Uzay–Zamanın Kökeni – 2 >> Evren’in kumaşı ne marka? Halka kuantum kütleçekim kuramı sicim teorisine karşı
Einstein’ın görelilik teorisinde uzay–zaman evrenin dokusu olarak tanımlanıyor ve klasik fizikte bunu deliksiz bir kumaş olarak kabul edebiliriz. Ancak, fizikçiler kara deliklerin merkezinde ne olduğunu anlamak ve kuantum fiziğiyle göreliliği birleştirmek için uzayı dev bir enerji ağı ile tarif etmeye çalışıyor.
Kuantum fiziğine göre uzay boşluğunun bile bir enerjisi var ve bunu laboratuarda test edilen Casimir etkisinde görebiliyoruz; fakat bilim adamları bu enerji ağını nasıl tanımlayacakları konusunda ayrılığa düşmüş durumdalar.
Halka Kuantum Kütleçekim Kuramı’na göre uzay boşluğu küçük enerji ilmeklerinden oluşan bir örme kumaşa benziyor. Bu ilmekler birleştiğinde galaksiler ve yıldızların bulunduğu uzayı meydana getiriyor. Maddeye şeklini veren enerjiyle buna ait enformasyon Planck ölçeğindeki mikroskobik halkaların üzerinde taşınıyor ve halkaları birbirine bağlayarak Evren’in kumaşını örüyor.
Sicim Teorisi’ne dayalı Kuantum Kütleçekim Kuramı’nda ise uzay–zamanın dokusu madde ve enerjiyi oluşturan temel parçacıklar arasındaki fiziksel etkileşimlerle, yani enerji alışverişiyle ortaya çıkıyor. Sicim Teorisi’ne göre uzay–zaman içinde bulunduğu madde ve enerjiden bağımsız bir enerji alanı değil, temel parçacıkların arasındaki dinamik ilişkilerle ortaya çıkan bir tür dokuma kumaş (çatı kavramı).
Peki hangisi haklı? Evren’in nasıl oluştuğunu ve karanlık enerjinin etkisiyle nasıl yok olacağını anlamak açısından kritik soru bu. 🙂
Balık ağı
College Park Maryland Üniversitesi’nden fizikçi Ted Jacobson bu sorunu çözmek için radikal bir yol seçti ve 1995 yılında Evren’i oluşturan uzay–zamanı dev bir enerji ağı olarak tanımladı.
Jacobson’a göre Planck ölçeğinde mikroskobik deliklerden oluşan bu balık ağının halkaları karanlık enerjinin etkisiyle hücre gibi bölünüyordu ve uzay–zaman ağına yeni halkalar eklenmesiyle birlikte Evren de hızlanarak genişliyordu. Jacobson bu alışılmadık yaklaşımıyla Halka Kuantum Kütleçekim Kuramı’na esin kaynağı olmuştu.
Jacobson’a göre uzay boşluğu dediğimiz şey sadece bu ağın iplerinden oluşuyordu, ağın deliklerinde ise hiçbir şey yoktu. İplerin düğümleri Planck ölçeğindeydi ve yazımızın 1. bölümünde belirttiğimiz gibi, bunlar aynı zamanda Planck parçacığı olarak da tanımlanabilirdi.
Kördüğüm
Nitekim enerji ağını meydana getiren düğümlerden daha küçük bir şey yoktu ve her bir düğümü, yani Planck parçacığını, temel parçacıklardan bile küçük olan minik kara delikler olarak tanımlamak mümkündü.
Nasıl ki temel parçacıklar madde ve enerjiyi meydana getiriyordu, Planck parçacıkları da madde ve enerjinin içinde yer aldığı uzay–zaman ağını meydana getiriyordu. Bu durumda Planck parçacıkları uzay–zamanın temel birimleriydi. Eski atom konseptinde olduğu gibi Evren’in daha küçüğe bölünemez birimleri.1
Yine ilk bölümde belirttiğimiz üzere, uzay–zamanı madde ve enerjiden bağımsız olarak düşünmek veya uzay–zamanla madde arasındaki ilişkiyi gözden kaçırmak yeni doğan evrenlerde entropi zehirlenmesi sorununa yol açıyor.
Ancak Jacobson’ın yaklaşımını ciddiye almak gerek. Çünkü bu yaklaşım, kütleçekim kuvvetini kuantum fiziğiyle açıklamak ve görelilik teorisiyle kuantum dünyasını birleştirmek isteyen fizikçileri yönlendirdi.
Kuantum kütleçekimin doğuşu
Kuantum kütleçekim kuramına noktalı kütleçekim kuramı da diyebiliriz. Nitekim görelilik teorisinde kütleçekim tek bir kesintisiz dalga veya kumaş gibi düz bir enerji alanı olarak tanımlanıyor. Kuantum kütleçekim kuramı ise kütleçekim kuvvetinin graviton denilen parçacıklar yoluyla, yani kesintili ve noktalı olarak yayıldığını söylüyor.
Bu durumda kuantum fiziğinde kütleçekim alanını delikli bir balık ağı gibi tanımlayabiliriz. Uzaktan bakınca bu alan tek bir pürüzsüz kumaş gibi görünüyor. Ancak yakından bakınca karşımıza balık ağına benzeyen bir enerji alanı çıkıyor.
Aslında bunu bir haritadaki koordinat ızgarasına benzetebilirsiniz, bilim adamları kütleçekimi bu tür bir koordinat alanıyla tanımlamaya çalışıyor. Kuantum kütleçekim Evren’de tek tek noktalar üzerinde ortaya çıkıyor ve güç çizgileri halinde yayılarak kütleçekim alanını meydana getiriyor; ama bu matematiksel bir tanımlama. Tam olarak kütleçekimin ne olduğunu açıklamıyor, sadece nasıl yayıldığını açıklıyor.
Teorik rekabet
Alternatif teoriler bu soruna farklı açıdan bakıyor. Sicim teorisi koordinat ızgarasının temel parçacıklar arasındaki etkileşimi temsil ettiğini söylüyor ve kütleçekim alanını bu etkileşimlerden türetiyor. Halka kuantum kütleçekim kuramı ise koordinat ızgarasındaki kareleri halkalarla değiştiriyor.
Ancak her iki kuramın benzeştiği bir nokta var: Sicim teorisi ızgarada noktaların bulunduğu köşelere temel parçacıkları oluşturan ve onlardan küçük olan enerji şeritlerini, yani sicimleri koyuyor. Bu sicimler 10 boyutlu ve beyin gibi kıvrımlı bir uzayda titreşerek temel parçacıkları meydana getiriyor (ilave 7 boyut bizim göremeyeceğimiz kadar küçük).
Zincir yelek
Halka kuantum kütleçekim kuramı ise görelilik teorisinde kullanılan ızgara koordinat sisteminin karelerini enerji halklarıyla değiştiriyor. Karelerin yerine yuvarlak halkalar geldiği için, karelerin köşesindeki noktaların da bir anlamı kalmıyor; yani balık ağının düğümlerinden söz etmek anlamsız oluyor.
Dikkat edecek olursak birbirinden tümüyle farklı olan bu iki teori bir noktada uzlaşıyor: Uzay–zamanın Planck parçacıkları denilen bölünmez temel birimlerden oluşmadığı konusunda hem fikirler. Ayrıldıkları nokta ise, halka kuantum kütleçekim kuramının uzay–zamanı madde ve enerjiden bağımsız bir kalıp olarak tasarlaması.
İki kuramın ortak bir kökeni var
Yine de bütün bu farklı kuantum kütleçekim kuramlarına tek bir şey esin kaynağı oldu: Termodinamik yasaları, özellikle de Boltzmann’ın 19. yy’da geliştirdiği ve gazlar kinetiğini istatistiksel olarak açıklayan matematik denklemi. Nasıl oldu derseniz:
Bilim adamları kuantum fiziğinde enerjinin kesintisiz olarak değil, kesikli paketler halinde aktığını görmüşlerdi (ışığı oluşturan foton parçacıkları buna bir örnek). Öte yandan Boltzmann da bir gazın içindeki moleküllerin ve atomların hareketini istatistiksel olarak açıklamanın bir yolunu bulmuştu. Buna Boltzmann denklemi diyoruz.
Böylece kuantum fizikçiler uzay–zamanı da atomlar ve moleküller gibi küçük parçacıklar halinde düşünmeye karar verdiler. Bu yaklaşım kara deliklerin merkezindeki tekillik sorununu çözmelerini de sağlayabilirdi.
Üstelik ellerinin altında Boltzmann’ın termodinamiğin ikinci yasasını yeniden açıklamakta kullandığı denklem vardı.15 Bu sayede kütleçekimi oluşturan gravitonları tek tek göremeseler de graviton parçacıklarının istatistiksel ortalamasını alarak, koordinat ızgarası üzerinde bu parçacıkların nasıl kütleçekim alanı oluşturduğunu gösterebilirlerdi.
İşte bu sebeple kuantum fiziği ile termodinamik arasında yakın bir ilişki olduğunu söyleyebiliriz. Şimdi buna göz atalım.
Termodinamik yasaları ve kuantum kütleçekim
Amsterdam Üniversitesi’nden fizikçi Erik Verlinde, 2010 yılında bazı matematiksel hesaplamalar yaptı. Verlinde uzay–zamanın temel bileşenlerini, bu durumda varsayımsal Planck parçacıklarını istatistiksel termodinamik formülleriyle analiz ettiğimiz zaman Newton’ın kütleçekim yasasının ortaya çıktığını gösterdi.
Bilim adamları uzay–zamanın bileşenlerinin ne olduğunu bilmiyordu, ama bunları termodinamik yasalarıyla matematiksel olarak tanımlamaya kalktıkları zaman kütleçekim kuvveti kendiliğinden ortaya çıkıyordu.2
Hindistan’daki Pune Üniversiteler Arası Astronomi ve Astrofizik Merkezi’nden Thanu Padmanabhan da yaptığı bağımsız bir çalışmada, Einstein’ın görelilik denklemlerini termodinamik yasalarıyla özdeş kılacak şekilde yeniden yazabileceğimizi ortaya koydu. Zaten görelilik teorisini kapsayan, ancak bu teorinin açıklayamadığı tekillik gibi konseptleri de açıklamaya çalışan bütün kütleçekim teorileri bunu yapıyor.3
Sıra karanlık enerjide
Padmanabhan şu anda karanlık enerjinin nasıl ortaya çıktığını ve bu enerjinin şiddetini termodinamik yasaları ile holografik ilkeyi bir arada kullanarak açıklamaya çalışıyor. Bu da bizi dönüp dolaşıp kuantum kütleçekime geri getiren bir öykü:
Evren 5 milyar yıl önce yeterince genişlemiş olduğu için, karanlık enerji yerçekimine üstün geldi ve Evren’in yeniden genişlemeye başlamasına yol açtı. Şu anda bu genişleme Evren’in kısa süre için ışıktan hızlı bir şekilde genişlediği Büyük Patlama sonrasındaki şişme evresinden çok daha yavaş. Ancak böyle giderse 37 ila 120 milyar yıl içinde genişleme inanılmaz hızlanacak ve sonunda uzay boşluğunu kumaş gibi yırtarak Evren’i parçalayacak.
Elbette Evren’in genişlemesi hızlanıyor derken galaksilerin birbirinden kendi hızlarıyla uzaklaşmalarını kast etmiyoruz (örneğin bir tabancanın ateşlediği mermi namludan kendi hızıyla çıkıyor ve hareket ediyor, Evren genişlediği için değil). Bunun yerine bizzat uzay boşluğunun şişerek genişlemesinden söz ediyoruz.
Tarihi yanılgı
Uzay genişledikçe galaksilerin arası açılıyor ve araya daha fazla uzay boşluğu doluyor. Bu da toplam boşluk enerjisini, yani karanlık enerjiyi arttırarak Evren’in daha hızlı genişlemesine yol açıyor.
Her durumda, bilim adamları boşluğun enerjisini laboratuarda gözlemlediğimiz Casimir etkisinden yola çıkarak hesaplamayı başaramadılar. Elde ettikleri enerji değeri karanlık enerjinin bugünkü değerinden çok daha yüksekti.
Sanal parçacıklara dayalı Casimir etkisini baz alarak yaptıkları hesaplamalar, Evren’deki karanlık enerji miktarının bugünkü değerinden 10120 kat büyük olacağını gösterdi. Doğrusu bilim tarihinde fizikçiler hiç bu kadar büyük bir farkla yanılmamışlardı.
