Leonard Susskind Uzay Manzarası. Sicim Teorisi ve Evrenin Akıllı Tasarım Yanılsaması

 

İçindekiler

Önsöz

Giriş

Bölüm 1. Feynman'ın Dünyası

doğa titriyor

Temel parçacıklar

kuantum elektrodinamiği

Elektron

Foton

çekirdekler

Feynman diyagramları

antimadde

İnce yapı sabiti

kuantum kromodinamiği

altı kuark

tutkal

Zayıf etkileşim

nötrino

W bozonu

Fizik Kanunları

Bölüm 2

Şimdiye Kadar Yapılan En Kötü Tahmin

Steven Weinberg "yasak kelime" diyor

Negatif λ durumu

Planck uzunluğu

Bölüm 3

alanlar

Tepeler ve vadiler

Arazide Yuvarlanmak

Bölüm 4

Fizikçiler güzellikten ne anlıyor?

Mitlerin kökeni

Sicim teorisi ve mit kırma

Doğa zarif mi?

Bölüm 5

Alexander Friedman'ın Evreni

Kozmolojik ilke ve üç geometri

üç kader

Kader Geometrisi

Evrenin yaşı ve en yaşlı yıldızlar

Karar

Tip I süpernova

yaratılışın ışığı

Şişirme

Bölüm 6

Ufacık Hediye

balık tarihi

Antropik Manzaralar

biraz astrofizik

Antropik ilke ne zaman anlam kazanır?

Felsefi itirazlar

Bölüm 7

hadronlar

Sicim teorisinin kökeni

Bölüm 8

Sıkıştırma

Zarif bir süpersimetrik evren mi?

Sihirli, gizemli ve şaşırtıcı M-teorisi

Kuzey Karolina Üniversitesi, 1995

Bölüm 9

10. Bölüm

D-zarlar

Her boyutta kepek

Zarlar ve Kompaktlaştırma

Canlı Yayınlar

konifold tekillikler

Busso ve Polchinski'nin Takdiri

Bölüm 11

Stabilite ve metastabilite

Gerçek bir buz felaketi

uzay klonlama

Metastabil de Sitter uzayı

sonsuz enflasyon

Çocuklar ve ebeveynler arasındaki paradoksal ilişki

Tarihe iki bakış açısı

çoklu dünya

Bölüm 12

herkes haklı

Kara deliklerin tamamlayıcılığı

Holografik ilke

etrafımızdaki baloncuklar

Bölüm 13

Sloganlar

Uzlaşma?

Doğanın kanunları ortaya çıkıyor

Doğal seçilim ve evren

Enflasyonun başlangıcı

Gökyüzündeki süper sicimler

Yüksek enerji fiziği

sonsöz

Soyut

Tanınmış bir Amerikalı fizikçi ve sicim teorisinin kurucularından biri olan Leonard Susskind, bir zamanlar Evreni ve insanın evrendeki yerini anlamak için devrim niteliğinde bir kavram önerdi. Susskind araştırmasıyla, bu teorinin evrenimizin özelliklerini açık bir şekilde tahmin edebileceğine inanan koca bir modern fizikçi galaksisine ilham verdi. Şimdi, halka yönelik ilk kitabında Susskind, bu fikrin hiçbir şekilde evrensel olmadığını ve yerini çok daha geniş bir dev "kozmik manzara" kavramına bırakmak zorunda kalacağını savunarak görüşlerini açıklığa kavuşturuyor ve yeniden düşünüyor.

Susskind, 21. yüzyılın başındaki araştırmaların bilimin dünyayı anlamada yeni bir düzeye çıkmasına izin verdiğini savunuyor. Ve okuyucuyu modern fizikteki savaşların ön saflarına taşıyan bu büyüleyici kitap, bunun canlı bir teyidi.

 

• Leonard Susskind

• 
  

• Önsöz

• Giriş

• Bölüm 1. Feynman'ın Dünyası

• 
  

• doğa titriyor

• 
  

• Temel parçacıklar

• kuantum elektrodinamiği

• Elektron

• Foton

• çekirdekler

• Feynman diyagramları

• 
  

• antimadde

• İnce yapı sabiti

• kuantum kromodinamiği

• altı kuark

• tutkal

• Zayıf etkileşim

• nötrino

• W bozonu

• Fizik Kanunları

• Bölüm 2

• 
  

• Şimdiye Kadar Yapılan En Kötü Tahmin

• Steven Weinberg "yasak kelime" diyor

• Negatif λ durumu

• Planck uzunluğu

• Bölüm 3

• 
  

• alanlar

• Tepeler ve vadiler

• Arazide Yuvarlanmak

• Bölüm 4

• Fizikçiler güzellikten ne anlıyor?

• Mitlerin kökeni

• Sicim teorisi ve mit kırma

• Doğa zarif mi?

• Bölüm 5

• Alexander Friedman'ın Evreni

• Kozmolojik ilke ve üç geometri

• üç kader

• Kader Geometrisi

• Evrenin yaşı ve en yaşlı yıldızlar

• Karar

• Tip I süpernova

• yaratılışın ışığı

• Şişirme

• Bölüm 6

• 
  

• Ufacık Hediye

• balık tarihi

• Antropik Manzaralar

• biraz astrofizik

• Antropik ilke ne zaman anlam kazanır?

• Felsefi itirazlar

• Bölüm 7

• 
  

• hadronlar

• Sicim teorisinin kökeni

• Bölüm 8

• 
  

• Sıkıştırma

• Zarif bir süpersimetrik evren mi?

• Sihirli, gizemli ve şaşırtıcı M-teorisi

• 
  

• Kuzey Karolina Üniversitesi, 1995

• Bölüm 9

• 10. Bölüm

• 
  

• D-zarlar

• Her boyutta kepek

• Zarlar ve Kompaktlaştırma

• Canlı Yayınlar

• konifold tekillikler

• Busso ve Polchinski'nin Takdiri

• Bölüm 11

• 
  

• Stabilite ve metastabilite

• Gerçek bir buz felaketi

• uzay klonlama

• Metastabil de Sitter uzayı

• sonsuz enflasyon

• Çocuklar ve ebeveynler arasındaki paradoksal ilişki

• Tarihe iki bakış açısı

• çoklu dünya

• Bölüm 12

• 
  

• herkes haklı

• Kara deliklerin tamamlayıcılığı

• Holografik ilke

• etrafımızdaki baloncuklar

• Bölüm 13

• Sloganlar

• Uzlaşma?

• Doğanın kanunları ortaya çıkıyor

• Doğal seçilim ve evren

• Enflasyonun başlangıcı

• Gökyüzündeki süper sicimler

• Yüksek enerji fiziği

• sonsöz

 

Leonard Susskind Uzay Manzarası
. Sicim Teorisi ve Evrenin Akıllı Tasarım Yanılsaması
 

Önsöz
 

Fiziksel sorunları anlatmaktan her zaman keyif almışımdır. Aslında zevkten çok daha fazlası, benim için fiziksel sorunları anlatma ihtiyacı. Manilovizm gibi görünüşte tuhaf bir faaliyete - karmaşık bilimsel fikirleri hayali bir hayran kitlesine açıklamaya - çok zaman harcıyorum. Aptal görünebilirim, ama benim için bir alışkanlık haline geldi ve hatta bir alışkanlıktan daha fazlası: zihinsel etkinliğimin ayrılmaz bir parçası, fikirlerimi organize etmek için bir tür zihinsel araç ve hatta yeni fikirler yaratmanın bir yolu haline geldi. problemler hakkında düşünme yolları. Bu yüzden bir noktada popüler bir kitap yazmayı denemeye karar vermem çok doğaldı. Dahası, birkaç yıl önce bir kitap yazmaya başladım - Stephen Hawking ile aramda bir kara deliğe düşen bilginin kaderi hakkında yirmi yıllık bir tartışma hakkında ...

Ama neredeyse aynı zamanda kendimi dev bir bilimsel tayfunun ortasında buldum. İçinde şiddetli tartışmalar sadece evrenin kökeniyle ilgili değil, aynı zamanda onu yöneten yasalarla da ilgiliydi. "The Anthropic Landscape of String Theory" adlı makalemi, "Peyzaj" adını verdiğim yeni ortaya çıkan bir kavrama ayırdım. Makale, artık sadece bilim adamlarını değil, aynı zamanda filozofları ve hatta ilahiyatçıları da içeren fizikçiler ve kozmologlar topluluğunda çok ses getirdi. Peyzaj kavramı, yalnızca fizik ve kozmolojide bir paradigma değişikliğini içermeyen, aynı zamanda sosyal ve politik hayatımızın manzarası hakkında derin kültürel soruları gündeme getiren, çığır açan bir fikirdir, örneğin: "Bilim, bir evrenin olduğu olağanüstü gerçeği açıklayabilir mi? bu kadar tuhaf ve verimsiz bir şekilde düzenlenmiş, ancak içindeki varlığımıza çok iyi uyarlanmış görünüyor? Bu yüzden kara deliğin bulunduğu tavayı en uzak yakıcıya taşımaya ve bu harika hikaye hakkında popüler bir kitap yazmaya karar verdim. Böylece Uzay Manzarası doğdu.

Bu kitabın okuyucuları, son birkaç yıldır medyadaki bilim sütunlarının, kozmologların iki şaşırtıcı "karanlık" keşif karşısında şaşkına döndüklerine dair haberlerle dolu olduğunu fark etmiş olabilirler. İlk keşif, evrendeki maddenin %90'ının karanlık madde adı verilen gizemli bir gizli maddeden oluştuğudur . İkinci keşif, evrendeki enerjinin %70'inin karanlık enerji adı verilen hayaletimsi ve gizemli bir şey olduğunu iddia ediyor . Bu makalelerde "gizem", "gizemli" ve "şaşırtıcı" sıfatları kıskanılacak bir düzenlilikle tekrarlanıyor.

Gizemli görünen her şeyi araştırmaya değer bulmadığımı itiraf etmeliyim. Benim için "gizem" kelimesi, rasyonel açıklamaya meydan okuyan şeyleri ifade eder. Karanlık madde ve karanlık enerjinin keşfi bir sürprizdi ama bir vahiy değildi. Parçacık fizikçileri (ben de onlardan biriyim) teorilerinin eksik olduğunu ve birçok parçacığın hâlâ keşfedilmemiş olduğunu her zaman anlamışlardır. Yeni, tespit edilmesi zor parçacıkların varlığını varsayma geleneği, bir radyoaktivite biçiminin nötrino adı verilen neredeyse yakalanması zor bir parçacıkla ilişkili olduğunu doğru bir şekilde tahmin eden Wolfgang Pauli ile başladı. Bununla birlikte, karanlık madde nötrinolardan oluşmaz, ancak son zamanlarda fizikçiler, karanlık madde olduğunu iddia etmeye değer pek çok parçacık öne sürdüler. Bunda bir gizem yok - sadece bu tür parçacıkları tanımlamanın ve tespit etmenin zorlukları var.

Karanlık enerjinin gizemli olduğunu iddia etmek için daha çok nedeni var ama asıl soru onun varlığıyla ne yapılacağı değil, yokluğunun nasıl açıklanacağıdır. Fizikçiler, 75 yılı aşkın bir süredir, uzayın karanlık enerjiyle dolu olduğuna inanmak için her türlü nedenin bulunduğundan eminler. Buradaki gizem, karanlık enerjinin varlığında değil, neden bu kadar az olduğudur. Kesin olan tek bir şey var: Biraz daha fazla karanlık enerji olsaydı, bu bizim kendi varlığımızı en ölümcül şekilde etkilerdi.

Modern kozmolojinin gündeme getirdiği gerçek muamma, "odadaki filin" varlığı hakkındaki sessizlikle ilgilidir. Bu "fil"in fizikçiler için tam bir utanç kaynağı olduğunu da ekleyebilirim: Neden Evren bize birdenbire, içinde sizin ve benim gibi yaşam formlarının var olabilmesi için kasıtlı olarak tasarlanmış gibi görünüyor?

Bu soru bilim adamlarının kafasını karıştırdı, ama aynı zamanda yaratılışçı mitin sahte rahatlığının savunucularını harekete geçirdi. Durum birçok yönden, düşünürlerin doğal fiziksel ve kimyasal süreçleri yönlendiren ilahi bir el olmadan insan gözü kadar karmaşık bir şeyin nasıl ortaya çıkabileceğini anlayamadıkları Darwin öncesi biyolojideki durumu anımsatıyordu. Göz gibi, evrenin her bir fiziksel parametresi de o kadar şaşırtıcı bir şekilde ince ayarlanmış ve koordine edilmiştir ki, bu gerçeğin açıklanması gerekmektedir.

Sıranın önüne çıkıp kendi ön yargılarımı açık açık belirteyim. Gerçek bilimin doğaüstü varlıklara hitap etmeyen açıklamalar gerektirdiği konusunda kategorik olarak ısrar ediyorum. Gözün gelişiminin Darwinci mekanizmalar tarafından belirlendiğine inanıyorum. Buna ek olarak, fizikçilerin ve kozmologların, kendi varlığımızı mümkün kılan şaşırtıcı derecede mutlu tesadüf de dahil olmak üzere, dünyamızın özelliklerine doğal bir açıklama bulmaları gerektiğinden eminim. Eminim ki insanlar mantıklı açıklamaların yerine büyüyü koyduklarında, ne kadar yüksek sesle aksini iddia ederlerse etsinler, bilim yapmıyorlar.

Geçmişte çoğu fizikçi (ben dahil) "fil"i -varlığını inkar etmek adına bile- görmezden gelmeyi seçmişti. Doğa kanunlarının birkaç zarif matematiksel ilkeden çıktığını ve evrenin gözlenen düzeninin mutlu bir tesadüfün sonucu olduğunu düşünmek daha uygundu. Ancak astronomi, kozmoloji ve her şeyden önce sicim teorisi alanlarındaki son keşifler, teorik fizikçilere bu tür şeyler hakkında ciddi olarak düşünmekten başka seçenek bırakmadı. Şaşırtıcı bir şekilde, sonunda bu tesadüfler kaleydoskopunun nedenlerini anlamaya başlıyoruz. "Akıllı tasarım yanılsamasını" açıklamak için toplanan gerçekler, evrenin yapısının yalnızca fiziksel ve matematiksel ilkelere ve büyük sayılar yasasına bağlı olduğuna tanıklık ediyor. Benim Kozmik Manzaramın asıl konusu bu: gözlemlenen fiziksel ve kozmolojik harikaların bilimsel bir açıklaması ve böyle bir açıklamanın felsefi içerimlerinin bir analizi.

Bu kitabın hedef kitlesi kim? Cevap: Bilime büyük ilgi duyan ve bu dünyanın kökeni ve yapısının gizemine nüfuz etme arzusu olan herkes. Ancak kitap uzman olmayanlara hitap etse de bilimde "kraliyet yolları" arayanlar ve beyinlerini zorlamaya alışkın olmayanlar için değil. Kitabı denklemlerden ve bilimsel jargondan kurtarmaya çalıştım ama karmaşık kavramlardan değil. Matematiksel formüllerden kaçındım, ama öte yandan, ortaya çıkan yeni paradigmanın altında yatan ilke ve mekanizmaların kesin ve net açıklamalarını vermeye çalıştım. Bu yeni paradigmayı anlamak, "büyük sorulara" yanıt arayışını takip eden herkes için kritik olacaktır.

Bu kitabı yazmama yardım ettiklerini her zaman fark etmeyen birçok kişiye minnettarım. Çoğu, fikirlerini ödünç aldığım fizikçiler ve kozmologlar: Steven Weinberg, Gerard 't Hooft, Martin Rees, Joseph Polchinski, Rafael Busso, Alan Gut, Alexander Vilenkin, Shamit Kachru, Renata Kallosh, ama her şeyden önce cömertçe paylaşan Andrei Linde. fikirleri yıllar boyunca benimle.

Bu kitap, dağınık ilk taslakları okuyup eleştiren menajerim John Brockman ve arkadaşım Malcolm Griffith'in desteği olmadan asla yazılamazdı. Bana "üçten fazla top oynamayı" öğretti (Malcolm'un tutarlı bir kitap yazmanın getirdiği zorlukları anlatmak için kullandığı bir deyim). Little Brown'dan arkadaşım ve editörüm Liz Nagle'a bu kitaba olağanüstü katkılarından dolayı müteşekkirim. Şefkatli rehberliği paha biçilmezdi.

Ve son olarak, eşim Anna'ya sevgisi, sürekli desteği ve yardımları için her şeyin ötesinde minnettarım.

 Giriş
 

Hava çok soğuk ve mutlak sessizliği yalnızca kendi nefesim bozuyor. Çizmelerinizin altında kuru, ufalanan kar çatırdıyor. Yıldızların ışığı altındaki mükemmel beyazlığı, çevredeki alana uğursuz bir parlaklık verirken, yıldızlar göğün siyah kubbesini aşan sürekli bir ışıltıya dönüşüyor. Bu çöl gezegenindeki gece benim dünyamdan daha parlak. Metafizik tefekkür için ideal bir yerin soğuk ve cansız güzelliğidir - eğer böyle bir yer varsa.

Günün olaylarını tek başıma düşünmek için üssün ev konforundan ayrıldım, gökyüzündeki kayan yıldızlara baktım. Ancak evrenin canavarca ve özelliksiz doğasından başka bir şey düşünmek mümkün değildi. Galaksilerin havai fişekleri, sonsuzca genişleyen evren, uzayın tüyler ürpertici soğukluğu, yeni doğan yıldızların sıcaklığı ve kırmızı devler aşamasında can çekişmeleri: Elbette bunun varoluşsal bir anlamı olmalı. Görünüşe göre bireyin ve genel olarak yaşamın evrenin işleyişiyle hiçbir ilgisi yok: küçük bir su zerresi, bir damla amino asit ve amaçsızca bir yıldızın yörüngesinde dönen bir gezegenin toplu iğne başındaki bir tutam karbon.

Biraz daha erken, cimri güneşin kısa saatlerinde, Kurt, Kip ve ben, konuşacak herhangi bir İvan bulup bulamayacağımızı görmek için Rus yerleşkesine gittik. Steven bizimle gelmek istedi ama tekerlekli sandalyesi kar yığınları arasında hareket etmeye uygun değil. Terk edilmiş kompleks -birkaç alçak, paslı oluklu metal bina- ıssız görünüyordu. Kapıyı çaldık ama yaşam belirtisi yoktu. Kapıyı araladım ve odanın ürkütücü karanlığına baktım ve sonra cesaretimi toplayarak öne çıktım ve etrafa baktım. Tamamen terk edilmiş kompleksin içi de dışarısı kadar soğuktu. Yüz kadar oturma odası açık ve boş. Yüz adam nasıl bu kadar kolay bir şekilde hiçbir yere kaybolabilir? Sessizce üssümüze geri döndük.

Barda içip gülerek Rus'umuz Victor'u bulduk. Gezegende kalan son üç Rustan biri gibi görünüyor. Rusya'dan yapılan teslimatlar bir yılı aşkın bir süre önce durduruldu. Açlıktan öleceklerdi ama neyse ki halkımız onlara barınak sağladı. Diğer iki Rus'u hiç görmedik ama Viktor hayatta olduklarına dair bize güvence verdi.

Victor "beni sıcak tutmak için" bana bir içki ısmarlamakta ısrar etti ve "Bu %#&*^ yeri nasıl buldun?" diye sordu. Seyahatlerimde sadece bir kez buradaki kadar güzel bir gece gökyüzü gördüğümü söyledim. İronik olarak, ziyaret ettiğim başka bir yabancı gezegen o kadar sıcaktı ki, kayalar yüzeyine dokunan her şeyi kızartabilir gibiydi.

Elbette gerçekte başka bir gezegende değildik. Sanki Dünya'da değilmişiz gibi geliyordu. Ancak Antarktika gerçekten farklı. Stephen Hawking, Kurt Callan, Kip Thorne, Stan Deser, Claudio Teitelboim, eşlerimiz ve diğer birkaç fizikçi bir zevk gezisinde oradaydılar - kara delikler üzerine bir konferansa katılmak üzere Şili'ye seyahat etmek için bir bonus olarak dahil edildi. Ünlü bir Şilili fizikçi olan Claudio, Şili Hava Kuvvetleri Herkül'ün dev kargo uçaklarından biriyle Antarktika üssüne birkaç günlüğüne uçmamızı ayarladı.

Ağustos 1997'ydi, Güney Yarımküre'de kıştı ve en kötüsünü bekliyorduk. Şimdiye kadar yaşadığım en şiddetli don, sıfırın altında 20 derece [1] ve kışın ortasında tabanda pekala beklenebilecek eksi 60 derece [2] beni tetikte tutuyor. Uçak indiğinde, ordu tarafından sağlanan ve korkunç don için tasarlanmış ağır kutup teçhizatını endişeyle ilikledik.

Sonra bagaj bölmesi açıldı ve Kurt Chantal'ın karısı uçaktan dışarı bakarak ellerini salladı ve bize neşeyle bağırdı: “Burası New Jersey'deki bir kış gününden daha soğuk değil! [3] ." Öyleydi. Ve biz karda oynaşırken sıcaklık bütün gün bu şekilde kaldı.

Ama gecenin bir yarısında buz canavarı uyandı. Ertesi sabah, Antarktika tüm öfkesini açığa vurdu. Shackleton ve adamlarının gemi enkazından sonra yaşadıklarını tam olarak deneyimlemek için sadece birkaç dakika dışarı baktım. Nasıl hepsi ölmedi? Seferin tek bir üyesi bile kaybolmadı. Dondurucu soğukta ve delici rüzgarda bir yıldan fazla - neden hepsi zatürreden ölmedi? Şimdi, o kükreyen fırtınanın ortasında, cevabı biliyordum: Burada hiçbir şey hayatta kalmaz - zatürreye neden olan mikroplar bile.

Victor'a bahsettiğim bir başka yabancı gezegen de, yaşamın olmadığı başka bir yer olan Ölüm Vadisi'ydi. Hayır tamamen eksik değil. Ve o zaman bile, tüm protoplazmayı kesin olarak kızartmak için havanın ne kadar sıcak olması gerektiğini düşündüm. Antarktika ve Ölüm Vadisi için ortak bir faktör, havanın aşırı kuru olmasıdır. Burası havanın su buharını tutması için çok soğuk. Düşük nem ve ışık kirliliğinin tamamen yokluğu, yıldızların ışığını modern insanın nadiren gördüğü bir şekilde görmeyi mümkün kılar. Antarktika'nın yıldızlı göğünün altında dururken birdenbire insan olduğumuz için ne kadar şanslı olduğumuzu fark ettim. Hayat kırılgandır: sadece donma ile kaynama arasındaki dar bir sıcaklık aralığında gelişir. Gezegenimizin Güneş'ten bu kadar "doğru" bir mesafede olduğu için şanslıyız: biraz daha ileride - ve her yerde Antarktika kışının sonsuz soğuğu olacak veya daha da kötüsü, biraz daha yakın - ve yüzey aslında her şeyi kızartacak bu ona dokunuyor. Rus olan Victor, soruya manevi bir yönden yaklaştı: "Varlığımızın Tanrı'nın sonsuz sevgisinin ve iyiliğinin bir tezahürü olduğunu neden kabul etmiyorsunuz?" Benim kendi "anlamsız" açıklamam, zamanı geldiğinde sizin için netleşecektir.

Aslında, sadece konforlu sıcaklık için değil, kasaya teşekkür etmek için daha birçok nedenimiz var. Doğru miktarda karbon, oksijen, nitrojen ve diğer elementler olmadan iklimimiz hiçbir işe yaramaz. Güneş sisteminin merkezindeki Güneş'in yerini daha genel bir çift yıldız durumu alırsa, [4] gezegenlerin yörüngeleri yaşamın var olması için çok kaotik ve istikrarsız olacaktır. Bu, bu tür tehlikelere sadece bir örnektir. Ama her şeyin başında doğa kanunları vardır. Newton yasalarında veya atom fiziğinin kurallarında küçük değişiklikler yapmaya değer ve - sıfır - hayat ya anında durur ya da hiç ortaya çıkmaz. Görünüşe göre koruyucu meleğimiz bize yaşam için çok iyi huylu bir gezegen sağlamakla kalmadı, aynı zamanda varoluş kurallarını - fizik ve kozmoloji yasaları - sadece bizim için icat etti. Bu, doğanın en büyük gizemlerinden biridir. Bu şans mı? Bu birinin akıllı ve hayırsever tasarımı mı? Ve bu soru kimin yetkisinde: bilim mi, metafizik mi yoksa din mi?

Bu kitap, fizikçilerin ve kozmologların tutkularının çatıştığı bir tartışma hakkındadır ve bu da, özellikle bu tartışmaların siyasi sahnede gerilla savaşı karakterini üstlendiği Amerika Birleşik Devletleri'nde daha geniş bir tartışmanın parçasıdır. Barikatların bir tarafında, dünyanın akıllı bir ajan tarafından hayırsever amaçlarla yaratıldığına veya tasarlandığına inananlar var. Öte yandan, Occam'ın bıçaklarıyla dolu, evrenin kişisel olmayan ve çıkar gözetmeyen fizik, matematik ve olasılık teorisi yasalarının işleyişinin sonucu olduğunu iddia eden ölçülü bir bilimsel yaklaşım - tabiri caizse amaçsız bir dünya . Dünyanın altı bin yıl önce yaratıldığına inanan ve bu fikir uğrunda ölümüne savaşmaya hazır olan İncil edebiyatçılarını ilk gruba dahil etmiyorum. Dünyaya bakan ve dünyanın insanlar için bu kadar iyi adapte edildiğine kör şans eseri inanamayan düşünceli entelektüellerden bahsediyorum. Bu insanları aptallıkla suçlamıyorum. Böyle düşünmek için her türlü nedenleri var.

Akıllı tasarımın savunucuları, genellikle insanın görsel sistemi gibi karmaşık bir organın tamamen rastgele süreçler sonucunda ortaya çıkmasının imkansızlığını bir argüman olarak ileri sürerler. İnanılmaz! Ancak çok güçlü bir aletle, açıklama gücü büyük olan doğal seçilim ilkesiyle donanmış biyologlar, kanıtlarının teraziyi kesin bir şekilde Darwin'in lehine çevirdiğine inanıyorlar. Gözün mucizesi, bir mucizenin görünüşünden başka bir şey değildir.

Bana göre, konu fizik ve kozmoloji olduğunda tasarım meraklılarının ayakları daha sağlam. Biyoloji, yaratılış hikayesinin sadece bir parçasıdır. Fizik yasaları ve evrenin kökeni diğer kısımdır ve burada yine inanılmaz harikalar boldur. Herhangi bir kural dizisinin yanlışlıkla akıllı yaşam mucizesine yol açabilmesi inanılmaz görünüyor. Yine de çoğu fizikçinin inandığı tam da budur: Akıllı yaşam, bizim kendi varoluşumuzla hiçbir ilgisi olmayan fiziksel ilkelerin mutlu bir sonucudur. Burada akıllı tasarım kalabalığının şüphelerini paylaşıyorum: Şansın bir açıklama gerektirdiğine inanıyorum. Ancak modern fizikten ortaya çıkan açıklama, akıllı tasarımdan, Darwin'in Bulldog'u Wilberforce'un Soapy Sam'inden ne kadar farklıysa, o kadar farklıdır. [beş]

Kitabımın adandığı tartışma, bilim ile yaratılışçılık arasındaki sert bir siyasi çatışma değil. "Darwin'in Bulldog'u" Thomas Huxley ve Piskopos Wilberforce arasındaki anlaşmazlığın aksine, söz konusu tartışma din ve bilim arasında değil, bilim adamlarının iki savaşan grubu - doğa kanunlarının az önce meydana gelen matematiksel ilişkiler tarafından belirlendiğine inananlar - arasındadır. Öyle ki yaşamın ortaya çıkmasına izin veren ve fizik yasalarının bir şekilde akıllı yaşamın ortaya çıkması için gereklilikleri başlangıçta karşıladığına inananlar. Antropik ilke , şiddetli tartışmaların kristalleşmesinin merkezi haline geldi - dünyanın o kadar güzel bir şekilde düzenlendiğini ve onu burada gözlemleyebileceğimizi söyleyen varsayımsal bir ilke! Kendi adıma, böyle bir formülasyonda, gözün ortaya çıkmasının nedeninin birisinin bu kitabı okuyabilmesi için olduğu ifadesinden daha anlamlı olmadığını belirtmek isterim. Aslında bu, sonraki bölümlerde ele alacağım çok daha zengin bir dizi kavramın yalnızca kısaltılmış bir versiyonudur.

Ancak bilim adamları arasındaki tartışma, daha geniş bir kamuoyu tartışması için bir fırsat haline geldi. Şaşırtıcı olmayan bir şekilde, ruhban sınıfı sınıflarının ve bilimsel dergilerin ötesinde, akıllı tasarım ve yaratılışçılık hakkında siyasi tartışmalara dönüştü. Ve Hıristiyan İnternet siteleri savaşa girdi.

İncil diyor ki:

“Çünkü O'nun gaybı, ebedî kudreti ve İlâhiyeti, âlemin yaratılışından yaratılanların irâdesine kadar zahirdir, öyle ki onlar cevapsızdır” [6] . – Onun sonsuz gücü ve ilahi doğası. Bu nedenle, Allah'ı bilmedikleri için onlar için bir af yoktur.

Bu inkar edilemez bir gerçektir. Bir bakıma antropik ilkenin keşfiyle bu, her zamankinden daha doğru. Dolayısıyla elimizdeki ana kanıt, Tanrı'nın imzasını taşıyan Evrenin yaratılışıdır: Evren, içinde yaşayabilmemiz için yaratılmıştır.

Veya başka bir dini siteden: [7]

Astronomi profesörü Paul Davis, The Cosmic Blueprint adlı kitabında tasarımın belirleyici kanıtını şöyle özetliyor:

"Hıristiyanlığa hiçbir şekilde sempati duymayan Profesör Sir Fred Hoyle, süper zekanın kimya ve biyolojinin yanı sıra fizikle de oynuyor gibi göründüğünü söylüyor."

Ve astronom George Greenstein şöyle diyor:

"Tüm kanıtları analiz ettikten sonra, bazı doğaüstü ajanların veya daha doğrusu Ajanların Evrende faaliyet göstermesi gerektiğine dair takıntılı bir düşünce ortaya çıkıyor. Aniden, farkında olmadan, daha yüksek bir varlığın varlığına dair bilimsel kanıtlara rastlamış olmamız mümkün mü? Gelen ve mucizevi bir şekilde kozmosu bizim iyiliğimiz için yaratan Tanrı mıydı?

Antropik ilkenin fizikçilere bu kadar rahatsızlık vermesi şaşırtıcı mı?

Davis ve Greenstein ciddi araştırmacılardır ve Hoyle 20. yüzyılın en büyük bilim adamlarından biridir. İşaret ettikleri gibi, akıllı tasarımın görünüşü inkar edilemez. [8] Hayatın var olması için inanılmaz faktörlerin bir kombinasyonu gereklidir. Bu "odadaki fili" tam olarak anlamamız birkaç bölüm alacak, ancak temel bilgilerle başlayalım.

Bildiğimiz şekliyle dünya son derece istikrarsızdır ve bu anlamda fizikçiler için özellikle ilgi çekicidir. İşlerin ters gidebileceği pek çok yol var, o kadar kötü ki bildiğimiz şekliyle hayatın var olması tamamen imkansız olurdu. Bizimki gibi ve yaşam yeteneğine sahip bir dünyanın karşılaması gereken koşullar, üç gereklilik grubuna ayrılabilir. İlk set, yaşamın var olması için gerekli olan ham maddeleri içerir: kimyasallar, çünkü yaşam kimyasal bir süreçtir. Atomların doğasında bulunan bir şey, onları en tuhaf kombinasyonlarda birleştirerek dev yaşam moleküllerini - DNA, RNA, yüzlerce protein ve diğer her şeyi - oluşturmasını sağlar. Aslında kimya, fiziğin bir dalıdır ve özellikle, en uzak yörüngelerde çekirdeğin etrafında dönen değerlik elektronlarının fiziğidir. Değerlik elektronları bir atomdan diğerine atlar veya atomlar tarafından sosyalleştirilir, bu da atomların inanılmaz yeteneklerini göstermelerini sağlar.

Fizik yasaları, elektronlar, kuarklar ve fotonlar gibi temel parçacıkların bir listesiyle başlar ve her birinin kütle ve elektrik yükü gibi kendine özgü özellikleri vardır. Diğer her şey bu nesnelerden inşa edilmiştir. Bu listenin neden böyle olduğunu ve temel parçacıkların neden böyle özelliklere sahip olduğunu kimse bilmiyor. Bunun gibi daha sayısız liste yapabilirsiniz ama hayatın varlığını kabul eden Evren, bu konuda keyfiliğe müsamaha göstermez. Bu temel parçacıkların (elektron, foton veya kuark) herhangi birinin listeden çıkarılması, hatta özelliklerinden herhangi birinde ufak bir değişiklik bile, geleneksel kimyanın tamamen çökmesine yol açacaktır. Elektronlar ve kuarklarla ilgili olarak, her şey açıktır: protonlar ve nötronlar, sırasıyla elektronlarla birlikte atomları oluşturan atom çekirdeğini oluşturan kuarklardan oluşur. Onlar olmadan atomlar var olamazdı. Fotonların varlığının önemi o kadar açık değildir. İlerleyen bölümlerde, elektromanyetik ve yerçekimi etkileşimlerinin doğası hakkında bilgi sahibi olacağız, ancak şimdilik, elektronları atomlarda ve atomlarda atomlarda tutan elektromanyetik kuvvetlerin varlığından benzersiz özellikleriyle fotonların sorumlu olduğunu bilmeniz yeterli. kimyasal bileşikler.

Doğa yasaları kimyanın varlığına ideal olarak uygun görünüyorsa, o zaman ikinci gereklilikler grubunu, yani bizim rahat varoluşumuzu sağlayan evrenin evriminin doğasının gerekliliklerini karşılamak için de uygundurlar. Evrenin büyük ölçekli özellikleri - büyüklüğü, genişleme hızı, galaksilerin, yıldızların ve gezegenlerin varlığı - büyük ölçüde yerçekimi kuvveti tarafından yönetilir. Einstein'ın yerçekimi teorisi - Genel Görelilik - evrenin, Büyük Patlama'dan sonra oluşan orijinal süper sıcak ve süper yoğun damladan bugünkü muazzam boyutuna genişlemesini tanımlar. Görünüşe göre yerçekiminin özellikleri, özellikle yerçekimi kuvvetlerinin büyüklüğü kolaylıkla değiştirilebilir. Yerçekimi etkileşiminin zayıflığı, gerçekten açıklanamaz bir mucize olmaya devam ediyor. [9] Bir elektron ve bir atom çekirdeği arasındaki yerçekimi, elektrik olandan on milyar milyar milyar milyar kat daha zayıftır. Ancak yerçekimi etkileşimi biraz daha güçlü olsaydı, Evren o kadar hızlı gelişirdi ki, içinde akıllı yaşamın ortaya çıkması için zaman kalmazdı.

Yerçekimi, evrenin açılımında öncü bir rol oynar. Maddenin - hidrojen, helyum ve sözde karanlık madde - galaksilerin, yıldızların ve nihayet gezegenlerin kümelerine yoğunlaşmasının nedeni budur. Ancak bunun gerçekleşmesi için, çok erken evrenin biraz "topaklı" olması gerekirdi. Evrenin kaynak malzemesi eşit olarak dağıtılsaydı, her zaman böyle kalırdı. Görünüşe göre 14 milyar yıl önce Evren zaten birçok yığından oluşuyordu. Topaklar biraz daha büyük veya biraz daha küçük olsaydı ve ne galaksiler, ne yıldızlar, ne gezegenler oluşmazdı ve yaşamın gelişebileceği hiçbir yer kalmazdı.

Son olarak, evrenin belirli bir kimyasal bileşimi vardır. Başlangıçta sadece hidrojen ve helyum vardı. Elbette bu, yaşamın oluşumu için yeterli değildir. Karbon, oksijen ve diğer elementler daha sonra geldi. Yıldızların içindeki nükleer reaksiyonlar sırasında oluştular. Ancak yıldızların hidrojen ve helyumu yaşamın en önemli karbonuna dönüştürme yeteneği hassas bir konudur. Elektromanyetizma ve nükleer fizik yasalarındaki küçük değişiklikler, karbon çekirdeği oluşumunu önleyebilir.

Ayrıca, yıldızların içinde karbon, oksijen ve diğer biyolojik olarak önemli elementlerin oluşumundan sonra, gezegenlerin oluşumu ve yaşamın ortaya çıkması için malzeme sağlamak üzere oradan salınmaları gerekiyordu - sonuçta, biz yaşayamayız. yıldızların sıcak iç kısımları. Bu elementler yıldızın içini terk etmeyi nasıl başardı? Cevap: Süpernova patlamaları sonucunda.

Bir süpernova patlaması kendi başına dikkate değer bir olgudur. Nötronlara, elektronlara, fotonlara ve yerçekimine ek olarak, bir süpernova patlaması sağlamak için başka bir temel parçacık türü olan nötrinolara ihtiyaç vardır. Çöken bir yıldızdan fırlayan nötrinolar, diğer tüm parçacıkları dışarı iten bir basınç oluşturur. Neyse ki, temel parçacıklar listemiz ayrıca istenen özelliklere sahip nötrinoları da içerir.

Daha önce de söylediğim gibi, biyolojik olaylarla dolu bir dünya, ortak beklentilere hiç uymuyor. Temel parçacıkların ve çeşitli etkileşimlerin birçok olası listesi arasında, bu çok nadir bir istisnadır. Ancak bu istisna tek başına antropik ilkeyi içeren yeni bir radikal paradigmanın getirilmesini haklı çıkarmak için yeterli midir? Yargılarımız sadece yukarıda saydıklarım üzerinden yapılsaydı, antropik fikirlere açık olanlar arasında bile fikir birliğine varamazdık. Bununla birlikte, yaşamın var olması için gerekli olan ince ayarların çoğu, rastgele şans olasılığını reddetmemize izin vermeyen bazı varyasyonlara izin verir. Belki de, fizikçilerin her zaman inandıkları gibi, sonunda böyle bir parçacıklar ve sabitler listesinin varlığını açıklayan bir matematiksel ilke keşfedilecek ve mutlu tesadüfler kümesinin pek çok mutlu tesadüften başka bir şey olmadığı ortaya çıkacaktır. Ama son derece inanılmaz olan ince bir ince ayar var (bunu 2. Bölümde ele alacağım). Elli yıldır fizikçiler için evrensel bir bilmece olmuştur. Bunun tek açıklaması, eğer buna açıklama denilebilirse, antropik ilkedir.

Başka bir paradoks formüle edeceğim: "İnsani ilke, akıllı yaşamı açıklamanın merkezine yerleştiren antropik ilke varken, kendi dünyamızın fizik yasalarının son derece iyiliksever doğasını doğaüstü zekaya başvurmadan açıklamayı umabilir miyiz? Evrenimizin özellikleri, birisinin bir şey, bir tür ajan, insanlığı izlediği varsayımı gibi görünüyor? Bu kitap, aynı zamanda antropik ilkeyi de kullanan, ancak evrenin gözlemlenen cömertliğinin tamamen bilimsel bir açıklamasını içeren özel bir şekilde - benim adlandırdığım fiziksel Darwinizm aracılığıyla - yeni bir fiziksel paradigmanın oluşumu hakkındadır.

Bahsettiğim fizik kanunları nelerdir? Nasıl formüle edilirler? Richard Feynman'ın ortaya çıkışına kadar, teorisyenlerin fizik yasalarını ifade etmek için kullandıkları tek alet, kuantum alan teorisinin esrarengiz aşılmaz denklemleriydi - o kadar karmaşıktı ki matematikçiler bile onları anlamakta güçlük çekiyordu. Ama Feynman'ın fiziksel fenomenleri görselleştirme konusundaki esrarengiz yeteneği tüm farkı yarattı. Temel parçacıkların yasalarını birkaç basit çizim biçiminde nasıl özetleyeceğini buldu. Feynman diyagramları ve fizikçiler tarafından Standart Model olarak bilinen parçacık fiziği yasaları 1. Bölümün konusu olacak.

Evren ve doğa kanunları gerçekten bu kadar dengeli mi? "Tüm Fiziksel Sorunların Anası" olarak adlandırdığım ikinci bölüm, daha doğru bir şekilde "Kalıntılı Dengenin Anası" olarak adlandırılabilir. Temel parçacıkların yasaları yerçekimi yasalarına aktarılırsa, sonuç potansiyel bir felaket olacaktır: gök cisimlerinin temel parçacıklar gibi davrandığı bir dünya, hayal edilebilecek en yıkıcı güç tarafından parçalara ayrılacaktır. Bu kabustan kurtulmanın tek yolu, sabitlerden birinin değerini, Einstein'ın kozmolojik sabitini seçmektir , öyle ki, bu değerin tesadüfen ortaya çıkabileceği kimsenin aklına bile gelmez.

Kozmolojik sabit, yerçekimi teorisini tamamladıktan kısa bir süre sonra Einstein tarafından ortaya atıldı ve 90 yılı aşkın bir süredir teorik fizikçiler için en büyük bilmece oldu. İtici bir kuvveti - yerçekimi karşıtı gibi - kozmolojik sabit çok küçük olmasaydı evreni tamamen parçalayabilecek bir kuvveti tanımlar. Ve sorun şu ki, tüm modern teoriler kozmolojik sabitin hiçbir şekilde küçük olmamasını gerektiriyor. Modern fizik iki temele dayanır: görelilik kuramı ve kuantum mekaniği. Dünyayı bu ilkeler üzerine inşa etmenin genel sonucu, çok hızlı bir şekilde kendi kendini yok eden Evrendir. Ancak tamamen açıklanamayan nedenlerle, kozmolojik sabit inanılmaz bir doğruluk derecesine "ayarlanmıştır". Bazıları için bu gerçek, evrenin bir yaratılış sonucu olması gerektiğine inanmanın temelidir.

Ama Standart Model tabletlere kazınmış değil, değil mi? Belki başka yasalar da mümkündür?

Üçüncü bölümde, neden tüm belirli yasalarımızın evrensel olmadığını açıklayacağım - yere veya zamana bağlı olarak değişebilirler. Fizik yasaları bir bakıma hava durumu gibidir: tıpkı yağmur, rüzgar veya dolunun sıcaklık, nem, barometrik basınç ve rüzgar hızı tarafından yönetilmesi gibi, görünmez kozmik güçler tarafından yönetilirler. Bu görünmez etki etmenlerine alanlar denir . Manyetik alan gibi bazıları bize tanıdık geliyor. Diğerleri fizikçiler tarafından bile bilinmiyor. Ama varlar, boşluğu dolduruyorlar ve temel parçacıkların davranışını kontrol ediyorlar. Peyzaj , bu teorik ortamın bütününü tanımlamak için uydurduğum bir terimdir. Peyzaj, bir teorinin izin verdiği tüm olası koşulların şematik bir temsili olan bir olasılıklar alanıdır. Son birkaç yılda, zengin bir olasılıklar manzarasının varlığı, sicim kuramında merkezi bir konu haline geldi.

Ancak tartışmamızın sadece bilimsel bir yanı yok. 4. Bölüm'de tartışmanın estetik yönü hakkında konuşacağız. Fizikçiler, özellikle teorik fizikçiler, yüksek bir güzellik, zarafet ve benzersizlik duygusuna sahiptir. Her zaman doğa kanunlarının bazı zarif matematiksel ilkelerin eşsiz ve kaçınılmaz sonuçları olduğuna inanmışlardır. Bu inanç kafalarında o kadar derine yerleşmiş ki, aslında hiçbir özgünlük ve zarafet olmadığı ortaya çıkarsa, fizik kanunlarının korkunç ve çirkin olduğu ortaya çıkarsa, meslektaşlarımın çoğu acı bir kayıp ve hayal kırıklığı duygusu yaşayacaklar. . Ama bir fizikçinin anlayışında bir fizik yasasının zarafeti nedir?

Evrenin yapısının doğruluğunun tek kriteri, akıllı yaşamın var olma olasılığı ise, o zaman tüm teorik yapı pekala beceriksiz bir Rube Goldberg makinesi gibi görünebilir. [10] Fizikçilerin temel parçacıkları yöneten yasaların zarif olduğuna dair güvencelerine rağmen, ampirik kanıtlar bizi aksi sonuca götürüyor. Evrenin bir Rube Goldberg makinesiyle, matematiksel simetrinin benzersiz bir sonucundan daha fazla ortak noktası var. Güzellik ve zarafetin fizikteki anlamını anlamadan, bu kavramların tarihçesini ve gerçek dünyayla ilişkilerini bilmeden tartışmayı tam olarak anlayamayacağız ve bir paradigma değişikliğine duyulan ihtiyacı takdir edemeyiz. Bu kitap kavramsal "deprem" hakkındadır, ancak sadece teorisyenlerin eserlerinde değildir.

Bildiklerimizin çoğu deneysel kozmoloji ve modern astronomiden bilinmektedir. Paradigma değişimini yönlendiren iki önemli keşif: Şişme kozmolojinin başarısı ve çok küçük bir kozmolojik sabitin keşfi. Şişme terimi , Evrenin Büyük Patlama için sahnesini hazırlayan kısa bir hızlı üstel genişleme dönemini ifade eder. Şişme olmasaydı Evren muhtemelen küçücük bir zerrecik olarak kalacaktı, temel bir parçacıktan fazlası olmayacaktı. Şişme aşamasının bir sonucu olarak evren, en güçlü teleskoplarla tespit edebileceğimiz her şeyden çok daha büyük bir boyuta ulaştı. Alan Guth, 1980'de şişme kuramını ilk kez öne sürdüğünde, astronomik gözlemlerin onu doğrulama ya da çürütme şansı çok azdı. Ancak o zamandan beri, astronomi yeteneklerini birkaç kat artırdı ve bir zamanlar düşünülemez görünen şey, bugün bir oldu bitti.

Astronomideki inanılmaz gelişmeler, fizikçileri maviden bir şimşek gibi vuran ve bilim dünyasını o kadar şoke eden ikinci bir keşfe yol açtı ki, sonuçlarından hâlâ kurtulamadık. Herkes uzun süredir unutulan kozmolojik sabitin [11] sıfıra eşit olduğundan emindi ve birden öyle olmadığı ortaya çıktı. Sanki birisi, doğmakta olan yaşamı ölümcül tehlikeden korumak için - ve başka bir şey için - doğa yasalarına özel olarak kozmolojik sabitin sıfır olmayan bir değerini yazmış gibi görünüyordu. 5. Bölüm bu keşiflere ayrılmıştır. Bu bölüm aynı zamanda okuyucunun ihtiyaç duyacağı temel astronomi ve kozmoloji bilgilerini de sağlar.

Kozmolojik sabit, "dengeleme eyleminin anası" olarak hizmet edebilir, ancak fantastik bir tesadüf gibi görünen birçok ek hassas koşul vardır. "Dondurulmuş ve Haşlanmış Balık Üzerine" başlıklı 6. Bölüm, evreni dengeleyen bu daha küçük ağırlıklardan bahsedecek. Kozmolojik ölçeklerden mikroskobik ölçeklere, evrenin genişleme senaryosundan proton ve nötron gibi temel parçacıkların kütlelerine kadar uzanırlar. Öğrendiğimiz ders, evrenin basit olmadığı, aksine şaşırtıcı, açıklanamayan mutlu tesadüflerle dolu olduğudur.

Yakın zamana kadar antropik ilke, neredeyse tüm fizikçiler tarafından bilim dışı, dinsel ve genel olarak çıkmaz ve hatalı bir fikir olarak algılanıyordu. Onlara göre bu ilke, kendi mistik fikirleriyle sarhoş, sarhoş kozmologların hezeyanının meyvesiydi. Sicim teorisi gibi gerçek teoriler, kendi varlığımızın olasılığı veya imkansızlığı ile hiçbir ilgisi olmayan, doğanın tüm gizemlerini bilimsel bir şekilde çözmelidir. Ancak kaderin şaşırtıcı bir cilvesi, sicim teorisyenlerini garip bir duruma soktu: Şimdi kendi çok değer verdikleri teorileri onlara karşı döndü ve rakiplerinin elinde bir silah haline geldi. Eşsiz derecede zarif bir teorik yapı yerine, Rube Goldberg makinesinin ruhuna uygun devasa bir manzara yaratıyor. Sonuç olarak, birçok sicim teorisyeni barikatlarda taraf değiştirdi. 7., 8., 9. ve 10. bölümlerde sicim kuramından ve onun paradigma kayması üzerindeki etkisinden bahsedeceğim.

11. ve 12. Bölümler, astronomların, kozmologların ve teorik fizikçilerin evreni şekillendirmek için birlikte çalıştıkları yeni yolları keşfediyor: kozmologlar Andrey Linda, Alexander Vilenkin ve Alan Gut'a göre, inanılmaz çeşitlilikteki neredeyse sonsuz bir koleksiyondan oluşan bir dünya. "cep evrenleri. Her cebin kendi "hava durumu" vardır: kendi temel parçacıklar listesi, bir dizi etkileşim ve fiziksel sabitler. Bu kadar geniş bir evren görüşünün sonuçları fizik ve kozmoloji için çok önemlidir. “Evrenimizdeki her şey neden gözlemlediğimiz gibi?” "Bu sayısız cep çeşitliliği içinde, evrenimizdeki koşullara benzer koşulları olan bir tane var mı?" Yeni teorinin götürdüğü antropik ilke tartışmasındaki devrim niteliğindeki değişiklikler olan, başlangıçtaki kaostan evrimle bu çeşitliliğe yol açan sürekli enflasyon adlı mekanizma 11. bölümde tartışılmaktadır.

Kozmolojik paradigmadaki değişim sadece teorik fiziğin temellerini ilgilendirmiyor. 12. Bölüm titanların savaşı hakkında, benim Kara Delik Savaşı adını verdiğim bir çatışma. Bu savaş son otuz yıldır devam ediyor ve fizikçilerin yerçekimini ve karadelikleri anlama biçimini kökten değiştirdi. Savaş, kara deliğin olay ufkunun ötesine düşen bilginin kaderi üzerineydi: Ufkun o tarafında kalan bir dış gözlemci için sonsuza kadar mı kaybedildi? Yoksa karadelik buharlaştıktan sonra bilgilerin Evrenimize geri döndüğü bazı ince bilinmeyen iletişim kanalları var mı? Hawking, ufkun ötesine geçen tüm bilgilerin sonsuza dek kaybolduğu görüşünü savundu. Diğer tarafta bulunan nesneler hakkında bilgi almanın en ufak bir yolu yoktur. Ama öyle değildi. Kuantum mekaniğinin yasaları, bir bitin bile kaybolma olasılığına izin vermez. Bilginin bir kara delikte müebbet hapisten nasıl kurtulduğunu anlamak için uzayla ilgili en temel fikirleri tamamen yeniden inşa etmek gerekiyordu.

Kara Delik Savaşı, bu kitapta ortaya atılan soruların yanıtlarını bulmamıza nasıl yardımcı olacak? Evren kozmolojik sabitin etkisi altında genişlediği için kozmolojik ölçekte de bir olay ufku olmalıdır. Kozmik ufkumuz Dünya'dan yaklaşık 15 milyar ışıkyılı uzaklıkta, yıldızlar o kadar hızlı "kaçıyor" ki, diğer sinyaller gibi ışıkları bize asla ulaşamayacak. Bunlar, bir kara deliğin ufkunda olduğu gibi, geri dönüşü olmayan noktalardır. Tek fark, kozmik ufkun bizi çevrelemesi, biz ise kara delik ufkunu çevreliyoruz. Her durumda, ufkun ötesinden hiçbir şey bizi etkileyemez, en azından öyle sanılıyordu ... Ayrıca, diğer cep evrenleri - devasa bir çeşitlilik denizi - ulaşamayacağımız, ufkun ötesinde! Klasik teoriye göre, bu diğer dünyalar sonsuza kadar bizim dünyamızdan izole edilmiştir. Ancak Kara Delik Savaşı'nı kazanan aynı argümanlar kozmolojik ufuklar için de geçerlidir. Diğer tüm cep evrenlerin yapısının ve varlığının kanıtı, sürekli olarak gözlemlenebilir evrenimizin tüm parçalarını kaplayan kozmik radyasyonun incelikli özelliklerinde saklıdır. 12. Bölüm, nasıl kazanıldığı ve kozmoloji için ne gibi sonuçları olduğu hakkında bir hikaye olan "Kara Delik Savaşı"na bir giriş niteliğindedir.

"Uzay Manzarası"nda özetlenen tartışmalar ve tartışmalar gerçekte gerçekleşti: fizikçiler ve kozmologlar kendi görüşlerini tüm tutkularıyla savundular, bunların hepsi gerçekti. 13. Bölüm, önde gelen teorik fizikçilerin ve kozmologların modern görüşlerine ve onların tartışmalarına ayrılmıştır. Ayrıca, deneylerin ve gözlemlerin fikir birliğine varmamıza yardımcı olabileceği çeşitli yolları tartışır.

Victor'un sorusuna, "Neden varlığımızın Tanrı'nın sonsuz sevgisinin ve iyiliğinin bir tezahürü olduğunu varsaymıyoruz?" Laplace'ın Napolyon'a verdiği yanıtı aktarırdım: "Bu hipoteze ihtiyacım yok." "Kozmik manzara" benim cevabım ve aynı şekilde, iyiliksever bir evren paradoksuna sürekli büyüyen fizikçiler ve kozmologlar ordusunun cevabı.

 Bölüm 1. Feynman'ın Dünyası
 

Gökyüzüne bakıp “Bütün bunlar ne anlama geliyor? Nereden geldi? Bütün bunlardaki rolüm nedir? Bunun sadece tarih öncesi zamanlarda, muhtemelen Afrika'da olduğunu varsayabiliriz. Mitlere dayanan ilk kozmolojik modellerin günümüzün bilimsel kozmolojisi ile hiçbir ilgisi yoktu, ancak aynı insan merakından doğdular. Şaşırtıcı olmayan bir şekilde, bu mitler toprak, su, gökyüzü ve canlılar hakkındaydı. Ve elbette, doğaüstü bir yaratıcıya başvurdular: Yağmur, güneş, yenilebilir hayvanlar ve yalnızca bizim yararımıza yaratılmış gibi görünen bitkiler bir yana, insanlar gibi karmaşık ve girift yaratıkların varlığını başka nasıl açıklayabiliriz?

Hem göksel hem de dünyevi dünyayı yöneten kesin yasaların varlığı fikri, bizi Isaac Newton'a yönlendirir. Newton'dan önce, gezegenler gibi gök cisimlerine ve ayrıca günlük dünyevi olaylara eşit derecede uygulanabilir evrensel yasalar kavramı yoktu: yağan yağmur veya uçan bir ok. Newton'un hareket yasaları, bu tür evrensel yasaların ilk örneğidir. Ancak Sir Isaac'ın kudretli zihni bile, aynı yasaların insanın ortaya çıkmasına yol açabileceğini öne sürecek kadar ileri gidemedi. Ne yazık ki, Newton teolojiye fizikten daha fazla zaman ayırdı.

Tarihçi olmamama rağmen, modern kozmolojinin aslında Darwin ve Wallace ile başladığı fikrine hala cüret edeceğim. [12] Seleflerinden farklı olarak, varlığımız için doğaüstü güçlerin müdahalesini tamamen dışlayan bir açıklama sunmayı başardılar. Darwin'in evrim teorisi iki ampirik yasaya dayanmaktadır. İlki, bilgileri kopyalarken hatalardan tamamen kaçınmanın imkansız olduğunu söylüyor. En iyi üreme makineleri bile zaman zaman başarısız olur ve DNA replikasyonu da bir istisna değildir. Crick ve Watson'ın DNA'nın moleküler çift sarmalını keşfetmesinden bir asır önce, Darwin sezgisel olarak rastgele mutasyonların birikmesinin evrimi yönlendiren mekanizma olduğunu fark etti. Mutasyonların çoğu elverişsizdir, ancak Darwin olasılıkları, yararlı mutasyonların ara sıra tamamen şans eseri meydana geldiğini bilecek kadar iyi biliyordu.

Darwin'in sezgisel teorisinin ikinci ayağı rekabet ilkesiydi. Kazanan doğurur. En iyi genler refah sağlar, en kötüleri ise ölümcül bir evrimsel çıkmaza yol açar. Bu iki basit fikir, karmaşık ve hatta zeki yaşam formlarının doğaüstü müdahale olmaksızın nasıl evrimleşebileceğini mükemmel bir şekilde açıklıyor. Günümüzün bilgisayar virüsleri ve internet solucanları dünyasında, benzer evrimsel ilkelerin cansız nesnelere uygulandığını hayal etmek çok kolaydır. Büyüyü canlıların kökeninden çıkardıktan sonra, yaratma eyleminin tamamen bilimsel bir açıklamasının yolu önümüzde açılıyor.

Darwin ve Wallace sadece biyoloji bilimleri için değil, aynı zamanda kozmoloji için de standartları belirlediler. Evrenin doğuşunu ve evrimini yöneten yasalar, taşların düşmesini, kimyasal reaksiyonları, nükleer süreçleri ve temel parçacıkların dönüşümlerini yöneten yasalarla aynı olmalıdır. Karmaşık ve hatta zeki yaşamın rekabet yoluyla doğal olarak tesadüfen gelişebileceğini göstererek bizi doğaüstü prangalardan kurtarıyorlar. Kozmologlar da aynısını yapmalıdır: kozmolojiyi, kökeni bizim kendi varlığımızla hiçbir bağlantısı olmayan, tüm evren için aynı olan kişisel olmayan kurallara dayandırmalıdır. Kozmologların varlığını kabul edebildikleri tek tanrı, "kör saatçi" Richard Dawkins'tir. [13]

Modern kozmolojik paradigma çok eski değil. Ben gençken ve 1960'ların başında Cornell Üniversitesi'nde yüksek lisans öğrencisiyken, Big Bang Teorisi , Big Bang Teorisinin bariz mantıksal muhalifi olan Durağan Evren Teorisi ile hâlâ keskin bir karşı karşıya gelme halindeydi . Büyük Patlama teorisi, Evrenin belirli bir zamanda ortaya çıktığını söylüyorsa, durağan Evren teorisi, Evrenin her zaman var olduğunu söylüyordu . Bu teori, üç ünlü kozmologun buluşuydu: Evrenin yaklaşık on milyar yıl önce bir patlama sonucu yaratılışını çok şüpheli bir olay olarak gören Fred Hoyle, Herman Bondi ve Thomas Gold. Gold, Cornell'de bir profesördü ve ofisi benimkinden sadece birkaç kapı ötedeydi. O günlerde, sonsuz yaşlı ve sonsuz büyük evrenin erdemini yorulmadan vaaz etti. Onunla tanışıklığım, sabahları selamlaşmamızla sınırlıydı ama bir gün, onun için pek alışılmadık bir durum olan Gold, birkaç öğrenciyle bir fincan kahve içerek oturdu ve ona bir soru sorma fırsatım oldu. Bana uzun zamandır eziyet eden soru: “Eğer Evren sonsuz ve değişmezse, galaksiler nasıl oluyor da birbirlerinden uzaklaşıyorlar? Bu, geçmişte uzayda daha sıkışık oldukları anlamına gelmiyor mu?" Gold'un açıklaması basitti: "Galaksiler elbette uçarlar ama birbirlerinden uzaklaştıkça aralarındaki boşluk yeni yaratılan maddeyle dolar." Elbette makul, ancak matematiksel olarak anlamlı olmayan bir cevaptı. Sonraki birkaç yıl içinde durağan evren teorisi yerini Büyük Patlama teorisine bıraktı ve unutuldu. Kazanan Big Bang paradigması, genişleyen evrenin yaklaşık on milyar yaşında ve on milyar ışıkyılı çapında olduğunu belirtti. [14] Bununla birlikte, her iki teori tarafından paylaşılan bir ifade var: Evrenin homojen olduğu, yani tarihi boyunca evrenin herhangi bir bölümünde aynı fiziksel yasaların işlediği ve bunların tam olarak bizim evrenimizde keşfettiğimiz yasalar olduğu inancı. toprak laboratuvarları.

