Özkan piŞKİn zaman evren insan iÇİndekiler

Zº teorinin öngördüğü kütlelere sahiptir. Kuarkları bir arada tutan ve hadronların oluşmasını sağlayan şiddetli kuvvetleri taşıyan ara bozonlara gluon denir. Sekiz değişik türü olan gluonlarda kuarklar gibi hadronların dışında serbest olarak gözlemlenemezler. Kütle çekimin kuvvet taşıyıcısı ara bozon gravitondur ve diğer kuvvet taşıyıcı parçacıklardan farklıdır; anında (ışıktan hızlı) etkisini gösterir. Böylece doğanın temel kuvvetlerini açıklamak üzere 13 ara bozon söz konusudur. Gravitonun ortaya çıkarılmasında parçacık hızlandırıcıları yararsızdır, çünkü kütle çekimi kuvveti uzun erimli fakat çok zayıftır. Varlığı LHC’da dolaylı olarak ortaya konacaktır.
Leptonlar, kuarklar ve bunların ara bozonlarla tanımlanan etkileşimleri standart model denilen kuramın temelini oluşturur. Bu kuramdaki temel parçacıkların ve ara bozonların bilinen kütlelerini tutarlı biçimde verebilmek için Higgs mekanizması (Peter Higgs, 1964) denilen bir yönteme başvurulmuştur. Bu yöntemle kütleler belirlendikten sonra geride, bilinen tüm temel parçacıklardan farklı nitelikte ve Higgs bozonu diye adlandırılan tek bir vektoriyel bozon kalmaktadır. Bu bozon halen gözlemlenemedi, ayrıca kütlesinin ne olacağı hakkında standart modelin bir öngörüsü de yoktur. Bulunursa model tamamlanacak ve yeni uygulamalarının araştırılmasına devam edilecek; bulunamazsa neden bulunamadığını açıklamak gerekecektir. Higgs bozonu bir alan gibi düşünülebilir ve diğer parçacıkların kütlelerinden sorumludur. Bir çamur tarlasına benzetilebilecek bu alandan geçerken daha yavaş, sanki ağırlığınız artmış gibi yürürsünüz (Leon Lederman, 1988). Higgs bozonunun varlığı da aynı şekilde parçacıklara kütle verir. Varlığı keşfedilirse pek çok gizemin kilidi açılabilir. Bundan dolayı kimileri Higgs parçacığına Tanrı parçacığı adını takmışlardır. Higgs parçacığının keşfedilmesinin önemi şurada yatar. Higgs, parçacıklar ve kuvvetler cetvelindeki karmaşıklığın nedeni olabilir. Bu alan olmadığında, kuarkların, leptonların ve tüm diğer parçacıkların kütleleri sıfır olur, doğanın dört kuvveti bire inerdi. Bu alan tüm uzayı kapladığında ise bu alanda elektronlar az bir kütle kazanır, muonlar daha fazla, güzel (alt) kuark iyice çok, üst kuark şişkolaşır, W ve Z parçacıkları büyük kütleler alırken fotonlar Higgs alanını umursamazlar. Dört kuvvet yeniden belirmiş olur. Higgs’in bulunması her şeyi çözmeyecek. Ondan sonra, belirgin özelliği üstün-simetri (super-symmetry) olan “herşeyin kuramını” yazmak gerekecek. Bu matematiksel kuramda tüm parçacıkların (kuarklar ve leptonlar) ikizleri (karşı-parçacıkları) olduğu varsayılır. Kuvvet taşıyan parçacıkların karşı-parçacıkları ise kendileriyle aynıdır. Parçacık ile karşı-parçacık karşılaştığında ikiside yok olur. Şimdilik bir atom-altı parçacıklar “çorbası” gibi gözüken bu dökümü ileriki satırlarda daha iyi anlayacağız.
Evrende parçacık sayısı karşı-parçacık sayısından daha fazladır. Bu karşı-parçacıkların daha hiç biri keşfedilemedi; LHC bunu değiştirmeye başladı. Amerikalı fizikçi Maurice Goldhaber’ın 1956’daki tezine göre karşı madde Büyük Patlama sırasında paralel bir evrene atılmıştır. Hatta, yazara göre Büyük Patlama madde ile karşı maddenin çarpışması sonucudur. Karşı madde, günümüzde bilinen en güçlü enerji kaynağıdır. Fisyonla elde edilen nükleer enerjiden farklı olarak karşı maddenin kütlesi tamamiyle enerjiye dönüşür. Ayrıca, hiçbir kirlenme ve radyosyon yaymaz. Fakat sorun şudur: karşı madde son derece duraysızdır. Hava dahil herhangi bir şeyle temasa geçtiğinde saf enerjiye dönüşür. Tek bir gram karşı madde 20 kilotonluk nükleer bir bombanın enerjisini en temiz şekilde üretir. Manyetik alan kaplarında, kısa bir süre de olsa hapsedilmeye çalışılıyor.
Büyük Patlama’dan beri evren genişlemektedir. Ama kütle çekim kuvveti galaksileri çekip yaklaştırmak, genişlemeyi yavaşlatmak ister. 1998’de yapılan ölçümler, genişlemenin yavaşlamayıp tam tersine arttığını, hızlandığını göstermiştir. Öyleyse bir şey gizemli bir şekilde davranarak bütün maddeyi dışarı itiyor olmalı. Buna kara madde diyoruz. Kara madde belki de en şaşırtıcı, en önemli keşiflerden biridir. Tüm galaksileri birbirinden uzağa iten enerji miktarı evrendeki bütün enerjinin %75’i kadardır. İleride bu konuya tekrar değineceğiz.
Diğer çok önemli keşiflerden biri de belirli bir atom çekirdeğindeki özel bir enerji düzeyinin varlığının ortaya konulmasıdır. Her şey için büyük önem taşıyan konuyu Richard Feynman’ın (1995) açıklamalarından takip edelim. Atom çekirdekleri enerji düzeyleri dediğimiz bir şeylere sahiptir ve değişik enerji değerleri olan durum ve koşullarda bulunurlar. C¹² çekirdeğinde 7.82 elektron voltluk bir düzey olduğu saptanmıştır ( 1eV-elektron volt- bir elektronun 1 voltluk elektrik potansiyel farkını geçmek için ihtiyaç duyduğu enerji miktarıdır; 1eV=1.602x10^-19 juldür). Başlangıç evren neredeyse tümüyle hidrojenden yapılı gibi görünüyor. Çekimin etkisiyle hidrojen sıkışıp ısınıyor ve nükleer reaksiyon gerçekleşiyor, helyum (He) oluşuyor. Sonra He hidrojenle kısmen birleşerek daha ağır birkaç elementi oluşturuyor. Ancak bu elementler hemen yine helyuma dönüşüyor. Bu nedenle, evrendeki diğer bütün elementlerin nasıl ortaya çıktıkları anlaşılamıyordu. Çünkü, yıldızlardaki üretim süreci, hidrojenle başlayarak He ve yarım düzineden az başka elementten fazlasını ortaya çıkaramazdı. Hoyle ve Salpeter’e göre bunun çıkış yolu şöyle olmalıydı. Üç helyum atomu birleşip bir karbon yapabiliyorsa ve bu karbonda 7.82 milyon eletronvoltluk (7.82 Gigaelektronvolt) bir enerji düzeyi varsa üç helyum atomu birleşebilir ve daha uzun süre beraber kalabilirlerdi. Bu daha uzun sürede yeni elementler oluşma imkanına sahip olurlardı. Böyle bir irdelemeyle karbonda 7.82 Gigaelektronvoltluk bir düzeyin varolduğu tahmin edildi. Sonradan bunun gerçek olduğu deneylerle anlaşıldı.
Gerek atom gerekse evren ölçeğinde cisimlerin yaygın bir özelliği bunların eksenleri etrafında dönmeleridir. Ayrıca, evrende maddeyi beraber tutan “şeyle” de ilgilenmeliyiz. Burada artık yavaş yavaş kuantum kuramına girmemiz gerekecek.
Max Planck 1900 yılında elektromanyetik titreşimlerin, E enerjisi ile v frekansı arasında belli bir ilişki bulunan kuantalardan (paketçiklerden) oluştuğu fikrini E=hv eşitliği ile ifade etti. Burada h, ışık hızı C gibi doğanın yeni bir temel sabitidir. Planck sabiti denilen bu sabitin değeri normal standartlara göre çok küçük olup yaklaşık 6.6x10^-34 jul/saniyedir. Bu düşünce, Einstein bir başka öneride bulununcaya kadar fazla dikkat çekmedi. Einstein şöyle düşünüyordu. Elektromanyetik alan tamamıyla bu tür bağımsız birimlerden oluşur. Kafalar karışmıştı. Zira Newton’ın ışığın parçacık olduğu fikri, Maxwell ve Hertz’in ışığın elektromanyetik titreşimlerden oluştuğu düşüncesine dönüşmüştü. Şimdi de ışığın aynı zamanda hem parçacık hem de alan titreşimlerinden oluşması olabilir miydi?. Louis de Broglie, parçacık-dalga karmaşasını daha da arttırarak, madde parçacıklarının bazen dalgalar gibi davrandığını savundu. Kesin ayırımlı parçacık-alan ikiliğini doğa tanımamaktadır. Roger Penrose’un dediği gibi “nasıl oluyorsa oluyor doğa, taneciklerin ve alan titreşimlerin (dalgaların) aynı şeyler oldukları tutarlı bir dünya inşa etmeyi başarıyor. Veya daha doğrusu, doğanın dünyası, “parçacık” ya da “dalga” diye tanımlamalar yapmamıza ancak kısmen olanak veren daha incelikli bir içerik taşıyor”.
Planck bağıntısını Niels Bohr (1913), açısal momentum kuralında parlak bir şekilde kullandı. Bu kural, çekirdeğin yörüngesindeki elektronların açısal momentumunun yalnızca h/2¶ ‘nin tam katları değerler alabileceği idi. Buradan hareketle Dirac daha kullanışlı bir simge olan ħ tanımını verdi:

