Maddeyi anlamak-8: Boşlukları doldurma çabası: Yeni cevaplar, yeni sorular

Geçen yazıda, Standart Model'in boşluklarını saydık. Yerçekimi kurama girmiyor. Evrenin yüzde doksan beşi karanlık madde ve karanlık enerji. Antimaddenin nereye gittiği bilinmiyor. Kuram kendi sayılarının sebebini açıklayamıyor.

Fizikçiler son elli yılda bu boşlukları kapatmak için birçok yeni model önerdi. Bu yazıda üçünü anlatacağım. Ama baştan söyleyeyim: bu yazıda anlatılanların hiçbiri deneyle doğrulanmış değil. Önceki yedi yazıda bilineni anlattık. Bu yazıda tahmin edileni anlatıyoruz.

Her parçacığa bir eş

İlk model, 1970'lerde ortaya atılan süpersimetri.

Altıncı yazıda parçacıkları iki gruba ayırmıştık: maddeyi oluşturanlar ve kuvvetleri taşıyanlar. Süpersimetri bu iki grup arasında derin bir akrabalık olduğunu öne sürer. Ona göre her parçacığın, henüz bulunmamış daha ağır bir eşi vardır. Elektronun bir eşi, her kuarkın bir eşi, fotonun bir eşi.

Bu fikir fizikçilere çekici geldi, çünkü birkaç boşluğu birden kapatıyordu. Eş parçacıkların en hafifi kararlı olacak ve hiçbir şeyle kolay kolay etkileşmeyecekti; yani karanlık madde için biçilmiş kaftandı. Ayrıca kuvvetlerin çok yüksek enerjilerde tek bir kuvvette birleşmesine de yardım ediyordu.

Büyük Hadron Çarpıştırıcısı yapılırken birçok fizikçi Higgs'in yanında bu eş parçacıkların da çıkacağından neredeyse emindi. Makine on yılı aşkın süredir çalışıyor. Higgs bulundu; eşlerden hiçbiri bulunamadı. Süpersimetri ölmedi, çünkü eşlerin makinenin ulaşamadığı kadar ağır olabileceği söylenebilir. Ama ona duyulan güven ciddi biçimde sarsıldı.

Aynı dönemde dünyanın dört bir yanında, maden ocaklarının yüzlerce metre altına karanlık madde parçacığını yakalamak için hassas dedektörler kuruldu. Otuz yılı aşkın aramada tek bir sinyal alınamadı. Bu yüzden bazı fizikçiler dünkü soruya diğer cevabı veriyor: belki karanlık madde bir Neptün değil, bir Merkür'dür; belki yeni bir parçacık aramak yerine yerçekimi anlayışımızı değiştirmemiz gerekir. Bu görüş azınlıkta, ama tartışma sürüyor.

Titreşen sicimler

İkinci model, en ünlüsü: sicim teorisi.

Hikâyesi tesadüfle başlar. 1968'de genç İtalyan fizikçi Gabriele Veneziano, güçlü kuvvetin bazı ölçümlerine uyan bir formül buldu. Sonradan anlaşıldı ki bu formül, parçacıkların nokta değil, titreşen minicik ipler olduğunu varsayınca ortaya çıkıyordu. Güçlü kuvvet için başka bir kuram bulununca fikir unutulmaya yüz tuttu. Ama birkaç fizikçi peşini bırakmadı ve 1970'lerde şaşırtıcı bir şey fark ettiler: bu sicimlerin titreşimlerinden biri, tam olarak gravitonun özelliklerini taşıyordu.

Yerçekimini kuantuma sokmanın yolu, kendiliğinden ortaya çıkmıştı.

Fikri bir keman teliyle anlatabiliriz. Tek bir keman teli, nasıl titreştiğine göre farklı notalar çıkarır. Sicim teorisine göre evrendeki bütün parçacıklar da aynı türden minicik sicimlerin farklı titreşimleridir. Bir şekilde titreşen sicim elektron, başka bir şekilde titreşen foton, bir başka şekilde graviton olur. On yedi parçacık, tek bir şeyin on yedi notası.

Bu, bu dizi boyunca konuştuğumuz soruya, "dünya neyden yapılmış" sorusuna verilmiş en iddialı cevaptır. Ve göletlerin altına bir kat daha iner: alanların kendisi de sicimlerden doğuyor olabilir.

