Sicim Teorisi Nedir?

Sicim kuramı popüler bilimde sık bir şekilde ele alınan bir konudur. Kimi zaman bir filmde deus ex-machina* görevi görür, kimi zaman bir dizide figüran misali arka planda bir görünür bir kaybolur. Hakkında zaman zaman sosyal medyada yazılar görürsünüz, ama o yazılar da ne olduğu hakkında fazla bir şey söylemez. Bu yazıda buna bir çözüm getirebilmek için olabildiğince basit ve kısa bir şekilde sicim kuramının ne olduğunu açıklamaya çalışacağız. (*Deus ex-machina: Bir kurgu veya dramada karmaşık durumlarda aniden ortaya çıkarak her şeyin çözülmesine yardım eden unsur.)

Öncelikle sicim kuramından önce biraz geriye gidip kuantum alan teorisinden bahsetmeliyiz. Çünkü bu teori her parçacığın bir alanı olduğunu söyler ve basitçe de olsa alanları anlamak sicim kuramını anlamamıza yardımcı olacaktır. Bu alanları matematik kullanmadan anlatabilmek için zihnimizde canlandırmamız gerekmektedir. Bunun için ise alanları birbiri üzerine binmiş denizler olarak hayal edebiliriz. Bu denizlerin her birinin farklı sıvılardan oluştuğunu ve uçsuz bucaksız olduklarını düşünelim. Burada amaç bu dalgalı yüzeylerin birbiri ile nasıl etkileştiğine değinmektir. Bu sıvılardan biri dalgalanınca -eğer dalga yeterince güçlü ise- diğer denizleri de etkileyerek o denizlerde de dalgalanmalara sebep olacaktır. Eğer daha önce birbirinden farklı sıvıların yoğunluğu ile ilgili deneyleri seyrettiyseniz orada kullanılan deney düzeneğini düşünmeniz yardımcı olabilir.

(Yoğunluk deneyi) Birbirine karışmayan sıvılar--8.Sınıf

İşte buna benzer bir durum kuantum alan teorisinde de söz konusudur. Ancak örnekten farklı olarak bu dalgaların her biri kendi alanı içinde elektron ya da foton gibi bir parçacığı oluşturuyor. Bu parçacıklar kendi alanlarında dalgalandıklarında bazen diğer alanları da etkileyip onların da dalgalanmasına sebep oluyor. Parçacık ve dalga aynı şey olduğu için parçacık da bu diğer alanda farklı bir parçacığın oluşmasına sebep oluyor. Bu da parçacıkların etkileşimi olarak bildiğimiz durumdur. Feynman diyagramları ile ifade edilen bu etkileşimler her şeyin temelini oluşturmaktadır. Yani kısaca madde dediğimiz şey ve onun başına gelen her olayın belli güç alanları içinde sıkışmış enerjinin etkileşiminin sonucu olduğunu söyleyebiliriz.

Buraya kadar anlattıklarımızı enerjiye bağladık ama eğer bu enerjinin ne olduğunu açıklamazsak o zaman bu anlattıklarımızın hiçbir anlamı olmaz. Bu aşamada da sicim kuramına adım atabiliriz. Ama öncelikle sicim kuramının hala deneysel kanıtının olmadığını belirtmek gerekiyor. Elimizdeki her şey büyük oranda matematiğe ve biraz da dolaylı çıkarımlara dayanıyor. Ancak bu kesinlikle doğru olduğu anlamına gelmediği gibi boş bir tez olduğu anlamına da gelmemektedir.

Sicim kuramı herkesin bildiği gibi küçük iplik parçalarına benzer sicimlerden bahseder. Peki ama bu sicimleri oluşturan şey nedir? Önce, sicim kuramının var oluş amacını anlamamız gerekiyor. Bu tez kütle çekimi ile diğer kuvvetleri birbirine bağlamaya çalışmaktadır. Kütle çekimi, diğer kuvvetlerin aksine daha zayıftır. Bu zayıflığın belli bir sebebi yok gibi görünse de böyle bir şey kabul edilebilir olmadığı için fizikçiler matematiğin bir garipliğinden faydalanarak fazladan boyutları ortaya atmışlardır.

