Atom Altı Dünyadan Çok Boyutlu Evrene
Kuantum fiziği geliştikçe bilim insanları atomun da daha küçük yapı taşlarından oluştuğunu keşfettiler. Bir zamanlar atomun maddenin bölünemez en küçük birimi olduğu düşünülüyordu. Ancak 20. yüzyılda yapılan deneyler, atomun merkezinde proton ve nötronların bulunduğunu, bunların çevresinde ise elektronların hareket ettiğini ortaya koydu. Daha sonra proton ve nötronların da kuark adı verilen daha temel parçacıklardan oluştuğu anlaşıldı. Böylece bilim insanları, evrenin en küçük yapı taşlarını araştıran parçacık fiziği alanını geliştirdiler.
Parçacık fiziğinin temel amacı, evrendeki tüm maddeyi ve kuvvetleri oluşturan en temel bileşenleri anlamaktır. Günümüzde kullanılan Standart Model adı verilen teoriye göre evren; kuarklar, elektronlar, nötrinolar ve bunların arasındaki etkileşimleri taşıyan çeşitli parçacıklardan oluşur. Örneğin ışığı oluşturan fotonlar elektromanyetik kuvveti taşırken, gluon adı verilen parçacıklar atom çekirdeğini bir arada tutan güçlü nükleer kuvveti iletir. Bu model şimdiye kadar yapılan deneylerin büyük kısmını başarıyla açıklamıştır.
Ancak Standart Model her soruya cevap veremez. Örneğin kütleçekimin neden diğer kuvvetlerden çok daha zayıf olduğu, kara deliklerin merkezinde neler yaşandığı veya evrenin ilk anlarında fizik kurallarının nasıl işlediği gibi sorular hâlâ tam olarak açıklanamamıştır. İşte bu noktada bilim insanları daha kapsamlı teoriler geliştirmeye çalışmaktadır. Sicim teorisi bu arayışların en dikkat çekici örneklerinden biridir.
Kütleçekimin neden diğer temel kuvvetlerden çok daha zayıf göründüğü, modern fiziğin en büyük açık sorularından biridir. Öncelikle burada, "zayıf" kelimesinin ne anlama geldiğini açıklamak gerekir. Kütleçekimi aslında büyük kütleler söz konusu olduğunda son derece güçlü sonuçlar doğurabilir. Dünya bizi yüzeyinde tutar, Güneş gezegenleri yörüngelerinde döndürür, galaksiler milyarlarca yıldızı bir arada tutar. Ancak atom ve atom altı ölçekte bakıldığında kütleçekimi diğer kuvvetlere kıyasla inanılmaz derecede zayıftır.
Bunu basit bir örnekle düşünelim. Elinizde küçük bir mıknatıs olduğunu varsayın. Bu mıknatısı bir ataca yaklaştırdığınızda atacı yerden kaldırabilirsiniz. Burada ilginç olan şudur; o küçücük mıknatısın uyguladığı elektromanyetik kuvvet, bütün Dünya'nın uyguladığı kütleçekim kuvvetini yenmiştir. Yani küçücük bir mıknatıs, 6 septilyon kilogramlık Dünya'nın çekiminden daha etkili olabilmiştir. Bu durum, atom altı ölçekte elektromanyetik kuvvetin kütleçekimden ne kadar güçlü olduğunu gösterir.
Bilim insanları bunun nedenini henüz kesin olarak bilmiyor. Ancak çeşitli teoriler bulunmaktadır. Sicim teorisi ve ona yakın bazı modellerden birine göre kütleçekimi aslında zayıf değildir. Sorun, onun gücünün bir kısmının bizim göremediğimiz ek boyutlara "sızıyor" olmasıdır.
Bunu bir bahçe hortumu örneğiyle açıklayabiliriz. Uzakta duran bir insan hortumu ince bir çizgi gibi görür. Ona göre hortumun yalnızca ileri-geri uzanan tek boyutu vardır. Fakat yakından bakan bir karınca için durum farklıdır. Karınca hortumun üzerinde ileri-geri yürüyebildiği gibi çevresinde de dolaşabilir. Yani karınca iki boyut görürken insan yalnızca bir boyut görmektedir.
Sicim teorisindeki fikir şudur; biz evreni üç uzay boyutuyla algılıyoruz. Ancak kütleçekimi, bizim göremediğimiz ek boyutlara da yayılıyor olabilir. Eğer kuvvetin bir kısmı bu görünmeyen boyutlara dağılıyorsa, bizim yaşadığımız üç boyutlu dünyada daha zayıf görünmesi mümkündür. Bu fikir henüz doğrulanmamıştır ama teorik fizikçiler tarafından ciddi şekilde incelenmektedir.
Sicim teorisinin temel fikri oldukça sıra dışıdır. Bu teoriye göre evrenin en küçük yapı taşları nokta şeklindeki parçacıklar değildir. Bunun yerine, son derece küçük ve titreşen enerji iplikçikleri, yani "sicimler" vardır. Bir gitar telini düşünelim. Aynı tel farklı şekillerde titreştiğinde farklı notalar üretir. Sicim teorisine göre de evrenin temel sicimleri farklı şekillerde titreştiğinde elektron, kuark, foton veya başka parçacıklar ortaya çıkar. Yani gördüğümüz tüm parçacıklar aslında aynı temel sicimin farklı titreşim biçimleri olabilir.
