Uzay–Zamanın Kökeni – 1 >> Fiziği tek denklemle açıklamak mümkün mü? Kuantum kütleçekim kuramı ve Her Şeyin Teorisi

Kara deliklerin merkezinde ne var? Karanlık madde ve karanlık enerji nedir? Evren’i meydana getiren Büyük Patlama’dan önce ne olduğunu öğrenebilir miyiz? Evren’in genişlemesi neden tekrar hızlanıyor ve Evren nasıl yok olacak?

Büyük ve gizemli Evren hakkında bilmediğimiz pek çok şey bulunuyor. Ancak, kainatın sırlarını çözmek için önce Evren’in dokusu olan uzay–zamanın nasıl oluştuğu sorusunu yanıtlamak ve tüm fiziği tek bir denklemle açıklayan Her Şeyin Teorisi’ni geliştirmek gerekiyor. Peki nasıl bir teori bu?

Einstein’ın görelilik teorisiyle kuantum fiziğini birleştirmek isteyen fizikçiler, son 20 yılda Holografik Evren İlkesi, Halka Kuantum Kütleçekim Kuramı ve Sicim Teorisi gibi birçok kuram geliştirdiler. Bu yazı dizisinde Her Şeyin Teorisi’ne en güçlü aday olan kuantum kütleçekim kuramlarını anlatıyoruz. Bunun için de ilk durağımız…

 

 

…Karanlık enerji

Fizikte boşluğun enerjisi olarak tanımlanan karanlık enerji Evren’in genişlemesinden sorumlu. Evren Büyük Patlama ile oluştuğunda, karanlık enerji Evren’in çok kısa bir süre için ışıktan hızlı genişleyerek balon gibi şişmesine ve neredeyse bugünkü boyutlarına ulaşmasına neden oldu. Ardından Evren ışıktan yavaş bir hızla milyarlarca yıl boyunca genişlemeye devam etti.

Fizikçiler kütleçekim kuvvetinin zamanla devreye gireceğini ve Evren’in genişlemesinin yavaşlayacağını, sonuç olarak da Evren’in bir saatten sonra büzülmeye başlayarak Büyük Ezilme ile yok olacağını düşünüyordu. Hatta bunun yeni bir Büyük Patlama ile yeni bir Evren doğuracağını düşünen kozmologlar vardı.

Ancak son 15 yılda yapılan gözlemler, Evren’in genişlemesinin yaklaşık 5 milyar yıl önce yavaş da olsa yeniden hızlanmaya başladığını gösterdi. Bu genişlemeden karanlık enerji sorumluydu. Karanlık enerji sonuçta boşluğun, uzay–zamanın enerjisiydi ve Evren genişledikçe karanlık enerji de bir anlamda “aradaki boşlukları” dolduruyordu. Böylece kütleçekimi yenerek genişlemeye yol açıyordu

 

 

Kaçış etkisi

Aslında, karanlık enerjinin değişmeyen bir kozmolojik sabiti / enerji oranı var ve bunu sabit tutmak için evren genişledikçe karanlık enerjinin miktarı artmak zorunda. Bu artış elbette Evren’in daha fazla genişlemesine yol açıyor, genişleyen Evren’de maddenin arası açıldıkça boşlukta daha fazla karanlık enerji oluşuyor. Bu yüzden Evren’in genişlemesi gittikçe hızlanıyor. Karanlık enerji bir kaçış etkisi yaratıyor

Meraklılar için ekleyelim, genişleyen Evren matematiksel olarak de Sitter uzayı ile tanımlanıyor. Aşağıda göreceğimiz gibi holografik evren modeli de “anti–de Sitter uzayı” olarak tanımlanıyor. Ancak ikisi arasındaki ilişkiyi göstermek için şunu sormalıyız:

Uzay boşluğu nedir? Karanlık enerji boşluğun enerjisi olduğuna göre, bunun için önce uzay boşluğunun, yani uzay–zamanın ne olduğunu bilmemiz gerekiyor. Uzay–zaman Einstein’ın görelilik teorisinde Evren’in dokusu olan bir kumaş gibi gösteriliyor ama tam olarak nedir? Halka Kuantum Kütleçekim Kuramı, Sicim Teorisi Kuantum Kütleçekim Kuramı ve Holografik Evren modeli üzerinde çalışan fizikçiler bu soruya cevap arıyor.

