CERN Mini Kara Delik Yaparsa Ne Olur?
Kozan Demircan | 01/05/2020 | Bilim-Teknoloji | Yorum yapılmamış
Dünyanın en büyük parçacık hızlandırıcısı olan Büyük Hadron Çarpıştırıcısı LHC mini kara delik yaparsa ne olur? Bu kara delik Dünya’yı yutar mı? Cenevre’deki Avrupa Nükleer Araştırma Merkezi CERN, yer altında inşa edilen ve çevresi 27 km olan halka şekilli LHC tünelinin içinde protonları ışık hızının yüzde 99,999999’u ile kafa kafaya çarpıştırıyor ve bu sırada büyük enerji açığa çıkarıyor. E=mc2 uyarınca kütle enerjiden türeyen bir özellik olduğuna göre, LHC’nin yüksek enerjisi yanlışlıkla kara delik üretebilir mi?
Bilim insanları mini kara delik istiyor
Bu size çılgınca bir fikir gibi gelebilir ama teorik fizikçiler gerçekten laboratuarda atom boyunda mikroskobik kara delik üretmek istiyor. Bu sayede evrende üç uzay boyutuna ek olarak 7 ekstra boyut olup olmadığını anlayacaklar. Evrenin içi boş bir hologram olup olmadığını ve bunu söyleyen sicim teorisinin doğruluğunu test edecekler.
Sicim teorisi test edilemez, o yüzden de bilimsel bir teori değildir diyenlere tersini gösterecek ve Einstein’ın yerçekimini açıklayan genel görelilik teorisini kuantum fiziğiyle birleştirerek nihayet kuantum kütleçekim kuramı geliştirecekler.
Böylece tüm evreni tek denklemle açıklayan, solucandelikleri ile zaman makinesini çözen, kara deliklerin başka evrenlere açılıp açılmadığını söyleyen, warp sürüşüyle ışıktan hızlı yolculuk edip edemeyeceğimizi gösteren bir teorimiz olacak.
İşte bu yüzden bilim insanları İsviçre-Fransa sınırındaki Avrupa Nükleer Araştırma Merkezi (CERN) bünyesindeki Büyük Hadron Çarpıştırıcısı (LHC)’nin tünelleri içinde protonları kafa kafaya ışık hızının 99,999999’u ile çarpıştırarak mini kara delik üretmek istiyor. Peki bu kara delik Dünya’yı yutar mı? Kara deliklerin gerçek fiziğini görelim:
Yeraltındaki LHC halka tünelinin çevresi 27 km.
LHC mini kara delik yapar mı?
2008 yılında Büyük Hadron Çarpıştırıcısı (LHC) İsviçre’de kullanılmaya başladığında bilim insanları çok heyecanlıydı. LHC dünyanın en büyük parçacık hızlandırıcısı olarak binlerce insanın 20 yıllık çalışmasının ürünüydü ve evrenle ilgili en derin gizemleri açığa çıkarmayı vaat ediyordu.
Ancak, bazıları heyecan yerine kaygı duyuyordu; çünkü LHC’nin Dünya’yı yok edecek bir mini kara delik üretmesinden korkuyorlardı ama baştan söyleyelim. Böyle bir şey yok. LHC ne bugün ne de yarın yanlışlıkla Dünya’yı yutacak bir kara delik üretebilir. Bu yanlış anlama kamuoyunda bilim okuryazarlığını geliştirmek gerektiğini gösteriyor ve rating uğruna yanıltıcı haber yapan medyadan kaynaklanıyor. Bu yüzden Dünya’yı yutan kara delik söylentisini geçerek LHC’yle ilgili asıl konuya geçelim.
Sonuçta LHC’nin en azından mikroskobik kara delik üretmesi teorik olarak mümkün. Bugüne dek üretmedi ama yapabilir. Peki yaparsa ne olur? Öncelikle kara delikler buharlaşarak yok olurlar. Yıldız kütleli bir kara deliğin buharlaşması 1066 yıl gibi müthiş bir süre alıyor; ama kara delikler ne kadar küçükse o kadar hızlı buharlaşıyor.
