EVRENDEKİ BEŞİNCİ KUVVET
Evrendeki beşinci bir kuvvet evrenin gizemlerini açığa çıkaracağı gibi Einstein’ın teorilerini de çürütebilir
Güneş sakin bir volkanın ardından batarken, Dünya’nın en büyük teleskoplarından ikisi bir siluete dönüşüyor. Gece karanlığı düşünce teleskobun kubbeleri açılıyor ve içindeki son teknoloji ortaya çıkıyor. Teleskopların iki adet 10 metrelik aynaları, gökyüzünde bir yay gibi ufuktan ufuka uzanan Samanyolu’ndan gelen antik ışığı topluyorlar. Peki Keck Gözlemevinin bu ikiz teleskopları Hawaii’deki Mauna Kea volkanın 4.000 metre rakımında tam olarak neyi arıyor? En basit cevap yeni bir şey aradıkları.
Fizikçiler arasında dolanan, yüzyıldır hiçbir şeyin değişmediğine dair bir geyik mevcut.
20. yüzyılın başları teorik fizik için bir sürü yeniliği getirdi. Evreni anlayışımızdaki devrim kuantum fiziğinin ve Einstein’ın görelilik teorisinin ortaya çıkmasını sağladı; bu ikili modern fiziğin temellerini oluşturuyor. Kuantum en küçüğü açıklarken, görelilik en büyüğü açıklıyor.
Fakat, alaycı bir kişi o dönemden beri yaşanan tüm gelişmelerin sadece vitrini değiştirmek olduğunu söyleyebilir. Tabii ki ele alınacak birçok şey mevcut. Hiç değilse 2015 yılında kütle çekimsel dalgaların keşfi var. Bu olgu ilk defa Einstein tarafından 1915’te ortaya atılmıştı. Ancak bu keşif sadece çok eski bir fikrin doğrulamasıydı. Higgs bozonunun keşfi bile sadece bir formdaki kutucuğu işaretlemek gibiydi. Herkes orada bir yerlerde olduğunu biliyordu, hatta bulamamak daha ilginç olabilirdi.
Peki neden yeni bir fiziğe ihtiyaç duyuyoruz.
Çünkü iş evrenin en büyük gizemlerini açıklamaya geldiğinde, eski fizik yeterli gelmiyor. Evrenin nasıl çalıştığı ile ilgili en iyi tablomuz Standart Model. Standart Model kozmosun bir kullanım kılavuzu niteliğinde. Bu model, bu sayfayı oluşturan atomlardan, sayfadan yansıyan fotonlara kadar evrendeki her şeyin ‘içindekiler’ listesi gibi. Örneğin, Higgs bozonu her şeye kütlesini veriyor.
Ancak görelilik ortaya çıktığından beri,Standart Model’e meydan okuyan bir kozmik çıkmaz mevcut. “Günümüzde Standart Model’in tamamlanmadığına dair geçerli kanıtlar var.” diyor Kentucky Üniversitesinden teorik fizikçi Susan Gardner. Evrende tespit ettiğimiz kütle çekimini açıklayacak kadar madde olmadığı görülüyor. Galaksilerdeki yıldızlar, galaksiler sadece görünür maddeden oluşsaydı dolandıkça dağılmaları gerekirdi. Dolayısı ile astronomlar kütle çekimi sağlayan ancak görünemeyen gizemli bir şeyin varlığını ortaya attılar: karanlık madde.
Buradaki sıkıntı, Standart Model’de karanlık maddeyi açıklayacak bir şeyin olmaması.
Gardner “Bu durumu nasıl çözeceğimizi henüz bilmiyoruz.” diyor. En geleneksel yaklaşım, karanlık maddenin Standart Model’de henüz ortaya koyulmamış parçacıklarla açıklanabileceği. Fizikçiler yıllardır CERN’de bulunan Büyük Hadron Çarpıştırıcısı ile muhtemel yeni parçacıklara dair kanıtlar bulmaya çalışıyor. Ancak şu ana kadar ortaya bir şey çıkmadı. Surrey Üniversitesinden bir karanlık madde uzmanı olan Justin Read “Önümüzdeki birkaç yıla kadar bir şey bulamazsak, insanlar bu fikri bir kenara bırakacak.” diyor.
Bazı fizikçiler, bu adımı çoktan geçip yeni radikal fikirler ortaya atmaya başladı: yeni bir parçacığa değil yeni bir kuvvete ihtiyacımız var. Standart Model dört temel kuvvet tanımlıyor: kütle çekimi, elektromanyetik kuvvet, güçlü nükleer kuvvet ve zayıf nükleer kuvvet. Ancak kütle çekimi bunların arasında en garip olanı. İlk olarak, diğer tüm kuvvetlerden çok daha zayıf. Dahası, fizikçiler diğer kuvvetlerle ilişkili bozonların (cisimler arasında kuvvetlerin etkilerini taşıyan parçacıklar) varlığını biliyorlar. Ancak kütle çekiminin varsayımsal bozonu olan gravitona dair herhangi bir şey bulabilmiş değiliz.