 

 

Uzay–zaman illüzyonu

Sabah uyandığınız zaman bir bilgisayar oyununun içinde yaşadığınızı fark ettiğinizi düşünün. Evren’in gerçeğinden ayırt edilemeyecek kadar gerçekçi bir bilgisayar simülasyonu olduğu düşüncesi Matrix filminden çıkıp karşımıza dikilmiş gibi görünüyor. Ancak Evren’i oluşturan uzay boşluğunu, uzay–zamanın dokusunu bu şekilde açıklamaya çalışan bilim adamları var.

Kanada Vancouver’daki British Columbia Üniversitesi’nden fizikçi Mark Van Raamsdonk, “Çevremizdeki her şey, aslında üç boyutlu dünyanın tamamı, iki boyutlu bir çipin üzerine kayıtlı enformasyonun oluşturduğu bir illüzyon olabilir” diyor. Elbette Holografik Evren olarak adlandırılan matematik modeli doğruysa.

Bu model Evrenimizi üç boyutlu bir holograma dönüştürüyor. Matematiksel olarak iki boyutlu bir resmin üç boyutlu projeksiyonu gibiyiz. Cinemaximum salonlarında gösterime giren bir yassı sinema filminin 3B gözlüklerle beyaz perde üzerinde izlediğimiz üç boyutlu projeksiyonu olabiliriz.

 

 

Holografik ilke

Teknik adıyla holografik ilke teorik fizikte incelenen diğer sıra dışı fikirler arasında bile oldukça garip bir fikir. İçinde bulunduğumuz Evren gerçek bir hologram değil elbette. Biz insanlar da basit bir projeksiyondan ibaret değiliz. Kanlı canlı, gerçek maddeden yapılmış gerçek varlıklarız.

Ancak, yaşadığımız Evren’i “anti-de Sitter uzayı” denilen ve sadece matematik dünyasında var olan bir uzaydaki 5 boyutlu bir kürenin 4 boyutlu yüzeyinde tanımlayabiliyoruz (tıpkı bir kürenin içindeki şeyleri 2 boyutlu yüzeyine çizmek gibi).

Holografik evren gerçek değil, ama gerçek Evren’deki madde ve enerjiyi tanımlamak için kullandığımız matematiksel bir modeldir.

 

 

Cam var, çerçeve yok

Bununla birlikte holografik evren konseptini bile yeterli bulmayan ve daha garip fikirler üzerinde çalışan bilim adamları da var. Bunu uzay–zamanın ve karanlık enerjinin ne olduğunu anlamak için yapıyorlar. Van Raamsdonk da bu gruptaki öncü araştırmacılardan biri.

Sonuçta modern fiziğin iki büyük kaidesi olan Einstein’ın genel görelilik teorisi (kütleçekim kuvvetini tanımlıyor) ve kuantum fiziği (atom dünyasını açıklıyor) bize uzay–zamanın, yani Evren’in dokusunun ne olduğu hakkında hiçbir şey söylemiyor. Hiçbir fikir vermiyor.

 

 

Enerjinin ne olduğunu mikroskobik ipliklerle, yani enerji şeritleriyle açıklamaya çalışan Sicim Teorisi de uzay–zaman nedir sorusuna cevap vermiyor.

Oysa Sicim Teorisi görelilikle kuantum fiziğini birleştirerek kuantum kütleçekim kuramını geliştirmek ve kara deliklerin merkezindeki tekilliğin ne olduğunu anlamak için büyük gelecek vaat ediyor.

Bütün bu teoriler uzay–zamanı hazır verilmiş bir konsept olarak kullanmakla birlikte, uzay–zamanın ne olduğu hakkında hiçbir şey söylemiyor. Bu ciddi bir sorun. Elimizde Evren’deki madde ve enerjiyi temsil eden bir cam var ama bu camı takacağımız çerçeveyi bulamıyoruz.

 

 

Eksik fizik

Van Raamsdonk ile meslektaşları uzay–zamanın nasıl ortaya çıktığını göstermeden fizik bilimindeki eksikliklerin giderilemeyeceğini düşünüyorlar. Fizikçiler bu konuda holografik evren modelinden umutlu. Bu modeli kullanarak kara deliklerin merkezinde yer alan ve uzay–zamanı bükerek tanınmaz hale getiren tekilliği açıklayabileceklerini umuyorlar.

Çünkü görelilik teorisi kara deliklerin merkezinde sonsuz kütleçekime sahip bir tekillik olduğunu söylüyor ve bu tekillik sonsuz küçük bir noktada uzayı bükerek Evren’i yok ediyor. Fizik yasaları tekillikte anlamını yitiriyor.

