Dünyamız Dev Bir Kozmik Hologram Olabilir

 

Hanover’in kırsal kesiminde sürüş yaparken, GEO600 deneyini gözden kaçırmak kolaydır. Dışarıdan bakınca pek seçilmiyor: Arazinin köşesinde kutu gibi geçici binalar yer alıyor. Ancak altında 600 metre uzunluğunda bir detektör yatmakta.

Bu Alman yapısı son 7 yıldır, yerçekimi dalgaları – nötron yıldızları ve kara delikler gibi süper yoğun astronomik nesneler tarafından çıkarılan uzay-zaman dalgalarını araştırıyor. GEO600 bugüne kadar herhangi bir yerçekimi dalgası tespit etmedi, ancak yanlışlıkla fizik alanında son yarım asırın en önemli keşfini yapmış olabilir.

GEO600 ekibi üyeleri aylardır, dev dedektörü rahatsız eden açıklanamayan gürültü karşısında ne yapacağını bilemiyordu. Ardından birden bire bir araştırmacı bir açıklama yaparak onlara ulaştı. Hatta, ekibin sesi algıladığını bilmeden daha önce gürültüyü tahmin bile etmişti.

Illinois, Batavia’daki Fermilab parçacık fiziği laboratuvarında fizikçi olan Craig Hogan’a göre, GEO600, uzay-zamanın temel sınırını tesadüfen buldu. Uzay-zaman bu sınırda Einstein’in tarif ettiği gibi düzgün bir süreç gibi davranmaz. Bunun yerine “küçük tanecikler” şeklinde çözülür, tıpkı üzerinde yaklaştığınızda bir gazete fotoğrafının noktalar şeklinde çözülmesi gibi.

Eğer bu sizi şarşırtmadıysa, Fermilab’ın Parçacık Astrofizik Merkezi’nin direktörlüğüne atanan Hogan’ın elinde şok edici daha büyük bir şey var: “GEO600’dan çıkan sonuç şüphelendiğim şey ise, o zaman hepimiz dev bir kozmik hologramda yaşıyoruz.”

Bir hologramda yaşadığımız fikri büyük olasılıkla saçma geliyor, ancak bu, kara delikler hakkındaki en iyi anlayışımızın doğal bir uzantısıdır ve oldukça sağlam teorik temellere  dayanmaktadır. Evrenin en temel düzeyde nasıl çalıştığına dair teorilerle uğraşan fizikçilere de şaşırtıcı bir şekilde yardımcı olmuştur.

Kredi kartları ve banknotlarda yer alan hologramlar iki boyutlu plastik filmler üzerine kazınır. Işık onlardan sekerse, tekrardan 3D bir resim görünümü oluşturur. 1990’lı yıllarda fizikçiler Leonard Susskind ve Nobel ödülü sahibi Gerard ‘t Hooft, aynı prensipin bir bütün olarak evren için geçerli olabileceğini öne sürdü. Günlük deneyimimiz, uzaktaki bir 2D yüzey üzerinde gerçekleşen fiziksel süreçlerin bir holografik projeksiyonu olabilir.

“Holografik ilke” anlayışımıza meydan okuyor. Uyandığınızı, dişlerinizi fırçaladığınızı ve bu makaleyi okuyor olduğunuzu, evrenin sınırında bir şeyler olduğundan dolayı yaptığınıza inanmak zor gibi görünüyor. Gerçekten bir hologramda yaşıyor olsaydık, bunun bizim için ne gibi bir şey olacağını kimse bilmiyor. Ancak teorisyenlerin, holografik ilkenin birçok yönünün doğru olduğuna inanmak için iyi nedenleri var.

