Evren'deki temel fizik yasaların nasıl çalıştığı ve neye göre belirlendiği, bugüne kadar hem bilim insanlarını, hem de filozofları en çok uğraştıran sorulardan birisi olmuştur. Çoğu zaman çok temel bazı fizik sabitlerinin (ışık hızı veya kozmolojik sabit gibi), "değişmez sabitler" olduğu varsayılmıştır. Benzer şekilde fizik yasalarının Evren'in her köşesinde, her zaman aynı ve değişmez olduğu düşünülmüştür. Bu varsayım ve düşünceler pek de isabetsiz sayılmaz; çünkü gerçekten de Evren içerisindeki bazı özellikler, hiç değişmiyor ve sabit gibi gözükmektedir. En azından gözlemleyebildiğimiz kadarıyla... Ancak bu sabite benzer değerler bazı insanları öylesine etkilemiştir ki, konuyu bilimin sahası dışına çıkararak, "Hassas Ayar" denen bir argümanın doğmasına neden olmuşlardır. Bu argümana göre, "Evren o kadar hassas bir şekilde ayarlanmıştır ki, bu ayarların değişmesi sonucunda Evren'in bildiğimiz haliyle var olması veya canlılık gibi karmaşık yapılı sistemleri inşa edip barındırabilecek bir Evren'in var olması imkansızdır".
Şu ana kadar bu argümanı destekleyen de, karşı çıkan da birçok bilim insanı ve veri olmuştur. Bu konuda halen net bir sonuca varılamamıştır. Şimdiye kadarki bulgular, bu sabitlerin zaman içerisinde bir miktar değişebildiğini göstermektedir; dolayısıyla mutlak sabitler değildirler. Örneğin Evren'imizin en temel sabitlerinden biri olan ışık hızının teorik olarak sabit olmayabileceği, evrimagaci.org/fotograf/111/5921" target="_blank">daha önceki araştırmalarla gösterilmişti. Benzer şekilde, "hassas yapı sabiti" olarak bilinen alfa (α) sabitinin istatistiki olarak fazlasıyla anlamlı miktarda değişebildiği de gösterilmişti. Birçok araştırmacı da, bu sabitlerin olası değişkenliğinin Çoklu Evrenler ile ilişkisi de, bazı önemli araştırma makalelerinde tartışılmıştı. Tabii bunların pratik olarak da ispatlanması ve tekrar tekrar deneylerle doğrulanması gerekiyor. Fakat Evren'deki sabitlerin aslında sanıldığı kadar "sabit" olmadığı düşüncesi, gerçekten heyecan verici sonuçlara gebedir. Çünkü eğer ki bu "sabitler" aslında değişkense, fizik yasaları Evren'in her noktasında ve her anında aynı olmayabilir! Dahası, başka evrenlerin var olma ihtimalinin önü, bugüne kadar olandan çok daha fazla açılmış olacaktır. Bu tür bir değişimin kesin olarak tespit edilmesi, bir grup fizikçinin günümüzde en büyük hayallerinden birisidir. Zira böyle bir keşif, tartışmasız olarak hem bilimin, hem felsefenin gidişatını kökünden değiştirecektir; hem de yine tartışmasız olarak Nobel Ödülü'nü getirecektir.
Gerçekten son birkaç on yıldır yapılan araştırma sonuçları, bu sabitlerin en azından belli sınırlar çerçevesinde değişebileceğini düşündürmektedir. Örneğin Çoklu Evrenler Teorisi gibi teorilerin halen yeterince güçlü olması (ve evrimagaci.org/fotograf/112/6757" target="_blank">buradaki, buradaki, ve buradaki gibi yeni bulgularla daha da güç kazanması), bu olasılığı doğrudan etkilemektedir. Dahası, yeni yapılan çalışmalar hem bu sabitlerin kusursuz ve değişmez sabitler olmadığını göstermektedir, hem de bu sabitlerin değişken olmasından ötürü Evren'de her noktada ve her an yasaların birebir aynı olmadığı ihtimali doğmaktadır. Burada bahsedeceğimiz Physical Review Letters dergisinde 17 Kasım 2014'te yayımlanmış makalede yapılan çalışma, tek iyonlu saatler kullanarak "proton-elektron kütle oranı sabiti" ve "hassas yapı sabiti" gibi "değişmez" olduğu düşünülen sabitlerin zamanla ne kadar değiştiğini ve bu değişimin hangi sınırlarda olabildiğini anlamamıza yardım edebileceğini göstermektedir. Ne yazık ki konu son derece tekniktir ve anlaşılması güçtür; bu nedenle fiziği çok sevmeyen okurlarımız için zor bir anlatım olabilir. Elimizden geldiğince yumuşatmaya çalıştık; fakat ne kadar başarılı olduk bilmek zor. İyi okumalar:
Kütleçekimi ile diğer 3 temel kuvveti (elektromanyetik, zayıf nükleer, güçlü nükleer kuvvetler) birleşitrmeyi hedefleyen teoriler belli temel sabitlerin genişleyen Evren modeli çerçevesinde zamanla değişebileceğini tahmin etmektedir. Bu olasılığa yönelik destekleyici veriler karmaşıktır: Yıldızlararası maddenin emilim spektrumları bu hassas yapı sabiti (α=e2/ħc) ve proton-elektron kütle oranı (μ=mp/me) gibi sabitlerin hem değişebileceğini, hem de değişemeyeceğini düşündüren sonuçlar vermektedir. Ancak 2001 yılında uzak kuasarlar üzerinde yapılan kapsamlı bir çalışma, daha önceki gözlemlerle verilerini birleştirerek α sabitinin, gözlemcinin uzaya baktığı yere göre 4.2 standart sapma değerine kadar değişebildiğini göstermiştir.
Temel sabitlerin zaman ve mekana göre değişebilecek olduğuna yönelik kanıtlar, Evren'in her yerinde ve her anında fizik yasalarının aynı olmayacağı ve değişebileceği anlamına gelmektedir. Bu da, birçok farklı deneysel yaklaşımla test edilmesi gereken inanılmaz bir olasılıktır.
Kasım 2014 ayında yayımlanan bir makalede, iki bağımsız araştırma grubu (Birleşik Krallık Ulusal Fizik Laboratuvarı'ndan Patrick Gill'in ekibi ve Almanya'daki Physikalisch-Technische Bundesanstalt'tan Ekkehard Peik'in ekibi), tek bir Ytterbiyum (171Yb+) iyonuna bağlı çalışan yüksek hassaslıktaki atomik saatleri kullanarak, hassas yapı sabiti ve proton-elektron kütle oranı sabitlerinin zamana bağlı değişimlerine yeni sınırlar getirdiler. Bu araştırmacılar, bu sabitlerin değişim miktarını tam olarak belirleyememiş olsalar da, eğer ki değişiyorlarsa hangi aralıkta değişiyor olabileceklerini netleştirmişlerdir. Bilimde, bu şekilde gösterilmek istenen sonucu tam olarak göstermese de, o konuyla ilgili bilgiler edinmemizi sağlayan araştırma sonuçlarına "boş sonuç" (null result) adı veriliyor.
Bu sınırlar, bu sabitlerin hangi aralıklarda değişebileceğini daha net bir şekilde belirlememizi sağlıyor. Bu çalışmaları, aynı zamanda bu iyonun optik frekans standardını belirlemedeki ilk temel araştırma oldu. Bu sayede, şu anda kullanılan sezyum frekans standardının değiştirilmesi mümkün olacak.
