Fizikte Bir Teori Nasıl Çürütülür - ve Bir Fizik Teorisinin Çürütülmesi, Neden Harika Bir Şeydir?

1859'da Fransız bir astronom, Merkür'ün yörüngesindeki kademeli değişikliklerin Isaac Newton'un yerçekimi kavramıyla açıklanamayacağını fark etti. CERN Teori Grubu üyesi Sophie Renner, bunu şöyle anlatıyor:

Merkür, Newton yasalarının mükemmel bir şekilde çalıştığı ve neredeyse her durumda mükemmel şekilde çalışmaya devam ettiği Güneş Sistemi'nin içindedir. Ama bir nedenden dolayı, bir tutarsızlık vardı.

Gökbilimciler bu gözlemi, görünmeyen bir gezegenin Merkür'ü yavaşça rotasından kendisine doğru çekmesi gibi hatalı bir değişkene bağladılar. Ancak Merkür'ün bahsedilen bu "gizemli oyun arkadaşı" asla bulunamadı. Bunun nedeni, kurulan matematiksel denklemlerin yeni bir değişkene ihtiyacı olmamasıydı. Oysa, teorilerinin bir devrime ihtiyacı vardı.

Yarım yüzyıl sonra, bilim insanları Merkür'ün bu davranışının açıklamasını buldular: Güneş, uzay-zamanı esnetiyor ve Merkür'ün yolunu yavaşça değiştiren bir yerçekimi kuyusu yaratıyordu. Bu yaklaşım, iyi bilinen Newton fiziğinin sınırlarını daha da genişletti ve Albert Einstein'ın genel görelilik teorisini doğruladı.

İşte yapılan tahmin ve gözlem arasındaki bu kırılmalar, tam da fizikçilerin aradığı şeydir.

Bir Teoriyi Bozup, Daha İyisini İnşa Etmek...

Arizona Eyalet Üniversitesi'nde yardımcı doçent olan Cynthia Keeler, şöyle diyor:

Bir yazılımı kırmak istemenize benzer sebeplerle, teorileri de çürütmek istiyoruz. Kurduğunuz teorileri strese sokmalı ve sınırlarının ne olduğunu öğrenmelisiniz. Bir teori çürütüldüğünde, onu nasıl daha iyi inşa edeceğinizi de öğrenmiş olursunuz.

CERN'deki CMS ve ATLAS deneylerinden 2016'da alınan verilerde beklenmedik bir sıçrama görüldüğünde, teorisyenler, bu verileri izah edebilecek olası yeni fizik teorileri hakkında spekülasyonlar yapan yaklaşık 500 makale yayınladılar. Deneylerden daha fazla veri toplandığında ise, bu sıçramanın bir anomali olduğu, veride gerçekte böyle bir sıçrama bulunmadığı fark edildi.

Bilim insanları tarafından yapılan titiz deneysel testler, bir teoriyi çürütmenin birçok yolundan yalnızca biridir. Fizikçiler, Evren'i anlama noktasında kurdukları matematiksel modellerini kırmak, bükmek, çürütmek veya genişletmek için tasarladıkları kalite kontrol süreçlerini sürekli olarak yürütmek zorundadırlar.

Garip Sorular Sorun!

Albert Einstein'ın çılgın bir hayal gücü vardı. Kendine şu soruları sordu: Uzayda bir asansöre binseydim ne hissederdim? Bir ışık huzmesini kovalasaydım ne görürdüm?

Diğer hayalperestler merak etmenin ötesine geçememiş olabilirler. Ancak Einstein'ın fizik geçmişi ve altyapısı ve üstelik matematikte ileri derecelere sahip arkadaşları vardı. Kurduğu düşünce deneyleri, sonunda Newton mekaniğinin sınırlarını daha net gösteren derin araştırmaların tohumlarını attı. Brown Üniversitesi'nde fizik profesörü olan Stephon Alexander şöyle diyor:

Einstein'ın yaptığı, teorinin kendi iç paradokslarını ortaya çıkarmaktı. Güzel bir şeyin resmine bakıp içinde yepyeni bir anlam bulmak ve resmin düşündüğünüz kadar güzel veya zarif olmadığını düşünmeniz gibi.

