Fizikçiler parçacıklarla çalışmaya alışkındır: teori geliştirildi, deneyler birleşiyor. Nükleer reaktörler ve atom bombaları parçacıklar kullanılarak hesaplanır.
Bir uyarı: Tüm hesaplamalarda yer çekimi dikkate alınmaz.
Yerçekimi cisimlerin çekimidir. Yerçekimi hakkında konuştuğumuzda yerçekimini hayal ederiz. Telefon yer çekiminin etkisiyle elinizden asfaltın üzerine düşüyor. Uzayda Ay Dünya'ya, Dünya da Güneş'e çekilir. Dünyadaki her şey birbirini çekiyor ama bunu hissetmek için çok ağır nesnelere ihtiyacınız var. İnsandan 7,5 × 10 22 kat daha ağır olan Dünya'nın yerçekimini hissederiz, ancak 4 × 10 6 kat daha ağır olan bir gökdelenin yerçekimini fark etmeyiz.
7,5×10 22 = 75.000.000.000.000.000.000.000
4×10 6 = 4.000.000
Yerçekimi Einstein'ın genel görelilik teorisiyle tanımlanır. Teorik olarak büyük nesneler uzayı büker. Anlamak için bir çocuk parkına gidin ve trambolinin üzerine ağır bir taş koyun.
Trambolinin kauçuğunda bir krater oluşacaktır. Trambolinin üzerine küçük bir top koyarsanız huniden aşağı taşa doğru yuvarlanacaktır. Gezegenler uzayda kabaca bu şekilde bir huni oluşturur ve biz de toplar gibi onların üzerine düşeriz.
10 38 = 100 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000
Gezegenler o kadar büyük ki uzayı büküyorlar
Her şeyi temel parçacıklar seviyesinde açıklamak için yerçekimine ihtiyaç yoktur. Diğer kuvvetlerle karşılaştırıldığında yerçekimi o kadar küçüktür ki kuantum hesaplamalarının dışında kalmıştır. Dünyanın yerçekimi kuvveti, atom çekirdeğinin parçacıklarını tutan kuvvetten 10 38 kat daha azdır.
Bu neredeyse tüm evren için geçerlidir.
Graviton bir parçacık olarak değil de bir sicim olarak ele alındığında, hesaplamalardaki farklılıklarla ilgili sorunlar ortadan kalktı. Sicimlerin sınırlı bir uzunluğu ve enerjisi vardır, dolayısıyla gravitonun enerjisi yalnızca belirli bir sınıra kadar büyüyebilir. Yani bilim adamlarının kara delikleri inceleyecekleri bir çalışma aracı var.
Kara deliklerin incelenmesindeki ilerlemeler evrenin nasıl oluştuğunu anlamamıza yardımcı oluyor. Big Bang teorisine göre dünya mikroskobik bir noktadan büyümüştür. Yaşamın ilk anlarında evren çok yoğundu - tüm modern yıldızlar ve gezegenler küçük bir hacimde toplanmıştı. Yerçekimi diğer kuvvetler kadar güçlüydü; dolayısıyla yerçekiminin etkilerini bilmek, erken evreni anlamak açısından önemlidir.
Kuantum yerçekimini tanımlamadaki ilerlemeler, dünyadaki her şeyi tanımlayacak bir teori yaratmaya yönelik bir adımdır.
Böyle bir teori evrenin nasıl doğduğunu, şu anda evrende neler olduğunu ve sonunun ne olacağını açıklayacaktır.
Elbette evrenin sicimleri hayal ettiğimize pek benzemiyor. Sicim teorisine göre bunlar inanılmaz derecede küçük, titreşen enerji iplikleridir. Bu iplikler daha çok her türlü şekilde kıvrılabilen, esneyebilen ve sıkışabilen küçük "lastik bantlara" benzer. Ancak tüm bunlar, Evrenin senfonisini üzerlerinde "çalmanın" imkansız olduğu anlamına gelmez, çünkü sicim teorisyenlerine göre var olan her şey bu "ipliklerden" oluşur.
Fizik çelişkisi
Hesaplamalar, kesinlikle siyah olan herhangi bir cismin toplam radyasyon enerjisinin sonsuz derecede büyük olması gerektiğini gösterdi. Alman bilim adamı Max Planck, 1900 yılında bu saçmalıktan kurtulmak için, görünür ışığın, X-ışınlarının ve diğer elektromanyetik dalgaların, kuanta adını verdiği, yalnızca enerjinin belirli ayrık bölümleri tarafından yayılabileceğini öne sürdü. Onların yardımıyla, tamamen siyah bir cismin özel sorununu çözmek mümkün oldu. Ancak kuantum hipotezinin determinizm açısından sonuçları henüz gerçekleşmedi. Ta ki 1926'da bir başka Alman bilim adamı Werner Heisenberg ünlü belirsizlik ilkesini formüle edene kadar.
Bunun özü, daha önce geçerli olan tüm ifadelerin aksine, doğanın, fiziksel yasalara dayanarak geleceği tahmin etme yeteneğimizi sınırlandırdığı gerçeğine dayanmaktadır. Elbette atom altı parçacıkların geleceğinden ve bugününden bahsediyoruz. Çevremizdeki makrokozmostaki herhangi bir şeyin davranışından tamamen farklı davrandıkları ortaya çıktı. Atom altı seviyede uzayın dokusu düzensiz ve kaotik hale gelir. Minik parçacıkların dünyası o kadar çalkantılı ve anlaşılmaz ki sağduyuya meydan okuyor. Uzay ve zaman o kadar bükülmüş ve iç içe geçmiş durumda ki, sol-sağ, yukarı-aşağı ve hatta öncesi-sonrası gibi sıradan kavramlar bile yok.
Belirli bir parçacığın şu anda uzayın hangi noktasında bulunduğunu ve açısal momentumunun ne olduğunu kesin olarak söylemenin bir yolu yok. Uzay-zamanın birçok bölgesinde bir parçacığın bulunma olasılığı yalnızca belirlidir. Atom altı seviyedeki parçacıklar uzay boyunca "yayılmış" gibi görünüyor. Sadece bu da değil, parçacıkların "durumu" da tanımlanmamıştır: bazı durumlarda dalga gibi davranırlar, diğerlerinde ise parçacıkların özelliklerini sergilerler. Fizikçilerin kuantum mekaniğinin dalga-parçacık ikiliği dediği şey budur.
Dünyanın yapısının seviyeleri: 1. Makroskobik seviye - madde 2. Moleküler seviye 3. Atomik seviye - protonlar, nötronlar ve elektronlar 4. Atom altı seviye - elektron 5. Atom altı seviye - kuarklar 6. Sicim seviyesi /©Bruno P. Ramos
Genel Görelilik Teorisinde, sanki zıt yasalara sahip bir durumdaymış gibi, durum temelde farklıdır. Uzay bir tramboline benziyor; kütlesi olan nesneler tarafından bükülebilen ve gerilebilen pürüzsüz bir kumaş. Uzay-zamanda bükülmeler yaratırlar; bizim yerçekimi olarak deneyimlediğimiz şey. Uyumlu, doğru ve öngörülebilir Genel Görelilik Teorisi'nin "eksantrik holigan" - kuantum mekaniği ile çözümsüz bir çatışma içinde olduğunu ve bunun sonucunda makro dünyanın mikro dünya ile "barış yapamayacağını" söylemeye gerek yok. Sicim teorisinin kurtarmaya geldiği yer burasıdır.
2D Evren. Çokyüzlü grafik E8 /©John Stembridge/Lie Grupları Atlası Projesi
Herşeyin Teorisi
Sicim teorisi, tüm fizikçilerin, temelde birbiriyle çelişen iki genel görelilik ile kuantum mekaniğini birleştirme hayalini bünyesinde barındırıyor; bu, en büyük "çingene ve serseri" Albert Einstein'ı günlerinin sonuna kadar rahatsız eden bir rüyaydı.
Pek çok bilim insanı, galaksilerin muhteşem dansından atom altı parçacıkların çılgın dansına kadar her şeyin sonuçta tek bir temel fiziksel prensiple açıklanabileceğine inanıyor. Belki her türlü enerjiyi, parçacığı ve etkileşimi zarif bir formülde birleştiren tek bir yasa bile olabilir.
Genel görelilik, Evrenin en ünlü kuvvetlerinden biri olan yerçekimini tanımlar. Kuantum mekaniği diğer üç kuvveti daha tanımlar: protonları ve nötronları atomlarda birbirine yapıştıran güçlü nükleer kuvvet, elektromanyetizma ve radyoaktif bozunmada rol oynayan zayıf kuvvet. Bir atomun iyonlaşmasından bir yıldızın doğuşuna kadar evrendeki her olay, maddenin bu dört kuvvet aracılığıyla etkileşimiyle açıklanmaktadır.
En karmaşık matematiğin yardımıyla, elektromanyetik ve zayıf etkileşimlerin ortak bir yapıya sahip olduğunu ve bunları tek bir elektrozayıf etkileşimde birleştirdiğini göstermek mümkün oldu. Daha sonra bunlara güçlü nükleer etkileşim eklendi - ancak yerçekimi onlara hiçbir şekilde katılmadı. Sicim teorisi, dört kuvveti de birbirine bağlayan ve dolayısıyla Evrendeki tüm olguları kapsayan en ciddi adaylardan biridir; ona "Her Şeyin Teorisi" denmesi boşuna değildir.
Başlangıçta bir efsane vardı
Şu ana kadar tüm fizikçiler sicim teorisinden memnun değil. Ve ortaya çıkışının şafağında, gerçeklikten sonsuz derecede uzak görünüyordu. Onun doğuşu bir efsanedir.
1960'ların sonlarında, genç İtalyan teorik fizikçi Gabriele Veneziano, güçlü nükleer kuvveti -atom çekirdeklerini bir arada tutan, protonları ve nötronları bir arada tutan son derece güçlü "yapıştırıcı"- açıklayabilecek denklemler arıyordu. Efsaneye göre, bir gün tesadüfen matematik tarihi üzerine tozlu bir kitaba rastladı ve bu kitapta ilk olarak İsviçreli matematikçi Leonhard Euler tarafından yazılan iki yüz yıllık bir fonksiyonu buldu. Uzun zamandır matematiksel bir meraktan başka bir şey olarak kabul edilmeyen Euler fonksiyonunun bu güçlü etkileşimi tanımladığını keşfettiğinde Veneziano'nun ne kadar şaşırdığını hayal edin.
Gerçekten nasıldı? Formül muhtemelen Veneziano'nun uzun yıllar süren çalışmasının sonucuydu ve şans, sicim teorisinin keşfine doğru yalnızca ilk adımın atılmasına yardımcı oldu. Güçlü kuvveti mucizevi bir şekilde açıklayan Euler'in fonksiyonu yeni bir hayat buldu.
Sonunda, formülün her şeyden önce iç yapısı olmayan ve titreşebilen parçacıkları tanımladığını gören genç Amerikalı teorik fizikçi Leonard Susskind'in dikkatini çekti. Bu parçacıklar öyle bir davranış sergilediler ki, sadece nokta parçacık olamayacaklardı. Susskind, formülün elastik bant gibi bir ipliği tanımladığını anladı. Sadece esneyip büzülmekle kalmıyor, aynı zamanda salınıp kıvranabiliyordu. Susskind, keşfini anlattıktan sonra devrim niteliğindeki sicim fikrini ortaya attı.
Ne yazık ki meslektaşlarının ezici çoğunluğu teoriyi oldukça soğukkanlılıkla karşıladı.
Standart model
O zamanlar geleneksel bilim, parçacıkları sicimler yerine noktalar olarak temsil ediyordu. Fizikçiler yıllardır atom altı parçacıkların davranışlarını yüksek hızlarda çarpıştırarak ve bu çarpışmaların sonuçlarını inceleyerek incelediler. Evrenin hayal edilebileceğinden çok daha zengin olduğu ortaya çıktı. Bu, temel parçacıkların gerçek bir “nüfus patlamasıydı”. Fizik lisansüstü öğrencileri yeni bir parçacık keşfettiklerini bağırarak koridorlarda koşuyorlardı; onları tanımlayacak yeterli harf bile yoktu. Ancak ne yazık ki, yeni parçacıkların "doğum hastanesinde" bilim adamları şu sorunun cevabını asla bulamadılar - neden bu kadar çok var ve nereden geliyorlar?
Bu, fizikçileri alışılmadık ve şaşırtıcı bir tahminde bulunmaya yöneltti; doğadaki kuvvetlerin parçacıklarla da açıklanabileceğini fark ettiler. Yani maddenin tanecikleri var, bir de etkileşim taşıyan tanecikler var. Örneğin foton ışığın bir parçacığıdır. Bu taşıyıcı parçacıklardan ne kadar fazlası (önemli parçacıkların değiş tokuş ettiği aynı fotonlar) varsa, ışık da o kadar parlak olur. Bilim insanları, taşıyıcı parçacıklar arasındaki bu özel değişimin, kuvvet olarak algıladığımız şeyden başka bir şey olmadığını tahmin etti. Bu deneylerle doğrulandı. Fizikçiler Einstein'ın güçleri birleştirme hayaline bu şekilde yaklaşmayı başardılar.
Standart Modelde çeşitli parçacıklar arasındaki etkileşimler /
Bilim adamları, Büyük Patlama'nın hemen sonrasına, yani Evren'in trilyonlarca derece daha sıcak olduğu zamana doğru hızla ilerlersek, elektromanyetizma ile zayıf kuvveti taşıyan parçacıkların birbirinden ayırt edilemez hale geleceğine ve elektrozayıf kuvvet adı verilen tek bir kuvvet halinde birleşeceğine inanıyorlar. Ve zamanda daha da geriye gidersek, elektrozayıf etkileşim güçlü olanla birleşerek tek bir "süper kuvvet" oluşturacaktır.
Bütün bunlar hala kanıtlanmayı beklese de, kuantum mekaniği birdenbire dört kuvvetten üçünün atom altı düzeyde nasıl etkileştiğini açıkladı. Ve bunu çok güzel ve tutarlı bir şekilde açıkladı. Etkileşimlerin bu tutarlı resmi sonuçta Standart Model olarak bilinmeye başlandı. Ancak ne yazık ki bu mükemmel teorinin büyük bir sorunu vardı; en ünlü makro düzeydeki kuvvet olan yerçekimini içermiyordu.
Graviton
Henüz "çiçeklenmeye" vakti olmayan sicim teorisi için "sonbahar" geldi; daha doğduğu andan itibaren pek çok sorunu içinde barındırıyordu. Örneğin, teorinin hesaplamaları, var olmadığı kısa süre sonra anlaşılan parçacıkların varlığını öngörüyordu. Bu, takyon olarak adlandırılan, boşlukta ışıktan daha hızlı hareket eden bir parçacıktır. Diğer şeylerin yanı sıra, teorinin 10'a kadar boyut gerektirdiği ortaya çıktı. Gördüğümüzden çok daha büyük olduğu için bunun fizikçiler için oldukça kafa karıştırıcı olması şaşırtıcı değil.
1973'e gelindiğinde yalnızca birkaç genç fizikçi hala sicim teorisinin gizemleriyle boğuşuyordu. Bunlardan biri Amerikalı teorik fizikçi John Schwartz'dı. Schwartz dört yıl boyunca bu asi denklemleri ehlileştirmeye çalıştı ama işe yaramadı. Diğer problemlerin yanı sıra, bu denklemlerden biri, kütlesi olmayan ve doğada gözlemlenmemiş gizemli bir parçacığı tanımlamakta ısrar ediyordu.
Bilim adamı zaten felaketle sonuçlanan işini bırakmaya karar vermişti ve sonra aklına geldi - belki de sicim teorisinin denklemleri aynı zamanda yerçekimini de tanımlıyordu? Ancak bu, teorinin ana “kahramanlarının” yani sicimlerin boyutlarının gözden geçirilmesi anlamına geliyordu. Sicimlerin atomdan milyarlarca, milyarlarca kat daha küçük olduğunu varsayan "sicimciler", teorinin dezavantajını avantaja çevirdi. John Schwartz'ın ısrarla kurtulmaya çalıştığı gizemli parçacık artık bir graviton gibi hareket ediyordu; uzun süredir aranan ve yerçekiminin kuantum düzeyine aktarılmasını sağlayacak bir parçacık. Sicim teorisi, Standart Model'de eksik olan yerçekimi bulmacasını bu şekilde tamamladı. Ancak ne yazık ki bilim camiası bu keşfe bile hiçbir tepki vermedi. Sicim teorisi hayatta kalmanın eşiğinde kaldı. Ancak bu Schwartz'ı durdurmadı. Gizemli ipler uğruna kariyerini riske atmaya hazır olan yalnızca bir bilim adamı araştırmasına katılmak istedi: Michael Green.
Atomaltı yuvalama bebekleri
Her şeye rağmen, 1980'lerin başında, sicim teorisi hâlâ bilimde anormallikler olarak adlandırılan çözülemez çelişkilere sahipti. Schwartz ve Green onları ortadan kaldırmaya koyuldu. Ve çabaları boşuna değildi: Bilim adamları teorideki bazı çelişkileri ortadan kaldırmayı başardılar. Teorilerinin göz ardı edildiğine zaten alışmış olan bu ikilinin, bilim camiasının tepkisi bilim dünyasını ayağa kaldırdığında ne kadar şaşırdıklarını bir düşünün. Bir yıldan kısa bir süre içinde sicim teorisyenlerinin sayısı yüzlerce kişiye sıçradı. O zaman sicim teorisine Her Şeyin Teorisi unvanı verildi. Yeni teori evrenin tüm bileşenlerini tanımlayabilecek kapasitede görünüyordu. Ve bunlar bileşenler.
