21 Mar 20195 dakikada okunur

Ya teorilerin tamamı doğruysa!

Fizikçiler, evrenin en küçük parçalarını araştırırlar. Böylece kesin ölçümler yaparak tüm varoluşu açıklayan "Her şeyin teorisini" üretmeye çabalarlar ve bunun için pek çok farklı ve birbiri ile uyuşmayan teoriler geliştirirler. Ya mesele bu değilse? @uzakevrenler #temelbilim #fizik #teori #popülerbilim

Kaynak: traffic_analyzer / Getty Images

1964 yılında, Cornell Üniversitesi'nde bir konferans sırasında, fizikçi Richard Feynman, gerçek dünya hakkındaki derin bir sırı gündeme getirdi. Dinleyicilere, birbirini yerçekimiyle çeken iki nesne hayal etmelerini söyledi. Hareketlerinin nasıl olacağını tahmin etmelerini sordu.

Feynman, dünya hakkında her biri farklı bir inancı taşıyan üç yaklaşım belirledi. İlk yaklaşım, Newton'un ağırlık yasasını kullandı, buna göre nesneler birbirini çekiyordu. İkincisi, nesnelerin yayıldığı uzayda bulunan bir çekim alanıydı. Üçüncüsü, her bir nesnenin kısa sürede sahip olduğu minimum enerjiyle hareket etmesini sağlayan minimum eylem ilkesini uyguladı. Her üç yaklaşım da doğruyu tahmin etti. Bu durum yer çekiminin nasıl çalıştığının üç eşit yaklaşımla açıklamasıydı.Feynman, “Doğanın şaşırtıcı özelliklerinden biri bu çeşit yorumlama şemalarıdır” dedi. Dahası, bu çok yönlülük yalnızca doğanın gerçek yasalarına uygulanır; yasaların yanlış yapılması durumunda işe yaramaz. Feynman, “Yasaları çok değiştirirseniz, onları daha az yolla yazabileceğinizi görürsünüz” dedi. “Her zaman gizemli bulduğum ve fizik kanunlarının bu kadar çeşitli şekillerde açıklanmasının nedenini bilmiyorum. Aynı anda birkaç küçük kapıdan geçebilecek gibi görünüyorlar.”

Fizikçiler, evrenin maddi içeriğini (parçacıkların özellikleri, büyük patlamanın doğası, karanlık madde ve karanlık enerjinin kökenini) anlamaya çalışsalar bile, bu çalışmaları, Rashomon etkisinin (belirli bir olayın farklı gözlemciler tarafından, tamamıyla farklı bir şekilde yorumlanıp, her birisinin makul açıklamalarının bulunduğu etki) evren hakkındaki metafiziksel fizik ve gerçekliğin doğası sorunları ortaya çıkaran anlamı ile gölgelenir. İleri Araştırma Enstitüsü'nde fizikçi olan Nima Arkani-Hamed, günümüzün önde gelen teorisyenlerinden biridir. “Geçtiğimiz sonbaharda, “Yasaların mucizevi şekil değiştiren özelliği, onlar hakkında bildiğim en şaşırtıcı şey”dedi. “Sonsuz gerçeğin doğası hakkında büyük bir ipucu olmalı”.

Geleneksel olarak, fizikçiler indirgemeciler olmuştur. Gerçekliği en temel bileşenleri olarak tanımlayan “her şeyin teorisi” için bir araştırma yaptılar. Bu düşünce biçiminde, bilinen fizik yasaları geçicidir, henüz bilinmeyen, daha ayrıntılı bir tanımlamaya yaklaşır. Bir tablo gerçekten bir atomlar topluluğudur; Daha yakından incelendikten sonra atomlar kendilerini proton ve nötron kümeleri olarak ortaya koyuyorlar; bunların her biri, daha mikroskobik olarak, bir kuark üçlüsüdür; ve kuarkların sırasıyla daha temel bir şeyden oluştuğu tahmin edilmektedir. İndirgemeciler bir telefon oyunu oynadıklarını düşünüyorlar: gerçeklik mesajı yukarı doğru ilerledikçe, mikroskobikten makroskobik ölçeğe doğru ilerledikçe, çarpışıyor ve gerçeği düzeltmek için aşağı doğru çalışması gerekiyor. Fizikçiler şimdi, yerçekiminin hem büyük hem de küçük ölçeklerde evreni şekillendirerek bu saf şemaya zarar verdiğini biliyor. Rashomon etkisi aynı zamanda gerçeğin böyle indirgeyici, aşağıdan yukarıya doğru yapılandırılmadığını gösteriyor.