LHC de anında buharlaşan mini kara delikler oluşturabilir. Atomların yüzde 99’u boşluk olduğu için bunların civardan madde çekip Dünya’yı yutması ise kesinlikle mümkün değildir ki birazdan göreceğimiz gibi ömrü de yetmez. Nitekim yeni teorileri test etmek isteyen araştırmacılar 30 yıl içinde inşa edilecek yeni ve daha güçlü hızlandırıcıların kara delik üretebileceğini düşünüyor. Peki nasıl?
Mini kara delik ve ekstra boyutlar
Laboratuarda üretilen mini kara delikler teorik fizikte müthiş fikirlerin test edilmesini sağlayacaktır. Ekstra uzay boyutları gibi sıra dışı fikirler… Bu fikrin temeli, kara deliklerin uzayda basit birer gökcismi olmak yerine Einstein’ın yerçekimini tanımlayan genel görelilik teorisinin doğal sonucu olmasından kaynaklanıyor. Sonuçta kara delikler sönmüş yıldız değil, çarpık uzay-zaman bölgeleridir. Açıkçası sıradan bir gökcismi gibi cismani değildir:
Genel görelilik diyor ki kütle uzayı büker ve uzayda belirli bir yerde ne kadar madde varsa çevreyi o denli şiddetli bükerek yakındaki cisimleri kendine o kadar güçlü çeker. Siz de çok küçük bir hacme çok fazla madde koyarsanız uzay o kadar bükülür ki çok yaklaşırsanız artık o maddeden uzaklaşmanız imkansız olur. İşte bu bir kara deliktir. Kara deliklerden kaçış hızı ışık hızını aşar ve hiçbir şey ışıktan hızlı gidemeyeceği için kara deliğe düşen cisimler dışarı çıkamaz.
Kara delikler genellikle iri cüsseli yıldızların direkt çökmesi veya patlayarak çökmesiyle oluşur; ama teorik olarak ne zaman küçücük bir alanda çok fazla madde varsa yeni bir kara delik meydana gelebilir. Bu nedenle mikroskobik kara delikler de yapabiliriz. İşin ilginci, bildiğimiz yıldız kütleli kara delikler Dünya’dan milyarlarca kat ağır olsa da mikro kara delik yapmak için büyük kütleye gerek yoktur.
Siz de E=mc2’yi m=E/c2 olarak yazarsanız kütlenin enerjiden türeyen bir özellik olduğunu görürsünüz. Dolayısıyla çok yüksek enerjilere ulaştığınız zaman da kara delik üretebilirsiniz. CERN’deki LHC parçacık hızlandırıcısı da burada devreye giriyor:
Mini kara delik Dünya’yı yok etmez.
Nasıl mini kara delik yaparız?
Bu deneylerin birçoğunda LHC en küçük kum tanesinden bile daha hafif, aşırı hafif olan mikroskobik parçacıkları kafa kafaya çarpıştırarak parçalıyor. Bunlar atom çekirdeklerini oluşturan protonlardır. Işık hızının yüzde 99’undan daha hızlı çarpışan protonlar parçalanarak yok oluyor ve fizikçiler çarpışma döküntüleriyle o sırada oluşan yeni parçacıklara bakarak fizik teorilerini test ediyor. Oysa protonların kütlesi var ve ışık hızına yaklaşan parçacıkların enerjisi, dolayısıyla kütlesi artar. Peki o zaman ne olur?
LHC protonrları çarpıştırarak parçalıyor. Teorileri test edip yeni parçacıklar arıyor. Büyütmek için tıklayın.
Kara delik olur!
Yalnız bir sorun var: Madde yerine enerjiden kara delik üretmek istiyorsanız 10 kentilyon elektron volt (eV) enerjiye ihtiyacınız var. Üstelik bu mümkün olan en küçük kara delik için geçerli olan enerji (Evrende Planck uzunluğundan kısa mesafeler ve Planck enerjisinden yüksek enerjiler yoktur. Ayrıca mikro kara delikler kuantum fiziğine tabi olup bunların olasılık dalgalarının genliği çapını aşamaz, yoksa kara delik olamazlar). Kentilyon ise 1 ve arkasından 18 sıfır demektir; yani milyon kere trilyon eV!
