başlangıçta hadronları tanımlamak için türetilen ama daha sonra genel görelilik ile kuantum mekaniğini birleştirme yolunda daha önemli hâle gelen bir teori sicim teorisi. hadronların, evrenin temel kuvvetlerinden biri olan güçlü nükleer kuvvetin etkisi altında bir arada tutulan kuarklardan oluşan parçacıklar olduğu notunu da buraya düşeyim.

okuması kolay olsun diyerek birkaç başlık altında toplayarak yazmayı uygun buldum.

1. sicim teorisine neden ihtiyaç duyuldu?

aslında bize, parçacıkların dünyasını oldukça iyi bir şekilde açıklayan standart modeli kazandıran bakış açısı, genel bir yaklaşımdan ibaretti. atom altı parçacıklar gözle görülemeyecek kadar küçük olduğundan, bilim insanları bunları noktasal birer yapı olarak kabul etmiş ve araştırmalarını bu kabul üzerinden yapmıştı. bu yaklaşım bir noktaya kadar oldukça iyi sonuçlar elde edilmesini sağlasa da her şeyi sorunsuz şekilde açıklamaya yetmedi.

bilim insanları bu yaklaşımı bir parça değiştirerek işin nereye varacağını, sorunların çözülüp çözülemeyeceğini merak ettiler ve maddenin en küçük yapı taşını noktasal parçacıklar olarak değil, ince, iplik benzeri yapılar -yani sicimler- olarak kabul ettiler. buna göre; bir noktaya kıyasla daha karmaşık bir yapı olan sicimlerin uzaydaki boyutlar içerisindeki titreşim hareketleri, daha önceden varlığını kanıtladığımız parçacıkların oluşmasını sağlıyordu.

bir kemanın yaylarına dokunmadan ondan ses çıkaramayız. sicimler de bunun gibidir. durup dururken titreşip bir parçacık oluşturmazlar. ancak yeterli enerji ile uyarıldıklarında titreşmeye başlarlar. yine bir kemana benzetecek olursak; her farklı yayda ve her farklı frekanstan kaynaklanan farklı notalar gibi, sicimlerin de farklı titreşimleri sonucunda farklı parçacıkların oluştuğu düşünülüyordu.

dediğim gibi, başlangıçta maksat hadronları tanımlayabilme çabasıydı. ancak teori bu alanda pek başarılı olmadı. onun yerine, farklı bir alandaki bazı sorunlara çözüm olabileceği görüldü.

2. sicim kuramının kuantum ve görelilik ile alakası ne?

yukarıda "farklı bir alandaki bazı sorunlar" şeklinde bahsi geçen sorunlar, bu başlıktaki sorunun cevabıydı. evrende 4 temel kuvvet (elektromanyetik kuvvet, güçlü nükleer kuvvet, zayıf nükleer kuvvet ve kütle çekim kuvveti) olduğu kabul ediliyor. bunlardan, parantez içindeki ilk 3 tanesi, kuantum mekaniğiyle uyumlu. ancak kütle çekim kuvveti, makro boyutlu yani çok büyük cisimler ve geniş mesefaler için güzel sonuçlar verse de, atom altı dünyasındaki aşırı derecede küçük cisim ve son derece yakın mesafelerde anlamsız sonuçlar veriyor.

makro dünyadaki son derece başarılı sonuçları nedeniyle genel göreliliği ve kütle çekimini yanlış kabul edemiyoruz. kuantum mekaniği de yine birçok alanda güvenilir sonuçlar verdiği için bunu da yanlış kabul edemiyoruz. ancak bunlarda bir eksiklik olduğu belli. dolayısıyla bu ikisini uzlaştıracak bir çözüm gerekli. işte sicim kuramı bu çözüm olabilir.

...mi acaba?

3. sicim teorisi çöpsüz üzüm mü? hiçbir sorunu yok mu?

