Evrende Manyetik Tek Kutuplular Var mı?

Elektromanyetik özellikler taşıyan bütün parçacıklar standart bir kalıcı mıknatıs gibi iki kutupludur. Bunların birer manyetik kuzey ve güney kutbu vardır. Peki evreni oluşturan büyük patlamada sadece kuzey veya güney kutbu olan tek kutuplu (monopol) parçacıklar yaratıldı mı? Tek kutuplular varsa neden evren daha oluşurken kendi ağırlığıyla ezilip kara delik olmadı?

Neden tek kutuplular?

Negatif elektrik yüklü elektronlar ve pozitif protonların güneyle kuzey olmak iki manyetik kutbu vardır. Bunlara haliyle iki kutuplular deriz. Hatta kalıcı bir çubuk mıknatısı alıp ikiye bölerseniz kalan parçalar da atomlarındaki elektronlar sayesinde iki kutuplu olur. Peki evrende sadece güney veya kuzey kutbu olan tek kutuplu parçacıklar var mı? Fizikçiler büyük patlama sırasında oluştuğunu düşündükleri tek kutuplu parçacıkları neden arıyor? Bunun sebebi 4 fizik kuvvetinin büyük patlamadaki aşırı yüksek sıcaklıkta nasıl birleştiğini anlama istediğidir.

Evreni yöneten 4 fizik kuvvetinin, bizzat evrenin büyük patlamayla oluşmasını anlamak için bunu yapmamız gerekiyor. Teorik fizikçiler büyük patlamada tek kutuplu parçacıklar oluştuğu ve bunların fizik kuvvetlerinin birleşmesinde rol oynadığı kanısında. Biz de bu yazıda tek kutupluların teorik öyküsünü göreceğiz fakat bu egzotik parçacıklarla uğraşmak hiç de kolay değildir. Neden derseniz anlatmaya başlıyoruz:

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

 

Tek kutuplu parçacık fikrinin kökeni

Tek kutuplu (ucaylı) parçacıklar konusunun kökleri on dokuzuncu yüzyıla, Maxwell’in elektromanyetik alan denklemlerine uzanır. Hatta ondan önce, ilk pilleri ürettiğimiz 1800’lerin başında elektrik ve manyetik alanlara ilişkin genel bir fikrimiz vardı… Eksi ve artı elektrik yükleri vardır. Bunlar bir tel üzerinde vb. hareket ederken elektrik akımı üretir. Eş yükler birbirini iter ve zıt yükler çeker ki statik elektrik böyle oluşur. Bir pilin zıt yüklü uçları arasında elektrik yüklü parçacıklar hareket ederse elektrik akımı oluşur…

1800’lerin ikinci yarısından itibaren, özellikle de telgraflardaki gelişme sayesinde modern teknolojinin; yani elektrikli ve elektronik cihazların temelini atan endüksiyonu öğrendik ki Türkçesi irgitimdir.  İrgitim hareket eden elektrik yüklerinin manyetik alanlar ürettiği ve manyetik alanlardaki değişimlerin de elektrik ürettiğini gösterdi. Böylece elektromanyetik ışınımı öğrendik. Işık fotonlardan oluşuyordu ve elektromanyetik bir dalgaydı. Fotonlar bizi tek kutuplulara biraz daha yaklaştırdı:

İlgili yazı: Düz Dünya Teorisini Çürüten 12 Kanıt

 

Fotonlar ve tek kutuplular

Fotonlar uzayda yol alırken elektrik alanı ve manyetik alan birbirine dik açı yapıyordu. Bütün bunlar da ışığın polarizasyonu, yani kutuplanması veya öz Tükçesiyle ucaylanmasına yol açıyordu. Gerçi 1800’lerde elektromanyetik alanın bir kuantum alanı olduğunu bilmiyorduk. Bu sebeple fizikçiler bir süre fotonların elektromanyetik alanda dikey salınımlarla hareket ettiğini sandılar. Oysa kuantum alanlarının salınımı parçacıkların uzayda yer değiştirdiği anlamına gelmez. Fotonun dalga olması da sadece olasılık dalgası açısından geçerlidir.

