Sicim Teorisi Basitçe Nedir?

Hepimiz annelerimizin yaptığı örgü ve dantelleri görmüşüzdür. Ne hikmetse aynı iplikler farklı şekillerde örülüp farklı desenler ve örnekler ortaya çıkartıyordu. İşte sicim teorisi biraz buna benzetilebilir: Evrenimizi oluşturan örülmüş iplikler.

Önce bir tanımına bakalım, ne demek sicim teorisi? Daha sonra bu kuramı (teoriyi) basitçe anlamaya çalışalım. En klasik anlatım ile sicim teorisi, ‘parçacık fiziğinde, kuantum mekaniği ile Einstein in genel görelilik kuramını birleştirme gayretindeki teori’ olarak anılıyor.

Peki, bu kuramlar neden birleşme ihtiyacı duydu? Onları birbirinden ayıran noktalar neler? Sanırım bunu bilmek için önce kuantum mekaniğini ve genel göreliliği anlamamız gerekiyor. Hadi basitçe ne diyorlar ona göz atalım.

Kuantum mekaniği, maddeyi atom ve atomaltı seviyelerde inceleyen bir bilim dalı olarak bilinmekte. Basitçe evreni derinlere inerek atomdan daha küçük parçacık düzeyinde inceliyorlar. Neden bu kadar derine girme ihtiyacı duymuş olabilirler sizce?

Elbette ki bunun sebebi klasik mekaniğin artık yetersiz oluşundan dolayı. Klasik mekanik, bazı durumları açıklamakta yetersiz kalmaya başlamış (kara cisim ışıması, tayf çizgileri, fotoelektrik etki gibi), bu da bilim insanlarını yeni çalışmalara sevk etmiştir. Peki, acaba ne oldu da buna karar verdiler?

Bunun farklı sebepleri var ama biz rahat anlamanız için basit bir örnek ile bunu açıklayalım: Okuyanlarınızın çoğu bilir aslında bunu; Çift yarık deneyi, bir diğer ismiyle Young deneyi. Bu deneyi ilk defa Thomas Young adlı bir fizikçi, ışığın dalga özelliği gösterdiğini kanıtlamak için kullanmış. Sonraki yıllarda ise bilim insanları da bunu maddelerin hareketini anlamak için kullanmışlar. İşte film burada kopuyor diyebiliriz. Bilim insanları, bu deneyde madde olarak elektron kullanıyorlar. Önce elektronları tek yarıktan atıyorlar ve bekledikleri gibi bir sonuç alıyorlar. Yani arka taraftaki panelde tek bir çizgi halinde bir iz oluşuyor. Daha sonra yarık sayısını iki çıkarıyorlar ve elektronları tekrardan gönderdiklerinde ise ilginç bir durum oluyor.

Elektronlar dalga gibi hareket ediyorlar. Dalga özelliğinde, dalgalar yarıklardan geçtiği zaman arka tarafta birbirlerine tekrar çarpıyor ve panelde bir girişim modeli oluşuyor. Elektronlar da aynı özelliği göstererek bilim insanlarını şaşkına çeviriyor. Elektronların birbirine çarptığını düşünerek işlemi değiştiriyorlar. Yani bu sefer elektronları tek tek göndererek yeniden deniyorlar ve sonucun aynı olduğunu görüyorlar.

Bunu anlamak için yarıkların dibine bir sensör yerleştirerek elektronları incelemeyi düşünüyorlar. Deneye tekrar başladıkları zaman ise elektronlar bu sefer tanecik özelliği gösteriyorlar ve panelde sadece iki iz oluşturuyorlar. İşte bilim insanlarının evreni sadece klasik fizik yoluyla anlayamayacaklarını fark ettikleri ve kuantuma girişi sağlayan adımlardan birisi de bu.

Teorimizin kuantum mekaniğini ve görelilik kuramını birleştirdiğini söyledik. Kuantumu biraz da olsa anlattıktan sonra sıra göreliliğe geldi. Bunu da herhalde duymayanınız çok ama çok azdır.

Genel görelilik kütle çekim üzerine kurulmuş desek yeridir herhalde. Bu kuram kütle çekim kuvvetini uzay ve zamana bağlı olarak açıklıyor. Kurama göre zaman mekân ve madde birbirine tamamen bağlı vaziyette. Birisi diğerinden bağımsız olamaz.

Görelilik hakkında detaylı bilgi için 8 bölümlük “özel görelilik” yazı dizimizi ve uzay zaman eğriliğini anlattığımız şu yazımızı okumanızı öneririz. 

Kuantum mekaniğinin ve genel göreliliğin neden birleşme ihtiyacı olduğunu sormuştuk. Sicim teorisine göre evren titreşen atomaltı düzeydeki ipliklerden oluşmaktadır. Genel görelilik, uzaydaki büyük kütleli cisimleri açıklarken kuantum mekaniği ise çok daha küçük cisimleri inceliyor.

Yani birisi makro evreni bir diğeri ise mikro evreni inceliyor. Biz de tüm evreni tek bir teoride toplamak istediğimiz için işte bu iki teoriyi birleştirmek durumunda kalıyoruz. Bu sayede tüm evreni tek bir teori ile açıklayabilecek ve onu daha rahat anlayabileceğimizi umuyoruz.

Sicim teorisi ile bunları birleştirmeye çalıştığımızı söylemiştik. Kuantum dünyasında olaylar alışageldiğimiz mantıkla gerçekleşmiyor. Her ne kadar insanların çoğunun mantığına ters olsa da, Einstein’ın genel görelilik kuramı daha sağduyulu bir yaklaşıma sahip. Hızın, zamanın ve cisimlerin birbirine bağlı olduğunu, belli bir düzen içinde mantıklı açıklamaları olduğunu söylüyor.

