Kuantum Kütleçekimin Zaman Problemi
Kuramsal fizikçilerin kuantum mekaniği ile genel göreliliği her şeyi kapsayan bir kuantum kütleçekim kuramı altında birleştirme çabaları, “zaman problemi” olarak adlandırılan bir sorunla karşı karşıya kalıyor. Kuantum mekaniği ile genel göreliliği birleştirmek, bütünüyle farklı iki zaman kavramının bir araya getirilmesi anlamına geliyor.
Kuantum mekaniğinde zaman evrensel ve mutlaktır; zamanın düzenli tik-takları, parçacıklar arasındaki dolaşıklıkların evrilişini belirler. Fakat genel görelilikte (Einstein’ın kütleçekim kuramında) zaman göreli ve dinamiktir; uzayzamanın dört boyutlu dokusuna, tıpkı x, y ve z yönleri gibi ayrılamaz biçimde işlemiş olan bir boyuttur. Bu doku maddenin ağırlığı altında bükülerek, yakınlarındaki nesnelerin oraya doğru çekilmesine neden olur (kütleçekim işte budur) ve uzaktaki saatlere kıyasla yakındaki saatlerin daha yavaş işlemesine, yani zamanın akışının yavaşlamasına neden olur. Bir rokete atlayıp, uzayda ivmelenmek için kütleçekim yerine yakıt kullansanız da zaman genleşmesini deneyimleyebilir ve dünyaya döndüğünüzde ikizinizden daha genç olabilirsiniz.
Kuantum mekaniği ile genel göreliliği birleştimek için zamana ilişkin mutlak ve göreli şeklindeki farklı anlayışların birleştirilmesi gerekiyor. Son zamanlarda bu konuda giderek artan sayıda çalışma yapılması ile söz konusu birleştirmenin neye benzeyebileceğine ilişkin bir fikir oluşmaya başlıyor; tabi zamanın doğası hakkındaki anlayış da zenginleşiyor.
Artık uzayzamanın ve kütleçekimin “beliren” (İng. emergent) birer görüngü olduğunu düşünen çok sayıda fizikçi var. Eğilip bükülebilen uzayzamanın ve onun içindeki maddenin, dolaşık kubitler (bilginin/enformasyonun kuantum bitleri) ağından doğan bir hologram olabileceğini söylüyorlar; tıpkı bir bilgisayar oyunun üç boyutlu ortamının, silikon bir çip üzerine klasik bitlerle kodlanması gibi.
British Columbia Üniversitesi’nden kuramsal fizikçi Mark Van Raamsdonk şöyle anlatıyor: “Sanırım artık uzayzamanın aslında temelindeki kuantum sistemlerin dolaşık yapılarının geometrik bir temsilinden ibaret olduğunu anlıyoruz.”
Araştırmacılar, balıkgözü biçimli bir uzayzaman geometrisine sahip olan “anti-de Sitter” (AdS) uzayı” adı verilen oyuncak bir evrende hologramın nasıl doğduğunu gösteren matematiği ortaya koydu. Bu şekli bozuk evrenlerde, uzaysal artışlar merkezden uzaklaştıkça giderek kısalır. Sonunda merkezden uzayan uzaysal boyut sıfıra giderek sınırlanır. Bu sınırın varlığı -ki uzaysal boyut sayısı iç uzayzamandan yani yığınınkinden bir eksiktir- içerideki hologramı yansıtacak olan dolaşık kubitlerin modelinin üzerine kurulacağı sağlam bir durum sağlayarak, hesaplamaları kolaylaştırır.
“Yığının içinde uzayla birlikte zaman da dramatik biçimde eğilip bükülmeye başlıyor. Bunu, sınırdaki ‘tortu’ cinsinden nasıl tanımlayabileceğimizi anlamaya başlıyoruz,” diyor dolaşık kubitleri kastederek, Harvard ve Brandeis Üniversitesi’nden Brian Swingle.
Kubitlerin durumları, bilgisayar kodundaki basamakların çalıştırılması gibi evrensel zamana göre evrilirken, AdS uzayının yığınındaki bükülmüş, göreli zamana yol açıyor. Ancak şu var ki, bizim evrenimizde olan şey tam olarak bu değil.