Deneysel kozmolojinin olgunlaşmasını izlemek ilginçti. Son kırk yılda, bir dizi nitel hipotezden olgun ve oldukça doğru bir nicel bilime dönüştü. Ancak, Georgy Gamow tarafından formüle edilen Big Bang teorisinin ana kavramlarının yerini ancak nispeten yakın bir zamanda daha güçlü fikirler almaya başladı. Yeni bir yüzyılın şafağında, aniden, görünüşe göre evren anlayışımızı sonsuza dek değiştirecek bir dönüm noktasını aştığımızı bulduk. Yeni bir olgunun keşfinden veya yeni bir denklemin türetilmesinden çok daha önemli bir şey oldu. Dünya görüşümüz, düşüncemizi sınırlayan çerçeve, üstelik tüm fizik ve kozmoloji epistemolojisi şimdi ciddi bir alt üst oluş yaşıyor. On milyar yıl yaşında ve on milyar ışıkyılı çapında tek bir evreni temsil eden 20. yüzyılın dar paradigması, bir dizi yeni olasılığı doğurmaya hazır, kıyaslanamayacak kadar büyük bir şeye yol açıyor. Yavaş yavaş, benim gibi kozmologlar ve fizikçiler, on milyar yıllık evrenimizi devasa Megaevren'in son derece küçük ceplerinden biri olarak görmeye başlarken [15] teorik fizikçiler, olağan doğa yasalarımızı çok uzaklara iten teoriler öneriyorlar. matematiksel olasılıkların devasa manzarasının bir köşesi.

Bu kitap bağlamında kullanıldığı şekliyle "manzara" kelimesi sadece birkaç yaşında, ancak onu 2003'te icat ettiğimden beri kozmolojik sözlükte güçlü bir yer edindi. Teorinin izin verdiği tüm olası doğal koşulları temsil eden matematiksel bir alanı ifade eder. Koşulların her olası gerçekleşmesi kendi fiziksel yasalarını, kendi temel parçacıklar kümesini ve temel sabitleri içerir. Gerçekleştirilebilir dünyalardan bazıları bizimkine çok benzer, ancak ayrıntılarda farklılık gösterir. Örneğin, bir dünya elektronları, kuarkları ve bizim dünyamızda bilinen diğer tüm temel parçacıkları içerebilir, ancak içindeki yerçekimi kuvveti bir milyar kat daha güçlü olacaktır. Bir diğerinde yerçekimi kuvvetleri bizim dünyamızdakiyle aynı olacaktır, ancak elektronlar atom çekirdeğinden daha ağırdır. [16] Üçüncüsü, galaksileri, molekülleri ve hatta atomları farklı yönlere çeken muazzam bir itme kuvveti (kozmolojik sabitle tanımlanır) dışında her yönden bizimkine benzer olacaktır. Ve uzayımızın üç boyutluluğu bile "kutsal bir inek" değildir; Peyzajın bireysel alanları dört, beş, altı veya daha fazla uzamsal boyuta sahip olabilir.

Modern kozmolojik teorilere göre, peyzajın çeşitliliği, sıradan uzayda karşılık gelen bir çeşitliliğe yol açar. Günümüzün en iyi evren teorisi - enflasyonist kozmoloji - bizi irademize karşı, Alan Guth'un "cep evrenler" olarak adlandırdığı çok sayıda dünyayla dolu bir Megaevren kavramına götürüyor. Cep evrenlerinden bazıları mikroskobik olarak küçüktür ve asla makro boyuta ulaşmayacaktır. Diğerleri bizimki gibi büyük ama tamamen boş. Ve her biri, kozmik Manzaranın kendi küçük vadisinde bulunur. Eski 20. yüzyıl sorusu, "Evrende ne bulabiliriz?" şimdi şu şekilde yeniden formüle edilmelidir: " İçinde ne bulamıyoruz ?"

İnsanın evrendeki yerini de yeniden düşünmek ve yeniden düşünmek gerekiyor. Megaevren o kadar çeşitlidir ki, akıllı yaşamın her yerde var olması pek olası değildir, ancak ayrı parçalarında gelişebilir. Bu yeni bakış açısına göre, “Bu fiziksel sabit neden bu değere sahip de başka bir değere sahip değil?” gibi birçok soruya cevap veriyor. fizikçilerin duymayı umduklarından kökten farklı olacak. Arazi, tüm olası değerlerin sonsuz sayıda varyasyonuna izin verdiğinden, sabitlerin benzersiz değerleri, titiz matematiksel türetmenin sonucu olmayacaktır. Bunun yerine cevap şu olacaktır: "Megaverse'te bir yerde bu sabit bu değere sahiptir ve bir yerde bu değere sahiptir. Sabitlerin değerlerinin, bizim türümüzdeki yaşamın var olabileceği şekilde olduğu küçük bir cepte yaşıyoruz. Bu yüzden. Ve hepsi bu! Başka cevap yok."

Doğa kanunları ile temel sabitlerin değerlerinin şaşırtıcı derecede uyumlu bir kombinasyonunu gözlemliyoruz, bunun başka bir açıklaması yok: "Aksi olsaydı, akıllı yaşam var olamazdı." Bazılarına göre fizik yasaları, en azından bazıları, varlığımızı sağlamak için özel olarak seçilmiştir. Giriş bölümünde de belirttiğim gibi, çoğu fizikçi antropik ilke adı verilen bu fikirden nefret eder. Birçoğu için doğaüstü yaratılış efsanesi, din ve akıllı tasarım gibi kokuyor. Bazıları bunun teslim olmayı gerektirdiğine inanıyor ve mantıklı cevaplar için asil arayıştan vazgeçiyor. Ancak fizik, astronomi ve kozmolojideki benzeri görülmemiş yeni keşifler nedeniyle, aynı fizikçiler şimdi önyargılarını yeniden düşünmeye zorlanıyorlar. Bu değişim dalgalarını yönlendiren itici güç dört temel keşiftir: ikisi teorik fizikte ve ikisi gözlemsel astronomide. Teorik açıdan , sürekli şişme teorisi olarak adlandırılan enflasyonist teorinin bir dalı dalgalar yaratıyor ve dünyanın yeni kapatılmamış bir şampanya şişesindeki gaz kabarcıkları gibi köpüren cep evrenlerle dolu bir mega evren olmasını gerektiriyor. Aynı zamanda, sicim kuramı inanılmaz çeşitlilikte bir manzara üretir. En iyi tahmin, 10.500 farklı olası dünyadır. Bu sayı (birden sonra gelen beş yüz sıfır), en "hayal edilemeyecek kadar büyük" sayılardan çok daha üstündür, ancak bu bile tüm olası seçenekleri tanımlayacak kadar büyük olmayabilir.

En son astronomik keşifler neredeyse teorik gelişmelere paralel olarak yapılmıştır. En son astronomik kanıtlar, evrenin şişme aşaması sırasında katlanarak, alıştığımız standart on veya on beş milyar ışıkyılı inanılmaz bir sayıya kadar genişlediğini doğrulamaktadır. Çok daha büyük bir Megaevrenin parçası olduğumuzdan hiç şüphemiz yok. Ancak en şaşırtıcı haber, kozmik cebimizde, meşhur kozmolojik sabitin (Einstein'ın denklemlerine dahil ettiği ve daha sonra şiddetle terk ettiği matematiksel bir terim) daha önce düşünüldüğü gibi hiçbir şekilde sıfır olmamasıdır. Bu keşifler tekneyi diğerlerinden daha fazla sarstı. Kozmolojik sabit, yerçekimi etkileşimine, varlığına gerçek dünyada kesinlikle kimsenin inanmadığı bir tür yerçekimi karşıtı ek bir itici güç katar. Sıfırdan farklı bir kozmolojik terimin varlığı fizikçiler için bir felaketti ve bu keşfi bir şekilde kavramanın bildiğimiz tek yolu, hor görülen ve yerilen insancıl ilkeye başvurmaktır.

Kozmik Manzaranın enginliğini keşfetme yolunda Evren anlayışımızın başka hangi garip ve hayal edilemez dönüşlerin üstesinden geleceğini bilmiyorum. Ancak, 22. yüzyılın başında, filozofların ve fizikçilerin "bugüne", 20. yüzyılın Evren yapısı kavramının yerini bir Manzara ile dolu bir Megaevrene bıraktığı bir kilometre taşı olarak bakacaklarından eminim. nefes kesici oranlarda.

 doğa titriyor
 

Kuantum teorisi sizi şok etmediyse, henüz anlamamışsınız demektir.

Niels Bohr

Fizik Yasalarının Evrende bir yerden bir yere değişebileceği iddiası, doğada birden fazla evren olduğu iddiası kadar anlamsızdır. Evren - kelimenin tam anlamıyla - var olan her şeydir ve teoride bu isim hiçbir şekilde çoğul olmamalıdır. Evreni bir bütün olarak yöneten yasalar değişemez, çünkü hemen şu soru ortaya çıkar: yasaların değişimini hangi yasalar yönetir? Bu kanunlar Fizik Kanunları ile ilgili midir?

Ama Fizik Yasalarından, Megaevrenin tüm yönlerini yöneten her şeyi kapsayan büyük yasalardan daha mütevazı bir şey anlıyorum. Onlarla, sıradan 20. yüzyıl fizikçilerinin anladığı şeyi kastediyorum, Evrenin kaderi üzerine düşünmekten çok laboratuvar araştırmalarıyla meşguller: Fizik Yasaları derken, sıradan yaşamın "yapı taşlarını" yöneten yasaları kastediyorum. Önemli olmak.

Bu kitap bu tür Fizik Yasaları hakkındadır. "Onlar nedir?" değil, "Neden böyleler?" sorusunu gündeme getirir. Bu yasalar nelerdir? Neyi iddia ediyorlar ve nasıl ifade ediliyorlar? Kitabımın ilk bölümünün amacı, üçüncü binyılın başında anlaşıldıkları şekliyle fizik yasalarının kısa bir açıklamasını vermektir.

Isaac Newton ve takipçileri için, fiziksel dünya, "günden sonra gece olduğu gibi" aynı kaçınılmazlıkla, geleceği tartışmasız bir şekilde geçmişi tarafından belirlenen, katı bir şekilde determinist bir makineydi. Doğa yasaları, bu determinizmi kesin matematiksel dille açıklayan kurallar (denklemler) idi. Örneğin, başlangıç koordinatlarını ve hızını doğru bir şekilde ayarlayarak bir nesnenin hareket edeceği yörüngeyi kesinlikle kesin olarak belirlemek mümkündür. Büyük Fransız fizikçi Pierre-Simon Laplace (1749–1827) determinizm fikrini şu şekilde ifade etmiştir:

“ Evrenin şu anki durumunu geçmişinin sonucu ve geleceğinin nedeni olarak görebiliriz. Herhangi bir anda doğayı harekete geçiren tüm güçleri ve onu oluşturan tüm cisimlerin konumunu bilebilecek olan zihin, eğer bu verileri analiz etmeye yetecek kadar geniş olsaydı, tüm evreni kuşatabilirdi. Evrenin en büyük cisimlerinin tek bir yasada hareketi ve en küçük atom böyle bir zihin için hiçbir şey karanlık olmazdı ve geçmiş gibi gelecek de onun gözünde var olurdu .”

Laplace'ın ifadesi kulağa biraz gösterişli geldiği için, onu daha kesin bir formülle yeniden anlatmalıyım: Eğer zamanın bir noktasında siz (veya bazı süperzekâlar) evrendeki tüm parçacıkların koordinatları ve hızları hakkında kesinlikle doğru bilgiler alırsanız, bu evrenin geleceği, keyfi olarak uzun bir süre boyunca mutlak doğrulukla. Bu aşırı determinist doğa görüşü, asi düşünür Einstein'ın ortaya çıkıp her şeyi değiştirdiği 20. yüzyılın başlarına kadar hakim paradigmaydı. Einstein esasen izafiyet teorisinin yaratıcısı olarak bilinmesine rağmen, fiziğe yaptığı en önemli ve radikal katkı, fiziğin temellerini sarsan bir katkı, izafiyet teorisinin değil, kuantumun tuhaf dünyasının yaratılmasıydı. mekanik. Ve sonra fizikçiler, Fizik Yasalarının her şeyden önce kuantum mekaniğinin yasaları olduğunu anladılar. Bu yüzden ilk bölüme kuantum mekaniği felsefesine kısa bir giriş yaparak başlayacağım.

Carroll'ın Harikalar Diyarı'nı anımsatan modern fizik dünyasını, her şeyin göründüğü gibi olmadığı, her şeyin dalgalanıp titreştiği ve belirsizliğin her şeye hükmettiği bir dünya hayal edin. Newton'un öngörülebilir "saat mekanizması" evrenini unutun. Kuantum mekaniği dünyası tamamen tahmin edilemez. 20. yüzyılın başında fizikte gerçekleşen devrim hiçbir şekilde “kadife” değildi. Sadece fizik yasalarını tanımlayan denklemleri değiştirmekle kalmadı, aynı zamanda klasik fizik ve felsefenin epistemolojik temellerini de yok etti.

Birçok fizikçi, zihinlerini yeni bir şekilde yeniden inşa etmeyi başaramadı ve düşünceleri 19. yüzyılda kaldı. Ancak yeni ve sıra dışı fikirlerden keyif alan daha genç ve daha esnek bir araştırmacı kuşağı, yeni fiziği tanımlamanın sezgisel ve güçlü bir yolunu yarattı. Onların katkıları, benim kuşağımın kuantum mekaniği ve rölativizm açısından düşünmesini klasik olanlardan çok daha kolay hale getirdi.

Kuantum mekaniğinin yaratılması, fizik tarihindeki en büyük şoktu. Kuantum dünyası, sürekli dalgalanmalar dünyası, olasılıklar dünyası ve belirsizlikler dünyasıdır. Ancak elektron, iskelede sarhoş bir denizci gibi uzayda sendelemez, soyut matematiğin Kabalistik sembolleriyle doğru bir şekilde tanımlanabilecek yeterince katı rastgelelik kalıplarına uyar. Bununla birlikte, benim açımdan biraz çaba ve sizin açınızdan biraz sabır, kuantum mekaniğinin en önemli hükümlerini basit ve anlaşılır bir insan diline çevirmemizi sağlayacaktır.

19. yüzyıldan beri fizikçiler, fiziksel dünyayı etkileşen ve çarpışan parçacıkların bir koleksiyonu olarak temsil eden bilardo metaforunu kullandılar. Bu benzetme hem Maxwell hem de Boltzmann tarafından kullanıldı. Bugün hala kuantum dünyasını açıklamak için kullanılmaktadır. Bunu ilk kez, aşağıdaki açıklamayı bulan Richard Feynman'dan duydum:

Topların sürtünme yaşamadığı ve topların tüm çarpışmalarının kesinlikle esnek olduğu, yani topların çarpışması sırasında kinetik enerji kaybının olmadığı, yuvarlanan ideal bir bilardo masası hayal edin. Ek olarak cepleri çıkaracağız, böylece toplar bir kez harekete geçtikten sonra birbirleriyle ve bilardo duvarlarıyla çarpışarak sonsuza kadar hareket etmeye devam edecekler. Oyunun başında, on beş top, bir gülle piramidinin iki boyutlu bir analoğu gibi bir üçgen içinde düzenlenmiştir. On altıncı top piramidi kırar.

Bundan sonra ne olacağını tahmin etmek ve doğru bir şekilde tarif etmek son derece zordur. Ama neden? Çünkü her çarpışma, topların başlangıç hızları ve konumları arasındaki küçük farkları çoğaltır ve başlangıç parametrelerindeki çok küçük bir değişiklik bile birçok çarpışmadan sonra nihai hızlarda ve koordinatlarda büyük bir değişikliğe yol açar. Sistemin davranışının başlangıç koşullarına karşı aşırı duyarlılığının durumuna kaos denir ve çevremizdeki doğa için tipik bir durumdur. Başlangıç koşullarının bir dizi tamsayı tarafından tanımlandığı bir satranç oyununun simülasyonunun aksine, bir bilardo oyununun simülasyonu neredeyse sonsuz doğruluk gerektirir. Bununla birlikte, klasik fizikte, toplar mükemmel bir şekilde kesin yörüngeler boyunca hareket eder ve topların ilk konumları ve hızları bizim tarafımızdan sonsuz doğrulukla bilindiği takdirde, hareketleri tamamen tahmin edilebilir. Tabii ki, topların hareketini ne kadar uzak bir zamanda tahmin etmek istiyorsak, başlangıç koşullarını o kadar doğru bilmemiz gerekir. Ancak başlangıç koşullarını belirlemenin doğruluğu konusunda herhangi bir kısıtlama olmadığı için, geleceği tahmin etmenin veya geçmişi yeniden inşa etmenin doğruluğu konusunda da buna bağlı olarak herhangi bir kısıtlama yoktur.

Klasik bilardonun aksine, başlangıç koşullarını ne kadar kesin olarak belirlersek belirleyelim, kuantum bilardo tamamen tahmin edilemez. Topların istatistiksel davranışından başka bir şeyi tahmin etmemize izin verecek böyle bir doğruluk yoktur. Klasik bilardoda, başlangıç koşullarını belirlemede teknik olarak gerekli doğruluğu elde edemediğimizden veya karşılık gelen denklemlerin çözümünün çok karmaşık olmasından dolayı istatistiksel bir açıklamaya başvururuz. Ancak kuantum durumu bize başka seçenek bırakmıyor. Kuantum mekaniğinin yasaları, ortadan kaldırılamayacak temel bir belirsizlik içerir. Neden? Niye? Verili ilk koordinatlara ve hızlara dayanarak geleceği tahmin etmemizi engelleyen nedir? Cevap, Heisenberg'in ünlü belirsizlik ilkesinde yatıyor.

Belirsizlik ilkesi, koordinatların ve hızların eşzamanlı olarak belirlenmesinin doğruluğuna temel bir sınırlama getirir. Bu, Catch 22'de açıklanan durumun fiziksel karşılığıdır. Topun mevcut konumu hakkındaki bilgimizin doğruluğunu artırmaya çalışırken, kaçınılmaz olarak sonraki konumu hakkındaki bilgimizin doğruluğunu kaybederiz. Belirsizlik ilkesi sadece nesnelerin davranışının niteliksel bir özelliği değildir, kesin bir nicel formülasyona sahiptir: nesnenin konumunun belirsizliği ile momentumunun belirsizliğinin [17] ürünü her zaman belirli bir değerden (çok küçük) değer, Planck sabiti olarak adlandırılır. [18] Heisenberg'in kendisi ve ondan sonraki birçok kişi, belirsizlik ilkesini aşmanın bir yolunu bulmanın hayalini kurdu. Heisenberg, muhakemesinde elektronları örnek olarak kullandı, ancak bilardo topları da pekala düşünülebilir. Bir ışık akışıyla aydınlatılan bir kuantum bilardo topunu hayal edin. Topun yüzeyinden yansıyan ışık, bir mercekle bir fotoğraf filmi üzerine odaklanabilir ve ortaya çıkan görüntüyü inceledikten sonra, bilardo topunun konumu hakkında bir sonuca varılabilir. Ama hızını nasıl belirleyebilirim? En basit ve doğrudan yol, kısa bir süre sonra topun yerini tekrar belirlemektir. Vücudun art arda gelen iki konumu ve bunları ayıran zaman aralığı bilinerek, kişi hızı kolayca hesaplayabilir.

Bu tür bir deney neden imkansız? Cevap, Einstein'ın en büyük keşiflerinden birine kadar uzanıyor. Newton, ışığın parçacıklardan oluştuğuna inanıyordu, ancak 20. yüzyılın başında, ışığın parçacık teorisi tamamen gözden düştü. Girişim gibi birçok optik etki ancak ışığın su yüzeyindeki dalgalanmalar gibi bir dalga olduğu varsayılarak açıklanabilir. 19. yüzyılın ortalarında James Clerk Maxwell, ışığı havadaki ses dalgaları gibi uzayda yayılan elektromanyetik dalgalar olarak tanımlayan son derece başarılı bir teori yarattı. Dolayısıyla, Einstein'ın 1905'te, ışığın (ve diğer tüm elektromanyetik radyasyon biçimlerinin) kuantum veya foton adı verilen küçük parçacıklardan oluştuğu önerisi, en hafif tabirle şok ediciydi. Einstein garip bir şekilde ışığın önceki dalga özelliklerini (dalga boyu, frekans vb.) korurken ayrı parçacıklardan - kuantumlardan oluştuğunu öne sürdü. Bu kuantumlar, daha küçük parçalara bölünemeyen belirli enerji parçalarını taşır ve ışığın açıklanan özellikleri, kendisiyle çok küçük olan nesnelerin doğru bir görüntüsünün oluşturulmasına izin vermez.

Konumlandırma ile başlayalım. Topun net bir görüntüsünü elde etmek için ışığın dalga boyunun çok büyük olmaması gerekir. Kural basittir: Belirli bir doğrulukta bir nesnenin konumunu bulmak istiyorsanız, belirtilen hatayı aşmayan bir dalga boyuna sahip ışık kullanmalısınız. Işıkla üretilen tüm görüntüler az ya da çok bulanıktır ve keskinlik arzusu daha kısa dalga boylarının kullanılmasını zorunlu kılar. Bir ışık darbesinin enerjisinin keyfi olarak küçük olabileceği klasik fizikte böyle bir sorun yoktur. Ancak Einstein'ın gösterdiği gibi, ışık bölünemez fotonlardan oluşur ve dahası, daha sonra göreceğimiz gibi, ışığın dalga boyu ne kadar kısaysa, onu oluşturan fotonların enerjisi o kadar fazladır.

Tüm bunlar, daha keskin bir görüntü elde etmek ve topun konumunun daha doğru bir şekilde belirlenmesini sağlamak için daha yüksek enerjili fotonların kullanılması gerektiği anlamına gelir. Ancak bu, sonraki hız ölçümlerinin doğruluğuna ciddi sınırlamalar getirir. Gerçek şu ki, bilardo topundan yansıyan daha enerjik fotonlar ona daha fazla ivme kazandıracak ve böylece hızını değiştirecektir. Bu, konumu ve hızı sonsuz doğrulukla belirleme girişiminin başarısızlığının açık bir örneğidir.

1905'te keşfedilen elektromanyetik radyasyonun dalga boyu ile fotonların enerjisi arasındaki ilişki (dalga boyu ne kadar kısaysa, enerji o kadar büyük olur) Einstein'ın en önemli keşiflerinden biri haline geldi. Artan dalga boyuna göre, elektromanyetik radyasyonun spektrumu gama ışınları, x-ışınları, ultraviyole, görünür ve kızılötesi ışık, mikrodalga radyasyon ve radyo dalgalarından oluşur. Radyo dalgaları, bir metrenin kesirlerinden kozmik boyutlara kadar dalga boylarına sahiptir. Normal nesnelerin keskin görüntüleri için çok kötü bir seçimdir çünkü görüntüdeki bulanıklık miktarı bir dalga boyunda olacaktır. Radar ekranında, bir kişi bir torba kirli çamaşırdan ayırt edilemeyecek. Üstelik aralarındaki mesafe radyo dalgasının uzunluğundan azsa bir veya iki kişiyi gördüğümüzü kesin olarak bile söyleyemeyeceğiz. Tüm görüntüler bulanık görünecektir. Bu, radyo dalgalarının görüntüleme için yararsız olduğu anlamına gelmez; sadece çok küçük nesnelerin görüntülenmesi için uygun değildirler. Radyo astronomi, büyük astronomik nesneleri incelemek için çok güçlü bir tekniktir, gama ışınları ise atom çekirdeği gibi çok küçük şeyler hakkında bilgi almak için en iyisidir çünkü bir gama ışınının dalga boyu bir atomun boyutundan çok daha küçüktür.

Başka bir deyişle, bir kuantumun enerjisi dalga boyu azaldıkça artar. Bireysel radyo kuantumları tespit edilemeyecek kadar az enerjiye sahiptir. Görünür ışığın fotonları daha enerjiktir: Görünür ışığın bir fotonu bir molekülü yok etmek için yeterlidir. Karanlığa adapte olmuş insan gözü, enerjileri retina çubuklarını uyarmak için yeterli olduğu için tek tek fotonları ayırt edebilir. Ultraviyole ve X-ışını fotonları, bir atomdan bir elektronu koparmaya yetecek enerjiye sahiptir ve gama ışınları yalnızca atom çekirdeğini değil, protonları ve nötronları bile yok edebilir.

Dalga boyu ve enerji arasındaki bu ters ilişki, 20. yüzyıl fiziğindeki önemli eğilimlerden birini açıklıyor: gittikçe daha güçlü hızlandırıcıların inşası. Fizikçiler, molekülleri, atomları, çekirdekleri, kuarkları vb. inceleyerek maddenin yapısına ne kadar derinden girmeye çalışırlarsa, araştırdıkları küçük nesneler, bu nesnelerin net görüntülerini elde etmek için o kadar küçük dalga boylarına ihtiyaç duyarlar. Ancak dalga boyundaki bir azalma, kaçınılmaz olarak kuantumun enerjisinde bir artışı gerektirir. Bu kadar yüksek enerjileri elde etmek için, parçacıkların muazzam kinetik enerjilere doğru hızlandırılması gerekir. Örneğin, elektronları muazzam enerjilere hızlandırmak için devasa tesisler inşa etmek gerekir. Yaşadığım yerin yakınında bulunan Stanford Doğrusal Hızlandırıcı (SLAC), elektronları kütlelerinin 200.000 katı enerjiye hızlandırabilir. Ama bu yaklaşık iki mil uzunluğunda bir araba gerektirir. SLAC, esas olarak, bir protondan bin kat daha küçük nesnelerin gözlemlenmesine izin veren iki millik bir mikroskoptur.

20. yüzyıl boyunca fizikçiler giderek daha küçük nesneler elde ettikçe, giderek daha fazla beklenmedik şey keşfettiler. En dramatik olanlardan biri, protonların ve nötronların temel parçacıklar olmadığının keşfedilmesiydi. Yüksek enerjili parçacıklarla nükleonları vuran bilim adamları, küçük bileşenleri olan kuarkları ayırt edebildiler. Ancak (en küçük dalga boylarına karşılık gelen) en yüksek enerjilerde bile elektron, foton ve kuark, söyleyebileceğimiz kadarıyla nokta nesneler olarak kalır. Bu, elektronların ve kuarkların herhangi bir iç yapısını veya bileşen parçalarını saptayamayacağımız ve boyutlarını belirleyemeyeceğimiz anlamına gelir. Bizim için sonsuz küçük noktalar olarak kalıyorlar.

Heisenberg belirsizlik ilkesine ve sonuçlarına dönelim. Bir bilardo masasında bir top hayal edin. Top bilardo masasını terk edemediği için, uzaydaki konumu hakkında otomatik olarak zaten bir şeyler biliyoruz: konumunun belirsizliği masanın boyutundan büyük değil. Masa ne kadar küçük olursa, topun konumunu o kadar doğru biliriz, ancak momentumun belirsizliği de o kadar yüksek olur. Bir bilardo masasına kilitlenmiş bir topun hızını ölçmeye başlasaydık, o zaman farklı zamanlarda farklı hız değerleri alırdık ve her şeyden önce bu, hızın yönü ile ilgilidir. Topun tüm kinetik enerjisini almaya çalışırsak, kuantum mekaniksel durumda artık titreşimlerin ortadan kaldırılamayacağını görürüz. Brian Green [19] bu hareketi tanımlamak için kuantum titreme terimini icat etti ve ben onun örneğini takip edeceğim. Kuantum titreşimiyle ilişkili kinetik enerjiye sıfır noktası enerjisi denir ve bir kuantum nesnesinden alınamaz.

Belirsizlik ilkesinin gerektirdiği kuantum titremesinin varlığı, sıradan maddeyi sıfır sıcaklığa kadar soğutmaya çalıştığımızda ilginç bir sonuca yol açar. Isı, bildiğiniz gibi, moleküllerin rastgele hareketlerinin kinetik enerjisidir. Klasik fizikte, bir sistem mutlak sıfıra soğutulduğunda, moleküller sonunda tamamen durur ve sonuç olarak kinetik enerjileri de sıfır olur.

Bir katıdaki her molekülün iyi tanımlanmış bir konumu vardır, yalnızca bilardo masasının kenarlarında değil, diğer moleküller tarafından yerinde tutulur. Belirsizlik ilkesi, her molekülün bir miktar hıza sahip olmasını gerektirir. Sonuç olarak, kuantum mekaniği yasalarına uyan gerçek bir maddede, mutlak sıfırda bile kinetik enerji asla moleküllerden tamamen alınamaz!

Konum ve hız kesinlikle belirsizlik ilkesine tabi olan yegane parametreler değildir. Aynı anda belirlenemeyen pek çok sözde eşlenik nicelik çifti vardır : biri ne kadar doğru sabitlenirse, diğeri o kadar çok dalgalanır. Çok önemli bir örnek, enerji-zaman belirsizliği ilkesidir : Bir olayın tam olarak meydana geldiği anı ve olayda yer alan nesnelerin enerjilerinin tam değerini belirlemek imkansızdır. Deneysel bir fizikçinin zamanın belirli bir anında iki parçacığı çarpışmak istediğini varsayalım. Enerji-zaman belirsizliği ilkesi, parçacıkların enerjisini ve ayrıca çarpışmanın meydana geldiği zamandaki noktayı ölçebildiği doğruluğu sınırlar. Enerji ölçümünün doğruluğunun arttırılması, kaçınılmaz olarak çarpışma anının belirsizliğinde bir artışa yol açar - ve bunun tersi de geçerlidir.

Bölüm 3'te ele alacağımız bir diğer önemli örnek, uzayın belirli bir noktasındaki elektrik ve manyetik alanların büyüklüğü ile ilgilidir. Daha sonraki bölümlerde önemli bir rol oynayacak olan bu alanlar, uzayı dolduran ve elektrik yüklü parçacıklara etki eden kuvvetleri kontrol eden görünmez bir maddedir. Bir parçacığın koordinatı ve hızı gibi elektrik ve manyetik alanların güçleri aynı anda belirlenemez. Birinin yoğunluğu tam olarak biliniyorsa, diğerinin yoğunluğu zorunlu olarak belirsizdir. Bu nedenle alanlar, tamamen boş bir uzayda bile bir miktar enerji yoğunluğuna yol açan, ortadan kaldırılamayan sürekli bir "titreşim" halindedir. Bu boşluk enerjisi , modern fizik ve kozmolojinin en büyük paradokslarından birine yol açmıştır. Sonraki bölümlerde buna birçok kez geri döneceğiz.

Belirsizlik ve sarsıntılar her şey değildir. Kuantum mekaniğinin başka bir kuantum tarafı daha vardır. "Kuantum" kelimesi, doğanın bir dereceye kadar ayrıklığını veya tanecikliğini ima eder. Işık dalgalarını oluşturan enerji parçaları olan fotonlar sadece bir örnektir. Elektromanyetik radyasyon salınımlı bir süreçtir veya başka bir deyişle salınımdır. Salıncaktaki bir çocuk, sallanan bir yay, titreşen bir keman teli, bir ses dalgası, hepsi salınımlı fenomenlerdir ve hepsi ayrıklık özelliğine sahiptir. Her durumda enerji, parçalara bölünemeyen kuantum ayrık kısımlarda değişir. Yayların ve salınımların makroskobik dünyasında, enerjinin kuantumu o kadar küçüktür ki, bize öyle geliyor ki, enerji herhangi bir keyfi değer alabilir. Ama aslında, herhangi bir salınımın enerjisi, salınımların frekansının Planck sabitiyle çarpımına eşit bazı minimum bölünemez değerin katıdır.

Bir atomdaki elektronlar da çekirdeğin etrafında salınır. Bu durumda, enerji kuantizasyonu, elektronların ayrık yörüngelerde hareket ettiği düşünülerek açıklanabilir. Bohr'un yaptığı atomda, elektronlar, sanki bir koşu bandının ayrı şeritlerinde hareket etmeye zorlanırlarmış gibi, çekirdeğin etrafında dönüyor gibi görünürler. Bir elektronun enerjisi, kapladığı bant sayısına göre belirlenir.

Kuantum dünyasının titremesi ve ayrıklığı tuhaf görünse de, gerçekten tuhaf kuantum mekanik davranışı girişimdir . Bu dikkate değer fenomen, ünlü çift yarık deneyi ile açıklanır. Küçük bir ışık kaynağı hayal edin - karanlık bir odada çok parlak bir minyatür ampul veya daha iyisi - bir lazer ışını. Ondan biraz uzağa bir fotoğraf filmi yerleştirilmiştir. Bir kaynaktan gelen ışık filme çarptığında, normal fotoğraf negatif filmi gibi siyaha döner. Açıkçası, ışık yoluna metal levha gibi opak bir engel yerleştirilirse, ışık filmin üzerine düşmeyecek ve kararma gözlenmeyecektir. Şimdi metal levhada iki paralel dikey yarık keselim, böylece ışık filme çarpar ve içinden geçer. İlk denememiz çok basit: Bir yuvayı kapatın, soldaki diyelim ve ışık kaynağını açın.

Bir süre sonra, filmde geniş bir bant belirecek - sağ yarığın bulanık bir görüntüsü. Şimdi sağ slotu kapatıp sol slotu açalım. Filmde, birincisiyle kısmen örtüşen ikinci bir geniş bant belirecektir.

Pozlanmamış filmi tekrar alın, ancak bu kez iki yarığı da açın. Ne bekleyeceğinizi önceden bilmiyorsanız, sonuç sizi şaşırtabilir. Önceki durumda olduğu gibi filmde üst üste binen iki nokta olmayacak. Bunun yerine, bir zebra derisinde olduğu gibi bir dizi dar koyu ve açık şerit bulacağız. Bir önceki deneyden kalan koyu noktaların üst üste bindiği alanda artık pozlanmayan alanlar var. Işık, sağ ve sol yuvalardan geçerek bazı yerlerde kendi kendini yok ediyor gibi görünüyor. Bu fenomene yıkıcı girişim denir ve dalgaların iyi bilinen bir özelliğidir. Başka bir girişim örneği, neredeyse aynı iki nota çalındığında duyduğunuz vuruşlardır.

Bu deneyi evde denerseniz, size anlattığım kadar basit olmadığını göreceksiniz. İlk olarak, girişim deseni yalnızca yarıklar çok dar ve birbirine çok yakınsa net bir şekilde görünür olacaktır. Bir konserve açacağı ile çatlakları kesmeye çalışmayın - bundan iyi bir şey çıkmaz. Bir tıraş bıçağı alsan iyi olur. İkincisi, ışık kaynağı nokta olmalıdır. Noktasal bir ışık kaynağı yaratmanın eski, düşük teknolojili bir yolu, akkor ampulü içine bir iğne deliği açılmış siyah kağıtla kaplamaktır. Modern yüksek teknoloji yöntemi lazer kullanmaktır. Lazer işaretçi için idealdir. Düzgün kesilmiş yarıklardan geçen lazer ışığı, güzel ve net bir girişim deseni oluşturur. Bu deneyi gerçekleştirmenin ana zorluğu, tüm bileşenleri güvenli bir şekilde sabitlemektir.

Optik alıştırmalarımıza devam edelim, ancak bu sefer kaynağın yoğunluğunu, tek tek fotonlar birer birer uçmaya başlayana kadar azaltacağız. Yeterince hassas bir fotoğraf filmine çarptığında, tek bir foton film üzerinde siyah bir nokta bırakır. Uzun pozlama ile birçok nokta bir görüntü oluşturacaktır. Sonuç olarak, önceki deneydeki ile aynı kalıpları göreceğiz. Diğer şeylerin yanı sıra, bu deney, Einstein'ın ışığın tek tek fotonlardan oluştuğu fikrini doğrular. Ek olarak, parçacıklar filme rastgele çarpar ve girişim deseni yalnızca yeterince foton biriktirdiğimizde ortaya çıkar.

Ancak bu fotonlar en beklenmedik şekilde davranırlar. Her iki yarık da açıkken, film üzerinde yıkıcı girişimin meydana geldiği yerlere tek bir parçacık çarpmaz. Bu, yalnızca bir yarık açıkken fotonların bu yerlere çarpmasına rağmen böyledir. Açık sol yarığın fotonların sağ yarıktan geçmesini engellediği ve bunun tersinin de geçerli olduğu izlenimi edinilir.

Buna farklı bir açıdan bakalım. X noktasının, film üzerinde yıkıcı girişimin meydana geldiği bir konuma karşılık geldiğini varsayalım. Sol yarık açıkken bir foton X noktasına ulaşabilir. Ayrıca açık sağ yuvadan X'e ulaşabilir. Sağduyu, her iki yarık da açıksa, bir fotonun X'e ulaşma olasılığının artacağını söyler. Ama hayır - ne kadar beklersek bekleyelim, X noktasında tek bir foton görünmeyecek. Sol yarıktan geçen bir foton, sağ yarığın açık mı kapalı mı olduğunu nasıl anlar? Fizikçiler bazen bu tuhaf etkiyi, sanki foton yarıkların her birinden geçmiyormuş, bunun yerine her iki yolu "hissediyor" ve nihai sonuca katkılarını "hesaplıyor" gibi tanımlar. Bu kavram, olguyu anlamayı kolaylaştırsa da sağlamasa da, girişim hala çok garip bir olgudur. Bununla birlikte, kırk yıl veya daha fazla çalışırsanız, kuantum mekaniğinin tuhaflıklarına alışırsınız. Ama ne zaman konunun dışına çıksan, her şeyin çok ama çok tuhaf olduğunu anlıyorsun!

Temel parçacıklar
 

Doğa hiyerarşik olarak organize edilmiş gibi görünür: büyük şeyler daha küçük şeylerden oluşur, onlar da daha küçük şeylerden oluşur ve ölçüm araçlarımızın çözünürlük sınırına ulaşana kadar böyle devam eder. Sıradan dünya bu tür hiyerarşilerle doludur. Bir araba, kendisini oluşturan parçalardan başka bir şey değildir: tekerlekler, motor, karbüratör, vb. Deneyimlerimiz bize, daha küçük şeylerin özelliklerinin daha büyük olanların davranışını belirlediğini söylüyor. Bütünün parçaların toplamı olduğunu ve doğanın daha basit parçalara ayrıştırılarak anlaşılabileceğini savunan felsefi yaklaşıma indirgemecilik denir .

Birçok akademik çevrede "indirgemecilik" kirli bir kelimedir. İndirgemecilik, dini çevrelerde evrimle aynı güçlü tutkuları bilimsel çevrelerde ateşliyor. Var olan her şeyin ölü parçacıkların etkileşiminin bir sonucu olduğu fikri, biz insanların sadece bencil genlerimiz için arabalar olduğumuz fikriyle aynı reddiye yol açar. Beğenin ya da beğenmeyin, indirgemecilik gerçekten işe yarıyor. Herhangi bir otomobil tamircisi, en azından işte bir indirgemecidir. Bilimde [20] , indirgemeciliğin gücü olağanüstüdür. Biyolojinin temel yasaları organik moleküllerin kimyası tarafından belirlenir: DNA, RNA ve proteinler. Kimyagerler, moleküllerin karmaşık kimyasal özelliklerini atomların basit özelliklerine indirgerler ve bu seviyede asa şimdiden fizikçiler tarafından ele geçirilmiştir. Bir atom, bir çekirdeğin etrafında dönen bir elektron koleksiyonundan başka bir şey değildir. Temel parçacık fiziği dersinden, atom çekirdeğinin protonlardan ve nötronlardan oluştuğunu biliyoruz. Bunlar da kuarklardan oluşur. Bu matruşkayı ne kadar süre sökebilirsin? Kim bilir... 20. yüzyılın fizikçileri, indirgemeciliği sözde "temel parçacıklar" düzeyine kadar genişleterek büyük bir başarı elde ettiler. Fizik Yasaları derken, bu küçük yapı taşlarını yöneten yasaları kastediyorum. Bu yasaların neden böyle olduklarını sormadan önce bu yasaların ne olduğunu anlamak çok önemlidir.

Teorik fiziğin dili matematiksel denklemlerdir. Fizikte, onun için bir veya daha fazla denklem yazmak dışında yeni bir teori tasavvur etmek son derece zordur. Newton denklemleri, Maxwell denklemleri, Einstein denklemleri, Schrödinger denklemi bunun başlıca örnekleridir. Parçacık fiziğinin matematiksel çerçevesine kuantum alan teorisi denir . Bu oldukça soyut denklemlerle dolu karmaşık bir konudur. Kuantum alan teorisinin denklemleri o kadar karmaşıktır ki bazen doğru değilmiş gibi görünür - sonuçta doğru bir teori bu kadar karmaşık olamaz. Neyse ki, büyük Richard Feynman kuantum alan teorisinin denklemlerine bakarken aynı şeyi hissetti ve teorinin daha kolay anlaşılmasını sağlamak için bu denklemleri resim olarak göstermenin düzgün bir yolunu buldu. Feynman'ın yöntemi o kadar sezgisel ki, tek bir denklem olmadan kuantum alan teorisinin temellerini atmanıza izin veriyor.

Dick Feynman bir görselleştirme dehasıydı (bu onu bir denklem ustası olmaktan alıkoymadı): üzerinde çalıştığı her şey için zihinsel çizimler yarattı. Başka bir fizikçi, temel parçacıkların bazı özelliklerini çıkarsamak için tahtanın her yerine formüller yazarken, Feynman'ın yalnızca bir resim çizmesi yeterliydi ve yanıt kendiliğinden apaçık ortaya çıktı. O bir sihirbaz, bir palyaço ve bir palyaçoydu, ancak icat ettiği sihir, Fizik Kanunlarını her şekilde basit ve anlaşılır bir şekilde formüle etmeyi mümkün kıldı. Feynman diyagramları , kelimenin tam anlamıyla parçacıkların uzayda hareket etmesi, çarpışmalar ve etkileşimler sırasında meydana gelen olayların fotoğraflarıdır. Bir Feynman diyagramı, iki elektronun çarpışmasını anlatan sadece birkaç çizgi içerebilir veya tam tersine, bir elmas kristalini, canlı bir varlığı veya bir astronomik vücut. Bu diyagramlar, temel parçacıklar hakkında bildiğimiz her şeyi içeren birkaç temel öğeye indirgenebilir. Elbette bunlar fotoğraflardan daha fazlasıdır - gerçekte, her diyagramın arkasında doğru bir hesaplama yapmak için bundan sonra ne yapılması gerektiğini açıklayan teknik ayrıntılar vardır, ancak bu o kadar da önemli değildir. Bizim durumumuzda, bir resim bin denkleme bedeldir.

kuantum elektrodinamiği
 

Kuantum alan teorisi, karakterlerin dökümüyle, yani temel parçacıkların bir listesiyle başlar. İdeal olarak, liste tüm temel parçacıkları içermelidir, ancak bu pratik değildir: listenin tamamını bilmediğimizden fazlasıyla eminiz. Ancak eksik bir liste derleyerek çok fazla kaybetmeyeceğiz. Tıpkı bir tiyatro performansı gibi: Gerçekte, her hikaye dünyadaki herhangi bir kişiyi, geçmişini ve bugününü ilgilendirir, ancak yalnızca çılgın bir oyun yazarı birkaç milyar karakterden oluşan bir oyun yazar. Herhangi bir hikaye için bazı karakterler diğerlerinden daha önemlidir ve aynı şey parçacık fiziği için de geçerlidir.

Yazarın Feynman tarafından bestelenen oyununun adı Kuantum Elektrodinamiği veya kısaca QED idi ve içinde yalnızca iki karakter vardı: bir elektron ve bir foton. Onları tanıştırayım.

 Elektron
 

1897'de İngiliz fizikçi J. J. Thompson ilk temel parçacığı keşfetti. Elektrik o zamana kadar zaten iyi biliniyordu, ancak Thompson'ın deneyleri, elektrik akımının tek tek yüklü parçacıkların hareketi olduğunu doğrulayan ilk deneylerdi. Tost makinelerine, ampullere ve bilgisayarlara güç sağlayan hareketli parçacıklar elbette elektronlardır.

Drama açısından elektronların yarattığı etkilerin üstesinden gelmek zordur. Dev şimşek gökyüzüne çarptığında, elektronlar yüklü bir buluttan diğerine akar. Gök gürültüsü, şimşek elektronlarının hava molekülleriyle çarpışmasıyla ısınan havanın hızla genişlemesinden kaynaklanan bir şok dalgası tarafından üretilir. Bir şimşek çakması, elektronları hızlandıran ve yavaşlatan tarafından üretilen elektromanyetik bir radyasyondur. Kuru bir günde statik elektriğin neden olduğu küçük kıvılcımlar ve çıtırtılar, aynı fiziksel süreçlerin yalnızca daha küçük ölçekte tezahürleridir. Sıradan ev elektriği bile, evcilleştirilmiş ve bakır tellere kilitlenmiş aynı elektron akışından başka bir şey değildir.

Her elektron, diğer elektronlarla tamamen aynı elektrik yüküne sahiptir. Bir elektronun yükü inanılmaz derecede küçüktür, bir amperlik bir akım oluşturmak için çok sayıda elektron - saniyede yaklaşık 10 19 - gerekir. Birçok kuşak fizik öğrencisinin kafasını karıştıran, elektron yükünün büyüklüğünde bir tuhaflık vardır: elektronun yükü negatiftir . Neden? Niye? Elektronda temelde negatif bir şey var mı? Aslında, bir elektronun yükünün negatifliği bu parçacığın özel bir özelliği değildir, sadece keyfi bir uylaşımın sonucudur. Bu geleneğin tarihi, elektrik akımının yüklü parçacıklardan oluşan bir akım olduğunu öneren ilk fizikçi olan Benjamin Franklin'e [21] kadar uzanır. Ancak Franklin elektronlar hakkında hiçbir şey bilmiyordu ve elektrik akımının yönünü, elektronların hareket yönünün tersi olduğu ortaya çıkan yön olarak seçti. Gelenek gereği, Franklin tarafından seçilen akımın yönü aynı kalır ve elektronun yükü negatiftir. Sonuç olarak, biz fizik profesörleri öğrencilere sürekli olarak bir elektrik akımı soldan sağa doğru aktığında elektronların sağdan sola hareket ettiğini hatırlatmak zorundayız. Bu seni rahatsız ediyorsa, suçu Ben Franklin'e at.

Aniden tüm elektronlar aniden kaybolursa, bu, çalışmayan tost makinelerinden, ampullerden ve bilgisayarlardan çok daha feci sonuçlara yol açacaktır. Elektronlar doğada çok önemli bir rol oynar. Sıradan tüm maddeler, atom çekirdeklerinin etrafında lastik bantlar gibi dönen elektronlardan oluşan atomlardan oluşur. Atomik elektronlar, periyodik tablonun tüm elementlerinin kimyasal özelliklerini belirler. Kuantum elektrodinamiği, bir elektron teorisinden çok daha fazlasıdır: tüm madde teorisinin temelidir.

Foton
 

Elektron, QED dramasının Carabas Markisi ise, o zaman foton şüphesiz Çizmeli Kedi'dir. Elektronun tüm başarılarına ulaşması onun sayesindedir. Yıldırım tarafından ışık yayma süreci, bireysel elektronların, hızlanan veya yavaşlayan, fotonları kendilerinden "sallayarak" kopardığı mikroskobik olaylara ayrıştırılabilir. QED'in tüm konusu, tek bir ana tekrar etrafında dönüyor: tek fotonların tek elektronlar tarafından salınması.

Fotonlar da atomda vazgeçilmez bir rol oynar. Fotonlar, bir bakıma, daha sonra anlayacağınız gibi, elektronları çekirdeğe çeken iplerdir, kablolardır. Eğer fotonlar aniden temel parçacıklar listesinden çıkarılırsa, her atom anında bozunur.

 çekirdekler
 

QED'yi yaratmanın ana hedeflerinden biri, basit atomların ve özellikle hidrojen atomunun bazı özelliklerini açıklamaktı. Neden tam olarak hidrojen? Tek elektrona sahip olan hidrojen atomu o kadar basittir ki, onun için kuantum mekaniğinin denklemleri analitik olarak çözülebilir. Birbirini etkileyen birçok elektrona sahip daha karmaşık atomlar için, ancak QED oluşturulduğunda var olmayan güçlü bilgisayarlar yardımıyla çözümler elde edilebilir. Ancak herhangi bir atomu incelemek için, aktörler listesine bir karakter daha eklenmelidir - çekirdek. Çekirdekler, pozitif yüklü protonlardan ve elektriksel olarak nötr nötronlardan oluşur. Bu iki parçacık, nötronun elektrik yükü olmaması dışında birbirine çok benzer. Fizikçiler bu iki parçacık için genel bir isim kullanırlar: nükleon . Çekirdek, aslında, birbirine yapışmış nükleonların bir damlasıdır. Herhangi bir çekirdeğin yapısı, hatta bir hidrojen atomunun çekirdeği bile o kadar karmaşıktır ki, Feynman gibi fizikçiler onu görmezden gelmeyi seçmişlerdir. Bunun yerine elektron ve fotonun çok daha basit fiziğine odaklandılar. Ancak çekirdeği tamamen göz ardı edemediler, bu yüzden onu oyuna bir oyuncu olarak değil, bir sahne olarak dahil ettiler. Bu iki nedenden dolayı mümkün oldu.

Birincisi, çekirdek elektrondan çok daha ağırdır. O kadar ağır ki neredeyse hareketsiz. Bu nedenle çekirdeği sabit noktalı bir pozitif yük ile değiştirmek büyük bir hata olmayacaktır.

İkincisi, çekirdek atoma göre çok küçüktür. Bir elektron, çekirdeğin etrafında yaklaşık 100.000 nükleer çap uzaklıkta döner ve asla çekirdeğin karmaşık iç yapısını etkileyecek kadar yaklaşamaz.

Temel parçacık fiziğinin indirgemeci görüşüne göre, tüm doğal olaylar - katıların, sıvıların, gazların, canlı ve cansız maddelerin özellikleri - elektronların, fotonların ve atom çekirdeklerinin etkileşimlerine ve çarpışmalarına indirgenebilir. Ve oyunun tüm konusu, oyuncuların burada burada birbirleriyle çarpışması, birbirlerinden sekmesi, çarpışmalar sırasında yeni aktörler doğurmasıdır. Feynman diyagramlarında tasvir edilen bu süreçlerdir.

 Feynman diyagramları
 

Bir yol ayrımına geldiğinizde onu takip edin.

Yogi Berra [22]

Yani oyuncularımız var, oyunumuz var ve şimdi bir sahneye ihtiyacımız var. Shakespeare, "Bütün dünya bir tiyatrodur" dedi ve her zaman olduğu gibi, ozanın buna hakkı vardı. Bizim saçmalığımızın sahnesi, bir fizikçi için "tüm sıradan üç boyutlu uzay" anlamına gelen tüm dünyadır. Yukarı-aşağı, doğu-batı ve kuzey-güney, Dünya yüzeyinin yakınında belirleyebileceğimiz üç yöndür. Ancak klasik drama, yalnızca eylem birliğini değil, aynı zamanda zaman birliğini de varsayar. Bu nedenle, dördüncü bir yöne ihtiyacımız var: üç uzamsal yönle birlikte uzay-zamanı oluşturan geçmiş-gelecek . Einstein, özel görelilik kuramını formüle ettiğinden beri fizikçiler, dünyayı yalnızca "şimdi"yi değil, tüm geçmişi ve geleceği de kapsayan dört boyutlu bir uzay-zaman olarak tasvir etmeyi bir kural haline getirdiler. Uzay-zamandaki bir noktaya - "nerede ve ne zaman" - olay denir .

Uzay-zamanı temsil etmek için bir parça kağıt veya kara tahta kullanabilirsiniz. Kağıdın veya kartonun yalnızca iki boyutu olduğundan, onunla biraz oynamamız gerekecek. Kağıda çizilen yatay eksen, aynı anda üç uzamsal yönü de gösterecektir. Hayal gücünüzü zorlayın ve yatay eksenin aslında bir değil, üç dikey eksen olduğunu hayal edin. Bu numara, zamanı temsil etmek için bize dikey bir yön bırakıyor. Geleceği en üstte ve geçmişi en altta tasvir etmek adettendir (bu, elbette, Kuzey Yarımküre'yi üstte ve Güney Yarımküre'yi altta gösterme geleneğine benzer, keyfi bir sözleşmeden başka bir şey değildir. haritalar). Bir kağıt parçası üzerindeki bir nokta, bir olayı - nerede ve ne zaman - tasvir eder. Feynman'ın başladığı yer burası: parçacıklar, uzay-zaman ve olaylar.

İlk Feynman diyagramımız en basit durumu gösteriyor: "bir elektron a noktasından b noktasına hareket ediyor ". Bunu grafiksel olarak göstermek için, bir kağıda olay a ile olay b'yi birleştiren bir çizgi çizelim . Feynman çizgiye küçük bir ok bile çizdi, bunun amacı yakında anlaşılacak. a ve b'yi birleştiren çizgiye yayıcı denir .

elektron yayıcı

Bir foton ayrıca uzay-zamanda bir noktadan diğerine hareket edebilir. Feynman, bir fotonun hareketini başka bir çizgi veya yayıcı ile tasvir etti. Foton yayıcı bazen dalgalı bir çizgi, bazen de noktalı bir çizgi olarak gösterilir. Noktalı çizgi kullanacağım.

Yayıcılar resimlerden daha fazlasıdır. Bunlar, a noktasında bulunan bir parçacığın daha sonra b noktasına gelme olasılığını hesaplamak için kuantum mekaniksel talimatlardır . Feynman, parçacığın sadece a'dan b'ye giden en kısa yolu izlemediği , aynı zamanda garip bir şekilde rastgele zikzak yürüyüşleri de dahil olmak üzere tüm olası rotaları algıladığı şeklindeki radikal fikri ortaya attı . Çift yarık deneyinde bu kuantum tuhaflığıyla zaten karşılaştık. Fotonlar sadece sol veya sağ yarıktan geçmezler: bir şekilde her iki yolu da denemeyi başarırlar ve bu denemelere dayanarak gördüğümüz harika girişim modelini yaratırlar. Feynman'ın teorisine göre, olası tüm yollar bir parçacığın a noktasından b noktasına gitme olasılığına katkıda bulunur . Son aşamada, iki nokta arasındaki olası tüm yolları temsil eden ve bize istenen olasılığı veren özel bir matematiksel ifade yazılır. Yayıcı kavramını oluşturan şey budur.

foton yayıcı

Doğada sadece elektronların ve fotonların serbest hareketleri olsaydı, o zaman dünyada ilginç hiçbir şey olmazdı. Ancak elektronların ve fotonların yer aldığı ve tüm ilginç şeylerden nihai olarak sorumlu olan bir süreç vardır. Elektronlar bir gök gürültüsü bulutundan diğerine geçtiğinde ne olduğunu hatırlayın. Aniden gece gündüze dönüşür. Ani güçlü bir elektrik boşalmasının yaydığı ışık, bir an için gökyüzünü parlak bir şekilde aydınlatır. Bu ışık nereden geliyor? Cevap, bireysel elektronların davranışında yatmaktadır. Bir elektronun hareketi aniden durduğunda, tepki olarak bir fotonu sallayabilir. Foton emisyonu adı verilen süreç, kuantum elektrodinamiğindeki ana olaydır. Tıpkı maddenin parçacıklardan oluşması gibi, tüm süreçler emisyon ve soğurulmanın temel olaylarından oluşur. Böylece, uzay-zamanda hareket eden bir elektron, aniden bir kuantum ışık yayabilir. Radyo dalgaları, kızılötesi ve X-ışınlarının yanı sıra tüm görünür ışık, ya Güneş'te ya da bir ampulün filamanında ya da bir radyo anteninde ya da içinde elektronlar tarafından yayılan fotonlardan oluşur. bir röntgen makinesi. Böylece Feynman, temel parçacıklar listesine ikinci bir liste ekler: temel olaylar listesi. Ve ikinci tür Feynman diyagramlarına geliyoruz.

Bir fotonun yayımlanma olayına karşılık gelen Feynman diyagramına tepe diyagramı denir . Köşe diyagramı bir Y veya yol çatalına benzer: bir elektron çatala ulaşır ve bir foton yayar, ardından elektron bir yöne gider ve foton başka bir yöne gider. Üç çizginin de birleştiği noktaya - foton emisyon olayı - tepe noktası denir.

Bir Feynman diyagramını kısa bir filme dönüştürmenin bir yolu var. Kenarı yaklaşık 10 cm olan bir kare karton kesin ve içinde yaklaşık 2 mm genişliğinde bir boşluk kesin. Şimdi yarığı yatay olacak şekilde kareyi Feynman diyagramının üstüne yerleştirin. Kareyi resim boyunca aşağıdan yukarıya doğru hareket ettirerek, çizginin boşluktan bir kısmını göreceksiniz - bu bizim elektronumuz olacak. Tepeye ulaştıktan sonra elektron bir foton yayar ve farklı yönlerde dağılmaya başlar. Bu karton kutuyu herhangi bir diyagram çiziminin üzerine getirerek, yarıktan parçacıkların nasıl hareket ettiğini, çarpıştığını, diğer parçacıkları nasıl yaydığını ve soğurduğunu, kısacası, temel parçacıkların genellikle yapması gereken her şeyi yaptığını gözlemleyebileceksiniz.

Köşe diyagramını baş aşağı çevirirseniz (ancak yine de geçmişi altta ve geleceği üstte bırakırsanız), o zaman bir elektron ve bir fotonun yaklaşma sürecini ve ardından bir fotonun bir elektron tarafından soğurulmasını açıklayacaktır. .

 antimadde
 

Elektron yayıcıya küçük bir ok çizerek, Feynman'ın aklında çok özel bir hedef vardı. Elektron ya da proton olsun, elektrik yüklü her parçacığın bir ikiz parçacığı, yani bir karşıt parçacığı vardır. Bir antiparçacık, bir istisna dışında her yönden ikiz parçacığı gibidir: zıt elektrik yüküne sahiptir. Madde antimadde ile karşılaştığında dikkat! Parçacık ve karşı parçacık, birleşerek kaybolur (karşılıklı olarak yok olur), fotonlar şeklinde enerji salar.

Bir elektronla eşleştirilmiş bir antiparçacık, bir pozitron olarak adlandırılır . Görünüşe göre parçacık listemizi antiparçacıkları da içerecek şekilde genişletmeliyiz, ancak Feynman'a göre pozitron aslında yeni bir nesne değil. Zamanda geriye doğru hareket eden bir elektron gibi görünüyor! Pozitron yayıcı, elektron yayıcıya tamamen benziyor, ancak üzerindeki ok ters yönü gösteriyor: gelecekten geçmişe.

Bir pozitronu zamanda geriye doğru hareket eden bir elektron olarak veya bir elektronu zamanda geriye doğru hareket eden bir pozitron olarak düşünmek size kalmış. Bu tamamen keyfi bir sözleşmedir. Ancak bu temsilde, köşe diyagramı yeni bir şekilde yorumlanabilir: örneğin, bir foton yayan bir pozitronu tasvir ettiğini düşünün.

Diyagramı 90° bile döndürebilirsiniz ve daha sonra bir fotonun kaldığı bir elektron ve bir pozitronun yok olma sürecini gösterecektir.

...ya da elektron ve pozitrona bozunan bir foton.

Ana bileşenleri, çoğaltıcıları ve köşeleri birleştirerek daha karmaşık süreçler oluşturulabilir. Burada, örneğin, ilginç seçeneklerden biri.

Bu tabloyu nasıl yorumlarsınız? İçinde yarık olan bir kartonu alıp diyagram üzerinde aşağıdan yukarıya doğru hareket ettirmeye başlarsak, o zaman önce bir elektron ve bir foton görürüz; sonra foton aniden bir elektrona ve bir pozitrona bozunur; pozitron ilk elektrona yaklaşır ve bir foton oluşturarak yok olurlar. Tekrar bir elektron ve bir foton elde ederiz.

Feynman bu diyagramı yorumlamanın başka bir yolunu önerdi. Onun bakış açısına göre, elektron bir foton yayarak zamanda geri döner, sonra geçmişe gider, fotonu emer ve zamanda geleceğe döner. Her iki yorumlama şekli de - pozitronlar ve elektronlar veya zamanda geriye doğru hareket eden elektronlar - tamamen eşdeğerdir. Köşeler ve yayıcılar: dünyada olanların hepsi bu. Bu temel unsurlar, doğanın tamamını tanımlamak için sonsuz sayıda farklı şekilde birleştirilebilir.

