FİZİĞİN KRİZİ – LEE SMOLIN

(Siz değerli okuyucularım için Lee Smolin’in kitabından hazırladığım özeti sunuyorum)

Elinizdeki kitabın temel fikri, deneysel desteği olmamasına rağmen baskın hale gelmiş bir araştırma programının kuramsal fiziğin temel ilkeleri üzerine yoğunlaşan kısmının ilerlemesini yavaşlatmış ve kitabın sloganını kullanırsak krize sokmuş olduğu iddiasıdır. Smolin bir bütün olarak bilim camiası için yazıyor ve bunun bir sosyolojisi olduğunu ifade etse de bu sosyolojinin coğrafi ayrımlarına değinmiyor. Bir hiyerarşiden bahsediyor, ama hiyerarşilerin de yine çoğunlukla coğrafi bir iç hiyerarşisi olduğunu irdelemiyor.(Sayfa 8 ve 9)

Son 25 yıl boyunca, malzemelerin özellikleri, moleküler fiziğin biyolojinin temelleri üzerindeki etkisi, engin yıldız kümelerinin dinamiği üzerine yapılan bulgular çok önemlidir. Ama doğanın temel yasaları üzerine gözle görülür yol katedemedik. Neden birdenbire fiziğin başı derde girdi? Mark Wise, standart model ötesi fizik üzerine çalışan kuramcıların önde gelenlerindendir. Perimeter Teorik Fizik Enstitüsünde, Ontario’da, temel parçacıkların kütlesinin kökeni üzerine yaptığı konuşmada: “Bu problemi çözmekte dikkate değer şekilde başarısız olduk demişti. İlave ediyor, John Preskill’le Caltech’te konuşurlarken fermion kütlesi hakkında konuşma yapsam 1980’lerde söyleyeceklerimi tekrar ederdim” diyor. Parçacık fiziği dünyasında, Technicolor’ı, preon modellerini ve süpersimetriyi, uzay zaman konusunda da twistor kuramı, nedensel kümeler, süper kütle çekim, dinamik üçgenlemeler ve ilmik kuantum kütle çekim yaklaşımlarını sayabiliriz. Diğerlerinden daha çok ilgi çekmiş sicim kuramı (string theory) var. Hem kütle çekimi hem de temel parçacıkları kapsadığını  iddia ediyor. Uzayın daha görülmemiş boyutları olduğunu ve bildiğimizden çok daha parçacık tipinin varlığını öne sürüyor. Aynı zamanda, bütün temel parçacıkların, basit ve güzel yasalara uyan tek bir varlığın, sicimin, değişik titreşimleri olduğunu öneriyor. Kendini bütün parçacıkları ve bütün kuvvetleri birleştiren bir kuram olarak ortaya koyuyor. Son 20 yılda bunca gayretlere rağmen kuramın doğru olup olmadığını bilmiyoruz. (Titreşim bir parçacık olabilir mi?) Sicim kuramının neredeyse sonsuz sayıda değişik çeşidi vardır. Evrenin genişlemesini, ivmelenmesini gözönüne alarak kısıtlarsak 10⁵⁰⁰ (evrendeki bütün atomların sayısından fazla) kuram kalıyor. Anladığımız az sayıdaki sicim kuramlarının herbiri şu andaki deneysel verilerle, genelde en az iki şekilde uyumsuz.

Yani bir çatışma ile karşı karşıyayız. Bu kuramın temel prensiplerini bilmiyoruz. Ne tür bir matematiksel dille ifade bulacağını bilmiyoruz.

Sicim kuramcısı Brian Greene son kitabı “Evrenin Dokusu”nda “birçok sicim kuramcısı bugün, yani ilk öne sürülmesinden otuz yıl sonra, sicim kuramı nedir? gibi basit bir soruya anlaşılır bir cevabımız olmadığına inanıyor.” Aslında elimizde fazladan boyutların varlığı hakkında ne kuramsal ne de deneysel bir delil var. Bazı uzmanlar kesin olarak ne olduğunu bilmedikleri sicim kuramının bir alternatifi olmadığı hakkında nasıl emin olabiliyorlar?

Sicim kuramının yükselişinin bir sonucu da temel fizik üzerine çalışanların ayrışmış olmasıdır. Birçok bilimci sicim kuramı üzerine çalışmaya devam ediyor ve bu alanda belki de 50 kadar doktora tezi kabul ediliyor. Ama derin kuşkular içerisinde olanlar da var; ya kuramın temel kavramına hiç rağbet etmeyenler ya da kuramın tutarlı bir yapıya oturtulmasını ve deneysel öngörülerde bulunmasını beklemekten bıkmış olanlar. Bu ayrışma her zaman arkadaşça değildir. Taraflar birbirlerinin bilimsel yeterliliği ve ahlaki standartları üzerine sürekli kuşkular dile getiriyor ve bu ayrışmanın içinde arkadaşlıkları sadece gerçek bilimsel çalışma koruyabiliyor.

Bazı genç sicim kuramcıları bana eğer böyle yapmazlarsa bir üniversitede profesörlük almaları çok zor olacağından, inansalar da inanmasalar da sicim kuramı üzerinde çalışmak zorunda kaldıklarını söylemişlerdi. Ve hakları var; Amerika Birleşik Devletleri’nde temel fiziğe sicim kuramı dışındaki fikirlerle yaklaşanların hemen hiçbir kariyer fırsatı yoktur. Amerikan üniversitelerinde, son 15 yıl boyunca kuantum kütleçekim hakkında sicim kuramı dışındaki yaklaşımlar üzerinde çalışan sadece üç bilim insanına yardımcı doçentlik ünvanı verildi ve bunların hepsi de tek bir araştırma grubuna gittiler. Bilimsel gerçeklilik açısından sicim kuramı zorluklar yaşasa da akademik dünyada tam bir zafer kazandı. Bu bilime zarar veriyor, çünkü bazıları gerçekten de gelecek vaadeden alternatif fikirlerin önünü tıkıyor.

İnsanların inandıkları alanda araştırma yapma haklarını savunanların en başında ben yer alırdım. Ama tek bir alanın çok iyi destek alması ve diğerlerinin gözardı edilmesi eğiliminden son derece endişeliyim.

Eğer gerçeğin keşfi uzay, zaman ve kuantum dünyası hakkındaki fikirlerimizi kökten bir şekilde yeniden düşünmemizi gerektiriyorsa bu eğilim trajik sonuçlara gebedir.

Nano teknoloji ile elektronun sadece bizim hazırladığımız bir kanalda dümdüz gittiğini düşünelim. A noktası ile B noktasına vardığı andaki hızını ölçelim. Hem bulunduğu yeri, hem hızını (momentumunu) aynı anda istediğimiz hassasiyetle çözebiliyoruz demektir. Elektrona ışıkla yaklaşıp hızını ölçmeye çalışmıyoruz. Zamanı ölçtük yolu elektrona biz dikte ediyoruz. Heisenberg belirsizlik prensibi uçtu gitti. Zaten prensipti, kanun değil !!! Bizim varlığımızla veya müdahalemizle olay nasıl etkileniyor? Makro iletişimde makro fizik; mikro iletişimde mikro fizik olmaz. Kanun fizik kanunudur. (Coulomb kanunu gibi) Her zaman her yerde aynı şekilde uygulanır! Kara delik içinde bildiğimiz fizik kanunlarının hepsi geçersizse demek ki bunlar fizik kanunu değilmişler!!! Kuantum kuramı ile genel görelilik ilkesel kuramlardır. Durum böyle olunca mantıksal olarak birleştirilmeleri gerekir. Mikrodan makroya, makrodan mikroya aynı kanunlarla geçebilmeliyiz. Orada başka kanun, aynı olayda burada başka kanun olamaz.  Zaman kristalinde (Harvard ve Maryland Üniversitesi Laboratuarlarında) 10 atom yterbium ve elmas kristalleri ile ayrı yerlerde ayrı deneyler nasıl oluyor da aynı şeyi veriyorlar? Zaman kristali olayı nedir? Çekim kuvveti maddenin içinden çıkar (Erik Verlinde, Amsterdam Üniversitesi, 7  seneden beri üzerinde çalışıyor) universal bir kuvvet değildir. Entropi bulanıklığından meydana gelir, lazerle atomların spinleri karıştırılır, entropi karışıklığından gravite meydana gelir!!! Kuantum mekaniğindeki eksiklik nedir? Kuantum mekaniğinin bir eksikliği varsa, sorunun fizikteki diğer problemlerle bağlantısı hakkındaki bilgi eksikliğinden ileri gelmektedir. Büyük ihtimalle kuantum mekaniği problemi tek başına çözülemeyecek, bunun yerine cevap, fiziği birleştirmek için yaptığımız çabalar sonucunda ortaya çıkacak. 1867’de Maxwell elektrik ve manyetizmayı tek bir kuram altında birleştirmişti ve bir asır sonra fizikçiler elektromanyetik alanın ve zayıf çekirdek kuvvetinin (radyoaktif bozunmadan sorumlu kuvvet) birleştirilebileceğini fark ettiler. Bunun sonucunda, öngörüleri son 30 yıldır defalarca doğrulanmış olan elektrozayıf kuram doğdu.

Doğada elektromanyetik ve zayıf kuvvetlerin birleşmesinin dışında kalan (bildiğimiz) iki kuvvet var. Bunlar kütleçekim kuvvetli çekirdek kuvvetleridir. Bu kuvvet kuarkları birarada tutarak, proton ve nötronları oluşturan kuvvettir. Acaba bu dört kuvveti birleştirebilir miyiz? Dünyada sadece iki tür parçacık olduğunu biliyoruz: kuarklar ve leptonlar. Kuarklar proton ve nötronların keşfettiğimiz diğer birçok parçacığın yapıtaşlarıdır. Leptonlar, elektron ve nötrino gibi, kuark olmayan bütün diğer parçacıklardır. Bildiğimiz kadarıyla dünya altı tip kuark ve altı tip leptondan oluşmuştur. Bu temel parçacıklar birbirleriyle, kütleçekim, elektromanyetizma, zayıf ve kuvvetli çekirdek kuvvetleri aracılığı ile etkileşirler. Oniki parçacık ve dört kuvvet, bilinen evrendeki herşeyi açıklamak için ihtiyacımız olan yegane unsurlardır. Kütleçekim ihmal edildiğinde bahsettiğimiz bütün parçacıkları ve kuvvetleri açıklayabilen kuramı temel parçacıklar fiziğinin standart modeli olarak adlandırıyoruz. Geçen 30 yılda bu kurama dayanarak birçok öngörüde bulunduk ve bunların hepsi de deneysel olarak kontrol edildi ve doğrulandı. Standart model 1970’lerin başında kurgulanmıştı. Nötrinoların kütleli olduğunun gözlemi dışında hiçbir düzeltmeye gerek duyulmadı. O zaman fizik neden 1975’te nihai bir bütünselliğe erişemedi? Geriye ne kalmıştı?

Bütün kullanılışlığına rağmen standart modelin büyük bir kusuru var. Ayarlanabilir çok sayıda sabit içeriyor. Bildiğimiz kadarı ile kuram bu değerler hakkında seçici değil: Hangi değerleri seçersek seçelim tutarlı bir kuram olarak kalmaya devam ediyor. Bu sabitler parçacıkların özelliklerini belirliyor: Bazıları kuarkların ve leptonların kütlesini, diğerleri kuvvetlerin şiddetini. Bu sayıların gözlenen değerinin neden böyle olduğu hakkında bir bilgimiz yok; sadece deneyler aracılığı ile onları belirleyip kuramda yerlerine koyuyoruz. Eğer standart modeli bir hesap makinesi gibi görürsek, bu sabitler de makinanın üzerinde yer alan ayar düğmelerine benziyor. Bu sabitlerden yaklaşık 20 adet var. Bu kadar çok serbestçe ayarlanabilir sabit olmasını temel bir kuram olma iddiasındaki standart model için bir utanç kaynağı olarak görüyoruz, diyor Lee Smolin. Ertek de diyor ki, madem bu sabitler sadece deneyler aracılığı ile bulunuyor, hepsini bul koy, iş bitsin!!! Deneyle bulunamıyorsa kuram ne yapsın?!!! Smolin’le devam ediyoruz. Bu sabitlerden herbiri bilgilerimizdeki eksikliklere işaret ediyor: Gözlenen değerlerin fiziksel sebeplerini ya da buna yol açan mekanizmaları anlamıyoruz.

Proton ve nötronun her ikisi de üçer kuarktan oluşur. Mezon denilen diğer parçacıkların içinde ise kuark ve anti kuark vardır. Bu buluş 1960’ların başında Caltech’teki Gell-Mann ve Cenevre’deki CERN laboratuarında çalışan Zweig tarafından yapılmıştır. Caltech fizikçisi Richard Feynman, protonun ve nötronun kuarklardan yapılmış olup olmadığını gösterebilecek deneyler önerdi. Bu deneyler daha sonra SLAC sisteminde gerçekleştirildi. 1967’de Weinberg ve Pakistanlı fizikçi Abdus Salam birbirlerinden bağımsız olarak, kendiliğinden simetri kırılmasını kullanarak elektromanyetik ve çekirdek kuvvetlerini birleştiren somut bir kurama vardılar. (Elektro zayıf kuvvetlerin Weinberg-Salam modeli) Çekirdek kuvvetlerini iletmekle yükümlü olan ve fotona benzeyen parçacıklar W⁺, W^- ve Z öngörülen özelliklere sahip olacak şekilde keşfedildiler. CERN’de bulunan Higgs bozonunun kütlesi 120 proton kütlesindedir. Bir fermiyonu bir bozonla değiş tokuş etmek ve sonunda da kararlı bir dünya resmine ulaşmak, ilk bakışta çılgınca gözükebilecek bir fikirdir. Buna rağmen, dört Rus bilimci Likthman, Yuri Golfand (1971’de), Vladimir Akulov ve  Dimitri Volkov (1972’de) tarafından oluşturulmuştur. O günlerde batı bilimcileri Sovyetler Birliği’ndekilerle iletişim içinde değildi. Sovyet bilimcilerinin seyahat etmesine çok ender durumlarda izin veriliyordu ve Sovyet kökenli olmayan dergilerde yayın yapmalarına da engel olunuyordu. Bu sebepten SSCB’de gerçekleştirilen birçok keşif batı tarafından takdir edilemiyordu. Süpersimetri fikrinin de akibeti böyle oldu. 1973’te Avrupalı fizikçiler Julius Wess ve Bruno Zumino farklı birçok süpersimetrik kuram buldular. Bir elektron protondan 1800 kat daha hafiftir. İki proton arasındaki elektrik itme kuvveti aralarındaki kütle çekim kuvvetinden 10³⁸ kat daha büyüktür. Richard Feynman, süpersimetri ve fazladan boyutların gerçek olup olmadığına dair şöyle diyor: “Hiçbir şey hesaplamıyor olmalarını beğenmiyorum. Deneylerle uyuşmayan herşey hakkında hep –iyi de, hala doğru olabilir- demelerine yarayan bir açıklama, bir tertip uydurmalarını beğenmiyorum. Yeni birşey üretmiyor, neredeyse hep mazur görülmesi gerekiyor. Doğru gözükmüyor.” diyor. Diğer bir muhalif, standart model üzerine olan çalışmalarıyla Nobel ödülüne layık görülmüş Sheldon Glashow: “Ama süper sicim fizikçileri kuramlarının gerçekten de çalıştığını daha gösteremediler ki, standart modelin sicim kuramının mantıksal bir sonucu olduğunu ispatlayamadılar.” diyor. “Resimlerinde proton ve elektronlar gibi şeylere yer olup olmadığından bile emin değiller.” deyip ilave ediyor, “Ne hala daha deneyler için ufacık da olsa bir öngörüde bulunabilmiş değiller. Daha da kötüsü, süper sicim kuramı doğa hakkında ikna edici temel birtakım varsayımların mantıksal bir sonucuymuş gibi gözükmüyor.”

Birinci süpersicim devrimi: Dönüm noktası Green ve Schwarz’ın yaptığı ve sonucu sicim kuramının sonsuzluklar içermeyen ve tutarlı bir kuram olduğu hakkında güçlü kanıtlar sunan bir hesaptı. Princeton Üniversitesi ve İleri Araştırmalar Enstitüsü’ndeki herkes bütün kuramsal fizikçiler konu üzerinde çalışmaya başladılar. Kısa sürede sicim kuramının biricik olmadığı anlaşıldı. Tutarlı tek bir kuram yerine, on boyutlu uzay-zamanda beş tutarlı süpersicim kuramı kurulabiliyordu. Bu gelecek 10 yıl boyunca çözülemeyecek bir bilmece yarattı. Zaman geçtikçe sicim kuramının da bir birleştirmeye ihtiyacı olduğu anlaşıldı. 1995’te gerçekleşen süpersicim devrimi tam olarak da bunu sağladı. Bu devrimin doğuşu genellikle Edward Witten’in mart ayında Los Angeles’ta düzenlenen bir sicim konferansında yaptığı konuşmaya bağlanır. Evrenin başlangıcında çok uzun sicimlerin yaratıldığı ve bunların hala varlıklarını sürdürdükleri sonucuna varılabilir. Evrenin genişlemesi bu sicimleri milyonlarca ışık yolu uzunluğuna getirmiştir. Onları süper iletkenlerde gerçekleşen kuantumlanmış manyetik akı çizgilerine benzetebiliriz.

Evrenin hayatının başlarında soğuması sonucu gerçekleşen faz dönüşümü esnasında yaratılırlar. Eğer uzak bir galaksi ile aramızda kozmik bir sicim varsa sicimin oluşturduğu kütleçekim alanı bir mercek gibi davranacak ve galaksinin görüntüsünü kendine has bir şekilde çoğaltacaktır. Ama aynı gözlem Hubble uzay teleskopu aracılığı ile tekrarlanınca bunun aslında birbirine çok yakın iki galaksiden oluştuğu anlaşıldı. Chicago’daki Enrico Fermi Enstitüsü’nde çalışan Friedan, “sicim kuramı bir fizik kuramı olarak başarısızlığa uğramıştır. Uzun mesafeler fiziği üzerine hiçbir şey söyleyememektedir, söyleyemez de. Gerçek dünyanın bilinen özellikleri üzerine hiçbir açıklama getiremediği gibi öngörüde de bulunamaz, hiçbir inandırıcılığı yoktur.” diyor.  

23.02.2019

Doç.Dr.Çetin ERTEK