LHC çok güçlü bir hızlandırıcı ama o kadar güçlü değil. Parçacıkları sadece 14 trilyon eV’ye kadar çıkarabilir (14 TeV). Yine de fizikçilerin LHC’nin kara delik yapabileceğini düşündüğünü söyledik. Fizikçiler de çılgındır ama imkansızı isteyecek kadar çılgın değiller. Biz de LHC ile daha düşük enerjilerde kara delik yapıp yapamayacağımıza bakalım:
Yukarıdaki hesap genel görelilik teorisinin kusursuz olmasına dayanıyor ama biz bu teorinin sorunlu olduğunu biliyoruz. Evet, çok iyi bir teori ve gökcisimleriyle ilgili harika öngörülerde bulunuyor ama aynı zamanda sonsuz küçüklükteki hacimlere sonsuz enerji sıkıştırabileceğimizi söylüyor.
Ancak, kuantum fiziğine göre uzayı Planck hacminden daha küçük bölgelere bölemeyiz. Parçacıkların hem parçacık hem de dalga olması nedeniyle ve belirsizlik ilkesi yüzünden rastgele titreşmeleri sebebiyle onları sonsuz küçüklükteki alanlara da sokamayız. Ayrıca bizzat görelilik teorisi sonsuz enerjide bozuluyor ki teoriniz sonsuzluklar vermeye başlıyorsa onda bir sorun var demektir:
Einstein yanılıyor mu?
Paniklemeye gerek yok. Görelilik teorisi uzaydaki gökcisimlerinin hareketini çok iyi tanımlıyor. Hatta misketler gibi küçük nesnelerin bile… ama 1 mm’den kısa kum tanelerini, moleküller ve atomlar gibi mikroskobik cisimlerin hareketini tanımlamakta yetersiz kalıyor. Demek ki bu kusursuz bir teori değil. Doğayı yaklaşık olarak tanımlayan, yerçekimini gözle görülür ölçekte tanımlayan ortalama bir teori.
Biz de buna sonsuz yoğunluk problemi diyor ve kuantum fiziğine göre kara deliklerin merkezinde gerçek tekillikler oluşamayacağını söylüyoruz. Bu nedenle evreni oluşturan büyük patlamanın da gerçek bir tekillikten türemediği kanısındayız ve genel göreliliği daha kesin bir teori kılmak için kuantum kütleçekim kuramı geliştirmeye çalışıyoruz. Yerçekimini atomik ölçekle açıklamak üzere…
Aslında birçok kuantum kütleçekim kuramı var ve ben de sicim teorisi ile başlıca rakibi halka kuantum kütleçekim kuramını yazmıştım. Özetle kuantum kütleçekim kuramının sonsuz yoğunluk problemine yol açmadığını buna göre kara delik oluşturmak için sonsuz küçüklükte sonsuz enerji ürütmeye gerek olmadığını belirtebiliriz. Öyleyse kuantum fiziğiyle genel göreliliği birleştiren kuantum kütleçekim kuramı LHC’nin çok daha düşük enerji düzeylerinde mini kara delik üretmesine izin verebilir.
Açıkçası elimizde bu teorileri potansiyel olarak test edebilecek tek bir deney aygıtı var: LHC. Örneğin sicim teorisindeki kuantum kütleçekim kuramının çalışması için uzayda 7 ekstra boyut daha olması gerekiyor. LHC mini kara delik üreterek bunu test edebilir. Peki ekstra uzay boyutu ne demek?
Mini kara delik ve 7 ekstra boyut
Uzayda yedi ek boyut varsa bunların hepsi birden var olduğunu bildiğimiz 3 uzay boyutuna dik açı yapacaktır. 7’si de aynı anda dik açı yapacaktır. Bunu hiç kafanızda canlandırmaya çalışmayın. Bizler 3B varlıklarız ve insan beyni teorik ekstra boyutları kavramak için evrim geçirmemiştir (Zaten beynimizin sadece hayatta kalmak için evrim geçirmiş olmasının bedelini yaptığımız doğa katliamlarıyla ödüyoruz).