Kuantum kütleçekim ve karanlık enerji
Fizikçilere kızmayalım, bu tür fikirleri test etmek gerçekten çok zor. Çünkü Planck ölçeğini mikroskopla göremiyoruz ve formüllerimizi deneylerle test edemiyoruz. 10-35 metreye karşılık gelen Planck ölçeği protonun çapından 20 kat küçük (İsviçre CERN’deki Büyük Hadron Çarpıştırıcısı LHC bile Planck enerjisine ulaşamıyor).
Ancak Evren’i Planck ölçeğinde delikleri olan bir balık ağı gibi düşünürsek, yani uzay boşluğunun aslında delikli bir yapı olduğunu düşünürsek, karanlık enerjinin de sadece bu ağın iplerini gerdiğini söyleyebiliriz.
Sonuçta sanal parçacıklar uzayı oluşturan enerji ağının deliklerini de iplerini de dolduruyor, ama karanlık enerji sadece Evren’de ortaya çıkıyor. Evren sadece bu ağın iplerinden oluştuğu için karanlık enerjinin değerini doğru olarak hesaplayabilmemiz gerekiyor.
En azından bazı fizikçiler böyle düşündüler ve bu enerji ağının nasıl oluştuğunu göstermek üzere halka kuantum kütleçekim kuramını geliştirdiler. Ancak acele etmeyelim ve önce bu fikri nasıl test edebileceğimize bakalım. Uzay–zamanı gerçekten bir enerji ağı olarak tanımlayabilir miyiz?
Gama ışını patlamaları
Aslında bunu test etmek mümkün. Güneşten çok daha kütleli olan yıldızlar süpernova halinde patlıyor ve bu sırada Evren’in en enerjik ışınları olan gama ışınlarını saçıyor. Gama ışınları süper enerjik fotonlardan oluşuyor ve elbette fotonlar ışık hızında gidiyor, daha hızlı gitmiyor.
Ancak uzay–zaman Einstein’ın dediği gibi deliksiz, tek parça bir yapıya sahipse fotonların frekansının da teorik olarak sonsuza kadar artması gerekiyor.16 Öte yandan uzay–zaman kuantum kütleçekim kuramlarının söylediği gibi delikliyse, en enerjik gama ışınlarını oluşturan fotonların frekansının bir üst sınırı olmak zorunda.
Kuantum kütleçekim testleri
Uzay–zaman delikli bir ağ ise fotonların da “delikli uzay–zaman kavislerine” çarparak az da olsa yavaşlaması ve Dünya’ya beklenenden biraz daha uzun bir sürede ulaşması beklenir. Süpernovanın Dünya’ya uzaklığını ölçerek bu gecikmeyi tespit edebiliriz.
Böylece fotonların uzay–zamandaki delikleri atlayarak ilerlemesinden kaynaklanan yavaşlamayı ölçebilir ve evrenin bir tür enerji ağından oluştuğunu doğrulayabiliriz. Bu sonuç her ne kadar halka kuantum kütleçekim kuramını kanıtlamaya yeterli olmasa da en azından enerji ağı konseptinin doğru olduğunu gösterecektir.
Nitekim Roma Üniversitesi’nde kuantum kütleçekim araştırmaları yapan Giovanni Amelino-Camelia ve meslektaşları Nisan 2013’te kaydedilen bir patlamanın yaydığı gama ışınlarında bu tür bir yavaşlama gördüklerini duyurdular.4 Bunlar kesin sonuçlar değil ama araştırmalar sürüyor.
Lazer ışınları ve aynalar
Uzay–zamanın dokusunun balık ağı gibi delikli olup olmadığını merak eden diğer fizikçiler ise gözlerini uzayın derinliklerine çevirmek yerine masaüstüne çeviriyor ve laboratuar masasına yerleştirdikleri test aynalarına yansıtılan lazer ışınlarını inceliyorlar.
Londra Imperial College ve Viyana Üniversitesi araştırmacıları, uzay–zamanın Planck ölçeğinde delikli bir yapı sergilemesi halinde, mikroskobik aynalardan yansıyan lazer ışınlarında az da olsa değişiklik görülmesini bekliyor ve bunu test ediyorlar.5
Sicim Teorisinin rakipleri
Sicim teorisi uzay–zamanın temel parçacıklar arasındaki etkileşimin sonucunda ortaya çıkan bir enerji ağı olarak tanımlanabileceğini söylüyor ama Sicim Teorisinin bir rakibi var:
Halka kuantum kütleçekim kuramı (veya Vikipedi’deki adıyla Kuantum Çekim Döngüsü).
Halka kuramında, Evren’deki kütleçekim alanları ilmek şekilli halkalardan oluşan ve yine balık ağı gibi delikli olan bir enerji ağı şeklinde tanımlanıyor. Ancak kütleçekim enerjisinin, kütleçekim ağını meydana getiren halkaların çevresinde dönerek dolaştığı düşünülüyor. Türkçe çevirideki döngü ve halka karşılıkları buradan geliyor.
Sicim Teorisi’nde ise uzay–zaman temel parçacıklar arasındaki fiziksel etkileşimlerle meydana gelen dinamik bir çatı konsept oluşturuyor. Peki temel parçacıklar birbiriyle nasıl etkileşim kuruyor?
Holografik Evren İlkesi üzerinde araştırmalar yürüten Profesör Leonard Susskind, kara deliklerde enformasyon paradoksunu çözmek amacıyla, temel parçacıklar arasındaki dolaşıklığın mini solucandelikleriyle açıklanabileceğini söylüyor. Bu durumda uzay-zaman kuantum dolaşıklığından çıkıyor olabilir.
Bu da aslında Sicim Teorisi’ne kurucu babalarından Maldacena’nın kuantum kütleçekim kuramının temelini oluşturuyor. Bu konuya yazımızın son bölümünde geri döneceğiz fakat şimdi halka kuantum kütleçekim kuramıyla devam edelim.
Uzay–zaman örgüsü
Halka kuramında örgü kumaşa benzetilen uzay–zaman ağının ipleri neden oluşuyor? Uzay–zaman bir örgüyse bu kumaşı ören iplikler nedir?
Halka kuantum kütleçekim kuramı adından da anlaşılacağı üzere buna çok basit bir açıdan yaklaşıyor: “Uzay–zaman örme kumaştır ve bu kumaşın örgülerini oluşturan ilmekler de uzay–zamanın en küçük bölünmez birimidir” diyor.
