Kara Delikler Var mı, Yoksa Tüy Yumağı mı?
Sicim teorisine göre evrende kara delik yok. Bunlar dışarıdan bakınca kara delik gibi görünen tüy yumaklarıdır. Peki tüy yumağı nedir, nasıl oluşur ve çalışır? Kara deliklerle ilgili hangi paradoksları çözer? Hepsini bu yazıda görelim. Öncelikle ışığın bile kaçamayacağı kadar güçlü bir yerçekimi yaratan; yani yüzeyinden kaçış hızı ışık hızına ulaşan cisimlere kara delik deriz. Kara delikler tam da bu yüzden paradokstur. Bir yandan Einstein’ın görelilik teorisi gereği kara deliklerin içinde yerçekiminin sonsuza ulaştığı tekillik vardır. Diğer yandan yerçekimi sonsuza ulaşırken bizzat onu tarif eden görelilik teorisi çöker. Dolayısıyla tekillik oluşması imkansızdır.
Tüy yumağı paradoksları çözer
Aslında kuantum fiziğindeki Heisenberg’in belirsizlik ilkesine göre gerçekleşen rastgele kuantum salınımları yüzünden maddenin sonsuz küçüklükteki tekillik noktasında toplanması da imkansızdır. Öyle ki tekillikler görelilikten türer ama hem görelilikte hem de kuantum fiziğinde olanaksızdır. Kara deliklerin paradoks olmasının ikinci sebebi ise enformasyon paradoksudur. Birazdan göreceğimiz gibi kara deliğe düşen hiçbir şey dışarı çıkamaz. Kara deliklerin içi de görünmez. Öyle ki kara deliğe 1 kg politikacı veya 1 kg pamuk da atsanız dışarıdan bakınca kara deliğin sadece kütlesini, spinini (dönüş yönü) ve elektrik yükünü görebilirsiniz (doğadaki kara deliklerin yükü 0, yani nötrdür).
Öte yandan enerjinin korunumu gereği enformasyonu yok edemezsiniz. Bu durumda kara deliklerin biz dışarıdan bakınca göremesek de içine düşen cisimlerin enformasyonunu saklaması gerekir. Oysa kara delikler buharlaşır! Hawking radyasyonu yüzünden 1066 yıl gibi çok uzak bir gelecekte kara delikler buharlaşmaya başlayacak ve bir gün gama ışınları saçarak yok olacak.
O zaman kara deliğin içerdiği enformasyona ne olacak? Trilyonlarca yıl önce yuttuğu cisimlerin enformasyonu da yok olacak mı? Kara delik enformasyon paradoksu işte budur. Sicim teorisinde ise kara delikler aslında tüy yumağıdır. Tüy yumağının merkezinde tekillik yoktur ve tüy yumakları içine düşen cisimlerin enformasyonunu yok etmez. Buharlaşırken bile yok etmeden çevreye saçar. Peki kara delikler gerçekten tüy yumağı mıdır?
İlgili yazı: Kodlama İçin En Gerekli 16 Programlama Dili
Kara delik entropisi ve tüy yumağı
Sicim teorisindeki tüy yumaklarının kara deliklerle ilgili hangi paradoksları çözeceğini anlamak için kara delik entropisine yakından bakalım. Kuantum mekaniğine göre kara delikler evrende entropisi en yüksek cisimlerdir. Kütlenin enerjiden türemesi bağlamında ve kütle formunda çok büyük enerji saklar. Oysa kara deliğin yerçekimi dışında bu enerjiyi hiçbir şekilde kullanamazsınız; çünkü kara deliklerin içine düşen şeyleri dışarı çıkaramazsınız. Ayrıca bu, kara deliklerin yuttuğu cisimlerin enformasyonunu yok etmese bile çok iyi sıkıştırdığını gösterir.
Nitekim kara delikler cisimleri yuttukça büyür. Kütlesi olmayan fotonları bile yutsa büyür; çünkü kütle enerjiye denktir. Buna karşın kara delik entropisi hacmine değil yüzey alanına bağlıdır. Evrende geçerli en kısa uzunluk da Planck uzunluğudur. Bu sebeple kara delikler içindeki cisimlerin enformasyonunu kara delik yüzeyinde (olay ufku) Planck alanlarında saklar. Kısacası kara delikler her 2,61219415 × 10-70 m2 bir veri biti saklayabilir. Böylece enformasyonu aşırı sıkıştırmış olur. Enformasyon o kadar sıkışır ki bunu “unzip” edemezsiniz.
