Kuantum Kütleçekime İlişkin Temel Sorular

Bu saydıklarımızın son üç tanesi için fizikçilerin kuantum kuramları var. Böylece bu kuvvetlerden ileri gelen görüngülerin en küçük atomaltı ölçeklerde duyarlı hesaplamalarını yapabiliyorlar. Ancak kütleçekim bunun dışında kalıyor. Onlarca yıldır süren çalışmalara karşın kütleçekim için genel kabul gören bir kuantum kuramı halen mevcut değil. Evrenin temel özelliklerinin daha iyi anlaşılabilmesi için ise bu mutlak bir gereklilik.

Stanford Üniversitesi’nden Parçacık Fiziği ve Astrofizik alanında çalışan Prof.Lance Dixon, kuantum kütleçekim kuramının geliştirilmesine ilişkin temel noktaları soru-cevap şeklinde ele alıyor:

Kuantum kütleçekim nedir?

Kütleçekim hariç, doğanın temel kuvvetlerini kuantum mekaniği kavramlarını kullanarak tanımlayabiliyoruz. Parçacık fiziğinin Standart Modeli’nde özetlenen bu kuramlarda kuvvetler, etkileşen parçacıklar arasındaki minik bilgi parçacıklarının değiş-tokuşunun sonucudur. Örneğin elektriksel yükler, foton (elektromanyetik kuvveti taşıyan ışık parçacıkları) değiş-tokuşu yaparak birbirlerini iter veya çekerler. Güçlü ve zayıf kuvvetlerin de fotona karşılık gelen parçacıkları vardır. Bunlar sırasıyla gluonlar ve W ile Z bozonları olarak adlandırılır.

Atomaltı süreçleri hesaplamak için sürekli olarak bu kuramları kullanıyor ve inanılmaz hassaslıkta sonuçlar elde ediyoruz. Örneğin CERN’de bulunan Büyük Hadron Çarpıştırıcısı’nda (LHC) gerçekleşen karmaşık proton-proton çarpışmaları için son derece isabetli öngörüler yapabiliyoruz.

Ama kütleçekim farklı. Albert Einstein’ın genel görelilik kuramı büyük ölçeklerdeki kütleçekiminin kütleli nesnelerin uzay-zaman dokusunda yarattığı çarpıtmaların sonucu olduğunu açıklasa da, atomaltı parçacıkların kütleçekimden nasıl etkilendikleri konusunda birşey söylemiyor. Kuantum kütleçekimi, Einstein’ın genel göreliliği ile kuantum mekaniğini birleştirmeye çalışıyor. Diğer kuvvetlerle benzerlik kurarak, kütleçekimin de taşıyıcı parçacıkların değiş-tokuşu vasıtasıyla iletilebileceğini öngörüyor ve bu kuramsal parçacıkları graviton olarak adlandırıyoruz.

Araştırmacılar kuantum kütleçekiminin hangi soruları yanıtlamasını umuyor?

Kuantum kütleçekim evrene ilişkin önemli soruları yanıtlamamıza yardım edebilir.

Örneğin kuantum etkiler, ışığın bile kütleçekimlerinden kaçamadığı büyük kütleli nesneler olan kara deliklerin yakınında önem kazanıyor. Bununla birlikte, kara deliklerin tam olarak kara olmadığı düşünülüyor. Eğer olay ufkunun yakınındaki kuantum etkiler parçacık çiftleri üretirse ve eşlerden biri kara deliğe düşerken diğer eş düşmezse, düşmeyen eşe Hawking Işıması adı veriliyor.

Araştırmacıların daha iyi anlamayı umduğu bir diğer şey ise Büyük Patlama’dan sonraki ilk saniyeler. O anlarda evren aşırı derecede sıcak ve yoğundu, devasa bir enerjiydi. Planck ölçeği denilen o enerji ölçeğinde, kütleçekim diğer temel kuvvetler kadar güçlüydü ve kuantum kütleçekimsel etkiler çok önemliydi. Ama o enerjilerdeki fiziği betimleyebilecek bir kuantum kütleçekim kuramına sahip değiliz.