Buradaki uzayzaman dokusu bir “de Sitter” geometrisine sahip; uzaklaştıkça esniyor. Evren AdS uzayındakinden çok farklı türde bir sınıra erişene dek doku esniyor: Zamanın sonuna dek. O noktada “ısı ölümü” (Büyük Donma) olarak bilinen bir olay gerçekleşiyor. Uzayzaman öylesine genişlemiş oluyor ki, içindeki her şey diğer bütün şeylerden nedensel olarak bağımsız duruma geliyor; aralarında hiçbir sinyal alışverişi olmuyor. Bildiğimiz anlamda zaman kavramı bitiyor ve o andan sonra hiçbir şey olmuyor.
Uzayzaman baloncuğumuzun zamansızlık sınırında, kubitleri bağlantılandıran dolaşıklıkların ise zarar görmeden kalacağı varsayılıyor. Çünkü bu kuantum bağlaşıklıklar sinyal alışverişi gerektirmez. Ancak kubitlerin durumu durağan ve zamansız olmalıdır. Bu mantık yürütme bir şekilde şuna işaret ediyor: Tıpkı AdS uzayının sınırındaki kubitlerin ek bir uzaysal boyutu olan bir iç yapıya yol açışı gibi, de Sitter uzayının zamansızlık sınırındaki kubitlerin de zamanın olduğu (dinamik zamanın olduğu) bir evrene yol açması bekleniyor. Araştırmacılar bu hesaplamaları nasıl yapacaklarını henüz anlamış değil. Swingle, de Sitter uzayında zamanın belirişini nasıl anlayacaklarına ilişkin iyi bir fikirlerinin henüz olmadığını belirtiyor.
Don Page ve William Wootters tarafından 1980’lerde elde edilen kimi kuramsal kavrayışlar bir ipucu sunuyor. Page ve Williams, global olarak durağan olan dolaşık bir sistemin, içindeki bir gözlemci tarafından evriliyormuş gibi görünen bir altsistem içerebileceğini keşfetmişti. Sistem, saat diyebileceğimiz bir şey ile dolaşık bir altsistem içerir ve buna “tarihsel durum” (İng. history state) adı verilir. Altsistemin durumu, saatin ibresinin kaçı gösterdiğine bağlı olarak değişir. Fakat “sistem artı saat”in toplam durumu zamanla değişmez. Zaman yoktur. Sadece asla değişmeyen durumlar vardır. Bir başka deyişle, zaman global olarak varolmaz. Ancak altsistem için dolaylı olarak zaman kavramı belirir.
2013 yılında İtalya’da yapılan bir çalışmada bu görüngü deneysel olarak gösterilmiş ve ekip çalışmalarını şöyle özetlemişti: “İki fotonun durağan, dolaşık bir durumunun, fotonlardan birinin zaman evrimi ayarını yapmak için diğer fotonu saat olarak kullanan bir gözlemci tarafından nasıl evriliyor olarak görülebileceğini gösterdik. Ancak bir dış gözlemci, global dolaşık durumun evrilmediğini gösterebilir.”
Kaynak:bilimfili
Başka kuramsal çalışmalar da benzer sonuçlar ortaya koydu. Parçacık etkileşimlerinin çıktılarını tanımlayan geometrik desenler (amplituhedron gibi), gerçekliğin zamansız ve tümüyle matematiksel bir şeyden belirdiğine işaret ediyor. Henüz tam netleşmemiş olmakla birlikte, amplituhedron ve holografi birbirleri ile ilişkili.
Swingle’ın sözleri ile özetlersek: “Dolaşıklığı kullanarak, zamansız serbestlik derecelerinden zamanı ortaya çıkarabilirsiniz.””
Kaynak: Quanta Magazine, “Quantum Gravity’s Time Problem“
<https://www.quantamagazine.org/20161201-quantum-gravitys-time-problem/>
One thought on “Kuantum Kütleçekimin Zaman Problemi”
Aslında olay varolanı, yorumlama şeklimizden kaynaklanan bir karışıklık gibi. Çeşitli evren modelleri içinde, hepsini birden açıklamaya en yatkın olanının “süper akışkan evren” modeli olduğunu düşünüyorum.
Her ne kadar bu model, ışığın hızının gözlemciye göre sabit kalmasından dolayı geri plana atılmış olsa da, bence, en doğru yaklaşımı içeriyor.