Ekstra boyutların kara deliklerle ne ilgisi var derseniz: Sicim teorisi neden doğru olabilir yazısında anlattığım gibi, bu teorideki ek boyutların kuantum kütleçekimde işe yaraması için mikroskobik veya küçük ölçekte olması gerekiyor. Bunları ancak zum yaparsanız görebilirsiniz ki içlerinden bazıları 1 mm büyüklüğünde olabilir; ama bir sorun var: Ek boyutlarla yalnızca yerçekimi etkileşim kurabilir.
Öyle ki 1 mm’den kısa mesafeleri yerçekimine yol açan kütleçekim kuvveti yerine ışıkla (kuantum fiziğindeki elektromanyetik kuvvet) görmeye çalışırsanız ekstra boyutları tespit edemezsiniz. Oysa yerçekimiyle ölçebilseydiniz evrensel kütleçekim sabitinin enerji değerinin 1 mm’den kısa mesafelerde değiştiğini fark edecektiniz.
Parçacık çarpışmaları mini kara delik üretebilir.
Peki neden yerçekimi?
7 ekstra uzay boyutu ışığı, manyetik alanı, elektrik alanını, nükleer kuvvetleri etkiliyor olsaydı bunu hemen fark ederdik de ondan! Örneğin yıldız ışığının parlaklık ve rengi değişirdi. Vücudumuzu meydana getiren atomlar ek uzay boyutlarına göre yer değiştirirdi. Bedenimiz çarpılır ve bizler dağınık jöle gibi çarpık çurpuk bir şeye dönüşürdük.
Geriye bir tek yerçekimi kalıyor ama yerçekimini 1 mm’den kısa mesafelerde test etmeyi başaramıyoruz. Yerçekimi bir fizik kuvveti mi yazısında anlattığım gibi kütleçekimin gerçek bir kuvvet olduğundan bile emin değiliz. 😮 Einstein Dünya’nın Güneş’in çevresinde dönmesine yol açan yerçekimi alanını kütlenin uzayı bükmesi olarak tanımlıyor. Hatta bizzat uzay-zamanı büken kütleçekim dalgaları var ama kütleçekim kuvvetini taşıyan bir parçacık bulamadık.
Fotonlar elektromanyetik kuvvetin taşıyıcısıdır ve teorik graviton parçacıkları da kütleçekim kuvvetini taşıyor olabilir ama hiç graviton göremedik. Sicim teorisi bunları öngörüyor fakat gerçek olup olmadıklarını bilmiyoruz. Bunun nedeni kütleçekimin (eğer bir kuvvetse) fizik kuvvetleri içinde en zayıfı olmasıdır. Bildiğimiz kadarıyla kütleçekim kuvvetini taşıyan gravitonun kütlesi yoktur ve enerjisi çok düşüktür. Dolayısıyla yerçekimi kısa mesafelerde ölçemeyeceğimiz kadar zayıftır.
Özetle yerçekiminin Dünya ile Ay arasında nasıl davrandığını biliyoruz ama ojenizle tırnağınız arasında ne yaptığını bilmiyoruz (bilen varsa söylesin, ben de merak ediyorum 😊) ama o zaman da sicim teorisini test edip kuantum kütleçekim kuramı geliştiremiyoruz ve sorun çıkıyor. Peki ne yapacağız? Ekstra uzay boyutlarına bakabiliriz. Dediğim gibi ek boyutlar varsa yerçekiminin şiddeti değişecektir.
İlgili yazı: Çoklu Adem: İnsan Türünün Birden Fazla Kökeni Var
CERN LHC’de mini kara delik. Tematik temsili.