Ancak bu doğruysa ve tekilliğe yol açan görelilik teorisi tekillikte işlemiyorsa, tekilliğin kendisi nasıl oluşuyor? Kuantum kütleçekim bunu çözebilir.

 

 

Çatı aday, pardon çatı teori

Holografik ilkenin savunucuları, kuantum fiziği ile görelilik teorisini holografik ilke altında birleştirerek bir kuantum kütleçekim kuramı geliştirmeyi ve tekillik problemini çözmeyi amaçlıyorlar.

Pennsylvania Eyalet Üniversitesi’nden Abhay Ashtekar da bu konuda sıkıntılı: “Gerçekliğin birbirinden tümüyle farklı iki ayrı tanımı olmaması gerek. Bu tecrübelerimize aykırı. Öyleyse bunları birleştiren genel bir teori olmalı”.

Ancak, bilim adamlarının Büyük Birleştirme Teorisi olarak adlandırdığı her şeyin teorisini geliştirmek çok zor.

 

 

Evren’in kumaşı

Fiziği tek bir formülde birleştirecek olan çatı teorisini geliştirmek için önce galaksilerden insanlara kadar Evren’deki her şeyin içine oturduğu bir çerçeveye ihtiyacımız var.

Evren’deki her şeyin çerçevesi ise uzay–zamandır. Çünkü madde ve enerji uzay–zamanda tanımlıyor (neredeyiz, nereye gidiyoruz, ne hızla gidiyoruz, ne kadar sürede gidiyoruz vb.).

 

 

Öyleyse uzay–zamanın nasıl ortaya çıktığını bilmemiz lazım. Örneğin uzay–zamanın atomları var mı, yani uzay–zaman daha küçüğe bölünemeyen bir takım lego bloklarından, bölünmez yapıtaşlarından mı meydana geliyor? Yoksa uzay–zaman dediğimiz çerçeve kuantum fiziğinde tanımlanan ve madde ile enerjiyi oluşturan temel parçacıkların arasındaki ilişkiden kendiliğinden ortaya çıkan bir çatı konsept mi?

Bu soruyu şöyle de sorabiliriz: Kuantum fiziği daha altta yatan ve henüz bilmediğimiz başka bir fiziğin yansıması mı? Yoksa kuantum fiziği en temel fizik mi? Bütün fizik yasaları kuantum fiziğinden mi çıkıyor? Bunlar tek bir cevabı olmayan zor sorular. Ancak 4 bölümlük yazı dizimizde bu sorular4 farklı açılardan yaklaşarak aydınlatmaya çalışacağız.

 

 

Kütleçekim kuvveti ve termodinamik

Uzay–zamanın kökeniyle ilgili en çarpıcı gelişmelerden biri 1970’lerin başında yaşandı. Bilim adamları o yıllarda kuantum fiziği ile kütleçekim kuvveti arasında ayrılmaz bir ilişki olduğunu gösteren ipuçları buldular. Bu ipucu termodinamik yasalarıydı.

Isının bilimi olarak da tanımlayabileceğimiz termodinamik yasaları elbette sadece kışın kombi yakarak nasıl ısındığımızı açıklamakla kalmıyor. Aynı zamanda kuantum fiziği ile kütleçekim arasında bir ilişki kurmamızı sağlıyor. Bakın nasıl?

 

 

Buharlaşan kara delikler ve Hawking Işınımı

1974 yılında Cambridge Üniversite’sinden fizikçi Stephen Hawking, bir kara deliği saran uzay boşluğundaki kuantum etkilerinin o kara deliğin sanki dökümhane fırınındaki sıcak demir gibi ısı yaymasına yol açacağını gösterdi.

Bu etki kara deliklerle sınırlı değildi, Evren’in her yerinde, uzay boşluğunda bile geçerliydi. Boşluğun bile o boşluğu dolduran sanal parçacıklardan oluşan bir negatif vakum enerjisi vardı.

Bu sebeple boş uzayda giden bir astronot ışık hızına yakın hızlara ulaştığında fırına girmiş gibi ısınmaya başlayacaktı, çünkü bizzat uzay boşluğuna ve uzay–zaman dokusuna sürtünecekti (Casimir etkisi ve Hawking radyasyonu). Hawking radyasyonu kara deliklerin zamanla buharlaşmasına yol açıyordu.

