Sicim teorisi tamamen öldü mü?

Bir günlüğüne savaşa ve Türkiye’nin kendine özgü tuhaf dertlerine ara verelim, bugün biraz fizik konuşalım. Daha doğrusu konuşmaya başlayalım.

Bilimin amacı doğayı anlamak, doğanın kanunlarını bilmeye çalışmak. Doğa dediğimiz şey de, en temelde bizim fizik adını verdiğimiz disipline dayalı.

Fiziğin bütün yasalarını bilmiyoruz. Bir gün öğrenebilir miyiz, bundan da emin değiliz. İnsanın doğayı anlama, doğayı yöneten kanunları bulma çabası insan var olduğundan beri devam eden bir çaba.

Bu büyük macera içinde son 100 yıldır ciddi bir tıkanma ile karşı karşıyayız. İnsanlık geçmişte de böyle tıkanıklıklar yaşadı ama bu kez belki tarihimizde ilk kez tam olarak nerede tıkandığımızı biliyoruz, 100 yıldır bunu aşmaya çalışıyoruz ve henüz aşamadık.

İzninizle önce o tıkanmayı anlatacağım. Sonra da o tıkanıklığı aşmak için girişilen devasa bir çabaya geleceğim.

1687’de Isaac Newton’un ünlü ‘Principia’sı yayınlandığında, bu insanlık adına devasa bir adımdı. Newton, gezegenleri, yıldızları uzayda bir arada tutan ve birbiriyle uyumlu biçimde hareket ettiren temel kanunları bulmuştu.

Buna kısaca “kütle çekimi kanunları” adını veriyoruz. Newton’un bir odadada oturup sadece düşünerek bulduğu bu kanunlar, yüzyıllarca fizik biliminin en temel konularını çözdü.

Ama 19. yüzyıl, yani Newton’dan 200 yıl sonradan itibaren ortaya yeni problemler çıkmaya başladı. Newton kanunları hareket yasalarını bize veriyordu ama “enerji” diye bir sorunumuz vardı, bir sisteme dışarıdan enerji geldiğinde o sistemde yaşanan değişiklikleri de anlamamız lazımdı.

Bu ihtiyaç kısmen 19. yüzyıl boyunca geliştirilen termodinamik kanunlarıyla çözüldü ama izah edilemeyen, çünkü gözle görünmeyen ama sadece etkisi hissedilen başka “enerji”ler de vardı. Örneğin, mıknatıs nasıl oluyor da çekiyor veya itiyordu?

Bu konuda insanlığın önünü açan en önemli isim, bilimle ilgili hiçbir formel eğitimi olmayan ama gelmiş geçmiş en önemli bilim insanlarından biri olan Michael Faraday’dı.

Faraday’ın manyetizma ile ilgili çalışmalarını, en azından Newton seviyesinde bir dahi olan ve bize bugün yaşadığımız modern hayatın teknolojilerine temel oluşturan bilimi sağlayan James Clerk Maxwell ileri götürdü.

Burada bütün detaylarına girmeyeceğim ama nasıl Newton hareket ve kütle çekim yasalarını anlatabilmek için yeni bir matematik (calculus) icat ettiyse, Maxwell de yeni bir matematik icat etti. Onun matematiğine de “Alan teorisi” adını veriyoruz.

Maxwell’in elektro manyetik alanlar konusundaki denklemleri, fizikçilere çok büyük bir ufuk açtı, bugün konuştuğumuz modern fizik Maxwell denklemlerinin açtığı yol sayesinde var olabildi.

Bu yoldan ilk geçen insan Albert Einstein’dı. Onun on yıl arayla ortaya attığı özel ve genel görelilik teorileri, burada özellikle de genel görelilik, kütle çekiminin doğası konusunda Newton’un kanunlarının yerine geldi.