Ama önemli bir şeyi mi kaçırıyoruz? Doğadaki nesneler kuvvetler aracılığıyla birbirlerine etki ederler. Kuvvet fikri derinden sezgiseldir - anlaşılması için bir fizik ders kitabına dönmeye gerek olmayan birkaç fiziksel varlıktan biridir. Bir taşı iten kişi ona kuvvet uygular. Taş, kişiye zıt kuvvetle etki ederek direnir. Yerçekimi çekim kuvveti bizi Dünya'nın yüzeyinde tutar ve uçup gitmemizi engeller. Bir mıknatısın kuvveti bir demir parçasını çeker. Statik elektriğin kuvveti kağıt parçalarını çeker. Zorbalar ineklerden daha güçlüdür. Güç fikri yaşamlarımız için o kadar temel ki, evrim güç kavramını sinir devreleri düzeyinde kafamıza programlamış gibi görünüyor. Ancak, tüm kuvvetlerin temel parçacıklar arasındaki çekim ve itmeden kaynaklandığı gerçeği çok daha az sezgiseldir.

Feynman tarifine başka bir dizi malzeme ekledi mi: parçacıklar arasında hareket eden kuvvetler için belirli kurallar? Hayır.

Doğadaki tüm kuvvetler, bir parçacık tarafından yayılan bir fotonun bir diğeri tarafından emildiği değişim diyagramlarından gelir. Örneğin, elektronlar arasında hareket eden elektriksel kuvvetler, bir elektronun bir foton yaydığı ve daha sonra başka bir elektron tarafından emildiği Feynman diyagramı ile tanımlanır.

Foton değişimi, elektronlar arasında elektriksel itme oluşturur

Elektronlar arasındaki boşlukta hareket eden bir foton, elektronlar arasında hareket eden elektrik ve manyetik kuvvetler üretir. Elektronlar hareketsiz ise, aralarındaki kuvvetler tamamen elektrostatiktir [23] ve ters kare yasasına göre yükler arasındaki mesafe arttıkça hızla azalır. Elektronlar hareket ettiğinde, elektrostatik kuvvetlere manyetik kuvvetler eklenir. Hem manyetik hem de elektrostatik kuvvetler aynı Feynman diyagramlarından türetilmiştir.

Fotonları yayan tek parçacık elektronlar değildir. Proton da dahil olmak üzere elektrik yüklü herhangi bir parçacık bunu yapabilir. Bu, iki protonun veya bir proton ve bir elektronun fotonları değiştirebileceği anlamına gelir. Bu gerçek, bilim ve genel olarak yaşam için büyük önem taşımaktadır. Çekirdek ve atomik elektronlar arasındaki sürekli foton değişimi, atomu yok olmaktan koruyan bir kuvvet oluşturur. Bu fotonlar ileri geri hareket etmeseydi, atomlar onları oluşturan parçacıklara bölünür ve tüm maddeler yok olurdu.

Son derece girift Feynman diyagramları - köşeler ve yayıcılardan oluşan bir ağ - herhangi bir sayıda parçacığı içeren karmaşık süreçleri temsil edebilir. Böylece Feynman'ın teorisi, en basitinden en karmaşık nesnelere kadar tüm maddeyi tanımlar.

Bu resimdeki yayıcılara oklar eklemenin farklı yollarını deneyin, düz çizgileri elektronlara veya pozitronlara çevirin.

 İnce yapı sabiti
 

Çeşitli denklemler ve fiziksel formüller, bir dizi farklı sayısal sabit içerir. Bu sabitlerden bazıları saf matematikten ödünç alınan sayılardır. Örnek: 3.14159… sayısı, Yunanca adı π ile daha iyi bilinir . π'nin değerini milyarlarca ondalık basamağa göre biliyoruz ve bunu ölçerek değil, tamamen matematiksel bir tanıma dayalı olarak hesaplayarak biliyoruz: π , çevrenin çapa oranıdır. İkinin karekökü ve e harfiyle temsil edilen sayı gibi diğer matematiksel sayılar da, yalnızca bir kişi bunu yapmaya istekliyse, sonsuz hassasiyetle hesaplanabilir.

Ancak fiziksel formüllerde, belirli bir matematiksel kökeni olmayan başka sayılar da vardır. Ampirik sayılar olarak adlandırılabilirler. Örneğin nükleer fizikte protonun kütlesi ile nötronun kütlesi arasında çok önemli bir ilişki kullanılır. Sayısal değeri yedi ondalık basamakla bilinir: 1.001378. Bugüne kadar, aşağıdaki ondalık basamakları tamamen matematiksel bir şekilde hesaplamanın bilinen bir yolu yoktur. Laboratuvara gitmeniz ve ölçüm yapmanız gerekiyor. Bu ampirik sayıların en temeline "dünya sabitleri" adı verildi. İnce yapı sabiti [24] bu tür dünya sabitlerinden biridir. π gibi , ince yapı sabiti de Yunanca α (alfa) harfiyle gösterilir. Popüler literatürde, yaklaşık değeri olan 1/137 sıklıkla verilir. En doğru değeri on birinci ondalık basamağa kadar bilinir: 0.00729735257 ve en doğru ölçülen fiziksel sabitlerden biridir.

birleştirme sabitleri olarak adlandırdıkları bir nicelik örneğidir . Kuantum alan teorisinde her bir bağlantı sabiti, temel olaylardan biriyle, Feynman diyagramında belirli bir tepe noktası türüyle ilişkilendirilir. Bağlantı sabiti, karşılık gelen türden bir tepe noktası tarafından temsil edilen etkileşimin gücünün veya yoğunluğunun bir ölçüsüdür . Kuantum elektrodinamiğinde, ana köşe tipi, bir elektron tarafından bir foton emisyonuna karşılık gelir. Bir foton yayıldığında ne olduğunu daha ayrıntılı olarak ele alalım.

Şu soruyla başlayabiliriz: uzay-zamanda hareket eden bir elektronun bir foton yaydığı belirli noktayı ne belirler? Cevap, hiçbir şeyin belirlemediğidir - mikro düzeyde fizik tahmin edilemez. Doğa, Einstein'ı son yıllarında tam anlamıyla çıldırtan bir şans unsuru içerir. "Tanrı zar atmaz!" Einstein itiraz etti. [25] Ancak Einstein bundan hoşlansın ya da hoşlanmasın, doğa deterministik değildir. Doğada, dediğim gibi, Fizik Yasalarının en derinlerine yerleşmiş bir rastgelelik unsuru vardır ve Einstein bile bu konuda bir şey yapamaz. Ancak doğanın determinist olmaması onun tamamen kaotik olduğu anlamına gelmez. Kuantum mekaniğinin ilkeleri burada devreye giriyor. Newton fiziğinin aksine, kuantum mekaniği asla geçmişle ilgili bilgilerden geleceği tahmin etmez. Bunun yerine, bir deneyin çeşitli alternatif sonuçlarının olasılığını hesaplamak için çok kesin kurallar sağlar. Yarıktan geçen bir fotonun son konumunu tahmin etmenin bir yolu yoktur, tıpkı bir elektronun yörüngesinde bir fotonu nereye yayacağını veya başka bir elektronun onu nerede absorbe edebileceğini tam olarak tahmin etmenin bir yolu olmadığı gibi. Ancak bu olaylar için belirli bir olasılık vardır.

Bu olasılığın iyi bir örneği, eski bir televizyonun katot ışını tüpünün çalışmasıdır. Bir televizyon ekranından gelen ışık, ekrana çarpan elektronların ürettiği fotonlardan oluşur. Elektronlar, kineskopun arkasındaki bir elektron tabancası tarafından yayılır ve elektrik ve manyetik alanlar tarafından ekrana doğru yönlendirilir. Ancak ekrana çarpan her elektron bir foton yaymaz. Bazıları yayar ve çoğu yaymaz. Kabaca konuşursak, belirli bir elektronun bir kuantum ışık yayma olasılığı ince yapı sabiti α ile verilir. Yani 137 elektrondan sadece biri foton yayar. Bu, α'nın yörüngesi boyunca hareket eden bir elektronun bir foton yaymaya tenezzül etme olasılığı olduğu anlamına gelir.

Feynman sadece resim çizmedi. Bu resimlerde tasvir edilen karmaşık süreçlerin olasılıklarını hesaplamak için bir dizi kural icat etti. Başka bir deyişle, herhangi bir sürecin olasılığını en basit olaylar açısından tahmin eden kesin bir matematiksel aygıt icat etti: yayıcılar ve köşeler. Nihayetinde, doğadaki tüm süreçlerin olasılıkları, α gibi birleştirme sabitlerine indirgenir.

İnce yapı sabiti ayrıca yüklü parçacıklar arasındaki elektriksel etkileşimin gücünü belirleyen değişim diyagramı tarafından temsil edilen süreçlerin yoğunluğunu da kontrol eder. Atom çekirdeğinin elektronları kendisine ne kadar güçlü çektiğini belirler. Sonuç olarak, atomun büyüklüğünü ve elektronların yörüngelerinde hareket etme hızlarını belirler ve nihayetinde farklı atomlar arasında hareket eden ve onların moleküller halinde birleşmelerine izin veren kuvvetleri kontrol eder. Ancak en önemlisi, neden 0.00729735257 değerine sahip olduğunu ve başka bir değeri olmadığını bilmiyoruz. 20. yüzyılda keşfedilen fizik yasalarının çok doğru ve yararlı olduğu ortaya çıktı, ancak bu yasaların kaynağı bir sır olarak kalıyor.

Elektronların, fotonların ve nokta çekirdeklerin bu basitleştirilmiş dünyasının teorisi kuantum elektrodinamiğidir ve bunun Feynman versiyonu inanılmaz derecede başarılı olmuştur. Feynman'ın geliştirdiği yöntemler sayesinde fotonların, elektronların ve pozitronların özellikleri inanılmaz bir doğrulukla tanımlandı. Ek olarak, teoriye çekirdeğin basitleştirilmiş bir versiyonu eklenirse, o zaman aynı inanılmaz doğrulukla en basit atomun - hidrojen atomunun özelliklerini tanımlamak mümkündür. 1965 yılında Richard Feynman, Julian Schwinger ve Japon fizikçi Shin-Ichiro Tomonaga, kuantum elektrodinamiği üzerine yaptıkları çalışmalardan dolayı Nobel Ödülü'nü aldılar.

İlk perdenin sonu.

İlk perdede tiyatro aksiyonu sadece iki karakterle sınırlıysa, ikinci perdede yüzlerce oyuncuyla sahnede destansı bir tuval açılır. 1950'lerde ve 1960'larda keşfedilen yeni parçacıklar, kontrolsüz tiyatro kalabalığının saflarına katıldı ve elektronlar ve fotonlara ek olarak, nötrinolar, müonlar, tau leptonlar, u-kuarklar, d-kuarklar, garip kuarklar, büyülü kuarklar ortaya çıktı. evre , b-kuarklar, t-kuarklar, gluonlar, W- ve Z-bosonlar, Higgs bozonları ve diğer aktörler. Parçacık fiziğinin zarif olduğunu söyleyen birine asla inanmayın. Parçacık adlarından oluşan bu karmakarışık kütleler, elektrik yükleri, dönüşler ve diğer özelliklerin aynı karmaşasını yansıtıyor. Ancak aktörlerin bolluğuna ve çeşitliliğine rağmen davranışlarını büyük bir doğrulukla nasıl tanımlayacağımızı biliyoruz. "Standart Model", modern temel parçacıklar teorisinin altında yatan matematiksel yapının (kuantum alan teorisinin özel bir varyantı) adıdır. Kuantum elektrodinamiğinden çok daha karmaşık olmasına rağmen, Feynman'ın yöntemleri o kadar güçlü ki, bu kez de her şeyi basit resimler biçiminde ifade etmenize izin veriyorlar. İlkeler, QED'deki ile tamamen aynıdır: her şey yayıcılardan, köşe noktalarından ve bağlantı sabitlerinden oluşur. Ancak yeni aktörler ve tamamen yeni hikayeler var, bunlardan biri QCD olarak adlandırılıyor.

kuantum kromodinamiği
 

Yıllar önce ünlü bir üniversiteye kuantum kromodinamiği adı verilen moda bir konuda bir dizi konferans vermek üzere davet edildim. Fizik Üniversitesinin koridorlarından geçerken birkaç öğrencinin dersimin başlığını tartıştığını duydum. Bilgi standındaki dersin duyurusuna bakan biri sordu: “Peki tüm bunlar neyle ilgili? Kuantum kromodinamiği nedir? İkincisi, düşündükten ve kafasını kaşıdıktan sonra cevap verdi: "Hmm ... bu, fotoğrafları işlemek için kuantum mekaniğini kullanmanın yeni bir yolu olmalı."

Kuantum renk dinamiği (QCD) fotoğrafçılıkla ve hatta ışıkla ilgilenmez. QCD, nükleer fiziğin modern versiyonudur. Sıradan nükleer fizik protonlar ve nötronlarla (nükleonlar) başladı, ancak QCD çok daha derinlere gitti. Nükleonların temel parçacıklar olmadığı, daha çok atomlar veya moleküller gibi oldukları, ancak çok daha küçük ölçekte oldukları kırk yılı aşkın bir süredir bilinmektedir. Protonun içine son derece güçlü bir mikroskopla bakabilseydik, onun gluon adı verilen parçacık dizileriyle birbirine bağlanmış üç kuarktan oluştuğunu görürdük . Kuarklar ve gluonlar teorisi - QCD - QED'den daha karmaşık bir teoridir ve onu birkaç sayfada açıklayamam. Ancak temel gerçekler çok karmaşık değil. İşte karakterlerinin bir listesi.

altı kuark
 

Birincisi, kuarklar. Altı tür kuark vardır. Fizikçiler bir kuark'ı diğerinden ayırmak için onlara süslü isimler verdiler: "u-quark", "d-quark", "strange quark", "charm quark", "b-quark" ve "t-quark". [ 26] veya daha kısa ve öz olarak, u-, d-, s-, c-, b- ve t-kuarklar. Tabii ki, garip bir kuarkta garip bir şey yoktur ve büyülenmiş bir kuark hiçbir şeyden etkilenmez, ancak aptalca isimler onlara biraz kişilik verir.

Neden dört ya da iki değil de altı tür kuark var? Ama kim bilir! Dört ya da iki tür kuarktan oluşan bir kuramın temelde altı türden oluşan bir kuramdan hiçbir farkı yoktur. Tek bildiğimiz, Standart Model'in matematiğinin kuarkların çiftler halinde gelmesini gerektirdiğidir: a u kuark ile d kuark, a tılsım ile garip kuark ve a t kuark ile a b kuark. Ancak en basit teorinin bir "yukarı" ve bir "aşağı" kuark ile üçlü tekrarının nedeni bir sır olarak kalıyor. Daha da kötüsü: sıradan çekirdeklerde yalnızca u- ve d-kuarklar önemli bir rol oynar. [27] Eğer QCD bir mühendislik projesi olsaydı, o zaman içinde başka kuarkların varlığı aşırı bir kaynak israfı olarak görülebilirdi.

Kuarklar bazı yönlerden elektronlara benzer; biraz daha ağırdırlar ve tuhaf elektrik yükleri vardır. Mikro kozmosta bir elektrik yükü birimi olarak, genellikle +1 değeri atanan proton yükü alınır. Bir elektronun yükü bir protonun yüküne eşittir ve zıt işaretlidir: –1. Bu birim sistemindeki elektrik yüklerinin kesirli olduğu ortaya çıktı. Örneğin, "yukarı" - u-, c- ve t-kuarklar - protonun yükünün üçte ikisine eşit bir pozitif yük taşırlar: +2/3. "Düşük" - d-, s- ve b-kuarklar - elektron yükünün üçte birine eşit bir negatif yüke sahiptir: −1/3.

Proton ve nötronların her biri üç kuarktan oluşur. Proton, iki u-kuark ve bir d-kuarktan oluşur. Kuarkların elektrik yüklerini toplayarak protonun elektrik yükünü elde ederiz:

2/3 + 2/3 - 1/3 = 1.

Nötron bir u-kuark ve iki d-kuarktan oluşur. Bu kuarkların yüklerini benzer şekilde toplayarak nötron yükünü elde ederiz:

2/3 - 1/3 - 1/3 = 0.

D-kuark'ı bir s-kuark ile değiştirerek bir proton veya proton gibi bir şey oluşturmaya çalışırsak ne olur? Bu tür nesneler vardır - bunlara garip parçacıklar denir , ancak fizik laboratuvarları dışında hiçbir yerde bulunmazlar. Ve laboratuvarlarda bile, garip parçacıklar yalnızca geçici fenomenlerdir, diğer parçacıklara parçalanmadan önce kısa bir süre var olurlar. Aynısı, tılsım kuarkları, t kuarkları ve b kuarkları içeren parçacıklar için de geçerlidir. Yalnızca u-kuarklardan ve d-kuarklardan kararlı veya uzun ömürlü nesneler bir araya getirilebilir. Dediğim gibi, garip, tılsımlı b- ve t-kuark birdenbire temel parçacıklar listesinden çıkarılırsa, neredeyse hiç kimse bunu fark etmez.

Peki ya zamanda geriye doğru hareket eden kuarklar? Bir elektron gibi, her kuarkın kendi antiparçacığı vardır. Antikuarklar, antiprotonlar ve antinötronlar halinde birleştirilebilir. Bir zamanlar, evren tarihinin en başında, sıcaklıklar milyarlarca dereceye ulaştığında, antinükleonlar sıradan nükleonlar kadar boldu. Ancak evren soğudukça, antiparçacıklar neredeyse tamamen ortadan kayboldu ve dünyadaki atom çekirdeğinde yalnızca sıradan protonlar ve nötronlar kaldı.

 tutkal
 

Nükleonlar, kuarklardan oluşan küçük atomlar gibidir. Ancak kuarklar kendi başlarına kendilerini nükleonlara bağlayamazlar. Atomda olduğu gibi, kuarkları birbirine "yapıştıran" çekici bir kuvvet yaratmak için başka bir bileşen gereklidir. Atom söz konusu olduğunda, bu yapıştırıcının ne olduğunu tam olarak biliyoruz. Atom, elektronlar ve çekirdekler arasında etkileşimi sağlayan sürekli ileri geri hareket eden fotonlar sayesinde tek bir bütün halinde bağlanır. Ancak foton değişimi tarafından üretilen kuvvetler, kuarkları bir nükleonun yoğun yapısına bağlamak için çok zayıftır - nükleonların atomlardan 100.000 kat daha küçük olduğunu unutmayın. Bu yüzden, kuarkları bu kadar küçük bir mesafede tutabilecek daha güçlü bir kuvvet sağlayan başka bir parçacığa ihtiyacımız var. Bu parçacık çok uygun bir şekilde gluon olarak adlandırılır . [28]

Herhangi bir kuantum alan teorisindeki ana olaylar her zaman aynıdır: bazı parçacıkların diğerleri tarafından salınması. Bu olayları açıklayan Feynman diyagramları her zaman Y-biçimli bir köşe diyagramı biçimini alır.Temel QCD köşe diyagramları, sadece elektronun bir kuark ve fotonun bir gluon ile değiştirildiği foton emisyon tepe diyagramına benziyor.

Proton ve nötronlardaki kuarkları bağlayan kuvvetlerin kaynağının gluon değişimi olması şaşırtıcı değildir. Ancak QED ve QCD arasında iki önemli fark vardır. Birinci fark nicelikseldir. Gluon emisyonundan sorumlu sayısal sabit, ince yapı sabiti kadar küçük değildir. Bu sabite α QCD (alfa QCD) denir ve ince yapı sabitinden yaklaşık 100 kat daha büyüktür, bu nedenle kuarklar arasında hareket eden kuvvetler elektromanyetik kuvvetlerden çok daha güçlüdür. Bu nedenle, QCD'ye bazen güçlü etkileşimler teorisi denir .

İkinci fark kalitedir. Yapıştırıcılar tutkal gibi davranır, bu da bana her zaman Remus Amca'nın peri masallarından birini hatırlatır: “Bir keresinde Brer Rabbit yolda bir katran heykeli gördü. Brer Rabbit "Günaydın" dedi ama doldurulmuş hayvan ona cevap vermedi. Sonra Brer Rabbit korkuluğa bir ders vermeye karar verdi. Yumruğuyla vurdu ve yumruk sahaya saplandı. Sonra Brer Rabbit doldurulmuş hayvana kafasıyla vurdu ve kafa da reçineye yapıştı. Brer Rabbit kendini kurtarmak için mücadele etti, ancak katran uzadı ve pençelerini sürükledi ve başını geri çekti. Bu yüzden, Ayı Kardeş tarafından geçerek kurtarılıncaya kadar, reçine doldurulmuş hayvanın "çekilmesi" ile başarısızlıkla mücadele etti.

Nedir bu çocuk hikayesi? Kuarkların diğer kuarklar için minyatür reçine heykelleri olduğu göz önüne alındığında. Gluonlardan oluşan katran benzeri yapışkan bir madde ile birbirlerine sıkıca yapıştırılırlar. Bu garip davranışın sorumlusu, QED'de benzeri olmayan ek köşelerden biridir. Elektrik yüklü herhangi bir parçacık bir foton yayabilir. Ancak fotonlar birbirleriyle etkileşmezler. Elektriksel olarak nötrdürler ve bu nedenle başka fotonlar yaymazlar. Bu bakımdan gluonlar fotonlardan keskin bir şekilde farklıdır. QCD yasaları, bir gluonun her biri çataldan sonra kendi yolu boyunca hareket eden iki gluona ayrıldığı köşelerin varlığını gerektirir.

QCD ve QED arasındaki bu farklar, QCD'yi elektriksel eşdeğerinden çok daha karmaşık bir teori haline getirir. Diğer şeylerin yanı sıra, bu, gluonların gluonları değiş tokuş edebileceği ve kuarklar ve elektronlar içermeyen parçacıklar olan yapışkan toplar adı verilen nesnelere bağlanabileceği anlamına gelir. Dahası, gluonların özel olarak eşleşmeleri gerekmez; uzun yapışkan tutkal zincirleri oluşturabilirler. Daha önce, bir atomdaki elektronları iplerden sarkan toplara benzetmiştim. Karşılaştırmamdaki sicimler bir mecazdı, ancak kuarklar söz konusu olduğunda, onları bir arada tutan sicimler çok gerçek. Kuarklar arasında gerilmiş gluon dizileridir. Bir kuarkın bir dış etkinin etkisi altında bir nükleondan uçması durumunda, arkasında uzun bir gluon dizisi uzar ve sonunda onu geri döndürür.

Zayıf etkileşim
 

Parçacık fiziği çalışmaktan zaten bıktıysanız, sorun değil. Hatırlanması gereken çok fazla karmaşık şey var. Davranışlarının tanımlanması gereken çok fazla parçacığımız var ve hepsinin nereden geldiğine dair makul bir tahmin yok. Kuantum renk dinamiği ve kuantum elektrodinamiği, Standart Modeli oluşturan tüm parçaları neredeyse hiç tüketmez. Bütün bunlar, "her şeyin altında" bulmayı umduğumuz zarif ve basit fizik teorisinden çok uzak. Parçacık fiziğinin kesin bir bilimden çok zooloji ve botaniğe benzediği ortaya çıktı. Ama ne yazık ki bu bir gerçek ve gerçekleri değiştiremeyiz.

Şimdi Standart Model'in bir bölümünden daha bahsedeceğim. Bu kısım zayıf etkileşim olarak bilinir . Elektromanyetik kuvvet ve güçlü kuvvet gibi zayıf kuvvet, kendi varlığımızı açıklamada önemli bir rol oynar, ancak neden bu kadar önemli olduğunun nedenleri ilk bakışta aşikar olmasa da, bunlara daha sonraki bölümlerde döneceğiz.

Zayıf kuvvetin tarihi, bizi Fransız fizikçi Antoine Henri Becquerel'in radyoaktiviteyi keşfettiği 19. yüzyılın sonlarına götürüyor. Becquerel'in keşfi, J. J. Thomson'ın elektronu keşfinden sadece bir yıl önceydi.

Radyoaktivite genellikle üç farklı türe ayrılır: alfa, beta ve gama. Sadece biri (beta bozunması) zayıf kuvvetle ilişkili olan çok farklı üç fenomene karşılık gelirler. Bugün, Becquerel'in uranyum örneğinden gelen beta ışınlarının aslında uranyum çekirdeklerinden nötronlar tarafından yayılan elektronlar olduğunu biliyoruz. Bir elektronun salınmasından sonra, nötron hemen bir protona dönüşür.

QED'de veya QCD'de bir nötronun nasıl bir elektron yayarak bir proton haline gelebileceğini açıklayabilecek hiçbir şey yoktur. Zaten düşünmüş olabileceğiniz en basit mantık, şemaya ek köşeler eklemek ve bunları ana olaylar listemize dahil etmektir. Orijinal nötron tepe noktasına girecek ve çataldan sonra, değerli protonlarının ve elektronlarının her biri uzaklaşacaktır. Ama bu yanlış bir tanım. Gerçek şu ki, şu anda sahnede yeni bir karakter beliriyor - nötrino . Becquerel, bir nötronun bozunmasında, bir elektron ve bir protona ek olarak, başka bir parçacığın veya daha doğrusu bir antiparçacığın - hayaletimsi bir antinötrinonun ortaya çıktığını bilmiyordu.

nötrino
 

Bir nötrino bir elektrona benzer, ancak elektrik yükü yoktur. Bunun elektriksel özelliklerini kaybetmiş bir elektron olduğunu hayal edin. Bir anlamda, bir elektron ile bir nötrino arasındaki ilişki, bir proton ile bir nötron arasındaki ilişkiye benzer.

O zaman elektrondan gelen nötrinoda ne kalır? Nötrinonun küçük bir kütlesi var ve ... aslında hepsi bu. Foton yaymaz. Gluon yaymaz. Bu, elektrik yüklü parçacıkları veya kuarkları içeren etkileşimlerin hiçbirine katılmadığı anlamına gelir. Nötrinolar, diğer nötrinolar veya parçacıklarla bağlanarak karmaşık nesneler oluşturmazlar. Hiçbir şey yapmıyor. Aslında, nötrino yalnızdır, sanki boş uzaydaymış gibi birkaç ışık yılı kalınlığındaki kurşun bir duvarın içinden uçabilir. Ancak nötrino tam bir sıfır değildir. Nötrino'nun oyunumuza nasıl dahil olduğunu anlamak için oyuna bir aktör daha dahil edilmelidir - W-boson .

W bozonu
 

"Boson" kelimesinin anlamı hakkında endişelenmeyin. Basitçe, özellikleri bakımından bir foton veya gluon'a benzer, ancak elektrik yükü olan başka bir parçacığı ifade eder. W bozonu iki rolde görünür: pozitif yüklü W bozonu ve negatif yüklü W bozonu. Tahmin ettiğiniz gibi birbirlerinin antiparçacıklarıdır.

W bozonu, nötrino aktivitesinin anahtarıdır. W bozonlarını yalnızca kuarklar ve elektronlar yaymaz, nötrinolar da yayabilir. İşte W-boson vakalarının kısmi bir listesi:

• bir W bozonu yayan bir elektron bir nötrinoya dönüşür;

• bir W-bozonu yayan u-kuark, bir d-kuark'a dönüşür;

• bir W-bozonu yayan u-kuark, bir s-kuark'a dönüşür;

• bir W-bozonu yayan c-kuark, bir s-kuark'a dönüşür;

• bir W-bozonu yayan t-kuark, bir b-kuark'a dönüşür;

• Higgs bozonu bir Z bozonu yayar…

Liste devam edebilir, ancak yalnızca sonraki bölümlerde tanıyacağımız parçacıkları içerir.

Daha önce de söylediğim gibi, protonlar ve nötronlar kuarklardan oluştukları için temel parçacıklar listesine girmiyorlar ama bazen kuarkları unutup nükleonları temel parçacıklar olarak düşünmekte fayda var. Bu, bazı ekstra köşeler eklememizi gerektirecek. Örneğin, bir proton bir foton yayabilir. Gerçekte foton, protonu oluşturan kuarklardan birini yayar, ancak dışarıdan her şey bunu proton yapmış gibi görünür. Benzer şekilde, bir nötronun içindeki iki d kuarkından biri W bozonu yayarak u kuarka dönüşerek nötronun proton olmasına neden olabilir. Bu süreç, nötronun bir W bozonu yayan bir protona dönüştüğü bir tepe noktası ile açıklanacaktır.

Becquerel'in uranyum tuzlarını incelerken keşfettiği beta radyasyonunu açıklamak için artık Feynman diyagramlarını çizmeye hazırız. Diyagram, QED diyagramıyla hemen hemen aynı görünecektir, ancak QED diyagramında bir foton değişimi olması gereken yerde, bir W-bozon değişimi yapacağız. Aslında, zayıf etkileşim, fotonlardan kaynaklanan elektromanyetik etkileşim ile çok yakından ilişkilidir.

İçinde yarık olan bir karton parçası alın, şema üzerinde aşağıdan yukarıya doğru hareket ettirmeye başlayın. Nötron (çekirdeğin içinde olabilir) negatif yüklü bir W bozonu yayar ve bir protona dönüşür. W bozonu çok kısa bir mesafe (yaklaşık 10-16 cm) uçar ve iki parçacığa bozunur: zamanda geriye doğru hareket eden bir elektron ve bir nötrino veya laik bir dille bir antinötrino. Becquerel'in çok güçlü bir süper mikroskobu olsaydı, 1896'da görebileceği şey buydu. Bizi oluşturan kimyasal elementlerin oluşumunda böyle bir sürecin önemini daha sonra göreceğiz.

Fizik Kanunları
 

Şimdi, umarım Fizik Yasaları ile ne demek istediğim konusunda net bir fikriniz vardır. Ne yazık ki, bazı fizikçiler gibi size bu yasaların zarif olduğunu söyleyemem. Gerçek şu ki öyle değil. Bu resimde çok fazla parçacık, çok fazla diyagram köşesi ve çok fazla bağlantı sabiti var ve size henüz parçacıkların sahip olduğu rastgele kütleler dizisinden bahsetmedim. Bütün bunlar çok tatsız bir kokteyl oluşturur, ancak bir "ama" vardır: bu yasalar, temel parçacıkların, çekirdeklerin, atomların ve moleküllerin özelliklerini inanılmaz bir doğrulukla tanımlar.

Bununla birlikte, ödenecek bedel, en az 30 "fiziksel sabitin" [29] - değerlerinin "çalışmaları" dışında başka bir gerekçesi olmayan kütleler ve bağlantı sabitlerinin girilmesini gerektirir. Bu sayılar nereden geliyor? Fizikçiler bu sayıları ne incelikli meselelerden ne de matematiksel hesaplamalardan çıkarsayabilir. Bunlar, birçok ülkedeki laboratuvarlardaki hızlandırıcılarda temel parçacıklar üzerinde uzun yıllar süren deneysel çalışmaların sonucudur. İnce yapı sabiti gibi bu sabitlerin birçoğu büyük bir hassasiyetle ölçülmüştür, ancak nihayetinde, dediğim gibi, neden böyle olduklarını anlamıyoruz.

Standart Model, parçacık fiziğinin yarım yüzyılı aşkın gelişiminin doruk noktası ve özüdür. Feynman diyagramı yöntemiyle birleştiğinde, parçacıkların atom çekirdeğini, atomları, molekülleri, gazları, sıvıları ve katıları oluşturmak için bir araya gelme biçimleri de dahil olmak üzere parçacık fiziğindeki tüm fenomenlerin doğru tanımlarını sağlar. Ancak, gerçekten temel bir teorinin - nihai doğa teorisinin - ayırt edici özelliği olacağını umduğumuz bir basitlik modeli olarak hizmet edemeyecek kadar karmaşıktır.

İnsan yasalarından farklı olarak, Fizik Yasaları koşulsuz yasalardır. Yasaya uyabilir veya görmezden gelebiliriz, ancak elektronun böyle bir seçeneği yoktur. Bu yasalar, eyaletten eyalete ve yıldan yıla değişen trafik kuralları veya vergi yasaları gibi değildir. Belki de fizik çalışmasını mümkün kılan en önemli deneysel gerçek, tüm dünya sabitlerinin aslında sabit olmasıdır. Farklı yerlerde farklı zamanlarda kurulan deneyler aynı Feynman diyagramları ile anlatılmakta ve her bir bağlanma sabiti ve kütlesi için aynı değerleri vermektedir. İnce yapı sabiti 1990'larda Japonya'da ölçüldüğünde, 1950'de Long Island'daki Brookhaven Laboratuvarı'nda veya 1970'te Stanford Üniversitesi'nde olduğu gibi tam olarak aynıydı.

Gerçekten de fizikçiler kozmolojik araştırma yaptıklarında, doğa kanunlarının evrenin her yerinde aynı olduğunu kabul ederler. Ama yasalar böyle olmak zorunda değil. İnce yapı sabitinin zaman içinde değiştiği veya bireysel sabitlerin bir yerden diğerine değiştiği bir dünya hayal etmek kesinlikle mümkündür. Fizikçiler zaman zaman sabitlerin kesinlikle sabit olduğu varsayımını sorgularlar, ancak şu ana kadar gözlemlenebilir Evrenin herhangi bir bölümünde aynı olmadıklarına dair hiçbir kanıtımız yok : dev Megaevrenin tamamında değil, ama evrenin bir bölümünde. Elimizdeki çeşitli teleskoplarla gözlemleyebildiğimiz evren.

Bir gün uzak galaksilere ulaşıp sabitleri doğrudan yerinde ölçebileceğiz. Ama şimdi bile sürekli olarak Evrenin uzak bölgelerinden "özetler" alıyoruz. Gökbilimciler uzak kaynaklardan gelen ışığı yakalar ve ışık uzak atomlar tarafından yayıldığında veya emildiğinde oluşan spektral çizgileri çözer. [30] Bireysel spektral çizgiler arasındaki ilişkiler çok karmaşıktır, ancak teleskop tarafından yakalanan ışığın nereden ve ne zaman kaynaklandığına bakılmaksızın her zaman aynıdırlar. Yerel Fizik Yasalarındaki herhangi bir değişiklik, spektrumun ayrıntılarını değiştirecektir, bu nedenle, gözlemlenebilir evrenin tüm bölümlerinde kuralların aynı olduğuna dair güçlü kanıtlarımız var.

Bu kurallar - parçacıkların, kütlelerin ve bağlaşım sabitlerinin listesi, Feynman kurallarının listesi - benim Fizik Yasaları dediğim şey - evrenseldir. Fiziğin, kimyanın ve nihayetinde biyolojinin neredeyse her yönünü yönetirler, ancak kendilerini açıklamazlar. Bize Standart Modelin neden doğru olduğunu ve başka bir şeyin olmadığını söyleyen bir teorimiz yok. Belki başka fizik yasaları vardır? Evrenin gözlemleyemediğimiz kısımlarında temel parçacıklar, kütleler ve bağlaşım sabitleri listeleri bizimkinden farklı olabilir mi? Uzak geçmişin fizik yasaları şimdikinden farklı olabilir mi? Eğer öyleyse, değişikliklerini ne kontrol ediyor? Hangi Fizik Yasalarının mümkün olup hangilerinin olmadığını belirleyen daha derin yasalar var mı? Bunlar, 21. yüzyılın başında temel fiziğin karşı karşıya olduğu sorular. Bu soruların cevapları "Uzay Manzarası"nın konusu.

Bu bölümü okuduktan sonra kafanızı karıştırabilecek bazı şeyler var. Evrendeki en önemli kuvvetin yerçekimi olduğundan defalarca bahsetmiştim. Newton, kendi adını taşıyan klasik yerçekimi teorisini yarattı. Einstein, genel görelilikte yerçekiminin doğasına daha da derinlemesine nüfuz etti. Ve yerçekimi yasalarının evrenin kaderini belirlemede her şeyden çok daha önemli olduğu gerçeğine rağmen, yerçekimi Standart Modelin bir parçası değildir. Bu ayrımın sebebi yerçekiminin önemli olmaması değil. Aksine, tüm doğa güçleri içinde bu kitapta en büyük rolü o oynayacaktır. Yerçekimi yasalarını diğer yasalardan ayırmamızın nedeni, yerçekiminin kuantum-mekanik temel parçacıkların mikroskobik dünyası ile ilişkisinin hala kimse için net olmamasıdır. Feynman kendi yöntemlerini yerçekimine uygulamaya çalıştı ve ne yazık ki pes etti. Ayrıca, bir şekilde bana bu konuyla asla ilgilenmememi tavsiye etti. Bu kurabiyeler şimdilik üst rafta kapalı bir kavanozda dursun...

Bir sonraki bölümde size "tüm fiziksel sorunların anası" ndan bahsedeceğim. Bu, yerçekimini yukarıda açıklanan Fizik Yasaları ile birleştirmeye çalışırken her şeyin nasıl ters gittiğine dair karanlık bir hikaye. Bu, doğaya karşı aşırı şiddet biçimleri hakkında acımasız bir hikaye. Anladığımız şekliyle Fizik Yasaları bizim için son derece ölümcül bir Evren hazırlıyor. Belli ki çorbada bir şeyler eksik.

 Bölüm 2
 

New York, 1967

"Tüm fiziksel sorunların anası"nın farkına ilk kez güzel bir sonbahar günü New York'ta az bilinen Washington Heights mahallesinde ulaştım. Columbia Üniversitesi'nin üç kilometre kuzeyinde yer alan Washington Heights, Manhattan'ın bir parçasıdır, ancak birçok yönden büyüdüğüm Güney Bronx'a daha çok benziyor. Bir zamanlar orta sınıf bir Yahudi mahallesiydi, ancak daha sonra Yahudilerin çoğu burayı terk etti ve yerlerine çoğu Kübalı işçiler olan Hispanikler geldi. Ucuz Küba restoranlarının bulunduğu bu geniş alan benim en sevdiğim Küba-Çin mekanıydı.

Bölgeyi bilenler, Amsterdam Bulvarı boyunca 187. Cadde yakınında bazı sıra dışı Bizans tarzı binalar olduğunu bilirler. Çevredeki sokaklar genç Ortodoks Yahudi öğrenciler ve hahamlarla dolu; O zamanlar yerel öğrenci tavernası, MacDovid's olarak bilinen bir falafel lokantasıydı. Garip taraftaki evler, Amerika Birleşik Devletleri'ndeki en eski Yahudi yüksek öğretim kurumu olan ve hahamların ve Talmud bilginlerinin eğitiminde uzmanlaşmış Yeshiva Üniversitesi'nin kampüsüdür, ancak 1967'de Belfer Fizik ve Matematik Okulu da dahil edilmiştir.

Berkeley'de bir yıllık doktora çalışmasından sonra yardımcı doçent olarak Belfer Okulu'na yeni katıldım. Yeshiva'nın egzotik binaları Berkeley, Harvard ya da diğer üniversite kampüslerine benzemediği için fizik bölümü bulmak sorun olmaya başladı. Sokakta sakallı bir adam, bir kulenin kubbesine veya bir kilisenin kubbesine benzeyen binalardan birinin üst kısmını işaret etti. Umut verici görünmüyordu, ama bulabildiğim tek iş buydu, bu yüzden içeri girdim ve sarmal merdivenden yukarı çıktım. Üst katta, tüm başlıkları İbranice yazılmış büyük deri ciltli ciltler içeren devasa kitaplıklarla dolu çok küçük, karanlık bir ofise açılan açık bir kapı vardı. Haham gibi görünen beyaz sakallı bir beyefendi ofiste oturmuş eski bir cilt okuyordu.

Ofisteki tabelada şunlar yazıyordu:

Fizik Fakültesi

Profesör Posner

"Şey... fizik bölümü mü burası?" Hiçbir şey anlamayarak sordum. "Aynen öyle," diye yanıtladı, "ve ben bir fizik profesörüyüm. Ve sen kimsin?

"Ben yeni bir çalışanım, yeni yardımcı doçent - Susskind." Yüzü sevimli ama tamamen şaşırmış bir ifade aldı, “Vay canına, bana hiç böyle bir şey söylemediler. Yeni çalışan kim? "Dekanı görebilir miyim?" sabrımı yitirmeye başladım. "Ben dekanım. Ayrıca tek fizik profesörü ve yeni ortak çalışanlar hakkında hiçbir şey bilmiyorum." 26 yaşındaydım, bir karım ve iki küçük çocuğum vardı ve işsiz kalma olasılığı tüm netliğiyle önümde beliriyordu.

Kafam karışmış ve kafam karışmış halde aşağı indim ve karşıdan karşıya geçerken birden üniversite arkadaşım Gary Gruber'ı gördüm: “Hey Gruber, burada neler oluyor? Az önce fizik bölümüne gittim. Fizikçilerle dolu olduğundan emindim ama Posner adında sadece bir yaşlı haham vardı.” Gruber benim deyimimi çok eğlenceli buldu. Güldü ve “Sanırım liseye değil ilkokula gittin. En yüksek olanı 184. Cadde'deki köşede. Orada yüksek lisans öğrencisiyim." Ey tatlı rahatlama! 184. Caddeye yürüdüm ve Gruber'in gösterdiği yöne baktım ama liseye benzeyen bir şey göremedim. Cadde boyunca bir sıra göze çarpmayan vitrinler uzanıyordu. Birinde devlet tahvili ilanları vardı, diğeri tamamen boştu ve binanın üst katları tahtalarla kapatılmıştı. En büyük mağaza bar mitzvahlar ve Yahudi düğünleri için her şeyi sunuyordu. Uzun süredir terk edilmiş görünüyordu, ama yine de bazı koşer pişirme ekipmanları satıyordu. Yanından geçtim, şaşkınlıkla döndüm ve geri dönerken vitrinin yanında küçük bir tabela gördüm:

belfer lisesi

Tabela geniş bir merdiveni gösteriyordu. Merdiven basamaklarında eski, oldukça yıpranmış bir halı vardı ve birinci kattan gelen yemek kokusu merdivenlerden yukarı yükseldi. Yer iç karartıcı bir izlenim bıraktı, ama yine de bir düğün ve bar mitzvah salonunu anımsatan, kanepeler ve rahat sandalyelerle döşenmiş ve büyük bir rahatlama için kara tahtalarla asılı büyük bir odaya çıktım. Kara tahtalar benim için fizikçiler demekti.

Salonun çevresinde yaklaşık yirmi ofis hücresi toplandı. Bütün okul bu büyük salonda toplanmıştı. Tahtalardan birinin yanında fiziksel bir konu hakkında konuşan birkaç kişi olmasa, içinde bir fiziksel okulu tanımak çok zor olurdu. Üstelik bazılarını tanıdım. Bana bu işi bulan Dave Finkelstein'ı gördüm. Dave, teorik fizikte bir klasik haline gelecek olan topolojinin kuantum alan teorisine uygulanması üzerine bir makale yayınlamış olan parlak, karizmatik bir teorik fizikçiydi. Einstein'dan sonra 20. yüzyılın belki de en büyük fizikçisi olan P. A. M. Dirac'ı da gördüm. Dave beni Aharonov-Bohm etkisinin ortak keşfi Yakir Aharonov ile tanıştırdı. Şimdi Sir Roger olan Roger Penrose ile konuşuyordu. Roger ve Dave, kara delikler teorisinde iki öncüydü. Joel Leibovitz yazan bir tabela ile açık bir kapı gördüm. Tanınmış bir matematiksel fizikçi olan Joel, adını da bildiğim Lieb Elliot ile tartışıyordu. Şimdiye kadar tanıştığım en parlak fizikçilerin bir koleksiyonuydu, hepsi tek bir yerde.

Vakum enerjisinden bahsettiler . Dave, boşluğun sıfır noktası enerjisiyle dolu olduğunu ve bu enerjinin yerçekimi alanları üzerinde etkisi olduğunu savundu. Dirac, sonsuz olduğu ortaya çıktığı için boşluk enerjisi fikrinden hoşlanmadı. Bir teorideki bir şey sonsuz hale gelirse, böyle bir teorinin matematiğinin yanlış olduğuna ve bu nedenle vakum enerjisinin var olmadığına inanıyordu. Dave, bu sonuca nasıl vardığını açıklayarak beni hemen tartışmaya çekti. Bu tartışma benim için ölümcül oldu - Önümüzdeki kırk yıl boyunca beni rahatsız eden ve sonunda Kozmik Manzaraya götüren sorun beni şaşırttı.

Şimdiye Kadar Yapılan En Kötü Tahmin
 

Zihnimizin haklılığının kanıtlanmasından zevk alan kısmı -ben buna ego demeyi öneriyorum- teorik fizikçilerde özellikle iyi gelişmiştir. Bir fenomen teorisinin yaratılması, ardından daha sonra deneysel olarak onaylanan bir hesaplama, büyük bir memnuniyet kaynağıdır. Bazen deney, hesaplamadan önce bile gerçekleştirilir, bu durumda teori tahmin etmez, bunun yerine sonucu açıklar, ancak bu da fena değil. Çok iyi fizikçiler bile geçmişte yanlış tahminler yaptılar ve yapıyorlar. Onları unutmaya meyilliyiz, ancak bir yanlış tahmin var ki, bunlar henüz ortadan kalkmadı. Bugüne kadar, bu herhangi bir fizikçi tarafından yapılmış en kötü hesaplamadır. Bu çalışmanın yanlışlığı o kadar açıktı ki, yanlış olduğunu kanıtlamak için bir deney bile gerekmedi. Ve en kötüsü, bu yanlış sonucun, bize göründüğü gibi, en iyi teorimiz olan kuantum alan teorisinin kaçınılmaz bir sonucu olmasıdır.

Hatanın büyüklüğünü belirtmeden önce, yanlış tahminin ne olduğunu açıklığa kavuşturmama izin verin. Hesaplama sonucu deneyden 10 kat farklıysa, hatanın bir büyüklük sırası olduğunu söyleriz. Tutarsızlık 100 kat ise, bunlar iki büyüklük sırasıdır. 1000'lik bir tutarsızlık, üç büyüklük sırasıdır vb. Bir büyüklük mertebesinde yanılmak kötüdür. İki büyüklük sırası - bir felaket. Üç utanç verici. Bu nedenle, Einstein'ın kozmolojik sabitinin değerini tahmin etmek için en iyi teorilerini kullanan en iyi fizikçilerin tüm çabaları, ... yüz yirmi büyüklük mertebesinde bir hata veriyor ! Bu çok kötü, sadece saçma.

Einstein, kozmolojik sabitte yanan ilk kişi oldu. 1917'de, genel göreliliği tamamladıktan bir yıl sonra, daha sonra hatalarının en kötüsü olarak pişman olacağı bir makale yazdı. Makale "Kozmoloji ve Genel Görelilik Üzerine Sorular" başlığını taşıyordu ve astronomların gökyüzünde nebula adı verilen soluk parlayan noktaların aslında uzak galaksiler olduğunu fark etmesinden birkaç yıl önce yazıldı. On iki yıl daha geçti ve Amerikalı astronom Edwin Hubble, tüm galaksilerin onlardan uzaklaştıkça artan bir hızla bizden uzaklaştıklarını göstererek astronomi ve kozmolojide devrim yarattı. 1917'de Einstein, evrenin genişlediğini bilmiyordu. O dönemdeki herkes gibi o da galaksilerin nispeten durağan olduğuna ve her zaman aynı yerlerde olduğuna inanıyordu.

Einstein'ın teorisine göre evren kapalıdır , bu da öncelikle uzayın sonlu bir boyuta sahip olduğu anlamına gelir. Ancak bu, uzayın bir kenarı olduğu anlamına gelmez. Örneğin Dünya'nın yüzeyi de kapalıdır. Dünya yüzeyinde birbirinden 20.000 kilometreden daha uzakta olan hiçbir nokta yoktur. Ek olarak, Dünya yüzeyinin bir kenarı yoktur: Dünya üzerinde bittiği yer yoktur. Bir kağıt yaprağı sonludur ama bir kenarı vardır, hatta bazıları dört kenar bile diyebilir. Ama Dünya yüzeyinde herhangi bir yönde yeterince uzun yürürseniz uzayın sonuna asla ulaşamazsınız. Magellan gibi, eninde sonunda başlangıç noktasına döneceksiniz. [31]

küre olan Dünya'nın yüzeyinden bahsediyoruz . Dünyanın yüzeyi ile Einstein'ın evreni arasındaki analojiyi doğru kılmak için, tüm dünyayı değil, yalnızca yüzeyi akılda tutmak gerekir. Kürenin yüzeyinde yaşayan yaratıkları - hadi onlara düz diyelim - hayal edelim. Diyelim ki hiçbir koşulda bu yüzeyi terk edemezler: uçamazlar ve kazamazlar. Ayrıca değiş tokuş ettikleri tek sinyalin yüzey boyunca olduğunu varsayalım. Örneğin, bir tür yüzey dalgaları yayarak ve kaydederek çevrelerini inceleyebilirler. Bu varlıklar üçüncü boyut kavramına sahip olmayacaklar ve onu kullanamayacaklar. Bu tür yaratıklar gerçekten kapalı iki boyutlu bir dünyada yaşıyorlar. Bir matematikçi buna 2-küre diyebilir çünkü o iki boyutlu bir yüzeydir.

İki boyutlu bir dünyada yaşayan düz insanlar değiliz. Bununla birlikte, Einstein'ın teorisine göre, bir kürenin üç boyutlu bir analogunda yaşıyoruz. Kapalı üç boyutlu uzayı görselleştirmek zordur, ancak mantıklıdır. Böyle bir uzay için matematiksel terim 3-küredir . Düz insanlar gibi, bir yönde seyahat edip sonunda başlangıç noktasına geri dönerek 3-küre içinde yaşadığımızı bulabiliriz. Einstein'ın teorisine göre, gerçek uzayımız 3-küredir.

Genel olarak konuşursak, bir küre herhangi bir sayıda boyuta sahip olabilir. En basit örnek bir dairedir.

Bir daire, tıpkı bir çizgi gibi tek boyutludur. Bir daire üzerinde yaşasaydık, sadece bir yönde hareket edebilirdik. Çemberin diğer adı 1-küredir . Bir daire boyunca hareket etmek, bir çizgi boyunca hareket etmekle aynıdır, tek fark, bir süre sonra başlangıç noktasına geri dönmemizdir. Bir çemberi tanımlamak için, iki boyutlu bir düzlemde kapalı bir eğri çizerek başlayalım. Merkez noktasından eğrimizin her noktasına olan mesafe aynıysa, eğrimiz bir dairedir. 1-küreyi tanımlamak için 2B bir düzlemle başladığımıza dikkat edin.

2-küre benzer şekilde tanımlanabilir, ancak şimdi 3-boyutlu bir uzayla başlıyoruz. Noktalarının her biri merkezden aynı uzaklıkta üç boyutlu uzayda ise, bir yüzey 2-küredir. Şimdi tanımımızı 3-küreye veya genel olarak herhangi bir boyuttaki küreye nasıl genelleştireceğimiz açık. 3-küre tanımlamak için 4-boyutlu uzaya geçilmelidir. Bir noktanın konumunu tanımlamak için her zamanki üç yerine dört koordinat kullanan bir boşluk hayal edin. Şimdi orijinden aynı uzaklıkta olan tüm noktaları seçin. Hepsi 3-küre üzerinde yer alır.

Tıpkı 2-küre üzerinde yaşayan ve kürenin yüzeyi dışında hiçbir şeyi incelemekle ilgilenmeyen düz insanlar gibi, 3-küreyi inceleyen bir geometri, 3-kürenin gömülü olduğu dört boyutlu uzayı umursamaz. 4. boyutu aklımızdan çıkarıp sadece 3-küreye odaklanabiliyoruz.

Einstein'ın kozmolojisi, ilk yaklaşıma göre 3 küre şeklinde olan, ancak dünyanın yüzeyi gibi mükemmel bir küresel şekle sahip olmayan bir uzayı tanımlar. Genel görelilikte uzay katı bir şekilde sabitlenmemiştir; katı bir çelik bilyeden çok elastik bir havanın yüzeyi gibidir. Evreni, deforme olabilen böyle dev bir balonun yüzeyi olarak hayal edin. Daireler kauçuk bir yüzey üzerinde yaşar ve yalnızca bu yüzey boyunca yayılan sinyalleri kaydeder. Diğer uzamsal boyutlar hakkında hiçbir şey bilmiyorlar, topun içi, dış hava kabuğu hakkında hiçbir fikirleri yok. Boşlukları lastik gibi esnektir ve böyle bir boşlukta iki nokta arasındaki mesafe zamanla değişebilir.

Bu balonda, yüzeyini aşağı yukarı eşit bir şekilde kaplayan galaksiler çizilir. Balon şişirilirse galaksiler birbirinden uzaklaşır. Eğer üflenirse, galaksiler birleşir. Tüm bunları hayal etmek oldukça kolay. Zorluk, iki boyuttan üçe geçişte ortaya çıkar. Einstein'ın teorisi, uzayın esnek ve genişleyebilir olduğu ve 3 küreye yakın bir şekle sahip olduğu bir dünyayı tanımlar.

Şimdi yerçekimi çekimini ekleyelim. Yerçekimi teorisine göre (hem Newton hem de Einstein), evrendeki her nesne diğer tüm nesneleri kütlelerinin çarpımı ile orantılı ve aralarındaki mesafenin karesiyle ters orantılı bir kuvvetle çeker. Hem çekici hem de itici olan elektrik kuvvetlerinin aksine, yerçekimi kuvveti her zaman çekici bir kuvvettir. Kütle çekiminin etkisi tüm galaksileri bir araya getirmeye ve evreni sıkıştırmaya çalışıyor. Bir balonun yüzeyinde, yerçekiminin rolü, balonu sıkıştırma eğiliminde olan yüzeyindeki elastik gerilim kuvveti tarafından oynanır. Bu gerginliğin etkisini görmek istiyorsanız topa iğne batırmanız yeterli...

Kütleçekimsel çekime hiçbir kuvvet karşı koymazsa, galaksiler birbirine doğru hızlanacak ve tüm evren, iğnenin delindiği bir balon gibi kendi içine doğru çökecektir. Ancak 1917'de evren, gözlemciler için durağan, değişmez görünüyordu. Gökbilimciler, tüm sıradan insanlar gibi, gökyüzüne baktılar ve uzak yıldızların büyük ölçekli hareketlerini görmediler (rastgele yönlendirilmiş küçük kendi hareketleri dışında). Einstein, yerçekimi kuvvetleri yalnızca çekim kuvvetleriyse, statik bir evrenin imkansız olduğunu anladı. Statik Evren, dünya yüzeyinin üzerinde hareketsiz duran bir taş gibidir. Bir taşı dikey olarak yukarı doğru atarsanız önce yükselip sonra nasıl düştüğünü görürsünüz. Hatta taşın en üst noktada durup hareket yönünü değiştirdiği anı bile yakalayabilirsiniz. Ancak, kayaya Dünya'nın yerçekimi dışında etki eden başka bir kuvvet yoksa, bir kayanın yapamayacağı şey, sabit bir yükseklikte sonsuza kadar asılı kalmaktır. Tam olarak aynı şekilde, statik bir evren yerçekimi yasasına meydan okur.

Einstein, telafi edici bir güç sağlayacak olan teorisini değiştirme ihtiyacıyla karşı karşıya kaldı. Bir balon söz konusu olduğunda, bu kuvvet, kauçuk kabuğun içeriden gerilimine karşı koyan havanın basıncıdır. Ancak gerçek evren hava ile dolu değildir. Gerçek evren sadece bir yüzeydir. Bu yüzden Einstein, yerçekimine karşı koyan bir tür itici kuvvet olması gerektiğini öne sürdü. Genel görelilik denklemlerinde böyle bir kuvveti gizleyebilir mi?

Görelilik teorisinin denklemlerini dikkatlice inceleyen Einstein, içlerinde bir belirsizlik keşfetti: denklemler, bir terim daha ekleyerek matematiksel tutarlılıklarını bozmadan değiştirilebilir. Bu ek terimin rolü çok beklenmedik: Mesafenin karesiyle ters orantılı olarak zayıflayan olağan çekici kuvvete, başka bir kuvvet - artan mesafeyle artan itme kuvveti ekler. Yeni kuvvetin büyüklüğü, Einstein'ın Yunanca λ (lambda) harfiyle gösterdiği yeni fiziksel sabit tarafından belirlenir. O zamandan beri, bu sabite kozmolojik sabit denir ve hala λ harfi ile gösterilir.

Einstein'ın dikkatini özellikle, λ için pozitif bir sayı seçersek, yeni terimin cisimler arasındaki mesafeyle orantılı olarak artan evrensel itme kuvvetine karşılık geleceği gerçeğine çekildi. Einstein, lambda teriminin , Evrenin dengesini sağlayabilen evrensel yerçekimi kuvvetine karşı hareket eden çok itici kuvvetin rolünü oynayabileceğini fark etti . Galaksilerin dengesi, λ sabitinin uygun bir seçimiyle elde edilebilir. Seçim ilkesi basittir: Galaksiler arasındaki mesafe ne kadar büyükse, onları dengede tutmak için λ değeri o kadar küçük olmalıdır. Matematiksel açıdan sabitin herhangi bir şey olabilmesine rağmen, galaksiler arasındaki ortalama mesafeyi bilerek fiziksel olarak belirlemek çok kolaydır. Hubble, galaksiler arasındaki mesafeleri ölçmekle meşgulken, Einstein evrenin sırrını keşfettiğinden emindi. İki kuvvet üzerinde dengelenmiş bir dünyaydı: çekim ve itme.

Ancak bu teorinin bir takım çelişkileri vardır. Teorik olarak, Einstein tarafından inşa edilen evren kararsızdı. Bir denge halindeydi ama bu denge istikrarsızdı. Kararlı ve kararsız denge arasındaki farkı anlamanın en kolay yolu sarkaç örneğini kullanmaktır. Sarkaç dikey olarak asılıyken ve ağırlığı en alt noktasındayken, sarkaç kararlı bir denge durumundadır. Bu, onu denge noktasından biraz saptırırsanız orijinal konumuna geri döneceği anlamına gelir.

Şimdi sarkacı ters çevirin, böylece ağırlık yukarı konumda hassas bir şekilde dengelenir. Hafif bir esinti veya bir kelebeğin kanat çırpması gibi bir şey sarkacı iterse, hemen dengesini kaybedecek ve düşmeye başlayacaktır. Dahası, düşmeye başlayacağı yön tahmin edilemez. Einstein'ın durağan evreni böylesine kararsız, ters çevrilmiş bir sarkaç gibi davranır. En ufak bir bozulma, ya patlayıcı genişlemesine ya da aynı önlenemez çöküşe neden olacaktır. Einstein muhakemesindeki bu temel noktayı gözden mi kaçırdı yoksa onu görmezden gelmeyi mi seçti bilmiyorum.

Ama en üzücü olan şey: teori, basitçe var olmayan bir şeyi açıklamaya çalıştı. İronik olarak, denklemlerde fazladan bir terime gerek yoktu. Hubble, Güney Kaliforniya'daki Mount Wilson Gözlemevinde 100 inçlik teleskop [32] ile gözlem yaparken , evrenin sabit durmadığını keşfetti. Galaksiler birbirinden uzaklaşır ve evren şişirilmiş bir balon gibi genişler. Yerçekimi kuvvetlerini telafi etmeye gerek yoktur; Denklemlere güzellik katmayan kozmolojik terim, sıfıra eşitlenerek basitçe atılabilir.

Ancak bir kez açılan Pandora'nın kutusunu kapatmak o kadar kolay değildir.

Kozmolojik sabit, en iyi vakum enerjisi olarak tanımlanabilecek başka bir varlığa eşdeğerdir. [33] Hatırlarsanız bu terimle ilk kez Belfer Okulu'nda karşılaştım. "Vakum enerjisi" ifadesi kulağa tezat gibi geliyor. Vakum boşluktur. Tanımı gereği boştur, öyleyse nasıl herhangi bir enerjisi olabilir? Cevap, kuantum mekaniğinin dünyaya getirdiği garip şeylerde yatıyor: garip belirsizlik, garip niceleme ve garip, sürekli titreme. Boş uzayda bile "kuantum titremeleri" vardır. Teorik fizikçiler, boşluğun o kadar hızlı gelip giden parçacıklarla dolu olduğunu hayal ederler ki, onları normal koşullar altında tespit edemeyiz. Bu vakum titreşimleri çok yüksek bir frekansa sahiptir ve tıpkı kulaklarımızın çok yüksek bir frekanstaki sesi duyamaması gibi, cihazlarımızın da ölçemeyeceği bir frekansa sahiptir. Ancak vakum titreşimleri, tıpkı köpeklerin kulaklarının yüksek seslere karşı daha duyarlı olması gibi, yüksek frekanslara çok daha duyarlı olan atomları etkiler. Hidrojen atomunun enerji seviyeleri hassas bir şekilde ölçülebilir ve bu ölçümlerin sonuçları, vakumda dalgalanan bir elektron ve pozitron denizinin görünmez varlığına duyarlıdır.