Önceleri maddenin en küçük atomaltı yapıtaşlarının boyutsuz noktasal parçacıklar olduğu düşünülüyordu. Fakat 1984 yılında Queen Mary Kolejinden Michael Green ile California Teknoloji Enstitüsünden John Schwarz evrenin boyutsuz nokta parçacıklarından değil, sürekli titreşen tek boyutlu planck uzunluğunda olan ipliksilerden oluştuğunu öne sürdüler.

Yani “maddeler atomlardan, atom proton, nötron ve elektrondan oluşur. Proton ve nötronlar ise kuarklardan oluşur. Kuarklar ve elektronlar sicimlerden (ipliklerden) oluşmaktadır” diyor sicim kuramı.

Sicim teorisi’nde boyut sayısı oldukça fazla; 10 (9 uzay 1 zaman) boyut bulunmakta. Bunlardan 4 tanesi bizim bildiğimiz 3 uzay 1 zaman boyutu. Bu sayı, teorinin üzerinde çalışan bilim insanının kendi yaklaşımına göre artırılıp azaltılabiliyor. Bu “fazladan boyutların” ancak sicim ölçeklerinde fark edilebilecek boyutlar olduğu, sicimlerin bu boyutlar içinde titreştiği ve bu yüzden gözlemleyemediğimiz öne sürülmekte.

Elbette bilim dünyasında kesin konuşmak çok da doğru bir şey değil. Zira bugün kesin doğru olarak nitelediğimiz şeyler, yarın farklı bir yaklaşım veya açıklama ile doğruluğunu bazı sınırlar içinde veya genel anlamda yitirebilir. Elbette sonsuz sayıda boyutlar da olabilir. Bu boyutların kütle çekiminin çoğunu soğurduğu ve kütle çekiminin bundan dolayı bu kadar zayıf olduğu da sicim teorisi’nin “bir kısmının” iddiaları arasında.

Çağımızın fizikçilerinden Michio Kaku’nun güzel bir örneği ile kütle çekimin ne kadar zayıf olduğunu açıklayalım: 5.9722 × 10²⁴ kg ağırlığındaki dünyamızın yer çekimini düşünelim. Onu ne kadar rahat yenebildiğimizi hepimiz biliyoruz. En azından düşük kütleli cisimler için. Elbette kütle arttıkça gereken kuvvet miktarı da artacaktır. İlkokulda hepimiz yapmışızdır herhalde. Bir tarağı veya pipeti saçlarımıza sürterek ufak kâğıtları çekerdik. İşte dünyamızın yerçekimi bu kadar zayıftır.

Konumuza dönecek olursak bazı, hatta çoğu boyutun sicim ölçeğinde olabileceği öne sürülmektedir. Şimdi, kurama göre tüm maddelerin yapı taşı sicim denen iplikler, bu durumda her maddenin yapıtaşı aynı oluyor. Peki, bunlar nasıl farklı maddeleri oluşturuyor? Aslında basit: Sicimlerin titreşen tek boyutlu iplikler olduğunu söyledik o halde farklı maddeler oluşturmaları için sicimlerin de farklı titreşim frekanslarında titreşmeleri gerekir.

Tek boyutlu iplik kavramı elbette kafanızda soru işaretleri bırakabilir. Sadece bir uzunluğa sahip (planck uzunluğu) ancak genişliği ve yüksekliği olmayan iplikler nasıl olabilir? Bu bizim algılarımıza biraz ters gibi. Fakat bunu birde sicim ölçeklerinde düşünürsek, sanırım bu ipliklerin hiç de bizim zannettiğimiz gibi tek boyutlu olmadıklarını anlayabiliriz.

Tıpkı iki boyutlu görünen mikroskobik ölçekteki cisimlerin mikroskop ile bakıldığı zaman aslında düşünüldüğü gibi iki boyutlu olmadığını anlamak gibi. Belki de o ölçeklerde yeni fizik yasaları bulabiliriz.  Kim bilir belki de tüm bunlar sadece doğru olmayan tahminlerden ibaret. Hoş, çoğu matematiksel modellemelere göre söylenmiş şeyler olsa da, dediğimiz gibi kesin konuşmamak gerek.

Buraya kadar olan kısım için şu açıklamayı da yapmalıyız:

Sicim kuramı, bugün bildiğimiz ve gündelik hayatta test edebildiğimiz teoriler olan Büyük patlama teorisi, evrim teorisi, görelilik teorisi, elektron teorisi gibi bir bütünlük arzeden, genel hatları üzerinde fikir birliğine varılmış bir teori değildir. Farklı bilim insanlarının farklı yaklaşımlarla geliştirmeye çalıştığı, önemli bir bölümü “oyuncak teori” olarak şekillenen bir fikirler bütünüdür. Sicim teorisinin öngörülerinin büyük kısmı test edilemediği gibi, nasıl test edilebileceğine dair fikirler de ortaya sunulamaz. Üzerine sıkça konuşulan M Teorisi de buna çok benzerdir.

Zaten yeterince zor ve karmaşık olan bu teoriyi biraz olsun basitçe anlatmaya çalışmışken, kafanızı daha fazla bulandırmayalım.  Bunu anladıktan sonra da gerisi artık biraz da sizin araştırmacılığınıza kalmış. İlerleyen zamanlarda M kuramını da dâhil ederek daha detaylı bir konu ele alabiliriz. Elbette bu teorilere açıklık getirilip, doğruluğu daha kesin bilgiler elde edildiği zaman.

Hazırlayan: Abdullah Özdurmaz
Düzenleyen: Zafer Emecan

En üstteki kapak fotoğrafı: Sicim teorisi üzerine çalışmalarıyla tanınan Prof. Risa Randall