Sicim Teorisi Evreni Tek Denklemle Açıklayabilir mi?
Bilim insanları dört fizik kuvvetini birleştirerek evreni tek bir denklemle açıklamak için 50 yıl önce sicim teorisini geliştirdiler. Peki sicim teorisi evren nasıl oluştu ve büyük patlamadan önce ne vardı gibi en temel soruları yanıtlayabilir mi? Kısacası sicim teorisi bilimsel bir teori mi, yoksa fizikçilerin hayal ürünü mü?
En iddialı fizik teorisi
Günümüzde sicim teorisi özellikle ABD ve Kanada’da geniş yankı uyandırıyor. Ancak, son zamanlarda bütün evreni tek denklemle açıklamayı amaç edinen bu teorinin bazı öngörülerinin yanlış olduğu ortaya çıktı.
Özellikle de CERN parçacık hızlandırıcısı, teoride öngörülen ve tüm fizik kuvvetlerini tek formülde birleştirmek için kullanılan süpersimetrik parçacıkları (aşağıda anlatıyorum) bulmayı başaramadı. Bu durumda öğrenciler soruyor: Sicim teorisini araştırmaya değer mi? Elinizdeki yazıda bu sorunun cevabını bulacaksınız.
İlgili yazı: Düz Dünya Teorisini Çürüten 12 Kanıt
Sicim teorisi okuyalım mı?
Son zamanlarda hem blog okurlarım hem de Bligi Üniversitesi’ndeki öğrencilerim soruyor: Hocam fizik ve matematiğe meraklıyım. Sicim teorisi okusam doğru bir karar olur mu?
Bu soruya yanıt vermenin en iyi yolu bilimsel teorinin ne olduğunu açıklamak. Bu tanımı yaptıktan sonra sicim teorisinin ne olduğunu ve hangi alanlarda eksik olduğunu anlatarak soruyu yanıtlayacağım.
Bilimsel okuryazarlık düzeyini ölçmenin iki yolu yazısında anlattığım gibi, bir teorinin bilimsel olması için bilimsel olarak test edilebilir öngörülerde bulunması gerekiyor. Bu bağlamda, bir teorinin bilimsel olması için mevcut gözlemler ve deneylerle uyumlu olması yeterli.
Nitekim bilimsel teori geliştirirken önce bir takım kabullerde bulunuyoruz: Uzay ve zaman vardır ön kabulü gibi. Bilimde bu tür ön kabulleri aksiyom olarak adlandırıyoruz. Bu da bizi bilim ve felsefenin sınırlarına getiriyor:
İlgili yazı: Gerçek Adem: ilk insan ne zaman yaşadı?
Felsefe ile bilimin ortak sınırı
Aksiyomlar felsefenin bitip bilimin başladığı yerdir. Bilim felsefesinde bunu şöyle ifade ediyoruz: Felsefe bilimsel araştırmalar yapmak için gereken tutarlı kavramsal çerçeveyi veriyor. Biz de bilimsel keşiflerin ne anlama geldiğini bu kavramları kullanarak yorumluyoruz.
Örneğin, evrenin boşlukta kendiliğinden oluşması için kuantum alan kuramındaki enerji alanlarının evrenin doğumundan önce var olması gerekiyor. Peki uzay ve zaman evrenle birlikte oluştuysa büyük patlamadan önce ne vardı?
Bu sorunun cevabı ve özellikle de bu cevabın insanlık için ne anlama geldiği (evrenden önce ne olduğu hakkında bilimsel deney yapamadığımız için) bilim felsefesinin alanına giriyor.
Öte yandan evrenin fiziksel özelliklerine bakarak geliştirdiğimiz fizik teorileri, evrenden önce ne olduğuna dair bilimsel tahminlerde bulunmamızı sağlıyor (gerçi “önce” kelimesi sorunlu; çünkü zaman da evrenle birlikte oluştu).
İlgili yazı: İnternetinizi Uçuracak En İyi 10 Modem
Felsefe bilime yardım ediyor
Bilimsel tahminlerin tutarlı olması (ham hayal olmaması), evrenden önce ne olduğunu açıklayacak en doğru bilimsel teoriyi geliştirmemize yardımcı oluyor. Deney ve gözlemlere başvuramadığımız durumlarda felsefe, en azından bilimsel fikirler içinde en tutarlı teorileri geliştirerek bunları test etmeye hazır hale getirmemizi sağlıyor.