Bu fikrin en ilginç sonuçlarından biri, doğadaki bütün kuvvetleri tek bir çatı altında birleştirme potansiyeline sahip olmasıdır. Einstein hayatının son yıllarında elektromanyetizma ile kütleçekimini birleştirecek "her şeyin teorisini" bulmaya çalışmıştı. Sicim teorisi, teorik olarak güçlü nükleer kuvveti, zayıf nükleer kuvveti, elektromanyetik kuvveti ve kütleçekimini aynı matematiksel çerçeve içinde açıklayabilmektedir. Bu nedenle birçok fizikçi onu evrenin derin yapısını anlamaya yönelik önemli bir aday olarak görmektedir.
Fakat sicim teorisinin ortaya çıkardığı başka bir şaşırtıcı sonuç daha vardır; gizli boyutlar. Günlük yaşamımızda üç uzay boyutu ve bir zaman boyutu olmak üzere dört boyut algılarız. İleri gidebilir, sağa-sola dönebilir ve zaman içinde ilerleyebiliriz. Ancak sicim teorisinin matematiği yalnızca dört boyutla çalışmaz. Teorinin tutarlı olabilmesi için evrende toplam on veya on bir boyut bulunması gerektiği hesaplanmaktadır.
Sicim teorisinde neden 10 veya 11 boyut vardır?
Burada "boyut" kelimesi çoğu zaman yanlış anlaşılır. Boyut, bir şeyin hareket edebileceği bağımsız yön anlamına gelir. Bir nokta üzerinde yaşayan bir canlı yalnızca ileri ve geri hareket edebilir. Onun evreni tek boyutludur. Bir kâğıdın üzerinde yaşayan hayali bir karınca ileri-geri ve sağa-sola hareket edebilir. Bu iki boyutlu bir evrendir. Biz ise ileri-geri, sağa-sola ve yukarı-aşağı hareket edebildiğimiz için üç uzay boyutunda yaşıyoruz. Buna bir de zaman eklendiğinde dört boyutlu uzay-zaman ortaya çıkar.
Sicim teorisinin matematiği üzerinde çalışan fizikçiler ilginç bir sonuçla karşılaştılar. Denklemler yalnızca dört boyutta çalıştırıldığında çeşitli matematiksel tutarsızlıklar ortaya çıkıyordu. Ancak boyut sayısı artırıldığında bu problemler ortadan kalkıyordu. İlk başarılı sicim teorileri 10 boyut gerektiriyordu. Daha sonra geliştirilen ve sicim teorilerinin birleşmiş hâli sayılan M-Teorisi ise 11 boyutlu bir yapı ortaya koydu.
Buradaki önemli nokta şudur: Fizikçiler "11 boyut olmalı çünkü öyle hissediyoruz" demiyorlar. Matematiksel denklemler belirli sayıda boyut olduğunda tutarlı çalışıyor, daha az olduğunda ise çökmeye başlıyor. Tıpkı bir köprünün ayakta durabilmesi için belirli sayıda taşıyıcı kolona ihtiyaç duyması gibi.
Peki bu ekstra boyutlar neye benziyor olabilir?
Burada yine hortum örneği yardımcı olur. Uzaktan bakıldığında yalnızca uzunluğu görülen bir hortumun aslında çevresel bir boyutu da vardır. Benzer şekilde, sicim teorisine göre uzayın her noktasında son derece küçük ölçeklerde kıvrılmış ek boyutlar bulunabilir. Bunlar o kadar küçüktür ki günümüzdeki en güçlü parçacık hızlandırıcıları bile onları doğrudan görememektedir.
Bazı teorik fizikçiler bu gizli boyutların atomdan milyarlarca ve milyarlarca kez daha küçük ölçeklerde kıvrılmış olduğunu düşünmektedir. Eğer bir atomu Dünya büyüklüğüne kadar büyütebilseydik bile, bu gizli boyutları görmek için belki yine yeterince büyütmüş olmayabilirdik.
İşin ilginç tarafı şudur; eğer bu ekstra boyutlar gerçekten varsa, parçacıkların özellikleri, kuvvetlerin şiddeti ve hatta evrenin yapısı bu boyutların şekline bağlı olabilir. Başka bir ifadeyle, evrenin neden tam da bugün gördüğümüz gibi olduğunu açıklayan cevaplardan biri, bu görünmeyen boyutların geometrisinde saklı olabilir.
Top of Form
Bottom of Form
Bugüne kadar sicim teorisini doğrudan doğrulayan deneysel bir kanıt elde edilmiş değildir. Bunun temel nedeni, teorinin öngördüğü ölçeklerin günümüz teknolojisinin ulaşabileceğinden çok daha küçük olmasıdır. Buna rağmen sicim teorisi, kara delikler, kuantum kütleçekimi ve evrenin başlangıcı gibi fizik biliminin en zor problemlerine yeni bakış açıları kazandırmıştır. Bu nedenle kesin olarak kanıtlanmamış olsa da modern teorik fiziğin en önemli araştırma alanlarından biri olmaya devam etmektedir.
Atom altı dünyanın sınırlarını araştırdıkça, maddenin sandığımızdan çok daha karmaşık bir yapıya sahip olduğunu görüyoruz. Belki de elektronlar ve kuarklar bile nihai yapı taşları değildir. Eğer sicim teorisinin öngördüğü gizli boyutlar gerçekten varsa, evren yalnızca gördüğümüz dünyadan ibaret olmayabilir. Peki görünmeyen bu boyutlar, karanlık madde ve karanlık enerji gibi evrenin en büyük gizemleriyle bağlantılı olabilir mi?
…devam edecek