Kuantum Kütleçekimi Nedir?

Kütleçekim, insanlığın varlığını kabul ettiği ilk temel kuvvet olmasına rağmen, hala en az anlaşılanı. Fizikçiler, kütleçekimin bowling topları, yıldızlar ve gezegenler üzerindeki etkisini muhteşem bir doğrulukta öngörebilirken, kimse bu kuvvetin küçük parçacıklarla ya da kuantalarla nasıl etkileşime girdiğini bilmiyor. Kuantum kütleçekim teorisi, yani kuvvetin, evrenin en küçük parçalarında nasıl çalıştığına dair geliştirilen teorimiz için neredeyse bir asırdır süren araştırma; tüm galaksileri, kuarkları ve aradaki her şeyi tek bir kütleçekim kuralının idare etmesi gerektiği şeklindeki basit bir beklenti tarafından yönlendirilmekte.^[1] Massachusetts Teknoloji Enstitüsü'nden (MIT) teorik fizikçi Netta Engelhardt, şöyle anlatıyor:

Eğer bir kuantum kütleçekim teorisi yoksa, o zaman evren yalnızca kaostan ibarettir. Tamamen rastgeledir. Hatta kaotik ya da rastgele olduğunu bile söyleyemem çünkü bunlar, halihazırda meşru olan fiziksel süreçlerdir.

Genel Göreliliğin Sınırı

Teorik fizikteki en çetrefilli problemin kalbinde, alanın en büyük iki zaferi arasındaki çatışma yatıyor. Albert Einstein'ın genel görelilik teorisi; Isaac Newton'un "nesneler arası çekim kuramı" kavramını, madde ya da enerjinin etrafındaki uzay ve zamanı büktüğü ve yakındaki nesnelerin sanki birbirlerini çekiyormuş gibi davranarak, bu kıvrımlı yolları takip ettiği bir tanımla değiştirdi. Einstein'ın denklemlerinde kütleçekim, uzayın kendisinin şeklinden ibarettir. Einstein'ın teorisi, her seferinde uzayın daha ufak bir kısmına bakabileceğiniz, pürüzsüz ve klasik bir geleneksel evren tanımını korumuştur.

Genel görelilik, Einstein'ın asla hayal edemeyeceği durumlar da dahil olmak üzere, astrofizikçilerin yaptığı her testi geçmeye devam ediyor. Ancak çoğu uzman, Einstein'ın teorisinin bir gün yetersiz kalacağını düşünüyor; çünkü evren pürüzsüz değil, engebeli bir görünüme sahip. Gezegenler ve yıldızlar, aslında elektronlardan ve kuark demetlerinden oluşan atom topluluklarıdır. Bu parçacıklar, diğer parçacıklarla yer değiştirerek birbirlerinden ayrılır veya birbirlerine tutunur, bu da itme ve çekme kuvvetlerini meydana getirir.

Örneğin elektrik ve manyetik kuvvetler, "sanal foton" olarak bilinen parçacıkların alışverişini yapan nesnelerden meydana gelmektedir. Mesela, bir mıknatısı buzdolabına yapıştıran güç; düzgün, klasik bir manyetik alan olarak tanımlanabilir; ancak alanın ince detayları, onu oluşturan kuantum parçacıklarına bağlıdır. Evrenin dört temel kuvvetinden (kütleçekim kuvveti, elektromanyetik kuvvet, güçlü ve zayıf nükleer kuvvetler) yalnızca kütleçekim kuvvetinin "kuantum" tanımı yoktur. Sonuç olarak hiç kimse, hakkında pek çok fikir olmasına rağmen, kütleçekimsel alanların nereden geldiğini ya da içlerindeki parçacıkların ayrı ayrı nasıl hareket ettiğini kesin olarak bilmiyor.