Yerçekimi ve mini kara delik
Üstelik yerçekiminin ek boyutlarla nasıl etkileşim kuracağını tahmin etmemize gerek yok. Bunu yapmak çok kolay; çünkü ters kare yasası diye bir şey var: Yerçekiminin gücü uzaklığın karesine ters olarak azalır; yani Dünya’dan iki kat uzaklaşırsanız yerçekimi dört kat azalır.
Üçten çok uzay boyutu olan bir evrende ise ters kare yasası geçerli değildir. Örneğin toplam 9 boyutlu bir evrende Dünya’dan iki kat uzaklaşırsanız yerçekimi 256 kat azalır. Yine diyeceksiniz ki “Ama hocam yerçekiminin uzaklığın karesine ters oranda azaldığını biliyoruz. 256 kat azalsa anlamaz mıydık?” Tabii ki anlardık ama ben basitleştirerek anlatıyorum. Dokuz uzay boyutu da görebileceğimiz kadar büyük olsaydı bütün evren kaleydoskopa dönerdi ve bunu hemen fark ederdik.
Öte yandan, 7 ek boyutun 1 mm’den kısa ve bir kısmının da mikroskobik olacağına dikkat edelim (zaten çıplak gözle ek boyut göremediğimiz için küçük olduklarını düşünüyoruz). Bu durumda yerçekimi uzaklığın karesi oranında azalır ama sadece 1 mm’den uzun mesafeler için… Daha kısa mesafelerde ise yerçekiminin şiddeti artar. Kum taneleri birbirini olması gerekenden daha güçlü çeker.
İşte bunu şimdilik ölçemiyoruz: Dünya’nın kütlesi bellidir ve toplam kütlesini ölçebiliyoruz ama yeryüzündeki kum tanelerinin ne tür yerçekimi alanlarıyla etkileşim kurduğunu bilmiyoruz. Yine de ekstra boyutlu bir evrende yerçekiminin mikroskobik mesafelerde hızla artacak olması bizim için iyi bir şey. LHC’de mini kara delik üretirsek bunun mikroskobik yerçekimi olacaktır; yani mini kara delikler yerçekimini mikroskobik ölçekte ölçmemizi sağlayan bilimsel aygıtlar olarak işe yarayacaktır!
Kara delik işçiliği
Kullandığınız teoriye bağlı olarak (kaç adet ek boyut koyduğunuza göre) LHC’de kara delik için üretmeniz gereken enerji düzeyi de azalacaktır. Bunun için ek enerjiyi mikroskobik ölçekte artan yerçekimi sağlayacaktır. Ezcümle sicim teorisi doğruysa 14 TeV kapasitesi olan LHC’nin sadece 10 trilyon elektronvolt enerji düzeyinde mini kara delikler üretebilmesi gerekir.
Peki mini kara delik üretebildi mi?
Bugüne dek LHC yapay kara delik üretemedi. 2016’daki bir makaleye baktığımızda LHC’nin 13 TeV enerjisine ulaştığını ama kara delik tespit edemediğini görüyoruz. 2018 yılında yayınlanan diğer bir makalede ise yerçekiminin 13 TeV enerji düzeyinde farklı davranmadığı ve ek boyutların varlığını göstermediği ortaya çıktı.
Yine de bu teoriler hakkında bilmediğimiz çok şey, denklemlerimizde ince ayar yapmak için yeterince boşluk var. Bu nedenle bir grup fizikçi şimdiden planlanmakta olan LHC’den sonra inşa edilecek hızlandırıcının mini kara delik üretebileceğini ve bunun da kuantum kütleçekim hakkında ipuçları verebileceğini düşünüyor. Üstelik bu sayede kara delikler hakkında yeni şeyler öğrenebiliriz:
1970’li yıllarda Stephen Hawking’in öngördüğü gibi kara delikler buharlaşarak yok oluyor. Buna da Hawking radyasyonu diyoruz. Fizikçilerin kara deliklerin buharlaştığından şüpheleri yok. Hatta kara delikler buharlaşınca enformasyonu yok eder diye endişe ediyorlar, ama bugüne kadar Hawking radyasyonunu göremedik ki bu da çok normal. Bilinen en yakın kara delik binlerce ışık yılı uzakta.
