Her Şeyin Teorisi

HER ŞEYİN TEORİSİ

AKLAYAKIN SERİSİNİN DİĞER KİTAPLARI Politika - David Runciman Antik Dünya - Jerry Toner

Her Şeyin Teorisi FRANK CLOSE

Çeviren: Barış Emre Alkım

AKLAYAKIN SERİSİ 2 HER ŞEYİN TEORİSİ FRANK CLOSE Özgün ismi: Theories of Everything © 2017 Frank Close Kitabın Türkçe yayın hakları AnatoliaLit Telif Ajansı aracılığıyla Profile Books Ltd.’den alınmıştır.

Türkçe yayın hakları: © 2019 Bkz Yayıncılık Ticaret ve Sanayi Ltd. Şti.

Sertifika No: 12746 Domingo, Bkz Yayıncılık markasıdır. Çeviri: Barış Emre Alkım Editör: Algan Sezgintüredi Kapak tasarımı: Yasin Çetin Özgün tasarım: Jade Design Sayfa uyarlama: Bahadır Erşık ISBN: 978 605 198 075 1 Baskı: Şubat 2019 Optimum Basım Tevfikbey Mah. Dr. Ali Demir Cad. No: 51/1 34295 Küçükçekmece İstanbul Tel: 0212 463 71 25 Sertifika No: 41707 Tüm hakları saklıdır. Bu kitabın tümünün veya içeriğinin herhangi bir bölümünün yayıncının yazılı izni olmadan, fotokopi yöntemi dahil, elektronik ya da mekanik herhangi bir yolla çoğaltılması yasaktır.

Bkz Yayıncılık Ticaret ve Sanayi Ltd. Şti. Şahkulu Mah. Büyük Hendek Cad. Brot Apt. No: 4/10 Beyoğlu İstanbul Tel: (212) 245 08 39 e-posta: domingo@domingo.com.tr www.domingo.com.tr

İçindekiler

1 LORD KELVIN’IN KIBRI

1

2 HER ŞEYIN TEORİSİ NEDIR VE “HER ŞEY” NEYI KAPSAR?

5

3 NEWTON’IN CANSIZ KAPLUMBAĞALAR TEORİSİ 11 4 KÜÇÜK ŞEYLERIN KUANTUM TEORİLERİ

47

5 AĞIRLIKLI MESELELER

79

6 KUANTUM KÜTLEÇEKIMIN BULUTLARI

105

7 GELECEĞE DÖNÜŞ

135

Notlar ve referanslar Meraklısı İçin Teşekkür Dizin

144 147 153 155

1 Lord Kelvin’in Kibri Stephen Hawking 1980’de kuramsal fiziğin sonunun ufukta göründüğü ve bir “Her Şeyin Teorisi”nin eli kulağında olabileceği tahmininde bulunmuştu. Acaba farkında olmadan, 1894’te “Altta yatan büyük ilkeler sarsılmaz biçimde belirlenmiştir. Fiziğin bundan sonraki gerçeklerini virgülden sonraki altıncı basamakta aramak gerekir,”1 diyen Amerikalı bilim insanı Albert Michelson’ın ya da 1900’de, “Fizikte artık keşfedilecek şey kalmadı. Geriye kalan, gitgide hassaslaşan ölçümlerden ibarettir,”2 diyen Lord Kelvin’in iddialarını mı tekrarlıyordu? Muhtemelen, hayır.