Boşluktaki bu tuhaf, kaçınılmaz dalgalanmalar, kuantum alan teorisinden kaynaklanır ve sezgisel Feynman diyagramları kullanılarak görselleştirilebilir. Başlangıçta tek bir parçacığın olmadığı tamamen boş bir uzay-zaman hayal edin. Kuantum dalgalanmaları, aşağıdaki şekilde gösterildiği gibi kısa bir süre için parçacık çiftleri oluşturabilir.

İlk diyagram, bir elektron ve bir pozitronun hiçlikten kendiliğinden ortaya çıktığını ve sonra karşılaştıktan sonra karşılıklı olarak birbirlerini yok ettiğini göstermektedir. Bu diyagramı başka bir şekilde yorumlayabilirsiniz: Bir elektronun hareketi uzay-zamanda kapalı bir yörünge boyunca gerçekleşir; zamanda geriye doğru hareket eden elektron, bizim tarafımızdan bir pozitron olarak algılanır. İkinci diyagram, kendiliğinden yaratılan ve sonra yok edilen iki fotonu göstermektedir. Son diyagram, elektron ve pozitronun kaybolmadan önce bir foton değiş tokuşu yapması dışında ilkini tekrar eder. Sonsuz sayıda daha karmaşık "vakum diyagramı" vardır, ancak bu üçü en karakteristik olanıdır.

Bu tür elektronlar ve pozitronlar ne kadar yaşar? Saniyenin yaklaşık milyarda biri. Şimdi, tüm uzayda benzer süreçlerin devam ettiğini, Evreni hızla ortaya çıkan ve kaybolan temel parçacıklarla doldurduğunu hayal edin. Bu kısa ömürlü vakum dolduran kuantum parçacıklarına sanal denir , ancak varlıklarının sonuçları oldukça gerçek olabilir. Özellikle bu, vakumun enerjiye sahip olmasına yol açar. Vakum, sıfır enerjili bir durum değildir . Bunun yerine, minimum enerji durumu olduğu ortaya çıkıyor .

Kozmolojik sabite geri dönelim.

Akıllı okuyucu, “Vakumun enerjisi olup olmaması kimin umurunda? Bu enerji her zaman mevcutsa, neden enerji tanımımızı ondan vakum enerjisini çıkararak düzeltmiyoruz? Çünkü enerji yerçekimini yaratır . Bu cümlenin anlamını anlamak için iki basit fizik yasasını hatırlamak gerekir. Birincisi (Kitapta formül olmayacağına söz vermiştim ama üzgünüm, en az bir tane olmadan yapamam), E = mc 2 . Okul çocukları bile bu ünlü formülün kütle ve enerjinin eşdeğerliğini ifade ettiğini bilir. Kütle ve enerji aslında aynı şeydir, sadece farklı birimlerle ifade edilirler; kütleyi enerjiye dönüştürmek için ışık hızının karesiyle çarpmak yeterlidir.

kütle çekim alanının kaynağının kütle olduğunu belirten Newton'un evrensel çekim yasasıdır . Bu, Güneş gibi bir kütlenin varlığının yakındaki nesnelerin hareketini etkilediği anlamına gelir. Yerçekimi etkileşimini iki şekilde tanımlayabiliriz: ya basitçe Güneş'in Dünya'nın hareketini etkilediğini söyleyin ya da kolaylık sağlamak için Güneş tarafından yaratılan ve karşılığında ulaştığı herhangi bir cismin hareketini etkileyen yerçekimi alanını tanıtın.

Nicel olarak, Newton yasası bize Güneş'in çekim alanının gücünün kütlesiyle orantılı olduğunu söyler. Bir cisim Güneş'ten 100 kat daha ağırsa, çekim alanı 100 kat, Dünya'ya etki eden kuvvet ise 100 kat daha fazla olacaktır. "Kütle yerçekimi alanının kaynağıdır" ifadesinin anlamı budur.

Ama eğer enerji ve kütle aynı şeyse, o zaman önceki ifade şu şekilde yeniden formüle edilebilir: " Enerji yerçekimi alanının kaynağıdır ." Diğer bir deyişle, tüm enerji türleri yerçekimi alanını etkiler ve dolayısıyla yakındaki kütlelerin hareketlerini de etkiler. Kuantum alan teorisindeki vakum enerjisi bir istisna değildir. Vakum enerji yoğunluğu sıfır değilse, boş alan bile bir yerçekimi alanı yaratacaktır. Nesneler, üzerlerine etki eden kuvvetler varmış gibi boşlukta hareket edeceklerdir. En ilginç şey, eğer vakum enerjisine pozitif bir değer atanırsa, o zaman eylemi, galaksileri birbirinden ayırma eğiliminde olan bir tür anti yerçekimi, evrensel bir itme kuvveti şeklinde kendini gösterecektir. Ancak daha önce kozmolojik sabit hakkında söylediğimiz tam olarak buydu.

Bu nokta o kadar önemli ki burada durup tekrar açıklamak istiyorum. Boş uzay aslında vakum enerjisiyle (veya eşdeğer olarak vakum kütlesi) doluysa, o zaman içindeki nesneler üzerinde etki edeceği kuvvet, sıfır olmayan bir kozmolojik sabitin varlığının bir sonucu olan kuvvetten ayırt edilemez olacaktır. . Einstein'ın gayri meşru çocuğunun, kuantum boşluğunun sıfır noktası enerjisinin bir tezahüründen başka bir şey olmadığı ortaya çıktı. Einstein, kozmolojik sabiti denklemlerinden çıkarmaya karar vererek, aslında boşluk enerjisinin olmadığını ilan etti. Ancak modern bir bakış açısından, kuantum titremesinin kaçınılmaz olarak boş uzayda enerji ürettiğine inanmak için her türlü nedenimiz var.

Kozmolojik sabit veya vakum enerjisi gerçekten varsa, o zaman değerine ciddi kısıtlamalar getirilir. Çok büyük olsaydı, bu, gök cisimlerinin hareket yörüngelerinin gözlemlenen bozulmasına yol açardı. Kozmolojik sabit sıfır değilse çok küçük olmalıdır. Ancak kozmolojik sabiti vakum enerjisiyle özdeşleştirdiğimiz için, neden sıfıra eşit olması veya çok küçük bir değere sahip olması gerektiğini kimse açıklayamıyor. Açıkçası, temel parçacıklar teorisini Einstein'ın yerçekimi teorisiyle birleştirmek çok riskli bir iş çünkü ortaya çıkan teorik sonuç, kozmolojik sabitin değerinin birçok kat daha yüksek olmasına yol açıyor.

Her türlü temel parçacık, vakum adı verilen son derece çalkantılı sanal parçacık denizinde bulunur. Bu deniz elektronları, pozitronları, fotonları, kuarkları, nötrinoları, gravitonları ve daha fazlasını içerir. Vakum enerjisi, onu oluşturan tüm sanal parçacıkların enerjilerinin toplamıdır. Her parçacık türü bir katkı sağlar. Sanal parçacıkların bazıları yavaş hareket eder, enerji katkıları küçüktür, diğerleri ise daha hızlı hareket eder ve daha yüksek enerjilere sahiptir. Kuantum alan teorisinin matematiksel tekniğini kullanarak, bu parçacık denizindeki tüm enerjiyi toplarsak, o zaman bir felakete geliriz. O kadar çok yüksek enerjili sanal parçacık vardır ki, toplam enerji sonsuzdur. Ancak sonsuzluk anlamsız bir cevaptır. Bu tam olarak Dirac'ın şüpheciliğine neden olan şeydi. Ancak Dirac'ın çağdaşı Wolfgang Pauli şaka yaptı: "Bir şey sonsuza eşit olduğu için, bunun sıfır olduğu sonucu çıkmaz."

Çok yüksek enerjili sanal parçacıkların katkısını abarttığımız açık. Matematiksel ifadelerin fiziksel anlam kazanması için, onların varlığının etkisini bir şekilde farklı bir şekilde hesaba katmamız gerekir. Ancak, enerjileri belirli bir değerin üzerine çıktığında parçacıkların davranışları hakkında hâlâ bilmediğimiz çok şey var. Fizikçiler, en enerjik parçacıkların özelliklerini incelemek için dev hızlandırıcılar kullanırlar, ancak her hızlandırıcının bir sınırı vardır. Teorik fikirler bile bir noktada fışkırıyor. Eninde sonunda o kadar yüksek enerjilere ulaşacağız ki, iki parçacık çarpışacak ve bir kara delik oluşturacak! Şu anda elimizdeki araçların bize neler gösterdiğini anlamaktan çok uzağız. Sicim teorisi bile buna bağlı değil. Teoriyi pratikle uyumlu hale getirmek için yaptığımız şey şu: Çarpışma sürecinde bir kara delik oluşturabilecek kadar yüksek enerjiye sahip tüm sanal parçacıkların (boşluk enerjisine) katkısını basitçe görmezden geliyoruz. Biz buna "farklılıkları kesmek" veya "teoriyi yeniden normalleştirmek" diyoruz. Ancak kullanılan kelimeler ne olursa olsun, anlamları aynı kalır: Henüz anlamadığımız çok yüksek enerjili sanal parçacıkların katkısını görmezden gelmeyi kabul edelim.

Bu son derece tatmin edici olmayan bir durum, ancak bunu yaptığımız için elektronların, fotonların, gravitonların ve diğer bilinen tüm parçacıkların verdiği vakum enerjisini tahmin etmeye çalışacağız. Sonuç artık sonsuz olmayacak ama yine de çok büyük. Enerji genellikle joule cinsinden ölçülür. Bir litre suyu bir derece ısıtmak için yaklaşık 4.000 jul enerji gerekir. Hacim birimi genellikle bir santimetreküptür - bu, küçük parmağın ucunun yaklaşık hacmidir. Gündelik hayatta, santimetreküp başına joule, uygun bir enerji yoğunluğu birimidir. Ve sonra, küçük parmağınızın ucuyla karşılaştırılabilir bir uzay hacminde sanal fotonlar biçiminde kaç joule vakum enerjisi bulunur? Kuantum alan teorisine dayanan tahmin o kadar büyük ki, bir birimin arkasında 116 sıfır olacak şekilde yazılmasını gerektiriyor: on üzeri yüz on altıncı kuvvet! İşte sanal fotonlar biçiminde küçük parmağınızın içine alınmış, joule'lük bir boşluk enerjisi uçurumu. Bu, evrendeki tüm suyu kaynatmak için gerekenden çok daha fazla enerjidir. Bu, Güneş'in bir milyon veya milyar yılda yayacağı enerjiden çok daha fazladır. Bu, Evrenin tüm gözlemlenebilir kısmındaki tüm yıldızlar tarafından var olduğu süre boyunca yayılacak olan çok daha fazla enerjidir.

Bu boşluk enerjisinin neden olduğu kütleçekimsel itme felaket olurdu. Sadece galaksileri ayırmakla kalmayacak. Galaksilerin özünü oluşturan atomları, çekirdekleri ve hatta protonları ve nötronları parçalayacaktır. Kozmolojik sabit, eğer varsa, fizik ve astronomi hakkında bildiğimiz her şeyle tutarlı olması için çok daha küçük bir değere sahip olmalıdır.

Şimdiye kadar, yalnızca bir tür parçacığın katkısından kaynaklanan vakum enerjisini tahmin ettik: fotonlar. Peki ya sanal elektronlar, kuarklar ve diğer her şey? Ayrıca dalgalanırlar ve vakum enerjisine katkıda bulunurlar. Her tür parçacığın enerji katkısının kesin değeri, bu parçacıkların kütlelerinin yanı sıra çeşitli bağlantı sabitlerinin değerlerine bağlıdır. Elektronların katkısını eklersek, bunun vakum enerjisini daha da büyütmesi beklenir. Ama değil. Fotonlar ve benzeri diğer parçacıklar vakum enerjisine olumlu katkı sağlar. Kuantum alan teorisinin paradoksal bir gerçeği, boşluktaki sanal elektronların negatif enerjiye sahip olmasıdır. Fotonlar ve elektronlar, boşluk enerjisine zıt katkılarda bulunan parçacık sınıflarına aittir.

Bu iki parçacık sınıfına bozonlar ve fermiyonlar denir . Amaçlarımız açısından, bu iki sınıf arasındaki farkların nüansları önemli değil, ancak yine de onlara birkaç paragraf ayıracağım. Fermiyonlar elektron gibi parçacıklardır. Lise kimyasını hatırlarsanız, muhtemelen Pauli dışlama ilkesini bilirsiniz. Bir atomdaki hiçbir iki elektronun aynı kuantum durumunda olamayacağını belirtir. Periyodik element tablosunun var olmasının nedeni budur. Atoma yeni elektronlar eklendiğinde, daha yüksek atomik kabukları doldururlar. Bu davranış, fermiyon olan tüm parçacıklar için tipiktir. Aynı türden iki fermiyon aynı kuantum durumunda olamaz. Onlar izolasyonist münzevilerdir.

Bozonlar, fermiyonların aksine "sosyal" parçacıklardır. Fotonlar bozonlardır. Birçok bozonu aynı duruma getirmek çok kolaydır: örneğin, bir lazer ışını, aynı kuantum durumunda olan bir foton kümesidir. Fermiyon ışını kullanarak lazer yapamazsınız. Öte yandan, bozonlardan, en azından periyodik tabloda görünen atomlardan atomlar oluşturmak imkansızdır.

Bütün bunların boşluk enerjisiyle ne ilgisi var? Cevap, sanal fermiyonların negatif enerjiye sahipken, boşluktaki sanal bozonların pozitif enerjiye sahip olmasıdır. Bunun nedenleri tekniktir, bu yüzden bunu olduğu gibi kabul edin: vakumlu sanal fermiyonlar ve vakumlu sanal bozonlar, birbirlerinin vakum enerjisine katkısını telafi edebilirler, çünkü katkılarının zıt işaretleri vardır.

Yani, doğada var olan tüm fermiyonların ve bozonların katkısını sayarsak - fotonlar, gravitonlar, gluonlar, W-bosonlar, Z-bosonlar ve Higgs bozonları tarafta bozonlar ve nötrinolar, müonlar, elektronlar ve kuarklar tarafta fermiyonların - birbirlerini iptal edebilir miyiz? Hayır, yakın bile değil! Üzücü gerçek şu ki, boşluk enerjisinin neden bu kadar büyük olmadığına dair hiçbir fikrimiz yok. Neden atomları, protonları, nötronları ve diğer bilinen tüm nesneleri parçalayacak kadar büyük değil?

Yine de fizikçiler, bozonların vakum enerjisine pozitif katkısının fermiyonların negatif katkısıyla tam olarak telafi edildiği hayali dünyaların matematiksel teorilerini inşa edebildiler. Çok basit. Tek yapmanız gereken, tüm parçacıkların eşleşen çiftler halinde olduğundan emin olmaktır: her fermiyon için bir çift bozon ve her bozon için bir çift fermiyon olmalı ve aynı kütleye sahip olmalıdırlar. Başka bir deyişle, elektron, elektronla tamamen aynı kütle ve yüke sahip bir çift bozona sahip olmalıdır. Foton aynı zamanda çiftlenmiş kütlesiz bir fermiyona sahip olmalıdır. Teorik fiziğin gizli dilinde, birinin diğerine bu şekilde denk gelmesine simetri denir . Bir nesne ile onun aynadaki yansıması arasındaki karşılık gelme ayna simetrisidir. Parçacıklar ve antiparçacıklar arasındaki yazışma, yük konjugasyonuna göre bir simetridir. Bu nedenle, geleneğe göre, fermiyonlar ve bozonlar arasındaki yazışmaya da simetri adı verilmiştir. Fizik sözlüğündeki en fazla üzerinde çalışılan kelime "süper" kelimesidir: süperpozisyon, süpereş, süper çarpıştırıcı, süper sicim teorisi... Fizikçiler genellikle hiperbol hayranı değildirler, ancak bozon-fermiyon yazışmasını açıklamak için bulabildikleri tek şey süpersimetri terimi . Süpersimetrik teoriler vakum enerjisi içermez, çünkü vakum enerjisi içlerinde fermiyonların ve bozonların katkılarıyla karşılıklı olarak yok edilir.

Ancak süper ya da süper değil, fermiyon-bosonik simetri gerçek bir dünya nesnesi değildir. Ne bir elektron süpereşleri ne de başka herhangi bir temel parçacığın süpereşleri yoktur. Fermiyonlar ve bozonlar, vakum enerjisine olan katkıları yok etmez ve sonunda, temel parçacıklara ilişkin en iyi teorimizin, yerçekimi etkilerinin çok büyük olacağı vakum enerjisi için bir değer verdiğini kabul etmeliyiz. Bununla ne yapacağımızı bilmiyoruz. Sorunun ölçeğini, tabiri caizse, perspektife oturtmama izin verin. Öncelikle santimetreküp başına 10,116 joule karşılık gelen bir enerji yoğunluğu birimi bulalım, buna 1 Birim diyelim . Artık her tür parçacık, vakum enerjisine yaklaşık olarak bir Birim katkıda bulunur. Katkının tam değeri parçacığın kütlesine ve diğer özelliklerine bağlıdır. Parçacıklardan bazıları olumlu, bazıları - olumsuz bir katkı sağlar. Tüm katkılarının toplamı, Birim cinsinden ifade edilen inanılmaz derecede küçük bir enerji yoğunluğu vermelidir. Vakum enerjisi yoğunluğu 0.00000000000000000000 00000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000 Hiçbiri o kadar küçük olmayan bir grup sayı için, birbirini böylesine bir hassasiyetle rasgele iptal edebilmek kesinlikle inanılmaz bir tesadüf, bu yüzden açıkça başka cevaplar olmalı.

Teorik fizikçiler ve gözlemci kozmologlar bu soruna farklı şekillerde yaklaşıyorlar. Geleneksel olarak, kozmologların çok az değere sahip bir kozmolojik sabitin varlığına karşı hiçbir şeyleri yoktur. Deneysel bilim ruhuyla - herhangi bir parametreyi nasıl ölçüldüğü açısından ele almak. Ben dahil teorisyenler, gerekli eşleşmenin saçmalığına işaret ediyor ve kendilerine (ve birbirlerine), sabitin tam olarak sıfır olmasını gerektiren çok gizli bir matematiksel akıl yürütme olması gerektiğini söylüyorlar. Bu, 119 ondalık basamağı sebepsiz yere iptal etmekten daha olası görünüyor. Neredeyse yarım asırdır böyle bir sebep bulmaya çalışıyoruz ama şansımız yaver gitmedi. Sicim teorisyenleri, bu sorun hakkında çok katı görüşlere sahip özel bir fizikçi türünü temsil eder. Üzerinde çalıştıkları teori, genellikle büyük sayıların bu şekilde birbirini götürmesine neden olan beklenmedik matematiksel mucizeler gerçekleştirir. Onların görüşüne göre (ve ben de kısa bir süre önce aynı fikirdeydim), sicim kuramı, tüm doğal fenomenleri açıklayan her şeyin daha genel bir kuramının özel bir durumu olabilirdi. Ve doğru olmak gerekirse, böyle bir teorinin boşluk enerjisinin sıfıra eşit olması için bazı derin matematiksel temeller içermesi gerekir. Boşluk enerjisinin küçüklüğünün nedenini araştırmak, modern fiziğin en önemli ve en karmaşık problemlerinden biri olarak kabul edilir. Başka hiçbir fenomen fizikçileri bu kadar uzun süre şaşırtmadı. Kuantum alan teorisinde veya sicim teorisinde bu sorunu çözmek için yapılan herhangi bir girişim, her zaman başarısız olur. Yani boşluk enerjisi sorunu gerçekten de tüm fiziksel sorunların anasıdır.

Steven Weinberg "yasak kelime" diyor
 

Onlarca yılını kozmolojik sabit hakkında kolektif zihinleriyle boğuşarak geçiren fizikçiler, 1980'lerin ortalarına eli boş geldiler. Umutsuz durumlar, umutsuz önlemler gerektirir ve 1987'de dünyanın en seçkin bilim adamlarından biri olan Steven Weinberg, umutsuz bir fikir ortaya attı. Tüm önlemleri hiçe sayarak, düşünülemez olanı önerdi: belki de kozmolojik sabit, sicim kuramı veya başka herhangi bir matematik kuramıyla hiçbir ilgisi olmayan nedenlerle çok küçüktür. Belki de nedeni, eğer λ daha büyükse, o zaman kendi varlığımız söz konusu olacaktır. Bu tür bir mantık, bilime antropik ilke adı altında girdi : Evrenin bazı özellikleri veya fizik yasaları tam olarak bunun gibidir, çünkü farklı olsalardı, biz var olamazdık. Antropik ilke kullanılarak açıklanmaya aday pek çok soru vardır, örneğin:

1. Evren neden büyük?

2. Elektron neden var?

3. Uzay neden üç boyutludur?

Olası cevaplar:

1. Güneş benzeri yıldızların ve dünya benzeri gezegenlerin var olabilmesi için evrenin boyutlarının en az güneş sisteminin boyutlarından büyük olması gerekir.

2. Elektronlar olmadan atomlar ve organik bileşikler imkansız olurdu.

3. Üç boyutta meydana gelebilecek, ancak diğer boyutlardaki uzaylarda imkansız olan birçok olay vardır. Böyle bir olgunun bir örneği, güneş sisteminin kararlılığıdır. Dört veya daha fazla boyutlu bir dünyada, gezegenlerin hareketleri çok kaotik olacak ve bu, yaşamın ortaya çıkması ve biyolojik evrim için gerekli olan milyarlarca yıl boyunca istikrarlı koşulları sağlamayacak. Daha da kötüsü, yüksek boyutlu uzayda çekirdekler ve elektronlar arasındaki kuvvetler o kadar güçlü olacak ki elektronları çekirdeğe çekecek ve kimyasal reaksiyonları imkansız hale getirecektir.

Küçük bir evren, elektronsuz bir evren veya farklı sayıda boyutlara sahip bir evren, bu soruları soran zeki varlıkların olmadığı çorak bir evren olacaktır.

Hiç şüphe yok ki, antropik muhakeme kullanımının haklı olduğu tamamen meşru yönler vardır. Bir yıldızın yüzeyinde değil, bir gezegenin yüzeyinde yaşıyoruz çünkü 10.000 derece sıcaklıkta yaşam olamaz. Ancak temel fiziksel sabitleri açıklamak için bu argümanları kullanmak... Temel sabitlerin bizim kendi varlığımızla belirlendiği fikri çoğu fizikçi tarafından aforoz edilmiştir. İnsan ırkının varlığını sağlamak için doğa yasalarını hangi mekanizma düzeltebilir? Doğaüstü güçlere başvurmaktan başka makul bir açıklama var mı? Fizikçiler genellikle antropik ilkeye bir din, batıl inanç veya "yasak kelime" olarak atıfta bulunur ve onu terk etmeyi seçerler.

Steven Weinberg eski arkadaşlarımdan biridir. Gürleyen baritonunu ilk kez Berkeley'de bir Meksika kafesinde duydum. 1965 yılıydı, her türden protestonun yapıldığı bir dönemdi: Mario Savio'nun ifade özgürlüğü hareketi, Jefferson Polonya'nın seks özgürlüğü hareketi, LSD ve Vietnam Savaşı. Dördüne ve birkaçına daha katıldım. Saçlarım uzundu ve kot pantolon ve dar siyah bir tişört giymiştim. Ve yirmi beş yaşında, New York Eyaletindeki Cornell Üniversitesi'nde yeni basılmış bir doktordum. Stephen otuzlu yaşlarının başındaydı. İkimiz de Bronx'ta büyüdük, aynı liseye gittik ama benzerliklerimiz burada sona erdi. Stephen'la tanıştığımda, o zaten seçkin bir bilim adamı, Berkeley'de örnek bir profesördü. Ve bir Cambridge hocası gibi giyinmişti.

O gün kafede hüküm sürdü, Fransızca ve tarihi bir şeyler vaaz etti. Elbette, ondan hoşlanmamak için her türlü nedenim vardı. Ama onu tanıdıkça Steve'in karakterindeki en çarpıcı özelliğin kendine gülebilmesi olduğunu fark ettim. Önemli görünmeyi severdi ama aynı zamanda bazen gülünç göründüğünün de farkındaydı. Tahmin edebileceğiniz gibi, tüm farklılıklarımıza rağmen Weinberg'i çok seviyorum.

Steven Weinberg'in fizik anlayışının netliğine ve derinliğine her zaman hayran olmuşumdur. Kanımca, Standart Model'in kurucu babası olduğunu iddia etme olasılığı herkesten daha fazladır. Ama son yıllarda onun cesaretine ve entelektüel tutarlılığına daha çok hayran oldum. Yaratılışçılığa ve diğer bilim karşıtı düşünce biçimlerine karşı önde gelen savaşçılardan biridir. Ve bir gün, meslektaşlarının bilimsel önyargılarına ters düşen bir fikir beyan etme cesaretini buldu. Aslında, yazılarından da görülebileceği gibi, antropik ilkeden pek hoşlanmadı, çünkü büyük olasılıkla antropik ilke, bugün bazı insanların akıllı tasarım dediği şeyle çok uyumlu . Bununla birlikte, kozmolojik sabite ilişkin çaresizliği içinde, antropik açıklamanın olanaklarını göz ardı edemeyeceğini hissetti. Karakteristik olarak, pratik bir soru sordu: kozmolojik sabitin değeri, gözlemlenen 10-120 Birimden daha büyük , zeki yaşamın gelişme olasılığı için felaket olur mu? Daha büyük bir λ değerinin yaşamın gelişimini engelleyemeyeceği ortaya çıkarsa, o zaman yaşamın var olma olasılığı temel bir gerçek olmayacaktır, sicim teorisyenleri bu soruna zarif bir matematiksel çözüm bulmaya çalışabilirler. Ancak kozmolojik sabitin biraz daha büyük bir değeri yaşamın varlığını imkansız kılıyorsa, o zaman antropik ilke ciddiye alınmalıdır. Weinberg'in bu durumdan nasıl çıkacağını hep merak etmişimdir.

Adil olmak gerekirse, birçok kozmologun antropik ilkeyi yalnızca kayıtsız bir şekilde kabul etmekle kalmayıp, aynı zamanda onu ateşli bir şekilde desteklediğine dikkat edilmelidir. Örneğin, kozmolojik sabitin küçüklüğünün antropik bir açıklaması olabileceği hipotezi, iki kozmolog John Barrow ve Frank Tipler tarafından kitaplarında ortaya atılmıştır. [34] Açık fikirlilikle karar verenler arasında, her ikisi de Amerika Birleşik Devletleri'nde yaşayan tanınmış Rus kozmologlar olan İngiliz "Astronom Royal" Sir Martin Rees, Andrey Linde ve Alexander Vilenkin vardı. Belki de kozmologlar, antropik ilke fikrine fizikçilerden daha açıktı, çünkü gözlerinin önünde soyut denklemler değil, basitlik ve zarafet açısından keyfi sayıların rastgele tesadüflerinden daha az talepkar olan gerçek evren vardı.

10-120 Birim'den büyük bir kozmolojik sabit değerinin yaşamı imkansız hale getirmesinin bir nedeni olup olmadığını bulmak için yola çıktı . Karşılaştığı zorluk hakkında bir fikir vermek için, kozmolojik sabitin değerindeki bir artışın sıradan karasal fenomenler üzerinde ne kadar büyük bir etkisi olacağı sorulabilir.

Kozmolojik sabitin kendisini evrensel bir itme kuvveti olarak gösterdiğini hatırlayın. Bir atomun elektronları ile çekirdeği arasında etkili olan itici kuvvetler, atomların özelliklerini değiştirir. Ancak her şeyi dikkatlice hesaplarsanız, bu kadar küçük bir kozmolojik sabitin neden olduğu itme etkisinin o kadar küçük olacağı ve bunun atomların veya moleküllerin özellikleri üzerindeki etkisinin tamamen algılanamaz olacağı aşikar hale gelir. 10-120 Birimden daha büyük olan kozmolojik sabitin değeri bile, kimyasal reaksiyonlar üzerinde herhangi bir etkiye sahip olamayacak kadar küçük olacaktır. Belki de kozmolojik sabitin küçüklüğü güneş sisteminin kararlılığı için önemlidir? Hayır. Yine, λ birçok büyüklük mertebesinde artmasına rağmen, etkiler çok küçüktür. Kozmolojik sabitteki bir artışın yaşam olasılığını etkilemesi için hiçbir neden yok gibi görünüyor.

Yine de Weinberg tutunacak bir şey buldu. Bu, günümüz fiziği, kimyası ve astronomisi için geçerli değil, galaksilerin yalnızca erken Evrenin ilkel materyalinden oluşmaya başladığı dönem için geçerli. O zamanlar, evrenin büyük bölümünü oluşturan hidrojen ve helyum, uzayda çok düzgün bir şekilde dağılmıştı. Bir noktadan diğerine neredeyse hiç yoğunluk değişimi olmadı.

Bugün evren, küçük gezegenler ve asteroitlerden süperdev gökada kümelerine kadar çeşitli boyutlarda parçalarla doludur. Erken evrendeki koşullar her yerde aynı olsaydı, o zaman onda hiçbir homojensizlik ortaya çıkamazdı. İdeal bir simetrik küresel evren sonsuza kadar böyle kalırdı. Ancak erken evren tamamen homojen değildi. Sonuçlarını gözlemleyebildiğimiz varlığının ilk saniyelerinde, yoğunluk ve basınçta göreceli olarak birkaç yüz binde biri olan önemsiz farklılıklar vardı. Yani yoğunluk değişimleri, yoğunluğun kendisinden yüz bin kat daha küçüktü. Maddenin çekimsel parçalanması için önemli olan toplam yoğunluk değil, yoğunluktaki bu küçük değişimlerdir.

Bu son derece küçük düzensizlikler bile galaksi oluşum sürecini başlatmak için yeterliydi. Zamanla madde, kütleçekiminin etkisiyle yoğunluğun biraz az olduğu yerlerden biraz fazla olduğu yerlere doğru akmaya başladı. Bu, bu tür yerler arasındaki yoğunluk farkının artmasına neden olmuştur. Sonuç olarak, süreç galaksilerin oluşumuna yol açana kadar hızlandı.

Ancak bu ilk yoğunluk homojensizlikleri son derece küçük olduğundan, küçük bir kütleçekimsel itme bile evrenin kümelenme eğilimini tersine çevirebilir. Weinberg, kozmolojik sabitin mevcut ampirik değerinden yalnızca bir veya iki kat daha büyük olsaydı, o zaman Evrende hiçbir galaksinin, hiçbir yıldızın, hiçbir gezegenin ortaya çıkmayacağını keşfetti!

 Negatif λ durumu
 

Buraya kadar pozitif vakum enerjisine eşlik eden itici etkiden bahsettim. Ancak fermiyonların katkısının bozonların katkısından daha ağır bastığını varsayalım: o zaman toplam vakum enerjisi negatif olacaktır. Mümkün mü? Eğer öyleyse, bu Weinberg'in argümanlarını nasıl etkileyecek?

İlk sorunun cevabı evet, bu çok kolay gerçekleşebilir. Bunun için gerekli olan tek şey, fermiyonların bozonlar üzerindeki hafif bir üstünlüğüdür ve kozmolojik sabit negatif olur. İkinci sorunun cevabı da kolay. λ'nın işaretindeki bir değişiklik, evrensel yerçekimi kuvvetine itici bir kuvvet değil, mesafeyle orantılı olarak artan çekici bir kuvvet ekler. Büyük bir kozmolojik sabitin evreni otomatik olarak yaşanmaz hale getireceğini ikna edici bir şekilde kanıtlamak için, kozmolojik sabitin büyük bir negatif değere sahip olması durumunda yaşamın ortaya çıkamayacağını göstermemiz gerekir.

Olumsuz olan kozmolojik sabit dışında, içindeki tüm doğa yasaları aynı kalsaydı evren nasıl olurdu? Bu durumun cevabı, pozitif λ durumundan bile daha basit çıkıyor. Ekstra yerçekimi sonunda Hubble genişlemesini durduracak: Evren, delinmiş bir balon gibi sönmeye başlayacak. Galaksiler, yıldızlar, gezegenler ve tüm yaşam "büyük kırılma" sürecinde yok olacak. Kozmolojik sabitin negatif değeri çok büyükse, ortaya çıkan sıkıştırma Evrene yaşamın ortaya çıkması ve gelişmesi için gerekli olan milyarlarca yılı vermeyecektir. Dolayısıyla, Weinberg'in pozitif değerler üzerindeki kısıtlamasına karşılık gelen λ'nın negatif değerleri üzerinde antropik bir kısıtlama vardır. Bu sınırlar oldukça yakındır. Kozmolojik sabit negatif ise, Evrende yaşamın ortaya çıkması ve gelişmesi için sıfırdan 10-120 Birimden fazla farklılık göstermemesi gerekir.

Ama dediğim gibi, kozmolojik sabitin büyük bir negatif ya da büyük bir pozitif değere sahip olduğu başka cep evrenlerin var olma olasılığını hiçbir şey dışlamaz. Ama hayatın mümkün olduğu yerler değiller. Büyük bir pozitif λ'ya sahip evrenlerde, her şey o kadar hızlı uçar ki galaksiler, yıldızlar, gezegenler, atomlar ve hatta atom çekirdeği gibi yapıların oluşma şansı yoktur. Büyük bir negatif λ'ya sahip cep evrenlerde, genişleme hızla yerini daralmaya bırakır ve yaşamın ortaya çıkışına yönelik tüm umutları yok eder.

Antropik ilke ilk testi geçti. Yine de teorisyenlerin Weinberg'in çalışmasına genel tepkisi, onu görmezden gelmek oldu. Geleneksel fizik, antropik ilkeyi kabul etmiyordu. Bu olumsuz tutumun bir kısmı, aslında bu ilkenin neyi ilan ettiği konusunda anlaşma olmamasından kaynaklanıyordu. Bazıları için bu, yaratılışçılık ve doğaüstü bir ajanın insanın çıkarları doğrultusunda doğa kanunlarında ince ayar yapması gerektiği gibi kokuyordu ki bu, tehditkar bir şekilde bilim karşıtı bir fikirdi. Ama en önemlisi, doğanın tüm yasalarını ve fiziksel sabitlerin değerlerini bazı zarif matematiksel ilkelerden teorik olarak çıkarmanın mümkün olduğu fikriyle uyumsuzdu.

Ancak Weinberg biraz daha ileri gitti. Antropik ilkenin nasıl uygulanması amaçlanırsa tasarlansın ve hangi mekanizma onun uygulanmasını sağlarsa sağlasın, bir şeyin yeterince açık olduğunu belirtti: ilke bize λ'nın bizi öldürmeyecek kadar küçük olması gerektiğini gösterebilir, ancak hiçbir neden yoktur. neden tam olarak sıfır olması gerekiyor. Aslında yaşamı sağlamak için gerekenden çok daha az olması için hiçbir sebep yok. Antropik ilkenin derin anlamından endişe duymadan Weinberg, esasen önemli bir tahminde bulundu: eğer antropik ilke doğruysa, o zaman astronomlar, değeri 10-120'den önemli ölçüde az olmayacak sıfır olmayan vakum enerjisini tespit etmek zorunda kalacaklar. Birimler.

Planck uzunluğu
 

Keşif sürecinden her zaman etkilenmişimdir. Bir dizi olan sürecin psikolojisini kastediyorum: bir akıl yürütme zinciri - içgörü - "Eureka!". En sevdiğim eğlencelerden biri, kendimi büyük bir bilim adamının yerine koymak ve onun yerine nasıl kesin bir keşfe ulaşabileceğimi hayal etmektir.

Şimdi size yerçekiminin kuantum teorisine ilk büyük katkıyı nasıl yapmış olacağımı anlatacağım. Bu, genç Einstein'ın modern yerçekimi teorisini yaratmasından 16 yıl önce ve bu sonradan görme Heisenberg ve Schrödinger'in modern kuantum mekaniğini bulmasından 26 yıl önce olacaktı.

Aslında ben, Max Planck, bunu farkında olmadan yaptım.

Berlin, 1900 Kaiser Wilhelm Enstitüsü

Geçenlerde en şaşırtıcı keşfi yaptım: Tamamen yeni bir temel fiziksel sabit keşfettim. İnsanlar buna benim adım diyor: Planck'ın sabiti . Ofisimde oturuyordum ve şöyle düşünüyordum: ışık hızı, Newton'un yerçekimi sabiti ve benim yeni sabitim gibi temel fiziksel sabitler neden bu kadar tuhaf değerlere sahip? Işık hızı saniyede 2.997×10 8 metredir. Yerçekimi sabiti 6.67 × 10 -11 metreküp/saniye kare/kilogramdır. Ve benim sabitim daha da kötü: 6.624×10 -34 kilogram-metrekare bölü saniye. Neden hepsi bu kadar büyük veya bu kadar küçük? Hepsi aynı düzende olsa fizikçilerin hayatı çok daha rahat olurdu.

Ve sonra bana vurdu! Uzunluk, kütle ve zamanı ölçmek için üç temel birim vardır: metre, kilogram ve saniye. Ayrıca üç temel sabit vardır. Ölçü birimlerini örneğin santimetre, gram ve saat olarak değiştirirseniz, üç sabitin de sayısal değeri değişecektir. Örneğin, ışık hızının değeri daha az uygun hale gelecektir: saatte 1,08×10 14 santimetre. Ama eğer mesafeyi ölçmek için ışık yıllarını ve zamanı ölçmek için yılları kullanırsam, o zaman ışık hızı tam olarak 1 olur, çünkü ışık bir yılda bir ışık yılı yol alır. Bu, bazı yeni ölçü birimleri bulabileceğim ve üç temel sabiti tam istediğim gibi yapabileceğim anlamına gelmiyor mu? Üç temel fiziksel sabitin de bire eşit olacağı ölçü birimlerini bile bulabilirim! Bu, birçok formülü basitleştirecektir. Yeni birimlerden "doğal" olarak bahsedeceğim çünkü bunlar fiziksel sabitlere dayalıdır. Belki şanslıysam, insanlar onlara "Planck birimleri" demeye başlar. Hesaplayın, acilen sayın ...

Ve işte sonucum: doğal uzunluk birimi yaklaşık 10-33 santimetredir. Kutsal Bernoulli! Aklınıza gelebilecek her şeyden daha az. Atomları inceleyenlerin bir kısmı, bir atomun çapının 10-8 santimetre olduğunu söylüyor. Bu, yeni doğal uzunluk biriminin, atomun Galaksiden ne kadar küçük olduğu kadar atomdan kat kat daha küçük olduğu anlamına gelir! [35]

Harika! Peki ya doğal zaman birimi? Yaklaşık 10-42 saniye çıkıyor! Bu hayal edilemeyecek kadar küçük. Bir ışık dalgasının salınım periyodu bile, doğal zaman biriminden hayal edilemeyecek kadar uzundur.

Ve bir kütle birimi için... Evet, doğal kütle birimi küçük çıktı, ama yine de o kadar da küçük değil: yaklaşık 10-5 gram. Bu, bir toz zerresinin ağırlığı kadardır. Bu birimlerin özel bir anlamı olmalı.

Doğal birimlerde çalışırsanız, tüm fiziksel formüller çok daha basit görünür. bunun ne anlama geldiğini merak ediyorum?

Planck, farkına varmadan, kuantum yerçekimi alanındaki en büyük keşiflerden birini bu şekilde yaptı.

Planck 47 yıl daha yaşadı ve 89 yaşına kadar yaşadı. Ancak keşfettiği Planck ölçü birimlerinin sonraki nesil fizikçiler üzerindeki etkisinin ne kadar derin olduğunu hayal ettiğinden emin değilim. 1947'de genel görelilik ve kuantum mekaniği temel fizik dersinin bir parçasıydı, ancak neredeyse hiç kimse bunları kuantum yerçekimine sentezlemeyi düşünmedi . Üç Planck birimi - uzunluk birimi, kütle birimi ve zaman birimi - bu disiplinin gelişimi için çok önemliydi, ancak şimdi bile onların tüm derinliğini anlamaya başlıyoruz. Sadece birkaç örnek vereceğim.

Einstein'ın teorisinde uzayın bir balonun yüzeyi gibi esnediğini ve deforme olduğunu daha önce söylemiştim. Düz bir düzleme gerilebilir veya eski bir gazete gibi buruşabilir. Ancak bu fikir kuantum mekaniği ile birleştirilir birleştirilmez, uzay tamamen yeni özellikler kazanır. Kuantum mekaniği ilkelerine göre, salınabilen her şey salınır. Uzay bükülme yeteneğine sahipse, o zaman "kuantum titremesine" tabi olmalıdır. Çok güçlü bir mikroskobumuz olsaydı, uzayın dalgalandığını, titreştiğini ve titreştiğini, antinod yerlerinde minyatür "çörekler" oluşturduğunu görürdük. Bir bez veya kağıt parçası gibi görünecek. Uzaktan, böyle bir parça düzgün ve pürüzsüz görünür, ancak mikroskop altında delikler, tümsekler, lifler ve deliklerle dolu olduğunu görebilirsiniz. Uzay ile her şey aynı, sadece daha kötüsü. Uzay sadece bunun gibi dokulardan oluşmuyor: bu dokular aynı zamanda inanılmaz derecede hızlı değişiyor.

Uzayın değişken yapısını bize göstermek için bir mikroskobun ne kadar güçlü olması gerekir? Muhtemelen tahmin etmişsinizdir: Mikroskop, Planck uzunluğunun sırasına, yani 10-33 santimetreye ilişkin ayrıntıları çözmelidir . Bu, uzayın kuantum yapısının ölçeğidir.

Planck uzunluğu ölçeğinde uzayın yapısı ne kadar hızlı değişiyor? Yine, bu dalgalanmaların karakteristik periyodunun Planck zamanı - 10 -42 saniye - olması gerektiğini tahmin etmek kolaydır !

Birçok fizikçi, Planck uzunluğunun fiziksel anlamının mümkün olan minimum mesafe olduğuna inanır. Benzer şekilde, Planck zamanı mümkün olan en kısa zaman aralığıdır.

Ancak Planck kütlesini henüz tartışmadık. Bunun fiziksel anlamını anlamak için, iki parçacığın öyle bir kuvvetle çarpıştığını ve bunun sonucunda çarpışma noktasında bir kara delik oluşturduğunu hayal edin. Çarpışan iki parçacık yeterince büyük bir enerjiye sahipse bu gerçekten olabilir; bu durumda, arkalarında bu kitabın 11. bölümünde tartışılacak olan gizemli nesnelerden biri olan bir kara delik bırakarak ortadan kaybolacaklar. Böyle bir kara delik oluşturmak için gereken enerjiden daha önce vakum enerjisinden bahsettiğimde bahsetmiştim. Kütle ve enerji aynı şey olduğuna göre bu enerji ne kadar büyük olmalıdır? Cevap açık: Tabii ki Planck kütlesine eşit olmalıdır. Planck kütlesi, bir madde parçacığının ne minimum ne de maksimum olası kütlesidir; Planck kütlesi, bir kara delik için mümkün olan en küçük kütledir. Bu arada, bir Planck kütleli karadelik, Planck uzunluğu mertebesinde bir boyuta sahip olacak ve patlayıp arkasında fotonlar ve diğer kalıntılar bırakarak patlayana kadar Planck süresinden daha uzun süre dayanmayacak.

Planck'ın belirlediği gibi, bu kütle bir gramın yaklaşık yüz binde biridir. Sıradan standartlara göre bu çok büyük bir kütle değildir ve bunu ışık hızının karesiyle çarparsak çok fazla enerji elde etmeyiz. Ancak bu enerjiyi iki temel parçacığın çarpışmasının enerjisiyle ilişkilendirirsek, o zaman böyle bir olay mikro kozmosta gerçek bir başarı olacaktır. Bu tür enerjilerin parçacıklarını elde etmek için, boyutu birçok ışık yılı cinsinden hesaplanacak olan bir hızlandırıcıya ihtiyaç duyulacaktır.

Sanal parçacıkların katkısından kaynaklanan vakum enerjisi yoğunluğunu tahmin ettiğimizde, bir Planck hacminde bir Planck kütlesine karşılık gelen bir sonuç aldığımızı hatırlatmama izin verin. Yani 1 Birim olarak tanımladığım enerji yoğunluğunun ölçüsü, enerji yoğunluğunun doğal Planck biriminden başka bir şey değildir.

Planck ölçeğindeki dünya, geometrinin sürekli değiştiği, uzay ve zamanın zar zor ayırt edilebildiği ve yüksek enerjili sanal parçacıkların, Planck zamanından daha uzun süre var olmayan karşılıklı çarpışmalar sırasında sürekli olarak küçük kara delikler doğurduğu oldukça sıra dışı bir yerdir. Ama sicim kuramcılarının tüm çalışma zamanlarını bu dünyada geçirdikleri yer.

Şimdi biraz zaman ayırıp bizi bir sonraki ikileme getiren iki zor bölümü özetlememe izin verin. Temel parçacıklar dünyasının Standart Model biçimindeki mikroskobik yasaları, yalnızca parçacıkların değil, aynı zamanda çekirdeklerin, atomların ve basit moleküllerin davranışını da hesaplamanıza izin veren bir teori oluşturmak için inanılmaz derecede güvenilir bir temeldir. Muhtemelen, yeterince güçlü bir bilgisayar ve yeterli zamanla, herhangi bir molekülü hesaplayabilir ve hatta daha karmaşık nesnelere geçebiliriz. Ancak Standart Model son derece karmaşıktır ve çok fazla boş parametre içerir. Kendini anlatamıyor. Doğada var olanlar kadar matematiksel olarak tutarlı olan Standart Model'e uyacak başka birçok temel parçacık listesi ve eşleşme sabitleri bulunabilir.

Ve sonra - daha da kötüsü. Temel parçacıklar teorisini yerçekimi teorisiyle birleştirmeye çalışırken, yalnızca galaksileri, yıldızları ve gezegenleri değil, aynı zamanda atomları ve hatta protonları ve nötronları da yok edecek kadar büyük, korkunç bir kozmolojik sabit elde ederiz, keşke ... ? Vakum enerjisinin hesaplanmasında kullanılan çeşitli bozonlar, fermiyonlar, kütleler ve eşleşme sabitleri ilk 119 ondalık basamağı ortadan kaldırmak için işbirliği yapmadıkça. Ancak hangi doğal mekanizma böyle bir durumu sağlayabilir? Fizik yasaları inanılmaz derecede keskin bir bıçağın ucunda dengede mi duruyor, eğer öyleyse neden? Soru bu.

Bir sonraki bölümde, fizik yasalarını neyin belirlediğini ve ne kadar eşsiz olduklarını tartışacağız. Bu yasaların hiç de benzersiz olmadığını keşfedeceğiz! Megaverse'de bir yerden bir yere bile değişebilirler. Megaevren'de sabitlerin vakumun enerjisini yaşamın ortaya çıkmasına izin verecek yeterli doğrulukla iptal etmek için işbirliği yaptığı bu kadar özel nadir yerler olabilir mi? Bu seçeneğe izin veren fırsat manzarasının temel fikri, Bölüm 3'ün konusudur.

Bölüm 3
 

"Navigator, bize yetişiyor mu?" Yüzbaşının yüzü asıktı, kel kafatasından boncuk boncuk ter yuvarlandı ve çenesinden aşağı döküldü. Kontrol çubuğunu yumruk şeklinde sıkan elde damarlar şişmişti.

"Evet Kaptan, korkarım ondan kurtulmanın bir yolu yok. Balon büyüyor ve eğer hesaplarım doğruysa, kaçınılmaz olarak bizi yutacak.

Kaptan ürperdi ve yumruğunu kontrol paneline vurdu.

"Sonunun böyle olacağını hiç düşünmemiştim. Bir alternatif boşluk baloncuğu tarafından yutulmak... İçindeki fizik yasalarının neler olduğunu söyleyebilir misiniz? Hayatta kalma şansımız var mı?

- Olası olmayan. Oranımızı 1: 10.100 olarak değerlendiriyorum - googol başına bir. Belki de balonun içindeki boşluk elektronların ve kuarkların varlığına izin veriyor, ancak ince yapı sabiti büyük olasılıkla çok büyük. Atom çekirdeğini cehenneme kadar parçalayacak. Navigatör yazdığı denklemlere baktı ve hüzünle gülümsedi. “İnce yapı sabiti ile her şey yolunda olsa bile, büyük bir CP olma olasılığı vardır.

- KP mi?

– Evet, biliyorsunuz – Kozmolojik Sabit. Büyük olasılıkla, negatif ve moleküllerimizi kıracak kadar büyük - bunun gibi.

Gezgin parmaklarını şıklattı.

- Zaten burada! Aman Tanrım! Hayır, bu süpersimetri. [36] Hiç şansı yok...

Ayrıca - sessizlik.

Yazmaya çalıştığım kötü bir bilim kurgu öyküsünün başlangıcıydı. Birkaç paragraftan sonra, yazma yeteneğimden tamamen yoksun olduğumu fark ederek bu fikirden vazgeçtim. Ancak bilim, kurgudan çok daha ilginç olabilir.

Artan sayıda teorik fizikçi, fizik yasalarının yalnızca değişebileceğine değil, aynı zamanda bu değişikliğin neredeyse her zaman ölümcül olduğuna inanma eğiliminde. Bir bakıma, doğa kanunları Doğu Sahili'ndeki hava gibidir: son derece değişken, neredeyse her zaman korkunç ama nadiren güzel. Ölümcül kasırgalar gibi, son derece düşmanca içeriklere sahip baloncuklar evreni kasıp kavurabilir ve yollarına çıkan her şeyi yok edebilir. Ancak çok nadir yerlerde, varlığımıza mükemmel şekilde uyan fizik yasalarını keşfederiz. Nasıl oldu da bu eşsiz yerlerden birine geldik? Bunu yapmak için, fizik yasalarının değişkenliğinin nedenlerini anlamanız, değişim aralığının ne kadar büyük olduğunu ve uzayın bir bölgesinin karakterini nasıl birdenbire ölümcül düşmandan dosta dönerek değiştirebileceğini takdir etmeniz gerekir. Bu bizi kitabımızın ana sorununa getiriyor - Manzara.

Peyzaj bir olasılıklar alanıdır. Coğrafya ve Topografya Peyzaj, tepeler ve vadiler, ovalar ve kanyonlar, dağlar ve geçitlerden oluşur. Ancak, sıradan bir manzaranın aksine, Manzara üç boyutlu değildir, yüzlerce hatta binlerce boyuta yayılır. Peyzajın tarif edilen özelliklerinin neredeyse tamamı, yaşam için ölümcül olan ortamlardır, ancak alçak vadilerin bir kısmı yaşanabilir. Manzara gerçek bir yer değil. Dünya'da veya başka bir yerde bulunmaz. O ne uzayda ne de zamandadır. Bu, her noktası ortamın belirli bir olasılık kümesini veya bir fizikçinin söyleyeceği gibi olası bir boşluğu temsil eden matematiksel bir yapıdır .

Genellikle "vakum" kelimesi, havanın, su buharının ve diğer herhangi bir maddenin çıkarıldığı boş bir alanı belirtmek için kullanılır. Deneysel fizikçinin vakum tüpleri, vakum odaları ve vakum pompalarıyla uğraşırken genellikle uğraştığı şey budur. Ancak teorik fizikte "vakum" terimi çok daha fazlasını ifade eder. Bu, fiziksel eylemin ortaya çıktığı bir tür aşamadır. Boşluk potansiyel olarak bu sahnede olabilecek her şeyi içerir. Bu, hem tüm temel parçacıkların hem de bu boşlukta yürütülen deneylerde keşfedilebilen veya ölçülebilen temel fiziksel sabitlerin bir listesidir. Kısaca boşluk, Fizik Yasalarının somutlaştığı bir ortamdır. Boşluğumuz elektronları, pozitronları, fotonları ve diğer sıradan temel parçacıkları içerebilir. Boşluğumuzda bir elektronun kütlesi 0,511 MeV, fotonun kütlesi sıfır ve ince yapı sabiti 0,007297351'dir. Diğer boşluk, örneğin kütlesiz elektronlar, 10 MeV kütleli fotonlar içerebilir, kuarklar içermez, ancak yine de 40 farklı türde nötrinoya ve 15.003571 ince yapı sabitine sahiptir. Başka bir boşluk, diğer Fizik Yasaları anlamına gelir. Peyzajdaki her nokta, muhtemelen bizimkinden çok farklı olan ancak yine de mümkün olan bir dizi yasadır. Standart Model, olasılıklar manzarasında yalnızca bir noktadır.

Ancak Fizik Yasaları boşluktan boşluğa farklılık gösterebiliyorsa, aynı şey tüm bilimlerin çalışma nesneleri için söylenebilir. Daha hafif elektronların ve daha ağır protonların olduğu bir dünyada, büyük ihtimalle hiç atom olmayacaktı. Atomların olmaması, kimyanın, yani periyodik sistemin, moleküllerin, asitlerin, bazların, organik bileşiklerin ve dolayısıyla biyolojinin olmaması anlamına gelir.

Alternatif doğa yasalarına sahip evrenler fikri bilim kurgu gibi görünüyor. Ama kurgudan daha gerçek. Modern tıp teknolojisi sayesinde, MRI makinelerinin içinde düzenli olarak alternatif evrenler yaratılmaktadır. Kısaltma MRI, meslekten olmayanları korkunç "nükleer" kelimesiyle korkutmamak için eski adı olan NMR'nin - nükleer manyetik rezonans - yerini alacak şekilde icat edildi. Bu nedenle teknolojinin adı manyetik rezonans görüntüleme veya kısaca MRI ile değiştirildi. Aslında, ne uranyum veya plütonyum çekirdekleri ne de nükleer savaş başlıkları nükleer manyetik rezonans olgusuna dahil değildir. Başlıkta belirtilen çekirdekler, hastanın vücudunun içinde bulunur ve MRI makinesi onları nazikçe uyarır. Tipik olarak, bu aparat, duvarlarında silindir içinde çok güçlü bir manyetik alan oluşturan elektrik bobinlerinin yerleştirildiği içi boş bir silindirdir. Silindirin içindeki hasta, vakum özellikleri silindirin dışındaki evrenin vakum özelliklerinden biraz farklı olan kendi küçük evrenindedir. Bir sabah böyle bir arabanın içinde nerede olduğunuzu bilmeden uyandığınızı hayal edin. Fizik yasalarında bir şeyler ters gidecek. İlk fark edeceğiniz şey, demir nesnelerin garip, hatta tehlikeli davranışları olacaktır. Pijama cebinizde bir pusula varsa, okunun bir eldiven gibi kesin olarak tanımlanmış bir yönü gösterdiğini göreceksiniz.

Eski bir CRT TV'yi MRI makinesine yanınıza almak muhtemelen en iyi fikir değildir, ancak aldığınızı varsayalım. Açtığınızda, ekrandaki görüntünün tuhaf bir şekilde bozulduğunu göreceksiniz. Kineskobun nasıl çalıştığını bilerek, elektronların yörüngelerini yeniden oluşturabilirsiniz. Güçlü bir manyetik alan, elektronların düz bir çizgide değil, tirbuşon benzeri bir sarmalda hareket etmesine neden olur. Feynman diyagramlarına aşina olan bir fizikçi, elektron yayıcıda bir sorun olduğunu söyleyecektir. Yayıcı, bir elektronun bir noktadan başka bir noktaya hareketini gösteren bir resim değil, aynı zamanda bu hareketi açıklayan matematiksel bir ifadedir.

Temel sabitler de biraz farklı olabilir. Güçlü bir manyetik alanın elektronların spinleriyle etkileşimi, kütlelerinde küçük bir değişikliğe bile yol açabilir. Daha da ilginç olanı, güçlü bir manyetik alanın atomlar üzerindeki etkisidir. Manyetik kuvvetler, atomların elektron kabuklarını alan vektörüne dik bir yönde hafifçe yassılaştırır. Geleneksel bir MRI makinesinde bu etki önemsizdir, ancak daha güçlü manyetik alanlarda atomlar alan çizgileri boyunca gerilmiş bir tür spagettiye dönüşebilir.

Manyetik alanın etkisinin etkisi, atomların enerji seviyelerindeki küçük değişiklikler şeklinde bulunur ve buna bağlı olarak radyasyon spektrumuna yansır. Bu değişikliklerin mekanizması, elektronların, pozitronların ve fotonların birbirleriyle etkileşime girme biçiminde yatmaktadır. Daha güçlü bir manyetik alan, elektron hareketinin doğasına bağlı olacak olan ince yapı sabitinin değerini etkileyecek olan köşe diyagramı üzerinde de bir etkiye sahip olacaktır.

Tabii ki, bir MRI makinesinin manyetik alanı zayıftır ve yüklü parçacıkların hareketini yöneten yasalar üzerindeki etkisi minimumdur. Fakat çok güçlü bir alanda hasta kendini rahatsız hissedecektir ve böyle bir alanın fizik kanunları üzerindeki etkisi hasta için ölümcül olabilir çünkü atomların özelliklerini değiştirmek kimyasal ve biyolojik süreçler açısından korkunç sonuçlara yol açacaktır.

Açıklanan durum hakkında iki görüş vardır ve her ikisi de doğrudur. Bir yandan, doğanın temel kanunlarının hiç değişmediğini söyleyebiliriz, ancak artık güçlü bir manyetik alanın olduğu fiziksel ortam değişti. Öte yandan Feynman diyagramlarını hesaplamanın kuralları değişti ve Fizik Kanunlarına bir şeyler oldu diyebiliriz.

Belki de en doğrusu şunu söylemek olacaktır:

Fizik Yasaları çevre tarafından belirlenir.

 alanlar
 

Alanlar, daha önce gördüğümüz gibi, nesnelerin davranışını etkileyen, uzayın özel görünmez özellikleridir. Dünyevi bir örnek manyetik alandır: Bir mıknatısı eline alıp bir kağıt parçasının, iğnelerin ve çivilerin üzerindeki gizemli etkiyi araştıran herkes onunla karşılaşmıştır. Birçoğu, mıknatısın etrafında manyetik alan çizgilerini tekrarlayan bir desen oluşturan demir talaşlarıyla ilgili okul deneyimini hatırlıyor . Manyetik alanın uzaydaki her noktada bir demir parçasına etki ettiği kuvveti belirleyen bir yönü ve yoğunluğu vardır. Bir MRI makinesinin içindeki manyetik alan, Dünya'nın manyetik alanından 10.000 kat daha güçlüdür.

Günlük deneyimlerimizden bize biraz daha az aşina olan elektrik alan, manyetik alanla yakından ilişkilidir. Demir nesneler üzerinde gözle görülür bir etkisi yoktur, ancak elektrikli bir nesne tarafından küçük kağıt parçalarının çekilmesinden sorumludur. Bir nesne diğerine sürtündüğünde, birinci nesnenin yüzeyinden elektronlar ikincinin yüzeyine geçer ve bunun sonucunda nesneler zıt işaretli elektrik yükleri kazanır. Yüklü cisimler kendi etraflarında, tıpkı manyetik alan gibi, uzayın her noktasında yönü ve yoğunluğu olan bir elektrik alanı oluştururlar. Nihayetinde, Fizik Yasaları değişkendir çünkü alanlar tarafından tanımlanırlar ve alanlar değişebilir. Manyetik ve elektrik alanları açmak, yasaları değiştirmenin bir yoludur, ancak vakumu değiştirmenin tek yolu bu değildir - daha ilginç yollar da vardır. Örneğin, Einstein'ın yerçekimi alanını kullanabilirsiniz, ancak hepsi bu kadar değil. 20. yüzyılın ikinci yarısına, yeni temel parçacıkların, yeni etkileşim türlerinin ve bunun sonucunda uzayı doldurabilen ve sıradan maddeyi etkileyebilen yeni alanların keşfi damgasını vurdu. Ancak tüm bu alanlardan biri olan Higgs alanı Peyzaj çalışması açısından bizi diğerlerinden daha fazla ilgilendirecektir.

Higgs alanının [37] keşfi, olağan, deneysel anlamda bir keşif değildi. Teorisyenler, Higgs alanı olmadan Standart Modelin tutarsız olduğunu bulmuşlardır. Bu olmadan, Feynman'ın kuralları sonsuz veya negatif olasılık gibi anlamsız sonuçlara yol açabilir. Ancak 1960'ların sonlarında ve 1970'lerin başlarında teorisyenler, Standart Modeli "düzeltmenin" bir yolunun ona başka bir temel parçacık olan Higgs parçacığını eklemek olduğunu gösterdiler. Higgs parçacığı, Higgs alanı... Alanlar ile parçacıklar arasındaki ilişki nedir ki onlara aynı adı verelim? Bir alan fikri ilk olarak 19. yüzyılın ortalarında elektromanyetik olayların incelenmesinde ortaya çıktı. Michael Faraday, alanları, elektrik yüklü parçacıkların hareketini etkileyen, uzayda düzgün bozulmalar olarak hayal etti, ancak alanın kendisinin parçacıklardan oluşması gerekmiyordu . Fikirlerini geliştiren Faraday ve Maxwell için dünya parçacıklardan ve alanlardan oluşuyordu ve bunların hangisinin ne olduğundan kimsenin şüphesi yoktu. Ancak 1905'te Albert Einstein, Planck'ın kara cisim radyasyonu formülünü araştırırken saçma bir hipotez öne sürdü. Einstein, elektromanyetik alanın aslında foton veya quanta adını verdiği çok sayıda görünmez parçacıktan oluştuğunu iddia etti. Az sayıda kuantum olduğunda, parçacıklar gibi davranırlar, ancak çok sayıda kuantum koordineli bir şekilde hareket ettiğinde, bir alan - bir kuantum alanı gibi davranırlar . Parçacıklar ve alanlar arasındaki bu ilişkinin evrensel olduğu ortaya çıktı. Her parçacığın kendi alanı vardır ve her alan türünün kendi parçacığı vardır. Bu nedenle alanlar ve parçacıklar genellikle aynı adla anılır. Elektromanyetik alan (elektrik ve manyetik alanların adını genelleştirir) bir foton alanı olarak adlandırılabilir . Elektronların da kendi alanları vardır. Hem kuarklar hem de gluonlar - Higgs parçacıkları da dahil olmak üzere Standart Modelin herhangi bir karakterinin kendi alanı vardır.

Higgs parçacıkları olmayan Standart Model'in matematiksel saçmalık olduğunu söyledim ama biraz açıklama eklemeliyim. Higgs parçacıkları içermeyen Standart Model matematiksel olarak tutarlıdır, ancak yalnızca tüm parçacıklar fotonlar gibi ışık hızında hareket ettiği sürece. Işık hızında hareket eden parçacıkların kütlesi olamaz, bu nedenle fizikçiler Higgs alanının temel parçacıklara kütle vermek için tam olarak gerekli olan şey olduğunu savunuyorlar. Benim açımdan talihsiz bir ifade ama daha iyisini düşünemiyorum. Her durumda, bu, alanların dünya sabitlerini nasıl etkilediğinin önemli bir örneğidir.

Hiç kimse Higgs parçacığını görmedi ve uzun bir süre, deneysel fizikçilerin onu "gördüklerini" söylemelerine izin veren ikincil kanıtlar bile yoktu. Bu parçacığın keşfi olarak yorumlanabilecek ilk sonuçlar ancak yakın zamanda elde edildi. Aslında, Higgs parçacıklarını saptamanın hiçbir zorluğu yoktur, asıl zorluk onları çalışma için yeterli miktarda üretmektir. Bu sorun temel bir engel değil: Higgs bozonu gibi ağır parçacıklar yaratmak için sadece büyük bir hızlandırıcıya ihtiyacınız var. Higgs parçacıkları ve Higgs alanı, Standart Model [38] 'in başarısı için o kadar önemlidir ki, hiç kimse onların varlığından ciddi olarak şüphe duymadı. Ben bu kitabı yazarken, Avrupa Nükleer Araştırma Merkezi (CERN), bize araştırma için büyük miktarlarda Higgs parçacığı sağlayabilecek yeni bir hızlandırıcıyı tamamlamaya yaklaşıyor. Higgs parçacıklarının teorisyenler tarafından ilk kez öngörüldüğü andan deneysel olarak keşfedildikleri ana kadar neredeyse 40 yıl geçti.

Higgs alanı bir manyetik alan kadar kolay açılıp kapatılabilseydi, örneğin bir elektronun kütlesini istediğimiz zaman değiştirebilirdik. Kütledeki bir artış, atomik elektronların çekirdeğe daha yakın dönmesine neden olur ve bu da kimyayı kökten değiştirir. Protonları ve nötronları oluşturan kuarkların kütlelerini değiştirerek, çekirdeklerin özelliklerini değiştirmek veya belirli bir anda onları tamamen yok etmek mümkün olacaktır. Higgs alanını diğer yönde değiştirmek daha da zararlıdır - örneğin, bu elektronu kütleden tamamen mahrum bırakabilir. Çok hafif olan bir elektron atomun içinde kalamaz. Belki de yaşadığımız dünya üzerinde yapmak isteyeceğimiz deneyler bunlar değil, çünkü bu tür değişiklikler yıkıcı sonuçlara yol açacak ve dünyayı yaşanmaz hale getirecek. Fizik Yasalarındaki önemli değişiklikler ölümcül olacak ve bu olay örgüsüne tekrar tekrar döneceğiz.

Higgs alanını değiştirerek dünyamızı önemli ölçüde çeşitlendirebiliriz: alanla birlikte nükleer ve atomik fizik yasaları da değişecektir. Bir bölgenin fizikçisi başka bir bölgenin Fizik Yasalarını tanımayacaktır. Ancak yine de, Higgs alanının olası varyasyonlarının sayısı oldukça mütevazıdır. Ancak değiştirilecek alan sayısı yüzlerce olsaydı ne olurdu? Bu, içinde her şeyin bulunabileceği kadar çeşitli çok boyutlu bir manzara anlamına gelir. Ve böyle bir dünyayı inceleyen bir bilim adamının aziz hayali, içinde imkansız bir şey bulmak olacaktır. Yakında göreceğimiz gibi, bu kesinlikle boş bir fantezi değil.

Matematikçiler veya fizikçiler birden fazla değişken içeren bir problemle karşılaştıklarında, bu değişkenlerin olası değerlerini içeren bir uzay düşünürler. Basit bir örnek hava sıcaklığıdır. Sıfır dereceyi temsil eden bir işaret, yanında bir dereceyi temsil eden başka bir işaret, ardından iki dereceyi temsil eden başka bir işaret ve benzeri olan düz bir çizgi hayal edin.Çizgi, olası sıcaklıkları içeren tek boyutlu bir uzayı temsil eder. 25 derecelik bir nokta sıcak bir yaz gününü, -25 derecelik bir nokta ise soğuk bir kış gününü temsil edecektir. Yaygın bir ev termometresindeki sıcaklık ölçeği, bu soyut alanın somut bir temsilidir.

Mutfak penceresinin dışındaki termometreye ek olarak, atmosferik basıncı ölçmek için bir barometremiz olduğunu varsayalım. Biri sıcaklığı, diğeri atmosferik basıncı temsil eden iki eksen çizebiliriz. Yine, şimdi iki boyutlu uzayda olan her nokta, olası hava koşullarından birini temsil eder. Hava nemi gibi daha fazla bilgi yakalamak istiyorsak, üçüncü bir koordinat ekleyebilir ve hava durumunu üç boyutlu uzayda bir nokta olarak gösterebiliriz.

Sıcaklık, basınç ve nem kombinasyonu bize bu iki parametreden çok daha fazlasını anlatır. Bize belirli koşullar altında ne tür parçacıkların var olabileceğini söyler, ancak bu durumda temel parçacıklardan değil, su damlacıklarından bahsediyoruz. Su damlacıkları koşullara bağlı olarak sis, yağmur, kırağı, kar veya dolu şeklini alabilir.

Fizik Kanunları bir tür “boşluktaki hava”dır, sadece sıcaklık, atmosferik basınç ve nem yerine bu havayı alanların büyüklüğü belirler. Havanın havadaki su damlacıklarının doğasını belirlemesi gibi, vakum havası da temel parçacıkların listesini ve özelliklerini belirler. Parçacık kümesinin, kütlelerinin ve eşleşme sabitlerinin bağlı olduğu kaç alan vardır? Bazılarını zaten biliyoruz: elektrik ve manyetik alanlar ve Higgs alanı. Gerisi, doğanın ana yasaları hakkında Standart Model'in bize verdiğinden daha fazlasını öğrendiğimizde bilinecek.

Bugün, böyle bir evrensel yasanın keşfine yönelik ana ve şimdiye kadarki tek iddiamız sicim teorisidir. 7. ve 8. Bölümlerde, sicim kuramının yerel boşluk havasını yöneten alanların sayısı sorusuna beklenmedik bir yanıt verdiğini göreceğiz. Mevcut bilgi düzeyimizde, bu tür alanların sayısının binlerce değilse de yüzlerce olması gerektiğini görüyoruz.

Ancak alan sayısı ne olursa olsun, ilkenin kendisi aynı kalır. Her boyutu ayrı bir alana karşılık gelen bir matematiksel uzay hayal edin. On alan varsa, uzay on boyutlu olacaktır. Bin alanı temsil etmek için bin boyutlu bir uzaya ihtiyacınız var. Bu alan manzaradır. Bu manzaradaki bir nokta, tüm alanların büyüklüğünü belirler - vakumlu havanın durumu. Bu durum, temel parçacıkların kümesini, kütlelerini ve etkileşim yasalarını belirler. Eğer biri evrenler arasında kademeli olarak manzaranın bir noktasından diğerine geçebilseydi, etrafındaki dünyanın tüm özellikleri de sorunsuz bir şekilde değişirdi. Bu değişikliklere karşılık olarak, atomların ve moleküllerin özellikleri de değişecektir.

Tepeler ve vadiler
 

Gerçek bir alanın haritası, deniz seviyesinden belirli noktaların yüksekliğini göstermiyorsa eksiktir. Bu amaçla, topografik haritalar eşit yükseklikteki çizgileri gösteren eğriler çizer. Arazinin hamuru modeli, dağları, vadileri ve ovaları minyatür olarak tasvir ederek daha da net görünüyor.

Tam da böyle bir modelimiz olduğunu hayal edin ve üzerinde küçük, pürüzsüz bir topun, örneğin bir yataktan çıkan bir topun yuvarlanmasına izin verdiğimizi hayal edin. Topu rastgele bir yere koyar ve bırakırsanız, sonunda bir vadinin dibinde durana kadar yuvarlanır. Neden tam olarak? Bu soruya farklı zamanlarda farklı cevaplar verilmiştir. Eski Yunanlılar, her elementin kendi yeri olduğuna inanıyorlardı: toprak ve su aşağı inme, ateş ve hava yukarı çıkma eğilimindedir. Bu soruyu nasıl yanıtlarsınız bilmiyorum ama bir fizik profesörü olarak şu açıklamayı yapıyorum: Bir rulmandan çıkan topun potansiyel enerjisi yüksekliğine bağlıdır. Yükseklik ne kadar yüksek olursa, potansiyel enerji de o kadar yüksek olur. Top, potansiyel enerjisinin en düşük olduğu yere veya topun daha alçak bir vadi aramak için gereksiz yere bir tepeye tırmanmadan ulaşabileceği yerel en düşük değere doğru yuvarlanma eğilimindedir . Yuvarlanan topları inceleyen bir fizik öğrencisi için, konturları olan bir harita ve bir manzara modeli, arazi üzerinde yuvarlanan bir topun potansiyel enerjisindeki değişim hakkında bilgi sağlar.

Bu kitabın adandığı (büyük harfli) manzarada ayrıca tepeler, vadiler, dağlar ve ovalar vardır. Bu Peyzajdaki rulmanlardan sadece topların yerleri tüm cep evrenleri tarafından işgal edilmiştir! Arazide yer kaplayan cep evrenleri ile ne demek istiyorum? Sanki hava durumu spikeri, Denver'ın sıcaklık ölçeğinde eksi beş derecelik bir alanı kapladığını söyledi.

Kulağa garip geliyor, ancak şehirleri bir termometre ölçeğinde "sürünen" olarak sunmanın kesin bir anlamı var.

Ancak manzaradaki bir noktanın yüksekliğinin anlamı nedir? Açıkçası, dünya yüzeyinde deniz seviyesinden bir noktanın yüksekliği ile ilgisi yoktur. Bununla birlikte, potansiyel enerjiyi temsil eder, ancak bir yataktan gelen topun enerjisini değil, bir cep evreninin enerjisini temsil eder. [39] Ve potansiyel enerjisinin minimum olduğu yere yuvarlanan bir top gibi, evrenler en düşük potansiyel enerji durumuna doğru gelişme eğilimindedir. Bu noktaya geri döneceğim.

Bunu akılda tutarak, bir MRI makinesindeki Fizik Yasalarına geri dönelim. Cihazın içinde mevcut olan tek alan manyetik alan ise, manzara, manyetik alan değerlerinin çizildiği tek bir eksene sahip bir sıcaklık ölçeği gibi tek boyutlu olacaktır.

Manyetik alanlar kendiliğinden oluşmaz. Bir alan yaratmak enerji gerektirir. Elektromanyetik teorinin şafağında, Michael Faraday alan kavramını tanıtmadan önce, bunun elektrik devrelerinin tellerinden akan elektrik akımlarının enerjisi olduğuna inanılıyordu. Ancak Faraday nesnelerin doğasına yeni bir bakış attı ve teller, transformatörler, dirençler ve diğer devre elemanları yerine, uzayı dolduran ve yüklü cisimlerin davranışını etkileyen alanlara odaklandı. Fizikçiler çok geçmeden alanın enerjisinin muazzam önemini anladılar: Alanların olduğu her yerde enerji de vardır. Örneğin, bir ışık huzmesinin elektromanyetik alanında bulunan enerji, onun tarafından aydınlatılan soğuk nesneleri ısıtır.

Bir MRI makinesinin manyetik alanı da enerji içerir. Daha sonra manyetik rezonans görüntülemede kullanılan ve ancak yarım bardak suyu kaynatmaya yetecek enerjiye sahip olan zayıf manyetik alandan çok daha fazla enerji içeren alanlarla karşılaşacağız.

Tek boyutlu manzaramıza dikey bir eksen ekleyerek, enerjiyi her noktada grafiksel olarak gösterebiliriz. Manyetik alanın enerjisi, yoğunluğunun karesiyle orantılıdır, dolayısıyla grafiğimiz başlangıç noktasındaki tepe noktasına dayalı bir parabol olacaktır.

Manyetik alan, Faraday tarafından tanıtılan iki alandan biriydi. İkinci alan elektriktir. Manyetikten farklı olarak pusula iğnesini etkilemez ama başınızdaki tüyleri diken diken edebilir. Güçlü bir elektrik alanı, negatif yüklü elektronları ve pozitif yüklü atom çekirdeklerini farklı yönlerde gererek atomları deforme edebilir. Deforme olmuş atomlar, bazı atomların pozitif yüklü çekirdeklerinin diğerlerinin uzun negatif yüklü elektron kabuklarına çekildiği uzun zincirler oluşturur. Daha da güçlü bir elektrik alanı atomları birbirinden ayıracaktır. Açıktır ki, manzaranın bu tür noktalarında artık atomlar var olamaz ve sonuç olarak yaşam da var olamayacaktır.

Hem elektrik hem de manyetik alanların varlığı, iki boyutlu hale gelen manzaraya daha fazla çeşitlilik katar. Elektrik alanın da enerjisi olduğundan, peyzajın "yüksekliği" zaten iki yatay boyutta değişecektir. Böyle bir manzara, keskin bir şekilde yükselen kenarları olan derin bir kase gibi görünecektir.

Elektrik ve manyetik alanlar elektronların davranışını farklı şekillerde etkiledikleri için Fizik Kanunlarına daha fazla çeşitlilik katarlar. Karışık bir alandaki elektronlar, her bir alana göre ayrı ayrı daha karmaşık yörüngeler boyunca hareket eder. Atomların enerji seviyeleri daha yüksek bir karmaşıklık seviyesi gösteriyor ve manzara daha çeşitli görünüyor. Uzayın tamamı elektrik ve manyetik alanlarla eşit şekilde doluysa, Fizik Yasalarının evrenin iki boyutlu bir manzara üzerindeki "konumuna" bağlı olduğu iddia edilebilir. Doğada, elektrik ve manyetik alanlara ek olarak, çok sayıda alan vardır, ancak genel ilke aynı kalır: manzara üzerindeki her nokta veya başka bir deyişle, alanların her kombinasyonu belirli bir enerji değerine karşılık gelir. yoğunluk. Alanları yatay bir düzlemde temsil ederek, enerjiyi temsil etmek için manzaraya yalnızca bir eksen eklemeliyiz. Bu eksene "yükseklik" adını vererek mecazi anlamda ovalar, tepeler, dağlar ve vadilerden oluşan bir manzara elde ederiz.

vektör alanları olduğunu unutmamalıyız , bu da her noktada sadece yoğunluğun büyüklüğüne değil, aynı zamanda yönüne de sahip oldukları anlamına gelir. Bir mıknatısın yanına yerleştirilmiş bir pusula iğnesi, manyetik alanın yönünü gösterecektir. İdeal olarak, Dünya yüzeyindeki herhangi bir noktadaki manyetik alan vektörü her zaman kuzey manyetik kutbunu gösterecektir. Gerçekte, durum ideal olmaktan uzaktır, çünkü yer kabuğundaki devasa demir cevheri birikintileri manyetik alanın resmini bozarak yönünde yerel değişimlere neden olur.

Peyzajı oluşturan alanların çoğu elektrik ve manyetikten daha basittir: bu alanların çoğu skaler alanlardır . Skaler alanın yönü yoktur ve yalnızca bir değerle karakterize edilir - yoğunluk. Bir skaler alan örneği, Dünya yüzeyindeki sıcaklık dağılım alanıdır. Tahminciden asla "kuzeybatı yönünde yirmi santigrat derece" gibi bir şey duymayacaksınız. Sıcaklığın büyüklüğü vardır ama yönü yoktur. Ancak tahminciler, hem büyüklüğü hem de yönü olan rüzgar hızı gibi vektör alanlarıyla da ilgilenir. Sıcaklık, barometrik basınç, nem ve rüzgar hızı bir yerden bir yere değişebilen değerlerdir ve bu da onları tarla yapar. Tabii ki bu sadece bir benzetme ve manzarayı oluşturan alanlarla hiçbir ilgisi yok.

Higgs alanı manyetik alana çok benzer (skaler olması dışında), ancak manipüle edilmesi orantısız bir şekilde daha zordur. Higgs alanını küçücük bir miktarda bile değiştirmek için hayal edilemeyecek miktarda enerji gerekir. Bununla birlikte, onu nasıl kontrol edeceğimizi öğrenirsek, foton dışında tüm temel parçacıkların kütlelerini istediğimiz gibi değiştirebiliriz.

Lokomotifler, gülleler, temel parçacıklar - her şeyin kütlesi vardır. Kütle bir atalet ölçüsüdür: daha büyük bir cismi hareket ettirmek veya durdurmak daha zordur. Bir cismin kütlesini belirlemek için ona bir kuvvet uygulanmalı ve bu kuvvetin yarattığı ivme ölçülmelidir: kuvvetin ivmeye oranı kütle olacaktır. Deneyin başladığı anda vücut dinleniyorsa, ölçülen kütleye dinlenme kütlesi denir. Geçmişte, hareket halindeki kütle ile duran kütle arasında ayrım yapmak adettendi, ancak bugün "kütle" terimi her zaman hareketsiz kütle anlamına gelir .

Tüm elektronların aynı kütleye sahip olduğunu deneyimlerimizden biliyoruz. Aynısı protonlar ve diğer temel parçacıklar için de geçerlidir. Bu nedenle elektronlardan hangisini kastettiğimizi belirtmeden bir elektronun kütlesinden bahsedebiliriz. Aynı şekilde, herhangi bir temel parçacığın kütlesi hakkında konuşabiliriz, ancak elbette farklı parçacık türlerinin kütleleri farklıdır. Örneğin, bir protonun kütlesi, bir elektronun kütlesinin 1800 katıdır.

Öte yandan fotonlar, kütleleri söz konusu olduğunda eksantrik tuhaflara dönüşüyor. Kütle, vücut dinlenme durumundan hareket etmeye başladığında vücudun ivmesi tarafından belirlenir ve fotonlar asla durmaz, her zaman hareket ederler ve her zaman aynı hızla. Einstein'a göre fotonlar ışık parçacıklarıdır ve ışık her zaman ışık hızında hareket eder . Fotonlar durağan olamazlar, yavaşlamak yerine basitçe yok olurlar. Bu, fotonun kütlesinin sıfır olduğu anlamına gelir. Ve genel olarak: ışık hızında hareket edebilen herhangi bir parçacık kütlesiz olmalıdır .

Deneysel olarak gözlemlenen tüm parçacıklar arasında yalnızca foton kütlesizdir. Bununla birlikte, doğada en az bir kütlesiz parçacığın daha olması gerektiğine inanmak için nedenler var. Tıpkı bir atomun bir elektronun bir yörüngeden diğerine geçişi sonucunda elektromanyetik dalgalar yayması gibi, Güneş'in etrafında hareket eden gezegenler de yerçekimi alanını bozarak yerçekimi dalgalarının yayılmasına neden olur. Bu yerçekimi dalgaları Dünya'da tespit edilemeyecek kadar zayıftır, ancak zaman zaman Evren'de güçlü yerçekimi radyasyonu üreten korkunç felaketler meydana gelir. Karadeliklerin çarpışması, yerçekimi radyasyonu şeklinde inanılmaz miktarda enerji açığa çıkarabilir ve bunu tespit etmek için Dünya'da özel dedektörler inşa edilmiştir. Teorisyenler yanılmıyorsa, bu dalgalar uzayda ışık hızında yayılacaktır, bu nedenle kütlesiz parçacıklardan - gravitonlardan oluşmaları gerektiğini varsaymak mantıklıdır.

Tüm elektronların aynı kütleye sahip olduğunu söylememe rağmen, tahmin etmiş olabileceğiniz bir incelik var. Bir elektronun kütlesi, elektronun halihazırda bulunduğu noktadaki Higgs alanının büyüklüğüne bağlıdır. Higgs alanını değiştirecek teknolojiye sahip olsaydık, o zaman bir elektronun kütlesi konumuna bağlı olabilirdi. Aynısı, foton ve graviton dışındaki tüm diğer temel parçacıkların kütleleri için de geçerlidir.

Her zamanki boşluk durumumuzda, bilinen alanların çoğunun büyüklükleri sıfırdır. Alanlar, kuantum etkileri nedeniyle dalgalanabilir, ancak bu dalgalanmalar sırasındaki anlık değerleri, eşit olasılıkla hem pozitif hem de negatif olur, böylece ortalama olarak alan değeri sıfır kalır. Sıfır olmayan bir alan oluşturmak enerji gerektirir. Ancak Higgs alanı farklı davranır. Boş uzaydaki ortalama değeri sıfır değildir. Higgs parçacıklarından oluşan çalkantılı temel parçacıklar denizinde ek bir sabit sıvı seviyesi varmış gibi. Bu sıvıyı neden fark etmiyoruz? Varlığına alıştığımız için söyleyebilirim. Ama bu sıvı kaybolursa, yokluğunu hemen hissederdik, ancak ... dürüst olalım: bu durumda da hiçbir şey hissetmeyiz, çünkü varlığımız sona erecektir.

"Higgs alanı parçacıklara kütlelerini verir" - bu ifadenin arkasında ne var? Cevap, Standart Modelin matematiğinde derin bir şekilde kök salmıştır, ancak ana fikri özetlemeye çalışacağım. Daha önce bahsedildiği gibi, Higgs alanını (ya da parçacığını) aktörler listesinden çıkarırsak, o zaman Standart Modeli açıklayan kuantum alan kuramı ancak tüm temel parçacıklar, fotonlar gibi kütlesiz ise matematiksel olarak tutarlı olacaktır. Elektronlar, kuarklar, W bozonları ve Z bozonları gibi parçacıkların gerçek kütleleri, Higgs parçacıklarının "sıvı" içindeki hareketlerinden kaynaklanır. Sizi yanlış bir benzetmeyle yanıltmaktan nefret ediyorum ama görünüşe göre Higgs sıvısı parçacık hareketine direniyor. Ancak bu direnç, parçacıkları yavaşlatan ve durmalarını sağlayan sıradan sürtünme gibi değildir. Bunun yerine, Higgs sıvısı tıpkı eylemsiz bir kütle gibi hareket ederek parçacık hızındaki değişime direnir. Tek başına bin kelimeye bedel olan Feynman şemasına baksanız iyi olur.

Bir bölgede sıfır Higgs alanı yaratabilseydik, bunun en göze çarpan sonucu elektronun sıfır kütlesi olurdu. Bunun atomlar üzerinde yıkıcı bir etkisi olacaktır. Çok hafif olan bir elektron atomun içinde olamaz. Ne atomlar ne de moleküller var olamaz. Bildiğimiz şekliyle yaşam da böyle bir bölgede ortaya çıkmayacaktı.

Bu tahmini deneysel olarak test etmek son derece ilginç olurdu, ancak Higgs alanının manipülasyonu, bir manyetik veya elektrik alanının manipülasyonundan kıyaslanamayacak kadar daha zordur. Sıfır Higgs alanına sahip bir bölge oluşturmak, inanılmaz miktarda enerji gerektirir. Özellikle, Higgs parçacıklarından bir santimetre küp uzayı temizlemek yaklaşık 10 40 jul alacaktır. Bu enerji Güneş tarafından bir milyon yılda yayılır. Bu yüzden böyle bir deney için bir süre beklememiz gerekecek.

Higgs alanı neden elektromanyetik alandan bu kadar farklı? Cevap manzarada yatıyor. Tek boyutlu bir manzara hayal edin ve elektrik ve manyetik alanları göz ardı ederek, içinde yalnızca bir Higgs alanı bırakın. Ortaya çıkan "Higgs şaftı", manyetik alanın manzarasını tanımlayan basit bir parabolden çok daha ilginç olacaktır. Son derece yüksek bir dağ zirvesiyle ayrılan iki derin vadiden oluşur.

Higgs şaftının neden bu kadar sıradışı göründüğünü anlamıyorsanız endişelenmeyin. Kimse bunu tam olarak anlamıyor. Bu, hafife alınması gereken başka bir ampirik gerçektir. Bir dağın tepesi, Higgs alanının sıfır olduğu noktadır. Süper güçlü bir uzay elektrikli süpürgesinin yardımıyla tüm Higgs alanını vakumdan çekmeyi başardığımızı hayal edin. Önümüzde Higgs şaftında, Standart Model'e dahil olan tüm parçacıkların kütlesiz olduğu ve ışık hızında hareket ettiği bir yer açılacak. Dağın tepesinin çok büyük bir enerji yoğunluğuna sahip bir ortam olduğu grafikten görülebilir. Her şeyden önce, ölümcül bir ortamdır.

Aksine, evrendeki köşemiz, enerji yoğunluğunun minimum olduğu vadilerden birinde güvenli bir yuvadır. Bu vadide Higgs alanı sıfır değildir, boşluk Higgs sıvısı ile doludur ve tüm parçacıkların kütlesi vardır. Atomlar, atomların olması gerektiği gibi davranır ve yaşam gelişir. Sicim kuramının genel manzarası az önce anlatılana çok benzer, yalnızca yaşamın varlığına yönelik en elverişsiz olasılıklar bakımından sonsuz derecede daha zengindir. Dost canlısı vadiler son derece nadir bir istisnadır. Ama bunun hakkında daha sonra.

Neden her örnekte vadinin alt kısmında yaşıyoruz? Bu genel bir ilke mi? Şüphesiz, evet.

 Arazide Yuvarlanmak
 

Herman Minkowski, bir fiille fizikçilerin kalbini nasıl yakacağını biliyordu. Uzay ve zaman hakkında şunları söyledi: "Artık zamanın kendisi ve uzayın kendisi boş bir kurgu haline geliyor ve yalnızca bunların birliği gerçeklik şansını elinde tutuyor." Minkowski'nin, Einstein'ın iki yaşındaki buluşu olan özel görelilik hakkında söylediği buydu. Uzay ve zamanın tek bir dört boyutlu uzay-zaman sürekliliğinde birleştirilmesi gerektiğini dünyaya ilan eden aynı Minkowski'ydi. Dört boyutlu bir dünya görüşünden, Fizik Yasaları uzayda bir noktadan diğerine değişebiliyorsa, o zaman aynı şekilde zamanla değişmeleri gerekir. Sonuç olarak, olağan doğa yasaları, hatta evrensel çekim yasası bile değişebilir: aniden veya kademeli olarak.

Uzun dalga radyo emisyonunun bir fizik laboratuvarından geçtiğini hayal edin. Elektromanyetik alanın bir pertürbasyonu olan radyo dalgaları, elektrik ve manyetik alanlardaki dalgalanmalardan oluşur. Dalga boyu uzunsa, dalga laboratuvardan geçerken her salınım uzun zaman alacaktır. Durumu dramatize etmek için dalga boyunun iki ışık yılı olduğunu varsayalım. Bu durumda laboratuvarda ölçülen alanlar altı ay içinde artacak ve sonraki altı ay boyunca tekrar sıfıra düşecektir. [40] Laboratuvarda ölçülen alan Aralık ayında sıfır ise Haziran ayında maksimum değerine ulaşır.

Yavaş değişen alanlar, elektronların davranışlarının da zamanla değişmesine neden olur. Alanların zayıf olduğu kış aylarında elektronlar, atomlar ve moleküller her zamanki gibi davranacaklardır. Alanların en yüksek olduğu yaz aylarında, elektronlar garip yörüngelerde hareket edecek ve atomlar manyetik alana dik bir yönde sıkıştırılacaktır. Elektrik alan ayrıca elektronları ve çekirdekleri zıt yönlerde çekerek atomların şeklini bozar. Sonuç olarak Fizik Yasalarının mevsime göre değiştiği ortaya çıktı!

Peki ya Higgs alanı? Ayrıca zamanla değişebilir mi? Sıradan boş alanın Higgs alanıyla doldurulduğunu hatırlayın. Bir karanlık lord fizikçinin Higgs parçacıklarını uzaydan çekebilen bir kozmik ölüm elektrik süpürgesi icat ettiğini hayal edin. Bu elektrikli süpürge o kadar güçlü ki, tüm evreni ya da büyük bir kısmını Higgs uzayının merkezindeki dağın tepesine sürükleyebilir. Sonuç olarak, Evrende korkunç olaylar meydana gelecek: atomlar parçalanacak ve yaşam sona erecek. Ama en ilginç şey bundan sonra ne olacağı. Diyelim ki Higgs Shaft aslında iki derin vadiyi ayıran yüksek bir zirveye sahip bir manzara. Evren, en ufak bir itişte sağ veya sol vadiye düşmeye hazır, bir bıçağın kenarında dengede duran bir top gibi davranacak. Böyle bir durumun istikrarsız olduğu ve en ufak bir rahatsızlığın topu vadilerden birine göndereceği açıktır.

Arazinin yüzeyi tamamen pürüzsüzse ve sürtünme yoksa, o zaman vadiye düşen top dibinde durmayacak, yokuşa tırmanarak daha fazla yuvarlanacak ve ardından ters yönde yuvarlanacaktır. ve tekrar dağın tepesine tırmanın ve bu sonsuza kadar devam eder. Ancak hala hafif bir sürtünme varsa, [41] o zaman top sonunda vadilerden birinin dibinde duracaktır.

Aynı şey Higgs alanı için de geçerli. Evren, sıradan bir boşluk oluşturarak vadilerden birinde duruncaya kadar Manzara boyunca "yuvarlanır".

Vadinin dibi, hayali topun hareketsiz kalabileceği tek yerdir. Bir yokuşa yerleştirilen top aşağı yuvarlanacaktır. Tepenin zirvesinde, top dengesiz bir dengede olacaktır. Bu nedenle, değişmez Fizik Yasaları ile mümkün olan tek kararlı boşluk türü, Peyzaj vadisinin dibindeki boşluktur.

Evrenin bulunduğu vadinin dibi, Peyzajın en alçak noktası olmak zorunda değildir. Bir sıradağ, her biri tepelerle çevrili birçok vadi içerebilir ve bazı vadiler deniz seviyesinden oldukça yüksek ve hatta bazı dağ zirvelerinden daha yüksek olabilir. Ama evren bir vadinin dibinde olduğu sürece içinde kalacaktır. Bir vadinin en alçak noktasını belirtmek için matematiksel bir terim kullanılır: yerel minimum . Yerel bir minimum noktadan herhangi bir hareket, yukarı doğru bir hareketle ilişkilendirilir. Böylece, önemli bir temel gerçeğe ulaşıyoruz: olası bir sabit boşluk veya aynı şekilde, olası değişmez Fizik Yasaları, Peyzajın yerel bir minimumuna karşılık gelir.

Hiçbir çılgın bilim adamı Higgs alanını yok edemez. Dediğim gibi, ondan bir santimetreküp uzayı temizlemek, Güneş'in bir milyon yılda yaydığı tüm enerjiyi alacaktır. Ancak yaklaşık 14 milyar yıl önce, sıcaklıklar o kadar yüksekti ki, enerji yoğunluğu Higgs alanını bilinen evrenin dışına süpürmek için fazlasıyla yeterliydi. Büyük Patlama'dan hemen sonra, sıcaklık ve basıncın son derece yüksek olduğu evrenin evriminin çok erken evresini kastediyorum. Fizikçiler, evrenin sıfıra eşit bir Higgs alanıyla doğduğuna, yani bir dağın tepesinde olduğuna inanıyor. Evren soğuma sürecinde, şu anda yaşadığımız vadiye doğru yokuş aşağı yuvarlandı. Peyzajda "Yuvarlanmak", tüm modern kozmolojik teorilerde merkezi bir rol oynar.

Higgs mili az sayıda yerel minimuma sahiptir ve minimumlardan birinde vakum enerji yoğunluğunun 10-120'den fazla olmaması olasılığı son derece küçüktür. Ancak, 10. Bölüm'de göreceğiniz gibi, sicim kuramının gerçek manzarası çok daha karmaşık, çeşitli ve ilginç. Topografisi yaklaşık 10.500 yerel minimum içeren ve her birinin kendi fiziksel yasalarına sahip 500 boyutlu bir alan hayal etmeye çalışın - ondan hiçbir şey çıkmayacak. Sizin beyniniz benimkinden ne kadar farklı olursa olsun, 10.500 sayısı hayal gücümüzün çok ötesinde. Ancak kesin olan bir şey var: Böylesine büyük bir olasılık kümesinde, vakum enerjisi yoğunluğunun 10-119 olduğu bir seçenek kesinlikle olacaktır ve bu, Weinberg'in antropik argümanına cevap olacaktır.

Bir sonraki bölümde teknik sorulara ara verip fizikçilerin umutları ve özlemleri hakkında konuşacağım. 5. Bölüm'de "katı bilime" tekrar döneceğiz, ancak paradigma kayması gerçekler ve rakamlardan daha fazlasını ifade ediyor. Estetik ve duygusal meselelerin yanı sıra eski paradigmanın terk edilmesi de bu değişimle bağlantılıdır. Fizik Yasalarının, hava durumu gibi, yerel koşullara bağlı olabileceği fikri, doğanın belirli bir matematiksel anlamda "güzel" olması gerektiğine neredeyse dinsel bir fanatizmle inanan birçok fizikçi için korkunç bir hayal kırıklığıdır.

Bölüm 4
 

Allah, evrenin yaratılışında en mükemmel matematiği kullanmıştır.

Paul Dirac

Gerçeği tarif etmen gerekiyorsa zarafeti terziye bırak.

Albert Einstein

Güzellik şaraptan daha beterdir, hem sahip olanı hem de ona bakanı çıldırtır.

Aldous Huxley

 Fizikçiler güzellikten ne anlıyor?
 

Antropik ilke hakkındaki tartışma, bilimsel gerçekler ile felsefi ilkeler arasındaki bir çatışmadan daha fazlasıdır. "Zevk" kavramını bilime uygulamak mümkün mü? Tat ile ilgili tüm tartışmalar gibi, insanların estetik duygularını da etkiler. Doğayı antropik ilke açısından açıklamaya karşı direniş, tüm büyük fizikçileri etkilemiş olan belirli estetik kriterlerden kaynaklanmaktadır: Newton, Einstein, Dirac, Feynman ve bizim neslimiz bir istisna değildir. Duygularının gücünü anlamak için, önce bugün yeni fikirlerin taşıyıcıları tarafından sorgulanmakta olan estetik paradigmayı anlamak gerekir.

Hayatımın büyük bir bölümünü teorik fizik okuyarak geçirmiş biri olarak, kişisel olarak bunun tüm bilimlerin en güzeli ve en zarifi olduğuna inanıyorum. Ve eminim tüm fizikçi arkadaşlarım da aynı şekilde hissediyordur. Ancak çoğumuz fiziğin güzelliği ile ne demek istediğimizi açıkça ifade edemiyoruz. Bu soruyu sorduğumda çok çeşitli cevaplar aldım. Çoğu, matematiksel denklemlerin zarafetine işaret etti, ancak bazıları fiziksel fenomenlerin kendilerinin güzel olduğu yanıtını verdi.

Fizikçilerin teorilerini değerlendirirken kullandıkları bazı estetik kriterler olduğundan hiç şüphem yok.

Bu konudaki tüm sohbetler "zarafet", "basitlik", "güç", "benzersizlik" vb. ama çoğu fizikçinin hemfikir olacağı bazı genel tanımları formüle etmeye çalışacağım.

Benim için zarafet ve sadelik arasındaki ayrım çok ince. Matematikçiler ve mühendisler de bu terimleri az çok birbirinin yerine kullanırlar ve bunlarla kabaca fizikçilerle aynı şeyi kastederler. Bir mühendislik problemine zarif bir çözüm, çözümün minimum sayıda parça ve minimum işçilik kullanması anlamına gelir. Bir bileşenin iki farklı işlevi yerine getirmesi de şık bir çözüm. Minimal çözüm zariftir.

1940'larda, Rube Goldberg'in İnanılmaz Makineleri'nin yazarı karikatürist Rube Goldberg, basit eylemleri inanılmaz derecede karmaşık şekillerde gerçekleştiren mekanizmalar tasarladı. Örneğin, Rube Goldberg'in çalar saati, bir tepeden aşağı yuvarlanan, kuyruğundaki bir kuşa çarpan bir çekici harekete geçiren, havalanırken bir kovayı deviren bir ipi çeken, içinden su dökülen bir toptan oluşuyordu. uyuyan kişi Bu, bir soruna zarif olmayan bir çözümün mükemmel bir örneğidir.

Bir matematik probleminin çözümü şıklık açısından da değerlendirilebilir. Teoremin ispatı mümkün olduğu kadar kısa olmalı, ek varsayımların sayısı ve ispat adımlarının sayısı minimumda tutulmalıdır. Öklid geometrisi gibi bir matematiksel sistem, minimum sayıda aksiyoma dayanmalıdır. Matematikçiler, argümanlarını, bazen acemiler için tamamen anlaşılmazlık noktasına kadar düzene sokmayı severler.

Teorik fizikteki zarafet fikri temelde matematik veya mühendislikteki ile aynıdır. Genel görelilik zariftir, çünkü minimal bir postüla setinden çok sayıda sonuç çıkarmanıza izin verir. Fizikçiler her zaman minimum sayıda basit aksiyomla uğraşmayı tercih ederler. Gereğinden fazla varsayım içeren herhangi bir teori zarif değildir. Zarif bir teori, az sayıda basit denklemle ifade edilir. Birçok kafa karıştırıcı değişkene sahip uzun ve karmaşık denklemler, teoride zarafet eksikliğinin bir işaretidir ve daha kolay bir yol olduğunu ima eder.

Bu sadelik estetiği nereden geliyor? [42] Bir problemin incelikli çözümünün tadını çıkarma yeteneğinin yalnızca fizikçilerin, matematikçilerin ve mühendislerin elinde olmadığı açıktır. Babam beş dereceli bir tesisatçıydı ama mükemmel bir tesisat sisteminin simetrisinden ve geometrisinden hoşlanıyordu. Mükemmel düz boruların paralel çizgilerin, dik açıların ve simetrinin geometrik estetiğini bozmadığı, minimum sayıda boru ve bağlantı içeren iyi tasarlanmış bir sistem görmekten profesyonel olarak gurur duyuyordu. Ve bunun nedeni, kullanılan malzeme miktarını en aza indirerek tasarruf edebileceği para değildi: tesisatın ustaca basitliği ve zarif geometrisinden duyduğu tatmin duygusu, benim düzgün yazılmış bir denklemdeki gururumdan farklı değildi.

Bir teorinin, özellikle teorik fizikçiler tarafından çok değer verilen bir başka özelliği de benzersiz olmasıdır. Bir teorinin belirsizliğinin kriteri nedir? Birincisi, tahminlerinde herhangi bir belirsizlik içermemelidir. Bir teori tahmin edebileceği her şeyi tahmin edebilir, daha fazlasını değil. İkincisi, teori, Steven Weinberg'in sözleriyle, "nihai teori" olmalıdır. Özel bir kaçınılmazlık duygusu uyandırmalıdır - konusu ancak bu şekilde tarif edilebilir, başka türlü tarif edilemez. En iyi teori sadece her şeyin teorisi olmamalı, aynı zamanda her şeyin mümkün olan tek teorisi olmalıdır.

Zarafet, netlik ve cevaplanabilecek her soruyu cevaplayabilme yeteneğinin birleşimi bir teoriyi güzel kılar. Bununla birlikte, fizikçilerin genel olarak yukarıdaki kriterleri karşılayan bir teorinin henüz yaratılmadığı ve nihai doğa teorisinin bir güzellik mükemmelliği olmasının beklenmemesi gerektiği konusunda hemfikir olacaklarını düşünüyorum.

Fizikçilerden teorileri estetik çekiciliklerine göre sıralamalarını isterseniz, açık ara kazanan genel göreliliktir. Einstein'ın fikri, bir çocuğun bile anlayabileceği yerçekimi ile ilgili temel bir gerçeğe dayanmaktadır: yerçekimi kuvveti bizim tarafımızdan atalet kuvveti ile aynı şekilde hissedilir. Einstein hayali bir asansörde bir düşünce deneyi önerdi. Einstein'a göre asansörün içindeki bir kişi, Dünya'nın yerçekiminin neden olduğu etkiler ile asansörün ivmeli hareketinin neden olduğu etkileri ayırt edemez. Yüksek hızlı bir asansör kullanmış olan herkes, asansör yukarı çıktıkça artan ağırlık hissini ve yukarı çıkan asansör yavaşlamaya başladığında kendi ağırlığının azalma hissini hatırlayacaktır. Einstein bu basit gözlemden fiziğin en temel ilkelerinden birini, yerçekimi ve atalet arasındaki denklik ilkesini ya da basitçe denklik ilkesini çıkardı . Bu ilkeden, yerçekimi alanıyla ilişkili tüm fenomenleri ve Öklid dışı uzay-zaman geometrisinin denklemlerini tanımlayan kuralları izleyin. Tüm teori birkaç denklemle yazılmıştır - Einstein'ın denklemleri. güzel buluyorum

Einstein'ın teorisi bizi fizikçiler için güzelliğin başka bir yönüne getiriyor. Einstein'ın görelilik kuramının yalnızca son şeklini değil, aynı zamanda kuramını yaratma biçimini de güzel buluyorum - bir çocuğun bile anlayabileceği bir düşünce deneyi ile başlayan bir yol. Ayrıca fizikçilerden, eğer Einstein genel görelilik kuramını yaratmasaydı, onların ya da herhangi birinin onu çok geçmeden daha modern, teknik olarak daha gelişmiş bir biçimde yaratacağını duydum. Ama bence teorileri o kadar zarif olmazdı.

Einstein'ın denklemlerine ulaşmanın iki olası yolunu karşılaştırmak ilginçtir. Alternatif bir tarihte fizikçiler, Maxwell'in elektrodinamiğinin inşa edildiği şekilde bir yerçekimi teorisi inşa edebilirler. Maxwell'in teorisi, çözümleri elektromanyetik dalgaları tanımlayan sekiz denklem içerir. Aynı denklemlerden mıknatıslar ve elektrik yükleri arasında etki eden olağan kuvvetler de elde edilebilir. Teorisyenler için ilham kaynağı fiziksel olaylar değil, bir denklem sistemi olacaktır. Bir başlangıç noktası, ışık veya ses dalgaları denklemine benzer biçimde yerçekimi dalgaları için bir denklem olabilir. [43]

Titreşen bir yük tarafından ışık ya da titreşimli bir ayar çatalı tarafından yayılan ses gibi, yerçekimi dalgaları da hızla hareket eden kütleler tarafından üretilir. Yerçekimi dalgalarının yayılmasını açıklayan denklemlerin matematiksel olarak tutarlı olmasına rağmen, bu dalgaların kütleli cisimlerle etkileşimini açıklamaya çalışırken Maxwell'in teorisinde bulunmayan bir tutarsızlık ortaya çıkıyor. Israrcı teorisyenler, denklemleri değiştirerek ve onlara yeni terimler ekleyerek tutarsızlığı ortadan kaldırmaya çalışırlardı. Sonunda, her biri bir öncekinden daha iyi olan bir dizi ardışık yaklaşım yapmayı başaracaklardı, ancak her aşamada denklemler yine de tutarsız kalacaktı.

Tutarlılık ancak sonsuz sayıda terimin tanıtılmasıyla elde edilebilir. Ve en önemlisi, tüm ek terimleri hesaba kattıktan sonra, sonuç Einstein denklemlerine eşdeğer olacaktır! Bir dizi ardışık yaklaşım, bizi genel göreliliğe eşdeğer olacak nihai bir teoriye götürecektir. Asansörün ivmesini düşünmeye gerek kalmayacaktı. Matematiksel tutarlılık gerekliliğini ardışık yaklaşımlar yöntemiyle birleştirmek yeterli olacaktır. Bazıları böyle bir yolu zarif olarak adlandırabilir, ancak buna basit denilemez.

Denklemlerin zarafetini göstermek için, onları Einstein'ın türettiği şaşırtıcı derecede basit formda yazacağım.

Birkaç basit sembol içeren bu küçük dikdörtgen, tüm yerçekimi olaylarını içerir: düşen kayalar, Ay ve Dünya'nın hareketi, galaksilerin oluşumu ve hatta evrenin genişlemesi.

Modernistlerin savunduğu yaklaşım, aynı sonuca varmakla birlikte, sonsuz sayıda ardışık yaklaşıklık gerektirir ve ortaya çıkan denklemler tamamen şık görünmemektedir.

Yine de, "modern türetme"nin Einstein'ın denklemleri karşısında zarafetini kaybetmesine rağmen, çok önemli bir şeyi, yani teorinin belirsizliğini gösterdiğini kabul etmeliyim. Her yaklaşım adımında, tutarsızlığı ortadan kaldırmak için eklenen yeni terimler benzersiz bir şekilde belirlenir, bu da tüm teorinin de net olduğu anlamına gelir: sadece yerçekimini açıklamakla kalmaz, aynı zamanda bunun başka bir şekilde yapılamayacağını da gösterir.

Einstein'ın teorisi de olağanüstü derecede güçlü. Bizi Dünya yüzeyinde tutan yerçekiminden kuasarların merkezlerindeki karadeliklerin oluşumuna ve karadelik gibi kozmik felaketlerden kaynaklanan yerçekimi dalgalarına kadar çok çeşitli yerçekimi olaylarını yüksek doğrulukla tanımlayabilir. çarpışmalar. Zarif denklemler, benzersizlik unsuru ve çeşitli fenomenleri tanımlama yeteneği, genel göreliliği şimdiye kadar yaratılmış en güzel fiziksel teori haline getiriyor. Ancak daha önce de gördüğümüz gibi, onu güzel kılan sadece teorinin içeriği - bize dünya hakkında söyledikleri - değil, aynı zamanda denklemlerin yazıldığı biçim ve hatta onun yaratılmasına yol açan akıl yürütmedir. .

Genel görelilik teorisi fiziksel güzellik yarışmasını kazanırsa, en korkunç yüz ödülü nükleer fiziğe gider. Nükleer fiziğin dehşeti, kâbus gibi görünen nükleer reaktörlerin ve mantar bulutlarının altında yatan şey değildir. Her şey teknoloji, fizik değil. Korku şu ki, nükleer fizik yasalarının birincisi net değil ve ikincisi, özlü değiller. Sonuç olarak, ne özü yakalamak için zarif denklemlere ne de yeni kurallar türetmek için basit muhakemeye sahibiz. Kurallar, protonların ve nötronların basit bir yasaya uyan bir kuvvetle birbirlerini çektiklerini söyleseydi, teori atom fiziği kadar zarif olurdu. Revizyonist görelilik kuramında olduğu gibi, gerçeğe her yeni yaklaşım nihai değildir. Bununla birlikte, matematiksel tutarlılığa başvurmak yerine , teoriyi deneysel verilerle uyumlu hale getirmek için sürekli olarak teoriye yeni kısmi “pratik kurallar” [44] eklenir. Ayrıca, bu pratik kurallar bazı çekirdekler için çalışır ve diğerleri için çalışmaz. Teori, deneme yanılma yoluyla elde edilen çeşitli yaklaşımların yükünü taşır, ancak genel görelilik teorisindeki durumun aksine, bu yük teoriye basitlik, kesinlik veya tanınma sağlamaz. Çoğu teorisyen, nükleer fiziğin denklemlerinin zarif görünmediği ve mantıklarının eksik olduğu konusunda hemfikirdir.

Bazı fizikçiler, kimyanın da güzellikle parlamadığını iddia ediyor. Evrensel olmayan son derece özel tariflerle doludur. Mendeleev'in periyodik tablosunun ilk birkaç satırı yeterince basit görünüyor, ancak tabloda aşağı doğru ilerledikçe, daha fazla ve daha fazla yeni kural eklemelisiniz. Moleküler bileşikleri tanımlayan kurallar yaklaşıktır ve birçok istisna içerir. Bazı durumlarda kimya, bileşiklerin özelliklerini doğru bir şekilde tahmin ederken, diğerlerinde tahmin etmez. Fizikçiler ne zaman motivasyon eksikliği veya karmaşıklık nedeniyle bir teoriyi itibarsızlaştırmak isteseler, onu kimyayla veya daha kötüsü bir kimyagerin yemek kitabıyla karşılaştırırlar.

Buna cevaben kimyagerler, fiziğin sıkıcı ve monoton olduğunu, ancak kimyanın etrafımızdaki dünyanın güzelliğini ve çeşitliliğini tanımlayan bir disiplin olduğunu, çünkü güzel bir çiçeğin nihayetinde kimyasal reaksiyonların bir kombinasyonundan başka bir şey olmadığını söylüyor. Bu da kimyasal reaksiyonlara estetik değer katar. [45]

Birçok fizikçi ve kimyager, atomlar gibi çok basit nesnelerin karmaşık makroskobik kalıplar halinde bir araya gelme biçiminde güzellik buluyor. Yalnızca çok sayıda nesnenin, bu durumda atomların kolektif davranışı nedeniyle gözlemlenebilen bu tür fenomenler için özel bir ad vardır: ortaya çıkış . Bu kolektif fenomenler, bireysel üyelerin davranış yasalarından çıkarılabilir: örneğin, moleküler bileşiklerin özelliklerinden kaynaklanan bu tür bir fenomen , yaşamdır. Ortaya çıkan fenomenlerin bir başka örneği, kar tanelerinin oluşumu veya kristallerin büyümesidir. Atomların sürtünme olmadan hareket etme kabiliyetine yol açan kolektif davranışının bir başka örneği de süperakışkanlıktır. Bu sözde ortaya çıkan güzelliktir.

Bu tür bir güzelliğin, zarif fizik yasalarının güzelliği kadar var olma hakkı vardır. Ama ben farklı bir güzellikten bahsediyorum. Parçacık fizikçileri güzelliği temel yasalarda ve denklemlerde ararlar. Birçoğunun basitlik ve kesinlik tanrılarına bir tür yarı-dinsel inancı var. Anlayabildiğim kadarıyla, "her şeyin altında" güzel bir teorinin, en azından prensipte tüm fenomenleri tanımlayan, kesin, güçlü ve evrensel olarak kabul edilmiş bir denklemler dizisinin yattığına inanıyorlar - bu denklemler gerçek olsa bile. çözmek çok zor. Bu ana denklemler basit ve simetrik olmalıdır. Basitçe söylemek gerekirse, basitlik, denklemlerin o boyuttaki bir kutuya yazılabilmesi anlamına gelir.

Ancak her şeyden önce, bu denklemler, temel parçacık fiziğinin Standart Modeli, temel parçacıkların bir listesi, kütleleri, birleştirme sabitleri ve etkileşim kuvvetleri dahil olmak üzere son birkaç yüzyılda oluşturulmuş olan Fizik Yasalarını açık bir şekilde tahmin etmelidir. Ve başka alternatif kuralların olasılığına izin vermeyin.

 Mitlerin kökeni
 

Kesinlik ve zarafet efsanesi muhtemelen bize antik Yunan entelektüellerinden miras kalmıştır. Pisagor ve Öklid, evrenin mistik matematiksel uyumuna inanıyorlardı. Pisagor, dünyanın müziğin inşa edildiğine benzer matematiksel ilkelere göre işlediğine inanıyordu. Müzik ve fizik arasındaki bağlantı bize safça ve hatta aptalca görünse de, modern fizikçilere ilham veren aynı simetri ve basitlik sevgisini Pisagor inancında görmek zor değil.

Öklid geometrisinin katı bir estetik zevki vardır. Kanıtlar basit ve zariftir ve aksiyom sayısı minimumdur. Öklid'in beş aksiyomdan başka bir şeye ihtiyacı yoktu. Geometrisi genellikle matematiğin bir dalı olarak kabul edilir, ancak eski Yunanlılar matematik ve fizik arasında hiçbir ayrım yapmadılar. Onlar için Öklid geometrisi, gerçek fiziksel dünyayı tanımlayan bir teoriydi. Sadece teoremleri ispatlamakla kalmıyor, aynı zamanda gerçek uzayın özelliklerini de ölçebiliyorlardı ve ölçüm sonuçları zorunlu olarak (eski Yunanlılara göre) teoremlerin tahminleriyle aynı fikirdeydi. Örneğin, bir kalem ve bir cetvelle bir üçgen çizer ve ardından üç iç açıyı bir iletki ile ölçerseniz, o zaman bunların toplamı 180 derece olacaktır - teoremlerden biriyle tam uyum içinde. Yunanlılar, gerçek uzayda inşa edilen herhangi bir gerçek üçgenin, açıların üçgen toplamı teoremi ile mutlaka aynı fikirde olacağına inanıyorlardı. Buna dayanarak, fiziksel dünya hakkında yalnızca doğru değil, aynı zamanda açık olduğunu düşündükleri bazı açıklamalar yaptılar. Gerçek uzay, Yunanlıların iddia ettiği gibi, Öklid'in aksiyomlarına karşılık gelir ve böyle bir uzaydan başka uzay olamaz. En azından öyle düşündüler.

Daha sonra Platon ve Aristoteles astronomi yasalarına özel bir estetik unsur eklediler. Daire onlar için mükemmel bir figürdü. Çemberin tüm noktaları merkezden aynı uzaklıkta olup, bu da çembere mükemmel bir simetri verir: başka hiçbir şeklin böyle bir simetrisi yoktur. Bu nedenle Platon, Aristoteles ve takipçileri, gezegenlerin hareketlerini daireden başka hiçbir figürün tanımlayamayacağına inanıyorlardı. Gökyüzünün mükemmel kristallerden yapıldığına, tamamen şeffaf, mükemmel bir şekilde küresel olduğuna ve hassas bir şekilde döndüğüne inanıyorlardı. Onlar için dünya bir şekilde düzenlenmişti, başka bir şey değil.

Yunanlılar, karasal fenomenler için aynı zarif teoriye sahipti - bazı yönlerden modern fizikçilerin birleşik bir teori rüyasının somutlaşmış hali gibiydi. Yunanlılar, etrafındaki her şeyin dört elementten oluştuğuna inanıyorlardı: toprak, hava, su ve ateş. Her bir unsur kendine ait olan yeri alır ve o yere ulaşmak için çabalar. Ateş hafiftir ve bu nedenle yukarı doğru eğilimlidir. En ağır element olan toprak, en düşük pozisyonu işgal etme eğilimindedir. Su ve hava, toprak ve ateş arasında bir yerde bulunur. Dört element ve bir dinamik prensip: Bu setle kaç fenomenin açıklanabileceğine şaşıracaksınız. Bu teoride eksik olan tek şey belirsizliktir. Dört temel öğeden oluşan listenin neden örneğin kırmızı şarap, peynir ve sarımsakla tamamlanamayacağını anlamıyorum.

Ortaçağ astronomları, simyacıları ve kimyagerleri Yunan dünya görüşüne meydan okudular. Kepler, gezegenlerin yörüngelerini tanımlayan daireleri kaidelerinden indirdi ve onların yerine daha karmaşık ve daha az simetrik elipsler koydu. Ancak Kepler, Pisagor matematiksel uyumuna da inanıyordu. Onun zamanında sadece beş büyük gezegen biliniyordu: Venüs, Mars, Jüpiter, Satürn ve tabii ki Dünya. Kepler, geometrinin yalnızca beş düzgün çokyüzlüye, yani beş Platonik katıya izin verdiği gerçeğinden derinden etkilenmişti: tetrahedron, oktahedron, küp, icosahedron ve dodecahedron. [46] Ve beş gezegeni beş Platonik cisme bağlama cazibesine karşı koyamadı ve gezegenler arasındaki mesafelerin değerlerini açıklamak için iç içe geçmiş beş düzenli çokyüzlüden oluşan bir evren modeli inşa etti. Geometrik oranlar kullanarak güneş ve gezegenler. Böyle bir teorinin zarif kabul edilip edilemeyeceğinden emin değilim, ama kesinlikle açık: beş gezegenle ilişkili yalnızca beş Platonik cismi var. Fiziksel bir bakış açısından, bu teori elbette tamamen saçmalıktı.

Aynı zamanda, simyacılar doğada dörtten fazla element olduğunu kabul etmek zorunda kaldılar. 19. yüzyılın sonunda, kimyagerler yüze yakın kimyasal element keşfetmişti ve doğa güzelliğinin bir kısmını kaybetmişti. Periyodik sistem kimyaya bir miktar düzen getirdi, ancak bu bile eski Yunan metafiziğinin sağladığı basitlik ve belirsizlikten uzak.

Ancak daha sonra, 20. yüzyılın başında Bohr, Heisenberg ve Schrödinger, kimyaya sağlam bir teorik temel getirmeyi mümkün kılan kuantum mekaniği ve atom fiziğinin ilkelerini keşfettiler. Doğanın temel elementlerinin sayısı yine dörde düşürüldü, ancak şimdi antik Yunan su, toprak, ateş ve hava değil, zaten tanıdık olan foton, elektron, proton ve nötrondu. Kimyasal elementlerin tüm özellikleri artık (en azından teoride) dört temel parçacığın özelliklerinden türetilebilir. Sadelik, zarafet ve netlik yeniden ellerimizde. Göreliliğin ve kuantum mekaniğinin temel ilkeleri, maddenin dört elementiyle birleştiğinde, karşılık gelen denklemleri çözmek için yeterli hesaplama gücüne sahip olduğumuz sürece, ne kadar karmaşık olursa olsun herhangi bir kimyasal reaksiyonu açıklamayı mümkün kıldı. Bilim, fizikçilerin çokça uğraştığı ideale çok yakın çıktı.

Ama ne yazık ki orada değildi. Toplu olarak yeni temel parçacıklar keşfedilmeye başlandı: nötrinolar, müonlar, sözde garip parçacıklar, mezonlar ve hiperonlar - bu parçacıkların hiçbiri basit düzende bir yer bulamadı. Maddenin tanımlanmasında önemli bir rol oynamadılar, ancak varlıkları gerçeği suları bulandırdı. 1960'ların fizikçileri artık yeni temel parçacıkları belirtmek için yeterli Latin ve Yunan harflerine sahip değildi. Doğa yasalarında güzellik ve zarafet bulma umudunu besleyen genç bir fizikçi olarak, bunun yerine sevgili bilimimde iç karartıcı bir karmaşa buldum.

1970'lerde nihayet bir umut ışığı doğdu. Protonlar, nötronlar ve mezonlar yerine kuarklara temel parçacıklar rolü verildi ve kuantum renk dinamiği (veya kısaca QCD) adı verilen bir kuantum alan teorisi, protonların, nötronların, mezonların, atom çekirdeğinin ve daha azının tüm özelliklerini açıklayabildi. bilinen garip parçacıklar (garip kuarklar içeren parçacıklar). Doğanın temel unsurlarının sayısı yine önemli ölçüde azaltılmıştır. Aynı zamanda, elektronları ve nötrinoları derin simetri ile bağlı ikiz parçacıklar olarak temsil etmek mümkün hale geldi. Bilimsel çekişmede, sadeliğin takımı yeniden kazanmaya başladı. Nihayet, 1970'lerin ortalarına gelindiğinde, bilinen tüm fenomenleri tanımladığını iddia eden (en azından öyle olduğu iddia ediliyor) Standart Model tamamen oluşturuldu, ancak aynı zamanda yaklaşık 30 serbest parametre içeriyordu. Kısacası, zarafet ve sakarlık arasındaki rekabet devam ediyor ve her takımın nihai zafer şansı hala iç karartıcı.