özellikle başlangıç aşamasında oldukça büyük bir sorunu vardı: takyonlar. bunlar basitçe, ışık hızından daha hızlı hareket eden, sıfır ya da negatif kütleli teorik parçacıklar. bu "hayali kütle" durumu, sicim teorisinde bir istikrarsızlık, hatta daha doğrusu bir hata olduğunun göstergesiydi.

bir başka sorun daha vardı: bu kez kütlesiz bir parçacık söz konusuydu. ancak bunun da spini 2 olmak zorundaydı ki bu pek de bugüne dek gözlemlediğimiz parçacıklarla uyuşan bir durum değildi. dolayısıyla bu sorunlar, hadronları sicim teorisiyle açıklama fikrinin rafa kalkmasına neden oldu.

4. peki bu sorunlara çözümümüz var mı?

bu noktada birkaç bilim insanı, takyonları dışlayan ve normal spinli parçacıkları içeren yeni bir matematiksel keşifte bulundular: süper sicimler! teoriyi takyon illetinden kurtarmasının yanı sıra, spin-2 sahibi olan ilginç parçacığın da aranan kayıp bir parçacık olabileceğini fark ettiler: graviton. peki nedir graviton?

evrenin temel kuvvetlerini yukarıda saydım. bunların hepsi belirli parçacıklar aracılığıyla etkileşimde bulunurlar. elektromanyetik kuvvetin taşıyıcı parçacığına foton diyoruz. güçlü ve zayıf kuvvetlerin taşıyıcı parçacıkları sırasıyla gluonlar ve bozonlardır. bu parçacıkların varlığına dair çok sayıda gözlemsel kanıt varken, kütle çekim kuvvetinin taşıyıcı parçacığına ilişkin herhangi bir iz yoktu. dolayısıyla spin-2 eğer graviton ise bu durumda hem takyonsuz hem de kayıp parçayı içeren bir sicim teorisi bulunmuş oluyordu ki bu da harika bir gelişmeydi.

5. fazladan boyutlar nereden çıktı?

biliyoruz ki evrenimizde -en azından- 4 boyut mevcut. bunlardan 3 tanesi koordinat sisteminde yer belirtebilecek özellikte olan uzay boyutu iken 1 tanesi de zaman boyutu. peki ya evrende, bizim algılayamadığımız başka boyutlar varsa?

süpersicim teorisi evrenin 3+1 değil 9+1 boyuttan meydana geliyor olması durumunda doğru çalışıyordu. daha eski bir sicim kuramı versiyonunda 26 boyuttan bile söz ediliyordu ancak doğru boyut sayısı 10'du çünkü bundan daha az ya da daha çok boyutta, fiziksel anlamda "saçma" ve anlamsız sonuçlar ortaya çıkıyordu. yukarıda 3 no'lu başlıkta değinmediğim bir anomali sorunu da vardı sicim teorisinin ve süpersicim teorisi, 10 boyutta bu anomalilerin de matematiksel olarak ortadan kalktığını gösteriyordu.

6. diyelim ki 10 boyutlu bir uzaydayız. o zaman neden sadece 4 boyuttan bahsedebiliyoruz?

eğer bahsi geçen ek boyutlar gerçekten varsa fakat bunlar bizim algılayamayacağımız kadar küçük, kuantumsal ölçeklerde kıvrılıp kalmış ve bildiğimiz 4 boyut kadar uzayamamışsa, bunları görmüyor olmamız normal. etkilerini ise dolaylı olarak ölçebiliriz ama zaten sicim teorisini kesin bir yasa gibi değerlendiremiyor oluşumuzun nedeni, bunu dolaylı ya da doğrudan ölçme konusundaki yetersizliğimiz.

başlangıçta bu ek boyutların kıvrık şekilde var olması, başka bir sorunu daha tetikliyordu. temel kuvvetlerden olan zayıf nükleer kuvvetin parçacıklara karşı olan davranışlarındaki farklılıktan bahsediyorum. burada detayına girmeyeceğim ama parçacıklar "sağ elli" ve "sol elli" parçacıklar olarak ikiye ayrıldığında ve biz 6 boyutun kıvrık şekilde var olduğunu kabul ettiğimizde, bugün zayıf kuvvet etkileşimlerinde gözlemlediğimiz durumu gözlemleyemiyor olmamız gerekiyordu. daha basit bir ifadeyle; eğer 6 kıvrık boyut varsa bu durumun sonucu, gerçek gözlemlerle uyuşmuyordu.

fizikçiler bu duruma da bir çözüm bulmakta gecikmedi: calabi yau uzayları. bu matematiksel yapı, 6 boyut kıvrıldıktan ve geriye tam da evrenimizdeki gibi algılanabilir 4 boyut kaldıktan sonra, yukarıda bahsettiğim sağ ve sol elli parçacık ayrımını da yapabilen bir zayıf nükleer kuvvete izin veriyor.

7. her şeyin teorisi olayın neresinde? bu iki teori aynı şey mi?

aslında sicim kuramı her şeyin teorisi olmaya aday bir kuram olarak ortaya çıktı. 3 temel kuvvet ile kuantumu uzlaştıran kuram, büyük birleşik kuram olarak adlandırılırken, kütle çekiminin de buna dahil olması durumunda kuram bu kez her şeyin teorisi olarak isim değiştiriyor ve bize evrenin tüm sırlarının açılacağı inancını aşılıyordu.

8. sicim teorisi doğruysa parçacık temelli standart model yanlıştır diyebilir miyiz?

elbette hayır. başta da söylediğim gibi parçacıklar, sicimlerin titreşimiyle oluşur. aralarındaki fark yalnızca planck ölçeği boyutlarında fark edilebilir.

9. gözlemsel kanıta neden ulaşamıyoruz?

günümüzde parçacık hızlandırıcı tesislerde çok sayıda yeni parçacık keşfettik. fakat sicim teorisinin öngördüğü parçacıkların kütlesi, keşfettiklerimizle kıyaslandığında devasa boyutlarda. dolayısıyla sahip olduğumuz hiçbir hızlandırıcı, bu kadar büyük kütleli parçacık oluşturabilecek enerji üretme yeteneğine sahip değil. evrenin kendisi, özellikle büyük patlama döneminde bu derece büyük bir enerji üretebilir ama dünya üzerindeki bir laboratuvarda bunu yapmak pek de mümkün değil. en azından şu an için...

bir başka sorun daha var. az önce bahsettiğim calabi yau uzayları adı verilen sıkıştırılmış uzaylardan yalnızca bir tanesinin, gözlemlerimizle uyuşan evrene karşılık geleceği umuluyordu. ancak görüldü ki evrenimizi açıklayabilecek calabi yau modellerinin sayısı devasa bir büyüklükte. bu modellerden hangisinin doğru model olduğunu seçmek pek mümkün görünmüyor. eğer ilerleyen yıllarda herhangi bir eleme nedeni bulunamaz ve bunlardan çok büyük bir kısmı elenemezse, bu bilinmezlik durumu varlığını sürdürecek demektir.

üçüncü bir sorunumuz daha var: çok daha hafif kütleli parçacıkların var olması gerekliliği. sicim kuramı modellerinin çoğunda, bugün gözlemlediğimiz ve üretilmesi için düşük enerjiler kullandığımız parçacıkların çok daha fazlası yer alıyor. fakat gözlemsel olarak bunların varlığına rastlamadık. dolayısıyla öngörülen ama gözlenemeyen bu parçacık setlerinden hangisinin doğru olması gerektiğini bilme şansımız da şu an için yok.

illaki değinmeyi unuttuğum yerler olmuştur ama bu kadar kapsamlı bir teoriyi 1 yazı ile baştan aşağı açıklamak da zaten olacak iş değil.

Evrenimizin Zamanda Geriye Giden Bir İkizi Olduğunu Savunan Ayna Evren Teorisi