 

 

Termodinamik sahneye çıkıyor

Spontane emisyon olarak da adlandırılan Hawking radyasyonu (kendiliğinden ışınım), kuantum fiziğindeki rastlantısallığı (Heisenberg’in belirsizlik ilkesi) ısının bilimi olan termodinamikle birleştiriyor.

Fizikçiler de bundan yola çıkarak kuantum fiziği ile termodinamik arasındaki ilişkiyi incelemeye başladılar. Belki bu her şeyin teorisini geliştirmelerini sağlayabilirdi.

Termodinamik yasalarına göre bir cisim yalnızca entropisini azaltarak ısı yayabilir ve soğuyabilir (Örneğin kombiye bağlı radyatörler odamızı ısıtırken soğumaya başlıyor, ama biz kaloriferleri sürekli ısıtarak radyatörlerin soğumasını önlüyoruz).

 

 

Entropi, düzensizliğin düzeni

Entropi ise bir cisimdeki kuantum serbestlik derecelerinin ölçüsüdür. Örneğin su dolu bir banyo küvetindeki su moleküllerinin küvetin içinde ne kadar serbestçe hareket edebildiğinin ölçüsü entropidir.

Termodinamikte mutlak sıfır ve mutlak sıcak durumundaki sistemlerin entropisi sıfır. Kısacası atom ve moleküllerin maksimum hareket özgürlüğü var. Çünkü Evren’in geri kalanı bu kadar sıcak veya bu kadar soğuk değil. 🙂 Soğuk cisimler ısınacak, sıcak cisimler soğuyacak.

Örneğin, Büyük Patlama anında Evrenimizin sıcaklığı mutlak sıcaklık seviyesindeydi. Evren entropisini azaltarak soğumaya başladı ve bu süreçte galaksiler, yıldızlar, gezegenler ve hayat oluştu.

 

 

Evren’in sonu

Ancak şimdi aklımıza hayalimize sığmayan uzak bir geleceği düşünün. Bütün güneşler sönmüş, bütün gezegenler aşınma ve kuantum salınımları nedeniyle parçalanıp toza dönüşmüş.

Atomları meydana getiren bütün protonlar bozunarak kuarklara ayrılmış ve her bir kuark arasında milyonlarca ışık yılı mesafe var!

Pratikte bütün Evren’in sıcaklığının mutlak sıfıra düştüğünü hayal edin. Hiçbir şey hareket edemiyor, çünkü kuarklar birbirine ışık hızıyla ulaşamayacakları kadar uzak. Isı ve enerji transferi yok, çünkü Evren’de sıcaklık farkı yok.

 

 

Evren bu kadar soğursa temel parçacıklarla atomları bir arada tutan enerji uzayda kullanılamayacak kadar seyrelmiş olacak. Evren’in toplam enerjisi azalmasa bile bu enerji termodinamik açıdan kullanılamayacak dağılmış olacak.

Evren’in ölümü için böyle bir senaryo mümkün mü? Evet mümkün ve hem kuantum kütleçekim kuramları açısından hem de yazımızın ana konusu olan uzay–zamanın kökeni açısından bu konu önemli.

 

 

Isıl ölüm

Fizikte bu senaryoya ısıl ölüm diyoruz. Evren daha önce başka sebeplerle yok olmazsa, 100 trilyon sonra ısıl ölüm neticesinde, yani karanlıkta soğuktan donarak yok olacak.

Elbette uzay–zaman yukarıda söylediğimiz gibi temel parçacıkların arasındaki etkileşimden meydana geliyorsa, Evren’deki enerji minimum seviyeye indiğinde (maksimum entropi durumu) ve parçacıklar arasındaki etkileşim durduğunda uzay–zaman da yok olacak.

Bu noktada dikkat etmemiz gereken bir ayrıntı var; o da Fizikte “Evren’in toplam enerjisi azalmaz veya artmaz” şeklinde ifade edilen Enerjinin Korunumu yasası. Isıl ölüm senaryosunda enerjinin kullanılamayacak seviyede azalarak “pratikte yok olması” bu yasaya aykırı değil. Çünkü Evren uzay–zamandan oluşuyorsa, Evren yok olduğunda uzay–zaman da içindeki madde ve enerjiyle birlikte yok olacak. Her şey rastgele kuantum salınımlarına, sanal parçacıklara indirgenecek.