On dokuzuncu yüzyılda, hızlanan elektrik yüklerinin ışık saçtığını da öğrendik ki bu da ileride Einstein’ın fotoelektrik etkiyi açıklamasını sağlayacaktı. Buna karşın Maxwell’in elektromanyetik denklemlerinde temel manyetik yükler yoktu. Sadece elektrik yükleri ve akımlar vardı. Demek istiyorum ki elektronlar elektrik yükünün temel parçacıklarıdır; ancak manyetik alanın temel parçacıkları yoktur. Manyetik alanı hareket eden elektrik yükleri üretir.

Diğer yandan

Manyetik alan parçacıkları olsa bunlar manyetik tek kutuplu parçacıklar olacaktı. Gerçi Maxwell denklemlerini değiştirerek tıpkı artı–eksi elektrik yükler gibi artı–eksi manyetik yükler içeren parçacıklar da tasarlayabilirsiniz. O zaman manyetik alanların salınımı ve şiddetindeki değişiklikler değil de tek kutupluların hareketi elektrik alanı üretir. Dediğim gibi bütün bunlar elektromanyetik dalganın bir kuantum alanı olduğunu bilmemizden önceydi. Bu neden önemli derseniz… Artık kuantum alanlarını büyükbabalarımızın zamanındaki gibi parçacık–dalga ikiliğiyle düşünmekten vazgeçmemiz gerektiğini belirtelim:

İlgili yazı: Kuantum Zeno Paradoksu Lazerle Nasıl Çözülür?

 

Maxwell ve tek kutuplular

Maxwell denklemlerinde elektromanyetizmaya dalga dememizin tek nedeni, dalganın hareket yönüne dik olan elektrik alanı ve manyetik alanların arasında sinüs ilişkisi olmasıdır. Frekans dediğiniz şey sinüsün yinelenme sıklığıdır. Dolayısıyla cismani bir foton dalgası yoktur. Bir fotonu uzayda bir yerde saptama olasılığımızı gösteren olasılık dalgası vardır. Bu dalga da foton kuantum alanında dalgalanır.

Foton ilişkili olduğu kuantum alanı ve dolayısıyla elektromanyetik alandaki bir dalga paketidir fakat klasik anlamda, maddi dalga değildir. Tam da bu yüzden, yani olasılık dalgasının fiziksel etkileri olmakla birlikte, cismani olmayan bir kuantum alanı olması yüzünden, elektromanyetik kuvveti tanımlayan Maxwell denklemlerine kafadan manyetik tek kutuplu parçacıklar ekleyemezsiniz. Bu parçacıkları ekleyerek oluşturacağınız simetri evrende gördüklerimizle uyuşmayan yanlış sonuçlara yol açar.

Evren ne zaman tümüyle simetriktir biliyor musunuz? Skaler kuantum alanlarından başka hiçbir şeyin egemen olmadığı büyük patlama anındaki çok yüksek enerjilerde yüzde 100 simetriktir. Odanızın içi boşken masanın dolu olması bir simetri kırılımıdır. Güneş ve Dünya gibi iki madde topağının arasında uzay boşluğunun olması da bir simetri kırılımıdır. 4 fizik kuvveti simetri kırılmasıyla oluşmuştur.

Simetri kırmak zordur

Evren simetrikken (bakışımlı) tek fizik kuvveti vardı. Onun ne olduğunu bilmiyoruz ama 4 kuvvet onun farklı zamanlar ve enerji düzeylerinde bölünmesiyle ortaya çıkmıştır. En basitinden elektromanyetik alan bakışımlı değildir; çünkü elektrik parçacıkları vardır (elektron) ama manyetizma parçacıkları yoktur. Fotonlar elektromanyetik kuvvetin taşıyıcısıdır ama elektrik yükü sıfırdır. Bu sebeple salt manyetik kuvvet taşıyıcısı olan bir parçacık yoktur. Özetle yaşadığımız evren simetrilerin kırıldığı düşük enerjili ve soğuk bir evrendir. İyi ki de öyledir; çünkü var oluş ancak bakışımsız evrende mümkündür:

İlgili yazı: 5 Soruda Paralel Evrenler

 

Kesirlik yükler ve tek kutuplular

Genellikle fizikçiler dört kuvvetin yüksek sıcaklıklarda birleştiğini umarlar. Böylece evrenin tek kökenden nasıl oluştuğunu göstermek isterler. Oysa fizik kuvvetlerinin birleşmesi demek mevcut parçacıkların özelliklerinin değişmesi demektir. Hatta çok yüksek sıcaklıklarda yeni süper kütleli parçacıklar oluşması demektir. Peki manyetik tek kutuplular bu tür parçacıklar olabilir mi? Mesela elektrozayıf kuvvetin güçlü nükleer kuvvetle birleşmesini sağlayabilir mi?

Yerçekimi hariç üç kuvveti birleştirmeye çalışan kuramlara Büyük Birleşme Teorileri (GUT) deriz. İşin ilginci, GUT fikri kuantum mekaniğinden önce ortaya çıkmıştır. Ta 1894’te Pierre Curie. manyetik yüklerin (tek kutuplu parçacıkların) var olabileceğini söylemişti. Ünlü Paul Dirac da 1931’de müthiş bir şey gösterdi… Evrende tek bir manyetik yük olsa bile (kuantum alanlarının uzayın tamamını sarması yüzünden) bütün elektrik yükleri de kuantum olacaktı. Öyle zaten! Bütün protonlar, elektronlar vb. dalga paketleridir, kuantum parçacıklarıdır. Dirac diyor ki:

Mademki madde kuantum, öyleyse evrende bir yerlerde en az bir adet manyetik tek kutuplu parçacık olmalı. Aslında Dirac hipotezi sandığınızdan daha sağlam (rigorous) bir öngörüdür. Bakınız, elektrik yükleri sadece kuantum değildir. Aynı zamanda kuarkların kesirli elektrik yükleri vardır. Elektron yüküne 1 dersek kuarkların yükleri -1/3, +2/3 vb. olur. Kesirli yükler manyetik tek kutuplular olduğunu gösteren en büyük ipucudur. Neden derseniz kuantum alan kuramının standart modeline bakalım:

İlgili yazı: Evrenin En Büyük Yıldızı UY Scuti mi?

 

GUT’lar ve tek kutuplular

Parçacık fiziğini kuantum alan kuramının standart modeliyle tanımlarız. Sonuçta kuantum alan kuramı sonsuz sayıda evren tanımlayabilir. Bizim evrenimizi gösteren sürümüne ise standart model deriz. Öyle ki kuantum alanları kuantum mekaniğinin genişletilmiş halidir. Olasılık dalgalarının kuantumlaştırılmış alanlarda nasıl dalgalandığını gösterir. Bu sebeple de bir açıdan yarı klasik teori sayılabilir. Özellikle de Schrödinger denkleminin klasik kısmını ve özel göreliliği dikkate alırsak…

Bunu söylememim nedeni, GUT teorilerinin simetrisi kırılmış fizik kuvvetlerini özel simetrilerle birleştirmeye çalışmasıdır. Bunun için de ayar gruplarını, aslında ayar teorilerini kullanırız. Bildiğiniz, evrene ayar veririz! Ayar vermek derken bu, örneğin bir elektronun evrende hangi kurallara uyarak hareket edeceğini göstermek anlamına gelir. Buna basit bir örnek verelim. Diyelim ki GUT teoriniz tuzlu ve toz karabiberli çorba olsun. Elektromanyetik kuvvet tuz ve güçlü kuvvet de toz karabiber olsun. Bunları çorbaya ekerseniz fizik kuvvetleri birleşir ama biz tuzla biberin nasıl karıştığını bilmiyoruz:

Ayar teorileriyle işte bunu bulmaya çalışıyoruz. Doğrusu elektrozayıf kuvvetin güçlü kuvvetle birleştiğinden bile emin değiliz. Her neyse… elektromanyetizmayı U(1) ayar grubuyla gösteririz. Bunun da elektronları üretmek için kompakt (tıkız) bir ayar grubu olması gerekir. Böyle olunca da manyetik tek kutuplular üretme imkanı belirir. En azından Dirac öyle düşünmüştü. GUT için sonraki adım standart modeli oluşturduktan birkaç yıl sonra 1974’te geldi. Standart modelde toplu olarak SU(3) × SU(2) × U(1) ayar grupları vardır. SU(2) zayıf nükleer kuvvettir. SU(2) × U(1) de elektrozayıf kuvvettir:

İlgili yazı: Okyanuslar Hakkında Yanıtını Bilmediğimiz 7 Soru

 

Simetrik tek kutuplular

Elektromanyetik ve zayıf kuvvet 100 GeV enerjide birleşerek elektrozayıf kuvveti oluşturur. SU(3) ise atom çekirdeklerini bir arada tutan ve kuarkları gluonlarla bağlayarak protonlarla nötronları oluşturan güçlü nükleer kuvvettir. Fizikçiler de elektrozayıf kuvvetten ilham alarak birçok GUT geliştirdiler. SU(5), SO(10), SU(6) gibi simetriler, hatta istisnai gruplar tasarladılar. Oysa hemen sorunlar çıkmaya başladı.

Proton kararlıydı. Bu evrende bozunmazdı ama sıcaklık arttıkça bozunacak ve yerine süper kütleli yeni parçacıklar oluşacaktı. Ayrıca GUT’lar 1974’te Gerard t’Hooft (holografik ilkenin kurucu ortağı) ve Alexander Polyakov’un gösterdiği gibi manyetik tek kutuplular oluşturacaktı. Oysa sözünü ettiğim sorun bu değil. Asıl sorun manyetik yüklerin aşırı kapalı bir evrene yol açmasıdır…

Öyleyse kapalı evren ne demektir? Erken evren o kadar sıcak ve enerjikti ki yeterli enerji olduğu sürece ve E=mc² uyarınca istediğiniz parçacığı yoktan oluşturabilirdiniz. Evrenin sıcaklığı azalınca da simetriler kırıldı. Örneğin Higgs alanı sayesinde birçok parçacığın kütlesi oldu. Boşluktan madde–antimadde çiftleri yaratıldı. Hatta karanlık madde parçacıklarını bulmak isteyen Weinberg, Peccei-Quinn simetrisi kırıldığında kuantum vakumdan axion kuantum parçacıklarının oluştuğunu düşündü. Oysa dediğim gibi manyetik kutuplular varsa evren doğmadan yok olacaktı!

İlgili yazı: 10 Adımda kara deliğe düşen astronota ne olur?

 

Kendini gerçekleştiren yazgı

Öncelikle sıcak büyük patlama sırasında evren sonsuz küçüklükteki bir tekillikse sonsuz enerjiye sahip olur. Bu da sonsuz kütle yaratır ve büyük patlama şey… patlayamaz. Evrenin genişlemesi yerçekimini yenemez ve uzay kendi içine çöküp anında kara delik olur. Hatta kozmik enflasyon teorisinin evrenin ışıktan hızlı şiştiği ve yerçekimini yendiği bir süreden sonra, sıcak büyük patlamanın en az bezelye tanesi boyundaki bir evrende meydana geldiğini söylemesinin nedeni budur.

Büyük patlama enerjisi çok yüksekti ama evrenin kara delik olmasını sağlayacak kadar yüksek değildi. Böylece evren genişledi. Evren büyük patlamadan beri durmadan genişliyor. Sorun şu ki manyetik yükler, yani tek kutuplular oluştuysa bunlar süper kütleli olacaktır. Böylece büyük patlamadan sonra evrenin genişlemesini yine kesip onu kara delik yapacaktır. Oysa Dirac ne demişti? Mademki elektronlar var, öyleyse tek kutuplular da olmalı. İyi de evren nasıl var o zaman? Manyetik yükler neden evreni daha baştan kara delik yapmadı? Şimdi bu sorunun olası yanıtına bakalım:

İlgili yazı: İnternette teknik takip ve gözetimi önleme rehberi

 

