Kozmolojik sabit problemi fizik dünyasının en büyük gizemlerinden birini oluşturuyor. Bu değer evrenin hızlanan genişlemesini sağlayan enerjiyi tanımlıyor. Ayrıca bilimin en başarılı iki teorisi arasındaki büyük bir çatışmanın merkezinde yer alıyor. Kuantum alan teorisi (QFT) boş uzayın kuantum dalgalanmalarıyla dolup taştığını öngörüyor. Hesaplamalar sabitin olağanüstü derecede büyük olması gerektiğini gösteriyor. Ancak gözlemler tamamen farklı bir tablo çiziyor. Gerçek değer teorinin öngördüğünden inanılmaz derecede küçük kalıyor. Brown Üniversitesi araştırmacıları bu duruma yepyeni bir açıklama getiriyor. Ekip, uzay-zamanın matematiksel bir özelliğinin sabitin devasa değerlere ulaşmasını engellediğini savunuyor. Geliştirdikleri fikir kuantum kütleçekimi ile kuantum Hall etkisi arasında beklenmedik bir bağlantı kuruyor.
Kuantum Kütleçekimi ve Kozmolojik Sabit
Bilim insanları kuantum kütleçekimine yönelik basit bir yaklaşımın matematiğini inceledi. İlgili yapının kuantum Hall etkisini açıklayan matematikle büyük ölçüde benzeştiğini fark ettiler. Söz konusu etki elektriksel iletkenliğin son derece hassas değerler aldığı alışılmadık bir durumu yansıtıyor. İletken malzeme kusurlar içerse bile değerler değişmiyor. İstikrar doğrudan topolojiden kaynaklanıyor. Topoloji, bir sistemin temel şekli veya yapısıyla ilgilenen matematik dalını temsil ediyor.
Uzmanlar benzer bir topolojinin Chern-Simons-Kodama (CSK) durumunda da ortaya çıktığını savunuyor. Çalışmanın ortak yazarı olan fizik profesörü süreci şu sözlerle açıklıyor:
“Uzay-zaman bu özel topolojiye sahipse, kozmolojik sabit probleminin en ölümcül kısımlarından birini çözüyor. Sabitin değerini patlatması gereken tüm kuantum dalgalanmaları bu topoloji sayesinde etkisiz kalıyor. Böylece sabitin değeri tamamen istikrarlı duruyor.”
Brown Üniversitesi Teorik Fizik Merkezi ekibi bu önemli bulguları Physical Review Letters dergisinde yayımladı.
Einstein’ın En Büyük Hatası
Ünlü fizikçi Albert Einstein bu kavramı genel görelilik denklemlerine ilk kez ekledi. O dönemde Einstein evrenin statik olduğuna inanıyordu. Denklemlerinin çöken bir evren öngörmesini engellemek için bu değeri kullandı. Bunu boş uzayda kütleçekimini dengeleyen bir tür itici etki olarak tasarladı. Edwin Hubble 1929 yılında evrenin genişlediğini keşfetti. Kozmosun statik olmadığı ortaya çıkınca Einstein terimi denklemlerinden sildi. Hatta daha sonra bu hamlesini “en büyük hatası” olarak nitelendirdi. On yıllar boyunca bu hesaplama büyük ölçüde önemini yitirdi. Astronomlar 1998 yılında evrenin genişlemesinin hızlandığını fark ettiler. Gizemli sayı bu hızlanan genişlemeyi açıklayabildiği için aniden yeniden temel bir ihtiyaç haline geldi.
Kuantum Alan Teorisi ve Gözlem Uyumsuzluğu
Kavramın yeniden canlanması fizik dünyasında ciddi bir problem yarattı. İlgili değerin gözden düştüğü yıllarda kuantum alan teorisi bilimin en başarılı kuramlarından biri haline geldi. Bu teori boş uzayı sürekli ortaya çıkıp kaybolan parçacıklarla dolu bir ortam olarak tanımlıyor. Tüm bu aktivite devasa miktarda bir vakum enerjisi üretiyor. Bahsedilen vakum enerjisi doğrudan kozmolojik sabit ile ilişki kuruyor. Dolayısıyla sayının olağanüstü derecede büyük olması gerekiyor.