Ancak ilk olarak bazı kavramları farklı değerlendirmek gerekiyor.
Mesela “boyut” kavramı, alıştığımız uzamsal, en,boy, yükseklik ya da x,y,z biçiminde koordinat gösteren ve sayılarla tanımlanan, somut bir kavramdan farklı düşünülmeli.
Sonra evrenin temel taşı ve yapısı,” madde, parçacık” açısından değil, salt “enerji” açısından ele alınarak işe başlanmalı.
Evrenin homojen ve düzenli bir yapıdan, bugünkü durumuna ulaşmasını tanımlayan entropi’de biraz daha geliştirilmeli.
Bana göre enerji (ki “Enerji nedir?” sorusuna cevap veren, “iş yapma potansiyeli ya da yeteneği” nin yetersiz bir tanım olduğunu kabul ederek başlarsak) evrenin temel taşıdır. Akışkandır. Su’daki moleküllerin benzeri, çok küçük yapı taşı olan temel enerji paketlerinden oluşmuştur. Çok yoğun ortamdan, az yoğun ortama akma eğilimindedir.
Madde’nin de temel taşları, gene bu enerji paketçiklerinden oluşan yığınlardır.
Günümüzde evrenin bir enerji yoğunluğu olduğunu biliyoruz. Arkaplan ışımasından başlayarak, tüm enerji içeriğine bakarsak, evrenin belli ve sabit bir enerji yoğunluğu olduğu kesin.
Bu durumda nasıl olup genişlediği ve bu saf-homojen halinin nasıl, bu heterojen ve parçacıklı hale geldiğini açıklamak gerekiyor.
Başlangıçta saf bir enerji yığını iken, hareketsiz ve durağan enerji paketlerinden oluşan evrenin, basit, tek bir denge bozucu durum-hareket ile başladığını düşünüyorum.
Bu bir bakıma, mikrodalga da aşırı ısıtılmış saf su moleküllerinin durumu gibi. Eğer su moleküllerini sarsan, hareketlendiren bir etki olmadan ısıtırsanız, kaynama noktasını geçse bile su molekülleri hareketsiz olur. Çünkü her molekül sahip olduğu enerji nedeniyle titreşmek istediği zaman, aynı güçteki diğer su molekülleri tarafından sabitlenmektedir. İçine bir toz parçası attığınız zaman ya da hafif bir sarsıntı ile bu denge bozulduğu zaman, denge bozulur ve bütün moleküller hareketlenmeye, sonunda su da kaynamaya başlar.
Evrenin ilk genişlemeye başlamasının da bu şekilde bir etki ile başlamış olması muhtemel.
Artan iç basınç ile önce ani ve hızlı bir genişleme de mantıklı olmaktadır. Bu genişleyen alanda , genişleme yönünde hareket eden temel parçacıkların çarpışması ve yön değiştirmesi ile bir kaç aşamadan sonra homojenlikte bozulmuş olmalıdır.
Eğer evreni bu şekilde akışkan ve homojen bir yapıdan başaltırsak, elimize bir başka souç daha geliyor. Bu enerji alanının dışında yani evren olarak tanımladığımız alanın dışında, evrenin iç basıncından çok daha düşük (ya da hiç olmayan) bir basınç ortamı olmalı.
İç basınç, dış basınçtan fazla olduğu sürece evren genişlemeli. Elbette genişleme ile birim başına iç basınç düşmektedir. Bunu da enerji yoğunluğundaki düşme ile saptayabiliriz. (Ki şu an da bu çok çok düşük rakamlarda ama düşme yönünde olduğu yönünde saptanmış)
Genişleme birden ve sürekli bir hareket olarak algılansa da, aslında kademeli bir işlemdir. Önce alan bir miktar genişler, iç dokudaki malzeme bu fetedilen yeni alana dolar ve basınç eşitlemesi olur. Ardından bir sonraki genişleme aşamasına geçer.
Bu genişleme kademelerinin aralıklarının bir hızı ve süresi vardır. Bana göre, evrensel sabit-temel değer olarak ele aldığımız Planck ölçekleri bu genişlemeden kaynaklanmaktadır.
Evren her 1 Planck zamanında, 1 Planck mesafesi genişliyor.