 

 

Kara deliklerle başka evrenlere yolculuk

Enerjinin korunumu sadece kapalı sistemlerde geçerli tabii. Bu sebeple bilim adamları kara delikleri kullanarak başka evrenlere seyahat edemeyeceğimizi düşünüyor. Evrenler arası seyahat enerjinin korunumu yasasını ihlal etmezdi ama geçersiz kılardı. Çünkü Evren kapalı bir sistemse buradan başka evrenlere gitmek de imkansız olmalı.

“Belki de enerjinin korunumu yasası geçerli değil” diyebilirsiniz. “Hem bu yasa geçerli değilse bedava enerji kullanarak sonsuza dek çalışan devridaim makineleri imal edebilir ve insanoğlunun enerji problemini çözebiliriz!”. Ancak yasayı hevesle çöpe atmadan önce iki kere düşünün:

Öncelikle başka evrenlere gitmek için gideceğimiz evrenleri bu evrene bağlamamız gerek. Bu durumda fizik yasalarına ne olacak? Fizik yasaları farklı olan iki evren birbirine kara deliklerle bağlanırsa bu evrenlerin enerji düzeyi değişmeyecek mi? O zaman bu evrenler atardamarı kesilmiş insan gibi hızla kan kaybetmeyecek mi? Evrenlerdeki kütleçekim kuvveti gibi fizik kuvvetlerinin değeri değişmeyecek mi? Ya bunun sonucunda Dünya’nın yerçekimi aniden artarsa ve gezegenimiz kara deliğe dönüşürse?

 

 

Bir evrenin sonu

Gördüğünüz gibi enerjinin korunumu yasasına ihtiyacımız var ve bu yasanın getirdiği yasaklara da ister istemez uymamız gerekiyor. Ancak bu yasa sandığımızdan daha anlamlı.

Enerjinin korunumu sadece bu Evren’in var olması için gerekli değil. Gelmiş geçmiş ve doğacak olan bütün evrenlerin var olması için de gerekli! Bunu açıklayalım.

Evren’de temel fizik kuantum fiziği değilse, uzay–zaman kuantum enerji alanlarındaki etkileşimin bir türevi değilse, ısıl ölüm gerçekleştiğinde kuantum enerji alanları yok olurken uzay–zaman içi boş bir küvet gibi kalacak. Bu durumda Evren ısıl ölümde tam olarak yok olmayacak. Sadece içindeki temel parçacıklar çözüldüğü için Evren’in içi boşalacak.

 

 

Evrene reset atmak

Bu da bir çelişkiye yol açıyor: Uzay–zaman yok olmuyorsa parçacıklar arasındaki ilişki, ısı aktarımı, enerji transferi, parçacıkların hareket etmesi nasıl kesiliyor? Kesilmiyorsa Evren ortadan kalkmıyor, parçacıklar çözülüp dağılmıyor ve ısıl ölüm de tam olarak gerçekleşmiyor demektir.

Bu durumda İçindeki bütün hayatın ve yıldızların donarak, sönerek ölmesine yol açan, bir anlamda içi boşalan Evren hayatına zombi gibi devam edecek.

Bir gün bu Evren başka bir Evren’in doğmasına yol açtığında (rastgele kuantum salınımlarının sebep olduğu yeni bir Büyük Patlama) kendi entropisini yeni Evren’e taşıyacak. Dolayısıyla yeni evrenlerin başlangıç entropisi eski evrenlerden daha yüksek olacak. Şimdi bu eski evrenden yeni evren doğması olayının trilyonlarca yıl boyunca süregeldiğini düşünün.

 

 

Entropide bahar temizliği

Öyleyse entropiyi nasıl temizleyeceğiz? Her evren eski evrenin çöpünü taşıyacak. Bütün evrenlerin içi atık ısıyla dolacak. Bu da aslında bütün evrenlerin zehirlenmesine, ölü doğmasına yol açacak (temel parçacıklar doğum anında yeterli serbestlik derecesine sahip olmayacaklar).

Bu durumda bizim Evrenimizin doğması da imkansız olacaktı. Çünkü bizden önce gelen sayısız evrenin atık ısısı, Evrenimizdeki entropiyi baştan artırarak madde ve enerjinin oluşmasını engelleyecekti.

 

 

Sonsuz evrenler döngüsü

Sicim Teorisi dışındaki bazı kuantum kütleçekim kuramları, örneğin halka kuantum kütleçekim kuramı, uzay–zamanın temel parçacıkların etkileşimiyle ortaya çıkmadığını; uzay–zamanın kuantum parçacıklarını içinde taşıyan bağımsız bir tür kap olduğunu söylüyor.

Bu yaklaşım temel parçacıkların entropisi ile uzay-zaman arasındaki ilişkiyi kopartarak, entropinin nasıl yok olduğu sorusunun cevaplanmasını engelliyor.

 

 

Ölü doğum

Gerçekten de istatistik yasalarını sonsuz süreler içinde işlettiğimizde bugün bırakın bizim Evrenimizi, hiçbir evrenin var olmaması gerektiğini görüyoruz (entropi trilyonlarca yıl önce ölü doğan bir evrende çoktan maksimum seviyeye ulaşmış olmalıydı). Oysa biz varız ve bu da entropi zehirlenmesinin olmadığının kanıtı.

Van Raamsdonk işte bu yüzden söz konusu durum insani tecrübelerimize, sağduyumuza aykırıdır diyordu. Yeni evrenlerin eski evrenlerin küllerinden doğduğunu söyleyen halka kuantum kütleçekim kuramının bunu açıklaması gerekiyor.

Peki nereden başlayabiliriz? Uzay-zamanın kuantum parçacıkları arasındaki ilişkinin bir türevi olduğunu, yani parçacıklardan bağımsız bir yapı olmadığını göstererek; bir evren yok olduktan sonra doğan yeni evrenlerin hayata sıfır entropiyle başlayacağını kanıtlayabilir miyiz? Bunu gösteren bir kuantum kütleçekim kuramı geliştirmek için işe kara deliklerden başlamamız gerekiyor.

 

 

Kara delik entropisi

Nasıl ki bütün cisimlerin birer serbestlik derecesi var (moleküllerin, atomların ve parçacıkların alabileceği farklı kuantum durumları), kara deliklerin de bir serbestlik derecesi var. Sonuçta kara delikler molekülleri, atomları, parçacıkları yutuyor ve dolayısıyla onların potansiyel kuantum durumlarını da yutmuş oluyor.

Ancak kara delikler o kadar güçlü bir kütleçekime sahip ki ışık bile kara deliklerden kaçamıyor. Evren’de hiçbir şey ışıktan hızlı gidemeyeceğine göre, kara delikler yuttukları maddenin kuantum durumlarını sürekli içine çekiyor ve bu yüzden de Evren’de her zaman maksimum entropiye ve minimum serbestlik derecesine sahip bulunuyor.

Kara delikler maddeyi yok edecek kadar güçlü bir şekilde sıkıştırdığı ve uzay–zamanı kütleçekim etkisiyle büküp kopardığı için bütün serbestlik derecelerini ortadan kaldırıyor. Evren’de en yüksek entropiye sahip olan cisimler kara deliklerdir.

 

 

Kara delikler ve holografik ilke

Şimdi Kudüs İbrani Üniversitesi’nde çalışan fizikçi Jacob Bekenstein, kara deliklerin entropisi olduğunu Hawking’in 1974’te yayınladığı makaleden önce göstermişti.

Ancak kara deliklerle sıradan cisimler arasında bir fark vardı. Cisimlerin çoğunda entropi cismin içerdiği atomların sayısıyla, yani hacmiyle orantılıydı (küvetteki suyun entropisinin küvetteki suyun hacmine, üç boyutlu hareket alanına bağlı olması gibi).

Kara deliğin entropisi ise kara deliğin hacmiyle değil de olay ufkunun yüzey alanıyla orantılıydı (kara deliğin dış sınırı olan ve içi boş bir küreye benzeyen olay ufkunu geçen hiçbir şey kara delikten dışarı çıkamaz, çünkü bunun için ışıktan hızlı gitmesi gerekir).

 

 

Kara deliğin merkezinde ne var? Tekillik?

Her ne kadar kara deliğin merkezinde sonsuz küçüklükteki matematiksel bir nokta olduğu düşünülen tekillik olsa da kara deliklerin çevresini olay ufku dediğimiz yuvarlak bir kılıf sarıyor.

Olay ufku kara delikten kaçış hızının ışık hızını aştığı geri dönülmez sınırdır. Bu nedenle kara delikler üç boyutlu cisimlerdir (neredeyse kusursuz bir küre).

