Boşluktan Gelen Evren

Bu fikir, rahatsız edici ve kafa karıştırıcıdır, hatta uzmanlar için bile böyledir. Ancak uzmanlar bu konuyu üzerlerinden silkip atamazlar. Bunun, yerçekimi, kuantum teorisi ve termodinamik gibi modern fiziğin baskın bazı dallarını karıştırmanın kaçınılmaz bir sonucu olduğu görülüyor. Ayrıca bilim insanları ne anlama geldiğini kabul edemese de hayati önemi var gibi.

Birçok fizikçi, özlemini çektiği her şeyin teorisi için bir ipucu olabileceğini düşünüyor. Diğerleri, kuantum mekaniğinde yanlış bir şey olması gerektiği manasını veriyor. Bazıları daha da ileri giderek, uzay ve zamanın hiçbir şey ifade etmediğini yalnızca bilgiden oluşan nehirlerinden başka bir şey olmadığını iddia ediyor.

Ve bu anlaşılması zor kavram, bilgi, holografik ilkeye yol açtı. Fizikçiler, dünyadan genellikle bilgiye göre söz ederler. Bir madde parçasını tam olarak tanımlamak isterseniz, doğayı oluşturan mikroskopik parçaların hareketlerini belirtmelisiniz derler, bunlar atomlar, fotonlar veya daha ezoterik varlıklar olabilir. Bu çok fazla bilgi demek. Ama ne kadar?

Bu, bir nesnenin kaç tane temel parçasının bulunduğuna bağlıdır – parçaların sayısına bağlı olan bit sayısı. En küçük parçayı tanımlamak ve uzay-zamanın ince yapısını incelemek için atom ölçeğini geçerek zum yapmanız gerekir. Einstein, maddenin, uzay-zaman kumaşını eğip bükebileceğini gösterdi. Ve bu bükülmenin kendini yer çekimi olarak gösterdiğini ortaya koydu. Sonra kuantum mekaniği geldi ve uzay-zaman dahil olmak üzere hareket edebilen her şeyin kendi akortuyla kıpırdayan küçük parçalar halinde ortaya çıkması gerektiğini ortaya attı. Michigan Üniversitesi’nden Finn Larsen, “Kuantum çekim gücünün en önemli özelliklerinden biri, uzay-zamanın bazı kurucu bileşenlerden oluşmuş şekilde düşünülmesi gerektiğidir” diyor.

Parçaların ne olduğunu henüz kimse bilmiyor. Fizikçiler yerçekiminin kuantum tanımının cevabını bulamadan yıllarca aradı. Ancak, birkaç işaretçiye sahipler- biliyorlar ki, uzay-zamanı oluşturan şeylerin, Planck uzunluğu olarak adlandırılan yalnızca yaklaşık 10 ^-35 metre uzunluğundaki küçük parçalardan gelmesi gerekiyor. Böylece, eğer uzay-zamanı her biri Planck uzunluğunda olan küçük kutucuklara bölerseniz, kutu başına kabaca bir bit bilgi beklersiniz.

Ancak bu tanımlama kara delikler tarafından parçalanıyor. Kara delikler her küçük hacim için bir bit bilgi sahibi olmak yerine, her bir yüzey alanı parçası için bir bit bilgiye sahip gibi gözüküyor.

Yeterli miktarda maddeyi veya enerjiyi yeterince küçük bir hacimdeki uzaya koyun, böylece yoğun bir yerçekimi cazibesi olan bir topa dönüştüğünü göreceksiniz – yani bir kara deliğe. Kara deliği oluşturan tüm bilgi yok edildiğinde, kara deliğin özelliksiz olmasını bekleyebilirsiniz. Bilginin ne olduğu farketmez, yıldızlar, filler, ansiklopediler, medeniyetler… Fakat çoğu fizikçi, kara deliklerin bilgi tuttuğuna inanıyor. Çünkü eğer bilgi tutmuyorlarsa, onların varlığı, termodinamiğin ikinci kanunu olan bilimdeki en el üstünde tutulan yasalarından birinin temelini çürütecektir.

