Büyük Birleşim Kuramı – Birleşik Alan Teorisi

Daha önce Kütleçekim Dalgalarının Keşfinin Sonuçları – 2 – Kuantum Alanları, Higgs Alanı ve Şişme Teorisi yazımda belirttiğim üzere büyük birleşim kuramı ya da diğer adıyla birleşik alan teorisi hakkında detaylı bir kaynak bulunmadığından bir yazı yazmam gerektiğine dair kendime not düşmüştüm. Şimdi bu yazıyı yazmanın zamanı geldi.

Bunun için biraz gerilere gitmek gerekiyor aslında. Her şeyi sırasıyla anlatmak lazım. Biliyoruz ki evreni yöneten 4 temel kuvvet vardır. Elektromanyetik kuvvet, kütleçekim kuvveti, güçlü nükleer kuvvet ve zayıf nükleer kuvvet. Bu dört kuvvet birbirinden farklı bambaşka şeyler gibi gözüküyor. Aslında öyle mi?

James Clerk Maxwell

19 YY’da elektrik ve manyetik kuvvetleri farklı olduğunu düşünülüyordu. Fakat Maxvell elektrik ve manyetik kuvvetlerin aynı şey olduğunu ve elektromanyetik kuvvetin bir alan içerisinde taşıyıcı parçacıklar ile taşındığını buldu. Bunun yanında fotonların her daim saniyede 300.000 km hızla hareket ettiğini buldular. O sırada newton fiziğinde göreceli hareket olduğundan ışığın hızının neye göre 300.000 km hız olduğu düşünülüyordu. Bu hız sabit ise neye göre sabit olmalıydı.

Sonuçta hareket göreceli bir kavramdır. Bunun içinden çıkamadıkları vakit esir diye evrenin tamamını dolduran bir şey olduğunu idda ederek rahat bir nefes aldılar. Bu esirin ne olduğu bilinmese de ışık onun içinde 300.000 km hızla hareket edecekti. Fakat bu şu sorunu doğuruyordu. Biz eğer 250bin km hız ile fotona doğru hareket edersek bu sefer fotonun hızı 550bin km hıza çıkması gerekliydi. Ya da o hızla uzaklaşırsak fotonun bize göre hareketi 50bin km hıza düşmeliydi. Oysaki yapılan ölçümlerde hız ne olursa olsun 300.000 km hız olduğunu ölçülüyordu.

Albert Einstein

1905 yılında Eintein özel görelilik teorisini ortaya sürerek buna son verdi. Fotonun gözlemci hangi hızda veya hangi yöne doğru hareket ettiği farketmeksizin saniyede 300.000 km hızla hareket ettiğini öne sürdü. Bu sayede arkaplan gereksinimi olan esire ihtiyaç kalmıyordu. İşin ilginci esir çok farklı bir isimde farklı bir şekilde yeniden karşımıza çıktı ama düşünüldüğü gibi değil elbette. Bunu yapabilmek için mutlak zamanı yıkıyor ve herkesin kendi kişisel saati olduğunu ve göreceli zamanı ortaya çıkarıyordu.

Newton mutlak hareketi Eintein ise mutlak zamanı yıkmıştır. Öncelikle bu nasıl diye düşürseniz klasik görüşümüze göre ışık hızına bakarsanız yanılırsınız. Eintein’ın göreceli zaman fikri bizim bakışımızda yoktur çünkü. Neyse konuyu uzatmadan devam edelim. Nasılsa uzatacağım bir yazı dizisi gelecek.

Solda Steven Weinberg ve Sağda Abdus Salam

Daha sonra ise Steven Winberg ve Abdus Salam yüksek enerji düzeylerinde zayıf nükleer kuvvetin taşıyıcı parçacıkları w ve z bozonları ile elektromanyetik kuvvetin taşıyıcı parçacığı fotonların aynı parçacık olarak davrandıklarını öne sürdüler. 100 Gev (1 gev= 1milyar elektronvolt) enerji seviyesinde fotonlar ve w, z bozonları aynı şekilde davrandığından bu iki kuvveti birleştirerek elektro-zayıf kuvvet ismini verdiler.