ħ=h/2¶

Buna göre, açısal momentum (hangi eksene göre öçülürse ölçülsün) sadece şu değerleri alabilir: 0, ħ, 2ħ, 3ħ, 4ħ… Diğer bir deyişle, elektronlar çekirdek etrafında devamlı yörüngeler boyunca dönmüyorlardı. Aslında, Bohr’un başlangıçtaki ilk fikrinde olduğu gibi elektronları çekirdek etrafında daireler çizen “gezegenler” olarak düşünmek yanlıştır. Elektron çekirdeğin dışında oturan bir şeydir sadece ve belli bir enerjiye ve başka özelliklere sahiptir. Parçacıklar daha ziyade çekirdeğin denetlediği belirli konumlara veya “basamaklara” bağımlı kılınmışlardı. Elektronların enerji kuantalarından kurtulmalarının tek yolu, ışık veya diğer tür ışınım yayarak daha düşük bir basamağa atlamaktı. Böylece “kuantik atlama” terimi ortaya çıktı. Bu düşünce XX yy başlarında kabul edilen atom modelinin bir sorununu gideriyordu. Şöyleki. Güneş ve gezegenler arasındaki kütlesel çekim kuvvetleri nasıl gezegenleri dengede tutuyorsa, atomdaki çekirdeğin artı, elektronun eksi yüklerinin elektronu dengede tuttuğu sanılıyordu. Sorun buradaydı, zira o zamanki mekanik ve elektrik yasaları elektronların enerji yitirerek yörüngelerinde gitgide alçalıp çekirdek üzerine düşmesini gerektirmekteydi. Bu da, atomun ve dolayısıyla tüm maddelerin çökerek büyük bir hızla inanılmaz bir yoğunluk durumuna geçeceği demekti. Bohr’un tezi bu sorunu çözmüş oluyordu ama, sadece tek bir elektronlu en basit atom hidrojen için. Fakat daha karmaşık atomlara nasıl uygulanacağı pek de açık değildi. Ayrıca sınırlı bir “olanaklı” yörüngeler takımı düşüncesi fazla keyfiydi. Werner Heisenberg, Erwin Schrödinger ve Maurice Dirac tarafından geliştirilen “yeni tanecik mekaniği” kuramı bu zorluğu ortadan kaldırdı. Bu kuram, çekirdek etrafında “dönen” elektronun, dalgaboyu bu elektronun hızına bağlı bir dalga (titreşim) olarak düşünülebileceğini ortaya koydu. Bazı yörüngelerin uzunluğu, elektronun dalga boyunun tam katına denk düşmekteydi. Bu yörüngeler boyunca dalga tepeleri her dönüşte aynı noktada oluyor ve dalgalar böylece kuvvetleniyordu (dalgalarda girişim olayı); bu yörüngeler Bohr’un olanaklı yörüngelerine karşılık geliyordu. Fakat uzunlukları dalga boyunun tam katı olmayan öteki yörüngelerde, her dalga tepesi elektronlar döndükçe önünde sonunda bir dalga çukuru tarafından yok edildiğinden bu yörüngeler olanaksızdı.
Dikkat edilirse burada sıksık dalga sözcüğü geçti. Dalga demek titreşim demek; diğer bir deyişle elektronlar sürekli titreşim halindedirler. Bu ilke sadece elektronlar için değil tüm atom altı parçacıklar ve atomun kendisi için de vazgeçilmezdir. Atomlar birleşerek bir molekül oluşturduklarında titrşimleri azalır, moleküller bir kristal oluşturduklarında daha da azalır. Titreşimin azalması demek daha az enerji harcanması demektir. Yani doğa daha az enerji harcama durumunu yeğlemektedir.
Kuantum fiziğinin pek çok büyüleyici özelliklerinden birisini Gribin (1984)’nin anlatımından aşağıya alarak bu “alemin” bizimkinden ne kadar farklı olduğunu vurgulamak istiyorum.
Einstein’ın denklemlerine göre m kütlesine ve p momentumuna sahip bir taneciğin enerjisi şu eşitlikle verilir:
E² = m²C⁴ + p²C^²2 bu da momentum sıfırken bilinen ünlü denkleme dönüşür.
E² = m²C⁴ , karekök alındığında E = ± mC² bunun da iki kökü vardır, pozitif ve negatif.
İlgilendiğimiz yanıtın pozitif olması nedeniyle negatif kökü dikkate almayız. Ama Fowler Dirac bu negatif kök üzerine kafa yordu. Atomdaki enerji seviyeleri kuantum mekaniğinin göreliliğe dayalı versiyonuyla hesaplandığında iki grup oluşur. Birisi mC²’ye karşılık gelen tamamı pozitif denklemler; öteki de -mC²’ye karşılık gelen tamamı negatif denklemler. Kurama göre elektronların dolmamış en düşük enerji seviyelerine düşmeleri gerekir. Fakat en yüksek enerji negatif seviyesi bile en düşük pozitif enerji durumundan daha düşüktür. O halde negatif enerji seviyeleri ne anlama gelmektedir ve evrendeki tüm elektronlar neden bu enerji seviyelerine düşüp ortadan kaybolmamışlardır?.

Dirac’a göre elektronlar, negatif enerji durumlarının hepsi dolu olduğu için buraya düşüp kaybolmuyorlardı. Diğer bir deyişle, bizim boşluk dediğimiz şey aslında negatif enerjili elektronlar deniziydi. Elektrona enerji verince elektron enerji seviyelerinde üst basamağa atlar. O halde negatif enerji denizindeki bir elektrona yeterli enerji verilirse bu elektron gerçek dünyaya atlayıp görünür hale gelmeliydi. Enerjinin -mC²’den +mC²’ye gelmesi için 2mC²’ lik bir enerjiye ihtiyaç vardır., bu da parçacıkların çarpıştırılmasıyla kolaylıkla elde edilebilir. Özet olarak parçacıklar enerjiden yaratılabilirler. Yeterince yüksek enerjili bir foton, enerjisini bir elektron ve bir pozitronun kütlelerine dönüştürerek onları boşluktan üretebilir.

Yukarıda dökümü verilen atom altı parçacıkları temel özellikleriyle biraz daha yakından tanımaya çalışalım.