1980’lerde Ashtekar ve arkadaşları tarafından geliştirilen kurama göre, uzay–zamanı oluşturan ilmekler bu halkaların büyüklüğünü belirleyen enerji ipliklerinden oluşuyor. Enerji ilmekleri de deliklerden atlayan fotonların ve diğer parçacıkların enerjisini etkiliyor. Aynı zamanda, kütleçekim alanının minimum şiddetini ve boşluğun enerjisi olan karanlık enerjinin anlık değerini de belirliyor.
Uzaydaki parçacıkların hız ve konum verisi olarak tanımlayabileceğimiz enformasyon da bu enerji halkalarının üzerinde taşınıyor. Bunu fiber internet bağlantısında veri taşıyan fiber optik kablolara benzetebiliriz.6
Sicim Teorisiyle karıştırmayalım
Burada dikkat etmemiz gereken bir nokta var: Halka kuantum kütleçekim kuramındaki ilmekleri ve bu ilmekleri oluşturan enerji iplerini Sicim Teorisi’ndeki sicimlerle karıştırmamalıyız. Çünkü sicimler, yani Sicim Teorisine göre protonları oluşturan kuarklardan bile küçük olan ve kuarkları meydana getiren enerji iplikleri uzay–zamanın içinde yüzüyor (tıpkı suda yüzen balıklar gibi).
Ancak halka kuantum kütleçekim kuramı temel parçacıkları, dolayısıyla madde ve enerjiyi tanımlamıyor. Bunun yerine parçacıkların içinde yüzdüğü uzay–zaman denizini, uzay–zaman ağını tanımlıyor.
Bu da halka kuantum kütleçekim kuramına getirilen en büyük eleştiri zaten. Bu kuram sadece matematiksel bir model. Ayrıca elektromanyetik kuvvet, güçlü çekirdek kuvvetiyle zayıf çekirdek kuvvetinin ne olduğunu söylemiyor ve kuantum alanları ile bu alanları yaratan madde parçacıklarının nasıl oluştuğunu açıklamıyor. Kuramın entropi zehirlenmesi sorununu çözemediğini ise ilk bölümde belirtmiştik.
İlmekleri küçültemezsiniz
Halka kuantum kütleçekim kuramında uzay-zamanın yapıtaşları olan halkaların büyüklüğünü bu halkaların sahip olduğu enerji düzeyi belirliyor. Yüksek enerjili halkalar büyük ilmekler oluşturuyor. Düşük enerjili halkalar ise küçük ilmekler meydana getiriyor.
Bu durumda boş uzay da halkaların minimum enerji durumuna karşılık geliyor. Kurama göre en küçük halkanın boyu Planck boyunda (Evren’deki en küçük anlamlı büyüklük). Kuantum halka kütleçekim kuramı, kütleçekim kuvveti ve Evren’i dolduran maddeyle enerji için işte böyle bir referans çerçevesi oluşturuyor.
Nitekim kuramdaki formülleri kullanarak ilmeklere daha küçük bir ilmek eklemeye kalktığımız zaman, bu ilmeği oluşturan kısa ipliğin örgü ağından koptuğunu görüyoruz: Planck boyundan küçük iplikler öksüz ve yetim kalıyor. Bunlar hiçbir halkaya bağlanamadığı için ilmeklerin ortasındaki deliklerden birinden içeri düşüyor, sonuçta uzay–zamandan ve Evren’den koparak hiçlikte kayboluyor.
Öyleyse tekillik yok
Standart kuantum kütleçekim kuramında (Sicim Teorisi) uzay–zamanı oluşturan enerji ağındaki deliklerin Planck ölçeğinden küçük olamayacağını söylemiştik. Bu nedenle kara deliklerin merkezinde tekillik olması da imkansız.
Çünkü tekillik oluşması için kara deliğin muazzam çekim kuvvetinin uzay–zamanı sonsuz ölçüde bükmesi gerekiyor. Oysa uzay–zamanın en küçük birimi Planck ölçeği olduğunda uzay–zaman sonsuza kadar bölünemez ve kara delikler de uzay–zamanı sonsuz ölçüde bükemez.
Elbette bu durum, kara deliklerin yuttuğu her şeyi merkezindeki inanılmaz şiddetli çekim alanında yok ettiği gerçeğini deştirmiyor (Yıldız kütleli kara deliklerin olay ufkundaki şiddetli gelgit kuvvetleri ise cisimleri daha kara deliğe düşmeden parçalıyor).
Büyük Patlama’dan önce tekillik yoktu
Kuantum kütleçekim kuramları Evren’i doğuran Büyük Patlama’dan önce de sonsuz küçüklükte bir tekillik olmadığını gösteriyor. Hatta başka bir teori üzerinde çalışan kozmolog Lawrence Krauss, Büyük Patlama’ya ve Evren’in genişlemesine negatif enerji yol açtı derken bunu kast ediyor.
Uzay–zaman ağından daha küçük delikler yaratmaya kalkmak boşluğun enerjisinin negatif enerjiye dönüşmesine yol açıyor. Bu da kütleçekim kuvveti yerine kütle itim kuvvetine, yani karşı çekime ve sonuçta başka bir Büyük Patlama’ya yol açıyor.
Paralel evrenlere yolculuk
Fizikçi Michio Kaku’ya göre, Evren’de tek bir noktaya sonsuz enerji yüklemenin imkansız olması, aynı zamanda başka evrenlere seyahat etmek için açık bir kapı bırakıyor: “Evren’de Planck ölçeğindeki bir alana bu alanın taşıyabileceği enerjiden daha fazlasını gönderirsek, uzay–zamanın dokusunu yırtan bir kara delik veya bir solucandeliği açabiliriz” diyor Kaku.
Uzak gelecekte bir gün süper enerjik lazer ışınlarıyla bunu başarabilirsek belki de kendi Evrenimizi yaratabilir veya başka bir evrene geçit açarak evrenler arasında seyahat edebiliriz. Ancak bunun için halka kuantum kütleçekim kuramı veya Sicim Teorisi’ne dayalı kuantum kütleçekim kuramının doğru olması gerekiyor. Ayrıca uzay–zamanın eriyerek dağılmasının çevredeki astronotları yok etmek yerine başka bir evrene kapı aralaması gerekiyor.
Test amaçlı bebek evrenler yaratmak
2006 yılında Ashtekar ve meslektaşları halka kuantum kütleçekim kuramının ilmekli yapısının avantajlarından yararlanan bir dizi simülasyon yaptılar7 ve Einstein’ın denklemlerini zamanda geriye sararak Büyük Patlama’dan önce neler olduğuna baktılar (!).
Tahmin edebileceğiniz gibi zaman geriye doğru akar ve Büyük Patlama anı yaklaşırken Evren küçülmeye başladı. Ancak Evren halka kuantum kütleçekim kuramındaki minimum halka boyuna, yani Planck ölçeğine ulaştığında negatif enerji itici bir kuvvet olarak ortaya çıktı ve Büyük Patlama anından önce Einstein’ın gösterdiği tekilliğin oluşmasını önledi.
Evren’in göbek kordonu
Bunun yerine Planck mesafesi çapında bir tünel açıldı. Bu tünel bizden önce gelen başka bir Evren’e bağlanıyordu. Bu da aslında 80’lerde Evren’in Büyük Patlama’dan sonra kısa bir süre için ışıktan hızlı şiştiğini ortaya koyan Alan Guth’un tahminlerine uyuyor.
Guth da kainatta sayısız Evren olduğunu söylüyordu. Guth’a göre, yeni doğan Evren’ler kendisini doğuran ana Evren’den ince uzun kuyruklu bir su damlası gibi uzayarak kopuyor ki bu su damlasının kuyruğunu bebeklerin göbek kordonuna da benzetebiliriz
Halka kuantum kütleçekim kuramı da Evren’in Büyük Patlama ile değil, Büyük Sekme ile oluştuğunu açıklamaya çalışırken benzer bir sonuca varıyor: Simülasyonlar, Evren’in doğum anında bebek Evren’i ana evrene bağlayan kıldan ince bir tünel oluştuğunu gösteriyor: Bu bir solucandeliği!
Sicim Teorisi, Guth’un şişme modeli ve halka kuantum kütleçekim kuramının en azından bu noktada konsept olarak uyuşması, kuantum kütleçekim kavramının doğru olduğunu gösteren bir ipucu olarak değerlendirilebilir.
Ancak Büyük Sekme de nedir?
Fizikçiler süslü kavramları çok seviyor. 40 yıl önce işe Büyük Patlama ile başladılar. Ardından Büyük Ezilme ve Büyük Yırtılma geldi. Halka kuantum kütleçekim kuramı ise Büyük Sekme‘den söz ediyor. Yazımızın sonraki bölümüne geçmek üzere konuyu bağlamadan önce Büyük Sekme’yi kısaca anlatalım.
Halka kuantum kütleçekim kuramı kozmolojisine göre Evren Büyük Patlama ile oluşmadı, bunun yerine Büyük Sekme ile oluştu. Buna Büyük Sekme diyoruz, çünkü bu kuramı savunan fizikçiler Evrenimizin daha önce Büyük Ezilme ile çöken başka bir evrenin kalıntılarının tekrar genişlemesiyle doğduğunu düşünüyor.
Süpernova örneğinde bunun mantığını açıkladık ve yandaki çizimde Büyük Sekme’nin detaylarını görebilirsiniz. Büyük Sekme’yle ilgili olarak konumuz sınırları içinde söyleyebileceğimiz tek şey bu modelin Entropi Zehirlenmesine yol açması.
Eski Evren’in entropisini temizlemezsek yeni Evren ölü doğacaktır. Bunu biraz da bir şirketi borçlarıyla birlikte satın almaya benzetebiliriz. Borçları ödemek size büyük bir yük getirecektir ve iflas etmenize yol açabilir.
Güzel senaryo
Ama ne yazık ki Büyük Sekme şimdilik sadece bir senaryo. Çünkü halka kuantum kütleçekim kuramı henüz kanıtlanmamış bir kuram. Üstelik bir teori bile değil. Örneğin elektromanyetik kuvvet veya güçlü çekirdek kuvveti gibi diğer fizik kuvvetlerini açıklamıyor. Yalnızca kütleçekim kuvvetini açıklıyor.
Bunu yaparken de bütün fizik kuvvetlerini açıklayan Sicim Teorisi’nde ve atom fiziğinin temeli olan Standart Model’de kabul edilen bazı kuralları çiğniyor. Neyse ki elimizde Sicim Teorisi’ni baz alarak geliştirilen alternatif bir kütleçekim kuramı var. Bu kuramın öyküsünü yazımızın 3. bölümünde anlatıyoruz. 🙂
Beş dakikada kütleçekim
Sicim Teorisi halka kuantum kütleçekim kuramına karşı
Kozmoloji ve kuantum kütleçekim: Hakalar ve spin köpükleri (Carlo Rovelli)
1Jacobson, T. Phys. Rev. Lett. 75, 1260–1263 (1995).
2Verlinde, E. J. High Energy Phys. http://dx.doi.org/10.1007/JHEP04( class=”year”>2011)029 (2011).
3Padmanabhan, T. Rep. Prog. Phys. 73, 046901 (2010).
4Amelino-Camelia, G., Fiore, F., Guetta, D. & Puccetti, S. preprint at http://arxiv.org/abs/1305.2626 (2013).
5Pikovski, I., Vanner, M. R., Aspelmeyer, M., Kim, M. S. & Brukner, Č. Nature Phys. 8, 393–397 (2012).
6Ashtekar, A. preprint at http://arxiv.org/abs/1201.4598 (2012).
7Ashtekar, A., Pawlowski, T. & Singh, P. Phys. Rev. Lett. 96, 141301 (2006).
8Gambini, R. & Pullin, J. Phys. Rev. Lett. 110, 211301 (2013).
9Ahmed, M., Dodelson, S., Greene, P. B. & Sorkin, R. Phys. Rev. D 69, 103523 (2004).
10Ambjørn, J., Jurkiewicz, J. & Loll, R. Phys. Rev. Lett. 93, 131301 (2004).
11Maldacena, J. M. Adv. Theor. Math. Phys. 2, 231–252 (1998).
12Raamsdonk, M. V. Gen. Rel. Grav. 42, 2323–2329 (2010).
13http://arxiv.org/abs/hep-th/9202014 Black Holes as Elementary Particles
C.F.E. Holzhey, F. Wilczek
14http://www.sciencemag.org/content/339/6115/52
15http://en.wikipedia.org/wiki/Boltzmann_equation
16http://imagine.gsfc.nasa.gov/docs/ask_astro/answers/970412e.html
17http://arstechnica.com/science/2014/03/is-the-universe-lopsided/
18http://www.nasa.gov/centers/goddard/news/topstory/2008/dark_flow.html
Bir solukta okudum diyeceğim. Bu işin heyecan kısmından. Yoksa bir solukta değil, her parçası sindirilerek okunması gereken bir yazı. Elinize sağlık. Kaku hakkında da senin sayende, daha fazla bilgileniyorum.
Kaku derya deniz. Herkes anlasın diye basit anlatıyor ama aslında satır aralarında anlayana çok mesaj veriyor. Sadece teknolojik gelişmelerin yol açtığı, açacağı toplumsal-ekonomik-kültürel-ahlaki sorunlara değinmeden, suya sabuna dokunmadan konuştuğu için biraz hayal kırıklığına uğruyorum.
Bu tarz makalelerinizi pdf olarak da paylaşırsanız emeğinizin daha kalıcı olacağını düşünüyorum.. bu güzel çalışmanız için teşekkürler
kaku işin bezirganı biraz, susskin’in holografik evren tasarımına dikkat.. burada uzay-zaman ve madde eş zamanlı olmuyor… başka şeyler deniyor
Evet. Susskind Evren hologram değil ama beş boyutlu uzayda 4 boyutlu bir kürenin 3 boyutlu holografik yüzeyi olarak modellenebilir diyor. Ben hologram değilim, gerçeğim diyor. Bu konuda Maldacena ve Susskind’i ciddiye alıyorum. Çünkü bilmedikleri konularda konuşmuyorlar.
Harika bir makale. Digerleride muhtesem olmus emegine saglik hepsini okuyacagim.
Herşeyden öce emeğine, dimağına sağlık….
Peşisıra; yazının bahsedilen 3. bölümü nerede? Ben mi göremedim?
En nihayetinde konuyla ilişkili olduğunu düşündüğüm sorumu sorayım:
Bildiğimiz hiçbir fiziksel yapı hep var olamamaktadır. Fizik yasaları (entropi) bunu göstermiştir, evren var olmuştur. Buradan çıkarımla;
Eğer bir şey hep var olacaksa fiziksel bir yapıda olmamalıdır.
Enerjinin korunumu da yine fiziksel yapılar için geçerlidir, Evren öncesi (ya da zaman da olmadığı için ötesinde diyelim)enerjinin korunumu diye bir şeyden söz edilemez.
Fiziksel bir yapı hep var olabilmek için sonsuz enerjiyi nasıl elde edecek? Enerji = madde ise o zaman sonsuz enerji için sonsuz madde gereklidir. Bunun fiziksel olarak mümkün olmadığı bilinmektedir.
Kastettiğim metafizik, aşkın bir varlık değil. Haşa.
Ancak sanal parçacıklar ve negatif enerji/sıfır nokta enerjİsi bİr anlamda tam da bu soru(n)ların bir bölümünün cevabı gibi duruyor, Yanılıyor muyum?
Ne de olsa sanal parçacıklar aslen fiziksel değiller 🙂
Saygılar ve şimdiden çook teşekkürler..
Aslında bu hafta çıkıyor. Kalp kalbe karşı mı desek? 🙂
Bu yazıyı 29/06/2014’de yayımladığınız düşünülürse hakikaten ilginç bir tesadüf.
Ama hakikaten sevindirici bir haber 🙂
…………………
Soru(larım) biraz uzun ve teferruatlı oldu farkındayım. Bunca yoğunluğunuz içerisinde..
Ancak ve ancak sadece şu önermeye çok kısa cevabınızı almam da mümkün olamaz mı acaba?
“Enerji = madde ise o zaman sonsuz enerji için sonsuz madde gereklidir. Bu da mümkün değildir. ”
…..hatalı mı?
Ayrıca içerisinden koca bir evren çıkarma, ya da ona vesile olma potansiyeline sahip bir şeye “sanal” demek, onu biraz biraz hakir görmekmiş gibi geliyor bana..
Herneyse;
Çok saygıdeğer ve “basmakalıplığın” ötesinde bir iş çıkarıyorsunuz.
Saygılar
Enerji maddeye dönüşebilir ama bütün enerji madde formunda olmak zorunda değil. Nitekim evrenin yüzde 68,3 salt enerji (karanlık enerji).
KAİNATIN UTANGAÇ YÜZÜ…
Henüz ondokuz yaşımdayken zihnime takılan alakasız bir fikirle, kurumsal bir evrakın boş yerine ‘uzayın dokusu karanlık, soğuk ve boşluktan ibarettir’ diye yazdığım talihsiz bir not yüzünden az daha işimden olayazdığım yetmişli yıllarda, ‘karanlık madde – karanlık enerji’ gibi bakir kavramlar, popüler dilde öyle uluorta telaffuz edilmiyordu. Gerçi, bilim çevrelerinde içten içe konuşuluyordu ama doksanlı yılların sonlarında karanlık enerji üzerine bazı işaretlerin keşfedilmesinden ve bilhassa ‘cern’ deneylerindeki hadron çarpıştırmalarına ilişkin ham sonuçların ortalığa saçılmasından sonra, konu enine boyuna dillenmeye başladı. Kültür medyasında dolaşan en akla yakın, en mutedil ve analitik açıklamalardan bazılarının da, tarafınızdan geldiğini peşinen belirtmeliyim. Sade olduğu kadar samimi de bulduğum, özgün bir anlatıyla kaleme aldığınız makalelelerinize henüz tesadüf ettiğimden, görüşlerimi ancak ifade edebiliyorum. Maksadım, hariçten gazel atıp, haddimze olmayan hususlarda ahkam kesmek falan değil; bilakis, sizin gibi vakıf ağızlardan gelen aydınlatıcı açıklamalar ışığında ve edebi terbiye adabı içinde, bilimsel realiteden naçizane anekdotlar üretmektir. Şöyle ki…
Termodinamik yasalarına göre ısının gönlü sıcaktan soğuğa akıyor, ışık görmeyen yerleri karanlık basıyor, kütle olmayınca ortam boş kalıyor ve sayılı günler tükendikçe sistem entropiye doğru kayıyorsa eğer; kainatın vitrin dekoru karanlık, soğuk ve boşluk motiflerinden vücut bulmuş olmalı. Kütleçekimin kuantası üzerine bir çatı kuramı geliştirilecekse, bu kavramların da dikkate alınmasında yarar olabilir. Boşluk varsa, karanlık da var soğuk da ama soğuk ne kadar serin, karanlık ne denli zifiri? Soğuk ve karanlığın derinliği, pratikte duyusal algı bilinciyle ifade edilebiliyor ve literatürde, renk cümbüşü boyunca bir uçtan diğerine uzanan frekans zinciri içindeki foton mekaniğiyle açıklanıyor. Fotonlar oldukça, sıcaklık da oluyor ışıma da ama biz canlı varlıklar, bunun yalnızca bazı tonlarını algılayabiliyoruz. Herne kadar günlük hayatta haşırneşir olsak, frekans zincirinin belirli aralığında ışık ve kızılötesiinde ısı renginde tanısak da, fotonlara hayli yabancıyız. Morötesi davranışlarını hissetmiyoruz bile. Ya ortada foton falan olmasaydı!? İşte ozaman boşluktan algılayacağımız [algılayabilseydik] şey, yalnızca karanlık ve soğuk olacaktı. Algı bilinci olmasaydı boşluk, gene soğuk gene karanlık olur muydu? Ya da, biz hiç olmasaydık!? Karanlık madde, ışımadığına göre foton salmıyor. Dolayısıyla, ısı da yaymıyor. Popüler kültürde şimdilik ‘boşluğun enerjisi’ diye yakıştırılan karanlık enerji, halihazırda esrarını koruyor olsa da, ucundan kıyısından gedikler veriyor aslında. Karanlık, soğuk ve boşluk, bu egzotik enerjinin kozmolojik uyum kültürü, bir anlamda enformasyon dili olabilir mi? Karanlık enerji, hamurun genetik mayası mı yoksa konseptin form, format ve haritasından sorumlu mukadder bir moderatör mü?! Karanlık ve soğuk, boşluğun fon bileşenleri olabilir mi ya da kendi özdokuları, kuantlarla ifade edilebilir mi?
Kelvin ölçeğiyle mutlak sıfır mertebesi, içinde yaşadığımız alemin günün birinde donacağına işaret ediyor. Yani, boşluğun kalan soğuğunu ısıtamadan pilimizin biteceğine. Sıcak cisim, ısısını aktaracağı birileri yoksa soğumuyor ama kainatta ısıyı reddedecek kimse yok ki! Her ne hikmetse, herkes üşüyor. Pozitif madde, donduktan sonra da soğumaya devam edecek belki. Şayet “muhatap olduğumuz sıcaklığın derecesini biz işaretledik ama soğuğun olabileceği son çizgi mutlak sıfırdır” diyeceksek, boşluğun dibini görmüş olmalıyız!? Aşağısını görüyorsak, çatıdan atlaması da kolay. Kainatı yöneten dört temel kuvvetin hangi cevherden nasıl sızdığını anlayabiliyoruz demektir. Öyleyse, dördünü dipte uzlaştıran bir çekirdek kuvvet kuramı üretebiliriz!? Ancak ölçek daraldıkça yani atomaltına doğru derinleşildikçe, kuvvetlerin mekanik prensipleri sapıyor veya şaşıyor. Veyahut dengeleneyior. Yüksek enerjilerde bu kuvvetleri, bir noktadan sonra hizaya getirip bloke yahut nötralize eden başka bir iktidar var sanki. Görelilik esasları, gravitonların etkidiği kütleye endeksli olunması sebebiyle, sıfır hacme sonsuz yoğunluğu sıkıştırmak için pek muktedir görünmüyor. Sonsuz yoğunluğu bastırıp sıfırda tutan gücün hikmeti farklı olmalı!? Sıfır hacimde sıkışmış sonsuz veyahut akla mantığa sığmayan onca yoğunluk, büyük patlama öncesi, boşluk henüz ortalarda yokken neyin içinde bekliyordu veya bekliyor muydu? Sıfır hacim, park yeri mi yoksa bir duraklama ya da transit noktası mıydı? Yaratıldık mı yoksa uyandırıldık mı?!
Sıfırda yoğunlaşmış onca enerjinin deşarj olması için münasip bir yer açılması, sizin de buyurduğunuz üzere, ilkin boşluğun yaratılmış olması gerekir. Sıfır hacimde sıkışmış yoğunluğun sonsuz olduğunu falan da sanmıyorum. Zira sivrilip suyüzüne çıkabilen şanslı madde de, ikizine toslayıp dibe batan talihsiz madde de sonlu. Boşluğun, tükenmek bilmeyen bereketli bir memba gibi olduğu kabul görse bile! Hacim sıfır yani mantıken bir hiçlik [yokluk] olunca, özkütlenin sonsuz olduğu kabul edilebilir belki ama dipteki, patlamaya gebe hacmin de silme sıfır olduğunu sanmıyorum. Planck mesafesinden daha küçük hatta sıfırla özdeş bir ölçek olmalı. Esasen, büyük patlamanın varoluşun başlangıcı değil, açılımı başlatan bir ara adım olduğunu düşünüyorum. Kaldı ki boşluğun, büyük patlama basıncıyla açıldığını da sanmıyorum. Şayet boşluk salt bu güçle açılmış olsaydı, evren bu denli genişleyemezdi. Pozitif maddenin de, kendi başına boşluk açması mümkün değil. Zira kütleçekim, yalnızca çökme yönünde dayatıyor. Hasılı açılım, basit bir mütekabil itiş-kakış dinamiğiyle açıklananaz. Bilinen fiziksel hiçbir patlamaya benzemediğini de düşündüğüm ‘bigbang’ basıncı, sanırım pozitif maddenin boşluğa nizami şekilde yayılabilmesinde depar sağladı ve hemen ertesinde, açılımın rölanti ve rölativitesini başkalarına devretti. Balonu, farklı bir güç şişirmiş olmalı. Boşluktan sözediyorsak, ortada bir doluluk da olmalı. Ya da ortada ne vardı ki, maddenin yayılması için boşluk açılması zaruri oldu? Nitekim, boşluk açmak için ‘kudret’ değil de bir ‘kuvvet’ gerekiyorsa, fizik kanunları gereği, mukavemet de olmak zorunda. Karanlık enerji, buna muktedir sihirbaz bir metabolizma olabilir mi?! Yani, karanlık enerji zaten vardı ve yeri sırası gelince de, ‘hokuspokus’ yapıp maddeyi hortlattı!? Eğer böyleyse kerameti, uzay-zaman konseptinin ‘balıkağı’ örüntüsünde değil de karanlık maddenin, gölgelerde dolaşan ‘utangaç’ görüntüsünde aramak gerekmez mi?!
