Fizik / Astrofizik Tüm Yazılar

Büyük Birleşim Kuramı: Yük, Fazladan Boyutlar, D-Zarlar

Hazırlayan: Eyüp Gürses

Büyük Birleşim Kuramı’na göre maddenin yükü nereden geliyor, 3 boyutlu bir dünyada yaşıyoruz ama, söz edilen fazladan boyutlar nereden çıktı?

Bu yazımızda yükün tanımından başlayıp noktasal parçacıklara ve daha büyük yapılara yüklerini neyin verdiğiyle devam edeceğiz. Sonra ise fazladan boyutlardan bahsedip, bunu D-zarlar ile bağlayacağız. Nihayetinde, parçacıkların birbirleriyle etkileşimini kuantum elektrodinamiğine göre açıklayıp bitireceğiz.

İlk önce tabii ki “Yük”ün ne olduğunu anlatmakla başlayalım yazımıza ki, akıllarda bu yükün nereden ve nasıl geldiği daha kalıcı biçimde yer etsin.

Atom çekirdeğinde yer alan protonların temsili gösterimi. 2 yukarı kuark, 1 aşağı kuark ve onları bir arada tutan güçlü kuvvet.

Yük: Hepimizin daha ilkokulda öğrendiğimiz gibi aynı yükler birbirlerini iter, zıt yükler ise çeker. Protonun yükü +1, elektronun -1 ve nötron gibi nötr parçacıkların ise yükü 0’dır. Peki neden böyle?

Not: Sıklıkla sahte bilimcilerin mistik öğretilerini yaymak için kullandığı; “aynı yükler birbirini ittiği halde, nasıl oluyor da atom çekirdekleri bir arada kalabiliyor” sorusunu cevaplamak için şöyle düşünün. İki mıknatısın aynı kutupları birbirini iter ve asla birleştirilemezler. Oysa, o iki mıknatısı ayakkabılarınızdan alıştığınız “cırt cırt” ile sarmaladığınızda, birbirlerini itmelerine rağmen yapışıp bir arada kalırlar. İşte, “güçlü kuvvet” de tam olarak bunu yapar.

Bütün atom altı parçacıkların sahip oldukları yükler “e”nin katları şeklindedir. Yukarıda dediğimiz +1 ve -1 olan yükler gerçekte +e ve – e’dir (e=1.602×10*-19 coulomb). Atom altı parçacıkların oluşturduğu birazcık daha makro yapıların yükleri ise bünyesinde bulunan bütün atom altı parçacıkların yükleri toplamından gelir.

Büyük Birleşim Kuramı

Proton ve nötronun temel yapısı.

Mesela proton noktasal bir parçacık olmadığından yükü; onu oluşturan 2 yukarı (up) ve 1 aşağı (down) kuarktan gelir (2 up ve 1 down kuarkların yükleri sırayla +2/3 ve -1/3 tür). Nötron ise 2 down ve 1 up kuarktan oluştuğu için yükü 0’dır. Çok net bir şekilde görebileceğiniz gibi yük bütün atom altı parçacıkların sahip olduğu karakteristik bir özelliktir.

Sicim kuramına göre, sicimlerin farklı frekanslarda titreşmesi noktasal parçacıklara yük, kütle vb özellikler kazandırır. Parçacıklara nasıl kütle kazandırdığı, nasıl yük kazandırdığından daha açık ve akla yatkındır. Çünkü sicim kuramı yük kavramını fazladan boyutlarla ilişkilendirerek açıklıyor. Bu da bizim gibi sadece 3 uzaysal boyutu algılayan canlıların bu kavramları anlamasını biraz imkansız kılıyor. Sicimlerin parçacıklara nasıl kütle kazandırdığı açık dedim açıklamadan geçmeyeyim.

Sicim teorisine göre maddenin temel yapıtaşları sicim (flament) şeklinde nitelenebilecek yapılardan oluşmuştur.

Sicimler tek boyutlu, planck uzunluğunda olan (10*-35mm) paket lastiği ve iplik şeklindeki yapılardır. Kapalı sicimler ve açık sicimler konusuna ise, daha sonraki yazılarımızda açıklık getiririz. Bu sicimlerin kendi kütleleri, titreştiği frekanstaki enerjisinin E=m.c2 ile bağıntısından oluşan kütlesi ve her yere egemen olan kuantum dalgalanmalarının etkisiyle birlikte oluşan toplam kütle hesaplanıp, bizim noktasal parçacığımızın kütlesi kolayca bulunmuş oluyor. Dediğimiz kadar kolaymış değil mi? Evet tabii ki öyle…

Şimdi sicim kuramına göre yükü açıklayalım. Biraz başınız dönebilir, bu yüzden bağladığınız kemerlere güvenmeyin, aynı zamanda bir yerlere de tutunun!

Ayar simetrisi, yükü açıklamak için bir fazladan boyuta ihtiyaç duyar ve bu boyutun daire şeklinde olması gerektiğini söyler. Çünkü daire simetriktir. Şimdi simetrinin yükle ne alakası var diyebilirsiniz, fakat çok alakası var.

Eğer evrenimizde fazladan boyutlar varsa ve bir fazladan boyut çok küçük ama daire şeklindeyse, parçacık bu dairenin çevresinde ileri gitmesinden dolayı +, geri gitmesinden dolayı – yük kazanır. Hatta ve hatta +, – ve 0 (sıfır) yük dışında başka yük olmaması da, bu parçacıkların dairenin çevresi etrafında gidebilecekleri başka yönün olmamasından kaynaklanıyor.

