Zaman Simetrisini Kıran Parçacık - Evrim Ağacı
Evrenimizdeki süreçlerin çoğu zamanda tersinirdir, başka bir deyişle fizik kuralları o olay üzerinde ileri ve geri yönde aynı şekilde çalışır.
İşte bu yüzden, bu videoyu normal bir şekilde mi yoksa geri doğru mu oynattığımı ayırt edemezsiniz.
İnsanlar bu kuralın tek istisnası olarak genelde entropiyi işaret eder.
Termodinamiğin ikinci yasası, bir sistemin entropisinin ya da düzensizlik miktarının zaman geçtikçe daima arttığını ifade eder.
Ama entropinin artması, birçok parçacığın hareketi sonucu ortaya çıkan bir özelliktir.
Bu da şu soruyu akıllara getirir:
Temel parçacıklar bize zamanın yönünü söyleyebilir mi?
Ya da başka bir deyişle, temel parçacıklar düzeyinde ileri ve geri yönde hareket ederken farklı şekilde gözüken fiziksel bir süreç var mıdır?
Cevap şaşırtıcı olarak evet.
Parçacık fiziğinde her zaman korunması beklenen üç temel simetri vardır: yük, parite ve zaman simetrileri.
Zaman simetrisini zaten tartıştık, etkileşimler zaman içinde ileriye ve geriye doğru aynı şekilde çalışır.
Yük simetrisiyse tüm yükler yer değiştirse de etkileşimlerin aynı kalacağı anlamına gelir. Yani bizim artı yük diye adlandırdığımız şeye özgü özel bir durum yoktur.
Doğa artı yüke, yönü zıt olmak kaydıyla eksi yüke davrandığı gibi davranır. Parite simetrisi de fizik kanunlarının sağ el ya da sol el için fark etmediği anlamına gelir.
Şimdi bunu anlamak için evrenimize tutulmuş dev bir ayna hayal edin. Aynada z ekseni tersine dönmüştür, sağ elim sol elim olmuştur. Ama fizik kuralları bunu umursamaz.
Yani fizik kuralları bilinen dünyada ve ayna dünyasında aynı şekilde çalışırlar, sağ el ya da sol el olup olmadığı önemli değildir. Başka bir deyişle söylersek, ayna dünyasında olup olmadığınızı size gösterebilecek herhangi bir deney yoktur.
Bu simetrilerin her biri baş harfleriyle bilinir: C (charge, yük), P (parity, parite) ve T (time, zaman). 1950'lerde tüm temel parçacıkların bu simetrilere uyduğu düşünülüyordu.
Ama 1956'da Li ve Yang tarafından yazılan bir makale, parite simetrisinin zayıf kuvvetleri içeren herhangi bir deneye tabi tutulmadığına işaret etti.
O yıl Noel tatilinde Columbia Üniversitesi'nden fizik profesörü Chien Shang Wu'nun kendisi gibi fizikçi olan kocasıyla tatile gitme planı vardı.
Fakat zayıf kuvvetin parite simetrisini ihlal edebileceğine dair içinde bir merak uyanmıştı. Bu yüzden tatilini iptal edip bu deneyi yapan ilk insan olmaya karar verdi.
Bunu yapmak için o ve düşük sıcaklıklar konusunda uzman bilim insanlarından oluşan bir ekip, bir dizi kobalt-60 atomunu mutlak sıfırın bir derece üstünün 3000’de biri bir dereceye kadar soğuttu.
Sonrasında, spinlerini aynı yönü işaret edecek şekilde hizalamak için tüm çekirdeklere güçlü bir manyetik alan uyguladılar.
Kobalt-60 radyoaktiftir. Beta parçacığı -yani bir elektron- yayarak zayıf kuvvet aracılığıyla bozunur.
Deneyin ölçtüğüyse bu elektronların kobalt 60 çekirdeğinin spinine kıyasla hangi yöne yayıldığıydı.
Bunun parite simetrisi altında nasıl işlediğini görmek için bu deneyin ayna versiyonunu düşünelim. Aynada z ekseni 180° dönmüştür ama nükleer spinin yönü aynı kalmıştır.
