Fizik Kuralları Yok, Sadece 'Arazi' Var! - Evrim Ağacı
Bu yazıyı 8 dakika 6 saniyede okuyabilirsiniz.
14/06/2018 20:43 tarihinde yayınlandı.
En son 19/06/2018 22:36 tarihinde düzenlendi.
Bilim insanları gerçekliği betimleyecek tek bir tanım arayışındalar. Fakat modern fizik farklı türden birçok tanıma (betimlemeye) kapı aralıyor. Üstelik çoğu fiziksel tanım, matematiğin uçsuz bucaksız olasılıklar "arazi"sinde (landscape) birbiriyle bağlantılı ve özdeş.
Farz-ı misal, Alice ve Bob adlı iki karakter yemek yapacaklar… Alice Çin yemeği, Bob ise İtalyan yemeği seviyor. Her ikisi de en beğendikleri tarifi seçiyorlar, marketten alacaklarını alıyorlar ve tarifteki talimatları titizlikle uyguluyorlar. Sıra, pişirdikleri yemekleri fırından çıkarmaya geldiğinde bir de ne görsünler! İki yemek de birbirinin aynı! Bu noktada, Alice ve Bob’un kendilerine soracakları varoluşla/var olmayla ilgili soruları tahmin edebilirsiniz. Farklı malzemelerle yapılan iki ayrı yemek nasıl oluyor da fırından birbirinin aynı iki yemek olarak çıkabiliyor? Hatta “Çin yemeği veyahut İtalyan yemeği pişirmek” de ne anlama geliyor? Yoksa Alice ve Bob'un yemek pişirme yaklaşımları hepten mi yanlış?
İşte bu, tam da kuantum fizikçilerini afallatan bir durum... Fizikçiler, aynı fiziki sistemi tamamıyla iki farklı şekilde açıklayan tanımlarla defalarca karşılaşmışlardır. Söz konusu fizik olduğunda malzemelerimiz -soğan, sarımsak değil de- parçacıklar ve kuvvetlerdir. Etkileşimleri dikte eden matematiksel formülleri "yemek tarifleri"ne; eşitlikleri fiziksel olguların gerçekleşme ihtimallerine dönüştüren kuantumlama işlemini (nicemleme; quantization) ise "pişirme süreci"ne benzetebiliriz. Alice ve Bob nasıl hayretler içerisindeyse, kuantum fizikçileri de farklı tariflerin nasıl aynı sonucu verebildiğini merak ediyorlar.
Acaba doğanın, temel yasalarını seçme konusunda söz hakkı var mıydı? Albert Einstein, bilindiği üzere, birtakım genel esaslardan hareketle, uyumlu bir şekilde işleyen bir evrenin inşa edilebilmesinin sadece ve sadece tek bir yolunun olabileceğine inanıyordu. Einstein’a göre fiziğin derinliklerine yeterince inebilseydik -tıpkı mekanik bir saatin içindeki zembereğin, volanın ve yayların zamanı ölçmek için özel bir şekilde birlikte hareket ediyor oluşu gibi- tüm parçaların (madde, radyasyon, kuvvetler, uzay ve zaman) da gerçekliği meydana getirmek için uyum içerisinde bir araya geldiği tek bir yolun olduğunu görürdük.
Parçacık fiziğinin Standart Modeli gerçekten de bir avuç malzemeye sahip sağlam yapılı bir mekanizmadır. Fakat Evren'imiz, eşi benzeri olmayan bir yapı olmaktan ziyade, sonsuz sayıda muhtemel evrenler içerisinden ancak bir tanesi gibi durmaktadır. Parçacıkların ve kuvvetlerin oluşturduğu bu bilinen kombinasyonun niçin doğanın alt yapısını oluşturduğuna dair ise hiçbir fikrimiz yok. Neden kuarkların altı "çeşidi", nötrinoların üç "nesili" ve bir tane Higgs parçacığı vardır? Dahası Standart Model, deneylerde ölçülmesi zorunlu olan 19 tane sabit değer (elektronun kütlesi ve yükü gibi sayılar) içermektedir. Fakat, bu "serbest değişken" değerlerinin derin bir anlamı yokmuş gibidir. Hal böyle olunca parçacık fiziği bir yanıyla bir zerafet abidesi; diğer yanıyla ise öylesine bir hikayedir.