Bildiğimiz gibi her atom, proton ve nötronlardan oluşan bir çekirdeğin etrafında dönen daha küçük parçacıklardan (elektronlardan) oluşur. Protonlar ve nötronlar ise daha da küçük parçacıklardan (kuarklardan) oluşur. Ancak sicim teorisi bunun kuarklarla bitmediğini söylüyor. Kuarklar, sicimlere benzeyen, küçük, kıvrımlı enerji şeritlerinden oluşur. Bu dizelerin her biri hayal edilemeyecek kadar küçüktür.
O kadar küçük ki, eğer bir atom güneş sistemi boyutuna kadar genişletilseydi, bu sicim bir ağaç büyüklüğünde olurdu. Tıpkı bir çello telinin farklı titreşimlerinin duyduğumuz şeyi yaratması gibi, farklı müzik notaları, bir telin farklı titreşim modları parçacıklara benzersiz özelliklerini (kütle, yük vb.) verir. Tırnağınızın ucundaki protonların henüz keşfedilmemiş gravitondan göreceli olarak ne kadar farklı olduğunu biliyor musunuz? Yalnızca onları oluşturan küçük tellerin toplanması ve bu tellerin titreşme şekliyle.
Elbette tüm bunlar şaşırtıcı olmanın da ötesinde. Antik Yunan zamanlarından beri fizikçiler bu dünyadaki her şeyin toplardan, minik parçacıklardan oluştuğu gerçeğine alışmışlardır. Ve böylece, bu topların kuantum mekaniğinden kaynaklanan mantıksız davranışlarına alışmaya zamanları olmadığından, paradigmayı tamamen terk etmeleri ve bir tür spagetti kırıntısı ile çalışmaları isteniyor...
Beşinci boyut
Her ne kadar birçok bilim insanı sicim teorisini matematiğin bir zaferi olarak adlandırsa da, hala bazı problemlerle karşı karşıyayız; bunların en önemlisi, onu yakın gelecekte deneysel olarak test etme ihtimalinin olmayışı. Dünyada var olan ve gelecekte de ortaya çıkabilecek hiçbir çalgı, telleri “görme” yeteneğine sahip değildir. Dolayısıyla bazı bilim adamları bu arada şu soruyu bile soruyorlar: Sicim teorisi bir fizik teorisi mi yoksa felsefe teorisi mi?.. Doğru, sicimleri "kendi gözlerinizle" görmek hiç de gerekli değil. Sicim teorisini kanıtlamak, daha ziyade, kulağa bilim kurgu gibi gelen başka bir şeyin, uzayın ekstra boyutlarının varlığının doğrulanmasını gerektirir.
Ne hakkında konuşuyoruz? Hepimiz uzayın üç boyutuna ve tek zamana alışığız. Ancak sicim kuramı başka -ekstra- boyutların varlığını öngörüyor. Ama sırayla başlayalım.
Aslında diğer boyutların varlığı fikri neredeyse yüz yıl önce ortaya çıktı. 1919'da o zamanlar bilinmeyen Alman matematikçi Theodor Kaluza'nın aklına geldi. Evrenimizde göremediğimiz başka bir boyutun olasılığını öne sürdü. Albert Einstein bu fikri öğrendi ve ilk başta gerçekten hoşuna gitti. Ancak daha sonra bunun doğruluğundan şüphe etti ve Kaluza'nın yayınlanmasını tam iki yıl erteledi. Ancak sonuçta makale yayınlandı ve ek boyut, fizik dehası için bir tür hobi haline geldi.
Bildiğiniz gibi Einstein, yerçekiminin uzay-zaman boyutlarının deformasyonundan başka bir şey olmadığını gösterdi. Kaluza, elektromanyetizmanın aynı zamanda dalgalanmalar olabileceğini öne sürdü. Neden görmüyoruz? Kaluza bu sorunun cevabını buldu; elektromanyetizma dalgaları ek, gizli bir boyutta var olabilir. Peki nerede?
Bu sorunun cevabını İsveçli fizikçi Oskar Klein verdi ve Kaluza'nın beşinci boyutunun tek bir atom boyutundan milyarlarca kat daha güçlü olduğunu, bu yüzden onu göremediğimizi öne sürdü. Etrafımızı saran bu küçük boyutun fikri, sicim teorisinin kalbinde yer alıyor.
Ek bükülmüş boyutların önerilen formlarından biri. Bu formların her birinin içinde, Evrenin ana bileşeni olan bir sicim titreşir ve hareket eder. Her form altı boyutludur - altı ek boyutun sayısına göre /
On boyut
Fakat aslında sicim teorisinin denklemleri bir bile değil altı ek boyut gerektirir (toplamda, bildiğimiz dört boyutla birlikte tam olarak 10 tane vardır). Hepsi çok bükülmüş ve kavisli karmaşık bir şekle sahiptir. Ve her şey hayal edilemeyecek kadar küçük.
Bu küçük ölçümler büyük dünyamızı nasıl etkileyebilir? Sicim teorisine göre belirleyicidir: Ona göre şekil her şeyi belirler. Saksafonda farklı tuşlara bastığınızda farklı sesler elde edersiniz. Bunun nedeni, belirli bir tuşa veya tuş kombinasyonuna bastığınızda müzik enstrümanında havanın dolaştığı alanın şeklini değiştirmenizdir. Bu sayede farklı sesler doğar.
Sicim teorisi, uzayın ek kavisli ve bükülmüş boyutlarının da benzer şekilde ortaya çıktığını öne sürüyor. Bu ekstra boyutların şekilleri karmaşık ve çeşitlidir ve her biri, bu boyutların içinde yer alan sicimin şekilleri nedeniyle tam olarak farklı şekilde titreşmesine neden olur. Sonuçta, örneğin bir telin bir sürahinin içinde, diğerinin ise kavisli bir direk borusunun içinde titreştiğini varsayarsak, bunlar tamamen farklı titreşimler olacaktır. Ancak sicim teorisine inanıyorsanız, gerçekte ek boyutların biçimleri bir sürahiden çok daha karmaşık görünür.
Dünya nasıl çalışıyor?
Bugün bilim, Evrenin temel sabitleri olan bir dizi sayıyı biliyor. Çevremizdeki her şeyin özelliklerini, özelliklerini belirleyenler onlardır. Bu sabitler arasında örneğin bir elektronun yükü, yerçekimi sabiti, ışığın boşluktaki hızı... Ve eğer bu sayıları önemsiz sayıda bile değiştirirsek, sonuçları felaket olacaktır. Elektromanyetik etkileşimin gücünü arttırdığımızı varsayalım. Ne oldu? Aniden iyonların birbirini daha güçlü bir şekilde itmeye başladığını ve yıldızların parlayıp ısı yaymasını sağlayan nükleer füzyonun aniden başarısız olduğunu görebiliriz. Bütün yıldızlar sönecek.
Peki ekstra boyutlarıyla birlikte sicim teorisinin bununla ne ilgisi var? Gerçek şu ki, ona göre temel sabitlerin tam değerini belirleyen şey ek boyutlardır. Bazı ölçüm biçimleri bir ipin belirli bir şekilde titreşmesine neden olur ve foton olarak gördüğümüz şeyi üretir. Diğer formlarda sicimler farklı şekilde titreşir ve bir elektron üretir. Gerçekten, Tanrı "küçük şeylerde"dir; bu dünyanın tüm temel sabitlerini belirleyenler bu küçük formlardır.
Süper sicim teorisi
1980'lerin ortalarında sicim teorisi görkemli ve düzenli bir görünüm kazandı, ancak anıtın içinde kafa karışıklığı vardı. Sadece birkaç yıl içinde sicim teorisinin beşe yakın versiyonu ortaya çıktı. Her ne kadar her biri sicimler ve ekstra boyutlar üzerine inşa edilmiş olsa da (beş versiyonun tümü genel süper sicim teorisi - NS'de birleştirilmiştir), bu versiyonlar ayrıntılarda önemli ölçüde farklılaşmıştır.
Yani bazı versiyonlarda tellerin uçları açıktı, bazılarında ise halkalara benziyordu. Hatta bazı versiyonlarda teori 10 değil 26 boyuta ihtiyaç duyuyordu. Buradaki paradoks, bugün beş versiyonun hepsinin eşit derecede doğru olarak adlandırılabilmesidir. Peki hangisi gerçekten Evrenimizi tanımlıyor? Bu da sicim teorisinin bir başka gizemidir. Bu yüzden birçok fizikçi yine "çılgın" teoriden vazgeçti.