Bu da kara deliğe düşen hiçbir şey geri çıkamaz demenin başka bir yoludur. Hatta kara delik kuantum bilgisayarlarda anlattığım gibi… galaksimizin merkezindeki cılız süper kütleli kara delik Yay A* bile, 13,77 milyar yaşındaki evrenimizin tüm geçmişinin simülasyonunu yapıp yüzeyinde saklayabilir! Bu bağlamda entropi bir şeyin dışarıdan bakınca ne olduğunun anlaşılamamasıdır. Örneğin bir evde yangın çıksın ve siz de geriye kalan küllere bakın. Külün ne olduğu bellidir ama küllerin yemek masasından mı, gazete kağıdından mı yoksa harici disk sürücüsünden mi geldiğini anlayamazsınız. Kuantum diliyle söylersek:
İlgili yazı: Gerçek Adem: ilk insan ne zaman yaşadı?
Kara delikler
…içine düşen cisimlere özel hiçbir bilgiyi dışarıya göstermez derken kastımız budur. Mesela kara delik cisimleri yutarken kilo alır. Buna karşın siz kaç kilonun hangi cisimden geldiğini bilemezsiniz. Kuantum fiziğinde buna bir makro durumun, birbirinden ayırt edilemeyen çok sayıda mikro durum içermesi deriz. Kara delik bunları gözden gizler. En basitinden bir oturma odasında yaklaşık 1027 hava molekülü bulunur. Hatta havayı dışarıya pompalayabilirsiniz ki klima çalışırken veya pencere açarken öyle olur. Bu durumda odadaki hava miktarı değişmez. Hava bir makro durumdur ama tek tek hava moleküllerinin yerini bilmezsiniz. Bunlar da entropiyle gizlenmiş moleküllerin enformasyonudur.
Gerçi kasıp analiz ederseniz bilgisayar külleriyle mobilya küllerini ayırt edersiniz. Hatta bir miktar hava alıp şişeye koyarak içindeki molekülleri tek tek inceleyebilirsiniz. Oysa kara delikler veriyi o kadar sıkıştırır ki bunu okumanız imkansızdır. Zaten bunun için olay ufkunda olmanız gerekir ki o zaman da kara deliğe düşersiniz. Olay ufkunda göndereceğiniz sinyaller de uzaya çıkamaz ve kara deliğe geri düşer. Tam olay ufkunu geçerken dışarıya haber göndermek mümkündür.
Yine de bunun için zamanı kesin ölçmeniz gerekir ki tam olay ufkundan geçerken sinyal gönderin… Buna karşın kara deliğe düşen astronota ne olur yazısında anlattığım gibi… zamanı kesin olarak ölçecek bir saatin de içine düşeceğiniz kara delikten daha büyük bir kara delik olması gerekir. Özetle kara delikler enformasyonu adeta kıskançlıkla saklar ve kesinlikle kimsenin okumasına izin vermez. Tabii bir de kara delikler aslında tüy yumağıdır diyerek çözeceğimiz Hawking radyasyonu sorunu var:
İlgili yazı: Düz Dünya Teorisini Çürüten 12 Kanıt
Tüy yumağı ve Hawking radyasyonu
Bütün kara delikler Hawking radyasyonu yayarak buharlaşır. Bu radyasyon kara deliğin hemen dışından yayıldığı için içindeki cisimlerle ilgili enformasyon içermez. Nitekim göze rastlantısal ısıl foton ışınımı, bildiğiniz termal radyasyon olarak görünür. Hawking radyasyonunun gerçek kaynağını bilmiyoruz; çünkü yerçekimine tam kara deliğin sınırı olan olay ufkunda ne olduğuyla ilgili bir fikrimiz yok. Bunun sebebi de kuantum kütleçekim teorimizin olmamasıdır. Yine de Stephen Hawking 1974’te kendi adıyla anılan radyasyonun varlığını teoride gösterdi.
