Evreni Belirleyen Kuantum Alanları Nasıl Oluştu?

Fizik yasaları gözlemlenebilir evrenin işleyişini belirler ve kuantum alanları da fizik yasalarını belirler. Peki kuantum alanları nasıl oluştu ve evrenden eski mi? Evreni oluşturan büyük patlamayla mı ortaya çıktı, yoksa evrenden önce mi geliyor? Çoklu evren varsa kuantum alanları bütün evrenler için geçerli mi? Yoksa her evrende farklı kuantum alanları mı var? Bunlar önemli sorular; çünkü standart model evrenin fiziği ise bu modelin tanımlandığı oyun sahası olan kuantum alanları da fiziğin temeli olan metafiziktir. Evrenin yapıtaşı olan kuantum alanlarının sınırları ve fiziğin kökenini görelim.

Kuantum alanları ve enerji alanları

Evrende nereye ve ne kadar uzağa bakarsak bakalım fizik yasaları değişmiyor. Atomların içinden galaksiler arası uzaya kadar fizik yasaları her yerde aynen geçerli. 1 milimetreden sonsuz uzaklığa dek tüm büyük ölçekli nesneleri kontrol eden yerçekimi ve onu tanımlayan genel görelilik değişmiyor. Moleküller, atomlar ve atomaltı parçacıkları yöneten kuantum fiziği değişmiyor. Fizik yasaları kuantum alanları içinde tanımlanıyor. Peki kuantum alanları evrenle mi oluştu, yoksa ondan eski mi?

Elektrik yükü ve statik elektrik yazısında fizikteki alan kavramını gördük. Bununla birlikte kuantum alanları ile enerji alanlarını birbirine karıştırmayalım. Enerji alanları elektrik alanı ve manyetik alan gibi içinden enerji geçen ve enerji üreten alanlardır. Bazı kuantum alanları da enerji alanı olabilir (elektromanyetik alan gibi). Oysa klasik anlamda enerji taşımayan kuantum alanları da vardır.

Örneğin elektromanyetik kuvvetin taşıyıcısı fotondur ama Schrödinger denklemine göre fotona olasılık dalgası eşlik eder. Bu dalganın ne olduğunu bilmiyoruz. Fiziksel gerçeklik taşıyor mu, yoksa evreni anlamak için kullandığımız analitik geometrinin bir ürünü mü? Bunu bilmiyoruz ama fotonlar gölge yapar mı yazısında anlattığım gibi foton alanında hareket ettiği ve foton alanı oluşturduğunu biliyoruz.

Bütün parçacıkların kendi kuantum alanı vardır: Elektron, foton, proton, nötron ve kuarklar elektromanyetik alandan etkilenir ama kendi elektron vb. alanı da vardır. Öyle ki kuantum alanları parçacıkların içinde hareket ettiği üç boyutlu uzaydır. Uzaktan bakabilsek bu alanları sualtındaki dalgalar gibi görürdük ama görselleştirmek için su yüzeyi gibi dalgalandıklarını söyleyebiliriz. Peki bunlar uzay-zamanda mı dalgalanıyor, yoksa bizzat uzay-zaman kuantum alanlarından mı türüyor?

İlgili yazı: Gerçek Adem: ilk insan ne zaman yaşadı?

 

Kuantum alanları ve büyük patlama

Bunu bilmiyoruz ama her parçacığın kendi dalgasının olması sebebiyle fizik yasalarının kuantum alanlarından türediğini düşünüyoruz. Örneğin radyoaktivite ve beta radyasyonundan sorumlu zayıf kuvvet ile elektromanyetik kuvvet iki ayrı fizik kuvvetidir ama 1 katrilyon derece sıcaklıkta birleşerek tek kuvvet olur. Bu nedenle kuantum alanları fizik yasalarından önce gelmelidir. Peki öyle mi?

Evren sıcak büyük patlama ile oluştu ve sürekli genişliyor. Denklemlerde zamanı geriye alınca evrenin gittikçe küçüldüğünü görüyoruz. Sıcak büyük patlama anında evrenin bir bezelye tanesi ya da futbol topu büyüklüğünde olduğunu görüyoruz. Oysa gözlemlenebilir evreni kapsayan mega evren bugün sonsuz büyüklükte ise büyük patlama anında da sonsuz büyüklükte olmalı. Kısacası evren aradan geçen zamanda genleşti ama büyümedi. Bunun kuantum alanlarıyla ne ilgisi var derseniz:

Büyük patlamada evren çok küçük ve sıcaktı. Öyle ki elektromanyetik ve zayıf kuvvet katrilyon derece sıcaklıkta birleşerek elektrozayıf kuvvete dönüşüyorsa daha yüksek sıcaklıklarda güçlü nükleer kuvvet ve yerçekimi kuvveti de elektrozayıf kuvvetle birleşebilir. Bugün geçerli 4 fizik kuvveti tek kuvvet olabilir. Buna büyük birleşme teorisi diyoruz ama mutlaka böyle olacak diye bir kural yok.

