Bir elmayı sürekli olarak daha küçük parçalara böldüğünüzü varsayalım. Sırasıyla moleküllere, atomlara ve atomun içindeki küçük parçacıklara ulaşırsınız. Bu parçacıklar protonlar, kuarklar ve gluonlardır. Ancak sicim teorisi modeline göre bu yolculuk burada sona ermez.
Fizikçiler, protondan milyarlarca kat daha küçük bir ölçeğe odaklanmaktadır. Bu ölçekte her şeyin minik ve titreşen sicimlerden oluştuğunu öne sürerler.
Sicim teorisi, ilk olarak 1960’larda fizik dünyasındaki büyük bir sorunu çözmek için ortaya çıktı. Bu sorun, kuantum mekaniği ile Einstein’ın genel görelilik teorisini birleştirmektir. Kuantum mekaniği en küçük parçacıkları yönetir. Genel görelilik ise kütleçekimini ve evrenin büyük ölçekli yapısını açıklar.
Bilim insanları bu iki teoriyi bir araya getirmekte uzun süredir zorlanmaktadır. Çünkü kütleçekimi kuantum ölçeklerine dahil edildiğinde denklemler matematiksel sonsuzluklara ulaşır. Bu durum denklemlerin işlevsiz kalmasına neden olur.
Sicim teorisi bu soruna alternatif bir çözüm sunar. Teoriye göre evrendeki her parçacık minik sicimlerin farklı titreşimlerinden meydana gelir. Bu duruma kütleçekim kuvvetini taşıdığı varsayılan hipotetik graviton parçacığı da dahildir. Matematiksel model, sicimlerin insanların deneyimlediği dört boyutun ötesinde var olmasını gerektirir. Bu sicimler en az 10 boyutta var olmalıdır.
Ancak teorinin önünde önemli bir test engeli bulunmaktadır. Sicim teorisini doğrudan test etmek ekstrem enerji seviyelerine ihtiyaç duymaktadır. Bunun için de bir galaksi büyüklüğünde parçacık hızlandırıcı gerekmektedir. Bu durum günümüz teknolojisiyle mümkün değildir.
Matematiksel Yaklaşım ve Sicim Teorisi İçin “Bootstrap” Yöntemi
Mevcut teknolojiyle doğrudan deneyler yapmak imkansızdır. Bu yüzden fizikçiler alternatif araştırma yöntemlerine odaklanmaktadır. Bu yöntemlerden biri “Bootstrap” (Özyükleme) yaklaşımıdır.
Bu stratejide bilim insanları, başlangıçta detaylı bir teori modeli varsaymazlar. Bunun yerine doğanın uymak zorunda olduğu birkaç geniş temel ilkeyi esas alırlar. Ardından bu ilkelerden hangi fizik yasalarının doğal olarak ortaya çıktığını belirlerler.
Yeni çalışmada araştırmacılar bu stratejiyi kullandı. Ekip, parçacıkların yüksek enerjili çarpışmalar sırasındaki saçılma davranışlarını inceledi. Yalnızca birkaç temel varsayımdan yola çıkarak sicim teorisi modelinin temel özelliklerine ulaştılar.
Çalışmanın başyazarı, bulguları şu sözlerle ifade etmektedir:
“Sicimler adeta denklemlerin içinden kendi kendine döküldü. Başlangıçta sicimlere dair hiçbir varsayımda bulunmamıştık. Ama bulduğumuz çözüm sicimlerin köşe taşı niteliğindeki tüm imzalarını barındırıyordu.”
Araştırmacılar, bu bulguların sicim teorisi modelini deneysel olarak kanıtlamadığını belirtmektedir. Ancak hesaplamalarda birçok farklı matematiksel sonucun ortaya çıkması mümkündü. Buna rağmen denklemlerin yalnızca tek bir çözüme işaret etmesi dikkat çekicidir.
Sicim Teorisi İçinde Parçacıkların Sonsuz Kulesi
Hesaplamalar sonucunda önemli bir özellik ortaya çıktı. Bu özellik “sicim spektrumu” olarak adlandırılmaktadır.
1960’ların sonunda geliştirilen bir matematiksel fonksiyon, hızlandırıcı deneylerinde görülen gizemli bir parçacık “kulesini” tanımlıyordu. Parçacıklar, kütle ve spin değerlerinin düzenli adımlarla arttığı bir dizi halinde ortaya çıkıyordu.
Uzmanlar o dönemi şu şekilde aktarmaktadır:
“O dönemde parçacık hızlandırıcılar, çarpışmalardan yayılan muazzam bir parçacık yığını üretiyordu. Bunlar farklı kütlelerde parçacıklardı. Bu büyüleyici bir durumdu ve kimse ne olduğunu anlamıyordu. Veneziano tüm bu kütleleri açıklayan bir fonksiyon yazdı. Böylece sonsuz bir parçacık kulesini ortaya koydu.”
Araştırmacılar daha sonra bu modelin benzerliğini fark ettiler. Bu yapı, titreyen bir keman telinin harmoniklerine (üst tonlarına) benziyordu. Bir keman teli çekildiğinde ana tonla birlikte bir dizi harmonik üretir. Sicim teorisi de evrendeki farklı parçacıkların benzer titreşim kalıplarından doğduğunu savunur.
1974 yılında John Schwarz ve Joël Scherk yeni bir durum fark ettiler. Sicim teorisi modelinin kütleçekimini de kapsayabileceğini gördüler. Bu keşif, genel görelilik ile bu yeni model arasında önemli bir bağ kurdu.