Hawking radyasyonunun asıl nedeni tüm evreni kuantum alanlarının sarmasıdır. Bunlar sonsuz farklı şekil ve frekansta titreşir. Diğer yandan boş uzaydaki kara delikler içindeki titreşimleri göstermez. Dolayısıyla dışarıdan bakınca kuantum alanlarının birçok titreşimini sınırlamış olur. Evrende enerjiyi yok edemeyeceğimiz için evren bizim bakış açımızdan boş uzayın azalan enerjisini telafi eder. Bunu rastgele termal fotonlar yayan Hawking radyasyonu ile yapar. Oysa Hawking radyasyonu enerjinin yok olmasını önler. Buna karşın enerjiyi yoktan var etmek de imkansızdır:
Her ne kadar bu fotonlar olay ufkunun hemen dışında oluşsa da uzaya yayılmak için kara deliğin içindeki parçacıkların momentumunu çalar. Momentum da bir nevi kinetik enerjidir. Sonuçta Hawking radyasyonu kara delik enerjisini çalıp kütlesini azaltır. Bu da kara deliğin zamanla küçülerek buharlaşıp yok olmasına sebep olur. Günümüzde hiçbir kara delik küçülmüyor; çünkü evren henüz yeterince sıcak ve madde yoğunluğu yüksek… Kısacası evrendeki en yalnız kara delik bile ortamdan Hawking radyasyonu ile kaybettiğinden daha çok enerji çekiyor. Bununla birlikte uzak gelecekte evren o kadar soğuyacak ki kara delikler bile efektif olarak buharlaşmaya başlayacak. Bu da tüy yumağıyla ilgili:
İlgili yazı: Kök Hücreler ile Yaşlanmayı Önlemek Mümkün mü?
Tüy yumağı kara delik sorununu çözüyor
Buraya dek kara deliklerle ilgili en büyük sorunları gördük. Tekillik ve enformasyon paradoksu. Enformasyonunun kara delikte yok olup olmadığı veya kara delikler buharlaşınca enformasyonun yok olup olmayacağı sorunu… Sicim teorisinden türeyen tüy yumağı modeli bu sorunları çözüyor. Bu durum kara deliklerin aslında tüy yumağı olmasına bağlıdır ki bunları anlamak için önce sicim teorisine bakmalıyız. Sicim teorisindeki sicimleri önceki yazıda anlattım ama kısaca değinirsek:
Sicim teorisinde kuarklar gibi temel parçacıklar bile aslında 11 boyutlu uzayzamanda farklı şekillerde titreyen ucu açık veya kapalı sicimlerden oluşur. Farklı titreşimler ve sicim şekilleri farklı parçacıklar oluşturur. Sicimler bir boyutlu olup temel uzay birimleridir. Öyle ki bunlara aşırı bükülmüş ve gerilim halindeki uzay iplikleri diyebiliriz. Gerçi uzayın 1) birbirine bağlanan ağsı sicimlerden mi oluştuğu, yoksa 2) sicimlerin içinde titrediği onlardan bağımsız bir şey mi olduğu ayrı bir tartışma konusudur. Sicim teorisyenleri bile konuda uzlaşamaz. Zaten farklı sicim ve süpersicim teorileri vardır.
Ayrıca herhangi bir sicim teorisi kanıtlanmamıştır. Yine de doğruysa kara delikler de aslında yün yumağı gibi birbirine dolanmış bir boyutlu ve mikroskobik sicimlerden oluşan tüy yumaklarıdır. Tüy yumağı modelini 1996 yılında teorik fizikçi Andrew Strominger ve Cumrun Vafa geliştirdi. Bunlar olay ufkunda enformasyonun depolanacağı yüzeyi 1B sicimleri bağlayarak oluşturdukları Planck alanlarından oluşturmanın bir yolunu buldular. Böylece Planck alanlarını sicimlere bağlamış oldular. Nasıl mı?
İlgili yazı: Dünyadaki En Ölümcül 5 Toksin Nedir?
Tüy yumağı ve olay ufku
İki fizikçi bir belirli bir büyüklükteki kara deliğin depolayabileceği enformasyon miktarını gösteren Bekenstein bağını sicimlerden türettiler. Gerçi bunu gözle görecek kadar büyük 4 uzay boyutlu bir kara delik modeliyle yaptılar. Oysa evrendeki kara delikler üç boyutludur. Üstelik bugüne dek holografik ilke yoluyla 4B tüy yumağı modelini 3B kara deliklere uygulamayı da başaramadılar. Yine de modeli doğru kabul edersek tüy yumakları bildiğiniz yün yumaklarına benzer. Bir boyutlu sicimler ve bunların oluşturduğu 2B Planck alanı, hatta daha çok uzay boyutu içeren hiper yüzeylerinden meydana gelir.