Bu tümüyle evrenin büyük patlamada ne kadar küçük ve sıcak olduğuna bağlı. Belki de yerçekimi ve hatta güçlü kuvvetin elektrozayıf kuvvetle birleşeceği kadar sıcak değildi. Oysa en azından bazı fizik kuvvetlerinin büyük patlama anında birleşmesi ve bütün kuantum parçacıklarının foton alanı gibi kendi alanının olması kuantum alanlarının evrenden önce geldiğini gösteriyor. Peki buna başka kanıt var mı?

İlgili yazı: Kodlama İçin En Gerekli 16 Programlama Dili

 

Kuantum alanları ve skalar alanlar

Tabii ki var. Bütün kuantum alanlarının klasik enerji alanı olmadığını söylemiştim. Örneğin elektromanyetik alan uzayın farklı yerlerinde farklı değerler alabilir ama bir de temel parçacıkların kütle kazanmasına yol açan Higgs alanı var. Higgs alanının enerji değeri tüm evrende aynıdır. Bu nedenle uzayda bir yerde Higgs alanının şiddetini ölçebilseydik tüm evrende aynı olduğunu görürdük.

Bunlara skalar kuantum alanları deriz. Öyle ki Higgs alanının değeri değişirse parçacıkların kütlesi değişir; azalıp artabilir ve hatta sıfırlanabilir. Demek ki kuantum alanları fizik kuvvetlerinin şiddeti ve özelliklerini değiştirebileceğimiz birer ayar alanıdır. Bu nedenle evrenden önce gelmesi gerekir. Peki buna başka kanıt var mı? Evet: Soğuk büyük patlama:

İlgili yazı: Düz Dünya Teorisini Çürüten 12 Kanıt

 

Kuantum alanları ve kozmik enflasyon

Kozmolojik krizde anlattığım gibi yaşadığımız gözlemlenebilir evreni oluşturan sıcak büyük patlama öncesinde uzay-zaman ışıktan hızlı şişiyordu. Buna soğuk büyük patlama diyoruz ki sırf bu nedenle kainatta birden fazla, belki de sonsuz sayıda evren olabilir. Aynı nedenle gözlemlenebilir evrenin parçası olan mega evren de sonsuz büyüklükte veya çok büyük olabilir. Her durumda sıcak büyük patlama anında kozmik enflasyon durdu ve evren ışıktan yavaş bir şekilde genişlemeye başladı.

Enerjinin korunumu yasası gereği kozmik enflasyonun enerji fazlası sıcak büyük patlamaya yol açtı. Bu hem yaşadığımız evreni hem de onu oluşturan madde ile enerjiyi meydana getirdi. Kozmik enflasyona inflaton alanı yol açmıştır ki bu da bir skalar alandır. Kozmik enflasyon bütün evreni saran ve büyük patlamadan kalan ışığın izi olan kozmik mikrodalga artalan ışımasının görülmesiyle kanıtlanmıştır. Bu yüzden kuantum alanlarının evrenden eski olduğunu kesin olarak söyleyebiliriz. Peki ya foton alanı?

İlgili yazı: İnternetinizi Uçuracak En İyi 10 Modem

 

Kuantum alanları ve Casimir etkisi

Foton alanı gibi kuantum alanlarının kozmik enflasyon sırasında var olup olmadığını bilmiyoruz. Fotonlar inflaton alanının içinde var mıydı? Yoksa sonradan mı oluştu? Fotonlar (ışık) bu evrene mi özgü, yoksa bütün evrenlerde ışık var mı? İnflaton alanının izi kendini bugün evrenin son 5 milyar yıldır gittikçe hızlanarak genişlemesine yol açan karanlık enerji olarak mı gösteriyor? Bu soruların yanıtını bilmiyoruz ama kuantum alanlarının var olduğunu ve muhtemelen fiziksel gerçeklik taşıdığını biliyoruz:

Az önce bunların matematiksel birer araç olabileceğini söylemiştim ki bilim insanları bu konuda henüz görüş birliğine varmadılar ama Casimir Etkisi var: İki ince ve iletken metal levhayı alıp bunları metrenin binde biri kadar yaklaştırırsanız levhaların birbirine daha da yaklaştığını göreceksiniz. Bunun nedeni plakaların dışındaki boş uzayı dolduran kuantum alanlarındaki dalga sayısının (sonsuzdur) iki levha arasındaki yine sonsuz sayıda dalgadan fazla olmasıdır.