Keza kuantum fiziğindeki Heisenberg’in belirsizlik ilkesinden yola çıkarak bir parçacığın konumu ve hızını aynı anda yüzde 100 kesinlikle ölçemeyeceğimizi biliyoruz. Bu da doğaya fiziksel belirsizlik ekliyor. Peki belirsizlik ilkesi özgür iradenin doğadaki kökeni olabilir mi? Bu sorulara fizikçiler değil, şimdilik sadece filozoflar yanıt verebilir.
İlgili yazı: İnternette teknik takip ve gözetimi önleme rehberi
Kısacası bilim keşfediyor ve felsefe anlamlandırıyor
Sicim teorisi için de bu ilkelerden yola çıkıyoruz: 1) Elinizde bir dizi aksiyom varsa bu ön kabulleri ifade etmek için matematik denklemleri yazarsanız. 2) Bu denklemlerin hata vermediğini, kendi içinde tutarlı ve çözülebilir olduğunu gösterirsiniz.
3) Sonra bu denklemleri deney ve gözlemlerle test edersiniz. Denklemleriniz deney ve gözlemlerle uyuşuyorsa teoriniz bilimsel bir teoridir. Sicim teorisi de bu açıdan bilimsel bir teoridir.
İlgili yazı: Stephen Hawking Evren Sonsuz Değil Dedi
Peki sicim teorisi doğru mu?
Asıl konumuz bu: Sicim teorisi evrende gördüğümüz şeyleri gayet güzel açıklıyor. Özellikle M teorisi (zar teorisi) ve holografik ilke ile evrenin boşluktan nasıl oluştuğunu da açıklıyor. Hatta bunu diğer teorilerden çok daha tutarlı ve kapsamlı olarak açıklıyor.
Peki bu sicim teorisinin doğru olduğu anlamına gelir mi? Hayır, çünkü bilimsel bir teorinin gözlemler kadar deneylerle de uyuşması lazım. Sicim teorisini deney yaparak çürütmeye çalışır, ama çürütmeyi başaramazsak bu teori ispatlanmış olacaktır. Bilim doğrulayarak değil, yanlışlamaya çalışarak ilerler.
İlgili yazı: Kodlama İçin En Gerekli 16 Programlama Dili
Sicim teorisini test edemiyoruz!
Yanlış anlamayın: Sicim teorisi bazı fizikçilerin dediğinin tersine, gerçekten test edilebilir öngörülerde bulunuyor. Ancak, elimizde henüz bu teoriyi test edecek deney ekipmanı yok.
Açıkçası sicim teorisi evreni doğuran büyük patlamadan kalma ilkin kütleçekim dalgalarının belirli bir dalga boyu, frekans ve polarizasyonda olması gerektiğini söylüyor. Oysa bunları test etmek için gereken lazer girişimölçer uydularını (LISA deneyi) henüz uzaya fırlatmadık. Ancak 2030’larda fırlatacak ve sicim teorisini test edebileceğiz. O zamana dek:
İlgili yazı: 10 Adımda kara deliğe düşen astronota ne olur?
Ağzı olan konuşuyor
Sicim teorisinin ispatlanmasındaki en büyük sorun, fizikçilerin her soruna matematiksel bir bahane bulması: Ne zaman gözlemler ve deneyler sicim teorisiyle uyuşmasa hemen sorunu çözen yeni bir denklem geliştirerek teoriye ince ayar yapıyorlar.
Doğrusu bu da ortaya çok karmaşık bir teori çıkarıyor ve bu durum felsefedeki en temel yöntemlerden biri olan Occam’ın usturası ilkesine aykırı oluyor.
Occam Ortaçağda, “Kavramların sayısını gereksiz yere çoğaltmayın. Bir sorunun cevabını tahmin etmek gerekiyorsa en basit cevap genellikle doğru cevaptır. İşe en basit açıklamadan başlayıp onu test etmek gerekir” demişti.