Büyük Birleşim Kuramı

D-zarlar: Edward Witten M-teorisini öne sürdüğünde, o zamana kadar kabul görmüş 5 farklı sicim kuramını birleştirmiş ve bunların sadece birbirlerinin farklı yorumlanışları olduğunu açıklamıştır. Evrenin 10 boyut değil de 11 boyuttan oluştuğunu öne sürmüş, hatta ve hatta bizim 3 boyutlu evrenimizi daha fazladan boyutlardan oluşan bir uzay-zamanın içinde yüzen 3 boyutlu bir zar olarak tanımlamıştır.

Bizim evrenimizin 11 boyutlu veya daha alt boyutlu evrenlerin içinde bir D-zar olduğunu öne sürüyor kısacası. Bu kuramın en büyük gelişmesi, Joseph Polchinski tarafından 5 farklı sicim kuramının 3’ünde sicimlerden başka yüksek boyutlu cisimler olduğunu göstermesiyle gerçekleşti. Bu cisimler, D-zar olarak adlandırılıyor ve her zaman açık sicimin bittiği yerde bulunuyorlar: 0-zar=parçacık, 1-zar=sicim, 2-zar=zar, 3-zar,…. 9-zar).

Şimdi geldik yük kavramını D-zarlarla açıklamaya…

Süpersicim teorisi D-zarların elektrik yüküne benzeyen özellikleri vardır der ve bu D-zarların +1 yükü vardır. Teori ayrıca, -1 yükü olan anti-D-zarlar da vardır diye ekler. İkinci süpersicim devrimi, varsayılan 10 boyutun aksine 11 boyut barındırdığının öne sürülmesiyle etkinlik kazandı.

Boyut kavramını algılamakta zorlanıyoruz. 3 boyutlu bir evrende yaşadığımız için, fazladan bir boyutu dahi hayal etmemiz çok zor. Hatta, yukarıdaki fotoğrafta olduğu gibi, 2 boyutlu bir resmi bile aldanıp 3 boyutlu olarak görmek gibi bir eğilime sahibiz .

Hatırladığınız gibi D0-zarlar noktasal parçacıklardı. Bu teori D0-zarları, daire şeklindeki 11.boyutun etrafında dönen parçacıklar olarak tanımlıyor ancak, parçacık 11. boyutun etrafında diğer tarafa doğru dönüyorsa bu da anti-D0-zar oluyor. Bu ortaya atıldığı zamanlarda harika bir matematiksel keşifti ve süper sicim teorisinin ciddi bir şekilde ele alınmasına yol açtı.

İki elektronun etkileşimlerine bakalım:

iki elektron aynı yüklere sahip olduğundan dolayı birbirini iter ama neden? Kuantum elektrodinamiği bunu, iki elektronun birbirini itmesini sağlayan arasındaki sanal fotonun, yani elektromanyetik alanın yük taşıyıcısının bir anda momentumunu transfer etmesi ve ardından yok olması diye açıklıyor (Tıpkı protonların içinde ki kuarkların gluon saldığı gibi elektronlarda foton salıyor). Bu gluonlara sanal denilmesinin nedeni de, yalnız başlarına gözlemlenemeyecek olduklarından kaynaklanıyor. Çünkü bildiğiniz (ya da şu an öğrendiğiniz) gibi kuarklar tek başlarına bulunmazlar. Ayrıca bu sanal parçacıklar şu anlık gözlemlenmedi ve kuantum mekaniksel olarak var olup yok oluyorlar. Aşağıda iki elektronun etkileşiminin açıklandığı Feynman Diyagramını görebilirsiniz.

Peki protonun ve elektronun çekimini ne sağlar? Nasıl bir sanal taşıyıcı iki zıt yükteki maddeyi birbirine çeker?

Proton-elektron etkileşiminin Feynman diyagramı.

Protonun yükünü içindeki üçlü kuarkın yükleri toplamı diye açıklayabiliriz ama, kuarkların yükleri tam sayılar değil ki, bir parçacığın yükü nasıl +2/3 veya -1/3 gibi değerler alabilir? Bunun şu anlık kesin bir cevabını bilmiyoruz ve kuarkları yalnızken gözleyemediğimizden dolayı kesin bir şey söyleyemiyoruz.

Umarız LHC’de ve diğer parçacık hızlandırıcılarda yapılan çalışmalar, evrenin en temel sorularına ömür süremiz içerisinde cevaplar bulabilir.

Eyüp Gürses

Kapak Fotoğrafı: Dina Belenko/Flckr
Fotoğraf-1:
https://kevinbinz.com/tag/quark/
Fotoğraf-2: https://www.researchgate.net/figure/261761300_fig9_The-figure-shows-the-Feynman-diagram-for-electron-electron-interaction-Long-arrow-shows
Fotoğraf-3: https://qph.ec.quoracdn.net/main-qimg-7a732396300700ef5486fdfa59edac08
1-https://en.wikipedia.org/wiki/M-theory
2-Sicim Teorisi Hakkında Küçük Bir Kitap

Hep daha fazla okumak gerekir...

Yazar Hakkında

Eyüp Gürses

Hacettepe üniveristesi Fizik Mühendisliği bölümünü kazandı hazırlık okurken tekrar üniversite sınavlarına girerek Selçuk Üniversiesinde Makine Mühendisliği okumaya başladı 4.sınıfta okulu dondurup 7 ayda ingilizce öğrenerek University of Debrecen’de Fizik okumaya başladı ve halen devam ediyor. İlgilendiği alanlar: Fizik, Matematik, Evrimsel Biyoloji, Nörobiyoloji, Psikoloji, Kriptoloji, Edebiyat, Felsefe…