Bize Evrenimizi Vermek İçin 26 Temel Sabit Gerekiyor, Ama Hala Her Şeyi Vermiyorlar – Ethan Siegel
Evrenimizi temel düzeyde düşündüğümüzde, içindeki tüm parçacıkları ve bunlar arasında meydana gelen tüm kuvvetleri ve etkileşimleri düşünüyoruz. Bu kuvvetleri, etkileşimleri ve parçacık özelliklerini tanımlayabilirseniz, Evrenimizi veya en azından bizimkinden neredeyse ayırt edilemez bir Evreni bütünüyle yeniden üretmek için ihtiyacınız olan her şeye sahipsiniz.
Çünkü fizik yasalarını biliyorsanız — yerçekimi, kuantum mekaniği, elektromanyetizma, nükleer kuvvetler, vb. — tüm ihtiyacınız olan, size “ne kadar” olduğunu söyleyen ilişkilerdir ve aynı başlangıç koşullarıyla başladığınız sürece, atomlardan galaksi kümelerine kadar aynı yapılara, elektron geçişlerinden yıldız patlamalarına kadar aynı süreçlere, aynı periyodik element tablosuna ve hidrojen gazından proteinlere ve hidrokarbon zincirlerine kadar aynı kimyasal kombinasyonlara, çok sayıda başka benzerliklere sahip bir Evrene sahip olacaksınız.
“Ne kadar” sorusuyla karşılaştığınızda, muhtemelen yerçekimi kuvvetinin evrensel bir yerçekimi sabiti olan G tarafından belirlendiğini ve “bir parçacığın enerjisinin” kalan kütlesi tarafından belirlendiğini düşünürsünüz, örneğin bir elektron kütlesi gibi, me. Işığın hızı c’yi ve kuantum mekaniği için Planck sabiti ħ’yi düşünüyorsunuz. Ancak fizikçiler, Evreni tanımlarken bu sabitleri kullanmaktan hoşlanmazlar, çünkü bu sabitlerin keyfi boyutları ve birimleri vardır.
Ancak metre, kilogram veya saniye gibi bir birimin doğal bir önemi yoktur; aslında Evren söz konusu olduğunda, kendimizi “kütle”, “zaman” veya “mesafe” gibi şeyleri tanımlamaya zorlamak için hiçbir neden yoktur. Evreni tanımlayan doğru boyutsuz sabitleri (içlerinde metre, kilogram, saniye veya başka herhangi bir “boyut” olmadan) verirsek, doğal olarak Evrenimizin kendisinden çıkmamız gerekir. Bu, parçacıkların kütleleri, etkileşimlerinin güçleri, Evrenin hız sınırı ve hatta uzay-zamanın kendisinin temel özellikleri gibi şeyleri içerir!
Görünüşe göre, Evreni olabildiğince basit ve eksiksiz olarak tanımlamak için 26 boyutsuz sabit gerekiyor, bu oldukça küçük bir sayı, ancak istediğimiz kadar küçük olması şart değil. İşte bunlar.
1.) İnce yapı sabiti veya elektromanyetik etkileşimin gücü. Daha aşina olduğumuz bazı fiziksel sabitler açısından, bu, temel yükün (örneğin bir elektronun) karesinin Planck sabitine ve ışık hızına oranıdır. Ama bu sabitleri bir araya getirirseniz, boyutsuz bir sayı elde edersiniz! Şu anda Evrenimizde mevcut olan enerjilerde bu sayı ≈ 1/137.036 olarak çıkıyor, ancak bu etkileşimin gücü etkileşen parçacıkların enerjisi arttıkça artıyor.
2.) Protonları ve nötronları bir arada tutan kuvvetin gücünü tanımlayan güçlü bağlantı sabiti. Güçlü kuvvetin çalışma şekli elektromanyetik kuvvet veya yerçekiminden çok farklı olmasına rağmen, bu etkileşimin gücü yine de tek bir bağlantı sabiti ile parametrelenebilir. Evrenimizin bu sabiti de elektromanyetik olan gibi, gücü enerjiyle değiştirir.
3–17.) Bu biraz hayal kırıklığı yaratıyor. Standart Modelde on beş parçacığımız var: altı kuark, altı lepton, W, Z ve Higgs bozonu, hepsinin bir durgun kütlesi var. Antiparçacıklarının hepsinin aynı durgun kütlelere sahip olduğu doğru olsa da, daha az parametre ile bu kütleleri ortaya çıkaran bir ilişki, model veya daha temel bir teori olacağını umuyorduk. Ne yazık ki, bu kütleleri tanımlamak için on beş sabit gerekiyor, bu parametreleri yerçekimi sabiti G’ye göre ölçeklendirebileceğimiz, yerçekimi kuvvetinin gücünün ayrı bir tanımlayıcısına ihtiyaç duymayan 15 boyutsuz parametreyle sonuçlanabileceğimize dair tek iyi haber.
18–21.) Kuark karıştırma parametreleri. Altı farklı kuark tipimiz var ve hepsi birbiriyle aynı kuantum sayılarına sahip olan üçün iki altkümesi olduğundan, bunlar birlikte karışabilirler. Zayıf nükleer kuvvet, radyoaktif bozunma veya CP ihlali hakkında bir şey duyduysanız, bu dört parametrenin hepsinin ölçülmesi (ve ölçülmesi gerekir) bunları tanımlamak için gereklidir.