Tek bir kuvvetin iki farklı bakış açısı olmasının sebebi olarak da foton yüksüz bir bozon iken w ve z bozonlarının enerji düştüğünde simetri kırılmasından dolayı kütle kazanarak farklı davranmaya başlamasıdır. Big bangdeki simetri kırılmaları da (sıcaklığın düşmesi sırasındaki simetrinin azalması) evrenin form geçişi olarak öngörülebiliyor.

Büyük Birleşim Teorisi
Bu grafikte 3 kuvvetin değişik enerji seviyelerindeki birleşimini ve daha ilerisinde ise süper birleşim teorisi olan 4. kuvvetin katılışı da resmediliyor.

Daha sonra teorik olarak 10¹⁵ GEV (1 gev= 1milyar elektronvolt) enerji seviyesinde elektro-zayıf kuvvet ile güçlü nükleer kuvvetinde aynı kuvvet gibi davranmaya başladığı tespit edildi. Teorik matematiksel hesaplamalarda elektro-zayıf kuvvetin taşıyıcı parçacıkları ile güçlü nükleer kuvvetin taşıyı parçacıkları gluonların aynı şekilde davrandığını ve aynı kuvvetin farklı görünümleri olduğu anlaşıldı. Tabiki böyle bir enerji düzeyine çıkamayacağımızdan ispatlanması neredeyse imkansızdır.

İşte bu üç kuvvetin tek bir kuvvet olarak birleştirilmesine büyük birleşim kuramı ya da birleşik alan teorisi deniliyor. Bu kısaca kuantum alan teorisi ya da standart model üzerine kurguludur. Fakat bununla da kalmayalım daha ileri gidelim.

Teorik hesaplamaları daha da ileri götürdüklerinde 10¹⁹ GEV enerji seviyesinde en son olarak kütleçekim kuvveti de bu birleşmeye dahil oluyor. Kütleçekim kuvvetinin taşıyıcı parçacıkları olduğu düşünülen gravitonlarında o enerji seviyesinde diğer birleşik kuvvetin taşıyıcı parçacıkları ile aynı davranmaya başlıyor teoride. Fakat bu seviye planck mesafesine sıkışmış evrenin yani big bang anındaki evrenin enerji seviyesi ile aynı.  Buradan nereye yöneleceğimizi tahmin edebilirsiniz.

İşte bu şekilde tüm kuvvetlerin tek bir kuvvetn farklı görünümleri olduğu teorisine süper büyük birleşim kuramı ya da süper birleşik alan teorisi deniliyor. Bu neden önemli diyor olabilirsiniz. Evreni tanımlamak için daha basit bir tanımlama sunmanın yanında big bang anın içinde önem taşıyor. Çünkü çok küçük bir alanda çok büyük bir kütle yığılması nedeniyle kuantum fiziği ile genel göreliliğin birleşmesi gerekiyor fakat bu da yapılamıyor. Bu iki teorinin birleşmesi demek 3 kuvveti barındıran standart modelin yani kuantum alan teorisinin genel görelilikteki kütleçekim kuvvetini kendine dahil edebilmesi demektir. Buna da işte süper büyük birleşim teorisi, birleşik alan teorisi ya da her şeyin teorisi deniliyor. Bu konudaki sıkıntıları, düşünceleri ise bir sonraki yazımda belirteceğim. Zaten kuantum halka teorisi hakkındaki araştırmamı bittiğimde uzun bir yazı dizisine başlayacağım.  Yapabilirsem popüler bilim kitabı haline getirip bastırabilirim. Ama e-kitap olarak ücretsiz internetten sunacağım kesin. Bir sonraki yazımda görüşmek üzere.