Şu ana kadar kütle çekimi ile ilgili elimizdeki en iyi şey Einstein’ın genel görelilik teorisi. Bu teori şimdiye kadar bütün testleri başarıyla geçti; 2015’teki kütle çekimsel dalgaların keşfi gibi. Ancak sıkıntılar yok değil. Los Angeles Kaliforniya Üniversitesinden (UCLA) Tuan Do “Şimdiye
“Günümüzde Standart Model’in tamamlanmadığına dair geçerli kanıtlar var”
Susan Gardner
kadar yapılan bütün testler kütle çekiminin çok güçlü olmadığı koşullarda yapıldı.”diyor. Birçok fizikçi genel göreliliğin, kütle çekiminin çok daha güçlü olduğu koşullarda çökeceğine inanıyor. Eğer Einstein’ın başyapıtı daha temel bir teorinin basit bir yaklaşımı ise, teorileri galaksilerin dönmesine uyguladığımızda neden şaşırdığımızı da anlayabiliriz. Böyle bir durumda karanlık madde, yanlış kuralları yanlış yerde kullanmamızın sonucu olan bir hayal ürünü olur.
Peki Einstein’ın genel görelilik teorisinin her koşulda geçerli olmadığını nasıl kanıtlayabiliriz? Kütle çekiminin çok güçlü olduğu bölgeleri inceleyip buralarda göreliliğin çöktüğünü görmemiz gerekir. Mauna Kea’daki Keck Teleskopları tam olarak bu amaca hizmet ediyor. Tuan Do 1990’ların ortasından beri Samanyolu’nun merkezindeki 4 milyon Güneş kütleli devasa karadeliği çalışan astronom ekibinin bir üyesi. Bu ekip, Nobel Ödüllü Andrea Ghez tarafından yürütülüyor ve bu dev canavara yakın yıldızları haritalandırmaya çalışıyor. Ekip şimdiye kadar S2 ve S55 yıldızlarının karadelik etrafında bir tam yörüngelerini gözlemledi. Ekibin yaptığı çalışmalar Andrea Ghez’e
2020 yılında fizik dalında Nobel Ödülü’nü getirdi. Teori günümüze kadar halen testlere dayanmaya devam ediyor. Ancak Ghez ve ekibi için yolun sonu burası değil.
Ekip 2018’in ortalarında S2’nin karadeliğe en yakın olduğu noktayı gözlemlemeyi başardı. Burası yıldızın, karadeliğin çekim kuvvetini en yüksek hissettiği yer. Bu nokta Einstein denklemlerinden en çok ayrılmayı beklediğimiz yer. S2 yıldızının bu noktadan geçerken, ışık hızının %3’ü kadar bir yörünge hızına ulaştığı düşünülüyor. S55’in yörünge periyotu S2’ye göre daha kısa. Do, “S55,
12,8 yıllık bir yörüngede dolanıyor ve S2’ye göre daha sönük." diyor. Bu kadar yakın bir yörünge genel görelilik testi için ölçümlerin hassas şekilde yapılabilmesinin çok zor olduğunu gösteriyor. Yeni nesil gözlemevleri
“Önümüzdeki birkaç yıla kadar bir şey bulamazsak, insanlar bu fikri bir kenara bırakacak”
Justin Read
bu konuda çok daha detaylı gözlemler sunarak katkı sağlayacak. Einstein’ın zırhında en ufak bir gedik açabilirsek, ortaya bilimsel bir devrim çıkabilir.
Bu, astronomların söz konusu kozmik açmazı açıklamak için beşinci bir kuvveti ilk arayışı değil. Karanlık maddenin daha da gizemli olan bir kuzeni mevcut: Karanlık enerji. 1998 yılında iki farklı ekip çığır açan bir keşif yaptı: evrenin genişlemesi hızlanıyor. Bu keşif, o dönemde sahip olunan evrenin genişlemesinin, galaksilerin kolektif kütle çekimi etkisi nedeniyle yavaşlıyor olması gerektiği görüşüne aykırıydı.
Bu şaşırtıcı bulguyu açıklamak gerektiğinde ortaya iki farklı fikir çıkıyor. Ya evrende antikütle çekimi gibi görev yapan ekstra bir enerji var ya da Einstein’ın genel görelilik teorisi evrenin büyük ölçeklerinde geçerliliğini yitiriyor. Eğer ikinci durum söz konusu ise o zaman beşinci bir kuvvetin varlığından bahsedebiliriz. Bu fikri test etmek için 2012 yılından Pennsylvania Üniversitesinden Bhuvnesh Jain tarafından yürütülen bir çalışma bize yakın 25 galaksiyi inceledi ancak Einstein’ın yanlış olduğunu öngörecek bir sonuca varamadı.