Ancak sicimlerin asıl sorunu, daha önce de belirtildiği gibi, varlıklarını deneysel olarak kanıtlamanın (en azından şimdilik) imkansızlığıdır.
Ancak bazı bilim insanları, yeni nesil hızlandırıcıların hala çok az ama yine de ek boyut hipotezini test etme fırsatına sahip olduğunu söylüyor. Elbette çoğunluk, eğer bu mümkünse, o zaman ne yazık ki bunun çok yakında - en azından on yıl, en fazla - yüz yıl içinde bile gerçekleşmeyeceğinden emin olsa da.
Görelilik teorisi evreni "düz" olarak sunarken, kuantum mekaniği mikro düzeyde uzayı büken sonsuz bir hareketin olduğunu belirtir. Sicim teorisi bu fikirleri birleştirir ve en ince tek boyutlu sicimlerin birleşmesinin bir sonucu olarak, nokta mikropartikül görünümüne sahip olacak ve bu nedenle deneysel olarak gözlemlenemeyecek mikropartikülleri sunar.
Bu hipotez, bir atomu oluşturan, sicim adı verilen ultra mikroskobik liflerden oluşan temel parçacıkları hayal etmemizi sağlar.
Temel parçacıkların tüm özellikleri, onları oluşturan liflerin rezonans titreşimiyle açıklanır. Bu lifler sonsuz sayıda yolla titreşebilir. Bu teori kuantum mekaniğinin fikirlerini ve görelilik teorisini birleştirmeyi içerir. Ancak altında yatan düşünceleri doğrulamada birçok sorunun varlığı nedeniyle, çoğu modern bilim insanı, önerilen fikirlerin en sıradan küfürlerden veya başka bir deyişle aptallar için, yani tamamen aptal insanlar için sicim teorisinden başka bir şey olmadığına inanıyor. bilimden ve çevredeki dünyanın yapısından habersiz.
Ultramikroskopik liflerin özellikleri
Özlerini anlamak için müzik enstrümanlarının tellerini hayal edebilirsiniz - titreşebilirler, bükülebilirler, kıvrılabilirler. Aynı şey, belirli titreşimler yayan, birbirleriyle etkileşime giren, ilmekler halinde katlanan ve kütlesi liflerin titreşim frekansına ve gerilimlerine bağlı olan daha büyük parçacıklar (elektronlar, kuarklar) oluşturan bu iplikler için de olur - bunlar göstergeler tellerin enerjisini belirler. Yayılan enerji ne kadar büyük olursa, temel parçacığın kütlesi de o kadar yüksek olur.
Enflasyon teorisi ve dizeler
Enflasyon hipotezine göre Evren, bir sicim büyüklüğündeki (Planck uzunluğu) mikro uzayın genişlemesi nedeniyle yaratılmıştır. Bu alan arttıkça, ultramikroskopik lifler olarak adlandırılan lifler gerildi ve artık uzunlukları Evrenin boyutuyla orantılı hale geldi. Birbirleriyle aynı şekilde etkileşime girerler ve aynı titreşimleri ve titreşimleri üretirler. Bu, uzak galaksilerden gelen ışık ışınlarını çarpıtan yerçekimsel merceklerin yarattığı etkiye benziyor. Boyuna titreşimler de yerçekimsel radyasyon üretir.
Matematiksel tutarsızlık ve diğer sorunlar
Sorunlardan birinin teorinin matematiksel tutarsızlığı olduğu düşünülüyor; teoriyi inceleyen fizikçiler onu tam bir forma kavuşturacak formüllerden yoksun. İkincisi ise bu teori 10 boyutun olduğuna inanıyor ama biz sadece 4 tanesini hissediyoruz; yükseklik, genişlik, uzunluk ve zaman. Bilim adamları, geri kalan 6 tanesinin, varlığı gerçek zamanlı olarak hissedilmeyen, bükülmüş bir durumda olduğunu öne sürüyor. Ayrıca sorun bu teorinin deneysel olarak doğrulanma olasılığı değil, ancak kimse de bunu çürütemez.
Hiç Evrenin bir çelloya benzediğini düşündünüz mü? Bu doğru - o gelmedi. Çünkü Evren çelloya benzemez. Ancak bu, dizeleri olmadığı anlamına gelmez. Bugün Sicim Teorisi hakkında konuşalım.
Böyle bir teori evrenin nasıl doğduğunu, şu anda evrende neler olduğunu ve sonunun ne olacağını açıklayacaktır.
Fizik çelişkisi
Fizik çelişkisi
Hesaplamalar, kesinlikle siyah olan herhangi bir cismin toplam radyasyon enerjisinin sonsuz derecede büyük olması gerektiğini gösterdi. Alman bilim adamı Max Planck, 1900 yılında bu saçmalıktan kurtulmak için, görünür ışığın, X-ışınlarının ve diğer elektromanyetik dalgaların, kuanta adını verdiği, yalnızca enerjinin belirli ayrık bölümleri tarafından yayılabileceğini öne sürdü. Onların yardımıyla, tamamen siyah bir cismin özel sorununu çözmek mümkün oldu. Ancak kuantum hipotezinin determinizm açısından sonuçları henüz gerçekleşmedi. Ta ki 1926'da bir başka Alman bilim adamı Werner Heisenberg ünlü belirsizlik ilkesini formüle edene kadar.
Bunun özü, daha önce geçerli olan tüm ifadelerin aksine, doğanın, fiziksel yasalara dayanarak geleceği tahmin etme yeteneğimizi sınırlandırdığı gerçeğine dayanmaktadır. Elbette atom altı parçacıkların geleceğinden ve bugününden bahsediyoruz. Çevremizdeki makrokozmostaki herhangi bir şeyin davranışından tamamen farklı davrandıkları ortaya çıktı. Atom altı seviyede uzayın dokusu düzensiz ve kaotik hale gelir. Minik parçacıkların dünyası o kadar çalkantılı ve anlaşılmaz ki sağduyuya meydan okuyor. Uzay ve zaman o kadar bükülmüş ve iç içe geçmiş durumda ki, sol-sağ, yukarı-aşağı ve hatta öncesi-sonrası gibi sıradan kavramlar bile yok.
Belirli bir parçacığın şu anda uzayın hangi noktasında bulunduğunu ve açısal momentumunun ne olduğunu kesin olarak söylemenin bir yolu yok. Uzay-zamanın birçok bölgesinde bir parçacığın bulunma olasılığı yalnızca belirlidir. Atom altı seviyedeki parçacıklar uzay boyunca "yayılmış" gibi görünüyor. Sadece bu da değil, parçacıkların "durumu" da tanımlanmamıştır: bazı durumlarda dalga gibi davranırlar, diğerlerinde ise parçacıkların özelliklerini sergilerler. Fizikçilerin kuantum mekaniğinin dalga-parçacık ikiliği dediği şey budur.
Dünyanın yapısının seviyeleri: 1. Makroskobik seviye - madde 2. Moleküler seviye 3. Atomik seviye - protonlar, nötronlar ve elektronlar 4. Atom altı seviye - elektron 5. Atom altı seviye - kuarklar 6. Sicim seviyesi
Genel Görelilik Teorisinde, sanki zıt yasalara sahip bir durumdaymış gibi, durum temelde farklıdır. Uzay bir tramboline benziyor; kütlesi olan nesneler tarafından bükülebilen ve gerilebilen pürüzsüz bir kumaş. Uzay-zamanda bükülmeler yaratırlar; bizim yerçekimi olarak deneyimlediğimiz şey. Uyumlu, doğru ve öngörülebilir Genel Görelilik Teorisi'nin "eksantrik holigan" - kuantum mekaniği ile çözümsüz bir çatışma içinde olduğunu ve bunun sonucunda makro dünyanın mikro dünya ile "barış yapamayacağını" söylemeye gerek yok. Sicim teorisinin kurtarmaya geldiği yer burasıdır.
2D Evren. Çokyüzlü grafik E8 Her Şeyin Teorisi
Sicim teorisi, tüm fizikçilerin, temelde birbiriyle çelişen iki genel görelilik ile kuantum mekaniğini birleştirme hayalini bünyesinde barındırıyor; bu, en büyük "çingene ve serseri" Albert Einstein'ı günlerinin sonuna kadar rahatsız eden bir rüyaydı.
Pek çok bilim insanı, galaksilerin muhteşem dansından atom altı parçacıkların çılgın dansına kadar her şeyin sonuçta tek bir temel fiziksel prensiple açıklanabileceğine inanıyor. Belki her türlü enerjiyi, parçacığı ve etkileşimi zarif bir formülde birleştiren tek bir yasa bile olabilir.