Bu yasa, dünyadaki düzensizlik miktarının hiçbir zaman azalamayacağını söylüyor. Bir süpermarkette yığılmış kutuların sergilenmesi her zaman düşme tehlikesi oluşturur, ancak bir kez düştükten sonra hiçbir zaman kendi kendine düzelme tehlikesi içinde değildir. Pozisyonlarının belirlenmesi için piramit halinde istiflenmeleri, zemine yayılmış olmalarına göre daha az dataya mal olur. Bilgi düzensizlikle birlikte büyür.

‘ÜÇ BOYUTTA, İKİ BİSİKLETİN YAN YANA OLDUĞUNA KARAR VERMEK KOLAYDIR. BUNUN AÇIK VE NET GÖREBİLİRSİNİZ. ANCAK ONLARIN BİR HOLOGRAMINI ALDIĞINIZDA BİLGİ ÇOK FAZLA STATİK  OLACAKTIR’

Kara delikler ikinci yasaya uyuyorsa, bilgiyi öylece silemezler. Peki tüm bu bilgiyi nerede saklıyorlar? Karadelikler, yüzey alanlarını hiçbir zaman azaltamayacak başka bir şeye sahipler. Princeton Üniversitesi’nden Jacob Bekenstein ve Cambridge Üniversitesi’nden Stephen Hawking, kara delikteki yüzey alanının ve düzensizliğin orantılı olması gerektiğini düşünüyorlardı. Bilgi koşullarına göre, delikteki Planck alanı başına yaklaşık olarak bir bit bulunur, her bir kare için diğer tarafta 10 ^-35 metre ölçülür.

Ancak bu, her Planck hacmine karşılık çok az bir parçaya denk gelir. Dolayısıyla, bir uzay hacmi bir kara deliğe buruşturulduğunda, görünüşe göre büyük miktarda bilgi varlıktan siliniyor. Hawking’in söylediği şey gerçekten budur. Ancak bu, bilginin her zaman korunduğu bir teori olan kuantum mekaniğinin altını oymak ve düzensizlik ile bilgi arasındaki bağlantıyı terk etmek anlamına geliyor. Çoğu teorisyen, bu gerginliğe ne anlam vereceğinden emin değildi, ve bazılarının yasaların delindiğinden haberi yoktu.

1993’te radikal bir açıklama geldi. Stanford Üniversitesi’nden Leonard Susskind ve Utrecht Üniversitesi’nden Gerard ‘t Hooft bağımsız olarak çalışarak, bilginin, iki boyutlu bir uzayda “yaşar” ise korunabileceğini gördüler, ortak aklın düşündüğü gibi üç boyutlu bir uzayda değil.

Bu fikir kesinlikle kara delikler hakkında bildiklerimizle tutarlı görünmektedir. Ancak eğer doğruysa, Susskind ve ‘t Hooft bunun her şeye uygulanması gerektiğini fark etti, yoksa korkunç bir çelişkiyle karşılaşırsınız. Diyelim ki, bir karadeliğin yüzey alanının tuttuğu bilgiden daha fazlasını, aynı alana sahip bir bölgeye  paketleyebileceğinizi söylüyorsunuz. O zaman bilginin ve kütlenin miktarını arttırarak daha fazla materyal atmaya devam edebilirsiniz. Sonunda bir kara deliğin oluşturduğundan daha fazla kütle olmuş olur. Bilginin azaltılamayacağına inanıyorsanız, çelişki yaşıyorsunuz demektir – yeni kara delik içine giren materyalden daha az bilgiye sahip. Santa Barbara Üniversitesi Teorik Fizik Enstitüsü’nden Raphael Bousso “Yerçekimi çöküşüyle cezalandırılırsınız” diyor.

Pratik sonuç, kara delikteki bilgi sınırının her şey için geçerli olmasıdır. Gerçekten, hiçbir bir hacmin içerisine yüzeye eşdeğer olandan fazla bilgi alamazsınız. Ama bu nasıl olabilir?

