Sicim Teorisi

“Her Şeyin Teorisi” mi, Matematiksel Bir Yanılsama mı?

Sicim teorisi gerçekliğin derin yasalarını mı açığa çıkarıyor? Yoksa karşıtlarının iddia ettiği gibi, bir nesil fizikçiyi yoldan çıkaran matematiksel bir yanılsama mı?
Okuma listesi
Çeviren:
Editör:
Smithsonian Magazine
Özgün Başlık:
Why String Theory Still Offers Hope We Can Unify Physics
1 Ocak 2015

Ekim 1984’te, içinde birkaç parça kıyafet ve yaklaşık beş düzine ders kitabı bulunan büyükçe bir valizle Oxford Üniversitesi’ne geldim. Harvard’dan fizik alanında yeni mezun olmuştum ve lisansüstü eğitime başlamak için sabırsızlanıyordum. Ancak birkaç hafta içinde üst sınıftaki öğrenciler hevesimi kursağımda bırakmıştı. Birçok kişi bana hâlâ yapabiliyorken alan değiştirmemi söyledi. Temel fizikte hiçbir şey yapılmıyormuş.

Birkaç ay sonra, prestijli Physics Letters B dergisinde, ilk süper sicim devrimini tetikleyen bir makale yayımlandı; bu, dünya çapında binlerce fizikçiye devam etmekte olan araştırmalarını bırakıp Einstein’ın uzun zamandır aradığı birleşik teori hayalinin peşinden gitmeleri için ilham veren bir hareketti. Alan genç, arazi verimli ve atmosfer elektrikliydi. Ardımda bırakmam gereken tek şey, dünyanın önde gelen fizikçileriyle birlikte koşma konusunda taşıdığım acemi çekingenliğiydi. Ben de öyle yaptım. Sonrası hayatımın en heyecan verici entelektüel macerası oldu.

Bu olay otuz yıl önce bu ay gerçekleşti, bu da şu anın bir değerlendirme için olgunlaşmış olduğunu gösteriyor: Sicim teorisi gerçekliğin derin yasalarını mı açığa çıkarıyor? Yoksa karşıtlarının iddia ettiği gibi, bir nesil fizikçiyi yoldan çıkaran matematiksel bir yanılsama mı?

Einstein ile eşanlamlı hale gelen birleşme, yüzyıllardır modern fiziğin merkezinde yer almaktadır. Isaac Newton, gezegenlerin ve Ay’ın hareketini yöneten aynı yasaların dönen bir tekerleğin ve yuvarlanan bir kayanın yörüngesini tanımladığını ortaya koyarak gökleri ve Dünya’yı birleştirdi. Yaklaşık 200 yıl sonra James Clerk Maxwell birleştirme bayrağını bir sonraki ayağa taşıdı ve elektrik ve manyetizmanın tek bir matematiksel formülle tanımlanan tek bir kuvvetin iki yönü olduğunu gösterdi.

Sonraki iki büyük adım gerçekten de Einstein’a yakışır nitelikteydi. Einstein 1905’te uzay ve zamanı birbirine bağlayarak birindeki hareketin diğerindeki geçişi etkilediğini gösterdi, ki bu onun özel görelilik teorisinin işaretiydi. On yıl sonra Einstein bu görüşlerini genel görelilik teorisiyle genişletti ve yıldızlar ve galaksiler gibi kuvvetleri yöneten kütleçekiminin en gelişmiş tanımını yaptı. Bu başarılarla Einstein, doğanın tüm kuvvetlerinin büyük bir sentezinin ulaşılabilir olduğunu öngördü.

Ancak 1930’a gelindiğinde fiziğin seyri tamamen değişmişti. Niels Bohr ve cesur kaşifler kuşağı mikro evrenin derinliklerine inerek, kökten yeni fiziksel kavramlar ve matematiksel kurallarla formüle edilmiş gizemli bir teori olan kuantum mekaniğiyle karşılaştılar. Atomların ve atom altı parçacıkların davranışlarını tahmin etmede olağanüstü başarılı olsa da, kuantum yasaları Einstein’ın kütleçekimi formülüne şüpheyle baktı. Bu, fizikçilerin genel görelilik ve kuantum mekaniğini, büyük ve küçük yasaları, her şeyi kapsayan tek bir tanımda birleştirmek için cesurca mücadele ettikleri, ancak tekrar ve tekrar başarısız oldukları yarım yüzyıldan fazla bir karamsarlığa zemin hazırladı.