Genel görelilik, Evrenin en ünlü kuvvetlerinden biri olan yerçekimini tanımlar. Kuantum mekaniği diğer üç kuvveti daha tanımlar: protonları ve nötronları atomlarda birbirine yapıştıran güçlü nükleer kuvvet, elektromanyetizma ve radyoaktif bozunmada rol oynayan zayıf kuvvet. Bir atomun iyonlaşmasından bir yıldızın doğuşuna kadar evrendeki her olay, maddenin bu dört kuvvet aracılığıyla etkileşimiyle açıklanmaktadır.
En karmaşık matematiğin yardımıyla, elektromanyetik ve zayıf etkileşimlerin ortak bir yapıya sahip olduğunu ve bunları tek bir elektrozayıf etkileşimde birleştirdiğini göstermek mümkün oldu. Daha sonra bunlara güçlü nükleer etkileşim eklendi - ancak yerçekimi onlara hiçbir şekilde katılmadı. Sicim teorisi, dört kuvveti de birbirine bağlayan ve dolayısıyla Evrendeki tüm olguları kapsayan en ciddi adaylardan biridir; ona "Her Şeyin Teorisi" denmesi boşuna değildir.
Başlangıçta bir efsane vardı
Şu ana kadar tüm fizikçiler sicim teorisinden memnun değil. Ve ortaya çıkışının şafağında, gerçeklikten sonsuz derecede uzak görünüyordu. Onun doğuşu bir efsanedir.
Gerçek argümanlarla Euler'in beta fonksiyonunun grafiği
1960'ların sonlarında, genç İtalyan teorik fizikçi Gabriele Veneziano, güçlü nükleer kuvveti -atom çekirdeklerini bir arada tutan, protonları ve nötronları bir arada tutan son derece güçlü "yapıştırıcı"- açıklayabilecek denklemler arıyordu. Efsaneye göre, bir gün tesadüfen matematik tarihi üzerine tozlu bir kitaba rastladı ve bu kitapta ilk olarak İsviçreli matematikçi Leonhard Euler tarafından yazılan iki yüz yıllık bir fonksiyonu buldu. Uzun zamandır matematiksel bir meraktan başka bir şey olarak kabul edilmeyen Euler fonksiyonunun bu güçlü etkileşimi tanımladığını keşfettiğinde Veneziano'nun ne kadar şaşırdığını hayal edin.
Gerçekten nasıldı? Formül muhtemelen Veneziano'nun uzun yıllar süren çalışmasının sonucuydu ve şans, sicim teorisinin keşfine doğru yalnızca ilk adımın atılmasına yardımcı oldu. Güçlü kuvveti mucizevi bir şekilde açıklayan Euler'in fonksiyonu yeni bir hayat buldu.
Sonunda, formülün her şeyden önce iç yapısı olmayan ve titreşebilen parçacıkları tanımladığını gören genç Amerikalı teorik fizikçi Leonard Susskind'in dikkatini çekti. Bu parçacıklar öyle bir davranış sergilediler ki, sadece nokta parçacık olamayacaklardı. Susskind, formülün elastik bant gibi bir ipliği tanımladığını anladı. Sadece esneyip büzülmekle kalmıyor, aynı zamanda salınıp kıvranabiliyordu. Susskind, keşfini anlattıktan sonra devrim niteliğindeki sicim fikrini ortaya attı.
Ne yazık ki meslektaşlarının ezici çoğunluğu teoriyi oldukça soğukkanlılıkla karşıladı.
Standart model
O zamanlar geleneksel bilim, parçacıkları sicimler yerine noktalar olarak temsil ediyordu. Fizikçiler yıllardır atom altı parçacıkların davranışlarını yüksek hızlarda çarpıştırarak ve bu çarpışmaların sonuçlarını inceleyerek incelediler. Evrenin hayal edilebileceğinden çok daha zengin olduğu ortaya çıktı. Bu, temel parçacıkların gerçek bir “nüfus patlamasıydı”. Fizik lisansüstü öğrencileri yeni bir parçacık keşfettiklerini bağırarak koridorlarda koşuyorlardı; onları tanımlayacak yeterli harf bile yoktu. Ancak ne yazık ki, yeni parçacıkların "doğum hastanesinde" bilim adamları şu sorunun cevabını asla bulamadılar - neden bu kadar çok var ve nereden geliyorlar?
Bu, fizikçileri alışılmadık ve şaşırtıcı bir tahminde bulunmaya yöneltti; doğadaki kuvvetlerin parçacıklarla da açıklanabileceğini fark ettiler. Yani maddenin tanecikleri var, bir de etkileşim taşıyan tanecikler var. Örneğin foton ışığın bir parçacığıdır. Bu taşıyıcı parçacıklardan ne kadar fazlası (önemli parçacıkların değiş tokuş ettiği aynı fotonlar) varsa, ışık da o kadar parlak olur. Bilim insanları, taşıyıcı parçacıklar arasındaki bu özel değişimin, kuvvet olarak algıladığımız şeyden başka bir şey olmadığını tahmin etti. Bu deneylerle doğrulandı. Fizikçiler Einstein'ın güçleri birleştirme hayaline bu şekilde yaklaşmayı başardılar.
Bilim adamları, Büyük Patlama'nın hemen sonrasına, yani Evren'in trilyonlarca derece daha sıcak olduğu zamana doğru hızla ilerlersek, elektromanyetizma ile zayıf kuvveti taşıyan parçacıkların birbirinden ayırt edilemez hale geleceğine ve elektrozayıf kuvvet adı verilen tek bir kuvvet halinde birleşeceğine inanıyorlar. Ve zamanda daha da geriye gidersek, elektrozayıf etkileşim güçlü olanla birleşerek tek bir "süper kuvvet" oluşturacaktır.
Bütün bunlar hala kanıtlanmayı beklese de, kuantum mekaniği birdenbire dört kuvvetten üçünün atom altı düzeyde nasıl etkileştiğini açıkladı. Ve bunu çok güzel ve tutarlı bir şekilde açıkladı. Etkileşimlerin bu tutarlı resmi sonuçta Standart Model olarak bilinmeye başlandı. Ancak ne yazık ki bu mükemmel teorinin büyük bir sorunu vardı; en ünlü makro düzeydeki kuvvet olan yerçekimini içermiyordu.
Standart Modelde farklı parçacıklar arasındaki etkileşimler
Graviton
Henüz "çiçeklenmeye" vakti olmayan sicim teorisi için "sonbahar" geldi; daha doğduğu andan itibaren pek çok sorunu içinde barındırıyordu. Örneğin, teorinin hesaplamaları, var olmadığı kısa süre sonra anlaşılan parçacıkların varlığını öngörüyordu. Bu, takyon olarak adlandırılan, boşlukta ışıktan daha hızlı hareket eden bir parçacıktır. Diğer şeylerin yanı sıra, teorinin 10'a kadar boyut gerektirdiği ortaya çıktı. Gördüğümüzden çok daha büyük olduğu için bunun fizikçiler için oldukça kafa karıştırıcı olması şaşırtıcı değil.
1973'e gelindiğinde yalnızca birkaç genç fizikçi hala sicim teorisinin gizemleriyle boğuşuyordu. Bunlardan biri Amerikalı teorik fizikçi John Schwartz'dı. Schwartz dört yıl boyunca bu asi denklemleri ehlileştirmeye çalıştı ama işe yaramadı. Diğer problemlerin yanı sıra, bu denklemlerden biri, kütlesi olmayan ve doğada gözlemlenmemiş gizemli bir parçacığı tanımlamakta ısrar ediyordu.
Bilim adamı zaten felaketle sonuçlanan işini bırakmaya karar vermişti ve sonra aklına geldi - belki de sicim teorisinin denklemleri aynı zamanda yerçekimini de tanımlıyordu? Ancak bu, teorinin ana “kahramanlarının” yani sicimlerin boyutlarının gözden geçirilmesi anlamına geliyordu. Sicimlerin atomdan milyarlarca, milyarlarca kat daha küçük olduğunu varsayan "sicimciler", teorinin dezavantajını avantaja çevirdi. John Schwartz'ın ısrarla kurtulmaya çalıştığı gizemli parçacık artık bir graviton gibi hareket ediyordu; uzun süredir aranan ve yerçekiminin kuantum düzeyine aktarılmasını sağlayacak bir parçacık. Sicim teorisi, Standart Model'de eksik olan yerçekimi bulmacasını bu şekilde tamamladı. Ancak ne yazık ki bilim camiası bu keşfe bile hiçbir tepki vermedi. Sicim teorisi hayatta kalmanın eşiğinde kaldı. Ancak bu Schwartz'ı durdurmadı. Gizemli ipler uğruna kariyerini riske atmaya hazır olan yalnızca bir bilim adamı araştırmasına katılmak istedi: Michael Green.
Atomaltı yuvalama bebekleri
Her şeye rağmen, 1980'lerin başında, sicim teorisi hâlâ bilimde anormallikler olarak adlandırılan çözülemez çelişkilere sahipti. Schwartz ve Green onları ortadan kaldırmaya koyuldu. Ve çabaları boşuna değildi: Bilim adamları teorideki bazı çelişkileri ortadan kaldırmayı başardılar. Teorilerinin göz ardı edildiğine zaten alışmış olan bu ikilinin, bilim camiasının tepkisi bilim dünyasını ayağa kaldırdığında ne kadar şaşırdıklarını bir düşünün. Bir yıldan kısa bir süre içinde sicim teorisyenlerinin sayısı yüzlerce kişiye sıçradı. O zaman sicim teorisine Her Şeyin Teorisi unvanı verildi. Yeni teori evrenin tüm bileşenlerini tanımlayabilecek kapasitede görünüyordu. Ve bunlar bileşenler.
Bildiğimiz gibi her atom, proton ve nötronlardan oluşan bir çekirdeğin etrafında dönen daha küçük parçacıklardan (elektronlardan) oluşur. Protonlar ve nötronlar ise daha da küçük parçacıklardan (kuarklardan) oluşur. Ancak sicim teorisi bunun kuarklarla bitmediğini söylüyor. Kuarklar, sicimlere benzeyen, küçük, kıvrımlı enerji şeritlerinden oluşur. Bu dizelerin her biri hayal edilemeyecek kadar küçüktür.
O kadar küçük ki, eğer bir atom güneş sistemi boyutuna kadar genişletilseydi, bu sicim bir ağaç büyüklüğünde olurdu. Tıpkı bir çello telinin farklı titreşimlerinin duyduğumuz şeyi yaratması gibi, farklı müzik notaları, bir telin farklı titreşim modları parçacıklara benzersiz özelliklerini (kütle, yük vb.) verir. Tırnağınızın ucundaki protonların henüz keşfedilmemiş gravitondan göreceli olarak ne kadar farklı olduğunu biliyor musunuz? Yalnızca onları oluşturan küçük tellerin toplanması ve bu tellerin titreşme şekliyle.
Elbette tüm bunlar şaşırtıcı olmanın da ötesinde. Antik Yunan zamanlarından beri fizikçiler bu dünyadaki her şeyin toplardan, minik parçacıklardan oluştuğu gerçeğine alışmışlardır. Ve böylece, bu topların kuantum mekaniğinden kaynaklanan mantıksız davranışlarına alışmaya zamanları olmadığından, paradigmayı tamamen terk etmeleri ve bir tür spagetti kırıntısı ile çalışmaları isteniyor...
Beşinci boyut
Her ne kadar birçok bilim insanı sicim teorisini matematiğin bir zaferi olarak adlandırsa da, hala bazı problemlerle karşı karşıyayız; bunların en önemlisi, onu yakın gelecekte deneysel olarak test etme ihtimalinin olmayışı. Dünyada var olan ve gelecekte de ortaya çıkabilecek hiçbir çalgı, telleri “görme” yeteneğine sahip değildir. Dolayısıyla bazı bilim adamları bu arada şu soruyu bile soruyorlar: Sicim teorisi bir fizik teorisi mi yoksa felsefe teorisi mi?.. Doğru, sicimleri "kendi gözlerinizle" görmek hiç de gerekli değil. Sicim teorisini kanıtlamak, daha ziyade, kulağa bilim kurgu gibi gelen başka bir şeyin, uzayın ekstra boyutlarının varlığının doğrulanmasını gerektirir.
Ne hakkında konuşuyoruz? Hepimiz uzayın üç boyutuna ve tek zamana alışığız. Ancak sicim kuramı başka -ekstra- boyutların varlığını öngörüyor. Ama sırayla başlayalım.
Aslında diğer boyutların varlığı fikri neredeyse yüz yıl önce ortaya çıktı. 1919'da o zamanlar bilinmeyen Alman matematikçi Theodor Kaluza'nın aklına geldi. Evrenimizde göremediğimiz başka bir boyutun olasılığını öne sürdü. Albert Einstein bu fikri öğrendi ve ilk başta gerçekten hoşuna gitti. Ancak daha sonra bunun doğruluğundan şüphe etti ve Kaluza'nın yayınlanmasını tam iki yıl erteledi. Ancak sonuçta makale yayınlandı ve ek boyut, fizik dehası için bir tür hobi haline geldi.
Bildiğiniz gibi Einstein, yerçekiminin uzay-zaman boyutlarının deformasyonundan başka bir şey olmadığını gösterdi. Kaluza, elektromanyetizmanın aynı zamanda dalgalanmalar olabileceğini öne sürdü. Neden görmüyoruz? Kaluza bu sorunun cevabını buldu; elektromanyetizma dalgaları ek, gizli bir boyutta var olabilir. Peki nerede?
Bu sorunun cevabını İsveçli fizikçi Oskar Klein verdi ve Kaluza'nın beşinci boyutunun tek bir atom boyutundan milyarlarca kat daha güçlü olduğunu, bu yüzden onu göremediğimizi öne sürdü. Etrafımızı saran bu küçük boyutun fikri, sicim teorisinin kalbinde yer alıyor.
Ek bükülmüş boyutların önerilen formlarından biri. Bu formların her birinin içinde, Evrenin ana bileşeni olan bir sicim titreşir ve hareket eder. Her form altı ek boyutun sayısına göre altı boyutludur
On boyut
Fakat aslında sicim teorisinin denklemleri bir bile değil altı ek boyut gerektirir (toplamda, bildiğimiz dört boyutla birlikte tam olarak 10 tane vardır). Hepsi çok bükülmüş ve kavisli karmaşık bir şekle sahiptir. Ve her şey hayal edilemeyecek kadar küçük.
Bu küçük ölçümler büyük dünyamızı nasıl etkileyebilir? Sicim teorisine göre belirleyicidir: Ona göre şekil her şeyi belirler. Saksafonda farklı tuşlara bastığınızda farklı sesler elde edersiniz. Bunun nedeni, belirli bir tuşa veya tuş kombinasyonuna bastığınızda müzik enstrümanında havanın dolaştığı alanın şeklini değiştirmenizdir. Bu sayede farklı sesler doğar.
Sicim teorisi, uzayın ek kavisli ve bükülmüş boyutlarının da benzer şekilde ortaya çıktığını öne sürüyor. Bu ekstra boyutların şekilleri karmaşık ve çeşitlidir ve her biri, bu boyutların içinde yer alan sicimin şekilleri nedeniyle tam olarak farklı şekilde titreşmesine neden olur. Sonuçta, örneğin bir telin bir sürahinin içinde, diğerinin ise kavisli bir direk borusunun içinde titreştiğini varsayarsak, bunlar tamamen farklı titreşimler olacaktır. Ancak sicim teorisine inanıyorsanız, gerçekte ek boyutların biçimleri bir sürahiden çok daha karmaşık görünür.
Dünya nasıl çalışıyor?
Bugün bilim, Evrenin temel sabitleri olan bir dizi sayıyı biliyor. Çevremizdeki her şeyin özelliklerini, özelliklerini belirleyenler onlardır. Bu sabitler arasında örneğin bir elektronun yükü, yerçekimi sabiti, ışığın boşluktaki hızı... Ve eğer bu sayıları önemsiz sayıda bile değiştirirsek, sonuçları felaket olacaktır. Elektromanyetik etkileşimin gücünü arttırdığımızı varsayalım. Ne oldu? Aniden iyonların birbirini daha güçlü bir şekilde itmeye başladığını ve yıldızların parlayıp ısı yaymasını sağlayan nükleer füzyonun aniden başarısız olduğunu görebiliriz. Bütün yıldızlar sönecek.
Peki ekstra boyutlarıyla birlikte sicim teorisinin bununla ne ilgisi var? Gerçek şu ki, ona göre temel sabitlerin tam değerini belirleyen şey ek boyutlardır. Bazı ölçüm biçimleri bir ipin belirli bir şekilde titreşmesine neden olur ve foton olarak gördüğümüz şeyi üretir. Diğer formlarda sicimler farklı şekilde titreşir ve bir elektron üretir. Gerçekten, Tanrı "küçük şeylerde"dir; bu dünyanın tüm temel sabitlerini belirleyenler bu küçük formlardır.
Süper sicim teorisi
1980'lerin ortalarında sicim teorisi görkemli ve düzenli bir görünüm kazandı, ancak anıtın içinde kafa karışıklığı vardı. Sadece birkaç yıl içinde sicim teorisinin beşe yakın versiyonu ortaya çıktı. Her ne kadar her biri sicimler ve ekstra boyutlar üzerine inşa edilmiş olsa da (beş versiyonun tümü genel süper sicim teorisi - NS'de birleştirilmiştir), bu versiyonlar ayrıntılarda önemli ölçüde farklılaşmıştır.