Kuantum mekaniğinde temel niceliklerden birisi spin kavramıdır. Spin,parçacığın özünde saklı bir niteliği olup onun dönüsünün bir ölçüsüdür. Bu dönme bir topacın bir eksen etrafında dönmesine benzetilebilir. Yalnız, tanecik mekaniğine göre parçacıkların kesin tanımlı eksenleri olamaz. Bir parçacığın dönmesi derken kastedilen o parçacığın değişik yönlerden nasıl göründüğüdür. Kristallografinin simetri eksenlerine aşina olanlar için bu dönme işlemini gözde canlandırmak daha kolaydır. Sıfır (0) dönmeli bir tanecik noktaya benzer, hangi yönden bakılırsa bakılsın aynı görünür; 1 dönmeli parçacık ancak 360º, yani tam dönme sonunda ilk halindeki gibidir; 2 dönmeli parçacık için 180º ; 3 dönmeli parçacık için 120º … döndürüldüklerinde ilk görünülerindedirler (Şekil III.1).

Şekil III.1. Dönmeler. a) 0-dönmeli; b) 1-dönmeli; c) 2-dönmeli; d) 3-dönmeli; e) 4-dönmeli.
Proton, nötron ve elektron gibi madde oluşturucu, fermiyon (fermiyonlar dışlama ilkesine uyarlar, aynı anda aynı yerde olamazlar ve farklı konumlara yerleşerek atomu, yani maddeyi oluştururlar) denilen bazı parçacıklar tam bir tur döndürüldüklerinde bile aynı görünmezler; bunların 2 tam tur döndürülmeleri gerekir. Böyle parçacıklar ½-dönmeli parçacıklardır ve evrendeki maddenin birçoğunu oluştururlar.
0, 1 ve 2-dönmeli parçacıklar, madde parçacıkları arasındaki kuvvetleri doğururlar. Kuvvet (enerji,bilgi) taşıyıcı bu parçacıklara (örneğin foton) bozon adı verilmiştir. Bunlar dışlama ilkesine uymadıklarından aynı anda aynı yerde olabilirler ve böylece enerjileri birbirine eklenerek artan kuvvetler meydana getirirler.
Atomlar çevreleriyle fotonlar aracılığıyla etkileşim (enerji alış-verişi) halindedir. Bir atoma bir foton katıldığında elektronlardan birinin enerjisi artar. Bu artış, söz konusu elektronun normal enerjisinin 1/137’sine (ince yapı sabiti denilen gizemli bir sayı) ulaştığında elektron bir üst seviyeye atlar. Tersine, atom bir foton yaydığında ise elektron bir iç yörüngeye iner. Atomların ve atom altı parçacıkların çevreleriyle etkileşmeleri sadece “şimdiyi” ilgilendirmez. Gördüğümüz, dokunduğumuz ve hissettiğimiz hemen her şey Büyük Patlama’dan bu yana zaman içinde etkileşime girmiş parçacıklardan yapılmıştır. Bir zamanlar etkileşim içinde olan parçacıklar bir anlamda bir sistemin parçası olarak kalırlar ve sonraki etkileşimlere birlikte karşılık verirler (Aspect deneyi). Bedenimizdeki atomlar, bir yıldızı, galaksiyi…oluşturan parçacıklarla bir zamanlar aynı ateş topu içinde etkileşim halindeydiler. Hatta daha ileri giderek şu da söylenebilir. Newton’un bedenindeki atomlar onun ölümünden sonra, beslenme yoluyla benim bedenime de katılmış olabilirler. Böylesine spekülasyonlar, reenkarnasyon savları için düşünülebilir mi? diye insan aklına gelmiyor değil. Büyük Patlama’da etkileşim içinde olmuş her şey etkileşim içinde bulunduğu her şeyle bağlantısını hala koruyorsa, o zaman gördüğümüz her yıldız, her galaksideki her parçacık diğer parçacığın varlığını “biliyor” demektir. Bunu kabullendikten sonra ileride değineceğimiz bazı çılgın fikirleri doğrudan yadsımak zorlaşıyor gibi.
Madde parçacıkları Wolfgang Pauli’nin dışlama ilkesi (1925) denilen bir ilkeye uyarlar. Bu ilkeye göre iki benzer parçacık aynı duruma sahip olamazlar; diğer bir deyişle, ileride değineceğimiz belirsizlik ilkesinin belirlediği sınırlar içinde hem aynı konumda hem de aynı hızda bulunamazlar. Eğer madde parçacıkları birbirlerine çok yakın konumdalarsa aynı hıza sahip olamayacakları için aynı durumda uzun süre kalamazlar. Uzun süre beraber kalsalardı, kuarklar proton ve nötronları; proton, nötron ve elektronlar atomları oluşturamaz, yoğun bir “çorba” gibi bir arada çökerlerdi.
Elektronun ve diğer ½-dönmeli parçacıkların tutarlı açıklaması 1928’de Paul Dirac tarafından yapıldı. Bu matematik açıklama aynı zamanda elektronun, karşı-elektron ya da pozitron denilen bir ikizinin bulunmasını öngörüyordu. Ve pozitron 1932’de keşfedildi.
Modern bir görünüm kazanan fiziğin, maddeden sonra açıklamaya çalıştığı diğer kavram kuvvettir. Bütün kuvvetler artık etkileşim olarak görülmektedir. Etkileşimleri taşıyan parçacıklar hiçbir yerden gelmiyor, belirsizlik ilkesiyle uyumlu olarak yoktan ortaya çıkıyor. Hawking, tanecik mekaniğinin bu konudaki açıklamalarını şöyle özetler. Madde parçacıkları arasındaki kuvvet etkileşimlerinin 0, 1 ve 2 gibi tam sayı dönmeli kuvvet parçacıkları (ara-bozonlar) tarafından taşındığı varsayılır. Elektron veya kuark gibi bir parçacık kuvvet taşıyan bir parçacık yayar. Bir merminin geri tepmesi gibi parçacığı yayan parçacığın hızı değişir. Kuvvet taşıyan parçacık diğer bir parçacığa çarpıp onun tarafından soğurulduğunda, sanki iki parçacık arasında bir kuvvet varmış gibi ikinci parçacığında hızı değişir. Kuvvet taşıyan parçacıkların önemli bir özelliği dışlama ilkesine uymamalarıdır. Bu nedenle alıp-verilen kuvvet parçacığı sayısı sınırsız olabileceğinden çok büyük kuvvetler ortaya çıkabilir. Parçacıkların kütleleri fazlaysa yayınlanmaları ve uzun mesafelerde değiş-tokuş edilmeleri zor olduğundan taşıdıkları kuvvetler kısa erimlidir. Tersine, kütleleri yoksa (örneğin foton gibi), kuvvet taşıyıcı parçacıklar ve kuvvet uzun erimli olacaktır. Kuvvet taşıyıcı parçacıklar parçacık detektörü tarafından algılanamaz, fakat varlıkları, yarattıkları ölçülebilir etkilerle anlaşılır. Bu nedenle bu parçacıklara “sezilgen” parçacıklar denir. (Bence zamanın tarifi ile büyük benzerlik var, zaman bu şekilde açıklanamaz mı?). Bazı koşullar altında kuvvet taşıyıcı tanecikler gerçek tanecikler gibi var olup doğrudan algılanabilirler. O zaman bize ışık veya çekim dalgası gibi görünürler. Örneğin iki elektron arasındaki elektriksel itme hiçbir zaman algılanamayan sezilgen fotonlardan dolayıdır; ama elektronlardan biri diğerinin yanından geçecek olursa ışık dalgası şeklinde algılayacağımız gerçek fotonlar yayınlanabilir.

Evrende hüküm süren kuvvetler dört türde toplanır. Çoğu fizikçiler, bu dört kuvveti tek bir kuvvetin değişik görünüşleri olarak açıklayabilecek tek bir kuram bulmayı ümit ederler. Halen, çekim kuvveti dışındaki diğer üç kuvveti birleştirmede oldukça başarılı adımlar atılmıştır.