Susskind ve Hooft’un dikkat çekici fikri, İsrail’deki Kudüs İbrani Üniversitesi’nden Jacob Bekenstein ve Cambridge Üniversitesi’nden Stephen Hawking’in kara delikler üzerine çığır açan çalışmasıyla motive edildi. Hawking, 1970’lerin ortalarında, kara deliklerin aslında tamamen “siyah” olmadığını, fakat yavaş yavaş radyasyon yaydığını gösterdi; bu da radyasyonun buharlaşmasına ve sonunda kaybolmasına neden oluyor. Hawking radyasyonunun, bir kara deliğin iç kısmı hakkında herhangi bir bilgi vermemesi ortaya bir bulmaca çıkarıyor. Kara delik yok olduğunda, kara deliğin oluşması için çöken yıldızla ilgili tüm bilgiler kayboluyor. Bu da bilginin yok edilemeyeceği konusunda geniş çapta teyit edilen ilkeye aykırıdır ki kara delik bilgisi paradoksu olarak bilinir.

Bekenstein’ın çalışmaları paradoksu çözmede önemli bir ipucu verdi. İçerdiği bilgiyle eşanlamlı olan kara deliğin entropisinin, olay ufkunun yüzey alanı ile orantılı olduğunu keşfetti. Bu, kara deliği örten teorik yüzeydir ve maddenin veya ışığın geri dönemeyeceği noktaya işaret eder. Teorisyenler olay ufkundaki mikroskopik kuantum dalgalanmalarının kara delik içindeki bilgileri kodlayabileceğini gösterdiler, bu nedenle kara delik buharlaşırken hiçbir bir bilgi kaybı olmaz.

Kritik olarak bu, derin bir fizik kavrayışı sağlar: bir öncü yıldız hakkındaki 3D bilgi, sonradan ortaya çıkan bir kara deliğin 2D ufkunda tamamen kodlanabilir – bir nesnenin 3D resminin 2D bir hologramda kodlanmasından farklı değil. Susskind ve Hooft, kâinatın da bir ufkunun olduğu temeline dayanarak, bir bütün olarak evrene olan bakış açısını genişletti.

Dahası, başta Princeton İleri Araştırmalar Enstitüsü’nden Juan Maldacena olmak üzere bir takım string teorisyeninin yapmış olduğu çalışma, fikrin doğru yolda olduğunu onaylamıştır. Maldecena, beş boyutlu ve Pringle (cips) şeklindeki varsayımsal bir evren içindeki fiziğin, dört boyutlu sınırda yer alan fizik ile aynı olduğunu gösterdi.

Hogan’a göre, holografik ilke, uzay-zaman anlayışımızı kökten değiştiriyor. Teorik fizikçiler uzun süredir, kuantum etkilerinin uzay-zaman’ı en küçük ölçeklerde çılgınca sarsacağına inanıyorlar. Bu büyütmede (zoomlamada), uzay-zaman dokusu, grenli – taneli olur ve nihai olarak piksellere benzeyen küçük birimlerden oluştuğu görülür. Ancak bir piksel bir protondan yüz milyar milyar kez daha küçüktür. Bu mesafe Planck uzunluğu olarak bilinir, 10-35 metre – 0,00000000000000000000000000000000001 metre. Planck uzunluğu, akla gelebilecek herhangi bir deneyin ötesinde bir şeydi; bu nedenle, uzay-zamanın parçalılıklarının ayırdedilebileceğini kimse hayal etmedi.

Yani, Hogan, holografik ilkenin her şeyi değiştirdiğini fark edinceye kadar öyleydi. Eğer uzay-zaman taneli bir hologram ise, o zaman evreni, dış yüzeyi Planck uzunluğu büyüklüğünde karelerle kağıda dökülen bir küre olarak düşünebilirsiniz; her biri bir bit bilgi içeriyor. Holografik ilke, dış kısmı saran kağıt miktarı kadar datanın, evrenin iç hacminde bulunan bitlerin sayısıyla eşleşmesi gerektiğini söylüyor.

Evrenin küresel hacmi dış yüzeyinden daha büyük olduğudan, bu nasıl doğru olabilir? Hogan, evrenin içinde, sınırında olan ile aynı sayıda biti elde edebilmek için, içerdeki dünyanın, Planck uzunluğundan daha büyük olan tanelerden oluşması gerektiğini fark etti. “Veya başka bir deyişle, holografik bir evren bulanıktır” diyor Hogan.

Bu, uzay-zaman’ın en küçük birimini araştırmaya çalışan herkes için iyi bir haber. Hogan, “Tüm beklentilerin aksine, bu, mikroskobik kuantum yapısını, mevcut deneylerin ulaşabileceği seviyeye getiriyor” diyor. Planck uzunluğu deneylerde algılanamayacak kadar küçük olsa da, bu taneli yapının holografik “projeksiyonu” 10-16 metre civarında çok daha büyük olabilir. “Eğer bir hologram içinde yaşıyorsanız, bunu bulanıklığı ölçerek söyleyebilirsiniz” diyor.

Hogan bunu ilk kez fark ettiğinde, herhangi bir deneyin uzay-zamanın holografik bulanıklığını saptayıp saptayamayacağını merak etti. İşte GEO600 buradan geliyor.

GEO600 gibi yerçekimi dalgası dedektörleri esas olarak olağanüstü hassas cetvellerdir. Fikre göre, eğer yerçekimi dalgası GEO600’dan geçerse, o zaman uzayı bir yönde uzatır ve başka bir yöne doğru sıkıştırır. GEO600 ekibi bunu ölçmek için, ışın ayırıcı olarak adlandırılan yarı-gümüş renkli bir aynaya tek bir lazer fırlatır. Ayırıcı, ışığı iki ışına böler ve ışınlar aletin 600 metrelik dikey kollarından aşağıya iner ve tekrar geri döner. Geri gelen ışınlar ışın ayırıcısında bir araya gelirler. Ve ışık dalgalarının birbirlerini ortadan kaldırdığı veya birbirini güçlendirdiği bir aydınlık ve karanlık bölge girişim deseni oluşur. Bu bölgelerin pozisyonundaki herhangi bir değişiklik, kolların göreli uzunluklarının değiştiğini bildirir.

Hogan, “Önemli olan, böyle deneylerin, bir protonun çapından çok daha küçük uzunluktaki cetvellerin büyüklüğündeki değişikliklere duyarlı olmasıdır.” diyor.

Öyleyse, taneli yapıdaki uzay-zamanın bir holografik projeksiyonunu algılayabilecekler mi? Hogan, dünyadaki beş yerçekimi dalgası dedektörü içinden Anglo-German GEO600 deneyinin aklındakine en duyarlı olduğu fark etti. Deneyde kullanılan ışın ayırıcısı, uzay-zamanın kuantum konvülsiyonları tarafından bertaraf edilirse, bunun ölçümlerde görüleceğini öngördü (Physical Review D, cilt 77, s 104031). Hogan, “Bu rastgele titreşim, lazer ışığı sinyalinde gürültüye neden olur“, diyor.

Hogan, Haziran 2009’da tahminini GEO600 ekibine gönderdi. “İnanılmaz bir şekilde, deneyin beklenmeyen gürültüyü aldığını keşfettim” diyor Hogan. Almanya’nın Potsdam şehrindeki Max Planck Yerçekimi Fiziği Enstitüsü ve Hanover Üniversitesi’nden GEO600 baş araştırmacısı Karsten Danzmann, 300 ila 1500 hertz frekanslı aşırı gürültünün, ekibi uzun süre rahatsız ettiğini itiraf ediyor. Hogan’a yanıt verdi ve ona gürültünün bir taslağını gönderdi. “Tahminimle tam olarak aynı şekilde görünüyordu,” diyor Hogan. “Sanki ışın ayırıcısının yan taraflara doğru ekstra bir titreşimi varmış gibi görünüyordu.”

Hogan dahil hiç kimse henüz, GEO600’ün bir holografik evrende yaşadığımıza dair kanıt bulduğunu iddia etmiyor. Bunu söylemek için çok erken. “Hala gürültünün sıradan bir kaynağı olabilir” diye itiraf ediyor Hogan.

Yerçekimi dalgası dedektörleri son derece hassastır, bu yüzden onları çalıştıranlar gürültüyü gidermek için çoğundan daha fazla çalışmak zorundadırlar. Akıp giden bulutları, uzaktaki trafiği, sismolojik gürültüleri ve gerçek sinyali maskeleyebilecek pek çok başka kaynağı hesaba katmak zorundalar. Danzmann, “Bu deneylerin hassasiyetini arttıran günlük işler hep aşırı gürültüyü ortaya çıkarıyor” diyor. “Nedenini belirlemek, ondan kurtulmak ve bir sonraki aşırı gürültüyle mücadele etmek için çalışıyoruz.” Şu anda, GEO600’ün deneyimlediği gürültüye kaynak olacak net bir aday bulunmamaktadır. “Bu bakımdan mevcut durumu tatsız görüyorum, ama gerçekten endişe verici bulmuyorum.”

GEO600 ekibi bir süre, Hogan’ın ilgilendiği gürültünün, ışın ayırıcısındaki sıcaklık dalgalanmalarından kaynaklandığını düşünüyordu. Bununla birlikte, ekip, bunun en fazla gürültünün yalnızca üçte birini oluşturabileceğini düşünüyordu.

Danzmann, planlanan bazı iyileştirmelerin, GEO600’ün duyarlılığını geliştirmesi ve aşırı gürültünün olası bazı deneysel kaynaklarını ortadan kaldırması gerektiğini söylüyor. “Bu önlemlerin ardından gürültü olduğu yerde kalırsa, o zaman tekrar düşünmek zorundayız” diyor.

GEO600, uzay-zaman’ın kuantum konvülsiyonlarındaki holografik gürültüyü gerçekten keşfettiyse, bu, yerçekimi dalgası araştırmacıları için iki tarafı keskin bir kılıç sunar. Bir taraftan, gürültü, yer çekimi dalgalarını algılama girişimlerine engel olacaktır. Öte yandan, bu, daha da temel bir keşfi temsil ediyor olabilir.

Böyle bir durum fizikte daha önce görülmemiş olamazdı. Varsayımsal bir radyoaktivite formunu bulmak için inşa edilen dev dedektörler böyle bir şeyi hiç bulamadılar. Bunun yerine, nötrinoların bir türden diğerine geçebileceğini keşfettiler – tartışmalı olarak belki de daha önemlidir, çünkü bize evrenin, antimadde ile değil de madde ile nasıl doldurulduğunu söyleyebilirdi.

Yerçekimi dalgalarının astrofizik kaynakları kadar büyük bir şeyi algılamak için yapılan bir aletin, yanlışlıkla uzay-zamanın ufacık taneciklerini tespit etmesi ironik olurdu. Hogan, “Temel bir fizikçi olarak konuşursam, holografik gürültüyü keşfetmeyi çok daha ilginç buluyorum” diyor.

Ödenecek küçük bedel

Hogan’ın haklı olma gerçeği karşısında, holografik gürültünün GEO600’un yerçekimi dalgalarını algılama yeteneğini bozacağına rağmen, Danzmann iyimser. “GEO600’ün bazı frekans aralığındaki hassasiyetini sınırlamış olsa dahi, bu, uzay-zamanın taneselliğinin ilk tespiti karşılığında ödemekten mutluluk duyacağımız bir bedel olacaktır” diyor. “Bahse girerim mutluluk duyacağız. Bu, uzun süredir en göze çarpan bulgulardan biri olurdu.”

Bununla birlikte Danzmann, Hogan’ın tasarısı konusunda temkinli davranıyor ve daha fazla teorik çalışmanın yapılması gerektiğine inanıyor. “Bu ilginç” diyor. “Fakat henüz bir teori değil, sadece bir fikir.” Diğerleri gibi, Danzmann da kesin iddiaların ortaya atılması için henüz erken olduğunu kabul ediyor. “Bekleyelim ve görelim” diyor. “Heyecanlanmak için en az bir yıl erken olduğunu düşünüyoruz.”