Susskind ve Hooft’un önermesine göre, doğa en temel yapı taşları hakkındaki verileri belki de bir hologram gibi saklamıştır. Geleneksel bir hologramda, bir cisimden sıçrayan bir lazer ışını başka bir lazer ışını ile karıştırılır ve oluşan girişim deseni düz bir yüzey üzerine kaydedilir. Kayıt üzerine yeniden ışık tuttuğunuzda gerçeğe yakın üç boyutlu bir görüntünün açığa çıktığını görürsünüz. Eğer doğa böyle çalışıyorsa, o zaman bilgi bir şekilde uzay zamanının herhangi bir bölgesinin sınırında yaşar. Bu sınırın içinde yer alan maddesel şeyler, algıladığımız ve dokunduğumuz nesneler, o hologramın sadece açılıp çıkarılmış, daha üst boyutlu bir tezahürüdür. Bu, holografik ilkedir.

Bu, doğanın son derece özlü olduğu anlamına gelir. Tek bir santimetre küp içine bitlerce bilgiyi sokmak için 1099 Planck kutusu yer alır. Bu küpün yüzeyi sadece 1066 bitlik bir alana sahiptir. Bousso, “Karmaşıklıkta acayip bir azalma var” diyor.

Daha büyük hacimlerde azalma daha da büyüktür. Çünkü, bir obje büyüdükçe hacmi lineer ölçülerinin (en, boy, vb.) kübü şeklinde artar, bununla birlikte yüzölçümü bu ölçülerin sadece karesi oranında artar. Bu yüzden bir filin, vücut hacmi doğrultusunda oluşturduğu ısıyı, vücut hacmiyle orantılı olarak derisi üzerinden kaybetmesi, fareye göre daha azdır.

Dolayısıyla, bir küp uzayı alıp, ne kadar çok bilgi tutabildiğinizi hesaplarsanız ve sonra bu küplerin sekizini bir araya getirirseniz; yeni hacimli alanın orijinal küpün sadece dört katı kadar daha fazla bilgi barındırabildiğini anlarsınız. Daha fazla uzay alanına baktığınızda, bilgi yoğunluğu azaldıkça azalır. Yani, kuantum yerçekimi seviyesinde, gördüğümüz ve dokunduğumuz üç boyutlu nesnelerin içindeki bilgi miktarını hesaplamak için tutarlı bir yol yoktur.

New York Syracuse Üniversitesi’nden Don Marolf, “Bu, fizikçilerin son 150 yıldır oldukça yararlı bulduğu bir kavramı havaya uçuruyor” diyor. Lokalite, uzaydaki noktaların birbirlerinden ayrıldığını ve birbirlerinden bağımsız olduğunu ve bu kuvvetlerin aralarında hareket etmek zorunda kaldığı düşüncesidir. Marolf, “Holografik ilke bunu hiçe sayıyor” diyor.

Ve Stanford’dan Stephen Shenker, doğanın hologram tanımını acıklı bir şekilde garip bulduğunu söylüyor. Bir pencereden dışarı baktığınızı ve bisiklet sürmekte olan bir çift çocuk gördüğünüzü düşünün. Üç boyutta, iki bisikletin ne zaman yan yana olduğuna karar vermek kolaydır, bunu net bir şekilde görebilirsiniz. Ancak çocukların ve konumlarına ait bilginin bir hologramını aldığınızda, bunun zamanla nasıl değiştiği çok fazla statik hale gelir. Susskind, “Hologram sadece gürültülü, rastgele işaretler topluluğudur” diyor. Muhtemelen bu yüzden içinde net olarak ayrılmış nesnelerden oluşan üç boyutlu bir alanı algılıyoruz: Kuantum yerçekiminin ince ölçülerine bakmadığınız sürece bu resmi işlemek oldukça kolaydır.