1. Çekim kuvveti. Çekim kuvveti evrenseldir; her parçacık, kütlesi ve enerjisi oranında ondan etkilenir. Dört kuvvet arasında en zayıf olanıdır. Büyük uzaklıklardan etkili olmasa çekim kuvvetinin farkına varmazdık. Dünya ve Güneş gibi büyük cisimlerin tek tek parçacıkları arasındaki çok zayıf çekim kuvvetleri birbirine eklenerek çok büyük kuvvetler doğurabilir. Çekim kuvveti etkisini anında gösterir, yani etkisini gösterme hızı ışık hızından fazladır. Diğer üç kuvvet ya kısa erimlidir ya da bazen çekici bazen itici oldukları için birbirlerinin etkisini yok ederler. İki parçacık arasındaki çekim kuvveti graviton denilen 2-dönmeli parçacık tarafından taşınır. Gravitonun kütlesi olmadığı için taşıdığı kuvvet uzun erimlidir. Gravitonlar gerçek olmamalarına karşın, Güneş-Dünya örneğinde olduğu gibi ölçülebilir etki yaratırlar. Gerçek gravitonlar çekim alanlarını doğururlar, fakat bu çekim çok zayıf olduğu için henüz algılanamamıştır.
Atomlarla, ya da temel parçacıklarla uğraşırken kütlesel çekim kuvveti çoğu kez yok sayılabilir. Ama hem uzun erimli ve hem de her zaman çekici oluşu, etkilerinin birbirine ekleneceği anlamına gelir. Bu yüzden yeterince çok sayıda parçacık için kütlesel çekim kuvveti diğer kuvvetlerden üstün olabilir ve bu nedenle de evrenin evrimini belirler. Bu bağlamda, yıldızların kendi üzerlerine çökmesi, kara delikler çevresindeki yoğun kütlesel çekim alanlarının oluşması, uzayın deformasyonu sayılabilir. Burada hemen küçük bir parantez açmak gerekir. Galaksileri birbirinden uzaklaştıran gizemli kara enerji (kuvvet) bu kuvvetler çerçevesinde yerini nasıl bulacaktır?.
2. Elektromanyetik kuvvet. Elektron ve kuark gibi elektrik yüklü parçacıklarla etkileşen fakat graviton gibi yüksüz parçacıklarla etkileşmeyen elektromanyetik kuvvettir. Etkisi çekim gücünden daha büyüktür. Örneğin iki elektron arasındaki elektromanyetik güç, aralarındaki çekim gücünden 1.000.000x1.000.000 kez daha büyüktür. Ayrıca, elektrik yükü, artı ve eksi ( ne demekse + ve – yük?) olmak üzere iki türlüdür. Kuvvet, aynı yükler arasında itici, farklı yükler arasında çekicidir. Büyük gök cisimlerinin kendi parçacıklarının arasındaki itici ve çekici güçler hemen hemen birbirlerine eşit olduğundan sıfırlanırlar geriye çok küçük bir elektromanyetik kuvvet kalır. Halbuki atom ve moleküllerin küçük dünyasında egemen olan elektromanyetik kuvvettir. Bugün artık geçerli olmayan Bohr modeline göre, çekirdeğin artı, elektronun eksi yükü arasındaki çekim, kütlesel çekimin Dünya’yı Güneş etrafında döndürmesi gibi, elektronların çekirdek etrafında dönmelerine neden olur. Elektromanyetik kuvveti, yüksüz 1-dönmeli sezilgen fotonun değiş-tokuş edilmesi olarak gözümüzde canlandırabiliriz. Ancak, bir elektron, bulunabileceği yörüngelerden birini terk edip çekirdeğe yakın bir yörüngeye geçerse enerji ortaya çıkar ve bir gerçek foton yayınlanır. Veya bir gerçek foton bir atomla çarpışırsa, yakın yörüngedeki bir elektronu daha uzak bir yörüngeye kaydırabilir ve kendisi soğrulur.
3. Zayıf çekirdek kuvveti. Radyoaktiviteyi doğuran ve bütün ½-dönmeli parçacıkları etkileyen, ama foton ve graviton gibi parçacıkları etkilemeyen kuvvettir. Abdus Salam ve Steven Weinberg (1967) bu etkimeyi elektromanyetik kuvvetle birleştiren kuramı geliştirdiklerinde bu kuvvetin ne olduğu daha iyi anlaşıldı. Bu kuram, fotona ek olarak, topluca “kütleli vektör bozonlar” denilen ve zayıf kuvveti taşıyan üç değişik tür daha 1-dönmeli (W⁺, W^-, Zº) parçacık olduğunu önerir, ve kendiliğinden simetri kırılması denilen bir özelliğe sahiptir. 100GeV’un çok üzerindeki enerjilerde bu üç parçacık ve fotonlar aynı şekilde davranırlar. Bizim için söz konusu olan daha düşük enerji düzeylerinde ise birbirlerinden tamamen farklıymış gibi (simetri kırılması) görünürler. W⁺, W^- ve Zº parçacıkları büyük kütleler edindiklerinden taşıdıkları kuvvetlerin erimini düşürürler.
4. Güçlü çekirdek kuvveti. Protonların ve nötronların içindeki kuarkları birbirine bağlayan, proton ve nötronları atom çekirdeğinde beraber tutan kuvvettir. Bu kuvvetin, kuarklarla etkileşen 1-dönmeli gluon denen parçacık tarafından taşındığı sanılıyor. Güçlü çekirdek kuvvetinin “kapanma” denilen garip bir özelliği vardır. Buna göre parçacıklar birbirlerine her zaman renksiz sonuçlanacak birleşimlerle bağlanırlar. Örneğin bir kuark hiçbir zaman tek başına bulunamaz, çünkü tek başına olursa bir rengi (kırmızı, yeşil veya mavi) vardır. Bunun yerine, bir kırmızı kuark, bir yeşil ve bir mavi kuarkla gluonlar dizisiyle bağlanır (kırmızı + yeşil + mavi = beyaz). Böyle bir üçlü, proton veya nötronu oluşturur. Böyle birleşimlerin ortaya çıkardıkları parçacıklara meson (veya piyon) denir. Kuarklar ve karşı-kuarklar birbirlerini yok ederek elektron ve diğer parçacıklara dönüşeceklerinden mesonlar kararsızdır. Kapatma ilkesi benzer şekilde gluonlarında tek başlarına bulunmalarına izin vermez, çünkü onlarında renkleri vardır ve ancak beyaz rengi doğuracak renk topluluğu içinde bulunabilirler. Böyle bir topluluk da kararsızdır.
Elektromanyetik kuvvet, zayıf çekirdek kuvveti ve güçlü çekirdek kuvvetini birleştirme çabaları olumlu yoldadır. Lakin bu birliğe çekim kuvvetini dahil ederek Büyük Birleşik Kuramı (BBK) ortaya çıkarmak ciddi bir sorun olarak durmaktadır. Özet olarak BBK şöyle olmalıdır. Belirli bir enerji düzeyinde (ki böyle bir düzeye ulaşacak bir parça hızlandırıcısının yapılması olanaklı görülmüyor) şimdiye kadar sözünü ettiğimiz dört kuvvet eşitlenerek tek bir kuvvete indirgenecektir.
Teorik fizikçileri kendi alanlarında rahat bırakarak bizim için anlaşılır konulara dönelim.

Daha önce evrende kuarkların karşı-kuarklardan çok fazla sayıda olduğunu belirtmiştik. Bu neden böyledir ya da niçin eşit sayıda değiller?. İyi ki eşit sayıda değiller, yoksa birbirlerini yok ederler, madde yerine ışıma dolu bir evren kalırdı; ne bir yıldız, bir galaksi, bir gezegen ne de biz oluşamazdık. Kuarkların karşı-kuarklardan daha fazla olmasının nedeni fizik yasalarının parçacıklar ve karşı-parçacıklar için aynı olmamasında yatmaktadır. Bu da bizi simetri ve simetri kırılması kavramlarına götürüyor.