Alexander, teorisyenlerin mümkün olan her anlamı araması gerektiğini söylüyor:

Bir teorisyen olarak, ustalık için çaba gösterme ve aynı zamanda olaylara dışarıdan bakmaya istekli olma sorumluluğunuz var.

Günümüzdeki düşünce deneyleri, en az Einstein'ın 100 yıl önceki deneyleri kadar tuhaf geliyor. Ortaya koydukları iç paradokslar da bir o kadar bunaltıcı. Örneğin Keeler, şöyle diyor:

Bir sürü sözlüğü bir araya getirip, onlardan oluşan bir kara delik üretsek, o sözlüklerdeki bilgileri bulabilir miyim? Kuantum mekaniği, kara delikler içinde bile olsa bilginin korunması gerektiğini söylüyor. Bir kara deliğin içinde belki bilgiyi elde etmek zor olabilir; çünkü hepsi birbirine karışırdı. Ama öyle veya böyle, sözlüklerdeki bilgiler kara delik içinde de korunmalıdır. Ne var ki kara delikler, bu durumla çelişiyor gibi görünüyor. Bu sorun üzerine 50 yıldır tartışmalar yapılmaktadır.

Matematiğini Kontrol Et!

Teoriler bize hikayeler anlatır: Maddenin en küçük parçaları nelerdir? Özellikleri nelerdir? İlişkileri nasıldır? İlerde ne yaşayacaklardır?

Shakespeare veya Kurosawa'nın hikayelerinin aksine, fizikte bir teori matematik dilinde anlatılır. Eğer bir teoriyi matematik desteklemiyorsa, o teoriyi başka hiçbir şey destekleyemez. Keeler, bu durum için şöyle diyor:

Matematiksel olarak tutarlı görünen bir şey yazabilir ve daha sonra ele aldığınız problemler için onu çalıştırabilirsiniz ve ardından bununla herhangi bir evren inşa edilebilir mi, yoksa yazdığınız bu şeyler sınıfta kalır mı diye kendinize sormalısınız.

CERN Teori Grubu'ndan Dorota Grabowska, parçacık fiziğinde atomaltı parçacık modelleri oluşturmak için teorik bir çerçeve sunan kuantum alan teorisinin, "cebirsel kurnazlıkları" nedeniyle birçok matematikçiyi korkuttuğunu söylüyor:

Bir matematikçiyle kuantum alan teorisi hakkında bir konuşma yapsaydım, bıkkın bir şekilde iç çekerdi. Tıpkı annenin sana odanı temizlemeni söylemesi üzerine her şeyi dolabına tıkmak gibidir. Dışarıdan iyi görünür ama lütfen dolabı açmayın dersin.

Kuantum alan teorisi, bazı matematikçilerin katlanamayacağı bir şeyi ele alır: çözülmemiş sonsuzluklar. Nobel Ödüllü Steven Weinberg, 1977 tarihli bir makalesinde şöyle yazıyor:

Kuantum alan teorisinin fizikçiler arasındaki itibarı sık sık iniş çıkışlara maruz kaldı. (...) Bu itibar bazen o kadar düştü ki, kuantum alan teorisi neredeyse tamamen terk edilmek üzereydi.

Ancak kuantum alan teorisi bu fikirlere rağmen hayatta kalmayı başardı. Çünkü bu teori, günün sonunda CERN'de yer alan Büyük Hadron Çarpıştırıcısı'nda (LHC) yapılan deneylerle kontrol edilebilen tahminlerde bulunabildi ve bulunmaya devam ediyor. Grabowska şöyle diyor:

LHC annemiz gibidir: O dolabı açtığında, her şey sihirli bir şekilde aniden düzenlenir.

Sandbox Studio, Chicago with Corinne Mucha

Aşırıya kaç!

20. yüzyıldan önce fizik, çoğunlukla insan ölçeğindeki hızlar, boyutlar ve enerjilerin incelenmesiyle sınırlıydı. Ancak daha sonraları bilim insanları sorular sormaya başladı: Daha hızlı gidersek neler olur? Peki ya küçüksek? Ya da daha yüksek bir enerjiye sahipsek Renner şöyle diyor:

Sahip olduğunuz teoriyle yeni bir şey hesaplamaya çalıştığınızda teori çürüyebilir ve size saçma bir şey verebilir. Kara cisim radyasyonunda görülen morötesi felakette olan da tam olarak buydu.