Büyük patlama ve tek kutuplular

1981’de deneysel fizikçi Blas Cabrera sekiz sargılı bir tel bobini mutlak sıfıra dek soğutarak tek kutuplu parçacıkları aramaya başladı. Manyetik yük varsa telden geçerken irgitim yoluyla elektrik akımı üretecekti. Aletler de bunu görecekti. Hem de 8 kat güçlü bir elektrik akımı tespit edecekti; çünkü bobinde 8 sargı vardı ve bu da detektör duyarlılığını artıyordu. 14 Şubat 1982’de ofiste deneyi kontrol edecek kimse yoktu. Oysa Cabrera ertesi gün geldiğinde aletlerin tek bir tek kutuplu sinyali kaydettiğini gördü! Fizikçiler çok heyecanlandılar ve deneyi defalarca tekrarlayarak teyit etmeye çalıştılar.

Hatta geçenlerde aramızdan ayrılan son efsanevi fizikçi Weinberg, 14 Şubat 1983’te Canbrera’ya bir sevgililer günü şiiri yazdı:

“Pembeler kırmızıdır,

Morlar mavi,

Artık tek kutuplu zamanı geldi,

İKİ numara!”

Bütün bunlara rağmen o sinyali bir daha görmedik. Manyetik tek kutupluları başka hiçbir deneyde saptamadık. Bu nedenle de aletlerde bir hata olduğunu düşünüyoruz. Bu da manyetik tek kutupluların ancak CERN’de ulaşamayacağımız kadar yüksek enerjilerde oluşacağını gösteriyor. Peki bu büyük patlama için ne anlama geliyor? Manyetik kutuplular evreni yok ederdi. Buna rağmen kuantum mekaniği olmaları gerektiğini söylüyor. Evren bu şartları karşılayacak şekilde nasıl oluşmuş olabilir?

İlgili yazı: İnternetinizi Uçuracak En İyi 10 Modem

 

Tek kutuplular ve enflasyon

Karamsar olursak şunu deriz… Manyetik tek kutuplular yoktur. Demek ki 4 fizik kuvveti evren oluşurken de ayrıydı. En azından elektrozayıf kuvvet dışında birleşme olmadı. Oysa iyimser olalım; çünkü en azından şunu biliyoruz… Evren kara delik olmadı ve aşırı kapalı bir evren doğmadı. Öyleyse:

• Evren büyük patlamada en az bir bezelye tanesi boyundaydı.
• Kozmik enflasyon gerçektir ki birçok kez kanıtlandı.
• Kütleçekim dalgaları evrenin büyük patlamada ne kadar büyük olduğunu gösterecek.
• Bunun kozmik enflasyon teorisiyle uyumlu olması gerekecek.
• Evrende büyük birleşme varsa büyük patlamadan kalan ilkin kütleçekim dalgaları yayılmadan önce vardı.
• Öyleyse ilkin kütleçekim dalgaları bile tam büyük patlama anını göstermeyebilir.
• Üç fizik kuvveti birleşse bile bunlar asla yerçekimiyle birleşmemiş olabilir.
• Manyetik yükler, yani tek kutuplu parçacıklar varsa bunların kütlesi en az 10¹⁵ GeV eşdeğerindedir.

Oysa merak etmeyin. Bir gün tek kutuplular olup olmadığını bulacağız. Siz de evrende ne kadar uzağı göreceğimize ve kozmik ışınların ne olduğuna şimdi bakabilirsiniz. Holografik evren teorisine ve kozmik zaman kapsüllerine göz atabilirsiniz. Kozmik artalanın evrenin genişlemesini nasıl gösterdiğini ve kozmik sicimler sayesinde yıldızlarda yaşam olup olmadığını görebilirsiniz. Hızınızı alamayarak yaşamın kozmik tohumlama ile uzaydan gelip gelmediğini de inceleyebilirsiniz. Bilimle ve sağlıcakla kalın.

Mini Neptünler yaşama uygun mu?

¹Introduction to Magnetic Monopoles
²Magnetic monopoles revisited: Models and searches at colliders and in the Cosmos
³Quantum magnetic monopole condensate