Ancak kara delik entropisi kara deliğin hacmine değil de olay ufkunun yüzey alanına eşit olduğu için, kara deliklerin bütün fiziksel özelliklerini (kütle, elektrik yükü, kendi etrafında dönmesi) iki boyutlu yassı bir resimle göstermek mümkün (tıpkı Dünya’nın karalarını ve denizlerini gösteren bir haritada olduğu gibi).

 

 

Holografik model, entropinin haritası

İşte holografik evren modeli bu şekilde doğdu: Kara deliklerin olay ufkunda, yani kara deliklerin iki boyutlu yüzeyinde bulunan enformasyon; aslında kara deliğin içine düşen moleküller, güneşler, asteroitler gibi üç boyutlu cisimlerin özelliklerini resmediyor.

Bunun bir mantığı var elbette: Kara deliğe düşen her şey tekillikte yok oluyor, ama bu cisimler yok olmadan önce olay ufkundan geçiyor ve cisimlere ait bilgiler de olay ufkunun yüzeyine yassı bir resim halinde kazınıyor.

Bu durumda kara delikler kitap kapaklarında ve koleksiyon kartlarında gördüğümüz hologramlara benziyor. İki boyutlu plastik hologramların aslında üç boyutlu bir resim içermesi gibi, kara delikler de içindeki üç boyutlu bilgiyi yüzeyindeki iki boyutlu enformasyonla kodluyor.

 

 

Atomaltı parçacıklar aslında kara delik mi?

College Park Maryland Üniversitesi’nden fizikçi Ted Jacobson, 1995 yılında termodinamikteki entropi kavramını kara deliklerin olay ufkuyla birleştirdi ve uzaydaki bütün noktaların fizik biliminde aslında mikroskobik bir kara delik olarak tanımlanabileceğini gösterdi.

Jacobson’a göre elektron ve protonlar gibi parçacıkları matematiksel olarak birer kara delikle ifade etmek mümkündü. Çünkü inanılmaz ölçüde küçük olan bu parçacıklar tıpkı birer karar delik gibi davranıyordu.

Yazımızın başında bilim adamları karanlık enerjiyi açıklamak için kuantum kütleçekim kuramı geliştirmek üzere holografik evren modelinden daha garip fikirler ortaya atıyorlar demiştik. Atomaltı parçacıkların aslında birer kara delik olduğu fikri de bunlardan biri.

 

 

Buharlaşan kara delikler sonunda temel parçacıklara mı dönüşüyor?

Fizikte “kara deliklerin saçı yoktur teoreminden” bildiğimiz gibi, kara deliklerin dışarıdan gözlemlenebilen sadece üç fiziksel özelliği var: Bunlar kara deliğin elektrik yükü, kütlesi ve açısal momentumudur (dönüşü, rotasyonu).

5 veya daha fazla boyuta sahip olan hiperuzay modellerini saymazsak, 3 uzay ve 1 zaman boyutuna sahip olan evrenimizde kara deliklerin görebileceğimiz başka bir özelliği yok. Ancak, maddeyi meydana getiren atomları oluşturan temel parçacıklar için de aynı şey geçerli:

Protonların da sadece yükünü, kütlesini ve açısal momentumunu bilebiliyoruz. Bu durumda temel parçacıklar aslında Evren’in doğumunda oluşan, ama Hawking radyasyonu ile zamanla buharlaşan küçük kara deliklerin kalıntıları olabilir mi?¹³

 

 

Kel başa şimşir tarak

Ancak temel parçacıklarla “buharlaşarak bu tür parçacıklara dönüştüğü iddia edilen makroskobik kara delikler” arasında önemli bir fark var (yazıda söz ettiğimiz küçük kara delikler aslında bir kum tanesinden çok da küçük değil):

Bütün kara delikleri gözle görülebilir dünyada, makroskobik dünyada geçerli olan klasik fizik formülleriyle tanımlayabiliyoruz (Heisenberg’in belirsizlik ilkesinin geçerli olmadığı dünya). Temel parçacıklar ise kuantum fiziğine tabi ve bunun sebebi basit.

 

Bir cismin yarıçapı cismin Compton dalga boyundan büyükse, o cisim makroskobik dünyaya aittir (örneğin kum tanesi, bakteri ya da Güneş) ve böylece o cismi klasik fizikle tanımlayabiliriz. Nitekim bütün kara deliklerin Schwarzschild yarıçapı Planck uzunluğundan büyüktür.