22–25.) Nötrino karıştırma parametreleri. Kuark sektörüne (quark sector) benzer şekilde, üç tip nötrino türünün hepsinin aynı kuantum numarasına sahip olduğu göz önüne alındığında, nötrinoların birbirleriyle nasıl karıştığını detaylandıran dört parametre vardır. Güneş nötrino sorunu — Güneş tarafından yayılan nötrinoların Dünya’ya gelmediği yer — 20. yüzyılın en büyük bilmecelerinden biriydi ve sonunda nötrinoların çok küçük ama sıfır olmayan kütlelere sahip olduğunu, birbirine karıştığını ve bir türden diğerine salındığını fark ettiğimizde çözüldü. Kuark karışımı, üç açı ve bir CP’yi ihlal eden karmaşık faz ile tanımlanır ve nötrino karışımı da aynı şekilde tanımlanır. Kuarklar için dört parametrenin tamamı zaten belirlenmiş olsa da, nötrinolar için CP’yi ihlal eden faz henüz ölçülmemiştir.
26.) Kozmolojik sabit. Evrenin genişlemesinin karanlık enerji nedeniyle hızlandığını duymuş olabilirsiniz ve bu, bu ivmenin miktarını tanımlamak için bir parametre daha – kozmolojik bir sabit – gerektirir. Karanlık enerjinin sabit olmaktan daha karmaşık olduğu ortaya çıkabilir, bu durumda daha fazla parametreye de ihtiyacı olabilir ve bu nedenle sayı 26’dan büyük olabilir.
Bana fizik yasalarını ve bu 26 sabiti verirseniz, bunları bir bilgisayara atıp Evrenimi simüle etmesini söyleyebilirim. Ve oldukça dikkat çekici bir şekilde, elde ettiğim şey, en küçük atom altı ölçeklerden en büyük, kozmik ölçeklere kadar, bugün sahip olduğumuz Evrenden hemen hemen ayırt edilemez görünüyor.
Ancak bununla bile, çözmek için ek sabitler gerektirebilecek dört bulmaca var. Bunlar:
- Madde-antimadde asimetrisi sorunu. Gözlemlenebilir Evrenimizin tamamı, antimaddeden değil, ağırlıklı olarak maddeden oluşur, ancak bunun neden böyle olduğunu veya Evrenimizin neden bu kadar maddeye sahip olduğunu tam olarak anlamıyoruz. Bu problem – baryogenesis problemi – teorik fizikteki çözülmemiş büyük problemlerden biridir ve çözümünü tanımlamak için bir (veya daha fazla) yeni temel sabit gerektirebilir.
- Kozmik enflasyon sorunu. Bu, Evren’in Big Bang’den önce gelen evresidir ve gözlemsel olarak doğrulanmış birçok yeni tahminde bulunmuştur, ancak bu açıklamaya dahil edilmemiştir. Büyük olasılıkla, bunun ne olduğunu tam olarak anladığımızda, bu sabitler kümesine ek parametrelerin eklenmesi gerekecektir.
- Karanlık madde sorunu. Neredeyse kesinlikle en az bir (ve belki daha fazla) yeni tür büyük kütleli parçacıktan oluştuğu göz önüne alındığında, daha fazla yeni parametrenin – potansiyel olarak her yeni parçacık türü için birden fazla – eklenmesi gerekeceği mantıklıdır.
- Güçlü CP ihlali sorunu. CP ihlalini zayıf nükleer etkileşimlerde görüyoruz ve nötrino sektöründe bekliyoruz, ancak yasak olmasa da güçlü etkileşimlerde henüz bulamadık. Varsa, daha fazla parametre olmalıdır; değilse, muhtemelen onu kısıtlayan işlemle ilgili ek bir parametre vardır.
Evrenimiz karmaşık, şaşırtıcı bir yer ve yine de birleşik bir teoriye – her şeyin bir teorisine – dair en büyük umutlarımız, ihtiyacımız olan temel sabitlerin sayısını azaltmalıdır. Ancak Evren hakkında ne kadar çok şey öğrenirsek, onu tam olarak tanımlamak için o kadar çok parametre öğreniyoruz. Bugün, bilinenlerin tamamını tanımlamak için nerede olduğumuzu ve neye ihtiyaç duyduğunu anlamak önemli olsa da, yalnızca Evrenin bize vermesi gereken her şeyi vermekle kalmayıp, aynı zamanda mümkün olduğunca basit hale getiren daha eksiksiz bir paradigma aramaya devam etmek de önemlidir.
Şu anda, ne yazık ki, burada ortaya koyduklarımızdan daha basit olan herhangi bir şey, işe yaraması için çok basittir. Sonuçta Evrenimiz umduğumuz kadar zarif olmayabilir.
Çevirmen: Onur Kenan Aydoğdu
Kaynak: Ethan Siegel , It Takes 26 Fundamental Constants To Give Us Our Universe, But They Still Don’t Give Everything , https://www.forbes.com/sites/ethansiegel/2015/08/22/it-takes-26-fundamental-constants-to-give-us-our-universe-but-they-still-dont-give-everything/?sh=24b8fc44b868 , Erişim Tarihi: 31.08.2022