Bu bağlamda sicim teorisi tüm ince ayar çabalarına rağmen gerçekten doğru olabilir. Ancak, bunu test etmeden sicim teorisini ispatlayamayız. Şimdi bu girişi yaptığımıza göre, öğrencilerin sicim teorisi okuyalım mı sorusuna geçebiliriz.
İlgili yazı: Evren Bir Simülasyon mu?
Brian Greene diyor ki
Adil olmak açısından, Leonard Susskind’le birlikte sicim teorisinin en önde gelen ve dikkatli savunucularından olan Profesör Brian Greene’nin sözleriyle başlayalım. Kendisi The Fabric of Cosmos (Evrenin Dokusu) gibi birçok popüler bilim kitabı yazdı ve çok sayıda belgeselde sunuculuk yaptı.
Greene aynı zamanda gezegenin en büyük popüler bilim etkinliği olan Dünya Bilim Festivali’ni düzenliyor ve World Science U adında bir online fizik üniversitesi kurmuş bulunuyor (bu üniversitenin ücretsiz online programlarında dünyanın en büyük fizikçilerinden ders almanız ve sınava girerek sertifika kazanmanız mümkün). Brian Greene, Einstein’ın Göreliliğin Anlamı kitabının tekrar baskısında şunları yazıyor:
Süpersicim teorisi ve görelilik
“Süpersicim teorisi genel görelilik ile kuantum fiziğini başarıyla birleştiriyor […] Süpersicim teorisi yalnızca genel göreliliği kuantum mekaniğiyle başarıyla birleştirmekle kalmıyor. Ayrıca elektromanyetik kuvvet, zayıf kuvvet ve güçlü kuvveti de eş ölçüde birleştirme kapasitesine sahip bulunuyor.”
İlgili yazı: Fizikte Kriz: Süpersimetri CERN Testini Geçemedi
Yani her şeyin teorisi
“Süpersicim teorisi içinde bu kuvvetlerin her biri, bir sicimin farklı şekilde titreşmesiyle ilişkilendiriliyor. Tıpkı bir gitar akorunda dört farklı nota olabildiği gibi, doğanın dört kuvveti de süpersicim teorisinin müziğiyle birleştirilebilir. Üstelik bunu madde için de yapabiliriz.”
“Elektronlar, kuarklar, nötrinolar ve diğer tüm parçacıklar süpersicim teorisinde farklı şekillerde titreşen sicimlerle tanımlanıyorlar. Böylece tüm madde ve kuvvetler, titreşen sicimlerin kurallarıyla toplu halde ifade ediliyor. Zaten bir teori ancak bu kadar birleşik olabilir.”
İlgili yazı: Antimadde Varsa Anti Yerçekimi de Var mı?
Platonculuk eleştirisi
Brian Greene en sevdiğim bilim insanlarından biridir: Hem sahnesini, hem yazılarını hem de bilimsel tarafsızlığını korurken sicim teorisini kuvvetle savunmasını severim. Twitter sohbetlerimiz de birçok yazıma esin kaynağı olmuştur. Bununla birlikte, Greene’in bu sözlerini okuyan fizikçilerin onu Platoncu ve Pisagorcu olmakla eleştirmesini anlayabiliyorum.
Eleştirmenlere göre Greene, matematiğin fizikten önce geldiğini ifade ediyor ve teorinin geçerliliğini test etmekten ziyade tutarlılığına odaklanıyor. İlk bakışta bunun müzikteki notalara gizemli anlamlar ifade eden, evreni sayılar müziği olarak ifade eden ve sayılara kutsallık atfeden Pisagorculuktan pek farkı yok gibi.
Elbette Brian Greene ileride sicim teorisinin (daha doğrusu bu teorinin en güncel versiyonu olan süpersicim teorisi ile ondan türetilen zar kozmolojisinin) kanıtlanacağını umuyor. “Kanıtlanamasa bile bu büyük kazanç olur ve evrenin sırlarını çözmek için bize başka bir teori geliştirmek gerektiğini söyler” diyor.
Öyleyse sicim teorisinin eksikleri nedir?