Teleskoplar da işe yaramıyor; çünkü kara delikler Olay Ufku, Sagittarius A* ve kuasar yazılarında anlattığım gibi dolaylı yollardan nadiren ışık saçıyor. Büyük kara deliklerin yaydığı zayıf Hawking radyasyonu göremeyeceğimiz kadar soluk oluyor. Ancak, LHC tünelinde mikroskobik kara delik üretirsek 1) Bu anında buharlaşacak ve 2) Çok güçlü gama ışınları yayarak buharlaşacak. Biz de Hawking radyasyonunu gözümüzle görerek test edebileceğiz. Peki mini kara delik ne kadar hızlı buharlaşıyor?
İlgili yazı: Solucandelikleri ile Zamanda Yolculuk Mümkün mü?
Kozmik hız rekoru
Bir nanosaniyenin oktilyonda birinde! Bu da 10-27 saniye, yani saniyenin milyarda birinin milyonda birinin trilyonda biri demek. LHC buharlaşma anını asla göremez ama buharlaşmadan kalan ışın izini kesinlikle görecektir. Ancak, elimizdeki kanıtlar LHC’nin bunu başaramayacağını gösteriyor. Üstelik bu kanıtlar LHC’den değil doğadan ve uzaydan geliyor:
Uzaydan gelen kozmik ışınlar ve güneş rüzgarından gelen parçacıklar Dünya atmosferine yüksek hızda çarpıyor. Böylece atmosferdeki atomların çevresinde dönen elektronları sökerek iyonize ediyor. Atomlar enerji kaybederek eski düzeyine geri dönerken biz yaydıkları ışınımı atmosferi kenarından saran ince bir yeşil halka olarak görüyoruz (uzay istasyonundan bakınca).
Evren yüksek hızla çarpışan parçacıkların mini kara delik oluşturmasına izin verseydi bizim de atmosferde bir anda oluşup yok olan kara deliklerin ek radyasyon izini görmemiz gerekirdi. Oysa üst atmosferden gelerek Dünya’daki yaşamı riske atan ek radyasyon kaynağı yok. Demek ki mini kara delikler de yok ve bu iyi bir şey.
Elbette teorilerimize farklı ince ayar yaparsak şu anda donanım yükseltme aşamasında olan LHC’nin 2021 yılında yeniden kullanıma girmesiyle mini kara delik oluşturma umudumuzu koruyabiliriz ama kara delik üretmese ne olur? Kara delik olsun olmasın İsviçre-Fransa sınırında yer altında bulunan 27 km’lik bir halka olan ve protonları ışık hızının yüzde 99’undan daha hızlı çarpıştıran Büyük Hadron Çarpıştırıcısı (LHC) evrenin sırlarını aydınlatmaya devam edecek.
Işıktan kara delik
Peki uzayda küçük bir noktaya çok güçlü lazer ışınlarıyla ateş edip ışıktan kara delik oluşturabileceğimizi biliyor musunuz? Onu da şimdi görebilir, kara deliğin tersi ak deliklere ve onlardan nasıl solucandeliği üretebileceğimize bakabilirsiniz. Bilim merakınızı bir türlü yenemiyorsanız matematiğin öngördüğü her teorik olayın neden gerçekte var olmadığını matematik evrensel dil mi, yoksa herhangi bir dil mi yazısında inceleyebilirsiniz. Yaz yaklaşırken Corona virüsü karantina şartlarına uymaya devam edin.
Mini kara delik
1Bounds on extra dimensions from micro black holes in the context of the metastable Higgs vacuum
2Discovery and Spectroscopy of Dark Matter and Dark Sectors with Microscopic Black Holes at Next Generation Colliders
3Review of Speculative \Disaster Scenarios” at RHIC (pdf)
4Search for new physics in final states with an energetic jet or a hadronically decaying W or Z boson and transverse momentum imbalance at √s=13 TeV
5Absence of black holes at LHC due to gravity’s rainbow
Kara delikler ne kadar büyük ve elektron kara delik mi?