Tüm atomik geçiş çizgilerinin frekansları hassas yapı sabitinin fonksiyonel bir formuna bağlıdır. Örneğin, göreli düzeltmeler, Z2α2 ile orantılı olarak yapılır ve burada Z, bir atomun çekirdek yüküdür. Proton-elektron kütle oranı ise bazı atomların aşırı hassas (hiper-hassas) durumlarındaki spesifik geçişlerde karşımıza çıkar. Bu geçişler, genellikle mikrodalga ışıma skalasında yer alır ve elektronun (μB) ve atom çekirdeğinin (μN) manyetik momentlerine bağlıdır. Bu momentler de doğrudan elektron-proton kütle oranı (μ) ile ilişkilidir. Bu oran, iki optik geçişin oranına herhangi bir katkı sağlamadığı için, farklı optik geçişleri kıyaslayarak α sabitindeki değişimleri (varyasyonları) en net şekilde ölçebiliriz. Dahası, bu kıyaslamalar şu anda kullanılan sezyum standardına başvurmamızı gerektirmez. Bu standart, 10-16 düzeyinde bir göreli belirsizliğe sahiptir. Bu oran ise, bundan çok daha küçük bir belirsizliğe sahiptir, bu nedenle daha isabetli sonuçlar verir. Aslında günlük yaşantımızda kullandığımız birçok aygıttaki ortalama hata payı ve belirsizlik değerleri, bundan trilyonlarca kat fazladır; buna rağmen sorunsuz bir şekilde çalışırlar. Ancak söz konusu, Büyük Patlama'dan bu yana Evren'in yapısını belirleyen sabitler ve bunların kısa ömürlerimiz içerisinde gözlenebilir değişimlerini tespit etmekse, çok çok daha hassas hesaplama ve ölçümlere ihtiyacımız vardır. O nedenle 10 katrilyonda 1 hata payı (10-16) bile, sonuçları etkileyebilecek kadar büyüktür. İşte optik bir geçişe göre mikrodalga geçişi kıyaslayarak hesaplayacağımız μ sabitinin değişimi, neredeyse her zaman α değişimi (varyasyonu) ile bütünleşik olacaktır.
Astrofiziksel gözlemler α ve μ sabitlerindeki sapmaları belirlemek için 3 milyar ila 10 milyar ışık yılı uzaktan gelen ışığın spektrumuna bakmaktadır ve bugünkü laboratuvar ölçümleriyle kıyaslamaktadır. Buna karşılık, bir atomik saat ölçümünde α ve μ sabitlerindeki sapmalar iki atomik geçiş çizgisi frekansındaki sapmalar olarak kendini gösterir. Bu geçişler tek bir atomda veya birden fazla atomda olabilir. Bunların zaman içerisindeki değişimleri birbiriyle kıyaslanabilir. Bugüne kadar, α sabitindeki değişimlere yönelik en isabetli laboratuvar verileri NIST deneylerinden gelmiştir. Bu deneylerde Al+ (Alüminyum) ve Hg+ (Civa) iyonlarının optik frekans oranları hesaplanmıştır. Bu deneylere göre, α sabiti her yıl -1.6±2.3×10-17 miktarında değişmektedir.
171Yb+ ise temel sabitleri test etmek konusunda eşsiz bir adaydır çünkü 2 tane sabit geçiş çizgisine sahiptir ve bunlar tek bir iyondan ölçülerek birbiriyle kıyaslanabilir. Bu da, bazı sistemsel (hesaplamalara ve gözlemlere dayalı) hataların engellenmesini sağlar. 171Yb+ geçişlerinden birisi E3 olarak anılır ve en temel seviyeden (yörüngeden, durumdan) 467 nanometre yukarıda (ilk uyarılmış yörünge yönünde) bulunan bir elektrik-oktupol geçişidir (2S1/2 - 2F7/2 geçişi olarak bilinir). E2 olarak bilinen diğeri ise, yine en temel yörüngeden bu defa ikinci yörüngeye uyarılma ile gerçekleşen bir elektro-oktupol geçişidir (2S1/2 - 2D3/2 geçişi olarak bilinir). E3 geçişi, frekans standardı olarak belirlemek için özellikle kullanışlıdır, çünkü kuantum mekaniksel seçilim kuralları, 2F7/2 durumundan temel duruma (yörüngeye) geçişi sağlayan diğer tüm daha hızlı geçişleri yasaklamaktadır. Uyarılmış bir durum yıllarca bu şekilde kalabilir ve bu nedenle geçişin çok yüksek hassaslıkla ölçülebileceği kadar dar bir geçiş çizgisi aralığına sahiptir.