Çünkü saat yönünde dönen bir cisim aynada da saat yönünde dönmeye devam eder.
Yani bu olağan ve ayna çekirdeklerinin spinlerinin hizalandığı anlamına gelir. Ayna deneyi aslında orijinal deneyle aynı deneydir.
Bir kobalt-60 çekirdeği bozunup bir elektron yaydığında elektron sola ya da sağa gidebilir.
Parite simetrisine uyulduğu takdirde elektronların herhangi bir yöne gitme ihtimalleri aynıdır.
Bu şekilde olağan ve ayna deneyleri aynı sonucu verir. Bununla birlikte, elektronlar tek bir yöne doğru yayılırsa, mesela +z yönüne diyelim…
İşte o zaman ayna deneyinde elektronlar tercihen aynadaki +z yönüne gitmeliler, yani orijinal +z yönünün zıddına.
Peki normal deneyde elektronlar nükleer spine zıt yönde yayılırlarsa, bu durumda ayna versiyonunda nükleer spinle aynı yöne yayılmalıdırlar.
Peki bu ne anlama gelir, sizin ayna dünyasında olup olmadığınızı bilmenizi nasıl sağlar?
Bu, Inception filmindeki dönen fırıldak gibi… Eğer kobalt-60'tan yayılan elektronlar bir yöne giderse ayna dünyasındasınız ama diğer yöne giderse de normal dünyadasınız demektir.
Kulağa çılgınca gelse de Profesör Wu’nun gördüğü tam da buydu.
Elektronlar aynı yönde yayıldılar, birazcık bile açı farkı yoktu.
Baskın olarak nükleer spine zıt yönde yayıldılar. Zayıf kuvvet, sadece pariteyi ihlal etmekle kalmıyordu; pariteyi fiziksel olarak mümkün olabildiğince ihlal etmeye meylediyordu.
Bu durum, teorik fiziğin on yıllardır kabul ettiği temel varsayımlarından birini mahvetti.
Evren sol ya da sağ elli olmaya bir şekilde önem verirdi.
Wu bulgularını açıkladığında fizik dünyası şok oldu. Deneyden bahsedildiğinde Nobel ödüllü meşhur fizikçi Wolfgang Pauli "Bu tam anlamıyla saçmalık!" deyip sonuçların hatalı olduğunda ısrar etti.
Deney bağımsız olarak tekrarlandığında teorik fizikçiler, yaşadığımız evrenin onların hayal ettikleri gibi olmadığını kabul etmek zorunda kaldılar. 1957'deki Nobel Ödülü, parite ihlalinin keşfiyle ilgili çalışmaya gitmişti. Tam da bu sonuçların açıklandığı aynı yılda.
Bu durum, fizikçilerin düşünme biçiminde derin bir değişikliği gerektirdi. Ama her şeyi çöpe atıp en baştan başlamaktansa geçici bir çözüm formüle ettiler.
Belki zayıf kuvvet pariteyi kırmış olabilirdi, çünkü bu evrenin gerçek bir simetrisi değildi, çünkü daha büyük bir simetrinin -yük-parite (CP) simetrisinin- sadece bir parçasıydı.
Fikir şuydu: Eğer ayna sadece bu eksenleri tersine çevirmekle kalmayıp bir de parçacıklar karşı parçacığa dönüşerek zıt yükler alsalardı, bu durumda simetri korunurdu. Ve fizik kurallarının arkasındaki matematiğimiz hala işliyor olurdu.
Bu durum fizikçilere, bazı parçacıkların da yük-parite kombine simetrisini ihlal edebildiğinin bulunduğu 1964'e kadar belli bir rahatlık sağladı.
Al bakalım, bir Nobel ödülü daha. Fizikçilerin bir zamanlar doğa kanunu olarak düşündükleri iki kural şimdi geçersizdi.
Bu yüzden son teorik savunmalarından olan kombine CPT simetrisinin arkasına saklandılar ki buradaki T zaman simetrisi oluyor.