Aralık 1984’te Kaliforniya Teknoloji Enstitüsü’nden John Schwarz ve o zamanlar Queen Mary College’da çalışan Michael Green, sicim teorisinin genel görelilik ve kuantum mekaniği arasındaki matematiksel karşıtlığın üstesinden gelebileceğini gösteren ve birleşik teoriye ulaşması kaçınılmaz görünen bir yolu açan, türünün tek örneği bir makale yayınlayana kadar durum böyle devam etti.

Sicim birleşmesinin altında yatan fikir cazip olduğu kadar basittir diyebiliriz. 20. yüzyılın başlarından bu yana, doğanın temel bileşenleri bölünmez parçacıklar olarak modellenmiştir (en bilinenleri elektronlar, kuarklar ve nötrinolardır) ve bunlar iç mekanizmalarından yoksun sonsuz küçük noktalar olarak resmedilebilir. Sicim teorisi, her parçacığın kalbinde küçük, titreşen sicim benzeri bir iplik olduğunu öne sürerek buna meydan okuyor. Ve teoriye göre, bir parçacık ile diğeri arasındaki farklar (kütleleri, elektrik yükleri ve daha ezoterik olarak spinleri ve nükleer özellikleri), iç sicimlerinin nasıl titreştiğindeki farklılıklardan kaynaklanmaktadır.

Bir çellonun güçlü sesi nasıl enstrümanın tellerinin titreşiminden kaynaklanıyorsa, doğanın parçacıklarının toplamı da sicim teorisi tarafından tanımlanan küçük ipliklerin titreşiminden kaynaklanacaktı. Yüzlerce yıllık deneyler sonucunda ortaya çıkarılan birbirinden farklı parçacıkların uzun listesi, doğanın notalarını oluşturan uyumlu “notalar” olarak yeniden şekillenecekti.

En sevindirici olanı ise, matematiğin bu notalardan birinin, kuantum fiziğine göre kütleçekimi kuvvetini bir yerden başka bir yere taşıması gereken varsayımsal bir parçacık olan “kütleçekimi” ile tam olarak eşleşen özelliklere sahip olduğunu ortaya koymasıydı. Bununla birlikte, dünya çapındaki teorik fizikçiler topluluğu hesaplamalarından başlarını kaldırıp baktılar. İlk kez yerçekimi ve kuantum mekaniği aynı kurallara göre oynuyordu. En azından teorik anlamda böyleydi.

Sicim teorisinin matematiksel temellerini 1985 ilkbahar ve yazındaki yoğun bir dönemde öğrenmeye başladım. Yalnız değildim. Hem lisansüstü öğrenciler hem de deneyimli öğretim üyeleri sicim teorisinin bazılarının “nihai teori” ya da “her şeyin teorisi” olarak adlandırdığı şey olma potansiyeline kapılmışlardı. Kalabalık seminer odalarında ve koridor sohbetlerinde fizikçiler yeni bir düzenin ortaya çıkmasını bekliyorlardı.

Ne var ki en basit ve en önemli soru ortada duruyordu. Sicim teorisi doğru muydu? Matematik evrenimizi açıklıyor muydu? Verdiğim açıklama deneysel bir strateji öneriyor. Parçacıkları inceleyin ve eğer küçük titreşen sicimler görürseniz, işiniz bitmiştir. Bu teoride iyi bir fikir, ancak sicim teorisinin öncüleri bunun pratikte işe yaramadığını fark ettiler. Matematik, sicimlerin boyutunun, dünyanın en güçlü hızlandırıcıları tarafından araştırılan küçük evrenlerden bile yaklaşık bir milyon milyar kat daha küçük olduğu belirlendi. Galaksi büyüklüğünde bir çarpıştırıcı inşa etmek dışında, sicimler, eğer gerçek iseler, fiziksel güçle tespit edilmekten kaçarlar.

Durumu daha da kötü hale getiren araştırmacılar, dikkate değer ama kafa karıştırıcı bir matematiksel gerçeğe ulaştılar. Sicim teorisinin denklemleri, evrenin günlük deneyimlerdeki üç boyutun (sol/sağ, ileri/geri ve yukarı/aşağı) ötesinde ekstra boyutlara sahip olmasını gerektirmektedir. Matematiği ciddiye alan araştırmacılar, koca bir duvara tosladıklarını fark ettiler. Ya ekstra boyutları anlamlandıracaklardı, ki bu bizim algıladıklarımızla büyük ölçüde çelişen bir öngörüdür ya da teoriyi bir kenara atacaklardı.

Sicim teorisyenleri, ilk kez 20. yüzyılın ilk yıllarında geliştirilen bir fikrin üzerine atladılar. O zamanlar teorisyenler iki tür uzamsal boyut olabileceğini fark etmişlerdi: doğrudan deneyimlediğimiz büyük ve geniş boyutlar ve en gelişmiş ekipmanlarımızın bile ortaya çıkaramayacağı kadar küçük ve sıkıca sarılmış boyutlar. Nasıl ki devasa bir halının uzamsal boyutu apaçık ortadaysa, ancak halının yığınını oluşturan dairesel ilmekleri görmek için ellerinizin ve dizlerinizin üzerine çökmeniz gerekiyorsa, evrenin de hepimizin özgürce dolaştığı üç büyük boyutu olabilir, ancak gözlemsel erişimimizin ötesinde olacak kadar küçük ek boyutları da bulunabilir.

Yılbaşından bir gün sonra 1985’te yayınlanmak üzere sunulan bir makalede, fizikçilerden oluşan bir dörtlü (Philip Candelas, Gary Horowitz, Andrew Strominger ve Edward Witten) bu öneriyi bir adım daha ileri götürerek, kusurları erdeme dönüştürdü. Ekstra boyutların çok küçük olduğunu varsaymanın, onları neden görmediğimizi açıklamakla kalmayacağını, aynı zamanda deneysel doğrulama için eksik köprüyü de sağlayabileceğini savundular.

Sicimler o kadar küçüktür ki, titreştiklerinde sadece üç büyük boyutta değil, aynı zamanda ilave küçük boyutlarda da dalgalanırlar. Bir Fransız kornosundan akan havanın titreşim kalıpları enstrümanın kıvrımları ve dönüşleri tarafından belirlendiği gibi, tellerin titreşim kalıpları da ekstra boyutların şekli tarafından belirlenecektir. Bu titreşim kalıpları kütle, elektrik yükü gibi parçacık özelliklerini belirlediğinden (deneysel olarak tespit edilebilen özellikler) dörtlü, ekstra boyutların kesin geometrisini bilirseniz, belirli deneylerin gözlemleyeceği sonuçlar hakkında tahminler yapabileceğinizi ortaya koymuştu.

Makalenin denklemlerini çözmek benim için tinsel aydınlanmanın sınırlarında gezinen nadir matematiksel girişimlerden biriydi. Gizli uzaysal boyutların geometrisinin evrenin Rosetta taşı olabileceği, doğanın temel bileşenlerinin gizli kodunu barındırabileceği düşüncesi, şimdiye kadar karşılaştığım en güzel fikirlerden biriydi. Aynı zamanda gücümün sınırlarını da zorluyıordu. Matematiksel yönelimli bir fizik öğrencisi olarak, ekstra boyutlu uzayların matematiksel formunu analiz etmek için gereken araçlar olan topoloji ve diferansiyel geometri üzerinde çalışmak için zaten büyük çaba harcamıştım.

Böylece 1980’lerin ortalarında Oxford’da küçük bir araştırmacı grubuyla birlikte sicim teorisinin öngördüğü şekilleri ortaya çıkarmaya koyulduk. Dörtlünün makalesi, sicim teorisinin matematiğinin izin verdiği ekstra boyutlu uzaylar kategorisini tanımlamıştı ve dikkat çekici bir şekilde, sadece bir avuç aday şekil biliniyordu. En umut verici görünen bir tanesini seçtik ve yüksek boyutlu geometride zorlu hesaplamalarla dolu ve doğanın en derin işleyişini ortaya çıkarmanın büyük düşünceleriyle beslenen yorucu günlere ve uykusuz gecelere başladık.

Bulduğumuz son sonuçlar parçacık fiziğinin çeşitli oturmuş özelliklerini başarılı bir şekilde bir araya getiriyordu ve bu nedenle dikkate değerdi (ve benim için bir doktora teziydi), ancak sicim teorisi için kanıt sağlamaktan uzaktı. Doğal olarak, grubumuz ve diğer pek çok kişi diğer olasılıkları değerlendirmek için izin verilen şekiller listesine geri döndü. Ancak liste artık kısa değildi. Aylar ve yıllar geçtikçe, araştırmacılar matematiksel onaydan geçen daha büyük şekil kümeleri keşfettiler ve adayların sayısını binlere, milyonlara, milyarlara ve daha sonra 1990’ların ortalarında Joe Polchinski’nin öncülük ettiği anlayışlarla, asla adlandırılamayacak kadar büyük sayılara çıkardılar.

Bu denli zenginlik karşısında sicim teorisi hangi şeklin seçileceğine dair hiçbir yönerge sunmuyordu. Ve her şekil sicim titreşimlerini farklı şekillerde etkileyeceğinden, her biri farklı gözlemlenebilir sonuçlar doğuracaktı. Sicim teorisinden benzersiz tahminler çıkarma hayali hızla kayboldu.

Halkla ilişkiler açısından bakıldığında, sicim teorisyenleri bu gelişmeye hazırlıklı değillerdi. Sekiz altın madalya vadedip “sadece” beş madalya kazanan Olimpiyat atleti gibi, teorisyenler de çıtayı sürekli olarak en yükseğe koymuşlardı. Sicim teorisinin genel görelilik ve kuantum mekaniğini birleştirmesi büyük bir başarıdır. Bunu, bilinen parçacıkları ve kuvvetleri kucaklama kapasitesine sahip bir çerçevede yapması, başarıyı teorik olarak anlamlı kılmaktan daha fazlası haline getirmektedir. Daha da ileri giderek parçacıkların ve kuvvetlerin ayrıntılı özelliklerini benzersiz bir şekilde açıklamaya çalışmak kesinlikle yüce bir hedeftir, ancak bu hedef başarıyı başarısızlıktan ayıran çizginin çok ötesinde yer almaktadır.

Bununla birlikte, sicim teorisinin meteorik yükselişinden rahatsız olan eleştirmenler bu fırsatı teorinin çöküşünü ilan etmek için kullandılar ve araştırmacıların ulaşamadıkları kutsal zeminden duydukları içten hayal kırıklığını, yaklaşımın çöktüğüne dair asılsız bir iddiayla bulanıklaştırdılar. Sicim teorisinin kurucu babalarından Stanford Üniversitesi’nden teorik fizikçi Leonard Susskind’in en güçlü şekilde dile getirdiği tartışmalı bir dönüşle patırtı daha da arttı.

Ağustos 2003’te İsveç’in Sigtuna kentindeki bir konferansta Susskind’le oturmuş, açıkladığı yeni bakış açısına gerçekten inanıp inanmadığını ya da sadece ortalığı karıştırmaya mı çalıştığını tartışıyorduk. “Ortalığı karıştırmayı severim” dedi kendinden emin bir edayla, “ama sicim teorisinin bize söylediği şeyin bu olduğunu düşünüyorum” diye de ekledi.

Susskind, eğer matematik ekstra boyutlar için doğru şekil olarak belirli bir şekli tanımlamıyorsa, o zaman belki de tek bir doğru şekil olmadığını savunuyordu. Yani belki de tüm şekiller, her biri ekstra boyutlar için farklı bir şekle sahip birçok evren olması anlamında doğru şekiller olmalıdır.

O zaman evrenimiz, her biri ekstra boyutlarının şekli tarafından belirlenen ayrıntılı özelliklere sahip geniş bir derlemenin sadece bir tanesi olacaktır. O zaman neden başka bir evrende değil de bu evrendeyiz? Çünkü gizli boyutların şekli, var olmamızı sağlayan fiziksel özelliklerin spektrumunu verir. Örneğin başka bir evrende, farklı şekil elektronu biraz daha ağır ya da nükleer kuvveti biraz daha zayıf hale getirebilir, bu da güneşimiz de dahil olmak üzere yıldızlara güç veren kuantum süreçlerinin durmasına ve Dünya’daki yaşama doğru amansız yürüyüşün kesintiye uğramasına neden olabilir.

Bu öneri her ne kadar radikal olsa da, Büyük Patlama’nın tek bir olay olmayabileceğini, bunun yerine çoklu evren olarak adlandırılan sayısız genişleyen evreni ortaya çıkaran sayısız patlamadan biri olduğunu öne süren kozmolojik düşüncedeki paralel gelişmeler tarafından destekleniyordu. Susskind sicim teorisinin, çoklu evrendeki evrenlerin her birini ekstra boyutlar için farklı bir şekille süsleyerek bu büyük kozmolojik açılımı artırdığını öne sürüyordu.

Sicim teorisi olsun ya da olmasın, çoklu evren oldukça tartışmalı bir şemadır ve bunu hak etmektedir. Sadece gerçekliğin manzarasını yeniden şekillendirmekle kalmıyor, aynı zamanda bilimsel hedefleri de değiştiriyor. Bir zamanlar son derece kafa karıştırıcı olduğu düşünülen sorulara neden parçacık kütlelerinden kuvvet güçlerine ve uzayı kaplayan enerjiye kadar doğanın sayıları belirli değerlere sahipler sorusuna cevap olarak omuz silkmek yeterli olacaktır. Gözlemlediğimiz ayrıntılı özellikler artık evrensel gerçekler olmayacak; bunun yerine, çoklu evrenin bizim köşemizdeki ekstra boyutların belirli şekli tarafından dikte edilen yerel yönetmelikler olacaklardır.

Aralarında sicim teorisyenlerinin de bulunduğu çoğu fizikçi, çoklu evrenin son çare olarak başvurulacak bir seçenek olduğu konusunda hemfikirdir. Ancak bilim tarihi de bizi, sırf beklentilere ters düştüğü için fikirleri reddetmemeye ikna etmiştir. Eğer öyle yapsaydık, tamamen kendine özgü olasılık dalgaları tarafından yönetilen bir gerçekliği tanımlayan en başarılı teorimiz kuantum mekaniği, fiziğin tarihin en karanlık köşesine gömülmüş olurdu. Nobel ödüllü Steven Weinberg’in dediği gibi, evren teorik fizikçileri neyin mutlu ettiğini umursamıyor.

Bu bahar, yaklaşık iki yıl süren yenileme çalışmalarının ardından Büyük Hadron Çarpıştırıcısı yeniden hayata dönecek ve protonları daha önceki çalışmalarında elde edilen enerjinin neredeyse iki katıyla birbirine çarptıracak. Bugüne kadar yapılmış en karmaşık detektörlerle kalıntıları eleyen araştırmacılar, son öngörüsü olan Higgs bozonu makine çalışmaya ara vermeden hemen önce doğrulanan, parçacık fiziğinin savaşta test edilmiş “Standart Modeli”ne uymayan herhangi bir şeyin kanıtını arayacaklar. Yenilenen makinenin sicimlerin kendilerini görmek için hâlâ çok zayıf olması muhtemel olsa da, sicim teorisinin yönünü gösteren ipuçları sağlayabilir.

Birçok araştırmacı umutlarını sicim teorisinin son derece düzenli matematiksel denklemlerinden ortaya çıkan yeni bir “süpersimetrik” parçacık sınıfı bulmaya bağlamış durumda. Diğer çarpıştırıcı sinyalleri, uzaysal olmayan boyutların ipuçlarını hatta sicim teorisinin küçük mesafe ölçeklerindeki kütleçekimini alışılmadık bir şekilde ele almasından kaynaklanan bir olasılık olan mikroskobik kara deliklerin kanıtlarını gösterebilir.

Bu tahminlerin hiçbiri kesin bir kanıt olarak adlandırılamasa da (sicim teorisi dışındaki çeşitli teoriler de bunları içermektedir), pozitif bir tanımlama Higgs parçacığının keşfiyle aynı seviyede olacaktır ve en hafif tabirle fizik dünyasını ateşe verecektir. Terazinin kefeleri sicim teorisine doğru eğilecektir.

Peki ya çarpıştırıcının en ufak bir sicimsel imza vermemesi durumunda (bazılarına göre büyük olasılıkla) ne olacak?

Deneysel kanıtlar doğru ve yanlışın son belirleyicisidir, ancak bir teorinin değeri aynı zamanda ilişkili alanlar üzerindeki etkisinin derinliğiyle de değerlendirilir. Bu ölçüye göre sicim teorisi standartların dışındadır. Binlerce makaleyi dolduran onlarca yıllık analiz, fizik ve matematiği kesen geniş bir araştırma alanı üzerinde dramatik bir etki yaratmıştır. Örneğin kara delikleri ele alalım. Sicim teorisi, 1970’lerde Stephen Hawking tarafından keşfedilen bir özellik olan iç düzensizliklerinin mikroskobik taşıyıcılarını tanımlayarak bir bulmacayı çözmüştür.

Geriye dönüp baktığımda, ne kadar ilerlediğimizi görmekten memnuniyet duyuyorum ancak deneyle bağlantımızın hâlâ kurulamamış olması beni hayal kırıklığına uğratıyor. Kendi araştırmam, ekstra boyutlu gizemlere yönelik yüksek matematiksel girişimlerden sicim teorisinin kozmolojik kavrayışlarına yönelik daha uygulamalı çalışmalara geçerken, teorinin benim yaşam sürem boyunca verilerle yüzleşeceğine dair artık yalnızca küçük bir umut besliyorum.

Yine de sicim teorisinin çekiciliği güçlü kalmaya devam ediyor. Genel görelilik ve kuantum mekaniğini sorunsuz bir şekilde bir araya getirme becerisi birincil başarı olmaya devam ediyor, ancak çekiciliği daha da derinlere iniyor. Görkemli matematiksel yapısı içinde, gayretli bir araştırmacı fizikçilerin son birkaç yüz yıldır dikkatle geliştirdikleri en iyi fikirlerin tümünü bulabilir. Böylesine derin bir kavrayışın tesadüfi olduğuna inanmak güç.

Einstein’ın sicim teorisinin yolculuğuna bakıp gülümseyeceğini, teorinin olağanüstü geometrik özelliklerinin tadını çıkarırken, birleşmeye giden uzun ve dolambaçlı yolda yol arkadaşlarıyla yakınlık hissedeceğini düşünmek istiyorum. Yine de bilim güçlü bir şekilde kendi kendini düzeltir. On yıllar boyunca deneysel destek olmadan sürüklenip giderse, sicim teorisinin bilimin ve matematiğin diğer alanları tarafından özümseneceğini ve yavaş yavaş özgün kimliğini kaybedeceğini düşünüyorum. Bu arada, güçlü bir araştırma ve yüksek dozda sabır kesinlikle gereklidir. Sicim teorisinin deneysel olarak doğrulanması halinde, gelecek nesiller çağımızı, bilimin olağanüstü ve zorlu bir teoriyi besleyecek cesarete sahip olduğu ve gerçekliği anlamaya yönelik en derin adımlardan biriyle sonuçlanan dönüştürücü bir dönem olarak hatırlayacaktır.

Bunları okudunuz mu?