Teorik hesaplamalar belirli bir geçiş frekansının α sabitine nasıl bağlı olduğunu tahmin edebilmektedir. Belirli bir geçiş α sabitine ne kadar bağlıysa, geçiş frekansını o kadar hassas ölçerek α sabitine o kadar net sınırlar koyabiliriz. Hassas yapı sabitindeki değişimleri hassas olarak ölçmek için Yb+ iyonunun 2 avantajı vardır: İlki, çekirdek yükünün büyük olmasıdır (Z=70). Bu sayede α sabitine bağlı göreli etkileri o kadar şiddetlenmektedir. İkincisi, E2 ve E3 geçişlerinin frekansının, belli bir α değeri için birbirine zıt yöne doğru kayması gerekir. Bu da toplam kayma etkisini güçlendirmektedir.
Hem NPL, hem PTB araştırmacıları, Yb+ iyonunun E2 ve E3 frekanslarının ölçümündeki sistematik belirsizlikleri (deneysel hatalardan gelen belirsizlikler) en küçük olacak şekilde belirlemek için deneyler yapmışlardır. Gerçekten de iki ekip de, E3 standartlarına göre ciddi miktarda yüksek bir hassaslığa ulaşabilmişlerdir. NPL araştırmacıları E3 geçişinin frekansının 642 121 496 772 644.91 olduğunu ve bundaki belirsizliğin 6×10-16 olduğunu ilan etmişlerdir. PTB araştırmacıları frekansı 642 121 496 772 645.36 olarak, belirsizliği ise biraz daha az olacak şekilde, 3.9×10-16 olarak ilan etmişlerdir. E3 geçişinin Yb+ iyonu kullanılarak yapılan bu ölçümlerini, sezyum kullanılarak yapılan ölçümlere kıyaslayarak α ve μ sabitlerinin zamana bağlı değişiminin sınırlarını belirlemeyi başarmışlardır.
NPL araştırmacıları α sabitinin değişiminin yılda −0.7±2.1×10-17, μ sabitinin değişiminin yılda −0.20±20×10-16 olduğunu; PTB araştırmacıları ise α sabitinin değişiminin yılda -0.2±1.1×10-16, μ sabitinin değişiminin yılda −0.5±1.6×10-16 olduğunu ilan etmişlerdir. Spesifik olarak, μ sabitindeki zamansal değişimleri üzerine önceden tahmin edilene göre 2-3 kat daha fazla geliştirilmiş sınırlar koyabilmişlerdir. Daha önceki sınır değişimleri, rubidyum mikrodalga saati kullanarak belirlenmişti. Bu sınırlar zamana bağlı değişen α "sabitinin" astrofiziksel hesaplamalarından 10 kat daha sıkı sınırlardır ve yılda 0.21×10-16 değerinden daha az bir değişim olduğunu göstermektedir.
NPL grubu bu temel sabitler üzerine yeni sınırlar koymakla kalmamış, aynı zamanda bu aynı Yb+ iyonunda E2-E3 optik geçişi frekans oranını da tespit etmişlerdir. Bu, tek bir iyon üzerinde bugüne kadar yapılan ilk kıyaslamadır. Bu kıyaslamanın bir şeması ana görselde verilmiştir. İki saat geçişi eş zamanlı olarak ölçülmüştür; böylece iki geçişten de kaynaklanan sistematik hatalar azaltılmıştır. Araştırmacılar bir lazeri E3 geçişine, bir diğerini E2 geçişine sabitlemişlerdir ve optik frekans peteğini kullanarak her bir lazerin aşırı yüksek hassaslıkla frekansını okumuşlardır. Gelecekte, E3/E2 optik frekans oranına yönelik tekrar eden deneyler, sezyum standardından gelen diğer belirsizlikleri de ortadan kaldırabilir. Bu da, temel fiziğe yönelik deneyleri kökünden değiştirebilir. Bu sayede teleskop ağlarını senkronize etmek için kullanılan çok yüksek temel çizgili interferometre çalışmaları gelişebilir ve jeodezi, hidroloji, derin uzay problarının takibi ve diğer araştırmalar için yeni yöntemler geliştirilebilir.