1956 yılına kadar fizik yasalarının C.P.T. denilen simetrilerin her birine uyduğu sanılıyordu. Simetri, bir cismin aynadaki görüntüsü ile cisim arasındaki ilişkilerin matematiksel ifadesidir. Bir topaç geometrik ekseni etrafında sağdan sola dönüyorsa, aynadaki görüntüsü soldan sağa döner. Bu tür olayları matematik ile ifade etmek simetridir. Üzerinde hiçbir şekil ve yazı bulunmayan bir sayfanın tüm noktaları birbirinin aynısıdır; yani sayfa noktaların özelliklerine göre simetriktir. Sayfaya herhangi bir şekil çizilirse, şeklin içinde, dışında ve üzerinde bulunmalarına göre noktalar simetrikliklerini kaybeder; birbirlerinden farklı özellikler kazanmış olurlar. Evren yaradılış aşamasında süper simetriktir, ancak Büyük Patlama’dan sonraki olaylar bu simetriyi kırarak günümüzde algıladığımız evrene dönüştürmüştür. Daha ileri gitmeden önce CPT kavramını Klein’in (2002) açıklamalarından yararlanarak özetlemeye çalışalım. CPT, fizikçilerin sıkça kullandıkları soyut bir simetri biçimidir. Benzerlik (P), yük birleşmesi (C) ve zaman terslenmesi (T) kavramlarını kullanır. P işlemcisi, bir deneyin aynadaki görüntüsüne bakmaktır. Parçaların çarpıştığı bir deney olsun. Bu olaya P işlemcisinin uygulanması, deneyin düşünce yoluyla aynada nasıl görüneceğini gerçekleştirmektir. Parçacıkların doğası değişmez, fakat aynada sağ solun yerine geçtiği için parçacıkların konumu değişir. İşlem gerçekleştirildikten sonra yeni “görüntünün” doğada veya laboratuarda gerçekleşip gerçekleşmeyeceğine bakmak gerekir. Yanıt evetse deney P simetrisine uyuyor denir; aksi halde deney P simetrisini bozuyordur. Her parçacık aynı kütleli ve ters yüklü (özellikle elektrik yüklü) parçacıkla beraberdir. C işlemcisi, bir parçacığı karşı-parçacığıyla (veya tersi) değiştirmektir (tabii kağıt üzerinde). Örneğin elektron pozitronla, proton karşı-protonla…Böylece parçacık ile karşı-parçacık arasında yükler terslenmiş olur. Bu işlem yapıldıktan sonra yeni deney gerçekleşebilirse, deney C simetrisine uygundur, gerçekleşmezse C simetrisini ihlal ediyordur. Zamanın terslenmesi işlevi (T), zamanı geri döndürmek yerine, bir filmin tersten oynatılması gibi, hareketi tersine yürütmektir.

P,C ve T, tanecik fizikçilerinin kullandığı denklemlerde temel rol oynarlar. Buna CPT değişmezliği denir. CPT, C, P ve T işlemlerinin çarpımını ifade eder. Fiziğin bilinen yasaları CPT ile değişmiyorsa, CPT değişmezliği söz konusudur. CPT değişmezliği, dünyamızda hüküm süren fizik yasalarının, zamanın tersine aktığı aynada görülen karşı-madde dünyasının yasalarıyla aynı olduğunu söyler. Bu ilke nedensellik ilkesine temelden bağlıdır. Ayrıca, parçacıkların kütlelerinin ve yaşam sürelerinin karşı-parçacıklarınınkine eşitliğini öngörür.

Çarpışmakta olan parçacıkların enerjileri yükseltilirse sistemin eski simetrileri silinir; daha yüksek simetrili sistemler elde edilir. Diğer bir deyişle, düşük enerjilerdeki karmaşık simetrilerden daha basit simetrilere geçilir (süper simetrik standart model). Bugün doğruluğuna en fazla güvenilen kavram üstün simetridir. Dünya ve evrendeki bilinen her parçacık (elektronlar, kuarklar ve diğerleri) için keşfedilmiş veya keşfedilmemiş bir eş vardır. Üstün simetri doğruysa, uzay ve zaman Einstein’ın bile hayal edemediği özelliklere sahip demektir. LHC, uzayın üçten fazla boyutu olduğunu kanıtlayabilir. Bazı durumlarda enerji ortadan yok olabilecek gibi gözüküyor; çünkü parçacıklar yeterli enerjiye sahipse daha üst boyuttaki bir dünyaya kaçabilir. Protonlar birbirleriyle çarpıştıklarında bazı kalıntılar oluşur ve kalıntılar bildiğimiz üç boyutun dışına, daha üst boyuta (dördüncü boyut örneğin) taşınır. Bu taşınma sırasında taşıdıkları enerji de gözlediğimiz ortamı terk etmiş olur. Bu üst boyuta erişim olanaksızdır. Olay, çarpışma öncesi ve sonrası enerjiyi ölçmekle anlaşılır. Deney sonunda daha az enerji bulunursa bir kısmı üst boyuta kaçmıştır. Klasik fiziğin “enerjinin korunumu yasası” mikro evrende geçerliliğini yitirmiş oluyor. Yolumuzu daha fazla kaybetmeden simetri kavramına geri dönelim.
Newton denklemleri, kullanılan koordinat sistemi döndürülse de, ötelense de değişmezler; diğer bir deyişle fizikçilerin lisanında, koordinatların döndürülme, ötelenme koşullarında simetriktirler. Denklemlerin bu koşullar altında değişmezliği (simetrikliği) doğanın böyle bir simetri içerdiğini kanıtlar. Maxwell denklemleri, “Lorentz dönüşümleri” denilen bir başka koordinat dönüşümleri uygulandığında değişmezler, simetriktirler. Lorentz dönüşümleri dört boyutlu Minkowski uzayında ışık hızının, ölçüldüğü koordinat sistemine bağlı olmadığını (mutlak olduğunu) matematiksel olarak ifade eder.

Poincaré (1905) simetri dönüşümlerinin bir grup oluşturduğunu (Poincaré grubu) keşfetmiştir. Grup oluşturması demek, dönüşümü gerçekleştiren işlemcilerin (operatörlerin, yani C, P, T) kendine özgü bir cebir (kurallar) oluşturması demektir. Gerçel sayılar nasıl bildiğimiz dört işlemi tanımlıyorsa, simetri dönüşümleri de benzer bir cebir oluşturur. Örneğin yansıma simetrisini ele alalım. Bu, cisim ve aynadaki görüntüsü arasındaki simetri demektir. Bir küre sağdan sola dönüyorsa aynadaki görüntüsünde soldan sağa dönecektir. Aynadaki görüntünün cismin kendisinden tek farkı yatay koordinat ekseninin yönünün tersine çevrilmiş olmasıdır, hem küre hem de görüntüsünün alan formülü veya hacim formülü değişmeyecektir. Bu örnekle elde ettiğimiz grupta sadece birim işlemcisi (U) ve eksenlerin yönlerini ters döndüren yansıtma (parite) işlemcisi (P) vardır; yani iki işlemcili bir gruptur. Dirac benzer şekilde spinler arasında yine iki operatörlü bir simetri grubunun varlığını keşfetmiştir. Kendisinin yorumlayamadığı bu simetrinin aslında elektron ve onun karşı-parçacığı pozitrona ait olduğu daha sonra bulunmuştur. Parçacık ve karşı-parçacığı birbirine dönüştüren yük yansıma işlemcisi C’dir (charge conjugation). Yük yansıma işlemcisi yansıma işlemcisinin matematiksel yapısı ile özdeştir.

Wigner (1932) doğanın zamanı ters döndüren (time reversal simmetry = T) simetriyi içerdiğini ileri sürmüştür. Tüm klasik fiziği ve kuantum fiziğini belirleyen denklemler (Newton, Maxwell ve Schrödinger denklemleri) zamanın ters döndürülmesi işlemi altında değişmezdirler yani simetriktirler. Böylece doğanın içerdiği simetrileri fizik P, C ve T işlemcileri ile ifade etmiştir. Örneğin Dirac denklemlerinde C, P ve T işlemleri ardı ardına uygulandığında denklemler değişmezliklerini korur. Buna CPT değişmezliği (kuramı) denir (Schwinger, 1954). Görüldüğü üzere, Poincaré’nin tanımladığı grup kavramı ve kuralları sonraki fizikçi ve matematikçilerin ufkunu genişletmiştir. Bu Einstein için de geçerlidir; Lorentz dönüşümlerinden yararlanarak özel görelilik denklemlerini geliştirmiştir. Bu nedenle kimileri özel görelilik kuramına, Einstein-Poincaré-Minkowski kuramı demeyi yeğlerler.
Simetri kavramını az çok toparladık, ama iş burada bitmiyor; bir de simetri kırılması konusu var. Simetri kırılmasını açıklamak için mıknatıslanma olayı klasik örnek haline gelmiştir. Sıcaklık değişimi ile simetrinin kendiliğinden kırıldığını gösterir. Demir mıknatıs çubuğu erime sıcaklığının altında bir sıcaklığa kadar ısıttığımızda çubuk kuzey ve güney kutuplarını kaybeder. Çubuğun içindeki minicik mıknatısların her yönü gösterir şekilde dağılmış olduğunu düşünebiliriz. Boş kağıt sayfadaki noktaların sayfaya kazandırdığı simetri gibi bir simetri söz konusudur. Çubuk Curie sıcaklığı denilen belli bir sıcaklığın altına kadar soğutulduğunda birden manyetikleşmiş hale geçer. Minik mıknatıslar belli bir yöne göre paralelleşmişlerdir, yani manyetik simetri kırılmıştır. Isınan atomların kinetik enerjileri atomların gelişigüzel sıralanmasına neden olur. Soğuduğunda tekrar tek bir yönde dizilirler.
Temel parçacıkların kütle kazanma mekanizmalarını simetrinin kendiliğinden kırılması açıklar ve bunun sadece evrenin ilk aşamalarında gerçekleştiği düşünülen olaylar ile sınırlı olmadığını yukarıdaki örnek gösterir.
Parçacıklar fiziğinin yüksek enerji deneyleri (Fermi, 1938…) zayıf etkileşimlerde yansıma simetrisinin kırıldığını gösterdi. Radyoaktif bozunmaların yarı ömürleri, aynadaki sayaçta başka laboratuardaki sayaçta başka değerler veriyordu. İnanılması güçtü ama gerçekti. Böylece kimi fiziksel olayların sağ veya sol el koordinat sistemlerine göre farklı sonuçlar verdiği fiziğin anlayış yelpazesine girmiş oluyordu. Simetri kırılmaya başlamıştı.

Zayıf nükleer etkileşimler ile elektromanyetik etkileşimlerin kökeninin aynı olduğu simetri ve simetri kırılmalarına dayanılarak açıklandı (Abdus Salam, Glashow, Winberg…). Bu açıklamalar, dört temel kuvvetin belli bir enerji eşiğinin üstünde birleşik süper bir kuvvet olduğunu ileri süren Büyük Birleşik Kurama (Grand Unification) büyük ivme kazandırdı. Daha önce de belirtildiği gibi bu birleştirmeye henüz kütle çekim kuvvetini katmakta önemli sorunlar var. Standart modelin speküle ettiği Higgs parçacığı ilke olarak piyondan farklı değildir. Nasıl önceleri teorik olarak varlığı ileri sürülen piyonun var olduğu deneyle kanıtlandı ise Higgs varlığıda deneysel olarak kanıtlanmalıdır. Olup bitenler simetri etrafında gelişiyor, simetriyi anlamadan doğayı anlamak pek olası gözükmüyor.

Hem tanecik mekaniğine, hem de göreliliğe uyan yasaların CPT-bileşik simetrisine uyması gerektiğini belirten matematik bir teorem vardır. Diğer bir deyişle, eğer parçacıklar karşı-parçacıklar ile yer değiştirir, evrenin aynadaki görüntüsü alınır ve zamanın yönüde terslenirse evrenin aynı şekilde davranması gerekir. Buna karşın Cronin ve Fitch (1964), parçacıklar ile karşı-parçacıklar yer değiştirir, daha sonra evrenin aynada görüntüsü alınır fakat zamanın yönü değiştirilmezse evrenin davranış biçiminin aynı olmayacağını gösterdiler. O halde, zamanın yönü değiştirilirse fizik yasaları da değişmelidir, çünkü bu yasalar T-simetrisine uymazlar.

Hawking’e göre Büyük Patlama’dan sonraki ilk evren T-simetrisine uymuyordu. Zaman ileri doğru aktıkça evren genişlemektedir, eğer geriye doğru aksaydı büzülecekti. T-simetrisine uymayan kuvvetler olduğu için, evren genişledikçe bu kuvvetlerin, elektronların karşı-kuarklara dönüşmesinden daha çok karşı-elektronların kuarklara dönüşmesini gerektirdiği sonucu ortaya çıkar. O zaman, evren genişleyip soğudukça karşı-kuarklardan daha çok kuark olduğu için geriye bir miktar kuark kalacaktır. Bugün gördüğümüz ve bizi de oluşturan madde işte budur.

Kuantum teorisinin getirdiği belirsizlik ilkesine geçmeden önce, önümüzdeki yıllarda düşüncelerimizde önemli değişiklikler getirebilecek bir bulguya değinmek istiyorum.
Erwin Schrödinger 1926’da dalga mekaniğinin kurucusu oldu, daha sonra (1935-1936) kuantum takıntısı (entanglemant) terimini kullandı. Kuantum takıntısı şu örnekle özetlenebilir. Aynı atomdan çıkan, aynı kutuplanmaya (polarizasyona) sahip iki fotondan birinin polarizasyonu ölçüldüğünde diğeride polarizasyonunu ölçülen polarizasyona uyumlu hale getirir. İşlem, her iki fotonun dalga fonksiyonlarının çökmesiyle gerçekleşir. Başka bir deyişle, kuantum mekaniksel takıntılı taneciklerden birisine yapılan bir etki, öbür tanecik tarafından derhal bilinmektedir. Bu haberleşme anında olmasa bile çok çok hızlı yürür. Parçacıklar arasındaki mesafe ne olursa olsun bu fiziksel etkileşim aynı etkinlikte olur. Kuantum mekaniği hesaplamalarından çıkan bu sonuç Schrödinger’i bile rahatsız etmiş ve takıntı etkisinin, bilinmeyen bir süreçten (process) kaynaklanan ve sadece mikroskopik mesafelerde geçerli bir etki olduğunu ileri sürmüştür. Schrödinger’in yanıldığı görülüyor, bunun için Cenevre Üniversitesi’nde yapılan deneyi açıklamak gerekiyor. Salart ve arkadaşları (2008) şehirdeki bir kaynağı kullanarak foton çiftlerini takıntılı (entangled) haline getirdikten sonra her birini aynı 17.5 km. mesafedeki iki ayrı istasyona (Satigny ve Jussy) fiber optik kablolarla gönderiyor ve aynı enterferometrelerle denetliyor. Bu fotonlar istasyonlara aynı anda ulaşıyorlar; bunlardan birine yapılan bir etki öbür parçacık tarafından derhal biliniyor. Einstein’ın görelilik kuramına göre hiçbir şey ışık hızından daha hızlı gidemez. Kuantum mekaniğine göre ise bazı deneylerde, bir tanecik üzerine yapılan etki aradaki mesafe ne kadar uzak olursa olsun, bir başka taneciğin özelliklerini anında değiştirir. Bu saptama, kuantum kuramına emeği geçmiş bilim adamları tarafından da biliniyordu. Einstein 1947’de Max Born’a yazdığı mektupta kuantum takıntısı etkisini “uzaktan hayali bir etki” olarak nitelemiş ve kuantum mekaniğinin yanlış olduğunu ileri sürmüştür. Cenevre’de Salart ve arkadaşlarının yaptığı deneyler, takıntılı fotonlar arasındaki “haberleşmenin” ani değilse bile ışık hızından en az 10.000 kez hızlı olduğunu gösteriyor. Bu bağlamda, bazı araştırıcıların ışıktan daha hızlı iletişimin mümkün olup olmadığı hakkında deneyler yürüttüklerini belirtelim.
Atomun parçalanarak incelenmesi fizikçileri yeni bir ikilemle karşı karşıya bıraktı. Her temel parçacığı “gözlemlemek” ve ölçmek için onu bir başka parçacıkla çarpıştırmak ve sonuçları gözlemek gerekiyordu. Böyle bir yöntemin kaçınılmaz sonucu çarpışma sırasında incelenen parçacığın yörüngesinin, hızının veya şeklinin değişecek olmasıdır. Bu nedenle bu tür deneylerle bir parçacığın ya hızı ya da konumu belirlenebilir; ikisi birden aynı anda belirlenemez. Bir değişkenin tanımlanması zorunlu olarak diğer değişkeni deforme eder; bu da belirsizlik ilkesini oluşturur. Bu güçlük sadece ölçüm tekniklerinin gelişmesiyle aşılamaz. Atom altı parçacıkların “yakalanamaz” davranışları, kuantik evren etüdünde devamlı dikkate alınması gereken temeli oluşturur. 1920’li yıllarda fizikçi Werner Heisenberg belirsizlik ilkesini yayınladı; görüşleri kuantum mekaniğinin temelini oluşturur. Heisenberg’e göre atom altı parçacıkların hareketlerinin sıhhatlı tanımlanması insanı aşan bir konudur. Parçacıkların davranışlarıyla ilgili öngörülerin farklı istatistik olasılıklara bağlanabilmelerine karşın, bir elektronun, bir protonun veya bir kuarkın ne, ne zaman ne yapacağını ne de ne zaman “huyunu” değiştireceğini kesin bir şekilde bilebiliriz. Gerçekte, belirsizlik çok daha derindir. Kuantum yasaları, bir elektronun ya da başka bir parçacığın ilkel halinde belirli (spesifik) bir kimliğe ve programa sahip olmadığını söyler. Bu parçacık, dalgalar fonksiyonu olarak adlandırılan çok geniş bir “olabilirlik” (potansiyalite) içinde bulunur. Bu dalga, fizik deney gibi, koşullara dışarıdan müdahale eden bir olayla çöker. Sadece bu durumda, parçacık, boyut, enerji ve zaman bakımından olasılıkların birinde bulunmaya “karar” kılar. Kuantum fiziğinin diğer ünlü kişiliği Erwin Schrödinger belirsizlik ilkesinin getirdiklerini kabullenmekte çok zorlanmıştır. Bu konudaki şüphelerini de günümüzde “Schrödinger’in kedisi” olarak bilinen bir paradoksla ifade etmiştir. Sanal bir kedi bir kutuya kapatılmıştır. Bu kutuda, radyoaktif bir atomun bozunmaya başlaması veya bozunmadan kalmasına bağlı olarak öldürücü bir zehir akıtan bir mekanizma vardır. Atom bozunursa zehir akacak kedi ölecek; yoksa kedi yaşayacaktır. Deney, kutu kapalıyken gözetim altında değilken başlar.