Zayıf kuvvetin parite ve yük-parite simetrilerini ihlal edebileceğini kabul ettiler. Ama zayıf kuvvet, yük-parite-zaman (CPT) simetrisini aynı anda ihlal edemezdi.
Ve bugün fizikçiler, CPT'nin evrende geçerli gerçek bir simetri olduğundan hala gayet eminler.
Bugüne kadar hiçbir deneyde CPT'nin ihlal edildiği görülmedi.
Aslında CPT ihlal olunsaydı son yüzyıldaki birçok çalışmayı baştan yazmak zorunda kalırdık, çünkü bu durum Özel Görelilik ve Kuantum Alan Teorisinin ikisini de yanlışlardı.
Tamam, diyelim ki CPT gerçek bir simetri.
Bunun doğurgularını (sonuçlarını) bir düşünün.
CP ihlal edilebilirken CPT'nin korunduğunu kabul edersek bu durumda zaman simetrisi de ihlal edilebilmelidir. Aksi halde ikili alt simetriler ihlal edilirken üçlü simetri korunamazdı.
Fizikçiler belli parçacıkların zaman simetrisini doğrudan kırdığını gösteren deneyler gerçekleştirdiler.
Örneğin, ne zaman bir çift kuark güçlü kuvvetlerce bir araya gelse, bazen iki farklı dizilim gerçekleşir ve zayıf kuvvet sayesinde bu iki dizilim arasında gidip gelirler.
Ama belli bir yöne hareket, geri dönmekten daha uzun zaman alır.
Yani bu olayı kaydedebilseydiniz, ileri akış geri oynatmadan farklı görünürdü.
İşte zaman simetrisini kırmak tam da bu anlama geliyor.
Yani belli durumlarda temel parçacıklar, zamanda ileri ya da geri gitmenin ayrımını gösterebilir.
Termodinamiğin ikinci yasası, zamanda tek yönü tercih eden yegane fiziksel süreç değil.
Zamanın tek yönde ilerliyor olduğu hakkındaki algımız bundan mı kaynaklanıyor? Yoksa bu, evrende zamanın geçmişten geleceğe akıyor oluşunun sebebi mi?
Gerçek şu ki, zamanın neden tek yöne gittiğine dair hala hiçbir fikrimiz yok.
İlginç olan şu ki fizikçiler bir zamanlar parite, yük ve zaman simetrilerinin ihlal edilemez olduğunu düşünüyordu.
Ama zaman içinde bu simetrilerin her birinin ihlal edilebildiği gösterildi.
Peki nihai CPT simetrisi kırılamaz mı, yoksa kırıldığı takdirde Kuantum Alan Teorisini ve Özel Göreliliği de beraberinde alaşağı mı edecek?
Bunlar, evreni anlama arayışımızda önümüze düşen bazı büyük temel çözülmemiş gizemler.
Belki başka bir gün başka bir fizikçi cevabı bulmak için tatilinden feragat eder.
Veritasium'un bu bölümünü ortak yazdığımız arkadaşım Jorge Cham animasyon kısmını da halletti. Kendisi "PhD Comics"in yaratıcısı, şimdi de bir kitap yazdı.
Evet, kitabın adı "We Have No Idea" (Hiç Bir Fikrimiz Yok).
Bu kitabı fizikçi Daniel Weitz'le birlikte yazdım. Evren’de bilmediğimiz şeylerle alakalı. Hem karanlık madde, karanlık enerji gibi büyük konular var hem de temel parçacıkların ne olduğuyla ilgili o küçücük şeyler de var.
İçinde karikatürler de var değil mi?
Evet, ve bir çok kinaye, muzip söz de var.
Tam size göre gözüküyor dostlar. Açıklama kısmına bir link koyacağım kitaba ve diğer ürünlere oradan bir bakarsınız.
Ana Görsel Kaynağı: Veritasium
Chien Shang Wu
Yük Paritesi (Cp) İhlali
Cpt (Charge, Parity, Time)