Einstein, Newton’dan farklı olarak kütle çekiminin nasıl gerçekleştiğini de izah etti. Newton, kütlelerin birbirlerini kütleleriyle ve aralarındaki mesafeyle doğru orantılı bir güçle çektiğini söylemişti ama bu “çekim”in mekanizması hakkında bir şey söylememişti. İşte Einstein bize o mekanizmayı verdi: Kütleler, uzay-zaman adını verdiğimiz “doku”yu büküyordu. Bu bükülme de ortaya kütle çekimini çıkarıyordu. Kütle çekimi bir sonuçtu.

Bunu hesaplamak için Einstein Maxwell’in temel denklemlerinden, daha doğrusu onun “Alan teorisi”nden yararlanmıştı. Einstein’ın denklemleri de alan denklemleridir.

Fakat Maxwell’in açtığı yoldan yürüyen başka isimler de vardı. Ernest Rutherford atomun varlığını kanıtlamakla kalmamış, atomun yapısını da çözmeye başlamıştı. Onun doktora öğrencisi Niels Bohr ilk hidrojen atomu modelini bulan isim oldu. Atomun bir çekirdeği ve çekirdeğin etrafında dolaşan bir de elektron vardı. Bunlar tersi elektrik yüklere sahipti, o sayede dağılmadan bir arada duruyordu.

Bohr için sadece “kuantum mekaniğinin babası” demek yetmez, o modern anlamıyla kimyanın kurucusu aslında. Atomun içindeki elektronları, onların enerji seviyelerini ve komşu atomlarla girdikleri ilişkileri bilmeden kimya yapamayız. Bugün lise derslerinde çocuklarımızın gördüğü temel kimyanın bu anlamda kurucusu Bohr’dur.

Niels Bohr kendisiyle aynı dönemde yaşayan başka pek çok fizikçiyle birlikte atomun iç dünyasıyla ilgiliydi ve 1927 yılında ortaya “kuantum mekaniği” adını verdiğimiz şey çıktı.

Einstein, zamanında Newton’dan kaynaklanan mekaniği değiştirmiş, yerine genel görelilik teorisini koymuştu. Bu teori evrensel ölçekte çalışıyordu. Yeni ortaya çıkan kuantum mekaniği ise dediğim gibi atomun içinde olup bitenleri bize söylüyordu.

Yalnız bir sorun vardı: Bu iki teori bir türlü bir araya gelemiyordu. Sanki minicik atomları ortaya çıkaran matematikle o minicik atomların oluşturduğu devasa kütleleri yöneten matematik birbiriyle uyumlu değildi.

20. yüzyılda, 1950’lerden itibaren geliştirilmeye başlanan ve bugün adına “Standart Model” denen model, bize atomun içinde yaşananlar, atomun nasıl olup da bir arada durabildiği gibi konularda mükemmel cevaplar verir. Ama bu cevaplar ister istemez eksiktir: Çünkü evrendeki dört temel “güç”ten sadece üçünü içerir Standart Model: Elektro manyetik kuvvet, ‘güçlü’ kuvvet ve ‘zayıf’ kuvvet.

Oysa Einstein’dan beri biliyoruz ki bütün evreni yöneten bir başka temel ‘güç’ daha var: Kütle çekimi.

100 yıldır dünyanın en akıllı insanları, ki bunlara Einstein’ın kendisi de dahil, kafa patlattılar ama kütle çekim gücünü atomun içine sokamadılar. Oysa bu güç, nasıl galaksilerden gezegenlere kadar her yerde etki yaratıyorsa benzer etkiyi atomun içinde de yaratmalıydı.

Fiziğin krizi dediğimiz şey tam olarak bu: Kütle çekimiye ilgili alan denklemleriyle kuantum mekaniğinin alan denklemlerini bir araya getiremiyor olmamız, tek bir denkleme veya denklemler serisine dönüştüremiyor olmamız.

Ben böyle anlatıyorum diye sanmayın ki gösterilen çaba ve bulunmak istenen şey soyut bir matematiksel anlatma yoludur. Evet, elbette önce matematiksel uyum ve tutarlılık aranıyor ama ardından o denklemlerin deneysel olarak da kanıtlanması, yani gerçek hayatı, doğayı temsil ettiğinin ortaya çıkarılması gerekli.