Karanlık enerji, evren genişledikçe oluşan boşlukları, sizin de işaret ettiğiniz gibi, kendi sabitini koruyabilmek için peyderpey dolduruyorsa, ya dengeleri kalkındırmak adına ‘regülatör’ vazifesi görüyor; ya da kütleçekime nispet, açılımın namı hesabına ‘dinamo’ görevi yapıyor olmalı. Regülasyon, ‘ne sevdiğin belli ne sevmediğin’ ezgisi misali, suya sabuna dokunmadan ayar vermek anlamına gelir ki, şişmeye de çökmeye de karışmaz. Yani, evrenin kaderiyle oynamaz. Yok eğer yangına körükle gider, arı kovanına çomak sokar gibi işin içine dinamizm katıyorsa, hareketi biraz dalgalandırıyor olmalı. Evrenin genişleme hızı, yavaşlayacağı yerde, gene sizin işaret etiğiniz üzere, beşaltı milyar yıldır giderek ivmeleniyorsa, devinimin kenarlarda daha sert algılanmasına sebebiyet verir ve dolayısıyla konjonktörün engebeli olacağına işaret eder. Şayet böyleyse açılım, zaman içinde hız kesip yavaşlama yahut duraklamalar da yapmış ve baştaki simetri kırılmasına yolaçan yoğunluk çalkantıları da, bu yüzden gerçekleşmiş olabilir!? Sanki karanlık enerji, yüzkarası değil; aksine, katalitik etkileri ve arabulucuvari girişimleri sayesinde sisteme ince ayar vemekle, şimdilik yumuşak huylu hatta şefkatli gibi görünüyor. Köşebaşlarındaki paslı çöp bidonlarını, hamarat belediyeler gibi, halihazırda karadelikler boşaltıyor sanki ama en sonunda enkazı, işgüzarlık edip ya karanlık enerji, ya da Higgs mekanizması kaldıracak gibi!?
Kuantum ilkeleri zaten legal maddenin çekirdek aile bireylerini motive edip atomik jenerasyonda sentezlemiş, görelilik esasları da bunları makro ölçekte birbirleriyle yakınlaştırarak yüzgöz etmiş. Fizik ve kimya kanunlarının, maddenin doğasıyla birlikte varoldukları da biliniyor. Şöyle de denebilir… Madde, onların kuralları içinde vücut buldu. Ancak daha ötesini göremiyor, burnumuzun dibinde duran karanlık maddenin seceresini okuyamıyoruz. Sanki kainatın özünde, keşfedilmedik başka kanunlar da yatıyor gibi!? Eğer böyleyse, bu esrarengiz kanunların hikmeti, genetik yazılım sonucu bitmiş ve yerini, enerji zerreciklerinin maya tutup kütle kazandıkları Higgs alanının yanıbaşında veyahut uzay-zamanın başucunda fizik kanunlarına bırakmış olmalı. Nitekim uzay-aman, bilinen fizik kanunlarıyla birlikte işlemeye başladı. Belki, tohum öncesi aşamalar da vardı!? Her ne kadar ışık yansıtmadığı için adı üstünde olsa da karanlık madde, sanki karanlık, soğuk ve boşluk türevleriyle kendini belli etmiş ve gravitonlara bulaşmış gibi. Belki gravitonları o salıyor veya onları yönetiyor!? Nitekim karanlık madde gibi gravitonlar da, hiçbir deneyde doğrudan gözlenmedi galiba.
Işık hızı aşılınca saatleri sollamak mümkün olabilir mi, onu zaman gösterecek ama termodinamik yasaları bize, maziye nostalji yapılamayacağını söylüyor. Büyük ölüm sıcakla, soğukla veya yırtılmayla mı gelecek orası meçhul ama madde, günün birinde kütleçekimin azizliğine uğrar da, kendi üstüne çökerek sırra kadem basarsa, boşluk ne olacak? Ortada mı kalacak yoksa maddeyle birlikte büzülüp sıfıra mı inecek? Sıfıra inerse, boşalttığı yeri kim doldurur? Yoksa boşluk başından beri vardı da madde, büzüşme ve genleşme aralığında fanteziler mi yapıyor? Kainatı yöneten temel kuvvetler, topu topu dört tane midir yoksa daha mı fazla? Beşinci, altıncı veya dahası, aysbergin sıkılgan yüzünde gizlenmiş olabilir mi?! ‘Entropi’, bir bakıma iş görmeyen ‘battal’ enerjiyle de ifade edilebileceğine ve dolayısıyla sonraki jeneraysyonlara malzeme mirası bırakılamayacağına göre, varsa önceki evrenlerin enkazına ne oldu? Kül ve dumandan geridönüşüm olmaz, gidenler artık geri gelmez mi? Fizik töreleri alternatif tanımaz, gravitasyon hiç yorulmaz mı?
Mesleği bilimadamlığı değil de ‘yazarlık’ olan kimselerin, vakıf oldukları bilimsel konularda yazması, ne kadar da güzel. Teknik kavramların hatırına lütfedip, bilimsel terimlerin gönlünü almak elbette gerekli ama o karambolde kaynatıp, hayatın pratiği içinden sıcağı sıcağına yapılan güncel alıntılarla, kompozisyon konseptine, sokak profili taşıyan sade insanların bile kolayca anlayabileceği renkli deyimler sokuşturmak da, okuyucuya olağanüstü keyif veriyor hani. Elinize, kaleminize sağlık. Gayetten gerçekçi, çekici ve sürükleyici bulduğum bilimsel analizlerinizin devamı dileğiyle saygılar efendim…
Fahri Gürbüz
Yazinin sonunda (sadece 2 bolumunu okudum) Quantum kutle çekimi teorisi evrenin sonunun ısı olumümü yoksa kendi üzerine çökeceğinimi destekliyor hangisi.Karanlik enerjinin genişlemeyi durduracak gücü var anladiğim kadariyla 10 üstü 120 kat daha fazla olduğu düşünülüyor.Bu doğruysa genişlemenin bir siniri olmali.