Dünya üzerinde gerçekleşen süreçlerin çok daha küçük enerji ölçeklerinde olduğunu, kütleçekim üzerinde ölçülemeyecek denli küçük kuantum düzeltmeler olduğunu unutmamak gerek. Örneğin LHC’de ulaşılabilen en yüksek enerjiler bile Planck ölçeğinden milyarlarca kat düşük kalıyor. O nedenle kuantum kütleçekim çalışmaları büyük ölçüde “düşünce deneyleri”nden ibaret kalıyor.

Kütleçekimin bir kuantum kuramını bulmak neden bu kadar zor?

Kuantum kütleçekimin bir versiyonu sicim kuramı tarafından sunulmuş durumda, ama başka olasılıkları araştırıyoruz. Kütleçekim, kuantum kuramlarına sahip olduğumuz diğer kuvvetlerden epey farklı.

Herşeyden önce kütleçekim aşırı derecede zayıf. Diğer üç kuvvetin en zayıfı olan Zayıf Kuvvet’ten bile milyarlarca kat daha zayıf. Aslına bakarsanız kütleçekimin farkına varabilişimizin tek nedeni gezegeni oluşturan tüm parçacıkların toplam çekim kuvvetini hissediyor oluşumuz.

Kütleçekimin bir diğer farkı da kütleli nesnelerin birbirlerine daima çekim uyguluyor oluşu. Tersine, güçlü kuvvet sadece çok yakın mesafelerde çekim uygularken, elektromanyetik kuvvet yüklerin işaretine göre çekici veya itici olabiliyor.

Son olarak, graviton diğer tüm kuvvet taşıyıcı parçacıklardan farklı bir parçacık özelliğine sahip. Spini, diğerlerinin iki katı kadar.

Hesaplamalar bundan nasıl etkilenir?

Matematiksel olarak ele alınması çok daha zorlaşır.

Biz genellikle kuantum etkileri hesaplamaya baskın bir matematiksel terimle başlıyoruz ve giderek küçülen terimlerle devam ediyoruz. Hesaplamamız gereken terimlerin sayısı, yani mertebe, elde etmek istediğimiz duyarlılığa bağlı. İşi karmaşık hale getiren şeylerden biri yüksek mertebeli terimlerin bazen sonsuz büyüklükte olması ve bizim öncelikle bu sonsuzluklardan kurtulmamız gerekiyor. Yoksa anlamlı öngörüler yapamayız.

Elektromanyetik, zayıf ve güçlü kuvvetler için bunu nasıl yapacağımızı uzun zamandır biliyoruz. Her mertebedeki sonsuzlukları yok etmek için renormalizasyon dediğimiz sistematik bir yöntemimiz var. Böylece kuantum etkileri çok hassas biçimde hesaplayabiliyoruz. Ne yazık ki kütleçekimin farklı doğasından ötürü henüz kütleçekimin renormalize edilebilir bir kuramını bulamadık.

Şu ana dek kuantum kütleçekim hakkında neler öğrendiniz?

Geçtiğimiz yıllarda bu alanda çalışan bilimciler, kuantum kütleçekim hesaplamalarının nasıl yapılacağının daha iyi anlaşılmasında önemli adımlar attı. Örneğin belli kuramlarda ve belli bir mertebede graviton etkileşimleri için yazılan karmaşık matematiksel ifadelerin yerine, zaten bildiğimiz daha basit ifadeler olan gluon etkileşimlerinin karesini yazabileceğimiz anlaşıldı.

Bu keşif sayesinde kuantum etkileri giderek artan mertebelerde hesaplamayı başardık. Bu da sonsuzluklar ortaya çıktığında bize yardımcı oluyor. Meslektaşlarım ve ben N=8 süperkütleçekim adı verilen bir kuramda hiçbir sonsuzluğa rastlamadan dördüncü mertebeye kadar hesaplama yapabildik.

İdealimiz, sonsuzluklara ilişkin çeşitli öngörüleri sınamak için daha yüksek mertebelere çıkmak, ama bu çok zor.

Yakın zamanda bir de birbirleri üzerinden saçılma yapan iki gravitona ilişkin kuram üzerine çalışmamız oldu. 30 yıldan fazla süre önce, bu hesaplamaların ikinci mertebesinde sonsuzlukların belirdiği ve bunların dualite dönüşümleri ile değiştirilebileceği gösterilmişti. Yani kütleçekimsel alanların bir tanımını, eşdeğer bir başkası ile değiştirebiliyoruz. Bu değişim çok şaşırtıcıydı çünkü tanımların kuantum düzeyinde eşdeğer olmayabileceği anlamına geliyordu. Şimdi biz bu farklılıkların aslında temelde yatan fiziği değiştirmediğini göstermiş olduk.

Sizin kuantum kütleçekim yaklaşımınızın sicim kuramından farkı ne?

Bizim yaklaşımımızda atomaltı parçacıklar noktasal olarak betimleniyor, tıpkı Standart Model’de olduğu gibi. Bu parçacıkların her biri uzay ve zaman boyunca yayılan bir temel alan ile ilişkili oluyor. Öte yandan sicim kuramında parçacıkların yayılmış bir nesnenin farklı titreşimleri olduğu düşünülür; aynı gitar telinden çıkan farklı notalar gibi. İlk yaklaşımda, örneğin gravitonlar ile fotonlar kütleçekimsel ve foton alanları ile bağlantılıdır. sicik kuramında ise her ikisi de bir sicimin farklı titreşim modlarıdır.

Sicim kuramının çekici yanlarından biri, parçacıkları noktasal olmayan yani yayılmış nesneler olarak almasının sonsuzlukları gideriyor olmasıdır. Dolayısıyla ilkesel olarak sicim kuramı kütleçekimsel etkileri atomaltı düzeyde öngörebilir.

Bununla birlikte, araştırmacılar yıllar içinde sicim kuramlarının doğru görünmesini sağlayacak başka yollar bulmuşlardır. 1980’lerin ortasında Princeton’da lisansüstü öğrencisi olduğum dönemde, öngörü yapabilecek sicim kuramı için çok sayıda seçenek olabileceği aklıma gelmişti. 10 yıl kadar sonra olası çözüm sayısı 10^500 mertebesine ulaşmıştı. Bir karşılaştırma yapmak gerekirse Dünya üzerindeki insan sayısı 10^10’dan azdır; Samanyolu’ndaki yıldız sayısı da 10^12’den azdır. Peki bizim evrenimizi doğru biçimde tanımlayanını nasıl bulacağız?

Kuantum kütleçekim için ise durum tam tersi. Bu da yaklaşımı sicim kuramından daha iyi öngörü yapabilir kılıyor, ilkesel olarak. Muhtemelen kuantum kütleçekimdeki sonsuzlukları uygun biçimde gidermemizi sağlayacak pek fazla kuram yok; daha bir tane bile bulmuş değiliz.

Ne tür bir gelişme bu alanda çığır açardı?

Birisi mucizevi bir şekilde, kuantum kütleçekimsel etkileri şu an mümkün olandan daha yüksek duyarlılıkta öngörmek için tutarlı olarak kullanabileceğimiz bir kuram bulsa, çok ilginç olurdu. Böyle bir kütleçekim kuramı, şu an elimizde bulunan diğer doğa kuvvetleri tablosuna uyardı.

Kaynak
*Bilimfili - "Kuantum Kütleçekime İlişkin Temel Sorular"
http://bilimfili.com/kuantum-kutlecekime-iliskin-temel-sorular/