Gözlemler ise bunun böyle olmadığını kanıtlıyor. Değer teorinin öngördüğü kadar büyük olsaydı evren çok hızlı genişlerdi. Galaksiler, yıldızlar, gezegenler ve nihayetinde yaşam asla oluşamazdı. Modern fiziğin en şaşırtıcı sorunlarından biri bu teorik uyumsuzluktan doğuyor.
Topolojik Çözüm ve Kozmolojik Sabit
Uzmanlar yıllarını kuantum alan teorisinden doğan CSK kütleçekim durumunu inceleyerek geçirdi. Fizikçiler henüz kütleçekimini en küçük ölçeklerde tanımlayan tam bir teoriye sahip değiller. Araştırmanın baş yazarı CSK yaklaşımını şu şekilde değerlendiriyor:
“Kütleçekimini kuantize etmek için gerçekten muhafazakar bir yaklaşım kullanıyoruz. Dirac, Schrödinger ve Wheeler gibi isimler de bu yöntemi uyguladı. Bu sadece eski moda, iyi bir kuantizasyon işlemidir.”
Kuantum Hall etkisi, manyetik alanın etkilediği son derece ince malzemelerden elektrik aktığında ortaya çıkıyor. İnce ve dikdörtgen bir metal şeridin elektrik akımı taşıdığını düşünün. Bilim insanları bir manyetik alan uyguladığında akıma dik açılarda ikinci bir voltaj gelişiyor. Aşırı soğuk sıcaklıklarda ve çok güçlü manyetik alanlarda sistemin davranışı dramatik bir şekilde değişiyor. Hall voltajı düzgün bir şekilde artmak yerine farklı adımlar ve platolar çiziyor. Topoloji, bu uç koşullarda elektronların kolektif davranmasını ve yüksek oranda korelasyonlu bir duruma girmesini sağlıyor.
Araştırmacılar farklı disiplinleri bir araya getiriyor. Çalışmayı yürüten profesör bu durumu şöyle özetliyor:
“Teorik Fizik Merkezi’mizin güzelliği de tam olarak burada yatıyor. Birçok farklı perspektifin birbirine karıştığı bir yer olmak istiyoruz. Bir kozmolog ile yoğun madde fizikçisi yakından çalışarak tam olarak bunu başarıyor.”
Kuantum Kütleçekimi İçin Yeni Bir Yön
Araştırma ekibi benzer bir sürecin kuantum kütleçekiminin CSK tanımında da gerçekleştiğini savunuyor. Topolojinin Hall voltajını belirli değerlere kilitlemesi gibi uzay-zamanın topolojisi de kozmolojik sabit değerini kararlı kılıyor. Bu yapı gizemli sayıyı çok daha yükseklere çıkaracak dalgalanmalardan koruyor. Ekibin topoloji uzmanı durumu şu sözlerle detaylandırıyor:
“Kuantum Hall’daki elektriksel iletkenliğin kuantizasyonunun kozmolojik sabit ile bir analoğu olduğunu görüyoruz. Sabit, topolojik nedenlerden dolayı kuantize oluyor. Teorideki kısıtlamalar onu belirli izin verilen değerleri almaya zorluyor.”
Araştırmacılar konunun topolojik bir açıklamasını tam olarak kurmadan önce çok daha fazla çalışmaya ihtiyaç duyuyor. Yine de bulgular problemin kütleçekimsel tarafını çözmeye yönelik önemli bir adımı temsil ediyor. Bilim insanları CSK durumunun gelecekteki bir teori için ciddi bir aday olduğunu kanıtlıyor. Çalışmanın ortak yazarı sözlerini şöyle tamamlıyor:
“Kuantum kütleçekimine yönelik bu eski, muhafazakar yaklaşımı aldık ve başından beri orada olan yeni bir şey keşfettik. Şimdi bu fenomenin nasıl çalıştığına dair daha büyük bir resim üzerinde çalışıyoruz.”
Haberi Derleyen: Dilara SİPAHİ
KAYNAKÇA: