Maddeyi anlamak-7: Kuramın cevap veremedikleri

Dün Standart Model'i tamamladık. On yedi parçacık, üç kuvvet, kırk yılı aşkın bir süre boyunca her deneyden alnının akıyla çıkmış bir kuram.

Bu yazıda o kuramın açıklayamadıklarını konuşacağız. Ama baştan bir şeyi netleştirelim: Standart Model yanlış değil. Ölçebildiğimiz her şeyi doğru öngörüyor. Sorun, ölçebildiğimiz her şeyin evrenin tamamı olmaması.

Bunu anlamak için daha önceki yazılarda anlattığımız bir tarihe gidelim: on dokuzuncu yüzyıla, bir Fransız gökbilimcinin masasına.

Neptün mü, Merkür mü?

1840'larda gökbilimciler Uranüs gezegeninin yörüngesinde küçük bir sapma fark etti. Gezegen, Newton'un yasalarının söylediği yerde değildi. Fransız gökbilimci Urbain Le Verrier iki ihtimal gördü: ya Newton yanılıyordu ya da orada henüz görülmemiş bir gezegen Uranüs'ü çekiyordu. İkincisine bahse girdi, o gezegenin nerede olması gerektiğini hesapladı. 1846'da teleskoplar oraya çevrildi ve Neptün bulundu.

Birkaç yıl sonra aynı Le Verrier, Merkür'ün yörüngesinde de küçük bir sapma fark etti. Aynı yolu izledi ve Güneş'e çok yakın, görünmeyen bir gezegen önerdi. Ona Vulkan adını bile verdi. Ama Vulkan hiçbir zaman bulunamadı. Çünkü sorun eksik bir gezegen değil, eksik bir kuramdı. Merkür'ün sapmasını altmış yıl sonra Einstein'ın genel göreliliği açıkladı ve sorun çözüldü.

Bu hikâye, bugün fizikçilerin karşısındaki durumu çok iyi anlatıyor. Bir sapma gördüğünüzde ya bilmediğiniz bir şey vardır ya da kuramınız eksiktir. Standart Model'in boşluklarının bazıları bir Neptün olabilir, bazıları bir Merkür.

İlk ve en büyük boşluk, geçen hafta tabloda gördüğümüz eksik: yerçekimi.

Görelilik dizisinde yerçekiminin, kütlenin uzay-zamanı bükmesi olduğunu anlatmıştık. O dizide bir soruyu da açık bırakmıştık: öteki kuvvetlerin taşıyıcı parçacıkları varsa, yerçekiminin de olmalı mı? Fizikçiler bu varsayımsal parçacığa graviton diyor. Ama hiç kimse onu görmedi.

Daha büyük sorun şu: yerçekimini öteki kuvvetler gibi bir kuantum alanı olarak yazmaya çalıştığınızda hesaplar sonsuz cevaplar vermeye başlıyor ve bu sonsuzluklar hiçbir yöntemle ayıklanamıyor. Genel görelilik ile kuantum alan teorisi, her biri kendi alanında kusursuz çalışan, ama birbiriyle konuşamayan iki dil.

Gündelik hayatta bu çatışma hiç ortaya çıkmaz, çünkü yerçekimi inanılmaz derecede zayıftır. Küçük bir mıknatıs, bütün Dünya'nın yerçekimine rağmen bir çiviyi yerden kaldırabilir. Atomların dünyasında yerçekimi o kadar zayıftır ki hesaba katılmaz. İki kuramın aynı anda gerektiği yerler, ancak kara deliklerin merkezi ve evrenin ilk anı gibi aşırı noktalardır. Ve tam da oralarda, iki kuram birlikte saçmalar.

Görünmeyen madde

1970'lerde Amerikalı gökbilimci Vera Rubin galaksilerin nasıl döndüğünü ölçtü. Beklenti açıktı: Güneş sistemimizde nasıl dış gezegenler Güneş'in etrafında daha yavaş dolaşıyorsa, galaksinin kenarındaki yıldızlar da merkezdekilerden daha yavaş dönmeliydi.

Öyle çıkmadı. Kenardaki yıldızlar da neredeyse merkezdekiler kadar hızlı dönüyordu. O hızla dönen bir galaksi, gördüğümüz yıldızların kütlesiyle bir arada duramaz, savrulup dağılırdı. Bir şey onu tutuyordu. Hesaplar, galaksilerde gözümüzün gördüğünden beş kat fazla madde olması gerektiğini söylüyordu.

Bu maddeye karanlık madde dendi. Işık yaymıyor, ışığı yansıtmıyor, bilinen hiçbir parçacıkla etkileşmiyor; sadece yerçekimiyle varlığını belli ediyor. Standart Model'in on yedi parçacığından hiçbiri bu tarife uymuyor.

Kuantum dizisinde şöyle demiştik: tespit etmek açıklamak değildir. Karanlık madde bunun en çarpıcı örneği. Ne olduğunu bilmeden, var olduğunu ve ne kadar olduğunu ölçüyoruz. Bu bir Neptün mü, yani henüz bulamadığımız yeni bir parçacık mı? Yoksa bir Merkür mü, yani yerçekimi anlayışımızın büyük ölçeklerde eksik kalması mı? Fizikçilerin çoğu birincisine bahis oynuyor. Ama elli yıldır aranan o parçacık hâlâ bulunamadı.

Evreni iten şey

1998'de iki ayrı gökbilim ekibi, uzak yıldız patlamalarını inceleyerek evrenin genişleme hızını ölçtü. Beklenti, kütleçekiminin bu genişlemeyi yavaşlatıyor olmasıydı. Sonuç tam tersiydi: evrenin genişlemesi hızlanıyordu. Bir şey, uzayı giderek artan bir hızla iterek açıyordu.

Bu şeye karanlık enerji dendi. Ne olduğunu kimse bilmiyor.

İlk akla gelen aday, dördüncü yazıda gördüğümüz kıpırdayan boşluk. Madem boşluk alanlarla dolu ve durmadan titriyor, bu titreşimin bir enerjisi olmalı ve evreni itiyor olabilir. Fizikçiler bu enerjiyi hesapladı. Çıkan sayı, ölçülen değerden bir rakamın yanına yüz yirmi sıfır koyacak kadar büyüktü. Bu, fizik tarihinin en kötü tahmini olarak anılıyor.

Bugünkü ölçümlere göre tablo şu: evrendeki madde ve enerjinin yalnızca yüzde beşi, Standart Model'in tarif ettiği bildiğimiz maddedir. Yüzde yirmi yedisi karanlık madde, yüzde altmış sekizi karanlık enerji. Yani insanlığın en başarılı kuramı, evrenin yirmide birini açıklıyor.

Antimadde nereye gitti?

Üçüncü yazıda pozitronu, elektronun karşıt eşini anlatmıştık. Bir parçacık ile karşıtı karşılaştığında ikisi de yok olur ve geriye ışık kalır.

Standart Model'e göre evrenin başlangıcındaki enerji, madde ile antimaddeyi eşit miktarda üretmiş olmalıydı. Eşit miktarda üretildiyse, birbirleriyle karşılaşıp tamamen yok olmaları ve geriye ışıktan başka bir şey kalmaması gerekirdi. Ne yıldız, ne gezegen, ne biz.

Ama biz buradayız. Demek ki başlangıçta bir dengesizlik oldu; her milyar karşıt parçacığa karşılık bir fazla parçacık. O küçük fazlalık bugün gördüğümüz bütün evreni oluşturdu. Standart Model böyle bir dengesizliğe çok küçük bir pay ayırıyor, ama yeterli değil. Maddenin neden kazandığını bilmiyoruz.

Son bir boşluk daha var, daha sessiz ama belki en derini.

Standart Model, parçacıkların kütlelerini ve kuvvetlerin şiddetlerini öngörmez. Bunları ölçer ve kurama yerleştirir. Neden elektron bu kadar hafif, neden üst kuark bu kadar ağır, neden doğa aynı parçacık ailesini üç kez tekrarlamış? Beşinci yazıdaki "Bunu kim sipariş etti?" sorusu hâlâ cevapsız. Kuram, nasıl çalıştığını kusursuz anlatıyor; neden böyle olduğunu anlatmıyor.

Bir kuram ki kendi alanında kusursuz, ama yerçekimini içine alamıyor, evrenin yüzde doksan beşini tarif edemiyor ve kendi sayılarının sebebini bilmiyor.

Fizikçiler bu boşlukları kapatmak için son elli yılda birçok yeni model önerdi. Bunların en ünlüsü, her şeyi titreşen minicik sicimlerle açıklamayı vaat eden bir kuram. Yarın o modelleri konuşacağız: neyi vaat ettiklerini, neyi başardıklarını ve neyi henüz başaramadıklarını.