Temel sabitlerin zaman içerisinde değişebileceğini gösteren bir ölçüm, yeni bir fiziğin doğumunun açık bir imzası olurdu. Ki bu, heyecan verici bir olasılıktır. Ancak NPL ve PTB araştırmacıları tarafından sunulan "temel/boş sonuç" da, büyük öneme sahiptir: ölçüm araçlarımızın uzay veya zamana bağlı olmadığı konusunda bize güven vermektedir. En azından günümüzde yapılan deneyler düşünülecek olursa... Dahası, yeni birim sistemleri, temel sabitler üzerine kurulu olacaktır. Bu nedenle bu sabitlerin ne olduğunu ve ne kadar değiştiğini hassas olarak bilmek önemlidir.
Orijinal Kaynak: Bu yazı, Amerikan Fizik Cemiyeti'nin şuradaki haberinden büyük oranda çevrilmiştir. Her ne kadar yumuşatması imkansıza yakın olsa da, bazı noktalarda anlamayı kolaylaştırıcı bilgiler dahil edilmiştir.
Kaynaklar ve İleri Okuma:
- J.-P. Uzan, “Varying Constants, Gravitation and Cosmology,” Living Rev. Relativity 14, (2011).
- J. K. Webb, J. A. King, M. T. Murphy, V. V. Flambaum, R. F. Carswell, and M. B. Bainbridge, “Indications of a Spatial Variation of the Fine Structure Constant,” Phys. Rev. Lett. 107, 191101 (2011).
- J. Bagdonaite, P. Jansen, C. Henkel, H. L. Bethlem, K. M. Menten, and W. Ubachs, “A Stringent Limit on a Drifting Proton-to-Electron Mass Ratio from Alcohol in the Early Universe,” Science 339, 46 (2012).
- N. Huntemann, B. Lipphardt, Chr. Tamm, V. Gerginov, S. Weyers, and E. Peik, “Improved Limit on a Temporal Variation of mp/me from Comparisons of Yb+ and Cs Atomic Clocks,” Phys. Rev. Lett. 113, 210802 (2014).
- R. M. Godun, P. B. R. Nisbet-Jones, J. M. Jones, S. A. King, L. A. M. Johnson, H. S. Margolis, K. Szymaniec, S. N. Lea, K. Bongs, and P. Gill, “Frequency Ratio of Two Optical Clock Transitions in Yb+171 and Constraints on the Time Variation of Fundamental Constants,” Phys. Rev. Lett. 113, 210801 (2014).
- T. Rosenband et al., “Frequency Ratio of Al+ and Hg+ Single-Ion Optical Clocks; Metrology at the 17th Decimal Place,” Science 319, 1808 (2008).
- J. Guéna, M. Abgrall, D. Rovera, P. Rosenbusch, M. E. Tobar, Ph. Laurent, A. Clairon, and S. Bize, “Improved Tests of Local Position Invariance Using Rb87 and Cs133 Fountains,” Phys. Rev. Lett. 109, 080801 (2012).
- N. Hinkley, J. A. Sherman, N. B. Phillips, M. Schioppo, N. D. Lemke, K. Beloy, M. Pizzocaro, C. W. Oates, and A. D. Ludlow, “An Atomic Clock with 10-18 Instability,” Science 341, 1215 (2013).
- BIPM