Eğer Evren'imiz pek çok evrenden sadece bir tanesiyse, diğer evrenleri nasıl ele almalıyız? Bugünkü bakış açısı, Einstein'ın "tek kozmos" hayalinin tam zıddı gibi görülebilir. Modern fizikçiler "engin olasılıklar uzayı" görüşünü benimseyerek onun her şeyi kapsayıcı mantığını ve bağlantılılığını (her şeyi birbirine bağlayıcılığını; interconnectedness) anlamaya çalışmaktadırlar. Eskiden altın madencileri gibi çalışan fizikçiler, günümüzde, araziyi (landscape) detaylıca haritalandıran ve onu şekillendiren kuvvetleri inceleyen coğrafyacılar ve jeologlar gibidir.
Günümüzde fizikçiler, bir araziyi şekillendiren kuvvetleri inceleyen ve onu detaylı şekilde haritalayan jeologlar ve coğrafyacılar gibidir.
James O’Brien'ın Quanta Magazine için yapmış olduğu bir illüstrasyon
Bu bakış açısına yönelmeyi sağlayan şey ezber bozan "Sicim Teorisi" olmuştur. Sicim Teorisi, şu anda, parçacıkları ve kütleçekimi dahil tüm kuvvetleri açıklayabilen bir doğa kuramı olmaya uygun tek adaydır. Üstelik bunu, kuantum mekaniğinin ve göreliliğin katı makul kurallarına boyun eğerek yapar. Sicim teorisinin güzel tarafı serbest değişkenlere sahip olmayışıdır, yani ayarlanabilen saat kadranları yoktur. "Hangi sicim teorisi evrenimizi açıklamaktadır?" diye bir soru sormak anlamsızdır çünkü sadece tek bir tane sicim teorisi vardır. Sicim teorisinin ilave herhangi bir tarafının/özelliğinin olmayışı şu kesin vargıya (sonuca) yol açar: Fiziğin bizzat kendisi doğadaki bütün sayıları belirlemelidir. Bu sayılar "doğanın sabit değerleri" değildir; sadece eşitliklerin (belki de kolayca başa çıkılamayan karmaşık denklemlerin) belirlediği değişkenlerdir. Ki bu durum bizi kötü haberin tam da ortasına bırakıyor...
Kötü haber şu ki sicim teorisinin çözümlerle dolu uzayı muazzam ve karmaşık yapıdadır. Aslında bu, fizikte hiç de alışılmadık bir durum değil. Matematiksel eşitliklerin bize verdiği temel yasalar ile bu eşitliklerin sunduğu çözümler arasındaki farkı doğal olarak ayırt edebilmekteyiz. Genel olarak, birkaç tane yasaya karşın sonsuz sayıda çözüm bulunmaktadır. Örneğin Newton kanunlarını ele alalım: Hepsi de çok şık, çok zarif kanunlar olup ağaçtan düşen bir elmadan tutun da ayın yörüngesine kadar envaiçeşit olguyu açıklamaktadır. Diğer bir deyişle, belirli bir sistemin başlangıç koşullarını biliyorsanız, bu yasaların vermiş olduğu güçle eşitlikleri çözebilir ve bir sonraki adımı tahmin edebilirsiniz. Görüleceği üzere burada, her şeyi tek başına açıklayabilen önsel (a priori) bir çözüm beklemek veya talep etmek gibi bir durum söz konusu değil.