Fizikçilerin sicim teorisi yanlış olabilir demek için çok haklı nedenleri var. Şimdi bunları tek tek sıralayalım:
İlgili yazı: CERN Proton Çarpıştırıcısı 5 Yeni Parçacık Keşfetti
1 Dört fizik kuvvetini birleştirmek
Doğrusu Brian Greene çok dikkatli konuşuyor: Sicim teorisi doğadaki 4 fizik kuvvetini birleştiriyor demiyor. Bunun yerine “birleştirme kapasitesine sahip” diyor.
Gerçekte bugüne dek kimse bunu yapan bir matematik modeli geliştiremedi. Bu bir temenni: Süpersicim teorisi dört fizik kuvvetini ancak anti-de Sitter uzayında birleştirebiliyor, ama evrenimiz anti-de Sitter uzayı değildir.
İlgili yazı: CERN Evren Yok Olmalı Demedi
2 Süpersimetri bulunamadı
Süpersicim teorisindeki “süper” sözcüğü, teorinin Superman gibi diğer insanlardan (teorilerden) fiziksel olarak daha güçlü olduğu anlamına gelmiyor. Bunun yerine, süpersicim teorisinin doğru olması için doğada süpersimetri olması gerektiğini gösteriyor.
İşte bunu test edebiliriz! Çünkü süpersimetrinin olması için doğadaki her bir parçacığın, standart modelde yer alan bütün parçacıkların, süpersimetrik eşlerinin bulunması gerekiyor (nötrinonun süpersimetrik eşi olan nötralino gibi).
Ancak, CERN parçacık hızlandırıcısı süpersimetrik parçacıkları bulamadı. Bu süpersimetrinin olmadığı anlamına gelmiyor, sadece CERN’ün süpersimetrik parçacıkları bulacak kadar yüksek enerji üretemediğini gösteriyor. Oysa sorun da burada:
CERN’ün yerine 20-30 yıl sonra kurulacak olan yeni hızlandırıcı da muhtemelen bu enerji değerlerine ulaşamayacak. Süpersimetrik parçacıklarının gerçekten var olup olmadığını kanıtlamak için en az 50 yıl beklemek gerekecek.
Üzüntü ve muz kabuğu
Bildiğimiz tek şey, bu parçacıkların çok ağır olması gerektiği. Sonuçta süpersimetrinin fizikle en uyumlu ve en basit versiyonları yanlış çıktı. Diğer versiyonlardan biri doğru çıksa bile, bu alternatif süpersimetri modeli, 4 fizik kuvvetini asla ilk modeller kadar sorunsuz bir şekilde birleştiremeyecek. Adile Naşit’in Uykudan Önce programında çıkan kuklanın dediği gibi: Üzüntü ve muz kabuğu. 🙁
İlgili yazı: Yerçekimi Kuantum Salınımlarıyla mı Oluşuyor?
Süper simetrik standart model
Dahası standart modeli süpersimetrik yaparsak bu yeni teori mevcut deneylerle uyuşmuyor. Teknik detaya meraklı olanlar için: Süpersimetrik standart model, nötr akımlarda çeşni değişikliği gerektiriyor; ama bunu deneylerde görmedik.
Aslında sicim teorisindeki bu eksiklik 1990’lardan beri biliniyor, ama nedense kimse bunu dile getirmiyor.
Greene’in meslektaşları da hem süpersimetriyi hem de süpersicimleri kurtarmak için teoriye yeni bir simetri eklediler ve buna R eşlemi dediler. Bu işlem çeşni gerekliliğini ortadan kaldırarak süpersicim teorisinin gerçeklerle uyuşmazlık sorununu çözüyor (!?).
İlgili yazı: Her Şeyin Teorisi Peşinde
2 On bir boyutlu evren
Doğadaki dört fizik kuvvetini tek denklemle birleştirip her şeyin teorisini geliştirmek için bize 5 boyutlu anti-de Sitter uzayı gerek demiştik ya, aslında süpersicim teorisinin düzgün çalışması için bize 10 boyutlu uzay gerek; yani zamanla birlikte toplam 11 boyutlu bir evren lazım.