Kuantum belirsizliği, bir atom gözetleme altına alındığı ana kadar tüm olası hallerin karışımını içeren bir durumda bulunduğunu söyler. Bu da, Schrödinger’in sanal kutusu içindeki radyoaktif atomun bir gözlemci deneyin sonucunu gözlemleyinceye kadar aynı anda hem bozunma halinde olduğunu hem de olmadığını varsayar. Diğer bir deyişle, kutu açılıncaya kadar kedi hem diri hem de ölüdür. Bu paradoks birçok bilim insanının kuantum mekaniğini sorgulamasına neden olmuştur. Nedenselliğe katı şekilde inanan Einstein bunların başında gelir. Max Born’a şöyle yazmıştır: “Işınıma uğratılan bir elektronun, hangi yönde ve ne zaman zıplayacağına kendi başına karar vereceğini kabullenemiyorum. Şayet böyle ise fizikçi olmak yerine ayakkabıcı veya hatta bir gazinoda krupiye olmayı tercih ederim”. Niels Bohr’un Einstein’ın bu rahatsızlığını giderecek önerisi yoktu. Kuramı, atom davranışını başarıyla öngörüyordu, gerisini bilinen sözlerle bağlıyordu. “Fiziğin görevi doğanın ne olduğunu bulmak değildir. Doğa hakkında ne söyleyebileceğimizle uğraşır.” Yine de kuramın çetrefilliğini saklamadı: “Başı dönmeksizin kuantum sorunlarını anladığını söyleyen kişi hiçbir şey anlamamıştır”.

Mega ve mikro evrenlerde yapılan her yeni keşif, yaradılış sahnesinde kendimize atfettiğimiz merkezi rolden bizi uzaklaştırmaktadır. Kosmosun sonsuzluğunda küçücük bir noktaya tutunmuş önemsiz organizmalarız.
Heisenberg’in belirsizlik ilkesi dünyanın temel, kaçınılmaz bir özelliğidir. Dünya’ya bakış açımızı derinden etkiler. Aradan altmış yıldan fazla zaman geçmiş olmasına karşın, hala büyük bir tartışma konusudur.
Schrödinger’in sanal deneyi yerine gerçek bir deneyle tanecik mekaniğinin belirsizlik ilkesini vurgulayabiliriz. Işığı açıklayan teorilerin zaman içinde geçirdiği değişiklikler (parçacık-dalga-parçacık) bu belirsizliğe örnek gösterilebilir. Aynı durum elektronlar için de geçerlidir. Elektronlar ilk keşfedildiklerinde tamamen parçacıklar, mermiler gibi davranıyorlardı. Sonraki elektron kırınım (difraksiyon) deneyleri, elektronların dalga gibi davrandıklarını ortaya koydu. Dalga mı? parçacık mı?. Eldeki veriler ikisine de benzediklerine işaret ediyordu. Kargaşa kuantum mekaniği için doğru denklemlerin bulunmasıyla çözüldü. Konu ve deney hakkındaki görüşlerini Feynman (1985) aşağıdaki gibi açıklar.” Elektronların ve ışığın dalga veya parçacık gibi davrandığını söylemek yanıltıcı olur. Onlar kendilerine özgü, benzeri olmayan bir şekilde hareket ederler. Buna kuantum mekaniksel bir davranış biçimi denebilir. Daha önce gördüğümüz hiçbir şeye benzemeyen bir davranış biçimidir. Davranışları acayiptir, algılamak bir hayli hayal gücü gerektirir”.
Deney için elektron kaynağı olarak bir flaman, engel olarak üzerinde iki delik bulunan bir tungusten levha, elektron yükünü ölçmek için, deliklerin gerisinde hareketli, yeterince hassas bir detektör ve bir perde yerleştirelim (Şekil III.2.). Kaynak, elektronları tüfekten çıkan mermiler gibi tek tek göndermeye başladığında, iki delikli levhanın arkasında bir yerde bulunan detektörden çıtırtılar alınmaya başlanır. Her bir çıtırtı bir elektronun detektöre girişidir. Duyulan çıtırtı belirli ve sabit bir güçtedir. Kaynak zayıflatılırsa, çıtırtı sesleri

Şekil III.2. O: elektron kaynağı, T: iki delikli levha, P: perde, N₁₂: girişim (interferans) grafiği, N₁,N₂: her iki delikten geçen elektron sayısı grafikleri, N₁+N₂: iki delikten geçen elektronların toplamının grafiği.

aynı güçte fakat daha seyrek olarak duyulur. Kaynağın şiddeti yükseltilirse çıtırtılar detektör amplifikatörünü tıkayacak ölçüde hızlanır. Kaynağı, detektörün kapasitesini aşan çıtırtıyı almayacak şekilde kısmak gerekir. Daha sonra bir başka yere bir detektör koyup ikisi de aynı zamanda dinlenirse iki detektörden aynı anda çıtırtı gelmez. Yani detektörlere aynı anda elektron gelmiyor; elektronlar deliklerden birinden veya öbüründen tek tek geliyor demektir. Bu aynı zamanda gelen şeyin tanecikler halinde geliyor olması demektir. İki detektörden aynı anda çıtırtı işitilseydi, bir elektronun ikiye bölündükten sonra deliklerden geçtiği düşünülürdü. Şimdi (deliklerden) elektronların gelme olasılığını ölçebiliriz. Yapılacak şey, detektörü farklı noktalarda , diyelim birer saat süreyle tutup her saatin sonunda kaç elektron geldiğini ölçüp ortalamasını almaktır. Elektron yerine mermiler olsaydı şekildeki N₁ ve N₂ eğrilerinden türeyen N₁+N₂ grafiğini bulurduk; halbuki N₁₂ grafiği bulunur. N₁₂, iki deliğin açık olduğu zaman bulunan bir grafiktir ve iki dalganın girişimi ile elde edilen bir girişim grafiğidir. Doğa’nın davranışı böyledir; dalgaların girişimi için bulunan eğrinin aynısı. Bu eğri, dalganın enerjisi için elde edilmemiş, taneciklerin gelme olasılığını ifade eden bir eğridir. Feynman bu girişim olayını kontrol etmek gerektiğini belirtip deliklerden birini kapatınca ne olduğunu sorar. Deliklerden birini kapatıp delik 1’den kaç tane elektron geçtiğini, basit N₁ eğrisini elde ederek görüyoruz. Diğer deliği kapatıp ölçtüğümüzde de N₂ eğrisini elde ediyoruz. Ancak bu ikisi toplandığında N₁+N₂ eğrisini elde etmiyoruz; girişim işe karışıyor. Gerçekten de bunun matematiği farklıdır. Gelme olasılığı bir genlik karesidir ve bu genliğin karesi de iki şeyin toplamıdır: N₁₂ = (a₁+a₂)². Buradaki sorun şudur. Elektron delik 1’den geçtiğinde bir şekilde, delik 2’den geçtiğinde dağıldığı halde, iki delik açık olduğunda neden bu ikisinin toplamı değildir?. Örneğin, detektörü iki delik de açıkken q noktasına koyarsak hiçbir şey gelmiyor, ama bir deliği kapattığımda birçok, diğer deliği kapattığımda da biraz bir şeyler geliyor. İki deliği açık bırakarak iki delikten de gelmelerine olanak sağlandığında gelmiyorlar. Özet olarak, elektronlar tanecikler gibi gelir, ancak, bu taneciklerin gelme olasılıkları dalga şiddetinde olduğu gibi saptanır. İşte bu anlamda elektronlar bazen dalga bazen de tanecik gibi davranırlar. Aynı anda iki farklı şekilde davranırlar.
Doğanın bu şekilde davranması gerçeğiyle ilgili bazı incelikli noktalar vardır. Eğer elektronların yalnızca delik 1 ya da delik 2’den geçtikleri doğru değilse, geçici bir süre için ikiye ayrılabilmekte veya buna benzer bir şey yapabilmekte midirler?. Demekki onları gözlemeliyiz. Gözlemek için deliklerin arkasına çok güçlü bir ışık kaynağı konur. Işık elektronlara her çarpmada saçılarak bir parıltı oluşturur. O halde, arkada durup elektronları sayarken, elektronu saymadan önce delik 1 veya delik 2’nin arkasında ani bir ışık parıltısı ya da her ikisinde de aynı anda bir yarı-parıltı olup olmadığına bakılır. Detektörde bir sayı olduğu her anda ya delik 1, ya da delik 2’nin arkasında bir parıltı çakar. Elektronun 1’den veya 2’den geldiğini görüyoruz. Işık açıldığında, yani gözlem yapıldığında N₁+N₂ eğrisi; ışık kapatıldığında N₁₂ eğrisi elde edilir. Öyleyse ışığın (gözlemlemenin) sonucu etkilediği söylenebilir. Çok hassas olan elektronlara ışık yöneltildiğinde bunlar biraz çarpılır ve normalde yapacağından başka davranır. Işığı, ortam çok loş oluncaya kadar zayıflatıp çok hassas detektörler eşliğinde bakalım. Zayıf bir ışığın elektronları N₁₂’den N₁+N₂’ye dönüştürmesi beklenemez. Öyleyse bir eğri diğer eğriye nasıl dönüşüyor?. Işık, kuşkusuz su dalgasına benzemez. Işık foton denilen bir parçacık özelliği taşır. Işığın şiddetini azalttıkça lambadan çıkan foton sayısı azaltılmış olur. Bir elektronun çarpacağı foton sayısı en az birdir. Eğer çok az foton varsa, elektron bazen fotonun bulunmadığı bir sırada geçmiş olabilir ve görülmez. Işık kuvvetli iken çok küçük bir kısım, ışık çok zayıf olduğunda çoğunluk elektronlar görülemeyecektir. Görülebilenler N₁+N₂ eğrisine, görülemeyenler N₁₂ eğrisine göre dağılacaktır. Işık zayıflatıldıkça görülenler giderek azalacak, görülemeyenler giderek artacaktır. Gerçek eğri her durumda iki eğrinin bir karışımıdır. Işık azaldıkça eğri giderek N₁₂’ye daha çok benzeyecektir. Yukarıdaki irdeleme olayın “Schrödinger’ın kedisi” paradoksunun başka şekilde ifadesi olduğunu göstermektedir; yani belirsizlik ilkesi.
Bu deneyin açıklamasını fazla karışık bulanlar için, yine Feynman’ın fotonlarla yapılmış çift delik deneyinin daha basit ve zarif başka bir açıklamasını Gedik (2008) den aktarıyorum (Şekil III.3.).

Şekil III.3. Fotonların gagla boylarına göre olasılık yapma yöntemi (Feynman, 1985, in Gedik, 2008). S: foton kaynağı, D: detektör, A,B: delikler.
A ve B deliklerinin boyutları, S kaynağından 100 foton gönderildiğinde, delikten sadece bir foton geçebilecek kadardır. A deliği kapatıldığında B’den, gönderilen 100 fotondan sadece 1 tanesi geçmektedir. Her iki delik açık olduğunda, normal bir mantığa göre, gönderilen 100 fotondan 2 tanesinin geçerek detektörce kaydedilmesi beklenir. Halbuki, A ve B delikleri arasındaki mesafeye bağlı olarak deliklerden geçen foton sayısı 0 ile 4 arasında değişmektedir. Fotonların aşağıdaki gibi bir olasılık hesabı yaparak davrandıkları ortaya çıkmaktadır. Atom altı parçacıklar sürekli titreşim halinde olan ve bu titreşimleriyle doğa ve dünyayı sürekli algılayıp onlarla etkileşim içinde olan canlı özellikli öğelerdir.
Tüm titreşimler Şekil III.3b’de gösterilen sinüs eğrisi şeklinde davranırlar. Yani sıfır değerinde bir başlangıç noktasıyla ölçmeye koyulurlar. Dalga boylarının ¼’ne ulaştıklarında maksimum güçlerini (+1), ½’sine ulaştıklarında yine sıfır değerini, ¾ dalga boyunda minimum (-1) güçlerini, 4/4 dalga boyunda tekrar sıfır başlangıç değerini gösterirler.
Detektöre (D) ulaşmak isteyen fotonun iki seçeneği vardır; ya A ya da B deliği. Foton bu iki seçeneği teker teker değerlendirir. Örneğin SAD yolunu dalga boyuna göre hesaplamaya başlar: 1 dalga boyu, 2 dalga boyu,3, 4…Ve D hedefine ulaştığında dalga boyunun hangi değerde olduğuna bakar. Diyelim (+1) değeriyle son buldu. Aynı işlemi SBD yolu için yapar. Diyelimki minimum (-1) değerini buldu. Foton bu iki değeri toplar: +1-1=0. Sıfırın karesini alır yine sıfır; ve foton kararını verir. Bu durumda hedefe varmanın hiçbir yararı yoktur. S’den gönderilen 100 fotondan hiçbiri deliklerden geçmez, detektöre foton ulaşmaz.

Başka bir ölçüm sonucu şöyle olsun. SAD yolu sonundaki değer (+1), SBD yolu sonundaki değerde (+1) ise +1+1=2, karesi 4. Bu durumda S’den gönderilen 100 fotondan 4 tanesi deliklerden geçerek detektöre varır. Delikler normelde birer foton geçirecek boyutta olmalarına karşın, 2 fotonun geçebileceği deliklerden 4 foton geçer. Olasılık hesaplı işlemlerin ilginç yönü bu noktadır. Normal değer 1 olarak kabul edildiğinde, hesaplama sonucu 1’den büyük değerlerin kareleri artarken, 1’den küçük değerlerin kareleri gittikçe azalır. Doğadaki tüm olaylar ve işlemler de böyle bir olasılık sonucuna göre yapılmaktadır.

Genel olarak, tanecik mekaniği bir gözlem için tek ve kesin bir sonuç öngörmez. Bunun yerine bir takım olası sonuçlar öngörür ve her birinin ne kadar olası olduğunu söyler. Bu kuramın bilime getirdiği belirsizliğe Einstein şiddetle karşı çıkmış, ünlü sözlerinden birini daha haykırmıştır: “Tanrı barbut atmaz”. Ama ne varki doğa böyle davranıyor gibidir. Marki Laplace’ın XIX yüzyıl başında önerdiği deterministik bilim kuramının ölüm çanı çalıyor gözükmektedir.
Sanırım ezberimiz iyice bozuldu, güvenimizi biraz olsun tazeleme zamanı geldi.