyük ve elektron kara delik mi?

yerçekimi-kuantum-kuantum_salınımları-kütleçekim-kara_delik

LIGO çarpışan kara deliklerin yol açtığı kütleçekim dalgalarını gözlüyor.

 

Kara delik yankıları

Bizzat uzay-zamanı dalgalandıran kütleçekim dalgaları evrene ışık hızında yayılıyor ve LIGO dedektörleri bu dalgaları görüyor. Kuantum salınımları da yerçekimini etkiliyorsa kara delik çarpışmalarına bağlı kütleçekim dalgalarında anlık gecikmeler olmalı, frekans-titreşim farkı görülmeli.

Fizikçiler de kuantum salınımları etkisini kütleçekim dalgaları formüllerine eklediler ve bilgisayar simülasyonlarını gerçek dalgalarla karşılaştırdılar. Örneğin, GW150914 adlı kara delik çarpışmasına baktıkları zaman simülasyonlarla deney sonuçları yüzde 95 uyuştu. Ancak, diğer kara delik çarpışmalarını ekledikleri zaman yüzde 99,6 uyuştu.

İlgili yazı: Çıplak Tekillik: Kara Deliklerin İçini Neden Göremiyoruz?

yerçekimi-kuantum-kuantum_salınımları-kütleçekim-kara_delik

 

Kuantum kütleçekim kanıtlandı mı?

Ne yazık ki hayır; çünkü elimizdeki kuantum kütleçekim kuramı da eksik. Eksik olunca bilgisayar simülasyonlarında hata payı oluyor. Ya hatalı simülasyon yaptığımız için elimizdeki veri gerçek verilerle uyuşuyorsa? Ya doğru simülasyon yapınca kara delik çarpışmalarında kuantum salınımlarının yerçekimi etkisini göremezsek?

Dahası elimizde birden fazla alternatif yerçekimi teorisi var: Birden fazla kuantum kütleçekim teorisine ek olarak halka kuantum kütleçekim kuramı ve yarı klasik yerçekimi teorisi var. Hepsi de kara delik çarpışmalarından kaynaklanan kütleçekim dalgalanmalarında farklı titreşimler öngörüyor.

İlgili yazı: Uranüs ve Neptün’de Gökten Elmas Yağıyor

yerçekimi-kuantum-kuantum_salınımları-kütleçekim-kara_delik

 

Bilimsel gözlem nasıl yapılır?

İster fizikçiye gidin ister reklamcıya, size diyecek ki ölçme ve değerlendirme olmadan gerçeği bilemezsin. Bu bağlamda LIGO kuantum kütleçekim kanıtları buldu iddialarından şüphelenmemiz için teknik ve istatistiksel nedenler bulunuyor. Siz de bunları bilimsel gözlem nasıl yapılır açısından görebilirsiniz:

  • Sadece GW150914 kara delik çarpışması kuantum kütleçekimin varlığına güçlü olarak işaret ediyor. Bu gözleme eklenen ve onun kesinliğini artıran diğer gözlemler ise tek başına bu kadar güçlü kanıtlar sunmuyor. Dolayısıyla elimizde sandığımız kadar güçlü bir kanıt yok.
  • GW150914 sonuçlarını etkileyen ve verileri bozan yüzde 2,8 oranında parazit (gürültü sinyali) var.
  • Son olarak kara delik çarpışmalarını tespit eden diğer LIGO gözlemlerini bozan gürültü sinyalleri olduğunu da biliyoruz. Gürültünün gerçek çarpışan kara delik sinyallerini bozduğundan yüzde 99 eminiz! Bu sebeple LIGO gözlemleri henüz kuantum kütleçekimi ölçecek kadar hassas değil.

İlgili yazı: Evren Bir Simülasyon mu?

yerçekimi-kuantum-kuantum_salınımları-kütleçekim-kara_delik

 

Sonuç olarak

Bütün bu sebeplerle LIGO gözlemlerinin, çarpışan kara delikler yoluyla kuantum kütleçekim ve yarı klasik yerçekimi teorisini kanıtladığını henüz söyleyemeyiz.

Peki yerçekimi bir yana, evrende antimadde gibi anti yerçekimi de var mı? Peki ya evren iki boyutlu olarak doğup sonradan üç boyutlu uzaya dönüşen bir hologramsa? Öyleyse bu durum 3B uzayda etki eden yerçekiminin kuantum dünyasından çıktığını gösterir mi?

Bu sorulara verilen yanıtları da antiyerçekimi ve evren içi boş bir hologram mı yazılarında okuyabilirsiniz. Gelecek yazıda görüşmek üzere.

Çarpışan kara delikler


1Semiclassical gravity theory and quantum fluctuations
2Evidence for Planck-scale structure at black hole horizons
3Principle of least decoherence for Newtonian semi-classical gravity

Add a Comment

E-posta hesabınız yayımlanmayacak. Gerekli alanlar * ile işaretlenmişlerdir

*