Kara Delik Savaşları 4 >> Kara deliklerin saran ateş duvarı adlı yeni enerji alanı fiziği zor durumda bıraktı

Bilim adamları tamamıyla çıkmazda kalır mı? Bu durum nadiren gerçekleşiyor; yani bir bilim adamının yanıldığını gösterebilirsiniz ama bildiğiniz kadarıyla fiziğin bir bütün halinde zor durumda kalması nadir görülen bir durumdur. Bu olay son alarak 1910 yılında gözlendi. Klasik fizik yetersiz kaldığında ve yerine kuantum fiziği geldi.

Sorunun kaynağı ise kara delikleri kuşatan ateş duvarı ve kara deliklerin evrenin geçmişine ait bilgileri yok ediyor olması. Bilim adamları bu enformasyon paradoksunu çözmek için evrenin bir hologram olduğunu öne süren yeni bir model geliştirmişti. Holografik evren modeli kara deliklerdeki paradokslarla karşılaşmamızı önlüyordu. Oysa yeni keşfedilen kara delik enerji alanı sorunu tekrar canlandırdı.

Bu kez hem kuantum fiziği hem görelilik teorisi, diğer birçok fiziksel olayı açıklayabildikleri halde kara delik paradoksları konusunda çökmüş görünüyor ve mevcut bilgilerimizle bunu açıklayabilecekler mi bilmiyoruz. Fizikçiler de bilmiyor. Belki görelilik teorisi ya da kuantum fiziğinin yeni bir yorumu durumu kurtarmaya yetecek. Belki de yeni bir fizik icat etmek gerekecek. Nitekim bu yıl, bilim adamları bunun telaşı ile dünyanın en büyük parçacık hızlandırıcısı olan CERN laboratuarında aceleyle toplandılar.

 

 

Holografik evren ve “ateş duvarı”

90’lı yılların ilk yarısında ünlü teorik fizikçi Juan Maldacena (Cambridge’deki Harvard Üniversitesi’nde araştırmalarını sürdürüyor) Üç boyutlu evrendeki bütün enformasyonun, evrenin iki boyutlu dış sınırında, yani kainatın yüzeyinde kodlanabileceğini ve bu şekilde ifade edilebileceğini gösterdi.

Buna göre ışığı ve diğer ışınları oluşturan elektromanyetik kuvvet, atomlarla protonlar gibi birleşik parçacıkların oluşmasından sorumlu güçlü çekirdek kuvveti ve izotopların bozunmasından (radyoaktif bozunma) sorumlu zayıf çekirdek kuvveti, evrenin iki boyutlu yüzeyindeki yassı bir grafikle gösterilebilirdi. Bu durumda evren iki boyutlu içi boş bir enerji küresiydi ve bu küreyi oluşturan enerji alanları, evrenin iç kısmına kainat üç boyutluymuş izlenimini veren holografik desenler halinde yansıyordu. Biz de kendimizi ve etrafımızdaki Dünya’yı üç boyutlu sanıyorduk.

 

 

Sicim teorisi ve holografik evren

Aynı zamanda sicim teorisi uzmanı olan Maldacena’ya göre, derinlik veya yükseklik dediğimiz üçüncü boyut ise sadece evrenin iç kısmında vardı. Kütleçekim kuvveti yalnızca 3. boyutta ortaya çıkıyordu. Elektromanyetik dalgalar ve diğer kuvvetler ise 3 boyutlu uzayda yol alan iki boyutlu enerji alanlarıydı.

İşte bu nedenle evrenin dışına çıkmamız mümkün değildir; çünkü biz insanlar bütün fizik kuvvetlerinin bir araya gelmesiyle meydana gelen atomlardan oluşuyoruz. Evrenin dışına ise sadece kütleçekim kuvveti çıkabiliyor. Bunun sebebi de sadece kütleçekim kuvvetinin kapalı halka şeklinde sicimlerden oluşmasıdır. Bir evrenden başka bir evrene yolculuk etmek ayrı bir spekülasyon konusu; ama bir evrenin dışına çıkmak, evrenler arasındaki boşlukta gezinmek bildiğimiz kadarıyla olanaksızdır.

 

 

Kütleçekim kuvvetini taşıyan parçacıkları oluşturan sicimler, evrenler arasında havada yüzen sabun köpüğü gibi geçiş yapabiliyor. Işığı oluşturan fotonlara ek olarak elektronlar, kuarklar ve diğer temel parçacıklar ise ucu açık olan, ancak tek ucundan “evrenimizin bir nevi kumaşını meydana getiren uzay-zaman dokusuna” yapışmış olan sicimlerden meydana geliyor.

Dolayısıyla fotonlar veya bizi oluşturan atomlar evrenden kopup başka evrenlere seyahat edemiyor, evrenler arası “mutlak boşlukta” yüzemiyor. Bunu gözünüzün önünde canlandırmak için halının tüylerini düşünün. Tüyler fotonlardır, halı ise evrenin yüzeyidir. Tüyleri halıdan koparamayız ama bir lastik halkasını halının üzerine düşünce çekip alabilirsiniz. Bu halka halıya dikilmemiştir.

 

 

Susskind holografik evreni anlatıyor

“Hologram kelimesini benzetme olarak kullanmıştık. Ancak matematiksel hesaplamalar yaptıktan sonra evrenin kelimesi kelimesine, [kainatın] sınırına yansıtılan bir enformasyon projeksiyonu olarak tarif edilebileceği ortaya çıktı.” Sözün özü, bundan sonra sinema perdelerindeki filmlere hayal gözüyle bakmayın. Bütün evren dev bir sinema perdesine (evrenin dış yüzeyine) yansıyan içten yansıtmalı bir projeksiyon olabilir!

Maldacena süper sicim teorisini kullanarak bu sonuca varmıştı. Evrenin iki boyutlu yüzeyinde kuantum fiziği geçerliydi. Evrenin içinde, yani 3 boyutlu kısmında ise kütleçekim kuvveti geçerliydi. Belki de kuantum fiziği ile görelilik teorisini bugüne kadar birleştirememiş olmamızın sebebi buydu. Çünkü iki farklı fizik sistemi, evrenin iki farklı bölgesine ayrılmıştı. En azından evrene bir matematik modeli olarak baktığımızda durum böyleydi.

 

 

Kendi kendini gerçekleştiren kehanet

Peki gerçekten öyle mi, yoksa bu bir kısır döngü mü? Yoksa sadece böyle bir matematik modeli kullandığımız için mi evren gözümüze bir hologram gibi görünüyor? Gerçek ne olursa olsun, Maldacena’ya göre evrenimizin içinde yaşayan bizlerin evrenimizin kenarını görmesi mümkün değildir. Bu yüzden iki boyutlu evren çelişkisini yaşamamız da mümkün değildir. Sonuçta evrenin içinde kuantum fiziği kütleçekimle bir arada bulunuyor. Biz arada fiziksel bir ayrım varsa bile bu ayrımı görmüyoruz.

Evrenin kenarını asla göremeyecek olmamızın ise 3 sebebi var: 1) Işıktan hızlı gidemeyiz. 2) Evren doğum anı olan Büyük Patlamadan hemen sonra, çok kısa bir süre için ışıktan binlerce kat daha hızlı genişlemiştir. 3) Bugün evren ışıktan yavaş bir hızda genişliyor, ancak genişleme hızı gittikçe artıyor. Biz bugünkü evrenin sınırına ulaştığımız gün evren aradan geçen sürede misliyle genişlemiş olacak. Evrenin (varsa) 2 boyutlu sınırına asla ulaşamayız.

Yalnız dikkat ederseniz, evrenin iki boyutlu bir yüzeyi olduğu iddiası kara deliklerde enformasyon paradoksuna ve eşdeğerlik ilkesine benziyor. Leonard Susskind’in sonsuz kütleli saat örneğini hatırlayacak olursak; aslında enformasyon paradoksu olmadığını göstermedik. Sadece saatimiz sonsuz kütleli olacağından, insanların pratikte bu paradoksu göremeyeceğini söyledik. Teorik olarak enformasyon paradoksu olabilir.

 

 

Üzüntü ve muz kabuğu

3 bölümlük bu yazı dizisinin sonunda sizi hayal kırıklığına uğratmış olmak istemem ama bütün yazdıklarımızın özü bu detaya bağlı. Enformasyon paradoksunu aşmak, problemin etrafından dolaşmak için pratik çözümler ve kâğıt hileleri geliştirmemiz yetmiyor. Enformasyon paradoksunun olduğunu VEYA olmadığını fiziksel olarak kanıtlamak zorundayız.