Sicim teorisi ve mit kırma
 

Sicim teorisine geçelim. Destekçilerinin iddia ettiği gibi güzel mi yoksa eleştirmenlerin dediği gibi çirkin mi? Sicim teorisinin estetik yönünü tartışmadan önce, ona neden ihtiyacımız olduğunu kısaca açıklayayım. Dediğim gibi, Standart Model bilinen tüm fenomenleri açıklıyorsa, teorisyenler neden matematik ormanını daha fazla incelemeye ihtiyaç duysun? Aslında Standart Model'in bilinen tüm fenomenleri açıklamadığını kabul etmeliyim. Özellikle, yerçekimini tanımlamaz. Yerçekimi, günlük olarak karşılaştığımız en tanıdık kuvvettir ve yerçekimi muhtemelen evrendeki en temel kuvvettir. Ve şimdi hayal edin: Standart Model'de yer çekimine yer yoktu. Graviton (yerçekimi alanının kuantumu), Standart Modelin parçacıklar listesine dahil değildir. Belki de evrendeki en ilginç nesneler olan kara deliklerin teoride yeri yoktu. Ve Einstein'ın klasik yerçekimi teorisi tüm teorilerin en güzeli olmasına rağmen, onu kuantum dünyasına sıkıştırmanın henüz bir yolu yok.

Çoğu durumda, yerçekimi parçacık fiziğinde hiçbir rol oynamaz. Aşağıda göreceğimiz gibi, iki kuark arasındaki yerçekimi etkileşimi, doğanın diğer tüm temel güçlerinden çok daha zayıftır. Yerçekimi, öngörülebilir gelecekte temel parçacıklarla yapılan deneylerde önemli bir rol oynamak için çok zayıf. Parçacık fizikçilerinin geleneksel olarak yerçekimi etkilerini görmezden gelmesinin nedeni budur.

Ancak yerçekimi ile mikroskobik kuantum dünyası arasındaki bağlantıya dair daha derin bir anlayış aramak için iki neden var. İlk sebep, temel parçacıkların yapısıyla ilgilidir. Atomlardaki elektronlar arasındaki veya protonlardaki kuarklar arasındaki çekimsel etkileşim önemsiz olsa da, daha kısa mesafelerde önemli hale gelebilir. Tüm kuvvetler mesafe azaldıkça artar, ancak yerçekimi diğerlerinden daha hızlı büyür. Planck mesafelerinde, yerçekimi etkileşimi yalnızca elektromanyetik olandan daha güçlü olmakla kalmaz, kuarklar arasındaki etkileşimden bile daha güçlü hale gelir. "Matryoshka" paradigması (her şey daha da küçük şeylerden yapılmıştır) herhangi bir mesafe için geçerliyse, o zaman sıradan temel parçacıkların yerçekimi kuvvetiyle birbirine bağlanmış daha da küçük parçacıklardan oluştuğu ortaya çıkabilir.

Kütleçekimi ve kuantum teorisi arasındaki ilişkiyi daha derinlemesine anlamanın ikinci nedeni, kozmoloji ile ilgilidir. Bir sonraki bölümde yerçekiminin evrenin genişlemesini nasıl kontrol ettiğini göreceğiz. Evren gençken ve şaşırtıcı bir hızla genişlerken, yerçekimi ve kuantum mekaniği bu sürece karşılaştırılabilir katkılarda bulundu. Bu iki büyük teori arasındaki bağlantının anlaşılmaması, evreni Big Bang'den önce inceleme çabalarımızı baltalıyor.

Ancak fizikçileri kuantum mekaniği ile genel göreliliği birleştirmeye iten üçüncü bir neden daha var: estetik. Şairlerin aksine fizikçiler için estetiğe karşı en büyük suç tutarsızlıktır. Teorinin tutarsızlığı, değer verdiğimiz genel fiziksel değerlere, teorinin çirkinliğinden bile daha bariz bir tecavüzdür. Ve 20. yüzyıl boyunca yerçekimi ve kuantum mekaniği tutarsız kaldı.

Ve sonra sicim teorisi geldi. Sicim kuramının ayrıntılarına 7. Bölüm'e kadar girmeyeceğiz, ancak şimdilik sicim kuramının tam olarak yerçekimi ve kuantum mekaniğini tutarlı bir şekilde birleştiren türden bir kuram olduğunu söylemeliyim. Ben de dahil birçok teorisyen, sicim teorisinin modern fiziğin bu iki sütununu uzlaştırmak için tek umudumuz olduğuna dair güçlü bir duyguya sahip. Sicim teorisinde bize bu önseziyi hissettiren nedir? Başka birçok yaklaşım denedik, ancak bu girişimler en başta başarısız oldu. Örneğin, genel görelilik kuramına dayanan bir kuantum alan kuramı oluşturma girişimi vardı. Matematikçiler tutarsızlığını çabucak keşfettiler. Ayrıca anlamlı denklemler yazmak mümkün olsa bile estetik bir tatminsizlik hissi bırakıyorlardı. Bu tür her girişimde, yerçekiminin yabancı bir katkı olduğu ortaya çıktı, yani yerçekimi etkileşimi, halihazırda var olan bir teoriye, örneğin kuantum elektrodinamiğine eklendi. Şaşırtıcı olmayan bir şekilde, bu tür girişimler başarısız oldu. Ancak sicim teorisi tamamen farklıdır. Kuantum mekaniğinin ve yerçekimi teorisinin bir arada bulunması, matematiksel tutarlılık için kesinlikle kaçınılmaz bir koşuldur. Sicim teorisi , gerçek bir kuantum yerçekimi teorisi izlenimi veren tek teoridir. Genel görelilik ve kuantum mekaniğinin iki devinin 20. yüzyılın büyük bir bölümünde birbiriyle savaş halinde olduğu göz önüne alındığında, bu hiç de küçük bir mesele değil. Bu kaçınılmazlığın güzel olduğunu söyleyebilirim.

Sicim kuramı, yerçekimi ile olan yakın ilişkisine ek olarak, ilk bakışta sıradan parçacık fiziği ile de bir bağlantı sağlar. Standart Modelin sicim teorisine tam olarak nasıl dahil edilebileceğini anlamasak da, ikincisi modern temel parçacıklar teorisinde yer alan tüm unsurlara sahiptir. Sicim teorisi, elektronlara, kuarklara, fotonlara, gluonlara vb. benzeyen parçacıklar - fermiyonlar ve bozonlar - içerir. Yerçekimi kuvvetine ek olarak, elektromanyetik kuvvetlere benzer kuvvetleri ve hatta kuarkları proton ve nötronlara bağlayan kuvvetlere benzer kuvvetleri tanımlar. Ve en önemlisi, bu unsurların hiçbiri teoriye dışarıdan, tabiri caizse manuel olarak dahil edilmemiştir: yerçekimi gibi, hepsi teorinin kaçınılmaz matematiksel sonuçlarıdır.

Sicim teorisinin tüm sonuçlarının matematiksel olarak tutarlı bir şekilde ortaya çıktığına dikkat edilmelidir. Öte yandan, sicim kuramı çok karmaşık bir matematiksel kuramdır ve beraberinde çok sayıda başarısız olma fırsatı getirir. Muhtemel iç tutarsızlıkları kastediyorum. Binlerce parçadan oluşan devasa, çok hassas bir makine gibi. En az bir parça diğerlerine tam olarak uymazsa, makine duracaktır. Ancak gerçek matematiksel mucizeler nedeniyle ayrıntılar bazen birbirine göre ayarlanır. Sicim teorisi sadece fiziksel bir teori değil, aynı zamanda bütün bir saf matematikçiler ordusuna ilham kaynağı olan çok karmaşık bir matematiksel yapıdır.

Ama sicim teorisi güzel mi? Sicim kuramı, fiziğin dayattığı zarafet ve kesinlik standartlarını karşılıyor mu? Birkaç denklem içeriyor mu ve bunlar basit mi? Ve en önemlisi: sicim kuramının yol açtığı fizik yasaları kesin midir?

Zarafet, tanımlayıcı denklem sayısının az olmasını gerektirir. Beş, ondan daha iyidir ve bir, beşten daha iyidir. Bu açıdan sicim kuramı zarafetin somut örneğidir. Sicim teorisinin geliştirildiği onca yıl boyunca, henüz hiç kimse tek bir tanımlayıcı denklem yazmayı başaramadı! Onların sayısı şu anda sıfır. Sicim kuramının temel denklemlerinin ne olduğunu bilmediğimiz gibi var olup olmadıklarını bile bilmiyoruz. Ancak, bu durumda, bir dizi tanımlayıcı denklem yoksa, bu ne tür bir teoridir? Bu sorunun henüz bir cevabı yok.

Sicim kuramından kaynaklanan Fizik Yasalarının belirsizliği hakkındaki ikinci soruya gelince, burada daha spesifik olabiliriz. Henüz hiç kimse tek bir tanımlayıcı denklem yazmamış olsa da, teorinin yöntemleri çok titizdir. Teori birçok matematiksel testte başarısız olabilirdi ama olmadı. Çok güçlü matematiksel kısıtlamaların ya tamamen açık bir teoriye ya da aşırı durumda çok az sayıda belirsizlik içeren bir teoriye yol açacağına inanılmaktadır.

1980'lerin ortalarında sicim teorisyenleri arasında coşku hüküm sürüyordu: Nihai cevaba, dünyanın neden böyle olduğunu açıklayabilecek tek ve kesin bir teoriye giden yolu bulduklarına inanıyorlardı. Ayrıca, teorinin derin ve genellikle harika matematiksel özelliklerinin kozmolojik sabitin sıfıra tam olarak eşit olmasını garanti ettiğine inanılıyordu.

Olayların merkez üssü, bir zamanlar Albert Einstein ve Robert Opperheimer'ın evi olan ve süper entelektüel zarif atmosferiyle tanınan Princeton'daki İleri Araştırma Enstitüsü idi. Ve merkez üssünün merkezinin tam merkezinde, Edward Witten liderliğindeki dünyanın en büyük matematikçileri, kesin bir cevaba büyük bir hızla ilerliyorlardı. Yani bir zamanlar öyleydi.

“Bizi köşe başında bekleyen” başarının bir seraptan ibaret olduğunu bugün biliyoruz. Sicim teorisini daha iyi tanıdıktan sonra üç talihsizlik oldu.

Bir numaralı talihsizlik, sürekli açılan yeni olasılıkların, teorinin açık kalması için sürekli matematiksel iyileştirme gerektirmesiydi. 1990'larda, teori tarafından tanımlanan dünyaların yeni varyantlarının sayısı katlanarak arttı. Sicim teorisyenleri, herhangi bir koşulun bulunabileceği çok sayıda vadi ile önlerinde ortaya çıkan görkemli Manzaraya dehşetle baktılar.

İki numaralı talihsizlik, teorinin Rube Goldberg makineleri üretme eğilimiydi. Standart Model için uygun bir manzara arayışında, inanılmaz karmaşıklıkta yapılar yaratıldı. Tüm gereksinimler dikkate alındığından, teoriye giderek daha fazla "hareketli parça" eklenmesi gerekiyordu ve şimdi öyle görünüyor ki, yaratılan gerçeklik modellerinden hiçbiri Amerikan Mühendislik Derneği'nin onayını alamıyor - her şeyden önce, bu, tasarımın zarafetiyle ilgilidir.

Ve son olarak, ağrılı noktaya son darbe, içinde yaşadığımıza benzer bir boşluk için tüm potansiyel adayların sıfır olmayan bir kozmolojik sabit içermesiydi. Kozmolojik sabitin sıfır değerini garanti eden başka bir sihirli matematiksel hile için umut hızla solmaya başladı.

Alışıldık benzersizlik ve zarafet kriterleriyle değerlendirilen sicim kuramı, güzellikten canavara dönüştü. Yine de, bu üzücü hikaye hakkında ne kadar çok düşünürsem, sonuçta aradığımız yanıtın sicim kuramı olduğuna inanmam için o kadar çok neden var.

 Doğa zarif mi?
 

Bilimin en büyük trajedisi, güzel bir hipotezin çirkin bir gerçek tarafından katledilmesidir.

Thomas Henry Huxley

Sicim teorisinin, onun canavarca bir sapkınlık olduğunu söyleyecek düşmanları eksik değildir. Bunların arasında, doğru teorinin ortaya çıkmayı veya ortaya çıkmayı içeren teori olduğuna inanan yoğun madde teorisyenleri vardır . Yoğun madde fiziği, katı, sıvı veya gaz halindeki sıradan maddenin özelliklerini inceler. Bu okula göre uzay ve zaman , bazı mikroskobik nesnelerden, kristal kafes veya süperakışkanlığın çok sayıda atomun kolektif davranışından ortaya çıkmasıyla aynı şekilde ortaya çıkar . Çoğu durumda, ortaya çıkan davranış büyük ölçüde bireysel mikroskobik ayrıntıların davranışına bağlıdır. Yoğun madde fizikçilerinin bakış açısına göre, dünya o kadar geniş bir ilk mikroskobik koşullar yelpazesinden doğmuş olabilir ki, onun yaratılmasına yol açan belirli mikroskobik ayrıntıları tanımlamaya çalışmanın bir anlamı yoktur. Bunun yerine, ortaya çıkmanın kurallarını ve mekanizmalarını anlamaya çalışmak gerektiğini söylüyorlar. Başka bir deyişle, yoğun madde fiziği çalışılmalıdır.

Sorun şu ki, kuantum mekaniği ve genel görelilik tarafından kontrol edilen bir evren gibi davranacak böylesine yoğun bir ortama sahip değiliz. Daha sonra, Bölüm 10'da holografik ilke ile tanışacağız ve yoğun madde fizikçilerinin bakış açısının var olmaya hakkı olduğunu göreceğiz. Yerçekimi olan bir dünyanın ortaya çıkmasına neden olabilecek birçok mikroskobik başlangıç noktası olduğu hipotezi doğru çıkabilir ancak evrenin ilk halinin, yoğun madde fiziğinin konusu olan sıradan madde ile hiçbir ilgisi yoktur. .

Başka bir eleştiri kaynağı, yüksek enerjili deneysel fizik alanında çalışan bazı (elbette hepsi değil) bilim adamlarından geliyor; bunun sorumlusu ... Bu fizikçiler, deneylerinin bir gün sicim teorisyenlerinin ortaya attığı sorulara yanıt sağlayıp sağlayamayacağına dair bir ihtimal görmediklerinden endişeleniyorlar. Teorisyenlerin yakın gelecekte deneysel doğrulaması gündemde olan problemlerle uğraşması gerektiğine inanıyorlar. Bu son derece miyop bir görüş. İçinde bulunduğumuz yüksek enerji fiziği çağında, deneyler o kadar hantal ve karmaşık hale geldi ki, bazen bir deneyin kurulması on yıl sürebiliyor. Parlak genç teorik fizikçiler çılgın bilim adamları gibidir. Merakla sürüklenerek bilinmeyene doğru parçalanırlar. Ve bilinmeyenin uçsuz bucaksız denizine açılırlarsa, omurganın yedi fit altında olmalarını dileyelim.

Çoğu gerçekten iyi deneysel fizikçi, teorisyenlerin ne düşündüğüne pek aldırış etmez. Kurabilecekleri deney tesislerini inşa ederler ve yapabilecekleri deneyleri yaparlar. Buna karşılık, gerçekten iyi teorisyenlerin çoğu, deneycilerin ne düşündüğüne fazla dikkat etmez. Teorilerini sezgilerine göre inşa ederler ve sezgilerinin onları götürdüğü yere giderler. İkisi de bir gün yollarının kesişeceğini umuyor ama bunun ne zaman ve nasıl olacağı ancak tahmin edilebilir.

Son olarak, diğer teorilerin destekçileri var. Başka türlü olamaz. Gerçeğe giden tüm olası yollar keşfedilmelidir, ancak söyleyebileceğim kadarıyla, bu teorilerin hiçbiri iyi gelişmiş değil. Şu anda onlar hakkında söyleyebileceğim tek şey bu.

Ama sicim kuramına yönelik eleştiriyi hiç duymadım, onu aşırı derecede inceliksizlikle ya da belirgin bir muğlaklıkla suçlamak. [47] Bu arada, bu suçlamalardan herhangi biri, sicim teorisyenlerine haklı olarak iyi bir teori yaratma umutlarının temelsiz olduğunun kanıtı olarak atılabilir. Ama görünüşe göre, yakın zamana kadar teorilerinin bu zayıf noktasını çok iyi gizlemişler. Kendi derslerim ve yazılarım da dahil olmak üzere geniş bir bilim topluluğunun malı haline geldiğine göre, kenardaki sıkıcıların sırıtarak halka açık bir şekilde ilan etmeye başlayacaklarından şüpheleniyorum: “Aha! Bunu uzun zamandır biliyoruz! Sicim teorisi öldü."

Benim kendi önerim, teorinin zarafetsizliği ve muğlaklığının nihayetinde onun güçlü yönleri olarak görülmesi gerektiğidir. Gerçek dünyaya ilişkin dürüst ve tarafsız bir görüş, matematiksel minimalizmi içermez. Aşağıda, Standart Model'de yer alan temel parçacıkların elektron kütleleri cinsinden ifade edilen kütlelerinin bir listesi yer almaktadır. Tüm değerler yaklaşık değerlerdir.

Listede aşağı doğru inildikçe kitlelerin artması dışında belirgin bir model görmüyoruz.

π veya ikinin karekökü gibi herhangi bir matematiksel sabitle ilişkili görünmüyor . Gözlemlenen tek model, yalnızca parçacıkları artan kütle sırasına göre kasıtlı olarak sıralamamdan kaynaklanmaktadır.

Bu bir buçuk düzine rakam, buzdağının sadece görünen kısmı. Standart Model'in çeşitli etkileşimlerden sorumlu en az 20 ek bağımsız sabit içerdiğini kesin olarak biliyoruz, bu da modelin basit olduğu iddiasıyla çelişiyor. Ve bu liste bile ayrıntılı olmaktan uzaktır: Dünyada Standart Model listesinden çok daha fazla parçacık ve sabit vardır. Yerçekimi teorisi ve kozmoloji bize karanlık maddeyi oluşturan parçacıkların kütleleri gibi bir takım sabitler ekler. [48] Fizikçilere göre, özellikle süpersimetrinin keşfedilmesini bekleyenler, temel sabitlerin toplam sayısı yüzü geçmelidir ve hiç kimse bu sabitlerin birbiriyle nasıl ilişkilendirileceğini çözemez. Basitlik ve zarafet standardından uzak, fizikçiler tarafından doğanın temel özelliklerini açıklamak için zaman zaman yaratılan teorik yapılar, Rube Goldberg'in karikatür yapılarına benziyor.

Standart Model, temel parçacıkların özelliklerini açıklamada ileriye doğru atılmış büyük bir adım olmasına rağmen, kendisini açıklamamaktadır. Oldukça karmaşık, kesin olmaktan uzak ve elbette eksik. Öyleyse, sevgili Standart Modelimiz hakkında bu kadar özel olan nedir? Kesinlikle hiçbir şey. Doğru, Standart Modeli diğer 10.500 olası modelden ayıran bir özellik var : Hayatın varlığına izin veriyor, hatta belki de teşvik ediyor.

Kozmologlar, sicim teorisyenleri kadar zarafet ve kesinlik virüsüne yakalanmış değiller, belki de doğaya matematiksel denklemler ormanı yerine teleskoplarının merceklerinden bakmayı tercih ettikleri için. İşte bazıları tarafından kutlanan harika tesadüflerden oluşan bir çelenk.

• Evren ince ayarlı bir enstrümandır. İdeal bir oranda genişledi. Genişlemesi çok hızlı olsaydı, madde galaksileri, yıldızları ve gezegenleri oluşturma şansı bulamadan büyük bir hacimde dağılırdı. Öte yandan genişleme yavaş olsaydı, başlangıçtaki momentum evrenin bugünkü boyutuna ulaşmaya yetmeyecek ve evren patlayan bir balon gibi geri çökecekti.

• İlk evren ne çok parçalı ne de çok homojendi. Düzgün pişmiş yulaf ezmesi gibi doğru kıvama sahipti. Varlığının başlangıcında Evren daha topaklı olsaydı, o zaman hidrojen ve helyum galaksilere değil, karadeliklere yoğunlaşırdı. Tüm maddeler bu kara deliklere düşecek ve ufuklarının altına gömülecekti. Öte yandan, erken Evren çok pürüzsüz olsaydı, hiçbir şekilde homojensizlikler oluşmazdı. Galaksiler, yıldızlar ve gezegenler dünyası, erken Evren'deki fiziksel süreçlerin doğal bir sonucu değildir. O çok nadir ve şanslı bir istisnadır.

• Yerçekimi bizi Dünya'nın yüzeyinde tutacak kadar güçlüdür, ancak yıldızların içlerinde aşırı basınç yaratacak kadar güçlü değildir, bunun sonucunda yıldızlar milyarlarca yılda değil, birkaç milyon yılda yanar yaşamın ortaya çıkması için gerekli olan ve aklın ortaya çıkmasına yol açan evrim.

• Mikroskobik Fizik Yasaları, canlı maddenin dev moleküllerinin inşa edildiği atom çekirdeklerinin ve atomların varlığına izin verecek şekilde özel olarak seçilmiş görünmektedir. Buna ek olarak, bu yasalar, yaşam inşa etmek için gerekli olan karbon, oksijen ve diğer elementlerin ilk nesil yıldızların içinde sentezlenebilmesi ve ardından süpernova patlamalarının bir sonucu olarak uzaya fırlatılabilmesi için ayarlanmıştır.

Doğanın temel ayarları gerçek olamayacak kadar iyi görünüyor. Matematiksel basitlik ve zarafet standartlarını takip etmek yerine, doğa kanunları öncelikle kendi varlığımızı sağlamak için seçilir. Defalarca söylediğim gibi, fizikçiler bu fikirden nefret ediyor. Ancak daha sonra göreceğimiz gibi, sicim kuramı dünyanın neden bu şekilde çalıştığını açıklamanın mükemmel yolu gibi görünüyor.

Artık karmaşık bilimsel sorulara dönebiliriz. Bir sonraki bölümde, fizikçileri ve kozmologları yeni bir paradigmaya gelmeye zorlayan şaşırtıcı (şaşırtıcı - bu yetersiz bir ifade) kozmolojik araştırmadan bahsedeceğim. Öncelikle Evrenimizin en erken tarihi hakkında öğrendiklerimizden, şu anki kararsız durumuna nasıl geldiğinden bahsedeceğim ve sizlere kozmolojik sabitin 120. ondalık basamağıyla ilgili şok edici gerçekleri açıklayacağım.

 Bölüm 5
 

Evreni tanımak isteyen ama aynı zamanda Çin Mahallesi'nde yolunu bulamayan insanlara hayret ediyorum.

Woody Allen

 Alexander Friedman'ın Evreni
 

1929'dan bahsedilmesi, banka ardına bankaları, Wall Street'in intihar salgınını, mortgage çöküşünü, işsizliği ürpertecek kadar yaşlı olanları hatırlar. Büyük Buhran'dı. Ama bu yıl her şey kötü değildi. Borsa, delinmiş bir balon gibi patlarken, güneşli Kaliforniya'da Edwin Hubble, bildiğimiz tüm evrenin doğduğu patlama olan Big Bang'i keşfetti. Einstein'ın 1917'de öne sürdüğünün aksine, evren zamanla değişir ve genişler. Hubble'ın verilerine göre, tüm uzak galaksiler, uzayın her yerinden ve her yöne aynı anda ateş edebilen dev bir top tarafından ateşlenmiş gibi, bizden uzaklaşıyor gibiydi. Hubble, evrenin sadece değişmediğini, şişen bir balon gibi genişlediğini keşfetti.

Hubble, galaksilerin hareketini ölçmek için uzun zamandır bilinen bir teknik kullandı. Galaksiden gelen ışık, onu bir spektruma ayrıştıran spektroskopa gönderildi. Isaac Newton aynı şeyi 17. yüzyılda yaptı, güneş ışığını üçgen bir prizmadan geçirdi. Prizma, güneş ışığını gökkuşağının tüm renklerine ayıran basit bir spektroskoptur. Newton haklı olarak beyaz ışığın kırmızı, turuncu, sarı, yeşil, mavi, çivit mavisi ve morun bir bileşimi olduğu sonucuna vardı. Bugün, spektrumdaki her rengin belirli bir dalga boyundaki ışığa karşılık geldiğini biliyoruz.

Bir yıldızın ışık tayfına yakından bakarsanız , yanardöner şerit boyunca yerleştirilmiş ince koyu spektral çizgiler görebilirsiniz.

soğurma hatları

Spektrumun geri kalanından daha koyu olan bu gizemli çizgilere soğurma çizgileri denir . Bizimle ışık kaynağı arasında bir yerde, spektrumun geri kalanını etkilemeden kesin olarak tanımlanmış bir dalga boyundaki ışığı emen bir şey olduğunu belirtirler. Bu garip fenomenin nedeni ne olabilir? Elektronların kuantum davranışı.

Niels Bohr'un atom modeline göre, bir atomdaki elektronlar belirli ayrık yörüngelerde bulunur. Newton mekaniği, bir elektronun çekirdekten herhangi bir mesafede herhangi bir yörüngede gitmesine izin verir, ancak kuantum mekaniği, bir elektronun hareketine, sürüş şeritlerinin kurallarına benzer şekilde kısıtlamalar getirir. Şeritler arasında hareket eden araç, yol kurallarını ihlal ediyor; izin verilen yörüngeler arasında hareket eden elektron, kuantum mekaniğinin kurallarını ihlal eder. Her yörüngenin kendi enerjisi vardır, bu nedenle bir elektron bir yörüngeden diğerine hareket ettiğinde enerjisi değişir. Bir elektron daha yüksek bir yörüngeden daha alçak bir yörüngeye sıçradığında, fazla enerjiyi uzaklaştıran bir foton yayar. Tersine, daha düşük bir yörüngeden daha yüksek bir yörüngeye atlamak için bir elektronun bir fotonu emmesi gerekir.

Genellikle bir elektron, diğer elektronlar tarafından işgal edilmeyen, izin verilen en düşük yörüngededir (iki elektronun aynı kuantum durumunda olmasını önleyen Pauli dışlama ilkesini hatırlayın). Ancak bir atomun başka bir parçacıkla çarpışması durumunda, bir elektron bu çarpışmanın enerjisinin bir kısmını alabilir ve çekirdekten daha uzakta bulunan yeni bir yörüngeye geçebilir. Bu durumdaki bir atoma uyarılmış denir . Kısa bir süre sonra elektron bir foton yayar ve orijinal yörüngesine döner. Böyle bir işlemde yayılan ışık, atomun türüne bağlı olarak kesin olarak tanımlanmış bir dalga boyuna sahiptir. Bu nedenle, her kimyasal elementin kendine özgü "imzası" vardır - bu elementin atomlarındaki elektronların kuantum geçişleri nedeniyle bir dizi spektral çizgi.

Bir atoma gelen bir foton, atomda izin verilen geçişin enerjisine karşılık gelen bir enerjiye sahipse, ters işlem gerçekleşebilir: foton emilecek ve ek enerji alan elektron, izin verilen daha yüksek bir değere hareket edecektir. yörünge. Bir yıldızdan gelen ışık, yıldız atmosferini oluşturan hidrojenden geçtiğinde, hidrojen atomları, elektronların izin verilen yörüngeleri arasındaki enerji farkına karşılık gelen bir dalga boyuna sahip fotonları soğurur ve yıldızı inceleme spektrumunda koyu çizgiler bırakır. Bir yıldızın atmosferinde helyum, karbon ve diğer kimyasal elementler varsa, her biri tayfta bir dizi karanlık çizgi olarak kendi benzersiz imzasını bırakacaktır. Bilim adamları, yıldızların emisyon spektrumlarını inceleyerek kimyasal bileşimlerini belirler. Ancak Hubble'ın çözdüğü problemle ilgili olarak, yıldızların kimyasal bileşimiyle değil, gözlemciye göre hızlarıyla ilgileniyoruz. Yıldızların hızlarını belirlemenin anahtarı, bir yıldızın ışığındaki spektral çizgilerin düzeninin, yıldızın dünyevi bir gözlemciye yaklaşma veya ondan uzaklaşma hızına bağlılığında gizlidir. Bu ipucuna Doppler etkisi denir .

Yanınızdan hızla geçen bir polis arabasının sirenini duyduysanız, Doppler etkisine aşinasınız demektir. Bir araba geçerken tiz bir "eeeeee" sesi, daha alçak bir "uuuuu" sesine dönüşür. Araba yaklaştığında, ondan gelen ses dalgaları daha sık takip eder ve kaldırıldığında tam tersine daha seyrek hale gelir. Dalga boyu ve frekans yakından ilişkili olduğundan, değişen bir "eeeeeeeeee" sesi duyarsınız. Dahası, bir müzik kulağına sahip olarak, yaklaşırken ve ayrılırken siren sesinin frekanslarındaki farka bağlı olarak arabanın ne kadar hızlı hareket ettiğini tahmin edebilirsiniz.

Ancak Doppler etkisi, yayaları eğlendirmekten daha fazlasını yapabilir. Gökbilimciler için, evrenin yapısı ve tarihinin anahtarından başka bir şey değildir. Doppler etkisi tüm dalga türleri için geçerlidir: ses dalgaları, kristallerdeki dalgalar ve hatta su yüzeyindeki dalgalar. Elinizi yavaş hareket eden bir teknenin yanından sarkıtarak parmaklarınızı suda sallamayı deneyin. [49] Hareket yönünde ileriye doğru yayılan dalgaların, geriye doğru yayılan dalgalardan daha sıkı bir grup oluşturduğunu göreceksiniz.

Sağa doğru hareket eden bir kaynaktan gelen dalgalar

Neyse ki gökbilimciler için, hareket eden nesnelerin yaydığı ışık da Doppler etkisine tabidir. Bir gözlemciden uzaklaşan bir limon, rengini kırmızı tarafa çevirecek ve yeterince hızlı hareket ederse portakal, hatta domates gibi görünecektir. [50] Limon size aynı hızla uçarsa, misket limonu veya dev bir yaban mersini gibi görünerek sizi yanıltabilir. Bunun nedeni, gözlemciden uzaklaşan bir kaynaktan gelen ışığın kırmızıya kayması , gözlemciye yaklaşan bir kaynaktan gelen ışığın ise mora kaymasıdır . Limonun rengi nasıl değişiyorsa, galaksilerin rengi de değişir. Böylece, bir galaksinin tayfındaki çizgilerin kaymasının büyüklüğü ölçülerek, Dünya'ya göre hareket ettiği hız belirlenebilir.

Hubble, çok sayıda galaksinin hızlarını belirlemek için Doppler etkisini kullandı. Her galaksinin ışık spektrumunu bir referans laboratuvar kaynağının spektrumuyla karşılaştırdı. Einstein'ın inandığı gibi Evren durağan olsaydı, her iki spektrumdaki aynı elementlerin çizgileri tamamen çakışırdı. Ancak Hubble'ın bulduğu şey herkesi şaşırttı. Neredeyse tüm uzak galaksilerin ışığı kırmızıya kaydırıldı. Bu konuda hiç şüphe yoktu. Bazı galaksiler daha hızlı, diğerleri daha yavaş hareket ediyordu ama bize en yakın birkaç tanesi dışında hepsi Dünya'dan uzaklaşıyordu. Bu Hubble'ı şaşırtmaktan başka bir şey yapamazdı. Keşfi, gelecekte galaksilerin daha da uzak mesafelere dağılması gerekeceği anlamına geliyordu, ancak daha da beklenmedik olan mantıksal sonuç, geçmişte galaksilerin birbirine çok daha yakın olduğu ve hatta bir noktada, hatta belki de tek bir bütün oluşturduğuydu. !

Hubble ayrıca çeşitli galaksilere olan mesafeleri kabaca belirleyebildi ve bir model keşfetti: Bir galaksi Dünya'dan ne kadar uzaktaysa o kadar hızlı uzaklaşıyordu. En yakın galaksiler yavaş yavaş uzaklaşıyordu, ama en uzaktaki galaksiler son sürat bizden uzaklaşıyordu. Hubble makalesinden alınan yukarıdaki grafikte, galaksilere olan mesafe yatay eksen boyunca ve ayrılma hızı dikey eksen boyunca çizilmiştir. Her galaksi grafikte ayrı bir siyah kare ile temsil edilir. Hubble, tüm noktaların düz bir çizgiye yakın olmasını şaşırtıcı buldu.

Hubble verileri

Bu, kaldırma oranının sadece mesafeye bağlı olmadığı, doğrusal olarak mesafeye bağlı olduğu anlamına gelir. Bizden iki kat uzaktaki bir galaksi iki kat hızla uzaklaşıyor. Bu beklenmedik yeni bir kalıptı, yeni bir kozmolojik yasaydı - Hubble yasası: Galaksiler, mesafeleriyle orantılı bir hızla bizden uzaklaşıyorlar . Ya da daha kesin bir formülasyonla: Galaksiler, aralarındaki mesafenin sabit bir değerle - Hubble sabiti ile çarpımına eşit bir hızla birbirlerinden uzaklaşıyorlar . [51]

Aslında Hubble'ın keşfettiği yasa o kadar da sürpriz olmadı. 1922'de, Einstein'ın 1917'de yayınlanan çalışmasını inceleyen Rus matematikçi Alexander Fridman, Einstein'ın Evren'i durağan olarak düşünmekle yanıldığını belirttiği bir makale yazdı. Evren zamanla değişirse, istikrarını sağlamak için bir kozmolojik sabitin getirilmesi gerekli değildir. Friedmann'ın evreni, tıpkı Einstein'ın evreni gibi, kapalı ve sınırlı bir 3-küreydi, ancak durağan değildi, zamanla şişirilmiş bir balon gibi genişledi. Bir balon alın ve üzerine yüzeye az çok eşit dağılmış galaksiler çizin. Şimdi balonu yavaşça şişirmeye başlayın. Topun boyutu büyüdükçe, topun yüzeyine çizilen herhangi iki galaksi arasındaki mesafenin nasıl büyüdüğünü göreceksiniz. Genişlemenin merkezinde yer alan hiçbir galaksi ayrıcalıklı görünmüyor. Herhangi bir galakside bulunan bir gözlemcinin bakış açısından, diğer tüm galaksiler ondan uzaklaşır. Friedman evreninin kilit noktası budur.

Topa çizilen galaksilerin birbirlerinden ne kadar hızlı uzaklaşacaklarına özellikle dikkat edin, topun yüzeyindeki mesafe onları ayırır. Ayrıca, ayrılma hızları, aralarındaki mesafelerle orantılı olacaktır, yani Hubble yasası, şişen kürenin yüzeyinin genişleme yasasına karşılık gelir. Ne yazık ki, Friedman 1925'te Hubble'ın teorisini doğrulayan keşfini ve çalışmalarının kozmolojinin gelecekteki gelişiminde oynayacağı rolü göremeden öldü.

Friedmann'ın kozmolojisinin bazı hükümlerini ele alalım.

 Kozmolojik ilke ve üç geometri
 

Dünyada sadece iki şey sonsuzdur: evren ve insanın aptallığı. Ancak, evrenden emin değilim.

Albert Einstein

Birkaç yıl önce, üniversitelerden birinde ders vermek üzere Güney Afrika'ya davet edildim. Oradayken karım ve ben Kruger Ulusal Parkı'na bir gezi yaptık. Bu park, kaynağın geniş alanlarını kaplar ve kıtanın büyük memelilerinin çoğuna ev sahipliği yapar. Muhteşemdi. Her sabah ve her akşam Land Rover'a binip vahşi yaşamı izlemeye ve fotoğraflamaya gittik. Suaygırları ve gergedanları, Afrika mandasını ve bir antilopu yiyen aslan gururunun yanı sıra kızgın bir fil gördük. Ama şahsen benim için en güçlü izlenim, karanlık, aysız bir gecede güneydeki gökyüzünün görüntüsüydü. Güneydeki gökyüzü, alıştığım kuzeydekilerden çok daha zengin ve Kruger Park neredeyse tamamen ışık kirliliğinden arınmış durumda. Gökyüzü boyunca uzanan Samanyolu'nun görüntüsü tek kelimeyle muhteşemdi. Ancak Galaksimizin uçsuz bucaksız olduğu duygusu yanıltıcıdır. Hepsi, tüm görünür yıldızlarla birlikte, yalnızca büyük teleskoplarla görülebilen yüz milyarlarca galaksiyle tekdüze bir şekilde dolu, uçsuz bucaksız uzay okyanusunda küçücük bir adadır. Ve evrenin bu gözlemlenebilir parçası bile çok daha büyük bir kozmosun sadece küçük bir parçasıdır.

Sözlüğüme göre, homojen kelimesi yapı veya bileşimde aynı anlamına gelir . Yulaf ezmesi ile ilgili olarak, "homojen" kelimesi "topaksız" anlamına gelir. Elbette yulaf ezmesine büyüteçle bakarsanız tek tip görünmesi pek olası değildir. Sonuç olarak, bir şeyi homojen olarak adlandırdığınızda, bir açıklama yapmanız gerekir: bu tekdüzelik hangi boyutta görünür? İyi karıştırılmış yulaf ezmesi, çeyrek santimetreden daha büyük boyutlarda tek tiptir. Çiftçi Brown'ın Kansas buğday tarlası, birkaç metreden daha büyük karakteristik boyutlarda tek tiptir.

Pekala… gerçekten değil. Yulaf ezmesi, santimetrenin çeyreğinden tava boyutuna kadar olan boyutlarda tek tiptir. Çiftçi Brown'ın buğday tarlası birkaç metre boyunca tekdüze, ancak birkaç kilometreden daha az. Birkaç kilometreden sonra kırlar bir patchwork yorganı andırmaya başlıyor. Bu nedenle, Çiftçi Brown'ın buğday tarlasının birkaç metreden bir kilometreye kadar tek tip olduğunu söylemek daha doğru olur.

Çıplak gözle, Afrika gece gökyüzü son derece düzensiz görünüyor. Samanyolu, dar bir açık şeritle daha koyu bir arka planı keser. Çalılık içinde olmak, ağaçlar için ormanı görmek imkansızdır. Ancak büyük bir teleskopla bakmak bize, evrenin gözlemlenebilir kısmı boyunca genellikle eşit olarak dağılmış milyarlarca galaksiyi gösterir. Gökbilimcilere göre evren, yüz milyon ila en az on beş milyar ışıkyılı arasındaki mesafelerde homojen ve izotropik görünmektedir. On beş milyar ışıkyılı üst sınırı kesinlikle hafife alınmış bir tahmindir: bu sadece bizim daha ilerisini göremememizden kaynaklanmaktadır.

Sözlüğüme dönersek, içinde "izotropik" kelimesinin şu tanımını buluyorum: her yönden aynı; yön değişmez "İzotropik", "homojen" ile aynı şey değildir. Sana bir örnek vereceğim. Bir keresinde, Kızıldeniz'deki mercan resiflerinden birinde tüplü dalış yaparken, büyük bir hacmi eşit şekilde dolduran çok büyük bir dar, uzun balık sürüsü gördüm. Ama açıklanamayan bir nedenle, ben çok yakındayken tüm balıklar aynı yöne döndü. Eklem belirli bir ölçekte üniformdu, ancak kesinlikle izotropik değildi. Bir okulun herhangi bir parçası, aynı okulun diğer herhangi bir parçasına tamamen benziyordu, ancak balığın baktığı yön için aynı şey söylenemezdi.

Kozmologlar ve astronomlar evrenin homojen ve izotropik olduğunu varsayarlar: Evrenin neresinde olursanız olun ve hangi yöne bakarsanız bakın aynı şeyi görürsünüz. Yakındaki ayrıntıları kastetmiyorum, evrenin büyük ölçekli özelliklerini kastediyorum. Kozmologlar bu varsayımı "kozmolojik ilke" olarak adlandırırlar. Tabii ki prensip olarak adlandırdığımız için otomatik olarak gerçekleşmedi. Başlangıçta sadece bir hipotezdi, ancak giderek daha dikkatli ve çeşitli gözlemler, astronomları ve kozmologları Evrenin birkaç yüz milyondan en az birkaç on milyar ışık yılına kadar gerçekten homojen ve izotropik olduğuna ikna etti. Daha da uzak mesafelerde Evren'in özellikleri hakkında hiçbir şey söyleyemeyiz, çünkü on dört milyar ışıkyılı, gözlem yeteneğimizin sınırıdır. Elimize ne kadar büyük bir teleskop alırsak alalım, on dört milyar ışık yılından daha uzaktaki bir cismi göremeyeceğiz. Bunun nedeni, evrenin kendisinin yaklaşık on dört milyar yaşında olmasıdır. Bu süre zarfında ışık, on dört milyar ışık yılından fazla olmayan bir mesafeyi kat edebilir. Daha uzaktaki nesnelerden gelen ışığın henüz bize ulaşma zamanı olmadı. Aslında, evrenin gözlemlenebilir kısmının boyutundan daha büyük mesafelerde evrenin homojen ve izotropik olduğuna bahse girmek işe yarayabilir, ancak kırsal kesimde olduğu gibi, evren de büyük mesafelerde patchwork bir yorgan gibi görünebilir: patchwork bir yorgan cep evrenlerinden dikilmiştir.

Şimdilik, kozmolojik ilkenin en uzak mesafelere kadar geçerli olduğu şeklindeki yaygın görüşü işleyen bir varsayım olarak kabul edelim. Bu bizi ilginç bir soruya getiriyor: Kozmolojik prensiple hangi uzay geometrisi uyumludur? Uzayın geometrisi derken, uzayın şeklini kastediyorum. İki boyutlu örneklerle başlayalım. 2-küre, özel bir geometri durumudur. Küreye ek olarak, uzay bir elipsoid, armut ve muz gibi şekillendirilebilir. [52]

Listelenen tüm nesnelerden yalnızca küre homojen ve izotropiktir. Bir daire gibi mükemmel bir simetriye sahiptir: kürenin her noktası kürenin diğer noktasından farklı değildir. Elipsoid, bir küre kadar mükemmel olmasa da, yine de oldukça simetrik bir şekildir. Örneğin, bir elipsoidin ayna görüntüsü orijinalinden farklı değildir. Ancak elipsoid yüzeyin her parçası diğerlerinden ayırt edilemez değildir. Bir armut veya muz daha da az simetriktir.

Bir yüzeyi tanımlamanın bir yolu eğriliğini belirtmektir. Bir kürenin eğriliği kesinlikle birörnektir. Matematiksel olarak konuşursak, bir küre, düzgün pozitif eğriliğe sahip bir alandır. Elipsoid ayrıca her yerde pozitif eğriliğe sahiptir, ancak eğriliği yüzeyde bir yerden diğerine değişir. Örneğin, bir denizaltı şeklindeki prolate bir elipsoid, uçlarda daha fazla ve ortada daha az eğriliğe sahiptir. Tüm örnekler arasında yalnızca küre her yerde sabit bir eğriliğe sahiptir.

Küreler, elipsoidler ve meyve yüzeyleri kapalı ve sınırlıdır, yani sonlu bir alana sahiptirler ancak kenarları yoktur. Ancak, Evrenin sonlu olup olmadığını kimsenin bilmediğini kabul etmek gerekir, çünkü şimdiye kadar evrensel bir yolculuk yapacak bir kozmik Macellan olmamıştır. Bu nedenle, evrenin sonsuza kadar uzanması tamamen mümkündür, bu durumda sonsuz ve sınırsızdır.

Evreni sonsuz kabul edersek, Evrenin iki homojen ve izotropik geometrisi mümkündür. İlki, açık bir şekilde, sonsuz bir düz alandır. Her yönden sonsuz olan bir kağıt düşünün. Sonsuz düzlemde merkeze daha yakın veya kenara daha yakın denebilecek ayırt edici noktalar yoktur. Ancak bir kürenin aksine, bir düzlemin eğriliği yoktur veya matematiksel terimlerle bir düzlemin eğriliği sıfırdır. Yani, iki homojen geometri biliyoruz: pozitif eğriliğe sahip bir küre ve sıfır eğriliğe sahip bir düzlem. Geriye üçüncü bir seçenek kalıyor: Negatif eğriliğe sahip bir hiperboloit . Negatif eğriliğe sahip bir yüzey hayal etmek için, dik açıyla bükülmüş bir su borusu parçası hayal edin. "Dirsek"in dış tarafından metal yüzey küre gibi pozitif bir eğriliğe sahiptir. Dirseğin iç tarafındaki yüzeyin eğriliği negatiftir.

Elbette nargile dirseği tek tip değildir. Dizin iç tarafı geometrik olarak dış tarafa benzemez çünkü eğrilikleri farklı işaretlere sahiptir. Negatif eğriliğe sahip bir yüzeye en iyi örnek bir eyerin yüzeyidir: yüzeyi sürücünün önünde ve arkasında sonsuza kadar yükselen ve sağa ve sola sonsuza kadar alçalan bir eyer hayal edin ve sonsuz bir yüzey fikrini elde edin. her yerde negatif eğriliğe sahip yüzey.

Küre, düzlem ve hiperboloid olmak üzere üç yüzey de homojendir. Ayrıca, üç yüzeyin de üç boyutlu uzayda analogları vardır: 3-küre, olağan üç boyutlu Öklid uzayı ve temsil etmesi daha zor olan üç boyutlu hiperbolik uzay.

Artık aklımızda üç standart kozmoloji türü olduğuna göre, yüzeylerin her birinin üzerine galaksilerin çizildiği bir lastik levha (veya bir küre olması durumunda bir lastik top) olduğunu varsayalım. Filmi düzgün bir şekilde germeye başlayarak, Hubble yasasına göre herhangi iki galaksi arasındaki mesafelerin değişmesini sağlayacağız. Artık üç olası homojen ve izotropik kozmolojik model hakkında kabaca bir fikriniz var. Kozmologlar bu modelleri , pozitif eğrilik (küre), sıfır eğrilik (düzlem) ve negatif eğrilik (hiperboloid) için sırasıyla 1, 0 ve -1 değerlerini alan k sayısıyla belirler.

Üç geometri

Yani yine de: Evren, Einstein'ın öne sürdüğü gibi sonlu mu, yoksa sınırsız ve sonsuz ve sonsuz sayıda yıldız ve galaksiyle dolu mu? Bu soru, 20. yüzyıl boyunca kozmologları rahatsız etti ve cevabı hiçbir zaman bulunamadı. Bu bölümün sonunda, bir keşiften ve bunun nihai yanıtı nasıl etkileyebileceğinden bahsedeceğim.

 üç kader
 

Yaklaşık bir ay önce, evde oturmuş bu kitap üzerinde çalışırken, kapımın çalınmasıyla dikkatim dağıldı. Çok düzgün giyimli üç genç adam eşiğin önünde durup bana dini içerikli küçük bir kitap uzattılar. Genelde gezici vaizlerle konuşmaya tenezzül etmem ama kitapçığın başlığını görünce onlara birkaç soru sormadan edemedim. Başlık sayfasında "Evrenin sonuna hazırlandınız mı?" Onlara evrenin sonunun ayrıntılarını nasıl öğrendiklerini sorduğumda, modern bilim adamlarının İncil'deki Mahşer efsanesini doğruladıklarını ve evrenin sonunun bilimsel olarak önceden belirlendiğini söylediler.

Bu genellikle doğruydu. Modern bilim adamları, evrenin -en azından bizim bildiğimiz evrenin- er ya da geç sona ereceğini tahmin ediyorlar. Bu, tüm makul kozmolojik teoriler tarafından tahmin edilmektedir. Bunun ne zaman ve nasıl olacağı, teorinin altında yatan varsayımlara bağlıdır, ancak tüm teoriler bir konuda hemfikirdir: en azından önümüzdeki on milyar yıl boyunca korkacak hiçbir şeyimiz yok.

Genel olarak, dünyanın sonu için iki ana senaryo vardır. Bunları daha iyi anlamak için dikey olarak yukarı doğru atılmış bir taş hayal edin. Hava direncini unutalım ve daha fazla netlik için küçük bir asteroidin yüzeyinden bir taş atalım. Kayanın kaderi, asteroitin çekiminin onu etrafta tutacak kadar güçlü olup olmadığına bağlı olacaktır. İlk durumda, taş yörüngesinin tepesinde duracak ve asteroidin yüzeyine geri düşecektir. İkinci durumda, asteroidi sonsuza kadar terk edecek ve dünya uzayına uçacak. Sonuç , taşın ilk hızının kaçış hızından daha büyük veya daha az olmasına bağlıdır. Kaçış hızı ise asteroitin kütlesine bağlıdır: kütle ne kadar büyükse, kaçış hızı da o kadar büyük olur.

Genel görelilik kuramına göre, [53] evrenin kaderi bu taşın kaderine çok benzer. Galaksiler (ve evrendeki diğer tüm maddeler) Büyük Patlama tarafından her yöne fırlatıldı ve şimdi birbirlerinden uçarak uzaklaşıyorlar. Bu arada, yerçekimi onları geri getirme eğilimindedir. Yani evren bir balon gibi şişiyor ama yerçekimi bu genişlemeyi yavaşlatıyor. Genişleme süresiz olarak devam edecek mi yoksa yerçekimi sonunda onu durdurup tersine mi çevirecek? Bu sorunun cevabı, bir asteroidin yüzeyinden atılan bir taşın akıbeti ile ilgili sorunun cevabına benzer. Evrenin kütlesi genişlemeyi durdurmak için yeterliyse, o zaman galaksiler korkunç ve sıcak bir Büyük Çöküş içinde yok olana kadar birleşmeye başlayacaklardır. Öte yandan, evrenin kütlesi genişlemeyi durduracak kadar büyük değilse, sonsuza kadar devam edecektir. Bu durumda, Evrenin sonu o kadar dramatik olmayacak - aşırı derecede seyreltilmiş soğuk maddeye dönüşecek.

Hem Evren hem de taş üçüncü bir olasılığa sahiptir. Taşın hızı tam olarak kaçış hızına eşitse, o zaman kaldırma hızı sınırda sıfıra doğru düşerek azalacaktır. Aynı şey evren için de söylenebilir. Bu durumda, sürekli azalan ve sonunda sıfıra yönelen bir hızla sonsuza kadar genişleyecektir.

 Kader Geometrisi
 

Üç olası geometri ve üç olası kader - aralarında bir bağlantı var mı? Evet bende var. Einstein'ın yerçekimi teorisi (kozmolojik sabit olmadan), uzayın geometrisi ile o uzayda bulunan kütleler arasında bir ilişki kurar. Kütlelerin uzaydaki dağılımı, geometrisini belirler. Newton'un Einstein'ın yerçekimi teorisindeki "kütle çekim alanının kaynağıdır" sözü yerine başka bir söz gelmelidir: "kütle uzayı büker". Bu, üç geometri ve üç kader arasında istenen bağlantıdır. Bu bağlantının ayrıntıları, karmaşık tensör hesabı ve Riemann geometrisi ile açıklanmaktadır, ancak nihai sonuçlar (kozmolojik sabiti hesaba katmadan) oldukça basit görünmektedir.

1. Evrenin ortalama yoğunluğu, genişlemeyi durduracak ve tersine çevirecek kadar büyükse, bu, uzayın eğrilmesine ve 3-küreye kapanmasına yol açacaktır. Bu durumda, Evren kapalı ve sınırlı hale gelir ve kaderi nihai Büyük Çöküş olur. Teknik jargonda, bu senaryoda evrenin son durumu tekillik terimiyle anlatılır . Bu duruma kapalı Evren veya k = 1 olan Evren denir.

2. Evrenin ortalama yoğunluğu, Evreni "kapatmak" için gerekenden azsa, o zaman sonsuza kadar genişleyecektir. Bu durumda, uzayın eğriliği hiperbolik geometriye yol açacaktır. Hiperbolik Evren, daha önce de belirtildiği gibi, sonsuz genişler. Böyle bir evrene açık evren veya k = -1 olan bir evren denir .

3. Son olarak, eğer Evrenin ortalama yoğunluğu, Evren açık ve kapalı arasında bir bıçak sırtında dengeleyecek şekildeyse, uzayın geometrisi düz bir Öklid uzayına karşılık gelir ve Evrenin kendisi sürekli azalan bir hızla sonsuz genişler. zamanla sıfırlanır. Böyle bir evrene düz evren veya k = 0 olan bir evren denir .

Peki, neyi bekliyoruz?
Dünyanın
ateşten yok olacağını kim söyledi, kim buzdan.
Bana gelince,
ben her zaman ateşten yanayım.
Ama dünyevi dünyamızı iki kez ölüm bekliyorsa
,
o zaman buz
yıkım için iyidir
ve aynı zamanda işe yarayacaktır.

Robert Frost, "Ateş ve Buz" (çeviren M. Zenkevich)

Üç genç misyonere bizi ne tür bir ölümün beklediğini sorduğumda: sıcak ya da soğuk, her şeyin bana bağlı olduğunu söylediler. Tanrı'ya karşı tutumumu değiştirmezsem, muhtemelen beni sıcak bir ölüm bekliyor.

Fizikçiler ve kozmologlar, nihai hesabın türü hakkında kesin bir görüşe sahip değiller. Onlarca yıldır evrenin son günlerini üç kaderden hangisinin yöneteceğini belirlemeye çalışıyorlar. Bulmanın ilk ve en açık yolu, teleskoplarımızı evrenin her köşesine doğrultmak ve görülebilen her şeyin toplam kütlesini hesaplamaktır: yıldızlar, galaksiler, dev toz bulutları ve doğrudan görülebilen veya hesaplanabilen diğer maddeler. var olmak. Tüm bu maddenin yerçekimi, genişlemeyi durdurmak için yeterli mi?

Bugün evrenin ne kadar hızlı genişlediğini biliyoruz. Hubble, uzak galaksilerin hızlarının mesafeleriyle orantılı olduğunu ve orantı faktörünün Hubble sabiti olduğunu buldu. Bu sayı, genişleme hızının iyi bir ölçüsüdür: Hubble sabitinin değeri ne kadar büyükse, galaksiler birbirinden o kadar hızlı uzaklaşır. Hubble sabitinin boyutu, hızın mesafeye bölünmesidir. Gökbilimciler genellikle Hubble sabitini megaparsek başına saniyede kilometre olarak ölçerler . Saniyede bir kilometre nedir, herkes için açıktır. Saniyede bir kilometre, üç ses hızı veya Mach üçtür. Megaparsec'ler genel halk tarafından daha az bilinir. Bu, kozmolojide benimsenen mesafe birimidir. Bir megaparsek, yaklaşık olarak üç milyon ışıkyılı veya otuz trilyon trilyon kilometreye eşittir - en yakın galaksimiz Andromeda'ya olan mesafeden biraz daha fazladır.

Hubble sabitinin değeri yıllar içinde tekrar tekrar ölçüldü ve geliştirildi ve hararetli tartışmalara konu oldu. Gökbilimciler, Hubble sabitinin değerinin megaparsek başına saniyede 50 ila 100 kilometre aralığında olduğu konusunda hemfikirdir, ancak değeri ancak çok yakın bir zamanda yaklaşık olarak 75 (km/s)/Mpc olarak belirlendi. Bu sayının anlamı, birbirlerinden bir megaparsek uzaklıktaki galaksilerin 75 km/s'lik bağıl bir hızla birbirlerinden uzaklaşmalarıdır. İki mega parseklik bir mesafeyle ayrılan galaksiler, 150 km/s'lik bağıl bir hızla birbirlerinden uzaklaşırlar.

Dünya standartlarına göre, 75 km/s'lik bir hız akıllara durgunluk verecek kadar yüksek görünüyor. Bu hızda dünyayı dolaşmak sadece on dakikamı alırdı. Ancak fizikçiler veya astronomlar açısından bu küçük bir hızdır. Örneğin, güneş sistemimiz Galaksinin merkezi etrafında on kat daha hızlı hareket eder. Ve ışığın hızı olan 75 km/s ile karşılaştırıldığında, bu sadece bir salyangoz hızıdır.

Hubble yasasına göre Andromeda galaksisinin bizden 50 km/s hızla uzaklaşması gerekirken, gerçekte bize yaklaşmaktadır. Hubble genişlemesinin bizim galaksimiz ile Andromeda galaksisi arasındaki çekim kuvvetini geçersiz kılabilmesi için çok yakın. Bununla birlikte, Hubble yasası hiçbir zaman yakın galaksilerin karşılıklı hareketini tanımlayan kesin bir yasa olarak görülmedi. Karşılıklı çekimden kaçınmak için yeterince uzak olan galaksileri düşündüğümüzde, yasa çok iyi işliyor.

Evrenin genişlemesi yavaş olsa da, gözlemsel veriler evrenin yoğunluğunun genişlemeyi tersine çevirmek için yetersiz olduğunu gösteriyor.

Genişleme oranını bilmek, Einstein'ın denklemlerini kullanarak Evren'in genişlemeyi durdurmak için gereken ortalama yoğunluğunun değerini hesaplamak zor değildir. Bu değer metreküp başına 10-25 kg'dır. Bu ortalama yoğunluk ile Evren, küresel ve hiperbolik geometriler arasında bir bıçak sırtında dengede olacaktır. 10 -25 kg/m3 , metreküp başına yaklaşık 50 protondur. Ortalama yoğunluktaki küçük bir artış, Evreni 3-küreye döndürmek ve tarihi bir Büyük Patlamadan Büyük Bir Çöküşe çevirmek için yeterli olacaktır. Yoğunluk tam olarak yukarıdaki kritik değere eşitse, o zaman evren düz olacaktır (yani k = 0).

Gökbilimciler, yıldızlar ve gaz-toz bulutları şeklindeki maddeyi, kısacası Evrendeki ışık yayan veya saçan tüm maddeleri gözlemlerler. Evrenin homojen olduğunu varsayarsak, galaksimizin çevresindeki tüm parlak maddenin kütlesini hesaplayabilir ve kozmik maddenin ortalama yoğunluğunu belirleyebiliriz. Şaşırtıcı derecede küçük olduğu ortaya çıktı: metreküp başına sadece bir proton: evreni kapatmak için gerekenden 50 kat daha az. Gözlemlerden, negatif eğriliğe sahip ( k = -1) açık sonsuz bir Evrende yaşadığımız ve genişlemeye sonsuza kadar devam edeceği ortaya çıktı.

Ancak kozmologlar ve astronomlar vardıkları sonuçlarda her zaman çok dikkatli olmuşlardır. 50 katlık bir hatanın utanç verici olduğu fizikten farklı olarak, astronomide ön tahminin bu kadar kesinliği yakın zamana kadar her şeyin düzenindeydi. Tahmin kolayca on, hatta yüz kat fazla tahmin edilebilir veya hafife alınabilir. Yoğunluğun herhangi bir değer olabileceği göz önüne alındığında, (gökbilimcilerin standartlarına göre) kritik değere çok yakın olması, kozmologları bu sonuçtan şüphelendirdi. Ve şüphelerinde haklıydılar.

Bir galaksinin kütlesini, yaydığı ışık miktarına göre tahmin etmenin yanı sıra, daha doğrudan ve güvenilir başka bir yolu daha vardır. Bunu yapmak için, Newton'un evrensel çekim yasasını kullanmalısınız. Taşa ve asteroide geri dönelim. Ama şimdi, taşı dikey olarak yukarı doğru fırlatmak yerine, asteroidin etrafında dairesel bir yörüngede fırlatalım. Asteroitin yerçekimi kayayı yörüngede tutar. Taşın hızını ve yörüngesinin yarıçapını ölçerek, evrensel yerçekimi yasasına dayanarak asteroitin kütlesini belirlemek mümkündür. Benzer şekilde, gökbilimciler bir galaksinin çevresinde dönen yıldızların hızlarını ölçerek galaksilerin kütlelerini hesaplayabilirler. Ve ne görüyorlar?

Tüm galaksiler beklenenden daha ağır çıkıyor. Kabaca söylemek gerekirse, her bir galaksi, galaksiyi oluşturan yıldızların ve yıldızlararası gaz ve toz bulutlarının toplam kütlesinden yaklaşık 10 kat daha büyük bir kütleye sahiptir. Kayıp 9/10 kütlesinin kaynağı bir sır olarak kalıyor. Neredeyse kesinlikle bu kütle, protonlar, nötronlar ve elektronlardan oluşan sıradan maddeye ait değildir. Kozmologlar , ışık yaymadığı için buna karanlık madde [54] diyorlar. Bu hayaletimsi madde sadece yayılmakla kalmaz, aynı zamanda ışığı da dağıtmaz ve genellikle yerçekimi alanı dışında hiçbir şekilde kendini göstermez. Bu modern bilim ne kadar garip bir şey. Dalton'un zamanından beri, tüm maddeler sıradan kimyanın konusu olarak kabul edilmiştir. Ama şimdi işler öyle bir hal alıyor ki, evrendeki tüm maddenin %90'ı hakkında hiçbir şey bilmediğimiz bir şey haline geliyor.

Gökbilimciler yeni verileri yavaş yavaş sindirip kendilerini karanlık maddenin gerçekten var olmadığına ikna etmeye çalışırken, fizikçiler her durumda teoriye yeni temel parçacık türleri sokmakla meşguldüler. İlki nötrinolardı, sonra süpereşlerdi, ama elbette, teoriye şu ya da bu nedenle dahil edilen varsayımsal parçacıkların listesini tüketmezler. Hiç kimse karanlık maddenin ne olduğunu bilmiyor, ancak büyük olasılıkla henüz keşfetmediğimiz yeni ağır temel parçacıklardan oluştuğu ortaya çıkacak. Belki de bu parçacıklar özdeş olmayan süpereşler olacak - sıradan parçacıkların ikizleri: nötrinoların bozonik eşleri ve hatta fotonların fermiyonik eşleri. Teorisyenlerin düşünmeye bile başlamadığı, tamamen beklenmedik bir temel parçacıklar sınıfı keşfetmemiz mümkündür. Her ne olurlarsa olsunlar, yeterli bir yerçekimi alanı oluşturmak için ağır olmalılar, ancak elektrik yükleri olmamalıdır, aksi takdirde saçılırlar veya ışık yayarlar. Şimdiye kadar tüm bildiğimiz bu. Karanlık madde parçacıkları, Dünya'da ve hatta bedenlerimizde serbestçe uçarak bizi çevrelemelidir, ancak biz onları göremez, hissedemez veya koklayamayız. Elektrik yükünden yoksun olan bu parçacıklar, duyularımızla doğrudan etkileşime giremezler. Belki de çok hassas dedektörler yaparak bu gizemli nesneler hakkında daha fazla şey öğrenebileceğiz, ancak şimdilik galaksileri düşündüğümüzden 10 kat daha ağır yapanların bunlar olduğunu bilmek yeterli.

Evrenin açık ve sonsuz mu yoksa kapalı ve sonlu mu olduğu sorusu, astronomi var olduğu sürece astronomların peşini bırakmayan bir hayalet gibidir. Sınırlı sayıda galaksi, yıldız ve gezegene sahip kapalı bir Evren hâlâ biraz sezgiseldir, ancak açık bir Evren neredeyse anlaşılmazdır. Elimizdeki yeterli maddeyle, Evreni "kapatmaya" çok yaklaştık - "tantal olarak" yaklaştık. Başlangıçta, kritik yoğunluktan neredeyse iki büyüklük sırası uzaktaydık, şimdi bir büyüklük mertebesinden daha azız: Evrenin gözlemlenen ortalama yoğunluğu, kritik yoğunluktan yalnızca beş kat daha az, ama aynı zamanda biz çok Evreni oluşturan neredeyse tüm kütle hakkında bilgi sahibi olduğumuzdan daha eminiz. Hubble sabitini doğru bir şekilde ölçemez miydik? Aslında iki veya üç kat daha az olduğu ortaya çıkarsa, o zaman maddenin ortalama yoğunluğu zaten Evrenin kapanışına çok yakın olacaktır. Çok fazla şey bu sorunun cevabına bağlıdır, bu yüzden mantıktaki tüm olası boşlukları kapatmak istiyorum.

Gökbilimciler, son 80 yıldır Hubble sabitinin değerini giderek daha sofistike araçlar kullanarak rafine ediyorlar. Bugün, Hubble sabitinin gerçek değerinin evreni kapatmaya izin verecek kadar ölçülen değerden çok farklı olması pek olası görünmüyor. Burada durduktan sonra, evrenin ortalama yoğunluğunun onu kapatmak için yetersiz olduğu sonucuna varabiliriz - ancak henüz tüm faktörleri dikkate almadık.

Evrenin açık mı, kapalı mı yoksa düz mü olduğunu belirlemenin başka bir yolu var. Uzayda çok büyük bir üçgen hayal edin, kozmik boyutlarda bir üçgen. Kenarlarının düz olduğundan emin olmak için ışık ışınlarını kullanarak bir üçgen oluşturacağız. Bir uzay araştırmacısı bir üçgenin açılarını ölçebilir ve eğer Öklid geometrisini unutmamışsa, o zaman açıların toplamı 180 dereceye veya iki dik açıya eşit olacaktır. Eski Yunanlılar bundan kesinlikle emindi. Uzayın başka bir şekilde düzenlenebileceğini hayal bile edemiyorlardı.

Bununla birlikte, modern geometriciler, doğru cevabın uzayın geometrisine bağlı olduğunu bilirler. Öklid'in düşündüğü gibi uzay düzse, o zaman bir üçgenin açılarının toplamı gerçekten de 180 derece olacaktır. Öte yandan, eğer uzay bir küre ise, o zaman üçgenin iç açılarının toplamı 180 dereceden büyük olacaktır. Uzayda negatif eğriliğe sahip, açılarının toplamı her zaman 180 dereceden az olacak bir üçgen hayal etmek biraz daha zordur.

Geniş kozmik üçgenin farklı köşelerine milyarlarca ışıkyılı uzay araştırması yapan ekipler göndermek imkansızdır ve böyle bir projeyi gerçekleştirebilsek bile, araştırmacıların uç noktalara ulaşması için gereken milyarlarca yılı alacaktır. onlardan sonuç almak için çok daha fazlası. Ancak astrofizikçilerin hünerlerinin sınırı yoktur ve ister inanın ister inanmayın, onlar Dünya'dan ayrılmadan gerekli ölçümleri yapmanın bir yolunu bulmuşlardır. Kozmik mikrodalga arka planı veya CMB hakkında konuştuktan sonra bunu nasıl yaptıklarının hikayesine geri döneceğim . Bu arada, ölçümlerinin sonuçlarının Evrenin uzayının görünüşe göre düz olduğunu gösterdiğini söyleyeceğim! Bir üçgenin açıları Öklid'e göre toplanır. Ya da en azından toplamları deneyin doğruluğu içinde 180 dereceden farklı değildir.

Ve şimdi, sevgili okuyucu, muhtemelen burada bir şeylerin derinden yanlış olduğunu fark etmişsindir. Kendinize hakim olun: Evrenin açık mı, kapalı mı yoksa düz mü olduğunu belirlemenin iki yolu ve birbiriyle çelişen iki cevabımız var. Evrendeki kütle miktarı, görünüşe göre evreni kapatmak ve hatta onu düz hale getirmek için gerekenden beş kat daha azdır. Ancak uzay araştırması, evrenin geometrisinin düz olduğu konusunda çok az şüphe bırakıyor.

Evrenin yaşı ve en yaşlı yıldızlar
 

Evrenin tarihinin Big Bang'in bir sonucu olarak doğduğu andan günümüze kadar izleyicinin önünde gözler önüne serildiği bir uzay filmi hayal edin. Ama bu filmi her zamanki gibi baştan sona izlemek yerine, geriye doğru başlattık. Evrenin genişlemesi yerine küçülmesini ekranda göreceğiz. Galaksiler, Hubble'ın tersine çevrilmiş yasasına uyacak - hızları hala aralarındaki mesafeyle orantılı olacak, yalnızca uzaklaşmak yerine birbirlerine yaklaşacaklar. Bize yaklaşan uzak galaksilerden birini takip etmeye çalışalım. Tersine çevrilmiş Hubble yasasını kullanarak hızını tahmin edebiliriz. Diyelim ki galaksi bizden bir megaparsek uzakta. Hubble yasası, bu durumda galaksinin bize yaklaşma hızının saniyede 75 kilometre olacağını söylüyor. Galaksiye olan mesafeyi ve yaklaşma hızını bilerek, ne kadar süre sonra başımıza düşeceğini kolayca hesaplayabilirsiniz. Bunu senin için yapacağım. Cevap: 15 milyar yılda - galaksinin yaklaşma hızının tüm bu süre boyunca sabit kaldığını varsayarsak.

Peki ya bir değil iki megaparsek uzaklıktaki bir galaksiyi ele alırsak? Hubble yasası bize yaklaşma hızının iki kat daha hızlı olacağını ve mesafeyi aynı 15 milyar yılda kat edeceğini söylüyor. Böylece, gördüğümüz gibi, tüm galaksiler 15 milyar yıl içinde birlikte çalışacak ve farklılaşmamış bir yığın halinde birbirine yapışacak.

Ancak galaksiler, hesabımızda varsaydığımız gibi her zaman aynı hızda hareket etmezler. Evren genişledikçe, yerçekimi alanının hareketlerini yavaşlatması nedeniyle galaksilerin hızları zamanla azalır. Bu, filmimizi geriye doğru izlerken gerçekte olması gerektiği gibi galaksilerin hareketinin hızlanacağı anlamına gelir çünkü yerçekimi alanı galaksileri birbirine doğru çeker. Bu, galaksilerin çarpışmasından önce varsaydığımızdan daha az zaman geçeceği anlamına gelir. Kozmologlar (genişleyen bir evren için) daha kesin hesaplamalar yaptıklarında, tüm galaksilerin tek bir yoğun kütle olduğu andan bu yana yaklaşık 10 milyar yıl geçtiği sonucuna vardılar. Bu, 10 milyar yıl kadar kısa bir süre önce, hidrojen ve helyumun sonunda galaksileri oluşturan ilk yoğunlukları oluşturmaya başladığı anlamına gelebilir. Dolayısıyla evrenin yaşı 10 milyar yıldır.

Evrenin yaşını belirlemek hiç de kolay olmadı. Başlangıçta Hubble, galaksiler arasındaki mesafeleri on kat hafife aldı ve genişlemenin başlamasından bu yana geçen sürenin bir milyar yılı geçmediği sonucuna vardı. Ancak Hubble zamanında, radyoaktif izotopların içeriğine göre, en eskisinin iki milyar yıldan daha eski olduğu ortaya çıkan kayaların yaşı zaten belirlenmişti. Ancak, mesafe ölçeğini hassaslaştırdıktan sonra bile can sıkıcı bir tutarsızlık vardı. Galaksimizdeki yıldızların özelliklerini inceleyen astrofizikçiler, en eskilerinin evrenden daha yaşlı olduğu sonucuna vardılar. En yaşlı yıldızlar yaklaşık 13 milyar yaşında ve dediğim gibi evren sadece 10 milyar yaşında. Çocuk yıldızların ana evrenlerinden üç milyar yıl daha yaşlı olduğu ortaya çıktı!

Kısacası evrende üç büyük sorun vardır. Birincisi, uzayın geometrisiyle ilgili çelişkili kanıtlar: açık, kapalı veya düz. İkincisi, Evrenin en yaşlı yıldızlardan daha genç olduğu ortaya çıktı. Ve üçüncüsü, tüm sorunların anası: kozmolojik sabitin değeri, Einstein'ın başlangıçta inandığı gibi sıfırdan farklı mı ve değilse neden olmasın? Bir soru daha soralım: Bu sorunlar birbiriyle bağlantılı mı? Elbette öyleler.

 Karar
 

Yukarıda listelenen sorunlara olası çözümlerden biri, genel görelilik kuramının düzeltilmesi olabilir. Ve bu varsayımı benimseyen bazı fizikçiler, kendilerini büyük mesafelerde ek kuvvetlerin ortaya çıkması şeklinde gösterecek olan teoride coşkuyla değişiklikler yapmaya başladılar. Şahsen ben bu tür girişimlerde yapıcı bir şey bulmuyorum. Genellikle aşırı derecede zorlamadırlar, genellikle temel ilkeleri ihlal ederler ve bence vazgeçilebilirler.

Gökbilimcilerin aldıkları verilerin doğruluğunu abarttıkları da varsayılabilir. Genel beklentilerle çelişen deneysel verilere karşı bahse girebilirsiniz. Ham veriler neredeyse her zaman yanlıştır ve daha ileri deneyler genellikle bunu doğrular. Bu durumda, teoriye karşı değil, astronomik verilere karşı bahse girerim. Ama kaybetmekten korkuyorum. Gözlemlerin doğruluğu arttıkça, yeni sonuçlar yalnızca gözlemlerin teoriyle çeliştiği gerçeğini doğrulamaktadır. Burada bir şeyler gerçekten derinden yanlış.

Ancak, yüzeyde yatmayan bir olasılık var. Peki ya kozmolojik sabitin değeri hala sıfırdan farklıysa? Ya Einstein'ın en büyük hatası aslında en büyük keşiflerinden biriyse? Kozmolojik sabit çelişkilerimizi çözebilir mi?

Evrenin gözlemlenebilir kütlesinin onu düz ya da kapalı yapmaya yetip yetmediğini hesaplarken, boşluk enerjisinin var olma olasılığını tamamen göz ardı ettik. Sıfır olmayan bir kozmolojik sabite sahip bir dünyada bu bir hata olur. Einstein'ın denklemleri, her türlü enerjinin uzayın eğriliğini etkilediğini söylüyor. Enerji ve kütle eşdeğerdir, bu nedenle Evrenin ortalama yoğunluğunu hesaplarken boşluk enerjisi de hesaba katılmalıdır. Sıradan ve karanlık madde birlikte, evreni düzleştirmek veya kapatmak için gereken kütlenin yaklaşık %30'unu oluşturur. Açık çıkış yolu, kozmolojik sabit pahasına eksik olan %70'i telafi etmektir. Bu, vakum enerji yoğunluğunun, sıradan ve karanlık maddenin birleşik yoğunluğunun yaklaşık iki buçuk katı veya metreküp başına yaklaşık 30 proton kütlesi olduğu anlamına gelir.

Kozmolojik sabit, evrensel çekim yasasına itici bir kuvvet eklediğinden, varlığı Evrenin genişlemesinin doğasını etkilemelidir. İlk genişleme aşamasında, kozmolojik sabitin etkisi pratik olarak fark edilmez, ancak galaksiler arasındaki mesafe arttıkça kozmolojik sabit tarafından yaratılan itme kuvveti, çekim kuvveti ile karşılaştırılabilir hale gelir. Sonunda, kozmolojik sabit, evrenin sürekli artan bir oranda Hubble genişlemesine yol açabilir.

Filmimizi tersine çevirelim. Şimdi galaksiler birbirinin üzerine düşüyor, ancak aralarındaki itme kuvveti azalan mesafeyle zayıflıyor, bu da galaksilerin göreli hızlarına ilişkin tahminimizin, özellikle düşüşün son aşaması için olduğundan fazla tahmin edileceği anlamına geliyor. Vakum enerjisinin katkısını hesaba katmazsanız, tüm galaksilerin ortak bir kümeye düşmesi için gereken süre tahmini hafife alınacaktır. Başka bir deyişle, yerçekimi yasası gerçekten bir kozmolojik sabit içeriyorsa ve biz bunu bilmiyorsak, o zaman hesaplamamız Evrenin gerçekte olduğundan daha az yaşına yol açar. Aslında, Evrenin toplam kütlesine metreküp başına 30 proton kütlesine eşdeğer vakum enerjisini eklersek, o zaman önceki 10 milyar yıl yerine, Evrenin yaşının 14 milyar yıl olduğunu tahmin ederiz. Ve bu yaş, en eski yıldızlardan bir milyar yıl daha yaşlı olduğu için gözlemsel verilerle zaten mükemmel bir uyum içindedir.

Sıfır olmayan bir kozmolojik sabitin varlığına ilişkin bu argümanlar o kadar önemlidir ki, onları tekrarlamak istiyorum. Dolayısıyla, evrenin enerjisine %70 ekleyen küçük bir kozmolojik sabit olduğu varsayımı, kozmolojinin en büyük iki gizemini çözer. İlk olarak, bu ekstra enerji evreni düz yapmak için yeterlidir, bu da uzayın gözlemlenen sıfır eğriliği ile evrenin bilinen kütlesinin onu düz yapmak için yeterli olmadığı gerçeği arasındaki çelişkiyi ortadan kaldırır.

Kozmolojik sabit tarafından ortadan kaldırılan ikinci paradoks, Evren'den daha yaşlı olduğu ortaya çıkan en eski yıldızların yaşıdır. Şaşırtıcı bir şekilde, evreni düzleştirmek için gereken aynı yüzde yetmiş vakum enerjisinin eklenmesi, evrenin en eski yıldızlardan bir milyar yıl daha yaşlı olmasıyla sonuçlanır.

 Tip I süpernova
 

Son yıllarda, Evrenin yaşamındaki ana olayların tarihlenmesinin doğruluğunu önemli ölçüde geliştirmeyi başardık. Bugün evrenin tarihini çok detaylı bir şekilde biliyoruz. Bu konuda, Tip I süpernova patlamaları adı verilen özel bir olaylar sınıfı bize yardımcı oldu . Süpernova patlaması, ölmekte olan bir yıldızın kendi çekim alanının etkisi altında çökerek bir nötron yıldızına dönüştüğü ve muazzam miktarda enerji açığa çıkardığı kozmik bir felakettir. Zirvede, süpernova bütün bir galaksi gibi parlar. Bu nedenle, süpernova patlamaları en uzak galaksilerde bile kolaylıkla kaydedilmektedir.

Tüm süpernovalar bilimin ilgi alanına girer, ancak Tip I süpernova patlamalarının temel bir özelliği vardır. Bileşenlerinden birinin sıradan bir yıldız, diğerinin ise beyaz cüce olduğu yakın ikili sistemlerde meydana gelirler. Beyaz cüce, bir nötron yıldızına dönüşmek için yeterli kütleye sahip ölmekte olan bir yıldızdır.

Yakın bir ikili sistemde, sıradan bir yıldızın maddesinin bir kısmı, yavaş yavaş kütlesini artırarak beyaz cüceye akar. Beyaz cücenin kütlesi, artık sabit kalamayacağı belirli bir sınıra ulaşır ulaşmaz, beyaz cüce bir nötron yıldızına çöker; bu sürece bir Tip I süpernova patlaması eşlik eder. Son çöküş ve buna eşlik eden patlama, beyaz cüce kesin olarak tanımlanmış bir kütleye ulaştığında meydana geldiğinden, patlama sırasında salınan enerjinin her zaman aynı olduğuna ve beyaz cücenin veya arkadaşının ilk kütlelerine bağlı olmadığına inanılıyor. Bu nedenle gökbilimciler, tüm tip I süpernovaların aynı parlaklığa sahip olduğundan emindir. [55] Bu, astronomların Tip I süpernovalara olan mesafeleri yüksek doğrulukla belirlemelerine olanak tanır.

Bir süpernovanın patladığı bir galaksinin hızı, spektral çizgilerin Doppler kaymasından belirlenebilir. Galaksilere olan uzaklıkları ve hızlarını tam olarak bilerek, Hubble sabitinin değerini yüksek doğrulukla hesaplayabiliriz. Ancak uzak galaksilerin özelliği, bugün dünya üzerinde gözlemlediğimiz ışığın, uzak geçmişte onlar tarafından yayılmasıdır. Bir galaksiye olan uzaklık 5 milyar ışıkyılı ise bu galaksiyi 5 milyar yıl önceki haliyle görürüz. Böyle bir galaksi için Hubble sabitini ölçtüğümüzde 5 milyar yıl önceki halini elde ederiz.

Farklı mesafelerde bulunan galaksileri keşfederek, Hubble sabitindeki değişimin tarihini inceliyoruz. Başka bir deyişle, Tip I süpernovalar, evriminin çeşitli aşamalarında evrenin tarihi hakkında çok şey öğrenmemizi sağlar. Ve en önemlisi, gerçek evrenin tarihini, kozmolojik sabiti içeren ve içermeyen matematiksel modellerle karşılaştırmamızı sağlar. Sonuçlar şüpheye yer bırakmıyor: Evrenin genişlemesi kozmolojik sabitin etkisi altında hızlanıyor. Benim gibi fizikçiler için bu, kaderin dünyaya bakış açımızı kökten değiştirebilecek şaşırtıcı bir cilvesi: boşluk enerjisinin neden sıfır olması gerektiğini açıklamaya çalıştıktan yarım yüzyıl sonra, aniden onun sıfır olmadığını anlayın! Kozmolojik sabitin ilk yüz on dokuz ondalık basamağı sıfır çıkıyor ve birdenbire yüz yirmide sıfır olmayan bir rakam beliriyor. Daha da ilginci, değeri neredeyse Weinberg'in antropik ilkeye dayanarak tahmin ettiği gibi çıktı!

yaratılışın ışığı
 

Işık sonlu bir hızda hareket ettiği için, çok uzakları görmemizi sağlayan büyük teleskoplar bize uzak geçmişi gösterir. Güneşi 8 dakika önceki haliyle, en yakın yıldızı da 4 yıl önceki haliyle görüyoruz. Bugün gördüğümüz en yakın galaksimiz Andromeda'dan gelen ışık iki milyon yıllık yolculuğuna başladığında, uzak atalarımız iki ayaklılığı yeni öğrenmişlerdi.

Dünya üzerinde kaydettiğimiz en eski ışık, yolculuğuna 14 milyar yıl önce başladı. Bu ışık, yalnızca Dünya değil, Evrendeki en eski yıldızlar bile henüz var olmadığında ve daha sonra galaksilerin oluştuğu hidrojen ve helyum kümeleri henüz oluşmaya başlamadığında ortaya çıktı. Evrendeki maddenin sıcaklığı ve yoğunluğu o zamanlar o kadar yüksekti ki, tüm atomlar iyonize durumdaydı. Bu, en azından elektromanyetik radyasyon kullanarak görebildiğimiz yaratılışın en erken anıydı.

Evreni, tam merkezinde Dünya olan bir dizi eş merkezli küresel kabuk olarak hayal edin. Tabii ki, aslında eş merkezli kabuklar yok, ancak hiçbir şey çevremizdeki alanı bu şekilde bölmemizi yasaklamıyor. Sonraki her mermi bizden öncekinden daha uzaktadır ve sonraki her mermiyi bir öncekinden daha erken bir zamanda görürüz. Bakışlarımıza gittikçe daha fazla nüfuz ederek, Evrenin tarihini geriye doğru başlatılan bir film şeklinde görüyor gibiyiz.

Ne kadar uzağa bakarsak, evren gözümüze o kadar çok galaksilerle dolu görünür. Geriye doğru başlatılan evrensel sinemada, madde sanki dev bir piston onu gittikçe daha fazla sıkıştırıyormuş gibi, giderek daha yoğun hale geliyor. Bu piston elbette yerçekimidir. Ayrıca büzülürken maddenin özellikleri değişir: yoğunluğu arttıkça ısınır. Bugün, evrenin ortalama sıcaklığı mutlak sıfırın sadece 3 derece üzerinde veya -270°C'dir. Ancak geçmişin derinliklerine indikçe, Evrenin sıcaklığı yükselir - önce oda sıcaklığına, sonra suyun kaynama noktasına ve son olarak da güneş yüzeyinin sıcaklığına.

Güneş'in sıcaklığı o kadar yüksektir ki, onu oluşturan atomlar yoğun termal hareketin bir sonucu olarak güneş fotosferini terk eder. Bu sıcaklıkta atom çekirdeği bozulmadan kalır, ancak en gevşek bağlı elektronlar atomlardan kopar ve onları kaybeden iyonlarla birlikte plazma adı verilen elektrik ileten bir gaz oluşturur . [56]

Elektriksel olarak iletken malzemeler genellikle opaktır. Serbestçe hareket eden elektronlar ışığı kolayca emer veya dağıtır. Güneş fotosferini opak yapan, plazma tarafından yoğun bir ışık saçılımıdır. Ancak Güneş'in merkezinden uzaklaştıkça öyle bir an gelir ki güneş maddesinin sıcaklığı ve yoğunluğu o kadar düşer ki madde şeffaf hale gelir. Güneş diskinin keskin sınırını görmemizin nedeni budur.

Şimdi, koşulların güneş fotosferindekilerle karşılaştırılabilir olduğu bir kabuğa ulaşana kadar zamanda geriye ve evrenin derinliklerine doğru bir yolculuğa çıkalım. Olan şu ki, kaydettiğimiz en eski ışık, bizi her yönden çevreleyen bir kabuk olan sıcak plazmadan oluşan güneş benzeri dev bir yüzey tarafından yayılıyor. Belirli bir ana karşılık gelen gözlenen küreye son saçılma yüzeyi denir . Ne yazık ki, plazmanın opaklığı nedeniyle, elektromanyetik spektrumda gözlemlenebilen en uzak nesnedir. Güneş fotosferinin içine bakamadığımız gibi, bu yüzeyin ötesine de bakamayız.

Büyük Patlama'dan hemen sonra, son saçılmanın yüzeyinin her bir parçası Güneş'in yüzeyi kadar sıcaktı. Doğal olarak şu soru ortaya çıkıyor: "Gece gökyüzüne baktığımızda neden çevremizde sıcak plazmadan oluşan parlak bir küre görmüyoruz?" Veya başka bir deyişle, "Neden bütün gece gökyüzü Güneş'in yüzeyi kadar parlak parlamıyor?" Doppler etkisi bizi canlı canlı kavrulmak gibi korkunç bir ihtimalden kurtardı. Hubble genişlemesi nedeniyle, bu ışığı yayan plazma büyük bir hızla bizden uzaklaşıyor. Hubble yasasını kullanarak, saçılan son yüzeyin ayrılma oranını hesaplayabiliriz ve bu, ışık hızından yalnızca ihmal edilebilir bir miktar daha az olacaktır. Bu, onun tarafından yayılan ışığın, spektrumun kızılötesi kısmının çok ötesinde, mikrodalga radyasyon bölgesine doğru muazzam bir kırmızıya kayma yaşadığı anlamına gelir. İlk keşfedilen kuantum mekaniği yasalarından biri burada kilit bir rol oynar: Bir fotonun enerjisi dalga boyuna bağlıdır ve mikrodalga radyasyonun bir fotonu, görünür ışığın bir fotonundan 1000 kat daha az enerjiye sahiptir. Bu nedenle son saçılma yüzeyinden yayılan fotonlar, orijinal enerjilerinin 1/1000'ini geçmeyecek şekilde bize ulaşır. Gözümüzün retinası tarafından kaydedilmezler ve yalnızca radyo teleskopları kullanılarak tespit edilebilirler.

Kozmik radyasyon enerjisinin bize ulaşana kadar nasıl azaldığını anlamanın başka bir yolu daha var. Son saçılmanın yüzeyinde çok sıcaktı: yaklaşık olarak Güneş'in yüzeyindeki kadar sıcaktı. Bu yüzeyden yayılan fotonlar boşluğu doldurarak bir tür foton gazı oluşturur ve tüm gazlar gibi genişledikçe soğur. Big Bang'den bu yana Evren'in genişlemesi sayesinde foton gazı o kadar soğudu ki enerjisinin çoğunu kaybetti. Bugün, kozmik arka plan radyasyonu (mikrodalga kozmik arka plan) çok soğuktur, sıcaklığı mutlak sıfırdan 3 dereceden azdır. Sunulan SPK güç kaybının iki açıklaması matematiksel olarak tamamen eşdeğerdir.

Georgy Gamow - benim kuşağımdan pek çok çocuğa bilimi benimsemeleri için ilham veren "Bir, iki, üç ... sonsuzluk" kitabını yazan aynı Gamow, Big Bang hipotezini öneren ilk bilim insanıydı. Kısa süre sonra, genç meslektaşlarından ikisi Ralph Alfer ve Robert Herman, sıcak Evren çağından kalan kozmik mikrodalga arka plan radyasyonu fikrini ortaya attılar. Hatta bu radyasyonun sıcaklığını bile tahmin ettiler - mutlak sıfırın 5 derece üzerinde, bu da gözlemlenen değerden sadece iki derece farklı. Ancak o zamanın fizikçileri, bu kadar zayıf bir radyasyonun tespit edilebileceğine inanmıyorlardı. Ve yanılıyorlardı çünkü 1963'te mikrodalga kozmik arka plan keşfedildi.

O sırada Princeton kozmolog Robert Dicke, Büyük Patlama'dan arta kalan kozmik mikrodalga arka planını ölçecek bir deney geliştiriyordu. Dedektörünü inşa ederken, Bell Laboratuarlarından iki genç bilim adamı, tam olarak Dicke'in planladığı deneyi gerçekleştirdi. Arno Penzias ve Robert Wilson gökyüzünü hiç de kozmik mikrodalga arka plan radyasyonu aramak için değil, telekomünikasyon teknolojileri konusundaki çalışmaları sırasında tamamen faydacı amaçlar için taradılar. İletişim sistemlerini engelleyen garip mikrodalga arka planını tanımlayamadılar. Efsaneye göre, arka planın kaynağının kuş pislikleri olduğunu varsaydılar.

Princeton Üniversitesi ve Bell Laboratuarları, New Jersey'nin merkezinde birbirinden uzak değildir ve Dicke sanki tesadüfen Penzias ve Wilson'ın sorunlarını öğrendi ve Big Bang'in mikrodalga yankısını "duyduklarını" tahmin etti! Dicke, Bell Laboratuarlarındaki bilim adamlarıyla temasa geçti ve onlara gözlemlenen fenomenin kendi versiyonunu sundu. Daha sonra, Penzias ve Wilson, mikrodalga arka planı keşfettikleri için Nobel Ödülü'nü aldı. Bu gerçekten de kaderin eliydi, çünkü Princeton Üniversitesi ve Bell Laboratuarları birbirinden daha uzak olsaydı, Dicke deneyini tamamlayabilir ve bu keşfi yapan ilk kişi olabilirdi.

Penzias ve Wilson dedektörü, Bell Laboratuarlarının çatısına monte edilmiş kaba, hantal bir yapıydı. Modern mikrodalga radyasyon dedektörleri, yüksek hassasiyete ve karmaşık sinyal işleme devrelerine sahiptir ve genellikle Dünya atmosferinin çok ötesinde bulunan uzay araçlarına kurulur. Bu dedektörler, bir yönden gelen CMB'yi seçici olarak yakalama yeteneğine sahiptir ve mikrodalga arka planın ayrıntılı bir haritasını oluşturmak için kullanılmıştır.

SPK haritasının en dikkat çekici özelliklerinden biri üzerinde parlak özelliklerin olmamasıdır. Kalıntı radyasyonu çok yüksek derecede izotropiktir. Bir haritaya bakıldığında, zamanın başlangıcında evrenin neredeyse tamamen homojen ve izotropik olduğu görülüyor. Son saçılmanın yüzeyinden gelen kalıntı radyasyon, gökyüzünün herhangi bir noktasında hemen hemen aynıdır. Kozmik mikrodalga arka plan radyasyonunun olağanüstü derecede izotropi gerçeği biraz kafa karıştırıcıdır ve açıklanması gerekir.

Evren bu ilk zamanlarda ne kadar pürüzsüzse, tamamen pürüzsüz olamazdı. Daha sonra galaksilerin oluşumu için tohum görevi gören küçük ilk homojensizlikler içermiş olmalı. Bu "taneler" çok küçük olsaydı, galaksiler oluşamazlardı, ama çok büyüklerse, tüm madde onların üzerinde yoğunlaşır ve karadeliklere çökerdi. Kozmologlar, gelecekteki galaksilerin tohumlarının bu donuk tekdüze arka planın altında saklandığından kesinlikle eminler. Dahası, bugün gözlemlenen galaksilerin ortaya çıkması için başlangıçtaki düzensizliklerin ne kadar büyük olması gerektiğini bile hesapladılar: Mikrodalga arka planın farklı yönlerdeki yoğunluğu arasındaki fark, ortalama yoğunluğundan yaklaşık yüz bin kat daha az olmalıdır.

Dünya'da bu kadar küçük bir kontrastı kaydetmenin nasıl mümkün olduğunu soruyorsunuz? Cevap, bunu Dünya'da değil yapmanız gerektiğidir. Dünya'da, her türlü elektrikli ve radyo verici cihazla çok yüksek düzeyde eter kirliliği var. Doğru, CMB arka planındaki varyasyonları tespit etmeye yönelik ilk deneyler hala Dünya'da yapılıyordu, ancak dedektör Güney Kutbu'ndan fırlatılan bir stratostat üzerine yerleştirildi. Güney Kutbu, stratostat'ın fırlatma noktasından çok uzağa uçmayacağı gibi bir dizi nedenden dolayı bu amaç için çok uygundur. Hakim rüzgarlar elbette stratosfer balonunu bir dünya turuna çıkaracak, ancak Güney Kutbu'ndaysanız bu yolculuk çok uzun sürmeyecek. Bu nedenle deneye "Bumerang" adı verildi!

Güney Kutbu'nun yukarısında, mikrodalga dedektörleri yoğunluğunu her iki yönde ölçtü ve farkı otomatik olarak hesapladı. Teorisyenler nefeslerini tuttu - ama kimse bu girişimden ilginç bir şey çıkıp çıkmayacağını kesin olarak bilmiyordu. Belki de gökyüzü donuk, tekdüze ve gri kalacak ve çizim tahtalarına geri dönüp galaksi oluşumu teorisini yeniden tasarlamaları gerekecek. Kozmolojiye ilgi duyan herkes jürinin kararını bekliyordu. Karar, avukatların tüm isteklerini haklı çıkardı. Teorisyenler haklıydı. Kozmik yulaf lapası topaklı çıktı ve bu topakların göreli boyutu tam olarak tahmin edilen şeydi: 10-5 - yüz binde biri.

Dış uzay, kozmik mikrodalga arka planını ölçmek için daha da iyi bir yerdir. Genellikle WMAP (double-u-map) olarak adlandırılan Wilkinson Mikrodalga Anizotropi Probu yörünge aracından alınan veriler o kadar doğruydu ki, yalnızca 10-5 kadar büyük homojensizliklerin varlığını doğrulamakla kalmadı , aynı zamanda salınım hareketlerinin keşfedilmesine de yol açtı. dev salınan baloncukların son saçılma yüzeyini oluşturan sıcak plazma.

Eşzamanlı olarak hareket eden bu büyük plazma kabarcıklarının keşfi hiç de sürpriz olmadı. Kozmologlar, evrenin genişlemesinin kilise çanları gibi titreşen plazma kümelerinin oluşumuna yol açacağını uzun zamandır tahmin ediyorlardı. Her şey, genişledikçe birbirine bağlanan küçük kümeler olarak başlar. Sonra daha da büyük kümeler halinde birleşirler, daha düşük bir frekansta salınır vb. Güzelce tahmin edilebilir bir senfoni oluştururlar. Ayrıntılı hesaplamalar, en büyük salınan demetlerin herhangi bir zamanda kesin olarak tanımlanmış bir boyuta sahip olması gerektiğini göstermektedir. Böylece, WMAP bu salınımlı damlaları "gördüğünde", kozmologlar zaten en büyüğünün ne büyüklükte olması gerektiğine dair bir fikre sahipti.

En büyük salınan kümelerin boyutunu bilmek bize kazanan bir bilet verdi: artık dev bir kozmik üçgen inşa etmek ve uzayın eğriliğini ölçmek mümkün. İşte böyle yapıldı.

Nesnenin boyutunu ve ona olan mesafeyi bildiğinizi varsayalım. Bu durumda, bu nesnenin gök küresinde hangi açıda görüneceğini tahmin edebilirsiniz. Ay'ı ele alalım. Ayın çapı yaklaşık 3.500 km, Ay'a olan uzaklığı ise 384.000 km'dir. Bunu bilerek, ay diskinin gökyüzünde yaklaşık yarım derecelik bir açıyla görüneceğini kolayca hesaplayabilirim. Şaşırtıcı bir tesadüf eseri, Güneş Ay'dan 400 kat daha büyük ama aynı zamanda 400 kat daha uzaktadır. Sonuç olarak, Güneş ve Ay gökyüzünde yarım derecelik bir açıyla aynı boyutta diskler olarak görünür. Çapı 12.800 kilometre olan yani Ay'ın neredeyse dört katı büyüklüğündeki Dünya'ya Ay'dan bakacak olursak, Dünya'nın diskini yaklaşık iki derecelik bir açıyla görürdük.

Bu hesaplamaları yaparken uzayın düz olduğunu varsaydım. Ayın çapının üçgenin kenarlarından biri olduğunu hayal edin. Diğer iki taraf ise ayın çapının en uç noktalarından gözlemciye çizilen düz çizgilerden oluşur.

Dünya ile Ay arasındaki boşluk düzse, hesaplamalarım doğrudur. Ama eğer uzay eğriyse, o zaman durum değişir. Örneğin, uzayın pozitif eğriliği durumunda, Ay'ın Dünya'dan görüneceği açı yarım dereceden fazla olacaktır, ancak uzayın eğriliği negatif ise, o zaman karşılık gelen açı yarıdan az olacaktır. bir derece.

Şimdi, ayın çapını ve ona olan mesafeyi bağımsız olarak ölçtüğümüzü varsayalım. O zaman, Ay'ın görünen açısal boyutuna dayanarak, uzayın eğriliği hakkında bir sonuç çıkarılabilir. Çok yüksek bir doğruluk derecesiyle, Dünya ile Ay arasındaki boşluk düz çıkıyor.

Uzay araştırmacılarımıza geri dönelim. SPK'nın oluşumuna karşılık gelen o anki en büyük salınımlı baloncuk boyutunun yaklaşık 200.000 ışıkyılı olduğunu biliyoruz. O anda daha büyük baloncuklar oluşmaya başlamamıştı.

Bugün, kozmik mikrodalga radyasyonun kaynağı bizden yaklaşık 10 milyar ışıkyılı uzaklıkta bulunuyor, ancak bu radyasyonun yolculuğuna yeni başladığı zamanlarda, şu anda bulunduğumuz yerden son saçılmanın yüzeyine olan mesafe bir bin kat daha az, o zaman 10 milyon ışık yılı vardır. Bu, alan düz ise en büyük WMAP kabarcıklarının çapının gözlemlenmesi gereken açıyı hesaplamak için yeterlidir. Bu açı iki derece mertebesinde olacaktır, yani baloncuklar Ay'dan Dünya ile aynı açısal boyutta olmalıdır. Boşluk düz değilse, baloncukların açısal boyutu bize hangi yönde kavisli olduğunu gösterecektir.

WMAP verileri neyi gösterdi? Öklid'in haklı olduğunu gösterdiler! Uzay düz.

Küçük bir lirik konu açmama izin verin. Dünyanın yüzeyindeki üçgenler ölçülerek küre şeklinde olduğu gösterilebilir. Ama pratikte, oluşturduğumuz üçgenler çok büyük olmadığı sürece, ölçülerimizin sanki dünya düzmüş gibi çıktığını görürüz. Belli ki Kolomb, kraliyet sarayının avlusuna birkaç üçgen çizerek İspanya Kralı'nı Dünya'nın yuvarlak olduğuna ikna edemezdi. En az birkaç yüz kilometre uzunluğunda kenarları olan bir üçgen yapması gerekecekti ve o zaman bile açıların toplamını ölçmenin sonuçları 180 dereceden çok küçük bir miktar farklı olacaktı. Kolomb'un jeodezik araştırmalarından söyleyebildiği tek şey, Dünya'nın çok büyük olduğuydu.

Aynı şey uzay araştırmacıları için de geçerli: Tüm söyleyebilecekleri, evrenin 10 ila 20 milyar ışıkyılı ölçeğinde düz göründüğü. Bu, eğer evren sonluysa, bizim görebildiğimizden çok daha uzağa uzandığı anlamına gelir.

Peki ne biliyoruz? Yıldızları, gaz ve toz bulutlarını oluşturan sıradan maddeler Evren'i düzleştirmeye yetmez. İlk verilere göre, gerekenden 50 kat daha azdı. Ancak kozmoloji uzun zamandan beri kesin bir nicel bilim haline geldi ve bugünün standartlarına göre, Evren'deki her şey sıradan madde değildir. Doğrudan gözlemden gizlenen diğer madde biçimleri olmadan, Evren açık ve negatif eğriliğe sahip olacaktır. Ancak evrendeki madde miktarı, doğrudan gözlemlediğimiz miktarın yaklaşık 10 katı kadardır ve bu karanlık madde, çekim alanında kendini gösterir. Karanlık maddenin bileşimi, sıradan madde ile etkileşime girmesi pek mümkün olmayan yeni temel parçacıkları içerebilir. Bu parçacıklar yıldızların, gezegenlerin ve hatta bizim içimizde engellenmeden uçarak galaksileri doldurmalıdır. Ancak Evren'i düz ya da kapalı yapmaya yeterli değiller. Evren düz olduğuna göre, tüm uzayı kaplayan başka bir tür kütle veya enerji olmalıdır.

Genişleme tarihi, içinde yalnızca sıradan ve karanlık maddenin var olduğu varsayımı temelinde hesaplanandan farklı olmadıkça, Evrenin yaşı çok küçük çıkıyor. Bugün genel olarak kabul edilen tek açıklama, Evrenin genişlemesini hızlandıran sıfır olmayan bir kozmolojik sabitin varlığının kabul edilmesidir. Oldukça beklenmedik bir şekilde, Evrenin hızlandırılmış genişlemesi gerçeği, geriye dönük bir filmde olduğu gibi Evrenin evrim tarihini önümüze seren Tip I süpernova patlamalarının gözlemleriyle doğrulandı. Evrenin yaşı paradoksu için en iyi açıklama, Einstein'ın denklemlerine, değeri Weinberg'in antropik ilke temelinde tahmin ettiği değerle örtüşen bir kozmolojik sabit eklemektir.

Kozmik mikrodalga arka planına ilişkin veriler, erken evrenin son derece homojen olduğuna dair çürütülemez kanıtlar sağlar. Ek olarak, bu veriler, sonuçları Evrenin uzayının düz olduğunu gösteren dev bir kozmik üçgen oluşturmamızı sağlar. Bundan, Evren'in gözlemlenebilir kısmından çok daha büyük olduğu ve genişlemesinin çok küçük bir kozmolojik sabitin etkisi altında hızlandığı sonucu çıkar.

 Şişirme
 

Amerika Birleşik Devletleri'nde, komünist propagandanın dünyada icat edilen her şeyin Rusya'da icat edildiğini iddia ettiğine dair şakalar yaygınlaştı: radyo, televizyon, akkor ampuller, uçaklar, soyut resimler ve hatta beyzbol. Ancak fizik alanında bu şakalardan bazılarının doğru olduğu ortaya çıktı. Sovyet fizikçileri, bilim dünyasının geri kalanından o kadar uzun süre tecrit edildiler ki, Evrenin genişlemesinin başlangıcı hakkındaki dikkate değer hipotez gibi, son derece önemli keşiflerinin çoğu Batı'da bilinmiyor. Çeyrek asırdan daha uzun bir süre önce, genç bir kozmolog Alexei Starobinsky, şişme adı verilen bir teori formüle etti . Enflasyon, belki de Büyük Patlama'dan bu yana en önemli kozmolojik keşiftir, ancak o dönemde yalnızca birkaç Sovyet bilim adamı bu harika fikri takdir edebildi. Amerika Birleşik Devletleri'nde hiç kimse, çok sonraları üniversitemdeki genç bir "post-doc" onu yeniden keşfedene kadar enflasyonist teori hakkında hiçbir şey bilmiyordu.

Yüksek enerjili teorik fizik uzmanı olan yeni Doktora Alan Guth, o sırada Stanford Doğrusal Hızlandırıcı Merkezinde (SLAC) çalışıyordu. 1980'de onunla ilk tanıştığımda, güncel problemler üzerine birkaç makale yazmış parlak, genç bir fizikçiydi. O zamanlar, temel parçacıklar alanında yalnızca birkaç uzman kozmolojiyi anlıyordu. Ben de onlardan biriydim çünkü iki yıl önce Savas Dimopoulos'la parçacıkların doğadaki antiparçacıklara üstünlüğü sorunu üzerinde çalışmıştım. Arkadaşım Bob Wagner daha sonra bana parçacık teorisinin maddenin antimadde üzerindeki hakimiyeti için herhangi bir açıklaması olup olmadığını sordu. Dimopoulos ve ben doğru fikre sahiptik ama kozmolojide o kadar sıradandık ki ufkun büyüklüğünü ölçek faktörüyle karıştırdık. Sanki bir oto tamircisi direksiyon simidi ile tahrik tekerleği arasındaki farkı anlayamıyormuş gibi. Ancak Bob'un kanatları altında, cehaletimizi hızla ortadan kaldırdık ve sonunda baryon füzyonu üzerine SSCB dışındaki ilk makaleyi yazdık. Güleceksiniz ama baryon füzyonu SSCB'de de keşfedildi. Ve bu bizden 12 yıl önce Andrei Sakharov tarafından yapıldı.

Genel olarak, Alan SLAC'a geldiğinde zaten kozmoloji hakkında bir şeyler biliyordum. Arkadaş olmamıza rağmen onun da onunla ilgilendiğini bilmiyordum. Yani, "enflasyonist kozmoloji" dediği bir seminer verene kadar bunu bilmiyordum. Sanırım bu fikri gerçekten takdir edebilecek iki veya üç dinleyiciden biriydim.

Alan en zor sorulardan birini yanıtladı: "Evren neden bu kadar büyük, düz ve bu kadar homojen?" Bu konunun karmaşıklığını anlamak için SPK'ya geri dönelim ve gökyüzünde iki farklı noktaya bakalım. Relikt radyasyonun sıcak plazmadan doğduğu o günlerde bu iki nokta birbirinden belli bir uzaklıkta bulunuyordu. Aslında, göksel kürede bu noktalar birkaç derecelik açısal bir mesafeyle ayrılırsa, o zaman kozmik mikrodalga arka plan radyasyonunun doğuşu sırasında, aralarındaki fiziksel mesafe o kadar büyüktü ki, ne ışık ne de başka bir sinyal bir noktadan diğerine ulaşmak. O zamanlar evren yaklaşık yarım milyon yaşındaydı, bu nedenle noktalar arasında yarım milyon ışık yılından fazla bir mesafe varsa, bir noktadaki madde başka bir noktadaki madde ile etkileşemezdi. Ama eğer bu noktalardaki madde hiçbir zaman etkileşime girmediyse, o zaman bu iki yeri bu kadar birbirine benzeyen neydi? Başka bir deyişle, SPK'nın yoğunluğu her yönde neredeyse aynı olacak kadar evren nasıl bu kadar homojen hale gelmeyi başardı?

Bu noktayı açıklığa kavuşturmak için, evrenin şişen bir balon olduğu benzetmesine geri dönelim. Kuru erik gibi buruşmuş, sönmüş bir balon hayal edin. Balon şiştikçe kırışıklıklar düzelmeye başlar. Önce küçük kırışıklıklar, sonra daha büyük olanlar düzeltilir. Belirli bir boyuttaki bir kırışıklığı düzeltmek için, onu yumuşatan dalganın kırışıklığın boyutuna eşit bir mesafeyi kat etmesi için gereken belirli bir süre gerekir. Evren söz konusu olduğunda, ışığın düzleştirilmiş homojensizliğin boyutuna eşit bir mesafeyi kat etmesi için geçen süredir.

CMB nesli çağında büyük kırışıklıkların düzelecek zamanı yoksa, onların göksel küre üzerindeki izlerini SPK'nın homojensizlikleri şeklinde görmeliyiz. Ama biz gökyüzünde herhangi bir kırışık görmüyoruz. Evreni bu kadar pürüzsüz yapan neydi? Son saçılma yüzeyinin opak plazmasının arkasına gizlenmiş, tüm kırışıklıkların yumuşatıldığı, gözlerimizin erişemeyeceği uzun bir tarih öncesi var mı? Şişme teorisinin tanımladığı bu tarihöncesidir.

Alan'ın erken evrenin düzlüğü ve pürüzsüzlüğüne ilişkin açıklamasının çok basit olduğu ortaya çıktı (Starobinsky'nin açıklamasıyla tamamen aynı). Evren bir balon gibi şişmişti ama sıradan bir balon değildi. Sıradan bir balon çok fazla şişirilirse patlar. Alan'ın evreni katlanarak genişledi ve çok kısa sürede inanılmaz derecede büyük oldu. Mecazi anlamda şişirme aşaması, sıradan kozmolojiden önce geliyordu. Big Bang dediğimiz süreç başladığında evren zaten inanılmaz büyüklüğe ulaşmıştı. Ve genişlemenin şişme aşaması sırasında, tüm kırışıklıklar ve homojensizlikler o kadar düzleşti ki Evreni son derece pürüzsüz hale getirdiler.

Bu fikrin çok iyi olduğunu biliyordum ama ne kadar iyi olduğu hakkında hiçbir fikrim yoktu. Bence Alan bile onun ne kadar iyi olduğunu bilmiyordu. Ve kesinlikle hiç kimse önümüzdeki 25 yıl boyunca şişme teorisinin kozmolojik "standart model" içinde merkezi bir yer işgal edeceğini hayal edemezdi.

Şişme aşamasından sorumlu mekanizmayı anlamak için, Evrenin pozitif bir kozmolojik sabitle nasıl davrandığını anlamak gerekir. Pozitif kozmolojik sabitin, mesafeyle orantılı bir itici kuvvetin ortaya çıkmasından sorumlu olduğunu hatırlayın. Bu kuvvet, galaksilerin birbirinden dağılmasına neden olur ve bu, ancak üzerine çekildikleri top - yani uzayın kendisi - şişerse olur.

Vakum enerjisi veya aynı şey olan vakum kütlesi alışılmadık özelliklere sahiptir. Galaksileri oluşturanlar gibi sıradan maddenin yoğunluğu, evren genişledikçe azalır. Evrendeki sıradan maddenin ortalama yoğunluğu metreküp başına yaklaşık bir protondur. Belirli sayıda milyarlarca yıl sonra, evrenin yarıçapının ikiye katlandığını ve içindeki toplam proton sayısının değişmediğini varsayalım. Bu durumda Evrendeki ortalama madde yoğunluğu sekiz kat azalacaktır. Evrenin yarıçapı tekrar iki katına çıkarsa, metreküp başına ortalama proton sayısı sekiz kat daha azalacak ve mevcut değerin 1/64'ü olacaktır. Aynı şey karanlık madde için de geçerli.

Ancak vakum enerjisi oldukça farklı davranır. Boş uzayın bir özelliğidir ve boş uzay genişlediğinde aynı boş uzay olarak kalır ve içindeki vakum enerjisi yoğunluğu değişmez. Evrenin boyutunu ne kadar iki katına çıkarırsanız çıkarın, vakum enerji yoğunluğu aynı kalacak ve yarattığı itme kuvveti azalmayacaktır!

Sıradan madde ise tam tersine incelir ve sonunda genişlemeyi yavaşlatmada gözle görülür bir etkiye sahip olmaktan çıkar. Belirli bir genişleme aşamasında, vakum enerjisi yoğunluğu hariç, tüm enerji türlerinin yoğunluğu ihmal edilebilir olacaktır. Bu olduğunda, boşluk enerjisinin itici gücüne karşı koyacak hiçbir şey kalmayacak ve evren katlanarak genişleyecektir. Eğer kozmolojik sabit evrenin boyutunu bir saniyede iki katına çıkaracak kadar büyük olsaydı (ki şimdi öyle değil), iki saniye içinde evren dört kat, üç saniye içinde sekiz kat, dört saniye içinde ise sekiz kat büyük olurdu. saniyede 16 kat, beşte - 32 kat vb. Yanımızda olan nesneler, roketler gibi, ışık hızından kat kat daha yüksek bir hızla her yöne dağılacaktır.

Gerçek evren şu anda bu tür üstel genişlemenin çok erken aşamalarındadır. Ancak bu sizi çok fazla endişelendirmemeli, çünkü kozmolojik sabitin büyüklüğü öyledir ki, evrenin büyüklüğü on milyarlarca yılda ancak iki katına çıkacaktır. Ancak, bilinmeyen bir nedenle, evrenin çok erken dönemlerinde, kozmolojik sabitin bugün olduğundan çok daha büyük olduğunu, belki de yüz mertebesinde olduğunu hayal edin. Bu garip bir düşünce deneyi gibi görünebilir, ancak kozmolojik sabitin bugün neden gülünç derecede küçük olduğunu anlamanın ne kadar zor olduğunu hatırlayın. Ve onu 100 kat büyütürseniz, o zaman en azından teorik fizikçilerin konumundan normal değerini alacaktır.

O tarihöncesi çağlardaki kozmolojik sabit çok büyük olsaydı, evrenin boyutunun saniyenin çok küçük bir kesri içinde iki katına çıkmasına neden olması ve bir saniye içinde evrenin bir proton boyutundan birçok kat büyümesine neden olması gerekirdi. evrenin şu anda gözlemlenebilir kısmının büyüklüğü. Bu, Starobinsky ve Gut tarafından açıklanan enflasyondur.

Okuyucu, neden bu kadar ikiyüzlü bir şekilde Evren tarihinin başında ve sonunda, yani şişme çağında ve günümüzde farklı kozmolojik sabitlerden bahsetmeme izin verdiğimi merak edebilir. Sonuçta, bir sabitin sabit olması gerekmez mi? Durup manzarayı düşünelim . Manzaradaki belirli bir konumdaki kozmolojik sabit, arazinin yüksekliğinden başka bir şey değildir. Manzaranın bir parçasının bir çizimi, bunu bin kelimeden daha anlamlı bir şekilde açıklayacaktır. [57] Bu şekil, yakın çevremizde var olana benzer çok basitleştirilmiş bir manzara modelini göstermektedir. Küçük top, vakum enerjisinin en düşük olduğu vadiyi aramak için yuvarlanan evreni temsil ediyor.

Neredeyse sıfır yükseklikte derin bir vadide (Guta şişmesinin başladığı yerde) biten nispeten geniş ve yüksek bir plato, bir top olarak tasvir edilen Evrenin bilinmeyen geçmişini temsil eder. Evrenin bu platoya nasıl geldiği ayrı bir sorudur. Plato çok düzdür, bu nedenle başlangıçta evren çok yavaş döner. Evren bir plato üzerinde kaldığı sürece, vakum enerji yoğunluğu (platonun yüksekliği) neredeyse hiç değişmeden kalır. Başka bir deyişle, yükseklik kozmolojik bir sabit olarak kabul edilebilir.

Eminim siz plato boyunca ilerledikçe evrenin genişlediğini, çünkü boşluk enerjisinin büyük ve pozitif olduğunu zaten tahmin etmişsinizdir. Plato yeterince düzse ve evren onun üzerinde yavaşça dönüyorsa, vadiye doğru kaymadan önce büyüklüğünü birçok kez ikiye katlayacaktır. Bu, ilk olarak Starobinsky ve Gut tarafından tanımlanandan daha modern bir biçimde, enflasyonist genişleme çağıdır. Eğer evren bu aşamada yüz kat veya daha fazla iki katına çıkarsa, öyle inanılmaz bir boyuta ulaşacaktır ki, SPK gözlemlerinin gerektirdiği gibi her yerde düzgün ve tekdüze olacaktır.

Sonunda platoda kaymak, evreni kenarına getirecek, oradan da şimdiye kadar kalacağı vadiye doğru kayacaktır. Vadinin en alçak noktasının yüksekliği tam olarak sıfır değilse, o zaman bir sonraki uzun süre Evren küçük bir kozmolojik sabite sahip olacaktır. Eğer mutlu bir tesadüf eseri vadideki kozmolojik sabit yeterince küçük çıkarsa ve diğer temel sabitler de özenle seçilirse, galaksiler, yıldızlar ve gezegenler bu cepte oluşacak ve muhtemelen yaşam ortaya çıkacaktır. Değilse, cep steril kalacaktır. Bildiğim tüm kozmolojik modellerde, Evreni büyük bir kozmolojik sabite sahip bir bölgeden küçük bir bölgeye kaydırma süreci vardır. Evrenin tarihi ve coğrafyasında bu kısa bölüm ve bu küçük cepten daha fazlası olduğundan ciddi olarak şüphe duyan var mı?

Fakat bekle! Bu resimde yanlış olan bir şeyler var. Şişme aşamasındaki evren bu kadar genişliyorsa, onun inanılmaz derecede homojen olmasını beklemeliyiz. Kırışıklıklar o kadar düzelecek ki, SPK arka planının hiçbir homojenliği olmayacak. Ancak, küçük düzensizlikler olmasaydı galaksilerin oluşamayacağını ve Evren'in süresiz olarak pürüzsüz kalacağını zaten biliyoruz. Görünüşe göre homojenleştiriciyi yulaf ezmemize kaydırdık.

Bu bilmecenin çözümü o kadar radikal ve şaşırtıcı bir fikir içeriyor ki, ilk başta onu gökte bir turta diye bir kenara atmak cazip geliyor. Ancak zamanın testinden geçti ve şimdi modern kozmolojinin temel taşlarından biri. Ve yine, kaşifin onuru, Starobinsky'nin çalışmalarını inceleyen genç Sovyet kozmolog Vyacheslav Mukhanov'a aitti. Tarih tekerrür ediyor: Mukhanov'un teorisi, Amerika Birleşik Devletleri'nde çalışan birkaç grup tarafından bağımsız olarak yeniden keşfedilene kadar SSCB dışında bilinmiyordu.

Kuantum mekaniği ve onun heyecan verici keşiflerinin genellikle mikro kozmosun fenomenlerini tanımladığı kabul edilir, ancak galaksiler dünyasını ve kozmik ölçekteki fenomenleri tanımlamaz. Ve şimdi, hepsi olmasa da, o zaman bazı galaksilerin ve diğer büyük ölçekli yapıların, Evrenin kozmik ölçeklerine uzanan ve şişme aşamasında kontrolsüz bir şekilde genişleyen ve acımasız yerçekimi ile güçlenen birincil kuantum dalgalanmalarının kalıntıları olduğu ortaya çıktı.

Evrenin kozmik Manzara üzerinde bir nokta olarak temsili çok basittir. Diğer tüm kuantum alanları gibi, Higgs alanı da kuantum titreşimine tabidir. Kuantum mekaniği, tüm alanların uzayda bir noktadan diğerine dalgalandığını belirtir. Hiçbir enflasyon, herhangi bir alanın doğasında var olan kuantum dalgalanmalarını tamamen düzeltemez. Bu, mevcut boşluğumuzda ve hızlı üstel genişleme çağında doğruydu. Ancak hızlı enflasyon, bu dalgalanmalarla, bugün yavaş yavaş genişleyen evrenimizde asla (belirgin bir dereceye kadar) olmayan bir şey yapar - eski kırışıklıkları düzeltir, ancak yerlerinde hemen yenileri belirir. Eskilerin üzerinde yeni kırışıklıklar belirir ve sırayla Evrenin genişlemesi boyunca da gerilir. Şişme aşamasının sonunda, evren vadiye düşmeye başladığında, biriken kuantum kırışıkları, sonunda galaksilerin oluştuğu bir yoğunluk değişimleri modeli oluşturur.

Bu donmuş kuantum kırışıklıkları, son saçılmanın yüzeyine damgalanarak SPK arka planında gözlemlenen küçük değişikliklere yol açar. Mikrokozmosu tanımlayan kuantum teorisi ile makrokozmosun büyük ölçekli astronomik yapıları arasındaki bağlantının keşfi, kozmolojinin en büyük başarılarından biridir.

Bu bölümü kapatırken, son on yılda kozmolojik gözlemlerden ortaya çıkan en önemli iki sonucu belirtmek istiyorum. İlk olarak, şok edici haberi öğrendik: kozmolojik sabit gerçekten var. İlk 119 ondalık basamağı sıfırdır, ancak 120. basamakta önemli basamaklar görünür!

İkincisi, şişme teorisinin kozmik mikrodalga arka plan radyasyonundaki değişiklikler şeklinde gözlemsel doğrulamaya sahip olduğu ortaya çıktı. Açıkçası, Evren bir süredir katlanarak genişliyor ve bu da, tüm Evrenin gözlemlediğimiz kısmından çok, çok daha büyük büyüklük mertebeleri olduğu anlamına geliyor.

Bu iki büyük keşif çok rahatsız edici görünüyor. Elimizi rastgele sayılarla dolu bir çantaya sokup bir avuç temel fiziksel sabit çıkarsak, o zaman neredeyse yüzde yüz olasılıkla aralarında ne küçük bir kozmolojik sabit ne de şişme aşaması için uygun bir zaman olmayacaktır. Her iki sayı da inanılmaz derecede ince ayar gerektirir. Daha önce de gördüğümüz gibi, evren bizim için özel olarak tasarlanmış gibi görünüyor.