Yani bazı versiyonlarda tellerin uçları açıktı, bazılarında ise halkalara benziyordu. Hatta bazı versiyonlarda teori 10 değil 26 boyuta ihtiyaç duyuyordu. Buradaki paradoks, bugün beş versiyonun hepsinin eşit derecede doğru olarak adlandırılabilmesidir. Peki hangisi gerçekten Evrenimizi tanımlıyor? Bu da sicim teorisinin bir başka gizemidir. Bu yüzden birçok fizikçi yine "çılgın" teoriden vazgeçti.
Ancak sicimlerin asıl sorunu, daha önce de belirtildiği gibi, varlıklarını deneysel olarak kanıtlamanın (en azından şimdilik) imkansızlığıdır.
Ancak bazı bilim insanları, yeni nesil hızlandırıcıların hala çok az ama yine de ek boyut hipotezini test etme fırsatına sahip olduğunu söylüyor. Elbette çoğunluk, eğer bu mümkünse, o zaman ne yazık ki bunun çok yakında - en azından on yıl, en fazla - yüz yıl içinde bile gerçekleşmeyeceğinden emin olsa da.
Sicim teorisinin çeşitli versiyonlarının artık her şeyin doğasını açıklayan kapsamlı, evrensel bir teori unvanı için önde gelen yarışmacılar olduğu düşünülüyor. Ve bu, temel parçacıklar ve kozmoloji teorisiyle ilgilenen teorik fizikçilerin bir tür Kutsal Kâsesidir. Evrensel teori (aynı zamanda var olan her şeyin teorisi), etkileşimlerin doğası ve Evrenin inşa edildiği maddenin temel unsurlarının özellikleri hakkındaki tüm insan bilgisini birleştiren yalnızca birkaç denklem içerir.
Günümüzde sicim teorisi süpersimetri kavramıyla birleşerek süper sicim teorisinin doğuşuyla sonuçlanmıştır ve bugün dört temel etkileşimin (doğada etkili olan kuvvetler) teorisinin birleştirilmesi açısından ulaşılan maksimum nokta budur. Süpersimetri teorisinin kendisi, herhangi bir uzak (alan) etkileşimin, etkileşimli parçacıklar arasında karşılık gelen türden etkileşim taşıyıcı parçacıklarının değişiminden kaynaklandığına göre, önceden modern bir kavram temelinde inşa edilmiştir (bkz. Standart Model). Açıklık getirmek gerekirse, etkileşim halindeki parçacıklar evrenin "tuğlaları", taşıyıcı parçacıklar ise çimento olarak düşünülebilir.
Sicim teorisi, fiziğin çoğu dalı gibi nokta parçacıklarının değil, tek boyutlu genişletilmiş nesnelerin dinamiklerini inceleyen matematiksel fiziğin bir dalıdır. dizeler
Standart modelde kuarklar yapı taşları olarak görev yapar ve bu kuarkların birbirleriyle alışveriş yaptığı ayar bozonları da etkileşim taşıyıcıları olarak görev yapar. Süpersimetri teorisi daha da ileri giderek kuarkların ve leptonların temel olmadığını belirtir: Hepsi daha da ağır ve deneysel olarak keşfedilmemiş madde yapılarından (yapı taşlarından) oluşur ve süper enerji parçacıklarının daha güçlü bir "çimentosu" tarafından bir arada tutulur. - Hadron ve bozonlardan oluşan kuarklardan daha fazla etkileşim taşıyıcıları.
Doğal olarak, süpersimetri teorisinin öngörülerinden hiçbiri henüz laboratuvar koşullarında test edilmemiştir, ancak maddi dünyanın varsayımsal gizli bileşenlerinin halihazırda isimleri vardır - örneğin selektron (elektronun süpersimetrik ortağı), squark vb. Ancak bu parçacıkların varlığı bu tür teoriler açık bir şekilde öngörülmektedir.
Ancak bu teorilerin sunduğu Evren resmini görselleştirmek oldukça kolaydır. Yaklaşık 10E-35 m'lik bir ölçekte, yani üç bağlı kuark içeren aynı protonun çapından 20 kat daha küçük bir ölçekte, maddenin yapısı, temel parçacıklar seviyesinde bile alıştığımızdan farklıdır. . Bu kadar küçük mesafelerde (ve hayal edilemeyecek kadar yüksek etkileşim enerjilerinde) madde, müzik enstrümanlarının tellerinde uyarılanlara benzer bir dizi alan durağan dalgalarına dönüşür. Bir gitar teli gibi, böyle bir telde ana tonun yanı sıra birçok armoni veya armonik de uyarılabilir. Her harmoniğin kendi enerji durumu vardır. Görelilik ilkesine göre (bkz. Görelilik Teorisi), enerji ve kütle eşdeğerdir; bu, sicimin harmonik dalga titreşiminin frekansı ne kadar yüksek olursa, enerjisi de o kadar yüksek olur ve gözlenen parçacığın kütlesi de o kadar yüksek olur.
Bununla birlikte, bir gitar telindeki duran dalgayı görselleştirmek oldukça kolay olsa da, süper sicim teorisinin öne sürdüğü duran dalgaları görselleştirmek zordur; gerçek şu ki, süper sicimlerin titreşimleri 11 boyutlu bir uzayda meydana gelir. Üç uzaysal ve bir zamansal boyutu (sol-sağ, yukarı-aşağı, ileri-geri, geçmiş-gelecek) içeren dört boyutlu uzaya alışığız. Süper sicim uzayında işler çok daha karmaşıktır (kutuya bakın). Teorik fizikçiler, "ekstra" uzaysal boyutların kaygan sorununu, bu boyutların "gizli" (ya da bilimsel terimlerle "sıkıştırılmış") olduklarını ve bu nedenle sıradan enerjilerde gözlemlenmediklerini öne sürerek aşıyorlar.
Daha yakın zamanlarda, sicim teorisi, çok boyutlu zarlar teorisi biçiminde daha da geliştirildi - esasen bunlar aynı sicimlerdir, ancak düzdür. Yazarlarından birinin gelişigüzel şaka yaptığı gibi, eriştenin erişteden farklı olması gibi, zarlar da tellerden farklıdır.
Belki de bugün tüm kuvvet etkileşimlerinin Büyük Birleşmesi'nin evrensel teorisi olduğunu iddia eden teorilerden biri hakkında kısaca anlatılabilecek tek şey budur. Ne yazık ki, bu teori günahsız değil. Her şeyden önce, matematiksel aparatın onu sıkı bir iç yazışmaya sokmadaki yetersizliği nedeniyle henüz katı bir matematiksel forma getirilememiştir. Bu teorinin doğuşundan bu yana 20 yıl geçti ve hiç kimse onun bazı yönlerini ve versiyonlarını diğerleriyle tutarlı bir şekilde uyumlu hale getiremedi. Daha da tatsız olan şey ise, sicim teorisini (ve özellikle süper sicimleri) öne süren teorisyenlerden hiçbirinin, bu teorilerin laboratuvarda test edilebileceği tek bir deneyi henüz önermemiş olmasıdır. Ne yazık ki, korkarım ki onlar bunu yapana kadar, tüm çalışmaları tuhaf bir fantezi oyunu ve doğa bilimlerinin ana akımının dışında ezoterik bilgiyi kavramaya yönelik alıştırmalar olarak kalacak.
Kara deliklerin özelliklerinin incelenmesi
1996 yılında, sicim teorisyenleri Andrew Strominger ve Kumrun Vafa, Susskind ve Sen'in daha önceki sonuçlarını temel alarak "Bekenstein ve Hawking Entropisinin Mikroskobik Doğası"nı yayınladılar. Bu çalışmada Strominger ve Vafa, belirli bir kara delik sınıfının mikroskobik bileşenlerini bulmak ve bu bileşenlerin entropi katkılarını doğru bir şekilde hesaplamak için sicim teorisini kullanabildiler. Çalışma, 1980'lerde ve 1990'ların başında kullanılan pertürbasyon teorisinin kısmen ötesine geçen yeni bir yönteme dayanıyordu. Çalışmanın sonucu, Bekenstein ve Hawking'in yirmi yıldan fazla bir süre önce yaptıkları tahminlerle tam olarak örtüşüyordu.
Strominger ve Vafa, kara delik oluşumunun gerçek süreçlerine yapıcı bir yaklaşımla karşı çıktılar. Kara delik oluşumunun görüşünü değiştirerek, ikinci süper sicim devrimi sırasında keşfedilen zarların tam olarak tek bir mekanizma halinde titizlikle bir araya getirilmesiyle oluşturulabileceklerini gösterdiler.
Strominger ve Vafa, bir kara deliğin mikroskobik yapısına ilişkin tüm kontroller ellerindeyken, bir kara deliğin mikroskobik bileşenlerinin kütle ve yük gibi genel gözlemlenebilir özelliklerini değiştirmeden bırakacak permütasyon sayısını hesaplayabildiler. Daha sonra bu sayıyı kara deliğin olay ufku alanıyla (Bekenstein ve Hawking tarafından tahmin edilen entropi) karşılaştırdılar ve mükemmel bir uyum yakaladılar. En azından aşırı kara delik sınıfı için Strominger ve Vafa, mikroskobik bileşenleri analiz etmek ve karşılık gelen entropiyi doğru bir şekilde hesaplamak için sicim teorisinin bir uygulamasını bulmayı başardılar. Çeyrek asırdır fizikçilerin karşı karşıya kaldığı sorun çözülmüştü.
Pek çok teorisyen için bu keşif, sicim teorisini destekleyen önemli ve ikna edici bir argümandı. Sicim teorisinin gelişimi, deneysel sonuçlarla, örneğin bir kuarkın veya elektronun kütlesinin ölçümleriyle, doğrudan ve kesin bir karşılaştırma yapmak için hala çok kabadır. Ancak sicim teorisi, kara deliklerin uzun süredir keşfedilen bir özelliği için ilk temel açıklamayı sağlıyor; bu açıklamanın imkansızlığı, geleneksel teorilerle çalışan fizikçilerin araştırmalarını uzun yıllardır durduruyor. Nobel fizik ödülü sahibi ve 1980'lerde sicim teorisinin sadık bir rakibi olan Sheldon Glashow bile 1997'deki bir röportajda şunu itiraf etti: "sicim teorisyenleri kara deliklerden bahsederken neredeyse gözlemlenebilir olaylardan bahsediyorlar ve bu etkileyici."
Sicim kozmolojisi
Sicim teorisinin standart kozmolojik modeli değiştirmesinin üç ana yolu vardır. Birincisi, durumu giderek daha açık hale getiren modern araştırmaların ruhuna uygun olarak, sicim teorisinden Evren'in kabul edilebilir minimum bir boyuta sahip olması gerektiği sonucu çıkıyor. Bu sonuç, standart modelin Evren'in sıfır boyutunu verdiği Büyük Patlama anında Evren'in yapısına ilişkin anlayışı değiştirmektedir. İkinci olarak, sicim teorisindeki T-dualitesi kavramı, yani küçük ve büyük yarıçapların ikiliği (minimum boyutun varlığıyla yakından bağlantılı olarak), kozmolojide de önemlidir. Üçüncüsü, sicim teorisindeki uzay-zaman boyutlarının sayısı dörtten fazladır, dolayısıyla kozmolojinin tüm bu boyutların evrimini tanımlaması gerekir.
Brandenberg ve Vafa modeli
1980'lerin sonunda. Robert Brandenberger ve Kumrun Vafa, sicim teorisinin standart kozmoloji modelinin sonuçlarını nasıl değiştireceğini anlamaya yönelik ilk önemli adımları attılar. İki önemli sonuca vardılar. Birincisi, Büyük Patlama'ya geri döndüğümüzde, Evren'in her yöndeki boyutu Planck uzunluğuna eşit oluncaya kadar sıcaklık artmaya devam eder. Bu noktada sıcaklık maksimuma ulaşacak ve düşmeye başlayacaktır. Sezgisel düzeyde bu olgunun nedenini anlamak zor değildir. Basitlik açısından (Brandenberger ve Vafa'yı takip ederek) Evrenin tüm uzaysal boyutlarının döngüsel olduğunu varsayalım. Zamanda geriye doğru gidildikçe her dairenin yarıçapı küçülür ve evrenin sıcaklığı artar. Sicim teorisinden, yarıçapları önce Planck uzunluğuna, sonra da Planck uzunluğuna kadar daraltmanın, fiziksel olarak yarıçapları Planck uzunluğuna indirgemeye ve ardından bunları artırmaya eşdeğer olduğunu biliyoruz. Evrenin genişlemesi sırasında sıcaklık düştüğü için, Evreni Planck uzunluğundan daha küçük boyutlara sıkıştırmaya yönelik başarısız girişimler, sıcaklık artışının durmasına ve daha da azalmasına yol açacaktır.
Sonuç olarak, Brandenberger ve Vafa şu kozmolojik tabloya ulaştılar: İlk olarak, sicim teorisindeki tüm uzaysal boyutlar, Planck uzunluğu mertebesinde minimum bir boyuta sıkı bir şekilde katlanmıştır. Sıcaklık ve enerji yüksektir ancak sonsuz değildir: Sicim teorisindeki sıfır boyutlu başlangıç noktasıyla ilgili paradokslar çözülmüştür. Evrenin var olduğu ilk anda, sicim teorisinin tüm uzaysal boyutları tamamen eşit ve tamamen simetriktir: hepsi çok boyutlu bir Planck boyutları yığını halinde kıvrılmıştır. Dahası, Brandenberger ve Vafa'ya göre Evren, Planck zamanında sonraki genişleme için üç uzamsal boyut seçildiğinde ve geri kalanı orijinal Planck boyutlarını koruduğunda, Evren simetri azalmasının ilk aşamasından geçer. Bu üç boyut daha sonra enflasyonist kozmoloji senaryosundaki boyutlarla tanımlanır ve evrim süreci boyunca şu anda gözlemlenen şekli alır.
Veneziano ve Gasperini modeli
Brandenberger ve Vafa'nın çalışmalarından bu yana fizikçiler sicim kozmolojisini anlama yönünde sürekli ilerleme kaydediyorlar. Bu araştırmaya öncülük edenler arasında Torino Üniversitesi'nden Gabriele Veneziano ve meslektaşı Maurizio Gasperini de yer alıyor. Bu bilim adamları, bazı yerlerde yukarıda açıklanan senaryoya benzeyen, ancak bazı yerlerde bundan temelde farklı olan kendi sicim kozmolojisi versiyonlarını sundular. Brandenberger ve Vafa gibi onlar da standart ve şişme modellerinde ortaya çıkan sonsuz sıcaklık ve enerji yoğunluğunu dışlamak için sicim teorisinde bir minimum uzunluğun varlığına güvendiler. Ancak Gasperini ve Veneziano, bu özelliğinden dolayı Evren'in Planck boyutlarındaki bir yığından doğduğu sonucuna varmak yerine, sıfır noktası denilen andan çok önce ortaya çıkan ve bu noktayı doğuran tarih öncesi bir evrenin var olduğunu öne sürdüler. Planck boyutlarındaki kozmik “embriyo”.
Bu senaryoda ve Büyük Patlama modelinde Evrenin başlangıç durumu oldukça farklıdır. Gasperini ve Veneziano'ya göre Evren, sıcak ve sıkışık bir boyut topu değildi; soğuktu ve sonsuz bir genişliğe sahipti. Daha sonra, sicim teorisinin denklemlerinden de anlaşılacağı gibi, istikrarsızlık Evreni istila etti ve tüm noktaları, Guth'a göre enflasyon çağında olduğu gibi, hızla kenarlara doğru dağılmaya başladı.
Gasperini ve Veneziano, bu nedenle uzayın giderek daha fazla kavisli hale geldiğini ve bunun sonucunda sıcaklık ve enerji yoğunluğunda keskin bir sıçrama olduğunu gösterdi. Biraz zaman geçti ve bu sonsuz genişliklerin içindeki milimetrik boyutlardaki üç boyutlu bölge, Guth'a göre şişme genişlemesi sırasında oluşan noktanın aynısı, sıcak ve yoğun bir noktaya dönüştü. Daha sonra her şey Büyük Patlama kozmolojisinin standart senaryosuna göre ilerledi ve genişleyen nokta gözlemlenebilir Evren'e dönüştü.
Büyük Patlama öncesi dönem kendi enflasyonist genişlemesini yaşadığından, Guth'un ufuk paradoksuna getirdiği çözüm otomatik olarak bu kozmolojik senaryoya dahil edilmiştir. Veneziano'nun (1998'deki bir röportajında) belirttiği gibi, "sicim teorisi bize enflasyonist kozmolojinin bir versiyonunu gümüş tepside sunuyor."
Sicim kozmolojisi çalışması hızla aktif ve üretken bir araştırma alanı haline geliyor. Örneğin, Büyük Patlama öncesi evrim senaryosu birçok kez hararetli tartışmalara konu olmuştur ve bunun gelecekteki kozmolojik formülasyondaki yeri hiç de açık değildir. Bununla birlikte, bu kozmolojik formülasyonun, fizikçilerin ikinci süper sicim devrimi sırasında keşfedilen sonuçlara ilişkin anlayışına sıkı bir şekilde dayanacağına şüphe yoktur. Örneğin çok boyutlu zarların varlığının kozmolojik sonuçları hâlâ belirsizdir. Başka bir deyişle, tamamlanan M-teorisinin analizi sonucunda Evrenin varlığının ilk anlarına dair fikir nasıl değişecek? Bu konu yoğun bir şekilde araştırılmaktadır.