Sorun şu ki yaşadığımız evren görebildiğimiz kadarıyla üç boyutlu (uzunluk, derinlik ve genişlik olmak üzere 3 uzay boyutu var). Buna ek olarak zaman boyutuyla birlikte 4B’ye çıkabiliyoruz. Sicim teorisi bu sorunu nasıl çözüyor derseniz:
Teoriye göre evrenimizde 10 uzay boyutu var, ama bunların 6’sı mikroskobik ölçekte kendi üzerine katlanmış durumda. Bu boyutlar o kadar küçük ölçekte katlanmış ki atom ve proton boyundan bile daha küçükler. Bu sebeple evrendeki ekstra boyutları göremiyor ve bunların varlığını test edemiyoruz.
İlgili yazı: Stephen Hawking ve 4 Büyük Başarısı
3 Çoklu evren modeli
10 uzay boyutlu süpersicim teorisine göre kainatta 10500 evren var ve bunlardan biri de bizim evrenimiz.
Tahmin edebileceğiniz gibi 10 boyutlu uzayla birlikte bunlar çok afaki kabuller. Bugüne kadar ne ekstra uzay boyutlarını görebildik, ne de bizimkinden başka bir evren olduğuna dair en ufak bir bilimsel kanıt elde edebildik.
İlgili yazı: Evren Neden Kara Delik Olmadı?
4 Graviton ve yerçekimi
Süpersicim teorisine göre, doğadaki 34 temel kuvvetten biri olan kütleçekim kuvvetini graviton parçacıkları iletiyor. Hatta bu gravitonlar halka şeklindeki sicimler (sigara dumanından halka yapar gibi düşünün).
Dahası gravitonlar, tek ucu bizim evrenimize bağlı olan ve bu yüzden evrenimizden kopamayan diğer sicimlerden farklı olarak (tıpkı sıcak hava balonu gibi), evrenimizden üst boyutlara doğru yükseliyor ve başka evrenlere girebiliyorlar. Elimizde buna ilişkin hiçbir kanıt yok
İlgili yazı: Yoksa Evren Topaç Gibi Dönüyor mu?
Başka evrenler
Nitekim 2004 yılında bazı araştırmacılar, evrenin doğumundan kalma enerjinin kalıntısı olan 3 Kelvin derece sıcaklığındaki kozmik mikrodalga artalan ışımasındaki büyük soğuk lekenin, başka bir evrenin bizim evrenimize çarpmasından kaynaklanan bir yara izi olduğunu düşündüler.
Bu varsayım kanıtlanamadı, ancak sicim teorisi fizikçileri yerçekiminin doğadaki en zayıf kuvvet olmasını, yerçekimini ileten gravitonların bizim evrenimizden başka evrenlere sızmasıyla açıklıyor. Bu enerji sızıntısı evrenimizde yerçekimi şiddetini azaltıyor.
İlgili yazı: 180 Resimde Varoluşun Kısa Tarihi
Modula alanları
Süpersicim teorisinde kütleçekim kuvveti belirsizliği bununla bitmiyor. Tersine daha yeni başlıyor. Yerçekiminin süpersicim teorisindeki versiyonunda farklı bir tür kütleçekim kuvveti var. Bu kuvvet de modula alanları denilen ekstra enerji alanlarından oluşuyor.
Süpersicim teorisinin henüz kanıtlanmamış bilimsel bir teori olmasından yola çıkarak modula alanlarının (sayıl alanlar) fiziksel olarak gözlemlenebileceğini, ama henüz gözlemlenmemiş olduğunu hatırlatalım. Burada bilmemiz gereken tek şey, süpersicim teorisindeki bu alanları elimine etmeden, dört fizik kuvvetini süpersicim teorisiyle birleştiremeyecek olmamız.
Tabii ki sicim teorisi fizikçileri yeni matematik denklemleri ile bu alanları denklemlerden silmeyi başardılar. Ancak, bu henüz kanıtlanmamış olan teoriyi iyice kompleks hale getirdi.
İlgili yazı: 5 Soruda Paralel Evrenler
5 Kozmolojik sabit sorunu
Evrenimizdeki fizik kurallarının gözlemlediğimiz enerji değerlerine sahip olması için (yerçekiminin ne daha güçlü ne de zayıf olması gibi), evrenimizdeki uzay boşluğunun minimum enerjisinin de (sahte vakum) belirli bir değerde olması gerekiyor. Evrenimizi belirleyen bu değere kozmolojik sabit, yani boşluğun enerjisi diyoruz.
