Araştırmacılar yüzyıllar boyunca doğanın tüm temel kuvvetlerini ve bunların tek bir teori içerisinde nasıl etkileşime girdiğini tanımlamaya çalıştılar. Birleşik alan teorisi olarak isimlendirilen bu teori, üzerinde yıllarca çalışan Albert Einstein’ın çabalarını boşa çıkardı.
Fizikte bir alan, yerçekimi veya elektromanyetizma gibi bazı kuvvetlerin etkisi altındaki bir bölge olarak tanımlanır. Bir alan teorisi genel olarak neden fiziksel fenomenlerin oluştuğuna ve bu fenomenlerin doğayla nasıl etkileşime girdiğine atıfta bulunur.
Doğada dört temel kuvvet vardır:
- Elektromanyetik etkileşim: Elektromanyetizma, elektrik yüklü parçacıkları etkileyen etkileşimleri ifade eder. Bu kuvvetin parçacığına foton denir.
- Güçlü etkileşim: Atomun içindeki çekirdekteki nötronları ve protonları bir arada tutan kuvvettir. Bu kuvvetin parçacığı gluondur.
- Zayıf etkileşim: Bu kuvvet bazı radyoaktif bozunmalardan sorumludur ve elektron, kuark ve nötrinolar gibi küçük parçacıklarda etkindir. Bu kuvvet için parçacıklar W ve Z bozonlarıdır.
- Gravitasyonel etkileşim: Gravitasyon, büyük ya da küçük ölçekte, evrenin tümünü etkileyen çekici bir etkileşimdir. Henüz keşfedilmese de, bu kuvvetin parçacığı gravitondur.
Einstein’ın çalışmaları
İskoç fizikçi James Clerk Maxwell 19. yüzyılın ortalarında elektromanyetizma ile ilgili ilk alan teorisini üretti. Daha sonra 1900’lü yılların başında, Einstein, gravitasyonun alan kuramı ile ilgili olan genel görelilik teorisini önerdi.
Einstein, 1920’lerde birleşik bir alan teorisi geliştirmeye çalıştı fakat çalışmalarında ilerleme kaydedemedi çünkü o zamanlar bütün etkileşimler henüz bilinmiyordu. Elektromanyetizma ve gravitasyon iyi bilinirken, atom çalışmaları emekleme aşamasındaydı. Amerikan Fizik Cemiyeti (APS)’nin verilerine göre o sıralar, bilinen atom altı parçacıklardan sadece elektron ve proton biliniyordu.
Einstein (ilk başta Jacob Grommer ile işbirliği yaparak) çalışmalarını uzay zamanı beş boyuta dönüştürmeye çalışan başka bilim adamlarının çalışmalarıyla temellendirdi. Einstein’ın uzay-zaman çalışması dört boyut ve Maxwell’in elektromanyetizma için denklemlerini temsil eden ekstra bir denklem setinden oluşuyordu. Bu konuda çalışan başka bilim insanları Hermann Weyl, Theodor Kaluza ve Oskar Klein idi.
Einstein’ın teoriyle ilgili ilk yazısı 1922’de yayınlandı. Daha sonra APS’ye göre Einstein, uzayın ve zamanın eğriliğini ölçen metrik tensörü birleştiren bir teori ortaya koymaya çalıştı. Einstein, yaşamının son otuz yılında her iki yöntemde de çalışmalarına devam etti fakat bir başarıya ulaşamadı. Einstein, ölümünden bir gün öncesinde bile çalışma notlarıyla ilgilendi.
Yeni yaklaşımlar
Einstein, kuantum teorisini reddederek birleşik alan teorisi çalışmalarını sürdürmüştü fakat günümüzde kuantum teorisine kabul edip kullanan bilim insanları bile birleşik alan teorisini ortaya çıkmakta güçlük çekiyorlar.
Birleşik alan teorisi için birçok yaklaşım göz önüne alınmaktadır, ancak APS’ye göre en umut verici olanı sicim teorisidir. Teori “bütün temel parçacıkları, farklı titreşim modları farklı parçacıklar üretecek şekilde titreşen sicimler olarak tanımlıyor”.
1980’lerde, fizikçiler John Schwarz ve Michael Green liderliğinde sicim teorisinin titreşimleri nedeniyle işe yarayabileceği sonucuna vardı. Nasıl ki bir kemanla farklı notalar çalınması farklı sesler üretir, aynı öyle de, sicimlerin farklı titreşimleri farklı parçacıklar üretir. 1990’ların ortalarında, Edward Witten, artık M-teorisi olarak adlandırılan sicim teorisi ile ilgili daha kesin teorileri önerdi.
Araştırmacılar, Büyük Hadron Çarpıştırıcısı (Large Hadron Collider) gibi parçacık hızlandırıcılarında üretilen atom altı parçacıkları inceleyerek sicim teorisiyle ilgili daha fazla fiziksel özellikler öğrenmeye çalışıyorlar. Diğer çalışmalarıyla yanında LHC deneyleri, süpersimetriyi veya bir başka deyişle her parçacığın bir eş parçacığa sahip olması gerektiğini varsayan matematiksel bir özelliği araştırmaya yoğunlaşmıştır
Fizikçiler, verilerle henüz teyit edilmediği için sicim teorisinin zayıflığına dikkat çekiyor. Sicim teorisi dışında birleşik alan teorisine yönelik, gravitasyonu kuantum matematiği terimleriyle tanımlamaya çalışan kuantum gravitasyon teorisi gibi başka yaklaşımlar da vardır.
Kaynak: Live Science (26 Nisan 2017)
http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu