Yüzyıllar boyunca insanlar devasa ve esrarengiz evrenin modellerini yarattılar. Bu yaklaşımlar, takımyıldızları gösteren gök kürelerinden bilgisayar tabanlı karanlık madde modellerine kadar kullanıcılarına keşfedecekleri daha somut nesneler sağlıyor.
Bose-Einstein yoğuşmaları ve tek fotonları ileten ekipmanlar gibi kuantum mekanik bileşenlerden modeller inşa eden araştırmacılar şimdi yeni bir paradigmayı araştırıyor. Fizikçilerin uzlaştırmak için mücadele ettiği iki teori olan genel görelilik ve kuantum mekaniğinin öngörüleri, sıradan hesaplama yeteneklerinin ötesindeki sorulara cevap verebilecek yeni bir simülasyon türü olan bu modeller tarafından araştırılıyor.
Haziran ayında Washington Spokane’de düzenlenen Atomik, Moleküler ve Optik Fizik Bölümü (DAMOP) toplantısında fizikçiler “Sentetik Eğri Uzaylarda Kuantum Madde” başlıklı bir oturumda bu alandaki son bulgularını tartışmak üzere bir araya geldi.
Kanada’daki Alberta Üniversitesi’nden Joseph Maciejko’ya göre “kuantum madde”, “kuantum mekaniğine uyan çok sayıda etkileşen parçacık” olarak tanımlanıyor. Araştırmacılar düz, küresel ya da hiperbolik dünyalar gibi çeşitli dünyalarda yerçekiminin etkilerini simüle etmek için simülasyonlarda bu parçacıkların etkileşimlerini kontrol edebilirler.
“Sentetik” terimi fizikçiler tarafından modern simülasyonların doğayı yansıtmaktan çok ondan etkilendiklerini belirtmek için kullanılır. Almanya’daki Heidelberg Üniversitesi’nden Markus Oberthaler şöyle açıklıyor:
“Evreni taklit etmiyoruz; amacımız basit bir teorik modeli uygulamaya koymak”.
Örneğin, kuantum alanlarını yalnızca iki uzamsal boyuta sahip kavisli bir dünyada çoğaltmak için ekibi bir Bose-Einstein yoğuşması yarattı. Evrenimizde üç tane sayıyoruz.
Öte yandan Maciejko, Princeton araştırmacıları tarafından tek tek fotonları seçici olarak yakalamak ve iletmek için kullanılabilecek küçük boşluklar olan dalga kılavuzu rezonatörleri kullanılarak yapılan bir deneyden esinlenen teorik bir çalışma sundu. Maciejko’ya göre, yedigen ve üçgenlerden oluşan bir ızgara şeklinde düzenlenmiş olan bu aygıtlar, fotonların Pringles çipine benzeyen iki boyutlu bir evrendeymiş gibi hareket etmelerine olanak sağladı.
Genel görelilik ve kuantum mekaniğini bir araya getirmek için sicim teorisi, hiperbolik bir uzayda kuantum fenomenleri üzerine yapılan araştırmalardan faydalanabilir. Maciejko bu simülasyonu kozmolojiden ayrı olarak, kendi başına büyüleyici bir konu olarak araştırıyor.
Öklid uzayında düz çizgilerden oluşan buz veya silikon gibi doğal kristallerin kafeslerinin aksine, Maciejko’nun Princeton’daki işbirlikçileri esasen kavisli, hiperbolik bir kafes üzerine yerleştirilmiş parçacıklarla yeni bir tür kristal geometrisi geliştirdiler.
Maciejko’nun sunduğu araştırmada, grubu bu tür bir kristale elektrik bandı teorisini uyguladı. Tipik olarak, bir malzemenin elektriği iletme kabiliyeti gibi toplu nitelikleri, bant teorisi ile tanımlanan malzemenin elektronlarının izin verilen enerjileri tarafından belirlenir. Ancak bant teorisi, Maciejko’nun analiz ettiği hiperbolik kristaldeki nesneden geçecek fotonların frekanslarını öngördü.
Bu çalışma, tipik olarak birbirinden izole edilmiş fizik alt alanlarını birleştirmektedir. Atomik, moleküler ve optik fizikçiler kuantum maddeyi kontrol etmek ve değiştirmek için yöntemlere sahipken, yoğun madde fizikçileri kuantum maddenin özellikleri hakkında fikir verebilir. Kozmolojik araştırmalar için en faydalı simülasyonları bulmak amacıyla Oberthaler tarafından daha fazla kozmolog ve astrofizikçi işe alınıyor.
Bu simülasyonlar teorisyenlerin de zihinlerini genişletiyor. Maciejko’ya göre, “Fizikte hiç kullanılmamış matematiği ithal etmemizi gerektiriyor.” “Genellikle, fiziği tanımlamak için matematiksel dilimiz tükendiğinde, dilimizi genişletmemize neden olan temelde yeni bir şeye dokunduğumuz anlamına gelir.” Bu matematik onun amaçları için cebirsel geometridir.
Bu çalışma, fiziğin tipik olarak birbirinden izole edilmiş alt alanlarını birleştirmektedir. Atomik, moleküler ve optik fizikçiler kuantum maddeyi kontrol etmek ve manipüle etmek için yöntemlere sahipken, yoğun madde fizikçileri kuantum maddenin özellikleri hakkında fikir verebilir. Oberthaler tarafından kozmolojik araştırmalar için en faydalı simülasyonları bulmak üzere daha fazla kozmolog ve astrofizikçi işe alınıyor.
Bu simülasyonlar aynı zamanda teorisyenlerin zihinlerini de genişletiyor. Maciejko, “Fizikte hiç kullanılmamış matematiği ithal etmemizi gerektiriyor” diyor. “Bu genellikle, fiziği tanımlamak için matematiksel dilimiz tükendiğinde, dilimizi genişletmemize neden olan temelde yeni bir şeye dokunduğumuz anlamına gelir.” Maciejko’nun amaçları doğrultusunda bu matematik cebirsel geometri.
Kaynak: aps.org/publications/apsnews