İşte bu ortak matematiği bulma konusunda kafa patlatan fizikçiler, 1960’lardan itibaren adına ‘Sicim teorisi’ adı verilen bir teoriyi geliştirmeye başladı.

Çok kabaca özetlemem gerekirse ‘sicim teorisi’ atomun içindeki en temel parçacıkların aslında arka plandaki çok ama çok minik sicim benzeri yapıların titreşimlerinin sonuçları olduğunu söylüyor.

Arka plandaki sicimler o kadar minik ki, bunlar üç boyutlu bile değil, sadece eni ve boyu olan iki boyutlu varlıklar ama titreşimleri ortaya üç boyutlu (zamanı da eklerseniz dört boyutlu) temel parçacıkları çıkarıyor.

Teorinin uzun on yıllara yayılan gelişimi içinde matematiksel tutarlığı sağlamak için teoriye yeni yeni boyutlar da eklendi ve sonunda ortaya 9 boyut ve bir de zaman boyutuyla birlikte 10 boyutlu nesneleri varsaymak zorunluğu çıktı.

Evet elbette hepimiz için 4 boyuttan (en-boy-yükseklik ve zaman) fazlasını hayal etmek imkansız gibi bir şey. Aslında iki boyutu her gün görmemize, gündelik hayatımızda sık sık kullanmamıza rağmen onu hayal etmek bile zor.

Ancak sicim teorisi en azından kağıt üzerinde kütle çekimi ile diğer kuvvetleri bir araya getiriyor. Gerçi teorinin matematiğini de tam anlamıyoruz, o kadar zor bir matematik ki, hesaplamaları da kolaylık olsun diye yaklaşık olarak yapıyoruz ama yine de sicim teorisi kendi içinde bir tutarlığa sahip.

Sorun şu ki, bir şey sadece güzel bir matematiksel anlatım diye gerçek olmak zorunda değil. Yani teorinin deneysel olarak da doğrulanması lazım. En azından teorinin bazı öngörülerinin deneysel olarak kanıtlanması gerek.

Bu maalesef bugüne kadar olmadı. Teorinin öngördüğü süper simetrik parçacıkları bir türlü bulamadık örneğin.

Burada bir de ekstra zorluk var: Teori, fizikte en küçük enerji paketi ve en kısa ölçü birimi kabul edilen Planck ölçeğinden daha küçük şeylerden söz ediyor. Biz Planck ölçeğini görmekte bile zorluk yaşıyoruz, ondan da küçük şeyleri nasıl göreceğiz?

Gözümüzle görmemiz zaten söz konusu değil ama bu ölçekte bir şeylerin varlığını dolaylı olarak, örneğin enerji seviyelerini dikkatle ölçerek gözlemleyebiliriz. Bu konudaki teknolojimiz giderek gelişiyor.

İşte şu sıralar Cenevre’deki CERN’de yer alan Büyük Hadron Çarpıştırıcısının enerji seviyesini olağanüstü yükselten son “upgrade” 2022’de tamamlandı, sayısız deney yapıldı. Yakında BHÇ yeniden kapatılacak ve bir yeni “upgrade” daha başlayacak.

Her seferinde yükseltilen enerji seviyelerine rağmen hala sicim teorisini dolaylı yoldan bile olsa doğrulayan bir sonuç henüz elde edilmedi.

O yüzden olsa gerek özellikle 1990’larda çok heyecanlı bir konu olan sicim teorisi konusunda epeydir pek yeni kitap çıkmıyor, heyecan biraz sönmüş durumda.

Ama tabii çıkmamış candan da ümit kesilmez, çünkü sicim teorisi de sürekli değişiyor, yenileniyor ve geliştiriliyor.

Dünyanın bir “yeni fizik”e ihtiyacı var, 100 yıllık duraklama geçmişin 300 yıllık duraklamalarından daha uzun geliyor bize.