Mevcut ufuklarımızın ötesinde nelerin olduğunu sadece doğa biliyor ve hayal gücümüzün sınırlarını yüzümüze vurup duruyor. Lord Kelvin’in yorumunun üstünden daha birkaç yıl geçmişti ki atom çekirdeğinin keşfedilmesi ve kuantum mekaniği ile göreliliğin yükselişe geçmesi, bu on dokuzuncu yüzyıl biliminin devlerinin coşkunluğunu görünürde naif kıldı. Oysa gerçek çok daha nüanslı ve dolayısıyla çıkarılacak sonuçlar çok daha farklı. Lord Kelvin’in sözleri (kesinlikle) ve Albert Michelson’ın dedikleri (bir dereceye kadar) cımbızlanıp bağlam dışına çıkarılmış ve çoğu zaman yanlış alıntılanmıştır. Bu bilim insanlarının sözleri, dikkatle yorumlandığında, her şeyin teorisini arayanlar için aslında daha derin bir mesaj içeriyor.

1

HER ŞEYİN teorisi

Michelson’ın sözlerine esin veren, Lord Kelvin’in fiziğin ana görevinin bilinen nicelikleri büyük hassaslıkla ölçmek olduğuna dair duyduğu sarsılmaz ve güçlü inançtı. Lord Kelvin hem Maxwell’in elektromanyetik radyasyon teorisinden hem de kendisinin baş mimarı olduğu, ısının mekanik temelli bir tanımı olan termodinamikten çok etkilenmişti. Altta yatan temel ilkeler halihazırda elimizde göründüğünden, enerji kavramının parçacıkların hareketi üzerinden anlaşılmasının mümkün olabileceğini düşünmüştü.

Kelvin, 27 Nisan 1900 Cuma günü Londra’daki Kraliyet Enstitüsü’nde, daha önce Michael Faraday’in yeni fiziğin dayanağını oluşturacak elektrik ve manyetizma alanlarında keşifler yaptığı mekânda, vizyonunu dile getirdi. Işık, ısı ve mekaniğin sentezinin, fiziğin sonunun yakın olduğu anlamına geldiği yönünde eleştirel olmayan bir iddiada bulunmak yerine, söze şöyle girdi: “Isının ve ışığın hareket modları olduğunu öne süren dinamik kuramın güzelliğine, berraklığına şu anda iki bulut gölge düşürmektedir.”3 Bu söylevi daha sonraları “iki bulut” konuşması olarak ünlenecekti.

Küstahça fiziğin sonunu ilan ettiğine dair efsanelerin aksine, aslında Lord Kelvin’in yaptığı, iki önemli muammaya dikkat çekmekti. Yanıldığı bir şey varsa o da “iki bulutun” normalde masmavi ve tertemiz olan gökyüzündeki küçük birer lekeden ibaret olduğu umuduydu. Oysa onlar, gerçekte fırtına habercileriydi. Ortadan kaldırılmaları, yirminci yüzyıl fiziğinin iki büyük sütununun inşa edilmesini gerektirecekti: Einstein’ın görelilik teorisi ve kuantum teorisi.

2

LORD KELVIN’İN KİBRİ

Kısacası, Lord Kelvin ayrıntılarda hatalıydı, orası kesin ama yine de on dokuzuncu yüzyıl fiziğinin kısıtlılığının farkındaydı. Sahiden de geçmişe dönüp baktığımızda, Lord Kelvin bu yorumları yaptığında yirminci yüzyıl fiziğinin gerçekleşmek üzere olan devrimlerinin ipuçlarının zaten güpegündüz ortada olduklarını görüyoruz. Fiziğin sonunun bir kez daha ufukta göründüğüne ilişkin çağdaş iddiaları değerlendirirken bu noktayı aklımızdan çıkarmamakta fayda var.

3

2 Her Şeyin Teorisi Nedir ve “Her Şey” Neyi Kapsar?

Her şeyin teorilerini kabaca, mevcut bilginin tüm ilgili dallarından (fizik, gökbilim, matematik vs.) yararlanan ve şu anda bilinen evrenle ilgili her şeyi açıklamayı amaçlayan teoriler olarak tanımlayabiliriz. Buradan da kolayca anlaşılacağı gibi, “her şeyin teorisi”, hareketli bir hedeftir. Bilinen evrenin kapsamlı bir açıklaması, geçerliliğini onlarca hatta yüzlerce yıl koruyabilir. Bu zaman zarfında sayısız bilimsel ve teknolojik gelişmeye temel oluşturabilir. Derken, belki bu ilerlemelerin doğrudan ya da dolaylı bir sonucu olarak, bilinen “her şeye” eklenen ve kabul görmüş teori tarafından tutarlı biçimde açıklanamayan yeni bir keşif yapılır. O zaman yeni “her şeyin” yeni bir teorisine ihtiyaç duyarız.