Ama bu güzel resmin ağır bedelleri var. Birincisi, kuram tutarlı olabilmek için on boyutlu bir uzay istiyor. Bizim bildiğimiz üç uzay ve bir zaman boyutunun yanında altı boyut daha. Bunlar nerede? Cevap: o kadar küçük kıvrılmışlardır ki göremeyiz. Uzaktan bakınca ince bir çizgi gibi görünen bir bahçe hortumu düşünün. Yaklaştıkça hortumun aslında yuvarlak olduğunu, üzerindeki bir karıncanın etrafında dönebildiğini görürsünüz. Fazladan boyutların da böyle, her noktada minicik kıvrılmış olduğu düşünülüyor.

İkincisi, sicimler akıl almaz derecede küçük. Bir atomu bütün evren büyüklüğüne şişirseniz, bir sicim ancak bir ağaç boyunda olurdu. Onları doğrudan görmek için gereken enerji, Büyük Hadron Çarpıştırıcısı'nın gücünün katrilyon katı. Böyle bir makine yapmak mümkün değil.

Üçüncüsü ve en ağırı: o altı boyutun kıvrılabileceği yolların sayısı, bir rakamın yanına beş yüz sıfır koyacak kadar fazla. Her kıvrılma biçimi farklı parçacıklara, farklı fizik yasalarına sahip başka bir evren demek. Kuram, bizim evrenimizi bu sayısız ihtimal arasından seçip gösteremiyor. Bir şey öngöremeyen bir kuramı da sınamak mümkün olmuyor.

Elli yılı aşkın süredir dünyanın en parlak zihinlerinden yüzlercesi sicim teorisi üzerinde çalışıyor. Kuram fiziğe ve matematiğe değerli araçlar kazandırdı. Ama bugüne kadar deneyle sınanabilecek tek bir öngörüde bulunamadı.

Uzayın da parçaları var

Üçüncü model daha mütevazı bir hedefle yola çıktı: döngü kuantum kütleçekimi.

Sicim teorisi her şeyi birden açıklamak isterken, bu yaklaşım yalnızca bir soruya odaklanır: yerçekimi kuantuma nasıl uydurulur? 1980'lerden itibaren Abhay Ashtekar, Carlo Rovelli ve Lee Smolin gibi fizikçilerin geliştirdiği bu modelde fazladan boyut ya da yeni parçacık yoktur.

Fikri cesurdur. Görelilik dizisinde yerçekiminin uzay-zamanın bükülmesi olduğunu söylemiştik. Madem yerçekimi uzayın kendisidir, o hâlde kuantumlanması gereken de uzayın kendisidir. Tıpkı ışık enerjisinin basamaklar hâlinde gelmesi gibi, uzay da sonsuza kadar bölünemez; en küçük parçaları vardır. Uzaktan pürüzsüz görünen bir kumaşın yakından bakınca dokunmuş ipliklerden oluşması gibi. Bu modelin de zayıf yanları var. Yalnızca yerçekimini ele alır, öteki kuvvetleri birleştirmeye çalışmaz. Ve o da, sicim teorisi gibi, henüz deneyle sınanamadı.

Bildiğimiz ile umduğumuz

Bu üç modelin ortak noktası, her birinin ciddi bilim insanlarının ciddi çabalarının ürünü olması. Hiçbiri bir uydurma değil. Ama hiç biride, önceki yazılarda anlattığımız anlamda, bilinen bir şey değil.

Elektronun bir alanın titreşimi olduğu, kuarkların protonun içinde bulunduğu, Higgs alanının parçacıklara kütle verdiği deneyle gösterildi. Sicimler, fazladan boyutlar, süpersimetrik eşler ise henüz kâğıt üzerinde. Gazetelerde "bilim insanları evrenin on boyutlu olduğunu söylüyor" diye bir başlık gördüğünüzde, bunun bir keşif değil bir varsayım olduğunu bilmek, bu dizinin okura kazandırmak istediği en önemli şeylerden biri.

Peki deneyle sınanamayan bir kuram, ne kadar güzel olursa olsun, hâlâ bilim midir? Bilim nerede bitiyor, başka bir şey nerede başlıyor?

Yarın, dizinin son yazısında bu soruyla yüzleşeceğiz.