Farklı Güç

Problem şu ki, kütleçekimi bizi yerde tutsa ve genelde bir kuvvet gibi davransa da, genel görelilik onun bundan çok daha fazlası olduğunu, uzayın şeklinin ta kendisi olduğunu ileri sürmekte. Diğer kuantum teorilerinde parçacıkların ne kadar hızlı ve ne kadar uzağa uçtuğunu ölçebilmek için, uzayın düz bir zemin olduğu varsayılır. Uzayın eğriliğini görmezden gelmek parçacıklarda işe yarar; çünkü kütleçekim kuvveti, diğer kuvvetlere göre o kadar zayıftır ki, elektron kadar küçük bir şeye yaklaşıldığında uzay düz görünür. Kütleçekimin etkileri ve uzayın eğriliği, gezegenler ve yıldızlar gibi daha uzak seviyelerde nispeten belirgindir. Ama fizikçiler, uzayın eğriliğini bir elektronun etrafında hesaplamayı denediklerinde, ne kadar az olursa olsun, matematik imkansız hale gelir.

1940'lı yılların sonlarında fizikçiler, kuantum mekaniğinin belirsizlikleriyle başa çıkmak için "renormalizasyon" denen, bir elektronun sıkıcı bir yolculuğa sonsuz farklı şekilde renk katmasına olanak veren bir teknik geliştirdiler. Örneğin söz konusu elektron, bir foton fırlatabilir. Bu foton, elektron ve elektronun karşıt madde ikizi pozitrona bölünebilir. Bu çift, sonrasında daha fazla ikize bölünebilecek daha çok foton fırlatabilir ve bu böyle devam eder. Hatasız bir hesaplama, sonsuz çeşitlilikteki elektron yolculuklarını saymayı gerektirse de renormalizasyon, fizikçilerin başa çıkılması zor olasılıkları elektron yükü ve kütlesi gibi ölçülebilir birkaç sayıda toplamasına izin verdi. Bu değerleri tahmin edemezlerdi; ancak deneylerden sonuçlar toplayıp, bunları elektronun nereye gittiği gibi başka tahminlerde bulunmak için kullanabilirlerdi.

Graviton denen hipotetik kütleçekim parçacıkları işin içine girdiğinde, renormalizasyon işe yaramaz. Gravitonların daha fazla uzay bükülmesi ve graviton yaratan enerjileri vardır. Bu enerji de daha fazla bükülme ve graviton yaratır ve bu böyle giderek genelde devasa bir matematiksel karmaşayla sonuçlanır. Fizikçiler, bazı sonsuzlukları deneysel olarak ölçmek için bir yığın haline getirmeyi denediklerinde bile sonunda sonsuz sayıda yığın arasında boğulurlar. Engelhardt şöyle diyor:

Bu, herhangi bir şeyi saptamak için sonsuz sayıda deneye ihtiyacınız olduğu anlamına geliyor ve gerçekçi değil.

Space

Pratikte parçacıkların etrafındaki eğrilikle başa çıkma konusundaki bu başarısızlık, çok fazla kütlenin ve enerjinin uzayı elektronların ve benzerlerinin bile yardım edemeyeceği kadar sıkı bir şekilde büktüğü durumlarda -örneğin kara deliklerde- ciddi bir hal alır. Ancak uzay-zaman çukurlarının çok yakınındaki -ya da daha kötüsü içindeki- her parçacık, fizikçiler bilmese bile angajman kurallarını mutlaka bilir. Princeton, New Jersey'deki İleri Araştırmalar Enstitüsü'nün yöneticisi Robbert Dijkgraaf, enstitü için yazdığı bir yayında şöyle diyor:

Doğa, kara delikler yaratmanın bir yolunu buldu. Şimdi doğanın bilip bizim henüz bilmediğimiz şeyin ne olduğunu bulmak bize bağlı.

Kütleçekimi Sahaya Getirmek

Fizikçiler, Engelhardt'ın "yara bandı" dediği bir genel görelilik yaklaşımı kullanarak, gravitonların neye benzeyebileceği hakkında bir fikir geliştirdiler; ancak kimse, yakın zamanda bir graviton görmeyi beklemiyor. Bir düşünce deneyi, bir gravitonu saptamak için Jüpiter ağırlığında bir parçacık çarpıştırıcıyla 100 yıl deney yapmak gerekeceğini öne sürüyor. Bu nedenle o zamana kadar teorisyenler, evrenin en temel unsurlarının doğasını tekrar düşünüyor.