Uzayda yayılan her tür enerji bir kaynaktan uzaklaştıkça güç kaybeder, daha uzaktan bir lambanın daha az parlak olması gibi. Şöyle ki, iki boyutlu bir cismin hacmi yoktur. Sadece alanı vardır. Merkezden herhangi bir uzaklıkta bu iki boyutlu düzlemde yayılan enerjinin yoğunluğunu ölçmek için ise yapmamız gereken başta sahip olduğumuz enerjiyi o mesafede oluşacak hayali çemberin çevresine bölmektir. Bunu sınırlı mürekkep ile giderek daha büyük çemberler çizmeye benzetebiliriz. Küçük çemberi istediğiniz kadar kalın çizebilirsiniz, ama çember büyüdükçe bu çemberi çizmeniz zorlaşacaktır. Bu durumda daha büyük çemberleri mürekkep yetsin diye mecburen daha ince çizmeniz gerekir. Aynı durum enerji için de söz konusudur. İki boyutlu bir yüzeyden çıkan enerji de kaynaktan uzaklaştıkça mesafe ve dolayısı ile çemberin çevresi ile orantılı olarak azalır.

Şimdi de küre halinde her yöne yayılan enerjiyi düşünelim. Buradaki oran ise yüzey alanı ile orantılı bir şekilde azalmalıdır, çünkü üç boyutlu cisimlerin çevresi her üç boyuta doğru (enine, boyuna ve derinlemesine) genişlemiştir. Daha önce bahsettiğimiz iki boyutlu evren ve onda yayılan enerji, bu yeni üç boyutlu evrenin sadece küçük bir parçasıdır. Üç boyutlu evrende gerçekleşen bu durum aynı zamanda ters kare kanunu olarak bilinen olgudur.

Wikipedia

Theodor Kaluza isimli bir matematikçi 5 boyutlu bir evrende kütle çekimini incelerken bu evrendeki kütle çekiminin bizim evrenimizdekine çok benzediğini gördü. Çünkü eğer evren aslında 5 boyutlu ise bizim evrenimizde kütle çekiminin neden daha güçsüz olduğu da anlaşılır. Üç boyutlu evrende yayılan bir enerjinin nasıl ki 2 boyutlu bir evrende sadece bir parçası tespit edilebiliyorsa, 5 boyutlu bir evrende yayılan kütle çekimi de 4 boyutta haliyle daha zayıf görünecektir. Bu fikir sicim kuramının temelini oluşturmaktadır.

Ancak sözde "var olan ama görülemeyen" bu 5. boyut kulağa çok mantıklı gelmediği ve görünürde varlığına dair bir kanıt olmadığı için Oskar Klein isimli fizikçi bu boyutların kompakt (yani küçük, sıkışmış ve yoğun) olması gerektiği fikrini ortaya atmıştır. Ayrıca, bu ekstra evrenin 3 uzay ve bir zaman boyutu olan evrendeki ileri-geri, sağ-sol kavramlarına benzer yeni bir yöne sahip olduğunu da ileri sürmüştür. Bu yön bir çember misali boyutun kendi üzerine katlanmasından ya da bir bakıma kendi etrafında hareket etmesinden oluşuyordu. (Kuantum fiziğinde ve parçacık fiziğinde sıklıkla kullanılan spin kavramı da bununla ilişkilidir.) Buradan Kaluza-Klein teorisi ortaya çıkmıştır.

Buraya kadar her şey güzel olsa da daha sonradan bu tezin güçlü nükleer kuvvet gibi diğer kuvvetleri açıklayamadığı görüldü. Bu gibi açıkları kapatmak için gereken boyutları da ekleyince kompakt halde toplam 11 boyut olması gerektiği bulundu.

Sicim kuramı kuark gibi parçacıkların oluşumunu bu şekilde açıklamaktadır. Yani her parçacık sicim kuramına göre bir ekstra boyutun titreşiminden oluşmaktadır.