Herhangi bir demirci, erimiş demirin sıcaklığı ile yaydığı ışığın rengi ve parlaklığı arasında bir bağlantı olduğunu kanıtlayabilir. Klasik fizik, bu ışığın yoğunluğunu tahmin etmede oldukça iyi bir iş çıkardı.

Sorun, morötesi dalga boyu aralığına girildiğinde başladı. Bilim insanları, yüksek sıcaklıktaki bir nesnenin yayacağı morötesi ışıma miktarını hesapladı. Renner, şöyle anlatıyor:

Klasik fizikten gelen öngörü, bu noktada hiçbir şekilde gerçeği yansıtmadı. Yüksek frekanslarda ışıma sonsuza doğru gitti - ki bu hiç gördüğümüz ve alıştığımız gibi bir durum değildi.

Bahsettiği durum, fizikte "morötesi felaket" olarak adlandırıldı. Bu kavram, 20. yüzyıl başında ideal bir kara cismin termal dengede sonsuz güçte radyasyon yayacağını söyleyen bir klasik fizik öngörüsü olarak karşımıza çıktı. Başka bir deyişle, termal dengede ideal kara cismin, radyasyon frekansı arttıkça deneylerde gözlenenden daha fazla enerji yayacağını söyleyen ve klasik fiziğe dayanan bir tahmindir.

Böylece klasik fiziğin yeni ortaya çıkan sınırları, Max Planck'a enerjinin gerçekte ne olduğunu yeniden yorumlaması için ilham verdi.

Planck, enerjinin daha çok "kuanta" adı verilen ve ayrı banknotlar şeklinde gelen bir para birimine benzediğini öne sürdü. Ona göre yüksek frekanslı ışığın parlaması büyük bir kuantaya mâl olur, bu da morötesi dalgaboyu aralığındaki bir nesneden yayılan ışığın yoğunluğundaki ani ve sert düşüşü açıklamaktadır.

Bugün bilim insanları morötesinin çok ötesine geçmektedirler. Morötesi ışık yaklaşık 3 ila 30 elektronvolt (eV) enerjiye sahiptir; Büyük Hadron Çarpıştırıcısı'nda çalışan bilim insanları, şu anda fizik yasalarını 13 trilyon elektron volta (TeV) kadar inceleyebiliyorlar.

LHC'nin bu muazzam enerjisi, fizikçilerin, keşfinden 50 yıl önce teorisi kurulan ve kütlenin kökenini açıklamaya yardımcı olan efsanevi Higgs bozonunu nihayet bulmasını sağladı. Bu keşif, fizikçilerin atom altı parçacıkları, kuvvetleri ve alanları tanımlamak için kullandıkları mevcut teori olan Standart Model'in sınırlarının ne olabileceğini de aydınlattı. Renner, şöyle anlatıyor:

Standart Model geniş bir enerji yelpazesinde geçerliyse, Higgs'in olduğundan çok daha ağır bir kütleye sahip olmasını beklerdik. Bizim ulaşamayacağımız enerjilerde yeni bir teori kurulmadıkça, Higgs'in sahip olduğu kütlede olması için hiçbir neden yok.

Sonuç

Fizikçiler sınırları zorluyor ve Standart Model'in sınırlarının ötesini görmelerini sağlayacak çatlaklar arıyorlar. Bilimde tek başına teori ancak bir yere kadar gidebilir ve birçok teorisyen de yollarını aydınlatmak için deney yapan bilim insanlarından gelecek verilere bakıyor. Alexander, sözlerini şöyle bitiriyor:

Teorik fizik her zaman gözlemler ve tespitlerle yönlendirildi. Bunlar olmadan hiçbir şey olmaz. Teoriyi çürütmek için deney yapan bilim insanlarına güveniyoruz ve bizi nasıl şaşırtacaklarını gerçekten merak ediyoruz.