Sonuçta bazı sonsuzluklar diğer sonsuzluklardan büyüktür (ikişer ikişer ve biner biner sonsuza dek saymak gibi). 1) Nasıl ki kozmik enflasyon kuantum alanlarının evrenden eski olduğunu gösteriyor 2) Casimir Etkisi de kuantum alanlarının tam olarak ne olduğunu bilmesek de fiziksel olduğunu gösteriyor. Şimdi bunu daha yakından görelim:

İlgili yazı: 5 Soruda Paralel Evrenler

 

Boşluğun enerjisi

Her parçacığın kendi dalgası vardır demek her parçacık kendi alanındaki bir titreşim, bir dalgalanma demektir; çünkü foton dalgası foton alanında dalgalanır. Kuantum mekaniğinde elektronlar ne parçacık ne dalgadır ama ikisi gibi görünebilir dememizin sebebi de budur. Bu bağlamda ister nötr olsun ister net yük evrendeki bütün parçacıkların yükü vardır.

• Yerçekimi yükü (eş yükler birbirini çeker)
• Elektrik yükleri (zıt yükler birbirini çeker)
• Manyetik yükler (elektronların dipol momenti, mıknatısların çift kutuplu olması vb.)
• Sıfıra eşit olmayan hiperyükü olan parçacıklar (zayıf kuvvet bozonları W^+/- ve Z parçacıkları gibi)
• Kuarklar (elektron yükünün üçte birine eşit renk yükleri olan 6 kuark türü: güçlü kuvvet yükleri).

Bu yüklerin her biri kuantum alanıdır ve bu alanlar içinde ilgili yükleri taşıyan hiçbir parçacık olmasa da var olur. Bu da ilk bakışta çelişkilidir. Mademki elektronlar hem elektron alanında dalgalanıyor hem de elektron alanını etkiliyor öyleyse elektron alanı elektronlar olmadan nasıl var oluyor? Yoksa elektronlar varken fiziksel ve yokken matematiksel mi oluyor? Peki bu ne demek galaksi aşkına? Bu soruların kesin yanıtını bilmiyor ve bilgisizliğimize kuantum ölçüm problemi diyoruz.

Heisenberg’in belirsizlik ilkesi nedeniyle kuantum alanları rastgele titreşerek sanal parçacıklar üretir. Keza boş uzayda da rastgele titreşir ve bu nedenle boş uzayın bile sıfırdan büyük enerjisi vardır. Hatta gerçek parçacıklar sıcak büyük patlama anında rastgele titreşimlerden türemiş olabilir. Siz de fizik yasaları neden öyle ve evrensel sahipler neden bildiğimiz değerlere sahip diye haklı olarak sorarsanız bunun bir nedeni var: Evrensel sabitler işte öyle çünkü rastlantısal titreşimlerle oluştular.

İlgili yazı: Gezegenler Güneş Çevresinde Nasıl Dönüyor?

 

Sus ve kuantum alanları hesapla!

Kuantum atom teorisini geliştiren Niels Bohr ekolünden pek çok fizikçi “Sana ne kuantum alanlarının doğasından, fiziksel olup olmadıklarından? Sus ve hesapla!” diyor. Oysa bu iş o kadar basit değil. Casimir etkisi bizi kuantum alanlarının fiziksel olduğunu kabul etmeye zorluyor. Nesnel gerçekliğin olmadığı mikroskobik kuantum dünyasından nesnel gerçekliğin geçerli olduğu gözle görülür dünyanın nasıl türediğini gösteren Kuantum Darwinizm kuramı da buna zorluyor.

Kuantum Darwinizm nesnel gerçeklik ile fiziksel gerçekliğin aynı şey olabileceğini gösteriyor! Hendrik Casimir kendi adıyla anılan etkiyi 1948’de öngördüğü zaman başımıza büyük çorap ördü. Fizikçi Steve Lamoreaux da 1997’de bu etkiyi deneylerle kanıtladığı zaman boynumuzdaki felsefe urganını iyice sıktı.

Fizik öyle bir noktaya geldi ki krize girdik: Bütün evreni tek denklemle açıklayacak her şeyin teorisini geliştirmek mümkün veya değilse bunu ancak deneylerle gösterebiliriz. Olsa elimizdeki deney teknolojisi en az 30 yıl ve belki de 50-60 yıl boyunca hem varlık-bilgi felsefesine hem de fiziğe dair bu önemli soruları yanıtlamaya yeterli olmayacak.

Dolayısıyla kuantum alanlarının kökenini, nasıl oluştuğunu ve fiziksel olup olmadığını anlamak bizzat fizik yapabilmek ve fizik bilimini ilerletmek için şarttır. İşte bu yüzden “Ben bir enstrümantalist olarak köken sorularıyla, kök sebeplerle ilgilenmiyorum. Sus ve hesapla!” diyen Sabine Hossenfelder gibi fizikçilere katılmıyorum. Köken soruları sormayan teorik fizikçiler mesleğini icra edemezler. Oysa elimizde fizikle ilgili çözülmemiş çok ciddi problemler var:

İlgili yazı: Evrenin En Büyük Yıldızı UY Scuti mi?