Sicim teorisinde ise "doğa yasaları" diye düşündüğümüz fiziğin birtakım unsurları (belli parçacıklar ve kuvvetler gibi) aslında birer çözümdür. Bu çözümler gizli, ilave boyutların şekli ve büyüklüğü ile belirlenmişlerdir. Tüm bu çözümlerin gerçekleştiği uzay "arazi (landscape)" olarak adlandırılsa da bu isim aslında oldukça yetersiz kalmaktadır. Öyle ki dudak uçuklatan en güzel dağ manzaraları bile bu uzayın görkemiyle karşılaştırıldığında sönük kalacaktır. Coğrafyası pek iyi anlaşılamamış olmasına rağmen bu uzayın/arazinin devasa boyutlara sahip kıtalarının olduğunu biliyoruz. Muhtemelen her şeyin birbiriyle bağlantılı oluşu bahsi geçen uzayın en kışkırtıcı özelliklerinden biridir. Diğer bir deyişle, her bir model çifti birbirine kopmaz bağlarla bağlıdır. Eğer Evren'i yeterince güçlü bir şekilde sarsabilseydik, yani doğanın değişmez olarak düşündüğümüz kanunlarını ve gerçekliği oluşturan temel parçacıkların bir araya geldiği özel kombinasyonları değiştirebilseydik, olası bir evrenden diğerine geçiş yapabilmek mümkün olabilirdi.
İyi de, sahip olduğu boyut sayısı rahatlıkla yüzleri bulabilen bir evrene ait fiziksel modelleri barındıran o devasa araziyi nasıl keşfe çıkabiliriz? Bu araziyi, büyük ölçüde gelişmemiş bakir bir alan olarak hayal etmek faydalı olacaktır: Çoğu kısım, kalın ve çözülemeyen karmaşık tabakaların altında kalmış. Yine de sadece kenar bölgelerinde yaşanabilir yerler mevcut. Bu ileri karakol bölgelerinde gördüğümüz temel modelleri tam anlamıyla kavrayabiliyoruz. Bu da buradaki yaşamı basit ve güzel kılıyor. Sınır bölgelerindeki temel modeller gerçek dünyayı doyurucu bir şekilde tasvir edemeseler bile, yine de civar yöreleri keşfetmek için güzel bir başlangıç noktası işlevi görüyorlar.
Sicim Teorisinde tüm olası çözümleri, modellerden oluşan devasa bir uzayda (arazide) bulabilmek mümkündür.
Zac Kenton (Wordpress)
Buna uygun en iyi örnek QED (quantum electrodynamics), yani madde ve ışık arasındaki etkileşimi açıklayan kuantum elektrodinamiği. Bu model sadece bir tek parametreye sahip: İnce Yapı Sabiti "α". α sabiti iki elektron arasındaki kuvvetin büyüklüğünü ölçmeye yarar ve sayısal olarak 1/137'ye yakındır. QED teorisinde tüm süreçler, parçacık etkileşimlerinden ileri gelmektedir. Örneğin iki elektron arasındaki itme kuvvetini, foton değiş tokuşu olarak gözünüzde canlandırabilirsiniz. QED bizden, iki elektronun bir fotonu değiş tokuş edebilmesinin mümkün olduğu tüm yolları düşünmemizi isteyecektir ki bu durum pratikte fizikçilerin sonsuz sayıda ve büyük karmaşıklıklar içinden çıkmalarını gerektirir. Fakat bu teori aynı zamanda bize bir çıkış yolu da göstermektedir: İlave her bir foton değişimi, α değerinin ek bir kuvvete kavuşmasını sağlayan bir terim kazandırır. Nispeten küçük bir sayı olması sebebiyle, çoklu değiş tokuşlara sahip terimler ancak küçük ilaveler yaparlar. Hal böyle olunca, "gerçek" değere yaklaşılırken göz ardı edilebilirler.
Bunun gibi zayıf eşleşmeleri [kavrama/eşleşme katsayısı küçük] olan teorileri arazinin sınırlarında bulabiliriz. Burada, temel parçacıklardan oluşan alışveriş listesinden ya da onların etkileşimlerini hesaplayan tariften bahsetmek mümkündür çünkü kuvvetlerin şiddeti küçüktür. Ancak bulunduğumuz bölgeyi terk edip arazinin bilinmezliklerine yol aldığımızda eşleşmeler büyümekte ve büyüdükçe de eklenen her terim giderek daha önemli hale gelmektedir. Artık parçacıkları ayırt edebilmek mümkün değildir çünkü tıpkı keki oluşturan malzemelerin sıcak bir fırın içerisinde eriyip kaybolması gibi, parçacıklar da dolaşık enerji ağı içinde dağılıp gitmiştir.
