Kara Delikler, Bir Kuantum Parçacığı Olarak Modellenebilir mi?

İki kara delik çarpıştığında, bu devasa çarpışma, kozmosun dokusunda dalgalara yol açar. Fizikçiler, bu kütleçekim dalgalarının Dünya'dan geçerken kaba hatlarını tahmin etmek için Albert Einstein'ın kütleçekim teorisini kullandılar ve bu kütleçekim dalgaları, birer kütleçekim dedektörü olan LIGO ve Virgo tarafından tekrar tekrar doğrulandı.

Ancak fizikçiler, olası tüm yankılanmaların ultra kesin şekillerini çıkarmak için Einstein'ın zorlu denklemlerini kullanmaya çalıştıkça bocalamaya başlıyorlar. Şu anda bilinmeyen bu ayrıntılar, yeni nesil gözlemevlerinin yakalaması gereken ince dalgalanmaları tam olarak anlamak için gerekli olacaktır.

Neyse ki çözüm, hiç beklenmedik bir yerden gelebilir.

Son birkaç yılda, kuantum parçacıklarının gizemli davranışında uzmanlaşan fizikçiler, geliştirdikleri matematiksel araçlarını, uzaktan bakıldığında birer parçacığa benzeyen kara deliklere çevirdiler. Bunu yapan birkaç grup, son zamanlarda şaşırtıcı bir bulguya imza attılar: Adeta tek bir su molekülünü inceledikten sonra bir tsunaminin kesin siluetini öğrenebilirmişçesine, kütleçekimsel (veya elektromanyetik) bir dalganın davranışının, sayısız parçacığından yalnızca 1 tanesinin eylemleriyle tam olarak bilinebileceğini gösterdiler. Araştırmada yer almayan Pennsylvania Eyalet Üniversitesi'nden teorik fizikçi Radu Roiban şöyle diyor:

Bunun mümkün olduğunu düşünmezdim ve hâlâ bu konuyu anlamakta biraz zorlanıyorum.

Sonuçlar, gelecekteki araştırmacıların, gelecekteki gözlemevlerinin kaydedeceği uzay-zamandaki daha keskin titremeleri yorumlamalarına yardımcı olabilir. Ayrıca kuantum parçacıkları, teorilerinin daha büyük gerçeklik seviyemizde meydana gelen olayları nasıl yakaladığını anlamada bir sonraki adıma işaret edebilir. Los Angeles California Üniversitesi'ndeki Bhaumik Teorik Fizik Enstitüsü'nde teorik parçacık fizikçisi olan Zvi Bern şöyle diyor:

Bu kuantum fikirleri ile gerçek dünya arasındaki kesin bağlantı nedir? İşte [araştırmaları] bununla ilgili. Bu, daha önce sahip olduğumuzdan çok daha iyi bir anlayış sağlıyor.

Penny Jennings-Qanta Magazine

Kuantum Hile Kodları

Prensipte çoğu fizikçi, kuantum denklemlerinin büyük nesneleri de işleyebileceğini umuyor. Ne de olsa büyük ölçüde elektron ve kuark bulutlarıyız. Ancak pratikte Newton yasaları yeterlidir. Bir güllenin havada çizeceği yayı hesaplıyorsak, bir elektronla başlamak mantıklı değildir. Bern, şöyle diyor:

Aklı başında hiç kimse, 'Kuantum teorisini düşünelim, bu sorunu çözelim ve klasik fiziği çıkaralım' diyerek bunu yapmaz. Bu aptalca olurdu.

Ancak kütleçekimi dalgası astronomisi, fizikçileri umutsuz ölçümleri düşünmeye itiyor. İki kara delik birbirine doğru spiral çizip birbirine çarptığında, ortaya çıkan uzay-zaman ajitasyonunun şekli, onların kütlelerine, dönüşlerine ve diğer özelliklerine bağlıdır. Fizikçiler, kütleçekimsel dalga tesislerinde hissedilen kozmik gürlemeleri tam olarak anlamak için, çeşitli kara delik eşleşmelerinin uzay-zamanı nasıl sallayacaklarını önceden hesaplıyorlar. Einstein'ın genel görelilik denklemleri tam olarak çözülemeyecek kadar karmaşıktır, bu nedenle LIGO/Virgo'nun bazı dalga biçimleri, hassas süper bilgisayar simülasyonlarından geldi. Bunlardan bazılarının hesaplanması bir ay kadar sürebilir. LIGO/Virgo işbirliği, simülasyonlardan ve diğer daha hızlı ancak daha kaba yöntemlerden bir araya getirilmiş yüz binlerce dalga formu koleksiyonuna dayanır.