 

Deneysel fizik şart

• Karanlık madde parçacıkları nedir?
• Karanlık enerji nedir ve karanlık enerjiyi taşıyan bir karanlık bozon parçacığı var mı?
• Inflaton alanı nedir ve inflaton parçacıkları var mı?
• 4 fizik kuvveti hiper yüksek enerjilerde birleşiyorsa bu tek kuvvet nedir ve nasıl çalışır?
• Dolayısıyla da karanlık madde ve karanlık enerjinin kuantum alanları nedir?

İnsan bu sorularla karşılaşınca Hossenfelder gibi teorik fizikçilerin kendini nasıl enstrümantalist olarak görebildiğine şaşırıyor. Fizikçiler kendini bugünkü eksik deney aygıtlarıyla sınırlarsa daha güçlü aygıtlar geliştirecek motivasyona da sahip olamazlar. Peki kuantum alanları evreni nasıl oluşturdu?

Bunun kesin bilmiyoruz ama elimizde bazı ipuçları var: Örneğin evreni sıcak büyük patlama anına geri sarsak ve gözlemlenebilir evrendeki bütün kuantum alanlarını sıfırlasak yaşadığımız evrenin oluşması imkansız olurdu. Fizik yasalarının 26 evrensel sabitle tam bugünkü gibi olması tekrarlanmayacak kadar düşük bir olasılıktır. Nitekim bilim insanları çoklu evren teorisini bu yüzden geliştirdiler.

Kuantum alanları ve çoklu evren

Kainatta sonsuz sayıda evren varsa içlerinden biri bizim evrenimiz olabilir diyorlar. Fizikte tanrı var mı ve evrenin bilgi işlem kapasitesi nedir yazılarında belirttiğim gibi çoklu evren de aslında sorunlu bir teori. Dolayısıyla evrenin neden öyle olduğunu kuantum fiziğinin rastlantısallığına bile bırakmadan bunun fiziksel sebebini bulmak çok önemlidir ki şekildeki görebilirsiniz:

İlgili yazı: Virüsler Canlı mı ve RNA Yaşamın kökeni mi?

 

Sonsöz

Büyük patlamada kuantum alanları belki de bütün parçacıkların tek parçacık ve tüm alanların tek alanda birleştiği bir enerji düzeyindeydi. Bunu Meksika şapkası sombreroya benzeyen bir enerji alanı grafiğinde gösterebiliriz. Öyle ki şapkanın dibi bugünkü enerji düzeyini ve tepesi de büyük patlamadaki enerji düzeyini gösterecektir. Oysa büyük patlama bugün tekrarlansa şapkanın dibi daha derin ve sığ olabilirdi. Nasıl ki Herakleitos aynı ırmakta iki kez yıkanılmaz demiş, aynı evren de iki kez oluşmaz. Dahası büyük patlamayı etkileyen belirsizlik kaynaklı rastlantısallık şunlara yol açacaktır:

• Başlangıç koşullarında çok küçük farklılıklar
• Evrendeki madde ve enerji dağılımını etkileyen kuantum salınımları
• Evrenin genişleme ve soğuma hızı
• Yeni eşlem alanları (fizik kuvvetlerinin birbirinden ayrılma zamanı ve şeklinin farklı olması)

Tek fizik kuvvetinin 4 fizik kuvveti halinde ayrışmasına simetri kırılması diyoruz ama hiç ayrışmayabilir veya 3-5 farklı fizik kuvveti ortaya çıkarabilirdi. Bu da yaşadığımız evrenden farklı bir evren oluşması demektir. Peki büyük patlamadan önce farklı kuantum alanları var mıydı ve gelecekte ortaya çıkacak mı? Bunu bilmiyoruz ama fiziğin sınırlarının tam burada yattığını biliyoruz.

Siz de evren yok eden vakum köpükleri ve kuantum köpük teorisine şimdi bakarak evren bir simülasyon mu diye sorabilirsiniz. Çoklu evrenleri çarpışan evren izi süper boşluklar ve karanlık akış: evrenimizi çeken başka evren başlıklarında araştırabilirsiniz. Evrenin kenarı nerede ve nasıl gideriz diye sorabilirsiniz. Üstelik Roger Penrose’un Nobel Fizik Ödülünü kazanmasından hareketle evrenden önce gelen evren teorisini de ilkin kara deliklerle sorgulayabilirsiniz. Muhteşem bir hafta sonu dilerim. 😊

Kuantum alanları: Evrenin yapıtaşları

¹Work distributions on quantum fields
²Rolling with quantum fields
³Universal Computation with Quantum Fields