Döngüsel kuantum kütleçekimi olarak bilinen bir teori, uzay-zaman ve parçacıklar arasındaki çatışmayı uzay ve zamanı küçük parçalara ayırarak ötesinde hiçbir yakınlaştırmanın yer alamayacağı nihai bir çözümle ortadan kaldırmayı amaçlar.

Bir başka popüler çerçeve olan sicim teorisi, farklı bir yaklaşım izleyerek parçacıkları noktasal benzerlerinden matematiksel olarak daha iyi davranan iplik benzeri sicimlerle değiştirir. Bu basit değişimin karmaşık sonuçları vardır; ancak iyi yanı, kütleçekimin matematiğin dışında kalmasıdır. Engelhardt, şöyle diyor:

Einstein ve çağdaşları genel göreliliği hiç geliştirmemiş olsalardı bile, fizikçiler daha sonra sicim teorisi yoluyla genel görelilikle karşılaşırlardı. Bunu oldukça mucizevi buluyorum.

Ayrıca Engelhardt'a göre sicim kuramcıları, son yıllarda üretken bir yolda olduklarını gösteren daha fazla ipucuna sahip. Basitçe söylemek gerekirse uzay fikri, fizikçileri evrenin daha temel bir yapısından uzaklaştırıyor olabilir.

Kuramcılar; 1990'ların sonlarında kütleçekim içeren basit, kutu benzeri bir evren tanımının, yalnızca kuantum fiziğine sahip, kütleçekimsiz, düz bir evrenin resmine matematiksel olarak eşit olduğunu keşfettiler. Bu tanımlar arasında gidip gelebilmek, uzayın kozmosun temel bir malzemesi olmaktan ziyade, parçacık etkileşimlerinden kaynaklanan bir yan etki olabileceğini düşündürüyor.

Her ne kadar uzay dokusuna gömülmüş biz ölümlüler için hayal etmek zor olsa da, uzay ve parçacıklar arasındaki ilişki, oda sıcaklığı ve hava molekülleri arasındaki ilişkiye benziyor olabilir. Fizikçiler bir zamanlar ısıyı, sıcak bir odadan soğuk bir odaya akan bir sıvı gibi düşündüler. Ancak moleküllerin keşfi, sıcaklık olarak algıladığımız şeyin hava moleküllerinin ortalama hızından kaynaklandığını ortaya çıkardı. Uzay (ve eşdeğer olarak kütleçekim) benzer bir şekilde küçük ölçekli bir fenomenle ilgili büyük ölçekli deneyimlerimizi temsil ediyor olabilir. Engelhardt şöyle diyor:

Sicim teorisi içinde, bu noktada uzayın gerçekten ortaya çıktığına dair oldukça iyi göstergeler var. Bu farklılık bir sorun olmayabilir çünkü kuantum kütleçekimi bütün muhtemel evren şekilleri için aynı şekilde davranabilir.

O, böyle dese de sicim teorisinin kutudaki evreni, bizim gördüğümüz evrenden farklı bir şekle sahiptir. Kutu evrenden alınan dersler gerçekte geçerli olsa bile matematiksel iskelet kabataslak kalır. Fizikçiler, uzayla teorik bağlarını kesmekten ve tüm pürüzlü ihtişamıyla kuantum kütleçekimin doğru bir tanımına ulaşmaktan çok uzaktalar.

Kendi teorilerindeki önemli matematiksel tuhaflıkları çözmeye çalışırken bazı fizikçiler astrofiziksel gözlemlerinin onları bir gün doğru yöne itebileceğini umuyor. Bugüne kadar yapılan hiçbir deney genel göreliliğin tahminlerinden sapmadı ancak gelecekte birçok dalga boyuna duyarlı çeşitli bir dizi yerçekimi dalga detektörü, gravitonların hafif fısıltılarını yakalayabilir. Ancak Engelhardt, sözlerini şöyle bitiriyor:

İçgüdülerim, parçacık çarpıştırıcılarına bakmaktansa, kozmosa bakmamız gerektiğini söylüyor.