Eğer bir şey olursa, Feynman’ın örneği Rashomon etkisinin gizemini anlamıştı, ki bu aslında iki yönlü. Feynman'ın dediği gibi, bu kadar çok fiziksel olayı tarif etmenin birden fazla geçerli yolu olması garip. Ancak daha da garip bir gerçek, karşıt tanımlamalar olduğunda, birinin diğerlerinden daha doğru olduğu ortaya çıkıyor, çünkü gerçekliğin daha derin veya daha genel bir tanımına uzanıyor. Nesnelerin hareketini tarif etmenin üç yolundan, örneğin, daha doğru olduğu ortaya çıkan yaklaşım underdog'dur: en az eylem prensibi. Günlük gerçeklikte, nesnelerin en kolay yolu “seçerek” hareket ettiğini hayal etmek garip. (Düşen bir kaya hangi yörüngeyi alacağını düşmeden önce nasıl bilebilir?) Ancak, bir asır önce, fizikçiler temel parçacıkların garip davranışları hakkında deneysel gözlemler yapmaya başladıklarında, kavramsal olarak sadece hareketin en az etkili yorumlanması uyumluydu. Parçacıkların tüm olasılıkları ortaya koyma ve en kolay yolu seçmelerinin olası yeteneğini tanımlamak için yepyeni bir matematik dili - kuantum mekaniği - geliştirilmeliydi. Her biri uygulanabilir, hepsi faydalı olan çeşitli hareket kanunları arasından sadece en az eylem prensibi kuantum dünyasına da uzanır.

Fiziksel bir durumun birçok olası açıklaması olduğunda hepsi eşdeğer tahminlerde bulunsa da, hepsi önemlilikte farklılaştığında tekrarlanıyor. Çünkü bunun nedeni açık bir evrensel sonsuzluğa ve gerçekliğe uzanıyor. Yine de, bu yeni düşünce, birden fazla formülasyona sahip olabilir ve alternatiflerden biri daha geniş kapsamlı olarak uygulanabilir. Sanki fizikçilerin her biri fısıldayarak mesajı farklı bir dile çevrilmiş bir telefon oyunu oynuyor gibiler. Diller, aynı gerçekliğin farklı ölçeklerini veya etki alanlarını açıklar. Ancak her zaman etimolojik olarak ilişkili değildir. Bu değiştirilmiş oyunda amaç, gerçeğin en küçük parçalarını yöneten bir ana kaya denklemi aramak değildir (ya da sadece değildir). Bu dallanma, birbirine bağlı matematiksel diller ağının varlığı, her biri dünyayla ilgili kendi bakışı olan, anlaşılması gereken şeydir.

Bu yasalar ağı fizikçiler için tuzaklar yaratıyor. Diyelim ki evreni daha derinden anlamaya çalışan bir araştırmacısınız. Doğru görünen ancak yalnızca doğanın örtülerinden biri olan bir ilkeye bağlı kalarak olumsuz bir tanımlama kullanarak sıkışıp kalabilirsiniz. Bu nedenle, İngiliz kuantum teorisinin öncüsü Paul Dirac, mevcut teorileri yeniden düzenlemenin önemini vurgulamıştır. “Geçici veya sınırlı inanç tuzağından kaçabileceğiniz bilinen sıradışılıkları tanımlamanın yeni yollarını bulmak.” Bu, Dirac’ı 1928’de anti-maddeyi tahmin etmeye iten püf noktaydı. “Her zaman öyle değildir, aynı olan teoriler eşit derecede iyidir” dedi, beş yıl sonra, “çünkü bunlardan biri diğerinden daha uygun olabilirdi” dedi.

Bugün, çeşitli karmaşıklıklar ve paradokslar, modern fizik teorilerini yeni bir matematik dilinde yeniden biçimlendirmenin gerekliliğine işaret etmektedir. Pek çok fizikçi kapana kısılmış hissediyor. Nesnelerin uzay ve zamanda hareket ettiği ve etkileşime girdiği nosyonunu aşmaları gerektiğine dair bir hisleri vardır. Einstein’ın genel görelilik teorisi alanı ve zamanı güzel bir şekilde birlikte uzay-zaman olarak bilinen dört boyutlu bir yapıya dönüştürür ve yerçekimini bu kumaştaki çözgülerle eşleştirir. Ancak Einstein’ın teorisi ve uzay-zaman kavramı kara deliklerin içinde ve büyük patlama anında dağıldı. Başka bir deyişle, uzay-zaman, daha soyut veya yabancı olmasına rağmen daha fazla açıklayıcı güce sahip olabilecek başka bir gerçeklik tanımının çevirisi olabilir.

