Maddeyi anlamak-1: Evren neyden yapılmış?

Son iki yazı dizisi boyunca (Göreliliği anlamak ve kuantumu anlamak) fiziğin 20. yüzyılda evrenin temel yapıtaşlarına yönelik getirdiği yeni yaklaşımları anlatmaya çalışmıştım. "Kuantumu anlamak" yazıları bittiğinde gelen mesajların bir kısmı teşekkür, bir kısmı yeni sorulardı. "Kuantum alan teorisi nedir?" "Standart Model diye bir şey duyuyoruz, o ne?" "Sicim teorisi doğru mu?" 

"Kuantumu anlamak" dizisinde kuantum dünyasının temel tanımlarını açıklamaya çalışmıştık, şimdi sıra bu tanımlar üzerinden maddenin yapı taşlarını anlamak için insanlığın elindeki son açıklamaları izah etmeye geldi. 

Kabaca, tanım olarak, Kuantum Alan Teorisi, kuantumu fiziğinin tanımları üzerinden bir fizik kuramı oluşturma çerçevesidir; Standart Model ise bu çerçeve kullanılarak oluşturulmuş, parçacık fiziğini açıklayan özel bir kuramdır. Ama tanımları boş verin, şimdi yine kronolojik sıraya bağlı kalarak insanlığın en temel sorularından birine bu modelin verdiği cevaplara bakmaya başlayalım. 

Soru şuydu: Bu dünya neyden yapılmış? Önümüzdeki 9 gün boyunca bu soruya cevap vermeye çalışacağız.

En eski soru

Milattan önce altıncı yüzyılda Thales her şeyin özünün su olduğunu söyledi. Bir asır sonra Demokritos daha cüretkâr bir fikir ortaya attı: maddeyi bölmeye devam ederseniz sonunda daha fazla bölünemeyen bir parçaya ulaşırsınız. Ona "atomos", yani bölünmez dedi.

Bizim kelamcılarımız da aynı soruyla boğuştu. Cisimleri "cevher-i ferd" dedikleri bölünmez cüzlerden kurulu gördüler ve bu cüzlerin üzerindeki niteliklerin her an yeniden yaratıldığını söylediler. Karşı tarafta ise Aristoteles'in mirası duruyordu: madde sonsuza kadar bölünebilir.

Bu tartışma iki bin yıl sürdü, çünkü kimsenin elinde cevabı sınayacak bir alet yoktu. Soru filozofların ve kelamcıların masasında kaldı.

Yirminci yüzyılda alet geldi. Ve bugün bu en eski soruya verilmiş, deneyle defalarca sınanmış en iyi cevabın bir adı var: Standart Model. On yedi temel parçacık ve aralarında iş gören üç kuvvet. Masanız, bedeniniz, nefes aldığınız hava, gökteki Güneş; hepsi bu kısa listeden kurulu. Bu modelin yazıldığı dilin adı da kuantum alan teorisidir.

Kavramlar var, resim yok

Önceki dizide kuantum dünyasının temel kavramlarını tek tek tanıdık. Enerjinin paketler hâlinde geldiğini gördük. Işığın ve elektronun hem dalga hem parçacık gibi davrandığını, çift yarık deneyinde gözlemin deseni nasıl değiştirdiğini konuştuk. Belirsizlik ilkesini, süperpozisyonu, Schrödinger'in kedisini, dolanıklığı, parçacıkların aşılmaz görünen engellerin öbür yanına geçebildiği tünellemeyi anlattık.

Bunların her biri ayrı ayrı doğru ve her biri deneyle kanıtlanmış. Ama dürüst olmak gerekirse, o dizinin sonunda okurun elinde bir resim değil, bir kavram listesi kaldı. Bir yapbozun parçalarını tek tek incelediniz; ama kutunun üstündeki resmi görmediniz.

Bu bir eksiklik değildi, kuantumun tarihî seyriydi. Fizikçiler de bu kavramlara tek tek, birbirinden habersiz sorunların peşinde ulaştılar. Parçaları bir araya getirip "madde aslında nedir" sorusuna bütünlüklü bir cevap veren çerçeve, ancak bu kavramların hepsi masaya konduktan sonra kurulabildi. O çerçeve kuantum alan teorisi, onun üzerine inşa edilen bina da Standart Model'dir.

Yani "kuantumu anlamak" işin yarısıydı. Kavramları tanıdık; şimdi o kavramların birlikte nasıl bir dünya kurduğunu, maddenin özünü, cevherini görmeye çalışacağız. Bu diziye "Maddeyi Anlamak" adını bu yüzden verdim. Ancak bu adımı attığımızda olup biten gerçekten zihnimizde canlanabilir.

Açık kalan hesap

Kavram listesinin en çok rahatsız eden maddesiyle başlayalım.

Kuantum dizisinde dürüst ama rahatsız edici bir tespitte bulunmuştuk. Işık hem dalga hem parçacıktır. Elektron da öyle. Bunu bir paranın iki yüzüne benzetmiştik ve Niels Bohr'un 1927'de yaptığı yorumu aktarmıştık: deneyi parçacık arayacak şekilde kurarsanız parçacık görürsünüz, dalga arayacak şekilde kurarsanız dalga. İkisi birbirini tamamlar. Bohr buna tamamlayıcılık ilkesi demişti.

Doğru muydu? Hayır… Çünkü, Bohr'un söylediği bir açıklama değil, bir durma kararıydı. "Elektron gerçekte nedir?" sorusunu bir kenara bırakıp yerine "Deneyde ne göreceğiz?" sorusunu koydu. Bu, dürüst ama mütevazı bir geri çekilmeydi. Olayı tarif ediyor, ama olayın aslına yaklaşmıyordu. Bu rahatsızlığı hisseden ilk kişi de sıradan bir okur değildi: Einstein, ölene kadar Bohr'la tam da bu yüzden tartıştı.

Oysa para benzetmesinin içinde cevabın ipucu zaten saklıydı. Hiç kimse bir paraya bakıp "hem yazı hem tura, ne garip" demez. Çünkü yazı da tura da üçüncü bir şeye aittir: paranın kendisine. Bohr bize iki yüzü gösterdi ve paranın kendisi hakkında soru sormayı yasakladı.

Kuantum alan teorisi ise paranın kendisini masaya koyar. Cevabını ilk duyduğunuzda şaşıracaksınız: elektron ne dalgadır ne de parçacık. İkisi de evrenin her köşesine yayılmış, çok daha temel bir şeyin iki ayrı görünüşüdür. O şeyin adı Alan. Dizinin ilk yarısı, bu cümleyi gerçekten anlaşılır kılmak için.

Burada tarihin hoş bir ironisi var. Bohr tamamlayıcılığı 1927 Eylül'ünde İtalya'nın Como şehrinde ilan etti. Aynı yılın başında genç bir İngiliz fizikçi, Paul Dirac, ışığı bir alan olarak ele alıp onu kuantum kurallarına uyduran ilk makalesini yayımlamıştı. "Paranın kendisini aramayın" denildiği yıl, onu bulacak yolun ilk adımı çoktan atılmıştı. Ama meşhur olan, Bohr'un hikâyesi oldu.

Bu dizi üç durakta ilerleyecek. Önce alanı anlatacağız: kavramın nasıl doğduğunu, kuantumla nasıl buluştuğunu, parçacıkların nasıl bir alanın dalgalanmasına dönüştüğünü. Sonra Standart Model'i kuracağız: kuarkları, kuvvetleri, kütlenin nereden geldiği sorusunu. En sonda modelin açıklayamadıklarına ve o boşlukları doldurmak için önerilen yeni kuramlara geçeceğiz; sicim teorisi de bunların arasında. Son yazıda ise zor bir soruyla yüzleşeceğiz: deneyle sınanamayan bir kuram ne zaman bilim olmaktan çıkar?

Yöntem önceki iki diziyle aynı: matematik yok, tarih sırası var. Çünkü bu kuramların hiçbiri birinin masa başında keyfine göre uydurduğu şeyler değil. Her biri, bir sorunun içinde sıkışmış insanların bulduğu çıkış yoludur. Soruyu bilen, cevabı anlar.

Bir mıknatıs, bir çivi

Paranın kendisini aramak için kuantumdan yüz yıl geriye gitmemiz gerekiyor. 1830'lar, Londra. Okulu erken bırakmış, okumayı bir ciltçi dükkânında çıraklık yaparken ciltlediği kitaplardan öğrenmiş, ömrü boyunca ileri matematiği hiç öğrenememiş bir adam: Michael Faraday.

Kafasını kurcalayan soru, bir çocuğun sorabileceği kadar basitti. Mıknatıs çiviye dokunmadan onu nasıl çekiyor? Aradaki boşlukta ne var? Bugün bütün modern fiziğin üzerine kurulduğu kavram -alan kavramı- işte bu sorudan doğdu.

Yarın, Faraday'ın atölyesinde buluşuyoruz.