Ne var ki her şey kaybolmuş değildir. Bazen, bilinmez bölgeler içinden geçen bir yol başka bir sınır bölgesine çıkar; ama bu sefer epey farklı parçacıklar ve kuvvetlerden oluşan, bambaşka fakat iyi kontrol edilen bir modele... Bu tür durumlarda, aynı temel fizik konsepti için iki farklı tarif vardır (tıpkı Alice ve Bob'un fırından çıkan yemeklerinin aynı oluşu gibi). Birbirini tamamlayan bu tanımlar "dual (eşlenik) modeller"; aralarındaki ilişki de "dualite (eşleniklik)" olarak adlandırılır. Bu dualiteleri, Heisenberg'in keşfettiği meşhur dalga-parçacık dualitesinin büyük bir genellemesi olarak düşünebiliriz. Dualite, Alice ve Bob açısından bakarsak eğer, Çin ve İtalyan yemeği tariflerinin birbirine olan dönüşümü anlamına gelir.
Peki tüm bunlar fizik dünyasında neden bu kadar heyecan yaratıyor? Birincisi, hepsi değilse de çoğu modelin, bağlantılılık özelliğine sahip kocaman bir uzayın parçası olduğu çıkarımı modern kuantum fiziğinin en şaşırtıcı sonuçları arasındadır ve "paradigma değişimi" terimini hak eden bir bakış açısı değişikliğidir. Tek tek adacıklardan oluşan bir takımada keşfetmek yerine, devasa bir kıta bulduğumuz anlamına gelir. Bir anlamıyla, bir modeli derinlemesine incelediğimizde diğer modelleri de inceleyebiliriz demektir. Bu modellerin nasıl birbiriyle ilintili olduğunu keşfedebilir, sahip oldukları ortak yapıyı açığa çıkarabiliriz. Fakat burada şunu söylemekte fayda var: Bu olgu, sicim teorisinin gerçek dünyayı açıklayıp açıklamadığı sorusundan büyük ölçüde bağımsızdır. Gelecekteki "Her Şeyin Teorisi" her ne olursa olsun, önemli olan, kuantum fiziğinin kendi içkin özelliğinden kaynaklı oluşudur.
İlkinden daha önemli başka bir çıkarım ise temel fiziğe dair tüm geleneksel tanımların terk edilmesi gerektiğidir. Parçacıklar, alanlar, kuvvetler ve simetriler... Bunların hepsi, anlaşılamayan o karmaşık yapının geniş arazisinin eteklerinde kalan basit bir varoluşun parçalarıdır. Fiziğe, temel yapı taşları bakış açısıyla yaklaşmak yanlış gibi duruyor (yanlış değilse de sınırlı erişim sağlıyor). Belki de, temel doğa kanunlarını birleştirerek o aşina olduğumuz kavramları önemsemeyen yepyeni bir çerçeve vardır. Sicim teorisinin matematiksel karmaşıklığı ve tutarlılıkları bu radikal bakış açısına yol açıyor. Fakat dürüst olmalıyız: Parçacıkların ve alanların yerine neyin geçebileceğine dair çok az sayıda fikir mevcuttur fakat bunlar da, Niels Bohr'dan alıntılamak gerekirse, "doğru olacak kadar çılgın değil"dir. ["Teoriniz çılgınca... Yine de doğru olacak kadar çılgın değil." Niels Bohr]. Alice ve Bob gibi, fizik bilimi de eski tarifleri yırtıp atarak mutfakta modern "birleşim" yaklaşımını benimsemeye hazırdır.
Robbert Dijkgraaf. There Are No Laws of Physics. There’s Only the Landscape.. (2018, Haziran 13). Alındığı Tarih: 13 Haziran 2018. Alındığı Yer: Quanta Magazine
Formal Bilimler > Matematik > Uygulamalı Matematik > Matematiksel Fizik