Bazı araştırmacılar, bu derin teoriye doğru yol açmak için uzay-zaman fiziğini zayıflatmaya çalışıyorlar. Günümüzde, parçacıkların uzay-zaman içinde çarpıştığı zaman nasıl dağıldığını ve dağıldığını tahmin etmek için, fizikçiler Richard Feynman tarafından icat edilen karmaşık bir şemayı kullanıyorlar. Feynman diyagramları, farklı parçacık çarpışma sonuçlarının olasılıklarını veya “saçılma genliklerini” gösterir. 2013 yılında, Nima Arkani-Hamed ve Jaroslav Trnka, ne uzayda ne de zamana gönderme yapan saçılma genliklerinde bir reform keşfetti. Bazı parçacık çarpışmalarının amplitüdlerinin, amplitühedron (maksimum süpersimetrik) olarak adlandırdıkları mücevher benzeri bir geometrik nesnenin hacminde kodlandığını bulmuşlardır. O zamandan beri onlar ve diğer araştırmacılar, parçacık yayma genliklerinin bu yeni geometrik formülasyonunu araştırıyorlar, gündelik, zaman-zamana bağlı anlayışımızdan daha büyük bir açıklayıcı yapıya götüreceğini umuyorlar.

Bu araştırmacıların doğru yolda olup olmadıklarına bakılmaksızın, gerçekliğin açıklama ağı mevcuttur. Belki de bu açıklamalarla ilgili en çarpıcı şey, her biri gerçeğin yalnızca kısmi bir resmini çizse bile, matematiksel olarak mükemmel olduklarıdır. Fizikçiler Einstein’ın teorisinin eksik olduğunu bildikleri halde, genel görelilik olarak kabul. Yine de teori, matematiksel olarak muhteşem bir yapıya sahiptir. Denklemlerle biraz oynansa bile ve tüm güzellik ve sadeliğini yitirir. Anlaşılan, evreni açıklamanın daha derin bir yolunu keşfetmek istiyorsanız, mevcut tanımlamanın denklemlerini alıp onları deforme edemezsiniz. Bunun yerine, tamamen farklı, aynı derecede mükemmel bir matematiksel yapıya bir sıçrama yapmalısınız. Her aşamada var olan mükemmelliğin teorisyenlerin yerini alması durumunun ne anlama geldiğini merak ediyor muyuz?

Bu mükemmel matematiksel açıklamaların ve karmaşa ağının rastgele veya olgu olduğu düşünülemez. Bu gizemin bir açıklaması olmalı. Fakat böyle bir açıklama neye benzeyebilir? Yaygın bir fizik anlayışına göre gelecekte ne olacağını tahmin etmek için, kuramların insanların inşa ettiği bir makine gibi düşünülmesidir. “Her şeyin teorisi”, nihai tahmin makinesi gibidir. Her şeyin takip ettiği tek bir denklem. Ancak bu görünüm, bize eşdeğer tahminler veren, her yönden ustaca yapılan birçok farklı makinenin varlığını görmezden geliyor.

Arkani-Hamed'e göre, yasaların çok yönlülüğü, fiziğin ne hakkında olduğuna dair farklı bir anlayışa işaret ediyor. Cevapları hesaplayan bir makine yapmıyoruz, diyor; bunun yerine, soruları keşfediyoruz. Doğa’nın şekil değiştiren yasaları, bilinmeyen bir matematik sorusunun cevabı gibi görünüyor. Bu yüzden Arkani-Hamed ve meslektaşları amplitühedron hakkındaki çalışmaları çok umut verici buluyorlar. Amplitühedronun hacmini hesaplamak, geometri ile ilgili bir sorudur. Düşünebilecekleri bir soru “matematikçiler ilk önce nesneyi bulmuş olsalardı”. Her nasılsa, amplitühedron hacminin sorusuna verilen cevap, parçacıkların davranışını açıklar ve bu cevap, zaman ve mekan açısından yeniden yazılabilir.

Arkani-Hamed şimdi fiziğin nihai amacını, tüm cevapların yöneldiği matematiksel soruyu bulmak olarak görüyor. “Entelektüel cennetin onuncu seviyesine yükseliş” diyor, “hangi soruyu bulursak evrenin cevabı olur, bu sorunun doğasını neden açıklamanın mümkün olduğunu pek çok farklı yoldan açıklardı” diyor. Sanki fizik tersine çevrilmiş gibi, şimdi anlaşılan cevaplar zaten bizi çevreliyor ve bu bilmediğimiz bir soru.