Enformasyon paradoksu yoksa kuantum fiziği uzmanı Steve Giddings’in belirttiği üzere; Hawking Radyasyonunu oluşturan, yani kara deliğe düşen astronotun izlerini ve olay ufkundaki diğer parçacıkların izlerini taşıyan parçacıklar ile kara deliğin dışındaki parçacıklar arasında bir ilişki olmalı. Makaledeki çizimde görebileceğiniz gibi olay ufkundaki parçacıklar ile dış uzaydaki parçacıklar arasında bir kuantum bağıntısı olmalı.

 

 

Sorun da burada: Polchinski’nin var olduğunu öne sürdüğü ateş duvarı¹, kara delikleri kuşatan ölümcül enerji alanı, olay ufku ile dış uzay arasındaki parçacıkların arasındaki iletişimi koparıyor, veri bağlantısını kesiyor. Bu yüzden kara deliğin yüzeyindeki bilgi, olay ufkundaki enformasyon evrenimizden kopup gidiyor. Hiçbir dolaylı bağlantı olmadan kara deliğin hemen üzerine hapsoluyor.

Oysa bu enformasyona sahip olan parçacıklar, bizim evrenimizden, dış uzaydan gelip kara deliğe düşen parçacıklar. Enformasyonun kara deliğe hapsolması demek (sadece okunaksız olması değil, tümüyle hapsolması), enformasyonun bizim evrenimizden yok olması anlamına geliyor. İşte ateşten duvar gerçekten varsa, bu nedenle enformasyonu yok ediyor, yeni bir kara delik enformasyon paradoksuna yol açıyor.

 

 

 

Çözüm?

Giddings’e göre ateş duvarından kurtulmanın bir yolu var. Kara deliğe düşerken Hawking Radyasyonuna yol açan parçacıklar ile dış dünyadaki parçacıklar arasında çok kısa mesafede de olsa “kuantum dolaşıklığı varsa” sorun çözülecektir. İki parçacığın kuantum durumlarının dolaşık olması, iki parçacığın birbirinden etkilenmesi anlamına geliyor.

Kara deliğin içine düşen parçacıklar için de aynı şey geçerli. Çünkü dolaşıklık, ışık hızına bağlı olan ve zamanla mesafe kat eden bir etkileşim türü DEĞİL. Kuantum dolaşıklığı uzaktan etki, anlık bir etki. Ancak Giddings’in hesapladığı gibi, kara deliğin olay ufkundaki Hawking Radyasyonu, kara deliğin derinliklerindeki parçacıklar ile kara deliğin dışındaki parçacıkların dolaşıklığını bozuyor.

 

 

Bu yüzden ateş duvarından kurtuluş varsa, bu sadece kısa mesafelerde, yani olay ufkundaki parçacıklar ile olay ufkunun hemen üzerindeki parçacıklar arasındaki kuantum durumu dolaşıklığı sayesinde olabilir.

Kuantum dolaşıklığı, Hawking Radyasyonunun şiddetini azaltarak ateş duvarının oluşmasını ve bu güç alanın enformasyonu yok etmesini önleyecektir. Kuantum dolaşıklığıyla ilgili detayları, blog yazıma ek olarak, Popular Science Türkiye Haziran sayısındaki makalemde de bulabilirsiniz.

 

Her durumda, Giddings haklıysa nadiren de olsa uzayda çarpışan kara deliklerin özel kütleçekim dalgaları üretmesi gerekiyor. Bu dalgaları saptarsak, ateş duvarının yol açtığı enformasyon paradoksunun aslında olmadığını ispat edebiliriz.