Diğer taraftan, beşinci kuvvet problemini ele alabilecek astronomik olmayan bir yaklaşım daha var: beşinci kuvvetle ilişkili bozonu aramak. Bu bozon bulunmuş bile olabilir. Nisan 2015’te Debrecen Nükleer Araştırma Enstitüsünden Macar araştırmacılar sıradışı sonuçlar yayınladılar. Ekip lityum7’den yapılmış bir hedefe proton fırlatıyor ve ortaya çıkan parçacık denizinde ‘karanlık foton’ (fotonun görünmeyen bir türü) arıyordu. Bu tür bir parçacık karanlık maddeyi açıklayabilir. Aradıklarını bulamasalar da atomaltı şarapneller arasında Standart Model’in açıklayamadığı bir şey buldular: daha önce hiç görülmemiş ekstra hafif bir parçacık. Bu parçacık elektrondan sadece 34 kat daha kütleli.
Fizikçiler aşırı temkinli oldukları için bir şeyleri fark etmeleri biraz sürebiliyor. Sonunda 2016 yılında Büyük Hadron Çarpıştırıcısı’nda yeni bir muhtemel parçacık keşfedildi ve hatta bazıları bunun uzun süredir aranan graviton olabileceğini öne sürdü. Maalesef, bu keşif aslında verideki istatistik bir sinyalden başka bir şey değildi. Macar takım aslında biraz yanlış anlaşılmıştı. Susan Gardner “Çalışmalarında direkt olarak egzotik bir açıklama ortaya atmadılar, sadece egzotik bir yorumun mümkün olduğundan bahsettiler.” diyor. Gardner, Irvine Kaliforniya Üniversitesinden (ICU) Jonathan Feng’in yürüttüğü bir takımın parçası ve bu keşfin çığır açabileceğine inanıyor. Analizleri bunun yeni bir bozon olabileceğini öneriyor, hatta geçici olarak ‘protofobik X bozonu’ adını bile verdiler.
Peki bu bozon hangi kuvvetin etkileşiminden sorumlu? Kesinlikle geleneksel olarak bilinen dört kuvvetin değil. Uzun süredir aranan beşinci kuvvete ait olabilir mi?
“Macar takım 2008, 2012 ve2015’deki yeni bozon keşfi raporları ile yalancı çoban konumuna düştü”
Justin Read
Böyle bir iddiayı ortaya atmak için henüz çok erken ancak Gardner’a göre bu durum göz ardı edilmiş bu alana yeni bir bakış açısı kazandırabilir. Bu, karanlık maddeyle ilişkilendirilebilecek yeni bir parçacık değil yeni bir kuvvet aranması demek. Bir sonraki adım ise deneyi Feng’in ekibinin yeni analizi ışığında tekrar etmek ve yeni bir parçacığın ortaya çıkıp çıkmayacağını görmek. Gardner ABD’de birçok farklı ekibin tam olarak bunu yapmaya çalıştığını belirtiyor. Justin Read’e göre ise bu arayış çok gerekli. “Macar takım, çok defa yalancı çoban yerine kondu.” diyor. “2008, 2012 ve 2015’te yeni bozon keşfi raporladılar ancak hepsinin arkası boş çıktı.”
Eğer bu arayış tutarsa, 100 yıldan fazladır ilk defa fizikte bir devrimin ucunda olabiliriz. Bu, Einstein’ın yıkılmayan genel görelilik teorisinin ötesinde bir şey veya Standart Model’in ötesinde yeni bir kuvvet olabilir. Fizikte yeni bir kilometre taşı da olabilir: her şeyin bütünleşik teorisi. Böyle bir teori kütle çekiminin diğer 3 kuvvet kadar iyi bir şekilde tanımlanmasını sağlayabilir. Bu, özellikle karadelikler söz konusu ise çok önemli bir adım. Bir karadelik çok küçük boyutlarda ortaya çıkıp, devasa boyutlara ulaşan eşsiz bir cisim. Ancak görelilik kuantum kurallarını dikkate almadığı gibi, kuantum teori de kütle çekimini tanımlayamıyor. Do “Bunların hepsinin temelinde yatan bir teori olmalı.” diyor. Beşinci bir kuvvetin varlığını ortaya koyabilmek böyle bir teorinin zemini için inanılmaz ipuçları ortaya koyabilir.
Dahası, karadelikler çok küçük bir uzaya sıkışmış aşırı güçlü kütle çekiminin tek örneği değil. Büyük Patlama’ya dair geleneksel görüş, evrenimizin çok küçük ve çok yoğun bir noktadan başlayıp günümüzde gözlemlediğimiz hale geldiğini öngörüyor. Dolayısıyla kütle çekiminin kuantum teorisi evrenin kökenlerine dair paha biçilemez bilgiler sunabilir.
Beşinci bir kuvveti keşfetmek sadece genel görelilikteki eksikleri gidermek açısından değil aynı zamanda göreliliği kuantum ile birleştirmek açısından da devrim niteliğinde olacak. Böylece, evrenin nasıl oluştuğundan, karadeliklerin dibinde ne olduğuna kadar birçok gizemi çözebiliriz.