Bulmaca ne kadar uzun sürerse, holografik gürültüyü derinlemesine incelemek için özel bir enstrüman oluşturma motivasyonu o kadar güçlü oluyor. Seattle, Washington Üniversitesi’nden John Cramer de kabul ediyor. “Hogan’ın tahminlerinin GEO600 deneyiyle bağlantılı olması şanslı bir kazaydı” diyor. “Özellikle holografik gürültünün ve ilgili fenomenlerin ölçülmesi ve karakterizasyonu üzerine odaklandıklarında daha iyi deneysel araştırmaların yapılabileceği açıkça görülüyor” dedi.

 Hogan’a göre bir olasılık da, atom interferometresi (girişimölçer) adlı bir cihazı kullanmaktır. Bunlar, lazer tabanlı dedektörler ile aynı prensibi kullanıyor ancak lazer ışığından çok ultra soğuk atomlarından yapılmış ışınları kullanıyorlar. Atomlar ışıktan çok daha küçük dalga boyuna sahip dalgalar gibi davranabildikleri için, atom interferometreleri, yerçekimi dalgası dedektörü muadillerine kıyasla çok daha küçüktür ve dolayısıyla daha ucuzdur.

Peki holografik gürültü bulunursa bu ne anlama gelir? Cramer bunu, 1964’te New Jersey Bell Labs’daki bir anten tarafından beklenmedik bir gürültünün keşfedilmesine benzetiyor. Bu gürültünün kozmik mikrodalga arka planı olduğu ortaya çıktı, büyük patlamanın ardıl ışınımı(afterglow). “Bu keşif, Arno Penzias ve Robert Wilson’a sadece Nobel ödülü kazandırmakla kalmadı, aynı zamanda büyük patlamayı doğruladı ve bütün bir kozmoloji alanını açtı” diyor Cramer.

Hogan daha spesifik. Hogan, “Quantum of Solace’ı unutun, doğrudan zamanın kuantumunu gözlemledik” diyor. “Bu mümkün olan en küçük zaman aralığıdır – Planck uzunluğu bölü ışık hızı.”

Daha da önemlisi, holografik ilkenin teyit edilmesi, kuantum mekaniği ve Einstein’ın yer çekimi teorisini birleştirmeye çalışan araştırmacılara büyük bir yardımcı olacaktır. Günümüzde kuantum çekim gücüne en popüler yaklaşım, araştırmacıların evrendeki olayları en temel düzeyde tarif edebilmelerini umut eden string teorisidir. Ancak sahnedeki tek gösteri bu değil. “Holografik uzay-zaman, string teorisiyle güçlü bir bağ içinde olan yer çekiminin nicelendirilmesi için bazı yaklaşımlarda kullanılır” diyor Cramer. “Sonuç olarak, bazı kuantum çekim teorileri yanlış olabilir ve bazıları kuvvetlendirilebilir.

Hogan, eğer holografik ilke onaylanırsa, kuantum yer çekimine yapılan tüm yaklaşımlar arasından holografik ilkeyi içermeyenleri ortadan kaldıracağı konusunda hem fikir. Tersine, bunu yapanlar için itici bir güç olacaktır – bazıları sicim teorisinden ve matris teorisi denilen şeyden türetilenler de buna dahil. “Sonuçta, uzay-zamanın kuantum teorisinden nasıl açığa çıktığına dair ilk bulguya sahip olabiliriz.” Kazara yapılan keşifler ilerledikçe, bundan daha fazla çığır açacak olanları elde etmek zor.

Marcus Chown – 14 Ocak 2009

Çeviri : Gültekin METİN
https://www.newscientist.com/article/mg20126911-300-our-world-may-be-a-giant-hologram/

Check Also

Özgür İrademiz Bir İlüzyon