Tabi bu basınç eşitlemesi sırasında bir etki daha oluyor. Bu genişleme sathından iç dokuya doğru hafif bir dalgalanma oluyor. Bu dalgaların Planck ölçeklerinde olduğu ve taşıdığı enerjinin “C” sabit, olarak ele alınması durumunda, karşımıza ” zaman” kavramı boyut olarak çıkıyor. (Yani evrenin daha genişlemediği alanda, “zaman” yok. Evrenimiz de bu yüzden uzay+zaman şeklinde bir dokuya sahip)
Bu yüksek frekanslı dalgalar, evrenin düşük yoğunluklu süper akışkan dokusunda yayılırken, nesneler için zaman kavramı, bu dalgalardan kaç tanesini geçtiğine göre oluşuyor.
Bu dalgaların temel bir özelliği daha, dıştan içe doğru olduğu için, bu dalgalar ilerledikçe, birim başına düşen enerji miktarı artıyor. Yani mercekle odaklanan güneş ışığı gibi, etki ettikleri alan küçüldükçe, güçleri birim başına artıyor.
Boyut: Enerjinin titreşebildiği, hareket edebildiği alandır.
Sicimler: Bu dalgalanma içinde hareketlenen, enerji paket ya da paketçiklerinin durumudur.
Sabit kütle: Enerji yoğunluklarının, evrenin genişlemesi sırasında, evrenin dokusu ile yaptıkları etkileşim sonucu kazandıkları momentumdur. Nesne bu hareketi sırasında serbest düşme poziyonundadır. (Açısal momentumla savrulmuş bir nesnenin, dönen platforma göre dönme yönündeki durumu gibi…Ancak bu örnek, tek boyutlu bir durumu anlatırken, kütlelerin durumunda 3 uzamsal boyutu birden içeren bir hareket söz konusudur. Buna “zaman” da diyebiliriz.
Özel Görelilik: Bir nesneye kütle içeriğinden daha fazla enerji yüklemek ve bu enerjiyi başka bir yere en az kayıpla iletmek isteseniz ne yaparsınız? Bu nesneyi evren boşluğunda ivmelendirerek, hedefe doğru yollardık. Yüklediğimiz enerji, nesenin kütlesinde momentum olarak aktarılana kadar saklanırdı.
Bunun diğer anlamı, ivmelenen nesnelerin enerji yoğunluklarının ekstra arttığıdır.
Yani olağandan daha fazla enerji içeriyordur.
Eğer “zaman”ı tanımladığımız dalgalar, bu nesneden geçiyorsa, farklı yoğunluktaki ortama giren dalgalar gibi, frekansları değişmesede, dalga genşlikleri ve hızları değişecektir. Yani yavaşlayacaktır.
İşte bunu da görelilik olarak tanımlıyoruz.
Kütle çekim alanı; Evrenin genişlemesi ile hareket eden nesnelerin oluşturduğu uzay-zaman dokusundaki bükülmedir. Bunu bir boyutlu bir örneğe benzetirsek, bir tenis topunun vuruş sonrasında hava içinde (hava akışkandır) bıraktığı akışkan dinamiğine göre şekillenmiş yapıdır.
Evren de bir süper akışkan olduğu için, kütlelerin genişlemeden kaynaklanan bu tür bir hareketi benzer sonuçlar üretiyordur.
Tabii tenis topunun hareket vektörü tek boyutlu iken, kütlelerindeki 3 uzamsal boyut üzerinde.
Kuantum: Aynı dalgaların mikro ölçeklerdeki enerji üzerindeki etkisinden ve yansıyan kırılan dalgaların kaynaşmasından kaynaklanıyor.
Spin: Belli bir enerji miktarının, bu dalglalara göre durduğu sabit pozisyon. Spin’i değişen enerji birimlerinin kütlesi de değişir.
……
Bu bakış açısından derlediklerim bu şekilde devam ediyor. Elbette tam ve doğru bir açıklama olduğunu iddia etmem mümkün değil. Ama doğruya yakın ya da doğruyu bulmada faydalanabilinecek bir bakış açısı olduğuna kuvvetle inanıyorum.
Derlediklerimi daha ayrıtnılı olarak görmek isteseniz, aşağıda “Evrene yeni bir bakış” blog adresim de var.