Tek sorun dolaşıklıkla ilgili yeni modellerin kuantum yasalarında değişiklik yapmayı gerektirmesi. Fizikçiler de doğadaki olayları gayet güzel açıklayan fizik yasalarını, kara delik enformasyon paradoksu gibi teorik problemleri aşmak için değiştirmeye pek hevesli değiller. Haklılar da! Bozuk olmayan bir şeyi tamir etmek zararlıdır. Tabii kuantum fiziği ateş duvarı yüzünden çoktan çökmediyse…

 

 

Gordion’un düğümü

Derler ki Anadolu’yu işgal ederek Helenistik Çağı başlatan Büyük İskender Milattan Önce 334’te Gordion şehrine gelmiş ve Gordion düğümünü çözmek istemiş. Başaramayınca da kılıcıyla kesip atmış. Bazı bilim adamları da enformasyon paradoksunu bu şekilde “çözmemiz” gerektiğini düşünüyor: Madem paradoks var; biz de kara delikleri evrenin tümüyle dışındaki cisimler olarak kabul ederiz ve “Kara delikler enformasyonu yok ediyor işte kardeşim, kasmayın bu kadar!” diyerek bu paradokstan kurtuluruz.

Bu düşünce size şaşırtıcı gelebilir ama aslında enerjinin korunumu yasasına aykırı değil. Çünkü bu yasa sadece kapalı sistemler için geçerli. Kara delikleri başka evrenlere açılan kapılar, yani açık sistemler olarak düşünürsek sorun kalmaz. Kara delikler enformasyonu alır, yani bu evrendeki enerjiyi alır ve başka bir evrene boşaltır, olur biter!

 

 

Nasıl olsa kara deliklerden dışarı bir şey çıkmadığı için yabancı evrenlerin enerjisi VE fizik kuralları bizim evrenimize sızamaz, evrenimize zarar veremez. Tek sorun şu: Evrenin kapalı bir sistem olmadığını kabul etmek zorunda kalırız. Bu da futboldaki bütün kuralları kaldırıp tümüyle kaotik bir ortamda yeni bir oyunun yeni kurallarını keşfetmeye benziyor. Bilim adamları, açık evren sistemiyle, doğadaki birçok olayı açıklayan mevcut fizik yasalarının altını oymak istemiyor.

Ayrıca Maldacena’nın bugüne kadar yaklaşık 9000 bilimsel referans alan kuantum kütleçekim kuramına ve dolayısıyla bilim adamının kendisine büyük saygı duyuluyor. İnsanlar önce sorunu mevcut fizik yasalarıyla, oyunun kurallarına göre çözmek istiyorlar. Polchinski bunu çok güzel ifade ediyor: “Bu [teori] kütleçekimi kuantum alanlarına bağlayan elimizdeki en gelişmiş bilgi. Ateş duvar argümanını 90’larda kullansaydık, enformasyon kaybı lehine çok güçlü bir argüman olurdu. Oysa şimdi, kimse Maldacena’nın yanıldığı fikrini kabul etmek istemiyor.”

 

 

Hakikaten de alçakgönüllü

Maldacena, fizikçilerin büyük kısmının, görelilik teorisi ve kuantum mekaniğine karşı sicim teorisini; yani onun geliştirdiği kuantum kütleçekim kuramını destekliyor olmasından memnun. Ancak, fizikçilerin sırf onun hatırı için zor bir seçim yapmak zorunda kalacaklarını da sanmıyor: “Ateş duvarı paradoksunu tümüyle anlamak için daha detaylı bir sözlük kullanmamız gerekebilir fakat elimizdeki sözlüğü çöpe atmamız gerekmeyecek.”

Polchinski’ye de haksızlık etmeyelim: Tıpkı kuantum fiziğini keşfeden Planck’ın kuantum fiziğinden kurtulmak istemesi gibi, Polchinski de kendi geliştirdiği ateş duvarından hiç memnun değil. Bundan tümüyle kurtulmak isteyen bilim adamı, CERN’deki buluşmada birbiri ardına alternatif açıklamalar getirdi ve her birinin yetersiz yanlarını göstererek, şimdilik enformasyon paradoksundan kurtulamadıklarını gösterdi. Polchinski meslektaşlarına hitaben, “Şimdiye kadar kimse ateş duvarından kurtulmayı başaramadığı için üzgünüm. Lütfen devam edin” diyor.

 

Kara delik paradokslarını çözdük mü, çözmedik mi? Susskind anlatıyor.

 

 

 

 

¹Black Holes: Complementarity or Firewalls? Ahmed Almheiri, Donald Marolf, Joseph Polchinski, James Sully (Submitted on 13 Jul 2012 (v1), last revised 13 Apr 2013 (this version, v4))