Schwarz, o dönemi şu sözlerle açıklamaktadır:
“O dönemdeki tüm parçacık fizikçileri gibi bizim de kütleçekimine karşı önceden gelen bir ilgimiz yoktu. Sicim teorileri, Einstein’ın genel görelilik teorisinin aksine çok yüksek enerjilerde kararlı davranmaktadır. Genel görelilik ise düşük enerjili bir yaklaşım olarak kalır. Bu nedenle, henüz pek çok şey anlaşılmamış olsa da heyecan duyduk. Sicim teorisinin bir versiyonunun her şeyin birleşik kuantum teorisini sağlayabileceği fikri bizi çok heyecanlandırmıştı.”
Teoriye göre farklı titreşim biçimleri farklı parçacıkları üretir. Örneğin, foton parçacığı en basit modda titreşen açık bir sicimden meydana gelir. Gravitonun ise kapalı ve titreşen bir sicimden doğduğu düşünülmektedir.
Sicim Teorisi Kuantum Yerçekiminin Matematiksel Çöküşünü Nasıl Önler?
Yeni araştırma, parçacık çarpışmalarının sonuçlarını açıklayan matematiksel ifadelere odaklandı. Bu ifadelere “saçılma genlikleri” (scattering amplitudes) denilmektedir.
Bilim insanları genel görelilik teorisini Planck ölçeğindeki çarpışmaları hesaplamak için kullanmaktadır. Bu ölçek, bir protonun kütlesinden yaklaşık 19 basamak daha büyük enerji seviyeleridir. Bu seviyelerde matematik işlevini yitirmekte ve anlamsız sonuçlar üretmektedir.
Araştırmacılar bu durumu şu sözlerle özetlemektedir:
“Genel göreliliği alıp Planck ölçeğindeki çok yüksek enerjilerde saçılma hesaplaması yaparsanız, mantıksız bir sonuç elde edersiniz. Her şey tamamen çöker.”
Sicim teorisi bu matematiksel sorunu “ultrasoftness” (aşırı yumuşaklık) adı verilen bir özellikle aşmaktadır. Ekstrem yüksek enerjilerde sicimler, etkileşimleri geniş bir alana yayar. Bu sayede denklemlerin hata vermesine neden olan keskin reaksiyonları engeller.
Fizikçiler bu durumu şöyle açıklamaktadır:
“Sicim teorisi çerçevesinde parçacıklar arasındaki enerji transferini artırdıkça yeni bir durum görürsünüz. Parçacıkların birbirlerinden saçılma olasılığı hızla düşer. Adeta parçacıklar birbirine çarpmak istemez. Birbirlerinin içinden serbestçe geçerler. Bu sayede saçılma genlikleri sonsuza gitmez. Çok daha kararlı davranır.”
Araştırmada Kullanılan İki Temel Varsayılan Koşul:
- Ultrasoftness (Aşırı Yumuşaklık): Parçacıkların yüksek enerjilerde kararlı ve yumuşak saçılma davranışı göstermesidir.
- Minimal Zeros (Minimal Sıfırlar): Saçılma olasılıklarının sıfıra ulaştığı özel noktaların sayısını en az düzeyde tutma kuralıdır. Bu noktalara “sıfır noktaları” (zeros) denir.
Araştırma ekibi, saçılma genliklerinin tutarlılık gereği özel kinematik noktalarda etkileşime girmemesi gerektiğini belirtmektedir. “Minimal sıfırlar” varsayımı, bu noktaların sayısını denklemlerin izin verdiği en az düzeyde sınırlar. Yalnızca bu iki koşul sisteme tanımlandığında matematiksel yapı sicim teorisi spektrumunu kendiliğinden üretti.
Makalenin ortak yazarlarından biri durumu şu şekilde açıklamaktadır:
“Sicim teorisinin tam detayları otomatik olarak ortaya çıktı. Buna, teorinin meşhur olduğu o sonsuz dönen parçacık kulesi ve harmonikleri de dahildir.”
Eski Bir Fikrin Modern Araçlarla Yeniden İncelenmesi
Uzmanlar, uyguladıkları “bootstrap” yöntemini bir Sudoku bulmacası çözmeye benzetmektedir. Başlangıçta size verilen birkaç basit kural bulunur. Bu kurallar eninde sonunda sizi tek bir benzersiz çözüme götürür.
Araştırmacılar, günümüzde modern araçlarla yürütülen bu yaklaşımın geçmişe dayandığını belirtmektedir. Orijinal keşif süreçleri ve geçmişteki çalışmalar da benzer bir yaklaşım içeriyordu. Onlar da belirli modeller varsayarak başlamadılar. Çözümler temel ilkelerden yola çıkarak ortaya çıktı.
Bu çalışma geçmişteki bazı araştırmalara dayanmaktadır. Geçmişte parçacık fiziğinde “bootstrap” yaklaşımını başlatan bilim insanlarının çalışmaları, daha sonra sicim teorisi ile ilişkilendirilecek olan sonsuz parçacık spektrumunun ilk işaretlerini sağladı.
Konunun uzmanları gelişmeleri şöyle değerlendirmektedir:
“Zamanında popülerliğini kaybeden bootstrap fikri, şimdi modern yöntemlerle yeniden canlandırılıyor. Artık yapabileceğimiz temel varsayımları daha net anlıyoruz. Ayrıca bunları saçılma genlikleri ile diğer gözlemlenebilir özelliklere dönüştürecek çok daha güçlü tekniklere sahibiz.”
Haberi Derleyen: Dilara SİPAHİ
KAYNAKÇA: