1960'larda İtalyan fizikçi Gabriele Veneziano güçlü nükleer kuvveti matematiksel olarak ifade edebilmenin peşinde koştururken, İsviçreli matematikçi Leonhard Euler'in kendisinden 200 yıl kadar önce oluşturduğu bir denklemin güçlü kuvveti tanımladığını farkeder (Euler, bugün kullandığımız pek çok matematik nosyonunun babasıdır. Örneğin, f(x) fonksiyon tanımlaması ona aittir)
Bu keşif, Veneziano'nun yıldızının parlamasına sebep olur. Konunun üzerinde çalıştıkça, maddenin temel parçacıklarının matematiksel ifade olarak noktasal olmaktan çıkıp küçük bir sicim şeklindeki uzamsal birimlere dönüşmesi gibi bir tuhaflığı ortaya çıkarır. Temel birim olan parçacıkların, titreşerek parçacığın sahip olduğu özellikleri ortaya çıkartan daha da temel bir yapısı olduğu görüşüdür bu. Ancak, sadece matematik denklemlerinin üzerinde kalem oynatmalarla ortaya çıkan bu yaklaşım fazla taraftar bulmaz. Kuantum mekaniği tüm ihtişamıyla kabul görmüştür bir kere; temel parçacıklar “noktasal”dır, “sicimsi” değil. Deneysel çalışmalar da bu kabullenmeyi desteklemektedir. Bilim insanları bu parçacıkları hızlandırıcılarda çarpıştırarak deneysel yeni kanıtlar peşinde koşmakta ve evrenin nasıl işlediğini göstermeye çalışmaktadır.
Parçacıklar
sadece maddenin yapı taşları değildir. Doğadaki kuvvetlerin
açıklaması da yeni parçacıkların birim olarak kullanılması
ile yapılmaktadır.
Maddelerin birbirini uzaktan etkilemesi (örneğin bir mıknatısın çiviyi çekmesi) haberci parçacıklar aracılığıyla olmakta ve bu kabullenme deneysel olarak da desteklenmektedir. Doğadaki dört temel kuvvetin üçü bu şekilde açıklanabiliyor: Elektromanyetik kuvvet, güçlü nükleer kuvvet ve zayıf nükleer kuvvet. Zamanda iyice geriye gidip büyük patlama anına çok yaklaştığımızda, evrenimizin çok küçük ve çok çok sıcak olduğu anlarda elektromanyetik kuvvet ile zayıf nükleer kuvveti bütünleşik olarak tanımlamak mümkündür. Bu birleşik kuvvete elektrozayıf kuvvet denilmektedir. Bunun bulunması Steven Weinberg, Sheldon Glashow ve Abdus Salam'a 1979 Nobel fizik ödülünü kazandırmıştır. Büyük patlama anına daha da yaklaştığımızda güçlü nükleer kuvvetin de elektrozayıf kuvvet ile bütünleşik olacağı tahmin ediliyor. Bu yaklaşım, standart model olarak adlandırılan ve bütün temel kuvvetleri aynı dilden konuşturarak kapsamlı bir çerçeve içine oturtan teoriyi oluşturmaktadır.
Standart
model aslında Einstein'ın rüyasıdır, ancak isim babası
Amerikalı fizikçi Steven Weinberg olmuştur. Teorinin yıllar
içinde gelişmesi önemini arttırır ve fizikçilere yeni Nobel
ödülleri kazandırır. Ancak standart modelin ciddi bir sıkıntısı
vardır. Parçacıklar evreninin çarklarını döndüren kuvvetleri
içine alırken pek de küçümsenemeyecek bir kuvvet dışarıda
kalır: kütleçekimi.
Bu eksik yüzünden genel göreceliğin dünyası ile kuantum
mekaniğinin dünyasını birleştirmek bir türlü mümkün
olamamaktadır. Buna rağmen, standart model günümüz parçacık
fiziğinin en kapsamlı teorisidir.