Döngü böyle sürer gider.

Lord Kelvin’in iki bulutu, hem uzay ve zamana hem de maddenin mikroskobik yapısına ilişkin anlayışımızdaki yaklaşım değişiminin habercileriydi. Nükleer fiziğin ve kuantum fiziğinin ne derece zengin ve geniş kapsamlı olduğunu, Albert Einstein’ın görelilik teorisinin Isaac Newton’ın mekanik ve kütleçekim üzerine yaptığı muhteşem çalışmaları içine aldığını düşündüğümüzde, on dokuzuncu yüzyıl biliminin bu konulara nasıl bunca kör kaldığına şaşırmamak elde değildir. Isaac Newton, James Clerk Maxwell ve

5

HER ŞEYİN teorisi

Lord Kelvin o zaman bilinen her şeyin teorilerini yaratırken, bilgeliğin bu denli temel sütunlarının nasıl bu kadar zaman gizli kalabildiğinin açıklaması, evrenimizin derin nitelikleriyle ve muhtemelen evrenin kurallarını başarıyla deşifre etme becerimizle ilişkilidir.

Her şeyin teorisi (ya da bazen kısaltıldığı biçimiyle HŞK) doğayı, tüm uzunlukları, zamanları ve enerjileri kullanarak tanımlamak zorundadır. Oysa bu uçsuz bucaksız alanlardaki deneyimimiz, yüzlerce yıl boyunca arttıysa da hâlâ çok kısıtlıdır. Pratikte, doğa bu yelpazede homojen değildir, bu sayede bir alandaki cehaletimiz diğerlerindeki ilerlemeyi engellemeksizin olgu alt kümeleriyle ilgili teoriler geliştirebiliriz.

Anlayışımızı gerçek anlamda her şeyin bir teorisi olmaksızın bugüne kadar ilerletebilmiş olmamız, doğal olguların birbirinden ayrı rejimler halinde gruplanabilmesinin bir sonucudur. Bunlar bir araya gelince benim “kozmik soğan” diye adlandırdığım şeyi oluşturuyor: Bileşenlerin katmanları, neredeyse birbirine bağlı, ancak katmanların içerikleri, mükemmele yakın derecede, birbirlerinden bağımsız. “Bir katmandaki her şeyin” teorisi başarılı olur çünkü doğa, diğer katmanların tezahürlerini etkili biçimde karantinaya alır. Katmanlar birbirlerinden güzelce yalıtıldıklarında, başka bir katmandaki olguların betimlenmesinde kilit rol oynamazlar.

Bu kitapta sizlere maddesel evrenin bu bölümleşmesini ayrık boyut ölçeklerinde örneklerle açıklayacak, dinamiklerini açığa çıkarmak için incelememiz gereken farklı enerji ve sıcaklık ölçeklerini ya da uzamsal çözünürlüğü rakamlarla göstereceğim. Söz gelimi, yirminci yüzyıl öncesi fiziği,

6

Her Şeyin Teorisi Nedir ve “Her Şey” Neyi Kapsar?

maden eritme fırınlarının sıcaklığının altında gerçekleşen olaylarla sınırlıydı. Higgs bozonunun kendini gösterdiği binlerce trilyon derecelik sıcaklık değil, nükleer fiziğin gerçekleştiği milyonlarca derece bile menzil dışındaydı.