Süpersicim teorisi de kozmolojik sabit negatif olduğu zaman çalışıyor. Mesela anti-de Sitter uzayı kozmolojik sabitin negatif olduğu bir uzay, ama biz gözlemlerden biliyoruz ki yaşadığımız evrenin kozmolojik sabiti pozitif değerde (ölçebildiğimiz kadarıyla 1’e eşit).
Tahmin edebileceğiniz üzere sicim teorisi fizikçileri teoriye bu sorunu çözen yeni bir denklem eklediler. Gerçi bu keyfi sayılabilecek ek denklem kendi aralarında bile pek kabul görmedi.
İlgili yazı: Çoklu Evren: En Yakın Komşu Evren Nerede?
6 Alternatif teoriler
Dünyada daha çok bilim konuşmalarıyla tanınan, ama aslında Leonard Susskind’le birlikte en yaşlı sicim teorisi araştırmacıları arasında yer alan Profesör Michio Kaku, öteden beri “Elimizde evreni açıklayacak en iyi teori sicim teorisidir ve daha iyisi yoktur” diyor.
Ancak, evreni görebildiğimiz kadarıyla en az sicim teorisi kadar iyi açıklayan bir teori daha var. O da asimptotik olarak güvenli kütleçekim teorisi (üstelik bu teori ekstra boyutlar ve süpersimetri de gerektirmiyor).
Tabii doğada sicim teorisinden daha az şeyi açıklamakla birlikte daha çok umut vaat eden başka fizik teorileri de var ve bilimin yanlışlanabilirlik ilkesi gereği, bu eksik kuramlardan biri kanıtlanırsa sicim teorisinin yanlış olduğu ortaya çıkacaktır.
İlgili yazı: Evren İçi Boş Bir Hologram mı?
Öyleyse sicim teorisi okumaya değer mi?
Elbette değer! Bir kere hangi teorinin doğru olduğunu bilmediğimiz sürece bütün teorileri değerlendirmemiz gerekiyor.
Hatta birçok sicim teorisi uzmanı kendi öğrencilerine şunu söylüyor: “Sicim teorisinde çok sayıda fizikçi çalışıyor. Siz de gidip halka kuantum kütleçekim kuramı gibi alternatifleri araştırın ki sicim teorisine bakarken, doğru çıkabilecek başka bir teoriyi gözden kaçırmayalım.”
Buna ek olarak sicim teorisinin, standart modelin kuantum alan teorileriyle matematiksel bağı bulunuyor. Ayrıca sicim teorisindeki yerçekimi ayar karşılıklılığı denklemlerini yoğun madde fiziği araştırmalarında kullanabiliriz (gerçi bu çok zayıf bir bağ).
Her durumda, Einstein’ın gezegenleri yerinden oynatan büyük ölçekli yerçekimini tanımlayan görelilik teorisini, atom altı dünyayı tanımlayan kuantum fiziğiyle birleştirerek tam kapsamlı bir kuantum kütleçekim kuramı geliştirmediğimiz sürece evrenin nasıl oluştuğunu bilemeyeceğiz.
İlgili yazı: Evren boşluktan nasıl oluştu?
Sonsöz
Hakkını vermek lazım ki sicim teorisi tüm evreni tek denklemle açıklayan her şeyin teorisi olmaya aday. Aslında bunu başarmak için geliştirdiğimiz en karmaşık ve tutarlı matematik modeli. Bakalım doğru çıkacak mı?
Bunu bize LISA uydularının 2030’larda uzayda ölçeceği kütleçekim dalgaları gösterecek. Büyük patlamadan kalan ilkin kütleçekim dalgaları gerçeği söyleyecek. Peki sicim teorisi ile en büyük rakibi olan halka kuantum kütleçekim kuramıyla birleşiyor mu? Onu da Her Şeyin Teorisinde okuyabilirsiniz. Hepinize iyi haftalar dilerim.
Michio Kaku sicim teorisini açıklıyor
1The Meaning of Relativity
2What if string theory has no de Sitter vacua?