Yine de, fizikçiler, holografik ilkeyi anlamlandırmayı umuyorlar, çünkü bunun potansiyel kazançları çok büyüktür. Birçoğu için, fikir, şuan burada ve olağan uzayda temel bir teori aramamamız gerektiği fakat daha yabancı bir yerde aramamız gerektiği anlamına geliyor. Belki de en gerçek, en ekonomik teori, konvansiyonel uzay-zaman koşullarında çalışmayan, ancak bir şekilde uzay-zamanın kenarında yaşayan bir teoridir.

Bu durumda, doğayı doğru bir şekilde tanımlamak için, iki boyutlu bir alanda yaşayan ancak olayları uzaysal üç boyutta tekrar üretebilen bir teori bulmamız gerekir: Fizikçiler, bu olasılığa sadece 1998’de ikna oldular. Harvard’da bulunan Juan Maldacena’nın bulduğu holografik olan gerçek bir teoriyle.

Maldacena, kuantum çekim teorisi için önde gelen bir aday olan string teorisi üzerinde çalışıyordu. Bu teori, elektron, kuark ve foton gibi parçacıkların nokta benzeri olmadığını, parçacıkların esasında bir boyutlu nesne dizeleri olduğunu varsaymaktadır.

Maldacena, kara deliklerin stringlerden nasıl oluşabileceğini anlamaya çalışıyordu – string teorisinin gerçekten yerçekimi için işe yarayıp yaramayacağının iyi bir testi. Beş boyutlu, kıvrık tuhaf bir uzayda çalışıyordu, çünkü mümkün gibi görünmese de, beş boyutun matematiği, kendi dört boyutlu uzay zamanımızınkinden daha kolaydır. Buna rağmen, tıpkı diğer string teorisyenlerinde olduğu gibi, matematiksel bir probleme takılıp kaldı.

Ama Maldacena holografik bir çıkış buldu. O, uzay-zamanın dört boyutlu sınırında yüzen kuark benzeri parçacıkların zincirleri tarafından tanımlanabilen, tuhaf bir beş boyutlu uzay-zamana dair bir string teorisini varsaydı. İki kuram arasında kesin fakat acı verici şekilde karmaşık bir denklik vardı. New Jersey Princeton’daki İleri Araştırmalar Enstitüsü’nden Susskind ve Ed Witten, bunun, holografik ilkeye uyacağını gösterdi.

Kuarksal hologramın, teorisyenler için büyük bir erdemi vardır: hesaplaması çok zor olan string teorisi yerine, hologramı açıklayan nispeten basit bir kuantum teorisine sahipsinizdir. Dolayısıyla, beş boyutlu alanda belirli durumlar için ne olduğunu öğrenmek isterseniz, bunu dört boyuta çevirin, hesaplamaları yapın ve tekrar çevirin.

Bousso, “İşte o zaman herkes, ‘Aman Tanrım, işte yapmamız gereken şey bu,’ demeye başladı” diyor. Maldacena’nın sonucu heyecan vericiydi; ancak büyük bir kusur vardı: radyal olarak bizimkinden farklı varsayımsal bir uzay-zaman için bir holografik teori bulmuştu.

String teorisyenleri, şimdi yaşadığımız uzay-zaman ile başa çıkmanın bir yolunu arıyorlar. İlerleme yavaş. Belki de doğru yönde atılan en büyük adım, “Hangi sınırdan bahsediyoruz” sorusunun cevabıdır. Evrenimiz oldukça büyük, büyük ihtimalle sonsuzdur ve bir kozmoloğa sınırı olup olmadığını sorarsanız, kesinlikle hayır diyecektir. O halde bu hologram nerede yaşıyor?

Austin’deki Texas Üniversitesi’nden Susskind ve Willy Fischler’in çalışmaları üzerine çalışan Bousso, evrenimizde görülebilen en büyük uzay-zaman alanının sınırı olması gerektiği sonucuna vardı. Bu bölgenin gerçek boyutu ışığın hızına ve evrende olduğunuz yere bağlıdır – bizim için, yaklaşık 15 milyar ışık yılıdır. Ancak bunun, uzay-zaman parçalarının gerçek doğası hakkında bize ne söylediği hala belli değil.