Böylece, “her şeyin” aslında “belli bir kısıtlı enerji aralığında” anlamına geldiği bir her şeyin teorisini oluşturabiliriz. Tarih boyunca bilim bu şekilde büyümüştür.

CERN’deki Büyük Hadron Çarpıştırıcısı’nın gözler önüne serdiği koşullara ulaşmak yüzlerce yıl almıştır ama bu yol boyunca bilim insanları farklı enerji aralıklarına uygulanabilen bir dizi teori geliştirmişlerdir.

Mesela insan ölçeğinde böylesi bir teori halihazırda mevcuttur. Atom çekirdeğinden büyük her şeyi kapsayan matematiksel ilişkiler, Avusturyalı fizikçi Erwin Schrödinger’in, Alman fizikçi Werner Heisenberg’in ve Cambridge’li matematikçi Paul Dirac’ın doksan yıl önceki çalışmalarından bu yana bilinmektedir. Elektronların ve atomların davranışını betimleyen bu teorinin denklemleri öğrencilere öğretilir. Ancak sadelikleri son derece yanıltıcıdır zira birkaç basit durum haricinde kullanılmaları çok zor, çözülmeleriyse olanaksızdır. Yine de son yıllarda güçlü bilgisayarların geliştirilmesiyle bu türden çözülebilir problemlerin aralığı genişlemiştir. Bu denklemlerden hareketle DNA’nın işleyişini çözmek şöyle dursun, basit aminoasitlerin özelliklerini kestirebilen bile çıkmamıştır ama bu, modern biyolojinin şaşırtıcı gelişimine ket vurmamıştır. Benzer biçimde, Isaac Newton’ın “hareket eden her büyük şeyin teorisinden” hareketle güneş ve ay tutulmalarını kesin biçimde öngörebilir ama hava durumunu öngöremeyiz.

7

HER ŞEYİN teorisi

Bu çerçevede, Dirac’ın her şeyin teorisi atomların çevresindeki elektronların davranışına uygulandığında atom çekirdeğinin karmaşıklıkları yalıtılabilir ve ihmal edilebilir. “Genetik kod dizilimi için her şeyin teorisi”, bir DNA dizisinin birbirine bağlı nükleik asit birimleri olan adenin, sitozin, guanin ve timini temsil eden A, C, G ve T simgelerinden oluşabilir. Dirac’ın, karmaşık moleküllerin varlığına ve yapısına zemin teşkil eden daha temel atom fiziği ve kimya teorisi, asıl ilgilendiğiniz şey A, C, G ve T’yle kodlanmış aminoasit zincirlerini manipüle etmekse karantinaya alınabilir.

Bugün bile kimi enerji alanlarının hiçbir teorisi yoktur ve gerçek bir her şeyin teorisinin peşindeki modern arayışlar, tüm enerji ölçeğini kapsayacak teoriler bulmayı içerir.

Bilimin ilerlemesi, ne her şeyi kapsayan bir her şeyin teorisinin noksanlığından ne de formüle edilmiş bu “bir şeyin teorileri”nin denklemlerini çözemeyişimizden olumsuz etkilenmiştir. Bu kitaptaki temalardan biri, “gerçekten bir her şeyin teorisi” arayışının gerçekçi bir amaç olup olmadığını ele almak ve uygulamalı bilimin bundan büyük oranda bağımsız olduğunu göstermektir.

Kitabın yapısı, bilimin “her şeyin” bölümlerinin karantinaya alınmasına izin veren doğa lütfunun, yüzyıllar ilerledikçe kuramsal fiziğin tohumlarını nasıl attığını gösteriyor. Üçüncü ve dördüncü bölümler on yedinci yüzyılda Newton mekaniğiyle başlayıp bu mekaniğin on dokuzuncu yüzyılda termodinamiğe uygulanmasına kadar bu tarihçeyi inceleyerek günümüze geliyor. Elektrik, manyetizma ve ışık on dokuzuncu yüzyılda, Maxwell’in teorisiyle tanımlanmıştı ancak yeni veriler kuantum teorisinin ve

8

Her Şeyin Teorisi Nedir ve “Her Şey” Neyi Kapsar?