Bu hiper yüzeyler de aslında bünyesinde 5 sicim teorisini birleştiren M (zar) teorisinin diliyle (mem)brane’lerdir. Özetle Vafa ve arkadaşları bu çabadan vazgeçmedi. Ne de olsa en azından 4B kara delikte için Bekenstein bağını sicim teorisinden türetmişlerdi. Bu da doğru yolda olduklarını gösteriyor gibiydi. Tüy yumağı modelindeki bazı eksiklikleri de Samir Mathur giderdi. Bu kez de Hawking radyasyonunu sicim teorisiyle açıklayabildi.
Bir sonraki gelişme ise Leonard Susskind’den gelecekti. Biz de tüy yumağını anlamak için yeterli ön bilgiye sahip olduk. Öyleyse bu modelin tekillik ve enformasyon paradoksunu nasıl çözdüğüne bakalım.
Paralel evrenler var mı?
İlgili yazı: Kök Hücrelerle Körlük Tedavisi Ne Zaman Geliyor
Tüy yumağı ve kara delikler
Klasik kara delik teorisinde yerçekimi arttıkça kara delik genişler. Kara deliğin içinde ise yerçekimi ivmelenmesi ışık hızını aşar. Mathur da sicimlerin aşırı gergin 1B uzay parçalarından olmasından hareket etti. Bunların yerçekimi attıkça daha küçük düğümler üretmek yerine iyice genleşeceğini fark etti. Öyle ki yerçekimi sonsuza yaklaşırken sicimler mikroskobik olmaktan çıkıp gezegenden büyük devasa boyutlara ulaşıyordu. Tabii bu enerjinin korunumuyla ilgiliydi. 😉 Denklemde gördüğünüz gibi bunun nedeni sicimlerin “kesirlenme” özelliğidir. Bu detaya bugün girmeyelim ama bu, tekilliği çözer.
Mademki sicimler yerçekimiyle ezildikçe küçülmek yerine büyüyor, o zaman kara deliklerin içinde fiziksel olarak imkansız tekillikler oluşmayacaktır. Öte yandan bunlar dışarıdan bakınca yine olay ufku olacaktır. Tüy yumakları dışarıdan bakınca kara deliklerden ayırt edilemez. Farkı anlamak için olay ufkunun hemen üzerinden bakmanız gerekir. O zaman da çok geçtir. Peki tüy yumaklarının içinde ne var? Klasik kara deliklerin içinde uzay en azından iç olay ufkuna gelinceye dek ışıktan hızlı akar. Hatta uzay ve zaman yer değiştirip zamanuzay olur.
Her durumda kara deliklerin içinde uzayzaman vardır. Sadece pek garip işler. Oysa tüy yumakları sadece olay ufkundan oluşur. Bu yüzden bunlara tüy küre veya sicim küresi demek daha doğru olur. Bunların içinde hiçbir şey yoktur. Resme bakın! Resimde kendi üzerine kıvrılarak kapalı halka, yani ilmekler oluşturan sicimler görüyorsunuz. Bu durumda 1B sicimler ortası boş olan 2B bir pipet oluşturacaktır. Bu pipetin ortasına tüy yumağı koyarsanız pipet ikiye bölünür ve içe bakan uçları penseyle ezilmiş gibi kısılıp kalır. Bu uçlarda uzayzaman jeodezikleri sona erer. O zaman ne olur?
İlgili yazı: DNA Testi Yaparsanız Neler Öğrenirsiniz?