Aslında bütün makroskobik cisimlerin Schwarzschild yarıçapı var: Örneğin çapı 12 bin km olan Dünya’yı alır ve sıkıştırıp bowling topuna indirgersek Dünya da bir kara deliğe dönüşecektir. Çok küçük bir cismin kütlesi çok büyük olursa, cismin yerçekimi de ışığın bile kaçamayacağı kadar güçlü oluyor.

 

 

En küçük kara delik

Öte yandan, Evren’de Planck mesafesinden daha kısa bir uzunluk yok. Kuantum fiziğine göre daha küçük mesafe var mı diye sormak bile anlamsız, çünkü Planck mesafesinden daha kısa mesafelerde Evren yok oluyor. Fizik yasaları işlemez oluyor.

İşte bu nedenle elektron gibi bir temel parçacığın aslında buharlaşmış bir kara delik olduğunu söylemek doğru değil.

Klasik bir elektronun yarıçapı elbette Planck mesafesinden büyük (10^-13 cm). Ancak elektronun Compton dalga boyu da elektronun yarıçapından üç kat büyük. Bu durumda elektron klasik fizikle tanımlanamaz ve gerçek bir kara delik olamaz.

 

 

Küçük kara delikler neden daha hızlı buharlaşıyor?

Yukarıdaki açıklamalara dikkat ettiğimizde, temel parçacıkların çapının Compton dalga boyundan daha küçük olduğunu görüyoruz.

Elektron boyutunda bir kara delik olamaz, çünkü bu kadar dar çapa kara delik oluşturacak kadar büyük bir kütle sığdıramayız. Eelektron kadar küçük bir kara delik anında buharlaşırdı.

 

 

Bu mantığı gerçek kara deliklere uyguladığımızda ise oldukça ilginç bir sonuçla karşılaşıyoruz: Kara delikler ne kadar küçükse Hawking radyasyonu ile o kadar hızlı buharlaşıyor.

Ancak Planck ölçeğinde durum farklı: Planck ölçeğinde parçacıklar ile kara delikler arasında hiçbir fark kalmıyor. Evren’de Planck mesafesinden daha küçük bir uzaklık olmadığı için Planck boyundaki bütün parçacıkları da kara delik olarak tanımlayabiliriz. Planck mesafesi 1,616199(97) × 10⁻³⁵ metredir.

 

 

Peki Planck boyunda temel parçacık var mı?

Gayet yerinde bir soru ve bunun cevabını bilmiyoruz. Bugüne kadar Planck boyunda bir parçacık keşfetmedik ama mini kara deliklerden ayırt edemeyeceğimiz Planck parçacıkları ilginç bir fikir.

Belki de Evren’de Planck boyunda parçacık yok, ama temel parçacıklar uzay–zamanda hareket ettiğine göre, Planck ölçeğinin en azından uzay–zamanın temel birimi olduğunu söyleyebiliriz.

Aslında fizikçiler Planck ölçeğinin uzay–zamanın temel birimi olduğunu uzun süre önce kanıtladılar, fakat bugüne kadar uzay–zamanın Planck ölçeğinde nasıl ortaya çıktığını ve gözle görülür boyutlara nasıl ulaştığını tanımlamayı başaramadılar. Sadece Planck ölçeğinden küçük ölçeklerde fizik yasalarının işlemez hale geldiğini biliyorlar.

 

 

Ancak fizikçilerin birçoğu kütleçekimi tanımlayan görelilik teorisi ile atom dünyasını tanımlayan kuantum fiziğini başarıyla birleştiren bir kuantum kütleçekim kuramı geliştirirsek uzay–zamanı Planck ölçeğine kadar modelleyebileceğimizi düşünüyor.

Böylece uzay boşluğunun nasıl ortaya çıktığını ve (Planck parçacıkları varsa) uzay–zamanın temel bölünmez bileşeninin ne olduğunu gösterebileceğimizi söylüyorlar. Yazımızın ikinci bölümünde bunu yapmaya çalışan halka kuantum kütleçekim kuramını anlatıyoruz.

 

 

Süpernova halinde patlayan yıldızın ardından bir kara deliğin doğuşu

 

 

 

Evrenin ısıl ölümü

 

 

 

Profesör Michio Kaku Planck enerjisini kullanarak başka evrenlere nasıl seyahat edilebileceğini anlatıyor. Bu enerjiyi kullanabilmek için önce uzay–zamanın ne olduğunu anlamamız gerekiyor. Elbette enerjinin korunumu yasasının etrafından dolanmanın bir yolunu da bulmalıyız.

 

 

 

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

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