Parçacık fizikçileri, en azından bazı durumlarda daha hızlı ve daha doğru sonuçlar elde edebileceklerine inanıyorlar. Uzaklaştırılmış bir perspektiften bakıldığında, kara delikler aslında birazcık büyük atom altı parçacıklara benziyorlar ve fizikçiler, parçacıkların boşlukta çarpıştıklarında ne olacağını düşünmeye hâlihazırda onlarca yıllarını harcamış haldeler.

Andreas Klaer-Qanta Magazine

Bern, şöyle anlatıyor:

Yıllar içinde kütleçekim koşulları altında yaşanan kuantum saçılması konusunda son derece iyi olduk. Bu çok karmaşık hesaplamaları yapmamızı sağlayan tüm bu harika araçlara sahibiz.

Bu işte kullanılan ana araçlar, kuantum olaylarının olasılığını veren matematiksel ifadeler olan genlikler olarak bilinir. Örneğin, bir "dört noktalı" genlik, giren iki parçacığı ve çıkan iki parçacığı tanımlar. Son yıllarda, Bern ve diğer teorisyenler devasa, klasik karadeliklerin hareketine dört noktalı kuantum genlikleri uyguladılar ve son teknoloji dalga formu hesaplamalarının belirli parçalarının hassasiyetini eşleştirdiler ve hatta bazı durumlarda bunu aştılar. Max Planck Yerçekimi Fiziği Enstitüsü müdürü ve yerçekimi dalgalarının şeklini tahmin etme konusunda uzmanlaşmış ödüllü bir teorisyen olan Alessandra Buonanno şöyle diyor:

Bu araştırmacıların ilerleme hızı şaşırtıcı. Sınırları gerçekten zorluyorlar.

Hepsi Bir Arada

Klasik fizikçiler, bugüne kadar oldukça iyi bir nedenle genliklerden uzak durdular: Genlikler, sonsuzluklarla doludurlar. Dört nokta fonksiyonuyla tanımlanan bir çarpışma bile (hatırayın: iki parçacık girer, iki parçacık çıkar), geçici olarak herhangi bir sayıda kısa ömürlü parçacık üretebilir. Bir hesaplama ne kadar çok bu geçici parçacıkları dikkate alırsa, o kadar çok "döngü"ye sahip olduğu söylenir ve o kadar doğru olur.

Daha da kötüsü var: Dört noktalı bir fonksiyon sonsuz sayıda olası döngüye sahip olabilir. Ancak iki kara delik bir araya geldiğinde, tek olasılık, bir dört nokta fonksiyonu değildir. Araştırmacılar, ayrıca beş noktalı fonksiyonu (ek olarak bir de radyasyon parçacığı saçan bir çarpışma) ve altı noktalı fonksiyonu (iki parçacık üreten bir çarpışma) vb. fonksiyonları da işin içine katmalıdır. Bir yerçekimi dalgası, sonsuz sayıda "graviton" parçacığının bir koleksiyonu olarak düşünülebilir ve ideal bir hesaplama, her birini sonsuz sayıda döngüye sahip sonsuz sayıda fonksiyonla kapsayabilir.

Merrill Sherman

Sonsuz genişlik ve derinlikteki bu kuantum samanlığında, genlik araştırmacılarının dalganın şekline katkıda bulunacak klasik iğneleri belirlemesi gerekiyor.

2017'de Yale Üniversitesi'nden Walter Goldberger ve California Teknoloji Enstitüsü'nden Alexander Ridgway, bir tür elektrik yüküne sahip çarpışan iki nesnenin yaydığı klasik radyasyonu incelediklerinde bir ipucu ortaya çıktı.^[1] Yerçekimi ile diğer kuvvetler (çift kopya olarak bilinir) arasındaki ilginç bir ilişkiden ilham aldılar ve onu yüklü nesneleri kara delik analoglarına dönüştürmek için kullandılar. Dışarıya doğru yuvarlanan dalgaların şeklini hesapladılar ve şaşırtıcı derecede basit ve çarpıcı bir şekilde kuantum olan bir ifade buldular. Edinburgh Üniversitesi'nden bir teorisyen olan Donal O'Connell şöyle diyor:

Bazı terimlere gözlerinizi kapatmanız gerekiyor. Ama bana hesapladıkları şey, beş noktalı bir genlikmiş gibi geldi.

Merakları artan O'Connell ve meslektaşları, daha da fazla araştırma yaptılar. İlk önce iki büyük klasik cisim arasındaki çarpışmanın basit özelliklerini hesaplamak için genel bir kuantum çerçevesi kullandılar.^[2] Ardından, Temmuz 2021'de bu yaklaşımı belirli klasik dalga özelliklerini hesaplamak için genişlettiler ve beş noktalı genliğin aslında iş için doğru araç olduğunu doğruladılar.^[3]

Araştırmacılar, genlik samanlığında beklenmedik bir modele rastladılar. Klasik dalgaları incelemek için sonsuz sayıda genliğe ihtiyaç duymadıklarını gördüler. Bunun yerine, yalnızca tek bir radyasyon parçacığı içeren beş noktalı genlikte durabilirlerdi. O'Connell, şöyle anlatıyor:

Bu beş noktalı genlik gerçekten önemli. Dalgayı oluşturan her graviton veya her foton, başka bir tane olduğu gerçeğini umursamıyor.

Daha ileri hesaplamalar, beş noktalı genliğin neden bize klasik dünya hakkında bilmemiz gereken her şeyi söylediğini ortaya çıkardı: Kuantum sonuçlarının iki tanımlayıcı özelliği vardır. Belirsizlik içlerine işlemiştir. Örneğin elektronlar, bulanık bir buluta yayılmış hâldedirler. Ek olarak, Schrödinger denklemi gibi onları tanımlayan denklemler, Planck sabiti olarak bilinen bir doğa sabitine sahiptir.

Matteo Sergola-Qanta Magazine

Dünya'da dalgalanan yerçekimi dalgası gibi klasik sistemler mükemmel derecede nettir ve görünürde hiçbir Planck sabiti ile tanımlanamaz. Bu özellikler, O'Connell'in grubuna, hangi genliklerin klasik olduğunu belirlemek için bir turnusol testi verdi: Bunların hiçbir belirsizliği olmamalı ve son tanımlamada Planck sabiti olamaz.

Grup, en basit beş noktalı genliğin, biri Planck sabiti olan ve diğeri olmayan iki "parçaya" sahip olduğunu buldu. İlk parça, güvenle göz ardı edilebilecek bir kuantum parçasıydı. İkincisi, klasik radyasyondu - ve kütleçekimi dalgası astronomisi için faydalı kısım da buydu.

Ekip, daha sonra dikkatlerini döngüsüz altı noktalı genliğe -iki radyasyon parçacığının emisyonuna- çevirdiler. Bu, genlik dalganın belirsizliğini verir, çünkü iki radyasyon parçacığına sahip olmak, alanı iki kez ölçmek gibidir. Her yerde Planck sabitleri varken, ilk bakışta genliği yorumlamak zordu.

Ancak sonucu ayrıntılı olarak hesapladıklarında, Planck sabiti olan terimlerin çoğu birbirini iptal etti.^[4] Sonunda, O'Connell ve meslektaşları, altı noktalı belirsizliğin de klasik bir parçaya ve kuantum bir parçaya indirgenebildiğini buldular. Klasik belirsizlik, tam da olması gerektiği gibi sıfır çıktı. Ve kuantum kısmı yoktu. Başka bir deyişle, altı noktalı genliğin hiçbir klasik bilgisi yoktu. Geriye dönüp bakıldığında sonuç, bir şekilde kaçınılmaz görünüyordu. Ancak, parçaları ayrıntılı olarak incelemeden önce araştırmacılar, safça, altı noktalı genliğin hala ince bir klasik anlam taşıyabileceğini ummuşlardı. O'Connell şöyle diyor:

Bu saf kuantumdur. Bu, en azından benim için biraz şok ediciydi.

O'Connell, elektromanyetizma ile ilgili bir kuvvet üzerinde de çalışmıştı. Bu nedenle, sonucun kütleçekimi için de doğru olup olmadığını kontrol etmek için, Trinity College Dublin'den Ruth Britto ve diğerleri, iki büyük parçacık için döngüsüz altı noktalı genliği hesaplamak için çeşitli teknik kısayollar kullandılar.^[5] Onun da klasik bir içeriği olmadığını buldular. Her iki sonuç üzerinde de çalışan Trinity College Dublin'den Riccardo Gonzo, şöyle diyor:

Hesaplamaları yapmadan bu sonuca inanmak zor.

Benzer bir mantık, araştırmacıları, daha yüksek döngülerde, beşten fazla noktaya sahip tüm genliklerin ya tamamen kuantum olacağını ve dolayısıyla göz ardı edilemez veya bilinen genliklerin daha basit bir işlevi olarak ifade edilebilir olacağını beklemeye yönlendiriyor. Bitmeyen bir belirsizlik ilişkileri geçit töreni, bunu garanti ediyor. Roiban, şöyle diyor:

Beklenti, kuantum alan teorisinin, klasik fiziği tanımlamasıdır. Bazı durumlarda, tam da sıfır belirsizliğe sahip olarak, bunu bu şekilde yaptığı ortaya çıktı.

Sonuç olarak, klasik dalgaları kuantum mekaniğinin dilinde açıklamak, araştırmacıların korktuğundan daha kolay olabilir. Roiban şöyle diyor:

Bir kütleçekimi dalgası ya da herhangi bir tür dalga, büyük ve sarkık bir şeydir. Bu, birçok küçük şeye bağlı olmalıdır. Ancak bir foton veya bir graviton bir kez çarpıştıktan sonra her şeyi bilirsiniz.

Birleşmelere Doğru Sürüklenme...

LIGO/Virgo kütleçekim dalgalarını aldığında, sinyal %10 dolaylarında gürültüye sahiptir. Uzay tabanlı LISA gibi geleceğin dedektörleri, uzay-zamandaki dalgalanmaları %99 veya daha iyi bir doğrulukla kaydedebilir. Bu netlik seviyesinde, araştırmacılar, kütleçekim dalgalarının, birleşen nötron yıldızlarının sertliği gibi çok sayıda bilgiyi ortaya çıkarmasını bekliyorlar. Kuantum genliklerini kullanarak dalgaların şeklini tahmin etmedeki son ilerleme, araştırmacıların bu bilgiyi açığa çıkarabileceklerine dair umutları artırıyor. Buonanno şöyle diyor:

Durumun gerçekten böyle olduğu ortaya çıkarsa, harika olur. Sonunda hesaplamayı kolaylaştıracağını düşünüyorum ama görmemiz gerekiyor.

Ancak şimdilik, gerçek hesaplama, astrofiziksel dalga formlarının genliklerden hesaplanması iddialı bir proje olmaya devam ediyor. Dört ve beş noktalı genlikler, kara delikler birbirinden "dağıldığında" veya bir kara delik bir diğerini bir sapan gibi fırlattığında ne olduğunu yakalayabilir ve teknik, şu anda sadece dönmeyen kara deliklerin dahil olduğu basit birleşmeleri anlamakta kullanılabilir.

Ancak mevcut durumlarında bu genlikler, kütleçekimi dalgası gözlemevlerinin tespit ettiği daha karmaşık birleşmeleri tam olarak tanımlamak için de umut vaadediyor. Genlik araştırmacıları, çok çeşitli birleşmeler için gerçekçi dalga formları hesaplamak için yöntemlerini değiştirebileceklerine inanıyorlar, ancak henüz bunu yapabilmiş değiller.

Kütleçekim dalgalarının ötesinde, araştırmanın genel doğası, belirsizlik ilkesinin kuantum samanlığını düzenleme biçiminin kuantum teorisinin diğer alanlarında yararlı olabileceğini gösteriyor. Genlikler arasındaki sonsuz ilişki dizisi, örneğin aylar sürebilen hesaplamalar için değerli rehberlik sağlayarak bağımsız çapraz kontrolleri mümkün kılabilir. Ve makro dünyamızı tanımlayabilen kuantum teorilerini, yapamayanlardan ayırt etmek için etkili bir test olarak hizmet edebilir. Roiban, sözlerini şöyle bitiriyor:

Geçmişte sezgiydi. Şimdi kesin bir kriter. Bu bir hesaplama yöntemi ve bir hesaplama yöntemiyle kavgaya tutuşmak çok zor.