Tüy yumağı ve solucandelikleri
Öyle ki tüy yumağının içinde tekillik yoktur ama aslında hiçbir şey yoktur. Uzayzaman bunların içinde yok olur. Dolayısıyla tüy yumaklarının içine düşemezsiniz. Sadece olay ufkunda artan yerçekimi yüzünden sicimlerinize kadar parçalanırsınız. Sonra da bu sicimler size ait enformasyonu çapı birkaç km ila birkaç ışık yılına varabilen kara delik yüzeyine yayar. Adeta enformasyonu olay ufkuna astar gibi sıvar. Sicimler teorik olarak yok olmadan önceki halinizin bilgisini içerir ama bu tümüyle okunaksızdır. Böylece tüy yumakları sayesinde kara delik enformasyon paradoksunu kısmen çözmüş olursunuz. Tüy yumakları enformasyonu yok etmeden saklar.
Peki bunlar buharlaşınca ne olur? Öyle ya! Gerçek hayatta kara delikler buharlaşacak. Peki azar azar buharlaşırken enformasyonu Hawking radyasyonu ile evrene nasıl geri verecek? Dedik ki bu radyasyon kara deliğin içindeki şeylerden kopuktur. İşte burada Gerard ‘t Hooft’la birlikte holografik ilkeyi geliştiren en yaşlı efsanevi fizikçilerden Leonard Susskind devreye giriyor. Leonard Suskind olay ufkundaki parçacıkların mikroskobik solucandelikleriyle olay ufkunun hemen üzerindeki Hawking radyasyonu fotonlarına bağlamanın bir yolunu buldu.
Solucandelikleri ışıktan hızlı yolculuğa izin verdiğinden bu bağlantı kara deliklerin Hawking radyasyonu ile dışarıya enformasyon sızdırmasına izin veriyordu. Böylece kara delikler buharlaşırken enformasyonu yok etmeyecekti. Susskind bunu tam kuantum dolanıklık ve tüy yumağı sicimlerinde gösterdi. Oysa evrende kısmı dolanıklık da var. Dolayısıyla Susskind’in Einstein’ın solucandelikleriyle kuantum holografiyi birleştiren hibrit teorisi kanıtlanmayı bekliyor. Öyleyse tüy yumakları gerçekten var mı?
İlgili yazı: Zamanda Yolculuk Etmenin 9 Sıra Dışı Yolu
Sonsöz
Standart teoride kara deliklerin saçı yoktur. Kısacası enformasyonu yok edemez, yoktan var edemez ve kusursuz bir şekilde klonlayamazsınız. Kara deliklerin içine düşen de geri çıkamadığına göre kara deliğin içinden enformasyon çıkmasının tek yolu bunu olay ufkunun hemen üzerinde klonlamaktır. Dediğim gibi bu da kuantum fiziğinin klonlama yasak teorisine aykırıdır. Nitekim son araştırmalar kara deliklerin olay ufkunun Planck sabitine kadar pürüzsüz olduğunu gösteriyor. Bu da tüy yumaklarına aykırıdır.
Gerçi son araştırmalar derken elimizde kuantum kütleçekim kuramı yok. Bu sebeple daha çok denklem çözüyoruz. O yüzden bazı tüy yumağı modellerinin öngörülerini kara delik denklemleri ve gözlemlerinde göremedik diyelim. Ayrıca bizim doğada kendi çevresinde dönen gerçek 3B kara deliklerin tüy yumağı olduğunu göstermemiz gerekiyor. Bu Kerr kara deliklerini daha çok araştırmalıyız. O zamana dek kara delikler tekillik ve enformasyon paradoksuyla bildiğiniz kara deliklerdir.
Siz de kara delik termodinamiğini ve Planck kalıntısı mikroskobik kara delikleri şimdi okuyabilirsiniz. Kara deliklerin en ilginç 6 özelliğine ve süper kütleli kara deliklerin nasıl oluştuğuna bakabilirsiniz. Hızınızı alamayarak kara deliklerin neden sokak simidine benzediğini ve en eski kara deliğin neden Güneş’ten 36 trilyon kat parlak olduğunu araştırabilirsiniz. Tüm güneşler sönünce kara deliklerden nasıl enerji üreteceğimizi inceleyebilirsiniz. Kendinizi cesur hissediyorsanız çıplak tekillik ve kara delikten neden dışarı çıkamazsınız yazılarını da okuyabilirsiniz. Bilimle ve sağlıcakla kalın.
Zaman neden geleceğe akıyor?
1F-Theory, Spinning Black Holes and Multi-string Branches
2Evidence for F-Theory
3Superstrata
4The fuzzball proposal for black holes: an elementary review