özel görelilik teorisinin doğuşuna yol açmıştı. Göreliliğin, kuantum teorisinin ve mekaniğinin evliliğiyse Dirac’ın temel teorisini mümkün kılmıştır ki kimyanın ve DNA yapısının altında bu teori yatar. Mevcut standart model ya da kilit taşı kısa süre önce keşfedilen Higgs bozonu olan parçacıkların ve kuvvetlerin çekirdek teorisi de bu teoriden esinlenmiştir. Beşinci bölüm kütleçekim teorilerini ve genel görelilik teorisi içinde nasıl yer edinip büyüdüklerini anlatırken, geçerli bir kuantum kütleçekim teorisi bulmanın güçlüğü, altıncı bölümün konusunu oluşturuyor. Kapanış sayfalarında bu fikirler bir araya toplanarak, nihai bir her şeyin teorisinin muhtemel yönüne ilişkin bir değerlendirme yapılıyor.

Ancak her şeyden önce, kitabın adı akla iki soru getiriyor: Teori nedir ve “her şey” nedir? “Yaşam, evren ve her şey” diyor o ünlü söz. Bu kitap “yaşamı” ve büyük oranda “evreni” karantinaya alıyor. “Her şey” ise geri kalanlara, yani evrenin cansız içeriğine karşılık geliyor. Kuramsal fiziğin karşısındaki nihai güçlükse işte bu içeriğin nereden geldiğini açıklamak, davranışlarını yöneten kanunları anlamak ve bildiğimiz anlamda yaşamı mümkün kılan özelliklere neden sahip olduklarını bildirmek.

Teorilere gelince: Teori oluşturmaktan kolay şey yoktur.

Ne var ki bu, her teorinin bilimin işine yaradığı anlamına gelmez. Bilim, kanıtlanabilir ve yeniden üretilebilir veriler üzerine inşa edilmiş bir bilgi bütünüdür. Eğer veriler teorinizle uyuşmazsa bilim sizden teorinizi gözden geçirmenizi talep eder. Bu da bilim ile teoriye uydurmak için gerçekleri yeniden yorumlayan kültler arasındaki farktır. Hangi kuramların doğayı betimlediğini, hangi kavramların güzel

9

HER ŞEYİN teorisi

fikirler olmaktan öteye geçmediğini deneyler belirler. Bu bakımdan, Shakespeare ya da Bach olmanın kuramsal fizikçi olmaktan muhtemelen daha kolay olduğu iddia edilebilir; zira Hamlet’ten birkaç sözcüğü ya da bir Bach fügündeki bir melodi parçasını değiştirecek olsanız bile bunlar sanat eseri olmayı sürdürür. Oysa Einstein’ın denklemlerindeki ya da Higgs bozonuna giden yolu açan teoriye ait tek bir simgeyi bile değiştirseniz koca yapı başınıza çöker.

Bir teori ne denli güzel olursa olsun deneylerle uyuşmuyorsa bilimsel bakımdan lüzumsuzdur.

Güçlü ve kesinlikle her şeyin teorisi olduğunu iddia edecek bir teorinin ilk gereksinimini özetlemek için uygun ana geldik. Güçlü bir teori, birbirinden farklı olguları tek kavram çatısında birleştirir ve deneylerle sınanabilen yeni bağlantılara esin kaynağı olur. Bu gereksinim, yani teorinin deneysel testlere (en azından ilke itibarıyla) açık olması, neyin bilim olup neyin olmadığının ölçütüdür. Bu, evrenimizin tek ve biricik olup olmadığı, öncesinde neyin olmuş olabileceği ve bu tür soruların bilimin alanına girip girmediği sorularına bir final oluşturacak.

10