Ve bütün bu büyük heyecana rağmen, holografi bazı fizikçileri heyecansız bırakıyor. Marsilya ve Pittsburgh Üniversitesi Teorik Fizik Merkezi’nden Carlo Rovelli “Bunu gerçekten anladığımdan emin değilim” diyor. “Farklı biriyle bunu her tartıştığımda, prensibin farklı bir versiyonunu elde ediyorum ve aynı kişiden bile farklı zamanlarda farklı hikayeler duyuyorum“. Marolf, henüz ikna olmamış olmasına rağmen, onu reddetmek için zor zamanlar geçirecek. “Kendi içinde korkunç derecede tutarlı” diye belirtiyor. “Genellikle bir fikir yanlış olduğunda, kendisiyle çelişir ve bunu çok hızlı bir şekilde gösterebilirsiniz.” Belki de, kanıtlama zorunluluğu şu anda holografik ilkeye karşı olanlara düşmektedir, diye ekliyor.

Garip bir şekilde, ‘t Hooft, bu olaylar zincirini harekete geçirmek için yardım ettikten sonra karşıt gibi görünüyor. “Bir prensipten ziyade, hologramı şimdi bir sorun olarak değerlendiriyorum“, diyor. Düşüncesine göre; kuantum mekaniği, olağan kuantum mekaniği kurallarına uymayan daha derin bir ilkeden türetilmişse, holografik açıklamaların önüne geçilebileceğini ve lokalite kavramının kurtarılacağını düşünüyor. Kuantum teorisinin yaptığı gibi olasılıklarla uğraşmak yerine, bu derin mekanizma, kuantum olaylarında gördüğümüz raslantının görünümünü verirken öngörülebilir bir seyir izleyecektir. Böyle bir teori ayrıca, açıklaması için holograma başvurulan “kayıp” bilgiyi de açıklar.

Aynı zamanda Susskind de lokaliteyi kurtarmak için elinden geleni yapıyor, ancak holografiyi tamamen bırakmak istemiyor. O ve Shenker, takım çantasında, doğayı açıklayan daha kullanışlı yollarla birlikte holografi içeren bir teori bulmaya çalışıyorlar. Bu yaklaşımda, uzay-zamanın tam bir hacim oluşturan bileşenleri vardır, ancak bir alan değerindeki değişiklik, hacim içindeki fizik üzerinde herhangi bir etki yaratmaz.

Ontario’daki Waterloo Perimeter Enstitüsü’nden Fotini Markopoulou ve Lee Smolin’e göre, belki de holografik ilke farklı bir kavramsal değişimin yolunu gösteriyor. Kuantum çekim döngüsü olarak adlandırılan kuantum yerçekimi yaklaşımında, uzay süresi, her bir temel parçası üzerinde bir bilgi ve ona bağlı bir alana sahip olan bir matematiksel ağdan oluşturulmuştur. Smolin ve Markopoulou, bir hologramın, olası bilgilerin toplamı üzerinde bir sınır olarak değil de, uzay-zaman içerisinde bir yüzey boyunca geçebilecek bilginin bir sınırı olarak hareket ettiğini öne sürdü. Bu bakış açısında, “şeyler” i gerçekliğin temel özellikleri olarak düşünmeyi bırakmak zorundayız. Gerçeklik, şeyler yerine, bilgi akışı gibi süreçlerden oluşacaktır.

Smolin için, kuantum yerçekimi ile ilgili teorileştirme şeklini değiştirmesi nedeniyle, holografik ilke doğru yolda olmalıdır. “Bunun üzerinde düşünen herkes, 10 yıl öncesindeki bakış açısına göre şok edici bir şey ortaya çıkarmıştır” diyor. “Bu gerçekten önemli olduğu anlamına geliyor.”

J R Minkel 2002

Çeviren : Gültekin METİN
https://www.newscientist.com/article/mg17423404-200-the-hollow-universe/