Bütün
bu gelişmelerin gölgesinde kalan sicim teorisiyle ilgilenmek
iddialı bir fizikçi için kariyerini riske atmak demektir; herşey
hayal kurmakla başlar ama biraz da ayaklarımız yere basmalı! Yine
de bazı hayalperestler sicim teorisinin peşinden gitmekten
vazgeçmez. Pek çok teorik fizikçi sicim teorisi üzerinde
çalışmaya devam eder. Ancak uzun zaman sicim teorisinin kenarda
köşede kalmasının esas sebebi matematiksel olarak da
tutarsızlıklar içermesidir. Zaten deneysel olarak desteklenmesi
çok zor olan bir teorinin bir de matematiksel tutarsızlıklar
içermesi ciddiye alınmaması için geçerli bir sebep değil mi?
1980'lerin ikinci yarısında bu matematiksel tutarsızlıkların
aşılmaya başlanması ile sicim teorisi yavaş yavaş dikkatleri
üzerine çekebilecek bir şekle bürünür.
Ne
diyor sicim teorisi? Madde atomlardan oluşur. Atomlar da elektronlar
ve çekirdek içindeki nötron ve protonlardan. Nötron ve protonlar
ise daha da küçük parçacıklar olan kuarklardan meydana geliyor.
Buraya kadar itiraz eden yok, kuantum mekaniği ile aynı gidiyor.
Ancak sicim teorisi, en alt seviyede bu temel parçacıkların da
titreşen, oynaşan enerji sicimlerinden meydana geldiğini iddia
ediyor. Bütün noktasal parçacıkları oluşturan bu sicimler o
kadar küçük ki, atomu güneş sistemi boyunda düşünürsek bir
sicim dünya
üzerindeki bir ağaç
kadardır (Planck uzunluğu ölçütünde, yani yaklaşık 1,6x10-35
metre.) Bir keman telinin farklı titreşimleri nasıl farklı
seslere -notalara- sebep oluyorsa, bu enerji sicimlerinin
-tellerinin- değişik şekillerde titremesi de parçacıklara farklı
özellikler kazandırmaktadır, mesela
kütle gibi. Bütünleşik
bir evren modeli ortaya koyan sicim teorisi, kuantum mekaniği ile
genel görecelik arasında ortaya çıkan uyuşmazlığı ortadan
kaldırabildiğini öne sürmektedir. Matematiksel olarak dört temel
kuvveti bir araya getirme iddiasındaki teori, Einstein'ın rüyasını
da gerçekleştirebilmektedir.
Öyleyse
sorun nerede? Matematiksel olarak varlık bulan sicim teorisi ne
deneysel, ne de gözlemsel olarak onaylanabilecek duruma gelemiyor.
Herşey kavramsal olunca bu teorinin bilimsel mi yoksa felsefi mi
olduğu bile tartışma konusu. Örneğin, İngiliz fizikçi Roger
Penrose sicim teorisinin bilimsel olmadığını, hatta henüz bir
teori bile olmadığını söylüyor.
Bu
sıkıntılara ilave olarak sicim teorisinin işini daha da
zorlaştıran ilave boyutlara ihtiyaç duymasıdır. dört boyutlu
evrenimiz (üç uzamsal boyut + zaman) sicim teorisini kesmiyor!
Aslında bu ilave boyut konusunu ortaya ilk koyan kişinin sicim
teorisiyle pek ilgisi yoktu. Alman matematikçi Theodor Kaluza, 1919
yılında Einstein'ın genel görecelik denklemlerini beş boyut
içine yerleştirdiğinde Maxwell'in elektromanyetizma denklemlerinin
kendiliğinden bu formülasyona dahil olduğunu görür. Bunu
Einstein ile de paylaşıp ondan ciddi ilgi ve destek alır. Buna
rağmen kuantum fiziğinin ortalığı kasıp kavurmaya başlaması
Kaluza'nın teorisini rafa kaldırtır: kimse durup dururken yeni bir
boyut yaratmak istemez!
Konuyu
şöyle açıklayalım: Einstein, genel görecelik teorisinde
kütleçekiminin dört boyutlu evrenimizdeki eğilmeler, bükülmeler
ile oluştuğunu ortaya koymuştu. Kaluza elektromanyetizmanın da
benzer şekilde çalıştığını düşünüyordu ancak eğilip
bükülecek yeni bir ortama ihtiyacı vardı; çünkü dört boyutlu
evren doluydu! Kaluza çaresiz olarak işini – matematiksel olarak
- beşinci boyuta taşıdı. Peki bu boyut nerede, neden
algılayamıyoruz? Bu konuda tatmin edici bir öneri oluşturamıyordu
ama derken yardımına İsveçli fizikçi Oskar Klein yetişti.
Klein, ilave boyutların mümkün olabileceğini ancak bunların çok
çok küçük olmaları nedeniyle algı dışı kalabileceklerini
iddia etti. İkilinin ortak çalışması sonunda Kaluza-Klein
teorisi ortaya çıktı. 1926 yılında Klein dördüncü uzamsal
boyutun (yani beşinci boyutun) dairesel olarak bükülmüş olduğu
fikrini ortaya koydu Bunu bir benzetme ile açıklayabiliriz: Yol
kenarındaki elektrik direkleri arasında gerili duran bir elektrik
telini düşünelim. Uzaktan bakıldığında bu tel, a noktasından
b noktasına giden tek boyutlu bir çizgidir (telin sarkmış
olmadığını var sayıyoruz: dümdüz bir tel) Bizim için uzaktan
tek boyutlu görünen bu telin üzerinde yürüyen bir karınca için
a-b doğrultusunda gidebilmenin yanısıra telin çevresi boyunca
dairesel olarak hareket edebilme olanağı da vardır. Karınca a-b
doğrultusunda ilerlemediği sürece, döngüsel boyuttaki hareketi
onu hep başladığı yere getirir. Yani, karınca uzaktan
algılanamayan döngüsel “bükülmüş” bir boyutta
ilerleyebilmektedir. Kaluza-Klein teorisi sadece dört boyutlu değil
daha fazla boyutlu uzayları da olanaklı kılar. İlave boyutların
algılanamaz derecede küçük olmaları bizim neden sadece dört
boyutlu bir evren modelimiz olduğunu açıklayabilir diye ümit
edilmektedir.
Bizi
çevreleyen ama algılanamayan ilave boyut fikri sicim teorisinin
temel varsayımıdır. Ancak varsayım burada bitmiyor çünkü sicim
teorisi için ilave bir boyut yetersiz kalıyor, ilave altı boyuta
gereksinim var. Yani toplam on boyutlu bir evrende yaşamalıyız ki
sicim teorisi işlesin. Bu tuhaflıklar içinde teori yavaş yavaş
gelişirken hiç istenmeyen bir durum ortaya çıkar ve 1990'lara
doğru birbiriyle rekabet eden beş ayrı sicim teorisi gelişir.
Herşeyi kapsayıp, açıkladığını iddia ederken kendisi
beşe bölünen
bir teori! Parçacık fizikçilerini iyice gülümseten, şaka gibi
bir durum. Bu varoluş sıkıntısının çözümü Amerikalı
fizikçi Edward Witten'dan gelir. Witten teoriyi neredeyse
küllerinden yeniden yaratır ve son haliyle ortaya yeni bir teori
çıkar: M-teorisi.
M-teorisi
matematiksel tutarsızlıkları ortadan kaldırıp, beş ayrı
alternatifi birleştirir ve teoriyi destekleyenlere gerçekten rahat
bir nefes aldırır. Ancak bir bedel karşılığında: 10 boyut da
yetmemektedir, yenilenmiş teori 11 boyutlu bir evreni öngörmektedir!
Dört boyutu anlıyoruz da kalan yedi boyutla nasıl başa çıkacağız?
Matematiksel olarak yeni
boyutlar
yaratmak sorun teşkil etmeyebilir ancak gerçek dünyada bunların
karşılığı gerçekten var
mı? Biz yine M-teorisi ne diyor, bakalım. İlave olunan yeni
boyutta sicimlerin uzamsal olarak uzaması veya genişlemesi ile bir
membrana -veya zara (tavla zarı gibi değil, kulak zarı gibi!) -
dönüşmeleri durumu ortaya çıkıyor. Bir membran üç boyutlu
veya daha fazla boyutlu olabilir. Yeterince enerji alabilirse devasa
ölçülere ulaşabilir, hatta bir evren boyutuna bile çıkabilir.
Bu yeni durum sicim teorisini öyle bir noktaya taşır ki artık
sadece sicimlerin ve atomaltı parçacıkların teorisi olmaktan
çıkar. Devasa membranlardan ve ilave boyutlardan bahsettiğimiz
zaman bizim evrenimizin kendisinin de çok boyutlu bir üst evrenin
içinde bulunan bir membran olması olasılığını ortaya
koyabiliyoruz. Böyle bir durumda kendi evrenimizin hemen yanıbaşında
komşu evrenler -membranlar- olması olasılığı da var.
Evrenimizin, yani membranımızın hemen altında ve üstünde
paralel evrenler olabilir. Bunların bazıları bizimkine benzer,
bazıları da benzemeyebilir: tamamen farklı fizik yasaları ile
şekillenmiş bize göre garip evrenler.
Nerededir
öyleyse bu zarımsı evrenler? M-teorisinin öngördüğü 11. boyut
içinde uzayan bu evrenler belki de hemen yanıbaşımızda, hatta
bize milimetrelerce yakındalar. O zaman niye göremiyoruz bunları?
M-teorisinin bu duruma getirdiği açıklama bir membranda hareket
eden parçacıkların bu membranın dışına çıkamıyor
olmalarıdır. Bizler üst boyuttaki bir evren içinde uzayan
incecik bir membranın üzerinde yaşıyoruz. Kurumak için yanyana
çamaşır iplerine asılmış çarşafların üzerinde dolaşan
minik böcekler gibi. Ancak böceklerden farkımız, bizim
evrenimizden -çarşafımızdan- komşu evrene -çarşafa-
geçebilmemizin
mümkün olmaması.
Şayet bu önerme doğru ise evrenle ilgili bütün modellerimiz
değişir.
Bu
kadar kavramsal çalışmanın elle tutulur bir çıkarımı olabilir
mi? M-teorisi fizikçileri standart modelin bir türlü nereye
koyacağını bilemediği kütleçekimi konusunda bir çözüm
sunduklarını iddia ediyor. Diğer üç temel kuvvete göre
kütleçekimi çok zayıftır, karşılaştırılamayacak kadar zayıf
(“koca gezegenleri güneşin etrafında tutuyor, bunun neresi
zayıf” demeyin sakın!) diğer kuvvetlerle olan bu fark bilim
insanlarının kafasını hep meşgul etmiştir. Neden böyle?
M-teorisinin bir spekülasyonuna göre aslında durum biraz farklı
olabilir. Belki de kütleçekimi göründüğü kadar zayıf
değildir. Diğer kuvvetlerin birimi olan parçacıklar ve maddenin
temel parçacıkları yukarıda anlatıldığı gibi bizim
membranımıza hapsolmuşken kütleçekiminin haberci parçacıkları
olan gravitonlar
membranımızdan kopup gidebilmektedir. Küçük bir bölümü bizim
membranımızda kaldığı için etkileri, yani kütleçekimi, zayıf
bir kuvvet olarak ortaya çıkmaktadır. M-teorisine göre
gravitonları diğer
parçacıklardan ayıran bu durumun nedeni onları oluşturan
sicimlerin şeklinin
farklı olmasıdır. Kendi evrenimizdeki, yani membranımızdaki,
bütün sicimlerin uçları açıktır ve bu açık uçlardan
membranımıza tutunurlar, bağlı dururlar. Gravitonları oluşturan
sicimler ise kapalı uçlu (dairesel, paket lastiği şeklinde)
olduklarından diğer sicimler gibi membrana bağlanamıyor ve
kolayca membrandan üst uzaya kaçabiliyor. Hatta bazıları komşu
membranlara da gidebilir. Tabii bu, diğer membranlardaki
gravitonların da bize ulaşabilmeleri anlamına gelir. M-teorisi
evrenimizdeki karanlık maddenin
(dark matter) bu şekilde açıklanabileceğini -şimdilik alçak
sesle- dile getiriyor. O halde diğer membranların bizi etkilemesi
söz konusu gibi görünüyor. Eh, en azından teorinin teorik(!)
boyutunda bu mümkün.
Zamanı
yaklaşık 13,7 milyar yıl geri sarıp büyük patlama
anına ulaştığımızda
evrenimizi çok çok küçük ve çok çok yoğun bir şekilde
buluruz. Bu şekildeki bir evrende fizik kuralları işlemez ve bilim
insanlarının tekillik
dediği tanımsız bir durum ortaya çıkar. Patlayan neydi,
patlamadan önce ne vardı gibi sorular cevapsız kalır. M-teorisi
büyük patlamanın bir
başlangıç olmadığını, hatta olağandışı bir durum
olmadığını öne sürüyor. Büyük patlamaya yol açan şey
paralel iki membranın bir noktada birbirine temas etmesidir. Üstelik
bu sürekli olabilen bir durumdur; membranlar kaskatı bir şekilde
durmuyor, bayrak gibi hafif hafif dalgalanıyorlar. Sonuçta
membranlar -büyük boyutlu da olsalar- birer sicim ve sicimler de
sürekli titreşmek zorunda.
M-teorisine
kafayı takmış fizikçiler -ki Stephen Hawking de bunlara dahil-
bir gün bu tahmin ve öngörülerin denenip doğrulanacağına
inanmakta. Burada kritik bir nokta ortaya çıkıyor. M-teorisi de
diğer fizik teorileri gibi denenebilirlik kriterini karşılamak
zorunda. Bu gerçekleşmezse bilimselliği şaibeli bir durumda
kalır.
Membranlardan
tekrar temel yapı taşı olan küçük sicimlere dönecek olursak, o
kadar küçükler ki varolduklarına dair dolaylı yollarla bile
gözlemsel ipuçları bulabilmek çok zor. Yine de, CERN'de yapılan
deney M-teorisine gönül vermiş fizikçiler ve matematikçiler için
çok önemli. Yaratılan çarpışmalar sırasında oluşan koşullar
bazı parçacıkların (graviton
diyelim) yok olmasına, yani üst uzaya kaçmalarına yol açabilir
beklentisi var. Bu durum deneyler sırasında gözlemlenir ise teori
deneysel bir destek almış olacak. Galiba M-teorisinin böyle bir
deneysel bulguya çok ihtiyacı var.
Einstein'ın
dediği gibi, herşey hayal etmekle başlar. Newton'un hayal gücü
fiziğe büyük bir teori hediye etti. Ancak Newton bile zamanın
akışının değişken olabileceğini hayal edememişti. Bunu ilk
defa “gözünde canlandıran” Einstein oldu. Hem özel hem de
genel görecelik, bu teorileri ilk defa duyan bir insana bilimden çok
bilim kurgu izlenimi verebilir ama yine de arada küçük bir fark
var: görecelik teorisi çatır çatır çalışıyor. Kuantum
mekaniği ise bizim dünyamızdan çok tavşanın peşinden deliğe
atlayan Alis'in dünyasına aitmiş gibi gelir insana. Richard
Feynman'ın dediği gibi “kuantum mekaniğini ilk öğrendiğinizde
anladığınızı zannederseniz bilin ki hiçbir şey
anlamamışsınız!” M-teorisi de bu “tuhaf teoriler” zincirine
yeni bir halka olarak ekleniyor. Bu hayalin ne kadar gerçeğe
dönüşeceğini ise zaman gösterecek.