Ama bir sonraki bölümde bunun hakkında daha fazla bilgi.

Bölüm 6
 

Açıkçası, fizikçi olmayan bir dinleyici kitlesine fizik hakkında konuşurken, her türlü analoji ve metafor genellikle gerçekten paha biçilmezdir. Ama benim için aynı zamanda güçlü düşünce araçlarıdır - benim kendi özel araçlarım. Sıklıkla, çok karmaşık bir bakış açısının geçerliliğine kendimi inandırmak için, sorunun çözümünü beklenmedik bir açıdan görmeyi kolaylaştıran analojiler icat ederim.

Antropik İlke, bilimin son zamanlarda ürettiği her şeyden daha fazla kafa karışıklığı ve felsefi kafa karışıklığı yarattı. Şimdiye kadar, bu ilkenin anlamının ne olduğu, nasıl uygulanması gerektiği, uygulanmasının ne zaman haklı olduğu ve ne zaman olmadığı, antropik ilkeye başvurmanın hangi durumlarda makul, hangi durumlarda anlamsız olduğu konusunda süregelen tartışmalar vardır. Benim için denenmiş ve doğru yol, sağduyuyu hiç yoktan ortaya çıkaracak tanıdık bir benzetme bulmaktır. On yıldan fazla bir süre önce, insancıl ilkenin herhangi bir anlam ifade edebileceğine kendimi ikna etmek için bir mesel uydurdum.

Ufacık Hediye
 

Ünlü fizikçilerin altmışıncı yaş günleri için büyük bir parti düzenlemek gibi eski bir geleneği vardır, ancak bu partiler genellikle birkaç gün sürer ve sürekli bir dizi fizik seminerinden oluşur ve müziksiz gerçekleşir. Böyle bir partide, eski dostum Martinus Veltman'dan bir ders vermem gerekiyordu. Bir peri masalı canavarı gibi kıllı ve sakallı Tiny the Dutchman, Macbeth ve Saddam Hüseyin olarak Orson Welles'in bir melezini andırıyor. Tiny kısa süre önce elektrozayıf etkileşimlerin kuantum yapısını aydınlattığı için Gerard 't Hooft ile birlikte Nobel Ödülü aldı.

Tiny, boşluk enerjisi probleminin varlığını ilk fark edenlerden biriydi ve ben de dersime "Tini ve kozmolojik sabit" başlığını koyacaktım. Antropik ilkeden, Steve Weinberg'in galaksi oluşumu hesaplamasından bahsetmek istedim. Ama bunun ötesinde, antropik ilkeye nasıl bilimsel bir anlam verilebileceğini açıklamak istedim. Ve bunun için her zaman olduğu gibi bir benzetme kullandım.

Kozmolojik sabitin neden bu kadar hassas ayarlandığını sormak yerine benzer bir soru sordum: Üzerinde sıvı suyun var olabileceği dünya yüzeyinin sıcaklığı neden bu kadar hassas ayarlanmış? Bu soruların her ikisi de özünde aynı şey hakkındadır: Özellikleri çok dar bir aralıkta olan ve varlığımız için ideal olan bir çevrede nasıl yaşıyoruz? Onlara cevap vermek için, bilge balıkla ilgili aşağıdaki benzetmeyi sundum. [58]

balık tarihi
 

Uzun zaman önce, tamamen suyla kaplı bir gezegende oldukça zeki bir balık ırkı yaşıyordu. Bu balıklar ancak belli bir derinlikte yaşayabiliyorlardı ve hiçbiri denizin yüzeyini ya da dibini görmemişti. Ama çok zekiydiler ve ayrıca çok meraklıydılar. Balık zaman zaman suyun doğası ve aynı derecede ilginç diğer şeyler hakkında çok zor sorular sordu. Aralarında en yetenekli olana cips denirdi. Öğütücüler o kadar akıllıydı ki, birkaç nesil boyunca hidrodinamik, kimya, atom fiziği ve hatta nükleer fizik alanlarındaki birçok doğal olayı anlamaya başladılar.

Sonunda, parçalayıcılardan bazıları doğa kanunlarının neden böyle olduğunu merak etmeye başladı. Sofistike teknolojileri, suyu tüm formlarında - buz, buhar ve tabii ki sıvı halde - incelemeyi mümkün kıldı. Ancak bir soru onları sürekli şaşırttı. Suyun sıfırdan sonsuza kadar farklı sıcaklıklarda farklı hallerde bulunabilmesine rağmen, yaşam alanlarının sıcaklığının, suyun sıvı fazda olduğu bu kadar dar bir aralıkta neden özel olarak ayarlanmış gibi göründüğünü anlayamadılar. Bunu açıklamak için farklı simetri türleri, dinamik gevşeme mekanizması vb. dahil olmak üzere farklı fikirler kullanmaya çalıştılar. Ancak başarılı olamadılar.

Kendilerine mersin balığı adını veren ve aynı zamanda su dünyasını da inceleyen bir başka araştırmacı grubu, balıklarla yakından ilişkiliydi. Mersin balıkları, dünyalarının bir üst sınırının varlığı sorusu kadar, zeki balıkların yaşadığı olağan derinliklerle pek ilgilenmiyorlardı. Mersin balıkları, su dünyalarının çoğunun akıllı yaşam için uygun olmadığını biliyorlardı çünkü basınçtaki değişiklik, büyük beyinleri için ölümcüldü. Yukarı çıkmaya çalışırlarsa, su basıncındaki düşüş nedeniyle beyinleri içeriden patlayabilir. Onlara kalan tek şey akıl yürütmekti.

Öyle oldu ki, o günlerde, takipçileri sıcaklıkta ince ayar yapmak konusunda çok radikal bir fikir (bazılarına saçma geldi) formüle eden bir mersin balığı okulu vardı. Bu fikre ihtiyotropik ilke adını verdiler. İktiyotropik ilke, yaşam alanlarının sıcaklığının suyun sıvı fazına karşılık gelen aralıkta olmasının nedeninin, yalnızca bu durumda bu ilkeyi formüle edebilecek bir balık olabilmesi olduğunu belirtti!

“Bredyatin! - cipsler kızdı, - bu bilim değil. Bu dindir. Sadece verilen. Üstelik sizinle aynı fikirde olursak, diğer balıklar bize güler, aksi takdirde ne işe yarar, bizi fondan mahrum eder. Ek olarak, tüm mersin balıkları ihtiyotropik prensip altında aynı şeyi anlamadı. Üstelik birbiriyle anlaşacak iki mersin balığı bulmak da zordu. Bazıları, ihtiyotropik ilkenin anlamının, melek balıklarının dünyayı yalnızca zeki balıklara yaşayacak bir yer sağlamak amacıyla yaratması olduğuna inanıyordu. Diğerleri, Waterverse'in kuantum dalga fonksiyonunun tüm sıcaklıkların bir üst üste binmesi olduğunu ve bazı balık atalarının gözlem eyleminin "dalga fonksiyonunun azalmasına" neden olduğunu iddia ettiler.

Andrey Bolshegolovym ve Derin Düşünür İskender liderliğindeki küçük bir mersin balığı grubu, tamamen alışılmadık bir hipoteze bağlı kaldı. Sulu dünyalarının üst sınırının ötesinde devasa bir boşluk olduğuna inanıyorlardı. Ve bu devasa uzayda, bir anlamda onların dünyasına benzeyen, ancak çok çeşitli koşullara sahip birçok başka dünya var olabilir. Bazı dünyalar inanılmaz derecede sıcak. O kadar sıcaktır ki, suyun bir parçası olduğu bilinen hidrojen çekirdekleri birleşerek helyum çekirdeklerini oluşturur ve bu da onu daha da sıcak hale getirir. Diğer dünyalar o kadar soğuk ki içlerinde donmuş hidrojen bile var olabilir. Ve dünyaların sadece çok küçük bir kısmı, yaşamın gelişmesine ve balıkların ortaya çıkmasına izin veren sıcaklık aralığındadır. O zaman sıcaklıkta ince ayar yapmakta bir sır yoktur. Herhangi bir fener, çoğu yerin balıksız olduğunu bilir, ancak bazı yerlerde koşullar uygundur - içlerinde balık vardır.

Ama balıklar buna sadece iç çektiler: “Aman Tanrım, yine balık tutma hikayeleriyle karşı karşıyalar! Onlara aldırma."

Son.

Meselim büyük bir başarısızlıktı. Seminer sırasında seyircilerden yüksek sesli iç çekişler ve inlemeler duyuldu ve partinin geri kalanında katılımcılar benden uzak durmaya çalıştı. Tini de etkilenmemişti. Antropik ilke, çoğu teorik fizikçi üzerinde, kızgın bir filin üzerindeki turistlerle dolu bir cipin etkisi ile aynı etkiye sahiptir.

 Antropik Manzaralar
 

Astronomiden en azından bir şeyler anlayan hiç kimse, mersin balıklarının doğruluğundan şüphe duymayı düşünmeyecektir. Bilim tarihi bize antropik (veya ihtiyotropik) bir açıklamanın mantıklı olduğu durumlar olduğunu söyler. Ama ne zaman olduğunu nasıl anlarsınız? Antropik argüman hangi durumlarda uygulanabilir ve hangi durumlarda uygunsuzdur? Bazı yol gösterici ilkelere ihtiyacımız var.

Bariz olanla başlayalım: X olgusunun antropik bir açıklaması, ancak X farklı olsaydı, akıllı yaşamın varlığının imkansız olacağına inanmak için iyi nedenler varsa anlamlı olabilir . Akıllı balıklar için her şey açık: çok sıcak - ve balık çorbası alıyoruz; çok soğuk - ve donmuş balık depomuz var. Weinberg, kozmolojik sabit için benzer argümanlar ileri sürdü.

Hayatın var olma olasılığı için gerekli koşulları düşünürseniz, Manzara kabus gibi bir mayın tarlasına dönüşür. Çok büyük bir kozmolojik sabitin ne kadar ölümcül olduğundan daha önce bahsetmiştim, ancak başka pek çok tehlike var. Evren için gereksinimler üç kategoriye ayrılabilir. Fizik yasaları organik bileşiklerin varlığına izin vermelidir; temel kimyasallar yeterli miktarda bulunmalıdır; evrenin evrimi, ılıman doğal koşullara sahip, geniş, pürüzsüz ve uzun ömürlü, yaşanabilir yüzeylerin (gezegenlerin) ortaya çıkmasına yol açmalıdır.

Hayat kimyasal bir süreçtir. Atomların doğasındaki bir şey, onların en tuhaf konfigürasyonlarda bir araya gelmelerine neden olur: dev yaşam molekülleri - DNA, RNA, yüzlerce protein ve diğerleri. Kimya genellikle ayrı bir bilimsel disiplin olarak görülse de - kendi üniversite bölümleri ve bilimsel dergileri vardır - aslında dış atomik elektronlarla ilgilenen bir fizik dalıdır. Atomlar arasında ileri geri sıçrayan veya sosyalleşen bu değerlik elektronları, atomların çeşitli moleküller halinde birleşebilme konusundaki inanılmaz yeteneğinden sorumludur.

Nasıl oluyor da Fizik Kanunları, DNA gibi inanılmaz derecede kompleks yapıların birbirleriyle çarpıştığında veya başka dış etkenlerin etkisiyle yok olmadan uzun süre var olmasına izin veriyor? Bir dereceye kadar, bu sadece şans.

İlk bölümden hatırladığımız gibi, Fizik Yasaları temel parçacıkların bir listesiyle başlar: elektronlar, kuarklar, fotonlar, nötrinolar ve her biri kütle veya elektrik yükü gibi bireysel özelliklere sahip diğerleri. Temel parçacıklar listesinin neden böyle olduğunu veya parçacıkların neden tam özelliklere sahip olduğunu kimse bilmiyor. Sonsuz sayıda başka liste olabilir, ancak canlıları içeren bir evren, rastgele özelliklere sahip rastgele bir parçacıklar koleksiyonundan hiç de beklendiği gibi değildir. Herhangi bir parçacığın (elektron, kuark veya foton) listeden çıkarılması ve hatta özelliklerindeki en ufak bir değişiklik, sıradan kimyanın varlığının imkansızlığına yol açacaktır.

Bu, atomları ve atom çekirdeğini oluşturan elektronlar ve kuarklar için açıktır, ancak belki de foton için o kadar açık değildir. Fotonlar, ışığı oluşturan minik "mermilerdir". Tabii ki onlar olmasaydı göremezdik ama duyma ve koku alma duyumuz kalır, yani belki de foton, elektron veya kuarklar kadar önemli değildir? Bu büyük bir hata. Fotonlar atomları bir arada tutan yapıştırıcıdır.

Değerlik elektronlarını yörüngelerinde tutan nedir? Neden "Adyu!" diyerek uçup gitmiyorlar? protonlar ve nötronlar? Cevap: Zıt yüklü elektronlar ve atom çekirdeği arasındaki elektriksel çekim kuvveti. Elektriksel çekim, sinek ve yapışkan bant arasındaki çekimden farklıdır. Bir sinek, yapışkan bir banda çok sıkı bir şekilde yapışabilir, ancak bir kez yırtıldığında, çok hafif bir sinek bile kendini banttan hemen kurtaracaktır. Sinek uçup gidecek ve geri dönecek kadar aptal değilse tamamen özgür olacak. Fiziksel jargonda, yapışkan bir bandın üzerinde uçmayı sağlayan kuvvetlere kısa menzil denir - uzun mesafelere yayılmazlar.

Kısa menzilli kuvvetler, elektronların çekirdek çevresinde tutulmasında rol oynamaz. Bir atom minyatür bir güneş sistemi gibidir ve tüm değerlik elektronları Güneş'ten en uzak gezegenler gibidir, bunlar tuhaf atomik Neptünler ve Plütonlardır. Yalnızca büyük mesafelerde çalışabilen kuvvetler, onları "uzaya" "uçup gitmekten" alıkoyabilir.

Bir parçacığı çok uzak bir mesafeden yakalayabilen uzun menzilli kuvvetler nadirdir. Doğadaki pek çok farklı kuvvet türünden yalnızca ikisi uzun menzillidir. Bu kuvvetlerin her ikisine de aşinayız ve en çok yerçekimine aşinayız. Yukarı sıçradığımızda, dünyanın yerçekimi bizi geri çeker. Gezegenleri Güneş etrafındaki yörüngelerinde tutarak yüz milyonlarca kilometre ve yıldızları galaksilerde tutarak onbinlerce ışıkyılı boyunca uzanır. Atomdaki dış elektronları tutmak için gerekli olan bu tür bir kuvvettir. Elbette yerçekimi bu rol için uygun değildir çünkü atomun kararlılığını sağlamak için çok zayıftır.

Bildiğimiz ikinci kuvvet türü, bir mıknatıs ile bir demir klips arasındaki çekim kuvvetidir. Mıknatısın onu çekmek için ataşla doğrudan temasa ihtiyacı yoktur. Güçlü bir mıknatıs ataçları çok uzak mesafelerden bile çeker, ancak bir atomdaki elektronlar, manyetik kuvvetin bir kuzeninden, yani yüklü parçacıklar arasındaki uzun menzilli elektriksel kuvvetten etkilenir. Yerçekimi çekim gücüne benzer, ancak çok daha güçlüdür. Elektrik çekimi, atomdaki değerlik elektronlarını, yerçekiminin güneş sisteminde Pluto'yu tutmasıyla aynı şekilde tutar.

Bölüm 1'de tartışıldığı gibi, yüklü parçacıklar arasındaki elektriksel kuvvetler, parçacıkların birbirleriyle değiş tokuş ettiği fotonlar tarafından taşınır. [59] Ultra hafif fotonlar (kütleleri olmadığını unutmayın), uzak değerlik elektronlarını çekirdeğe bağlayan uzun menzilli kuvvetler yaratarak uzun mesafeler atlayabilirler. Parçacıklar listesinden bir fotonu çıkarın ve bir atomun bozulmasını önleyecek hiçbir şeyiniz kalmasın.

Foton istisnai bir parçacıktır. Bu, graviton dışında kütlesi olmayan tek temel parçacıktır. Fotonun böyle bir ayrıcalığı olmasaydı ve kütlesi olsaydı ne olurdu? Feynman'ın teorisi bize varsayımsal büyük kütleli fotonların çekirdekler ve elektronlar arasında sıçramalar yaptığı durumda etkileşimin gücünün nasıl hesaplanacağını anlatır. Sonuçlardan biri, ağır bir fotonun uzun sıçramalar yapmasının imkansızlığı olacaktır. Bir fotonun kütlesi, bir elektronun kütlesinin çok küçük bir kısmı olsa bile, elektriksel etkileşim kısa menzilli olacak ve uzaktaki valans elektronlarını tutmayacaktır.

Elektrik kuvvetlerinin uzun menzilli etkisi, atomların kararlılığı için önemli olan tek faktör değildir. Etkileşimin gücü de önemlidir. Bir atomda bir elektronu tutan kuvvet, günlük standartlarımıza göre çok güçlü değildir. Bir kilogram-kuvvetin milyarda biri cinsinden hesaplanır. Yüklü parçacıklar arasındaki elektriksel etkileşimin gücünü ne belirler? Feynman'ın teorisi bir kez daha bize cevabı veriyor. Feynman diyagramlarının parçacıklardan başka bir bileşeni de köşe diyagramıdır. Her köşe diyagramının sayısal bir değeri olduğunu hatırlayın - bir bağlantı sabiti - ve bir fotonun emisyonu ve soğurulması işlemi için, böyle bir bağlantı sabiti, yaklaşık 1/137 olan ince yapı sabiti α'dır. α'nın küçüklüğü, elektriksel etkileşimin nükleer muadilinden neden daha zayıf olduğunun matematiksel bir gerekçesidir.

İnce yapı sabiti diyelim ki birden büyük olsaydı ne olurdu? Bu, aynı anda birkaç felakete yol açacaktır, bunlardan biri atom çekirdeğinin ölümü olacaktır. Nükleonları (protonlar ve nötronlar) bir arada tutan nükleer kuvvetler, yapışkan banttan anında yayılan kuvvet gibidir; güçlü ve kısa menzillidirler. Çekirdeğin kendisi yapışkan bir sinek topu gibidir. Her nükleon en yakın komşusuna "yapıştırılmıştır", ancak "yapışmayı" başarırsa, serbestçe uçup gidecektir.

Nükleer kuvvetler elektriksel bir itme kuvveti ile dengelenir. Protonlar pozitif elektrik yüküne sahiptir ve negatif yüklü elektronları çekerek birbirlerini iterler. Nötronlar elektriksel olarak nötrdür ve elektriksel kuvvetlerin dengesinde rol oynamazlar. Çekirdek yaklaşık 100 proton içeriyorsa, toplam elektriksel itme kuvveti çekirdeği parçalamak için yeterlidir.

Elektrik kuvvetleri nükleer kuvvetler kadar güçlü olursa ne olur? Açıkçası, tüm bileşik çekirdekler kararsız hale gelecek, bu nedenle en azından karbon ve oksijen çekirdeklerinin kararlı olabilmesi için elektriksel kuvvetlerin nükleer kuvvetlerden daha zayıf olması gerekir. İnce yapı sabiti neden küçük?

Bunu kimse bilmiyor, ama daha fazlası olsaydı, o zaman bu soruyu soracak kimse olmazdı.

Protonlar ve nötronlar artık temel parçacıklar olarak kabul edilmiyor. Her biri üç kuarktan oluşur. Birkaç farklı kuark türü vardır: u-kuark, d-kuark, s-kuark, c-kuark, b-kuark ve t-kuark . İsimleri önemsizdir [60] ancak kuark türleri arasındaki farklar çok önemlidir. Bölüm 3'te verilen temel parçacıkların kütle listesini gözden geçirirseniz, kuarkların kütlelerinin çok geniş bir aralıkta değiştiğini göreceksiniz: bir u-kuark için yaklaşık 10 elektron kütlesinden bir t-kuark için 344.000 elektron kütlesi. . Fizikçiler uzun bir süre t quark'ın neden bu kadar ağır olduğunu merak ettiler, ancak son zamanlarda anormal derecede ağır olanın t quark olmadığını, u quark ve d quark'ın saçma bir şekilde hafif olduğunu ve Z bozonu ve W bozonu gibi parçacıklardan 20.000 kat daha hafif olmaları açıklamaya muhtaçtır. Standart Model böyle bir açıklama sağlayamaz.

Bu nedenle, u-kuark ve d-kuark çok daha ağır olsaydı dünyamızın nasıl olacağını merak edebiliriz. Ve yine, cevap felakettir. Proton ve nötron, u- ve d-kuarklardan oluşur (s-, c-, b- ve t-kuarklardan oluşan parçacıklar sıradan fizik ve kimyada hiçbir rol oynamazlar ve yalnızca yüksek- enerji fiziği). Kuark proton ve nötron teorisine göre, nükleer kuvvetler (nükleonlar arasında hareket eden kuvvetler) kuarkların değiş tokuşu ile tanımlanabilir. [61] Kuarklar daha ağır yapılırsa, nükleonların onları değiştirmesi daha zor olacak ve nükleer kuvvetler fiilen ortadan kalkacaktır. Nükleonları birbirine yapıştıran kuvvetler olmadan atom çekirdeği olmayacak, ağır elementler olmayacak ve buna bağlı olarak atomlar olmayacak ve sonuç olarak sizin ve benim için kimya olmayacak. Yine şanslıyız.

Şimdi, Manzara açısından Evrenimizin, tüm özellikleri bizim varoluş olasılığımıza göre şaşırtıcı derecede iyi ayarlanmış bir vadide yattığını hatırlayın. Ancak ortalama standart Arazi bölgesi bizim vadimizden çok farklı olabilir. Buradaki ince yapı sabiti kolayca bizimkinden daha büyük olabilir, fotonların kütlesi olabilir, kuarklar daha ağır olabilir ve dahası elektronlar, fotonlar veya kuarklar temel parçacıklar listesinde tamamen yok olabilir. Bu farklılıkların herhangi biri varlığımızı imkansız kılacaktır.

Tüm standart parçacıklar listede olsa, "doğru" kütlelere sahip olsalar ve "doğru" kuvvetlerle etkileşime girseler bile, bu, sıradan kimyanın var olması için yeterli olmayacaktır. Elektronların fermiyon olması da gereklidir. Elektronların fermiyon olması gerçeğinin bir sonucu olarak birden fazla elektron aynı kuantum halinde olamaz, bu kimyanın var olması için gerekli bir özelliktir. Pauli dışlama ilkesi elektronlara etki etmezse, atomdaki tüm elektronlar en düşük yörüngeye “düşecek” ve buradan onları yok etmenin son derece zor olacağı bir yer. Dünyamızda hüküm süren kimya tamamen Pauli dışlama ilkesi tarafından belirlenir. Elektronlar bir anda bozonlara dönüşürse, karbonun kimyasal bileşiklerine dayalı yaşam imkansız hale gelir. Gördüğünüz gibi, bildiğimiz kimyanın mümkün olduğu dünya evrensel bir fenomen olmaktan çok uzak.

Fizikçiler genellikle kelimeleri günlük yaşamda alışılmış olandan farklı bir anlamda kullanırlar. Bir şeyin var olduğunu söylediğimizde, genellikle onun evrende bir yerlerde bulunabileceğini kastederiz. Örneğin kara delikler var dersem, "Onlardan bir tanesini bile nerede bulabiliriz?" diye sorabilirsiniz. Kara delikler olağan anlamda vardır: bunlar, örneğin galaksilerin merkezlerinde bulunan gerçek astronomik nesnelerdir. Ancak size bir toz tanesinden daha büyük olmayan minyatür karadeliklerin varlığından bahsettiğimi farz edin. Yine makul bir soru sorabilirsiniz: "Neredeler?" Bu sefer böyle bir kara delik bilmediğim cevabını verebilirim. "Durmak! diye haykırıyorsun. - Kulağıma erişte asmayı bırak! Az önce onların var olduğunu söyledin!”

Fizikçiler (özellikle teorisyenler) bir şeyin var olduğunu söylediğinde, teorik olarak var olup olamayacağı sorusuna olumlu bir cevap vermek isterler . Başka bir deyişle, onların anlayışına göre bu nesne, teorilerindeki denklemlerin çözümü şeklinde var olur. Bu kritere göre birkaç yüz kilometre büyüklüğünde ideal elmaslar vardır. Aynı şekilde saf altından oluşan gezegenler de vardır. Gerçekte tespit edilebilirler veya edilmeyebilirler, ancak fizik kanunları onların varlığına izin verir.

Uzun menzilli elektriksel etkileşim ve fermiyonlar arasındaki kısa menzilli güçlü etkileşim , karbon, oksijen veya demir gibi karmaşık atomların varlığına yol açar. Sorun değil, ama teorik anlamda onların varlığından bahsediyorum. “Bizim bildiğimiz anlamıyla karmaşık atomların var olması için ne gerekli?” diye soruyorsunuz. Bu atomların Evren'de gerçekten büyük miktarlarda oluşması için ne gerekiyor? Bu sorunun cevabı o kadar basit değil. Karmaşık atom çekirdekleri, Evren'in evriminin erken bir sıcak aşamasında parçacık çarpışmalarında gözle görülür miktarlarda oluşmadı.

Big Bang'den sonraki ilk dakikalarda atom veya atom çekirdeği yoktu. Sıcak plazma, tüm alanı dolduran protonlar, nötronlar ve elektronlardan oluşuyordu. Yüksek sıcaklık, nötronların daha ağır çekirdeklere kaynaşmasını engelledi. Evren biraz soğuduğunda, protonlar ve nötronlar sözde birincil elementleri oluşturmaya başladılar. [62] Ancak önemsiz sayıdaki ağır çekirdeği hesaba katmazsanız, yığın en basit iki kimyasal elementten oluşuyordu: hidrojen ve helyum.

Ayrıca, ortaçağ simyacılarının keşfettiği gibi, bir elementi diğerine dönüştürmek o kadar kolay değildir. Peki karbon, oksijen, nitrojen, silisyum, kükürt, demir ve diğer bilinen kimyasal elementler nereden geldi? Bir yıldızın derinliklerindeki çok sıcak bir nükleer fırında, hiçbir simyacının yapamadığı şeyi yapabilirsiniz - bir kimyasal elementi diğerine dönüştürmek. Yeni elementlerin hazırlanma sürecine nükleer füzyon denir. Termonükleer silahlar için bir enerji kaynağı görevi gören bu süreçtir. Sentez, olası tüm kombinasyonlarda ve permütasyonlarda hidrojen çekirdekleri ve nötronların kombinasyonuna yol açar. Bu nükleer reaksiyonlar, tanıdık kimyasal elementlerle sonuçlandı.

Hafif elementlerden başlayıp demir çekirdeklerle biten yıldızlardaki nükleer dönüşümler zinciri çok karmaşıktır. Bunun nasıl olduğunu göstermek için birkaç örnek vereceğim. En iyi bilinen örnek, hidrojeni helyuma dönüştüren füzyon reaksiyonudur. Zayıf etkileşimin ilk kez devreye girdiği yer burasıdır (W ve Z bozonlarını içeren diyagramlar). İlk adım, iki protonun çarpışmasıdır. [63] İki proton çarpıştığında birçok farklı olay meydana gelebilir, ancak Standart Model için Feynman diyagramları arasında bir proton, bir nötron, bir pozitron ve bir nötrino üreten bir tane bulunabilir.

Pozitron, yıldızın içinde bir yerlerde dolaşan bir elektron bulur ve karşılıklı olarak yok olurlar ve sonunda yıldızın toplam termal enerjisine katkıda bulunan fotonlara dönüşürler. Nötrino, neredeyse ışık hızına eşit bir hızla taşınarak yıldızdan serbestçe kaçar. Reaksiyon bölgesinde, bir proton ve bir nötron birbirine yapışarak döteryum adı verilen bir hidrojen izotopunun çekirdeğini oluşturur.

Döteryum çekirdeği ile buluşan bir sonraki üçüncü proton ona yapışır. İki proton ve bir nötrondan oluşan çekirdek, "helyum-üç" (3He) adı verilen bir helyum izotopudur, ancak balonları şişirmek için kullandığımız helyum değildir. Bildiğimiz helyuma "helyum-dört" (4He) denir.

Hikaye devam ediyor: iki 3He çekirdeği çarpışır. Birlikte dört proton ve iki nötron içerirler. Ancak dört proton ve iki nötron kararlı bir çekirdek oluşturamaz, bu nedenle fazladan iki proton çarpışma bölgesini terk eder ve kalan iki proton ve iki nötron bir helyum-dört çekirdeği oluşturur.

 biraz astrofizik
 

Yıldızların içinde meydana gelen nükleer reaksiyonların çoğu, çekirdeğin atom ağırlığını bir birim artıran, zaten var olan bir çekirdekle proton çarpışması şemasını takip eder. Bazen bir proton, bir pozitron ve bir nötrino yayarak bir nötrona dönüşür. Bazen bir nötron bir protona, bir elektrona ve bir antinötrinoya bozunur. Her durumda, orijinal hidrojen ve helyum çekirdekleri, yıldızların iç kısımlarında yavaş yavaş daha ağır elementlere dönüşür.

Peki yıldızların iç bölgelerinde karmaşık elementlerin oluşması neye yarar? Elbette, bilim kurgu yazarları azgın plazmadan yapılmış ve birkaç milyon derecelik sıcaklıklarda gelişen egzotik bir yaşam formu hayal etmekte zorlanmazlar, ancak sıradan yaşamın daha serin bir ortama ihtiyacı vardır. Ne yazık ki, karbon ve oksijen, yıldızın ömrü boyunca yıldızın iç kısmında hapsolmuş halde kalır.

Ama yıldızlar sonsuza kadar değil...

Sonunda, tüm yıldızlar ve Güneşimiz bir istisna değildir, nükleer yakıt rezervlerini tüketirler. Bundan sonra yıldız kendi ağırlığı altında küçülmeye başlar. Yakıt rezervleri tükenene kadar, nükleer reaksiyonlar sırasında açığa çıkan ısı yıldızı dengede tutar. Bir yandan, sıcak plazmanın termal enerjisi yıldızı parçalama eğilimindedir, diğer yandan yerçekimi yıldızı süper yoğun bir duruma sıkıştırmaya çalışır. Yıldız parlar, yani ısı kaybeder, ancak bu, nükleer reaksiyonlar nedeniyle sürekli olarak yenilenir. Ancak nükleer yakıt bittiğinde, yerçekiminin kirli işini yapmasına hiçbir şey engel olamaz.

Bir yıldızın ömrünün sonu için üç seçenek vardır. Güneşimiz gibi nispeten hafif yıldızlar ölür, az ya da çok sıradan maddeden (protonlar, nötronlar ve elektronlar) oluşan beyaz bir cüce durumuna küçülür, ancak beyaz cüce maddesindeki atom çekirdeği ve elektronlar normalden çok daha yoğun bir şekilde sıkıştırılır. Önemli olmak. Pauli dışlama ilkesi elektronların aynı durumda olmalarını engeller ve maddenin yoğunluğu arttıkça hızlarını artırmak zorunda kalırlar. Bu, daha fazla sıkıştırmayı önleyen ek basınç oluşturur. Tüm yıldızlar hayatlarını beyaz cüceler olarak sonlandırsaydı, o zaman ağır elementler derinliklerinde kilitli kalırdı.

Ancak Evren'de Güneş'ten kat kat ağır yıldızlar vardır. Onları sıkıştıran yerçekimi kuvveti o kadar büyüktür ki, yıkıcı sıkıştırma sürecini hiçbir şey durduramaz ve kara deliklere dönüşürler. Bir kara delikten kimyasal elementleri çıkarmak, beyaz cüceden çıkarmaktan bile daha problemlidir.

Ancak neyse ki üçüncü bir ara seçenek var. Belirli bir kütle aralığındaki yıldızlar zaten yeterince ağırdır ve kasılmaları beyaz cüce oluşumunda durmaz, ancak bir kara deliğe çökecek kadar da kütleli değildir. Böyle bir yıldızın sıkıştırılmasının bir aşamasında, yoğunluğu atom çekirdeğinin yoğunluğuna ulaşırken, elektronlar protonlara "bastırılmaya" başlar ve onları nötronlara dönüştürür. Sonuç olarak, yıldız, nötronlardan oluşan süper yoğun bir topa - bir nötron yıldızına dönüşür . Zayıf etkileşimin bu süreçte önemli bir rol oynaması dikkat çekicidir. Bir nötrona dönüşen bir proton, iki parçacık yayar - bir pozitron ve bir nötrino. Pozitron en yakın elektronla hızla yok olur ve nötrino çarpışma mahallini sonsuza dek terk eder.

Felaketten bahsetmem boşuna değildi, çünkü açıklanan süreçte açığa çıkan enerji o kadar büyük ki, kısa bir süre için bir yıldızın parlaklığı, yüz milyarlardan oluşan tüm bir galaksinin parlaklığıyla karşılaştırılabilir hale geliyor. yıldızlar. Gökbilimciler bu fenomene patlama veya flaş süpernova diyorlar .

Nötrinolar günlük fizik ve kimyada önemli bir rol oynamazlar. Örneğin birkaç ışıkyılı kalınlığındaki bir kurşun tabakası gibi devasa bir madde kalınlığına serbestçe nüfuz edebilirler. Güneş nötrinoları Dünya'dan, soframızdaki yiyecek ve içeceklerden, vücudumuzdan onları hiçbir şekilde etkilemeden serbestçe geçerler. Ama bizim varlığımız tamamen nötrinoların varlığı tarafından belirlenir. Bir süpernova patlaması sırasında salınan nötrinolar, neredeyse tamamen çaresiz olmalarına rağmen, o kadar çoktur ki, bir nötron çekirdeğine büzülmek için zamanı olmayan yıldız maddesini her yöne dağıtan korkunç bir basınç yaratırlar. Bu, yıldızın maddesinin bir kısmının yaşamı boyunca içinde biriken kimyasal elementlerle birlikte yıldızlararası boşluğa atılmasına yol açar.

1054'te patlayan bir süpernovanın kalıntısı olan Yengeç Bulutsusu

Güneşimiz nispeten genç bir yıldızdır. Evrenin yaşı yaklaşık 14 milyar yılken, Güneş en fazla beş milyar yıl önce oluşmuştur. O zamana kadar, ilk nesil yıldızlar çoktan doğmuş ve ölmüş, Evreni güneş sistemimizin oluştuğu ağır elementlerle doldurmuştu. Ve dünyada yakalanması zor nötrinolar olduğu için gerçekten şanslıyız - onlar kelimenin olağan, günlük anlamında varlar.

Nükleer mutfakta her şeyin ters gidebileceği birçok yol vardır. Doğada zayıf etkileşimler olmasaydı veya nötrinolar çok ağır olsaydı, o zaman protonlar nükleer füzyon sürecinde nötronlara dönüşemezdi. Karbon sentezi, 12C çekirdeğinin özelliklerine son derece duyarlıdır. 20. yüzyılın en büyük bilimsel olaylarından biri, kozmolog Fred Hoyle'un bu özelliklerden birinin yalnızca varlığımız gerçeğine dayanarak yaptığı tahmindi. 1950'lerin başında Hoyle, yıldızlardaki ağır elementlerin füzyon zincirinde bir "darboğaz" olduğunu belirtti. Helyum-4'ün ötesinde elementlerin sentezinde ilerlemelere izin vermedi. Aşağıdaki elementlerin sentezi genellikle mevcut bir çekirdeğe bir proton eklenmesiyle ilerler, ancak atom kütlesi 5 olan kararlı bir çekirdek yoktur ve helyumdan daha ağır kimyasal elementler elde etmenin kolay bir yolu olmadığı ortaya çıktı.

Ama kolay yolu olmadığına göre zora gidelim. İki helyum-4 çekirdeğinin çarpışarak atom kütlesi 8 olan bir çekirdek oluşturmasına izin verin. Bu çekirdek, berilyumun bir izotopudur. Kısa bir süre sonra başka bir helyum-4 çekirdeği berilyum-8 çekirdeği ile çarpışırsa, o zaman atom kütlesi 12 olan bir çekirdek oluştururlar ve bu, organik kimyanın temeli olan bizim için iyi bilinen karbondur. Ancak bu güzel planda ciddi bir kusur vardır.

Berilyum-8 çok kararsız bir izotoptur. O kadar hızlı bozunur ki, bir mucize olmadıkça helyum-4 çekirdeğinin onunla çarpışmasını bekleyecek zamanı yoktur. Böyle bir mucize, bir karbon atomunda rezonans adı verilen uyarılmış bir durumun varlığı olabilir ve bu uyarılmış durumun enerjisi kesin olarak tanımlanmış bir değere sahip olmalıdır - 7.82 MeV. Bu durumda berilyum-8 çekirdeğinin başka bir helyum-4 çekirdeğini yakalama olasılığı kat kat artar ki bu da daha ağır elementlerin sentez zincirini sürdürmek için yeterlidir. Ve hayal edin: Kısa bir süre içinde, karbon-12 çekirdeği gerçekten de keşfedilmiş bir uyarılmış duruma sahipti ve enerjisi Hoyle tarafından tahmin edilene tam olarak eşit çıktı! Bu halin enerjisi biraz daha fazla veya biraz daha az olsaydı, helyumdan daha ağır olan çekirdeklerin birleşmesi imkansız hale gelir ve bununla birlikte yaşamın ortaya çıkması imkansız hale gelirdi.

Karbonun Hoyle rezonansının enerjisi, ince yapı sabitinin değeri de dahil olmak üzere bazı temel sabitlerin değerine karşı çok hassastır. İnce yapı sabitinin değerini sadece birkaç yüzde değiştirin ve evrende hiç karbon olmayacak ve karbon olmadan yaşam olmayacak. [64] Hoyle, "görünüşe göre bir tür süper zeka fizikle, ayrıca kimya ve biyolojiyle oynuyor" derken bunu kastetmişti.

Sentez sentezdir ama Evren'de yıldızlar olmazsa sentez yapamayacağımız da açıktır. Tamamen homojen bir evrenin yıldızlara ve galaksilere yol açamayacağını hatırlayın. Onların varlığı, Evrenin evriminin en erken aşamasında küçük homojensizliklerin, pıhtıların ve yumruların varlığına bağlıdır. Erken evrendeki yoğunluk karşıtlığı 10-5 mertebesindeydi , ama biraz daha fazla veya daha az olduğu ortaya çıkarsa ne olurdu? Yumruluğun derecesi on kat daha az, yani 10-6 olsaydı, o zaman galaksiler çok küçük ve yıldızlar çok ender olurdu. Süpernova patlamaları da çok daha seyrek meydana gelecek ve şimdiye kadar evrenin büyük bir kısmı son derece seyreltilmiş hidrojen ve helyum bulutları olacaktı. Yoğunluk kontrastını biraz daha düşürürsek, galaksilerin ve yıldızların oluşumu tamamen imkansız hale gelecektir.

Ve başlangıçtaki yumruluğu 100 kat arttırırsanız? O zaman evren, ilk yıldızlar ondan oluşmaya zaman bulamadan çok önce tüm maddeyi yutacak devasa canavarlarla dolacak. Merak etme, henüz aklımı kaybetmedim. Dev canavarlara mecazi olarak dev kara delikler diyorum. Yerçekimi çekim kuvvetinin, etkileşen kütlelerin çarpımı ile orantılı olduğunu hatırlıyor musunuz? Yoğunluk varyasyonları çok büyükse, yerçekimi, kısa bir süre sonra ufkun altına düşecek olan artan yoğunluğa sahip alanlarda maddeyi çok hızlı bir şekilde toplayacaktır. İlk yoğunluk kontrastının yalnızca 10 kat, 10-4'e kadar artması bile yaşamın ortaya çıkması için bir tehdit oluşturacaktır, çünkü Galaksideki yıldızların yoğunluğu çok yüksek olacak ve bu da bir felaket olasılığını artıracaktır. Güneş'in başka bir yıldızla çarpışması.

10-5 mertebesindeki homojensizlik derecesi, yaşamın ortaya çıkması için önemlidir. Ama belki böyle bir yoğunluk kontrast değeri doğal olarak kolayca ortaya çıkıyor? Tabii ki değil! İstenilen sonucu elde etmek için Evrenin şişmesinin ilk parametrelerini çok doğru bir şekilde ayarlamak gerekir. Yine Hoyle'un süper zekasının hileleri mi?

Ve hepsi bu değil. Parçacık fiziği yasaları, her parçacığın bir karşıt parçacığı olmasını gerektirir. Evrende maddenin antimadde üzerindeki bu kadar büyük bir üstünlüğü nasıl ortaya çıktı? Biz fizikçiler aşağıdakilerin olduğunu varsayıyoruz.

Evren genç ve sıcakken, neredeyse eşit miktarda madde ve antimadde içeren plazma ile doluydu. Dengesizlik son derece küçüktü. Her 100.000.000 antiproton için 100.000.001 proton vardı. Evren soğudukça parçacıklar ve antiparçacıklar birbirlerini yok ederek fotonlara dönüştüler. Yüz milyon antiproton, yüz milyon ortak buldu ve toplu intihar ederek geride 200.000.000 foton ve tek bir canlı proton bıraktı. Modern Evrenin tüm maddesi, hayatta kalan bu birkaç kişiden oluşur. Bugün bir metreküp galaksiler arası uzay alırsak, ortalama olarak 1 proton ve 200.000.000 foton içerecektir. İlk zamanlarda madde ve antimadde arasında bu hafif dengesizlik olmasaydı, bugün bu kitabı okuyacak kimse olmayacaktı.

Canlılığın ortaya çıkması için bir diğer önemli koşul da yerçekimi etkileşiminin aşırı derecede zayıf olmasıdır. Günlük yaşamda yerçekimi bize zayıf görünmüyor. Yaşlandıkça, yerçekimi bize daha fazla sorun çıkarır. Hala büyükannemin feryatlarını duyabiliyorum: "Vay canına, kendimi bin kilo gibi hissediyorum!" Ama elektromanyetik ya da güçlü kuvvetin büyüklüğünden şikayet ettiğini hiç hatırlamıyorum. Bununla birlikte, bir proton ve bir elektron arasındaki elektromanyetik ve yerçekimi etkileşiminin büyüklüğünü karşılaştırırsanız, elektriksel çekimin yerçekiminden yaklaşık 1041 kat daha güçlü olduğunu göreceksiniz . Bu kadar büyük bir oran nereden geldi? Fizikçilerin bu konuda bazı fikirleri var, ancak ben size güvenle söyleyeceğim ki, bu farkın varlığımız için önemine rağmen, elektromanyetik ve yerçekimi etkileşimlerinin büyüklüğü arasındaki bu kadar büyük bir farkın nedenlerini gerçekten kimse bilmiyor. [65] Yerçekimi kuvvetinin gücündeki küçük bir artış ne işe yarar? Cevabı zaten birçok kez duydunuz: bu tür sorular soracak kimse olmazdı. Yıldızı sıkıştırma eğiliminde olan daha güçlü yerçekimine direnme ihtiyacı nedeniyle yıldızların iç kısımlarında sıcaklık ve basıncın artması, çok hızlı nükleer yakıt tüketimine yol açacaktır. Yıldızlar çok kısa yaşayacak ve onların etrafında dönen gezegenlerde yaşamın gelişmesi için zaman kalmayacaktı. Daha da kötüsü, evren hızla yıldız cesetleriyle dolacaktı - ondan son maddeyi emecek, yaşamın ortaya çıkma sürecini daha başlamadan başarısızlığa mahkum edecek kara delikler. Çok fazla yerçekimi kuvveti, evreni başladığı duruma geri çekerek Hubble genişlemesini bile durdurabilir.

Bu mutlu rastlantıları ne kadar ciddiye almalıyız? İnsancıl ilkeyi kabul etmek için iyi nedenler sağlıyorlar mı? Bence tüm bunlar etkileyici ama kendimi tereddütsüz antropik açıklamanın kollarına atacak kadar değil. Bu tesadüflerin hiçbiri, yerçekiminin zayıflığı dışında, karşılık gelen sabitlerin özellikle ince ayarını gerektirmez. Ve yerçekiminin zayıflığının bile süpersimetri büyüsüyle bağlantılı tamamen rasyonel bir açıklaması vardır. Birlikte ele alındığında, bu tesadüfler beklenmedik bir toplu kaza gibi görünebilir, ancak bazen toplu kazalar olur.

Bununla birlikte, kozmolojik sabitin küçüklüğü tamamen farklı türden bir tesadüftür. Vakum enerjisinin ilk 119 ondalık basamağını sıfır yapmak şanstan fazlasını gerektirir. Kozmolojik sabitin sadece çok küçük olmadığı ortaya çıktı. Örneğin, sıfıra eşit olsaydı, bu değerin altına makul bir matematiksel veya fiziksel temel getirmek yine de mümkün olurdu. Başımıza bir ton tuğla gibi çarpan olay, 120. ondalık basamağın sıfırdan farklı olduğunun keşfedilmesiydi. Bu gizemli gerçeğin önünde, tüm matematiksel büyümüzün güçsüz olduğu ortaya çıktı.

Ama sicim kuramının bize getirdiği devasa manzaranın keşfi olmasaydı, kozmolojik sabit bile antropik ilke lehine teraziyi benim için değiştiremezdi.

 Antropik ilke ne zaman anlam kazanır?
 

Yaşanabilir evrenlerin yaratılmasında ortak olduğumuzu varsayalım. Göreviniz, gerekli tüm malzemeleri bulmak ve bir taslak tasarım sunmaktır. Görevim, Peyzajda teknik gereksinimleri karşılayan bir yer bulmak. Yani, sen bir tasarım bul, ben de Peyzajı keşfetmeye gidiyorum. Arazi sadece birkaç vadi içeriyorsa, aralarında kesinlikle uygun bir vadi bulamam. Ve bir sonraki proje toplantısında, projenizin iyi olmadığını, çünkü onun gereksinimlerini karşılayan bir vadi bulmanın imkansız olduğunu bildirirdim.

Ancak sicim teorisine biraz aşina olduğunuz için, "Her vadinin her köşesini aradığınızdan emin misiniz?" 10.500 vadinin hepsini keşfettiniz mi? Bu kadar çok olasılık arasında, aradığımız şey bulunmalıdır. En yaygın, benzer seçenekleri gözden geçirerek zaman kaybetmeyin, benzersiz bir şey arayın.

Bu bizi antropik bir açıklamanın kabul edilebilirliği için yeni bir kritere getiriyor. Matematiksel olarak tutarlı olasılıkların sayısı o kadar fazla olmalıdır ki, en az birkaç vadide çok olası olmayan seçenekler bile bulunabilir.

Bu kriterin yalnızca kesin Peyzaj teorisi bağlamında uygulanması mantıklıdır. Örnek vermek için fazla ileri gitmemek adına balığımıza dönelim. Newton'un evrensel yerçekimi yasasına başvuran mersin balığı bilim adamları, onun denklemlerinin yıldızdan herhangi bir uzaklıkta gezegenlerin dairesel yörüngelerinin varlığına izin verdiğini iddia edebilirler. Çok uzak yörüngelerdeki gezegenler çok soğuk, orada su ve hatta metan buza dönüşüyor. Bir yıldıza çok yakın yörüngede dönen gezegenler çok sıcaktır ve orada su anında kaynar. Ancak bu uç noktalar arasında bir yerde, gezegendeki sıcaklığın sıvı suyun varlığı için ideal olduğu bir yörünge olmalıdır. Teori o kadar çok çözüm sunuyor ki, içlerinden bizi tatmin eden biri muhakkak var.

Kesin olarak söylemek gerekirse, bir gezegen herhangi bir mesafedeki bir yıldızın etrafında dönemez. Güneş sistemleri birçok yönden atomlara benzer: güneş ve gezegenler bir atom çekirdeğine ve elektronlara benzer. Niels Bohr'un ilk fark ettiği gibi, elektronlar yalnızca kuantum mekaniği yasalarının izin verdiği belirli yörüngelerde olabilir. Aynı şey gezegenler için de geçerli. Ancak neyse ki, olası yörüngelerin sayısı o kadar fazla ve o kadar yoğun aralıklı ki, pratik amaçlar için, yıldızdan uzaklık dağılımları sürekli olarak kabul edilebilir.

Mersin balığı bilim adamlarının yaşamın varlığına dair iddialarının matematiksel olarak tutarlı olduğunu bilmeleri yeterli değildir. Evrenin, teorik olarak var olabilecek neredeyse her şeyi içerecek kadar büyük ve çeşitli olduğundan emin olmalıdırlar. Evrenin gözlemlenebilir kısmı , her biri en az 10 11 gezegen içeren 10 11 galaksi içerir. Toplamda, sıvı suyun varlığına yönelik özel gereksinimleri karşılamak için 10 22 olasılığımız var. Bu kadar çok gezegenle, kesinlikle yaşanabilir gezegenler olacaktır.

Size birkaç fikir daha vereyim.

X olgusunun antropik bir açıklaması için, X farklı olsaydı, o zaman bizim türümüzde bir yaşamın varlığının imkansız olacağına inanmak için iyi bir nedenimiz olmalıdır . Weinberg'in kozmolojik sabitin değeri hakkında gösterdiği şey buydu.

X tamamen inanılmaz görünse bile , çok sayıda vadiye sahip yeterince zengin bir manzara, X'in yaygın olarak görüldüğü bir vadi içerebilir . Sicim kuramının şaşırtıcı çıkarımlarının devreye girdiği yer burasıdır. Peyzaj halihazırda ABD ve Avrupa'daki üniversitelerde inceleniyor ve bilimsel sonuçların çoğu, sayıları büyük olasılıkla 10.500'ü aşan, hayal edilemeyecek çeşitlilikte vadilerin varlığını gösteriyor .

Son olarak, sicim teorisine dayanan bir kozmoloji, doğal olarak bizi, Peyzajın olası herhangi bir bölgesinin en az bir cep evren tarafından temsil edileceği kadar geniş bir Süpermegaevrene götürmelidir. Enflasyon fikriyle birleşen sicim teorisi, projemiz için çok uygun görünüyor. Ama daha sonraki bölümlerde bunun hakkında daha fazla bilgi.

Antropik ilke, teorik fizik tarafında bir dikendir. Pek çok fizikçi, onun sözüne çok anlamlı bir şekilde tepki veriyor. Bu tepkinin nedenini anlamak zor değil. Antropik ilke, doğaya ilişkin tüm bilgimizin matematik dilinde tam olarak ifade edilebileceği şeklindeki baskın paradigmayı tehdit ediyor. Argümanları geçerli mi? Ayrıca, mantıklı mı?

Akıllı balıkların bakış açısından bazı itirazlarına bakalım. Antropik ilkenin bir bilim değil, bir din olduğu iddiası, bariz bir hedef dışıdır. Andrei ve Alexander'a göre, yarattıklarının çıkarları doğrultusunda dünyaya ince ayar yapmak için ilahi müdahaleye gerek yok. Her halükarda, dünyamızdaki çoğu yer oldukça elverişsiz ve çiplerin hayal edebileceğinden çok daha ölümcül. Aslında, Andrei ve Alexander'ın önerdiği biçimdeki iktiyotropik ilke, herhangi bir mistisizmi dünyanın "şüpheli" tanımından tamamen dışlar.

Daha alakalı olan itiraz, antropik ilkeye başvurarak fiziğin tahmin gücünü kaybettiğidir. Gezegenimizin sıcaklığını, aldığı güneş ışığı miktarını, yılın tam uzunluğunu, gelgitlerin yüksekliğini, okyanusun tuzluluğunu vb. tahmin ettiğimizi iddia edersek bu bir dereceye kadar doğrudur. Çevrenin bazı özelliklerinin bu durumda sadece öngörü gücünün kaybolduğu temelinde açıklanması, irrasyoneldir. Mutlak öngörü gücü talebinin, gezegen biliminin nesnel gerçekleriyle hiçbir ilgisi olmayan duygusal bir temeli vardır.

Akıllı balıkların bilimsel açıklama aramanın geleneksel yollarını terk ettiğinden şikayet etmek, psikolojik rahatsızlığı ifade eder, ancak bilimsel bir dayanağı olmadığı açıktır. Bir noktada çiplerin gereklilikleri dini bir dogmaya dönüşüyor.

Antropik ilke hakkında duyduğum tüm eleştirilerden yalnızca birini ciddi bir bilimsel argüman olarak sınıflandırabilirim. Fikirlerimi paylaşmayan iki yakın arkadaşım Tom Banks ve Mike Dean'e ait. [66]

İşte söyledikleri.

Doğada antropik önemi olmayan bazı ince ayarların olduğunu varsayalım. Örneğin, Güneş ve Ay gökyüzünde aynı görünür boyuta sahiptir. Bir güneş tutulması sırasında, ay diski neredeyse tam olarak güneş diskini kaplar. Bu, güneş astronomisi için çok talihli bir tesadüf: astronomların aksi takdirde ciddi hileler gerektirecek gözlemler yapmalarını sağlıyor. Örneğin, bir tutulma sırasında güneş koronasını inceleyebilirler. Ayrıca Güneş'in yerçekimi alanının güneş yüzeyinin yakınından geçen ışığı saptırdığı açıyı da doğru bir şekilde ölçebilirler. Ancak bu olağanüstü ince ayar, Dünya'da yaşam olasılığı üzerinde hiçbir fark yaratmaz. Dahası, yaşanabilir gezegenlerin çoğunun, gökyüzündeki görünen çapı bir yıldızın görünen çapına bu kadar yakın olan uyduları olmaması muhtemeldir. Uydunun ve yıldızın bu kadar iyi bir konumuna sahip yerleşik dünyalar arasında bir gezegen bulma olasılığı son derece küçüktür. Bu nedenle, beklenmedik tesadüflere inanmıyorsak, dünyamızın açıklaması, yalnızca insani kısıtlamalara tabi rastgele bir seçimden başka bir şey olmalıdır.

Güneş ve Ay'ın görünen boyutlarının çakışması ciddi bir problem değildir. Bu maçın doğruluğu olağanüstü değil. Ortalama görünen boyutlardaki fark yaklaşık yüzde birdir. Yüzde bir tesadüf, yüz vakadan birinde olur. Böyle bir olayın olma olasılığı, trafik kazası geçirme olasılığından daha fazladır. Peki ya Güneş ve Ay'ın görünen boyutları bir trilyon trilyon trilyonda biri içinde aynıysa? Böyle bir tesadüf, bir açıklama gerektirecek kadar olası görünmüyordu. Ve bu açıklama için antropik ilkeye ek olarak başka bir şeyin dahil edilmesi gerekir. Bu, evrenin açıklanamayan benzersiz özelliklerinin, içinde yaşam olasılığı ile herhangi bir ilgisi olduğu fikrini sorgulamaktadır.

Fizik Yasalarının çok ince bir ayar gibi görünen ve antropik bir açıklama gerektirmeyen çok sıra dışı en az bir özelliği vardır. Protonla ilişkilidir, ancak önce onun neredeyse ikizi olan nötronun özelliklerini ele alacağız. Nötron kararsız bir parçacığın bir örneğidir. Çekirdeğe bağlı olmayan nötronlar bozunmadan önce yaklaşık 12 dakika yaşarlar. Tabii ki, nötronun öylece ortadan kaybolamayacak bir kütlesi veya eşdeğer bir enerjisi vardır. Enerji, fizikçilerin korunduğunu düşündükleri bir niceliktir. Bu, toplam enerji miktarının asla değişemeyeceği anlamına gelir. Kesinlikle korunan başka bir nicelik örneği elektrik yüküdür. Bir nötron bozunduğunda, aynı toplam enerjiye ve elektrik yüküne sahip bir şeyle değiştirilmelidir. Doğada, bir nötron bir protona, bir elektrona ve bir antinötrinoya bozunur. Bu reaksiyonda başlangıç ve son enerji ve elektrik yükü aynıdır.

Nötron neden bozunur? Ve bu olmadıysa, mantıklı soru neden dağılmadığı olacaktır? Murray Gell-Mann'in bir keresinde Terence White'tan alıntı yaparak belirttiği gibi, "Yasak olmayan her şey zorunludur." Gell-Mann bu cümle ile kuantum mekaniğinin kuantum dalgalanmalarının bir sonucu olan bir özelliğini ifade etmek istedi: doğa kanunlarının yasaklamadığı her şey er ya da geç olur.

Peki ya protonlar? Belki onlar da çürüyorlar ve eğer öyleyse, neye dönüşüyorlar? En basit seçenek, bir protonun bir foton ve bir pozitrona bozunmasıdır. Bir fotonun yükü yoktur, bir proton ve bir pozitron aynı yüke sahiptir. Bu nedenle, protonların fotonlara ve pozitronlara bozunmasını engelleyebilecek hiçbir sebep yoktur. Bunu yasaklayan hiçbir fiziksel ilke yoktur. Çoğu fizikçi, yeterli zaman verilirse protonun sonunda bozunacağına inanır.

Ancak bir proton bozunabiliyorsa, bu, tüm atom çekirdeklerinin de bozunabileceği anlamına gelir. Hidrojen atomunun çekirdeğini, bildiğimiz tüm atom çekirdeklerinin en kararlısı olarak biliyoruz. Bir protonun ömrü, Evrenin yaşından kat kat fazla olmalıdır.

Protonun bu kadar uzun yaşamasının bir sebebi olmalı. Belki de bu sebep antropik bir karaktere sahiptir? Elbette varlığımız protonun ömrüne belirli kısıtlamalar getiriyor. Açıkçası çok küçük olamaz. Protonun bir milyon yıl yaşayacağını varsayalım. O zaman yaşamım boyunca çok fazla protonun bozunması konusunda endişelenmeme gerek kalmazdı, ama evren 10 milyar yıldan daha eski olduğuna göre, eğer bir proton yalnızca bir milyon yıl yaşasaydı, tüm protonlar ben doğmadan çok önce bozunmuş olurdu. Bu nedenle, bir protonun yaşam süresi üzerindeki antropik sınır, bir insan yaşamının süresini çok aşar. Proton en az 14 milyar yıl yaşamalı.

Aslında, antropik ilkenin bakış açısından, bir protonun ömrü Evrenin yaşından çok daha uzun olmalıdır. Bir protonun ömrünün 20 milyar yıl olduğunu varsayalım. Kararsız parçacıkların bozunması, herhangi bir zamanda meydana gelebilecek öngörülemeyen bir olaydır. Bir protonun ömrü 20 milyar yıl dediğimizde ortalama istatistiksel ömrü kastediyoruz ama aynı zamanda bazı protonlar bir yıl içinde bozunacak, bazıları ise bir trilyona kadar yaşayacak.

Vücudumuz yaklaşık 10 28 protondan oluşur. Ortalama proton ömrü 20 milyar yıl olan insan vücudundaki yaklaşık 1018 proton bir yıl içinde bozunur. [67] Bunlar protonlarınızın çok küçük bir kısmıdır, dolayısıyla onlardan sonra bozunacağınız konusunda endişelenmenize gerek yoktur, ancak her proton yüksek enerjili parçacıklara bozunur: fotonlar, pozitronlar ve pionlar. İnsan vücudunda uçan bu parçacıklar radyasyonla aynı etkiye sahiptir - canlı hücreleri öldürürler. İnsan vücudunda bir yıl içinde 10 18 proton bozunursa bu mutlaka bir insanı öldürür. Böylece, proton ömrü üzerindeki antropik kısıtlamanın ilk bakışta göründüğünden çok daha güçlü olduğu ortaya çıkıyor. Yargılayabildiğimiz kadarıyla, bir protonun ömrü, Evrenin ömründen en az bir milyon kat daha uzun, yani en az 10 16 yıl olmalıdır - varlığına yönelik tehditten kaçınmanın tek yolu bu. hayat. İnsani gerekçelerle, proton ömrünün 10 16 yıldan az olduğu, yaşama uygun peyzaj vadileri listesinden her şey çıkarılmalıdır .

16 yıldan çok daha uzun yaşadığını biliyoruz . Bir su deposunda yaklaşık 10 33 proton vardır ve bir yılda bir protonun bozunmasını bekliyorsak, bir protonun ömrü 10 33 yıl olmalıdır. Bir protonun bozunmasını kaydetmeyi uman fizikçiler, fotoelektrik sensörlerle donatılmış devasa yeraltı su depoları inşa ettiler. Sofistike modern dedektörler, tek bir çürüyen parçacıktan gelen bir ışık parlamasını algılayabilir. Ama şimdiye kadar hepsi boşuna. Tüm bu deneyler boyunca, protonun tek bir bozunması kaydedilmedi. Bu, proton ömrünün önemli ölçüde 10 33 yılı aştığını gösterir , ancak bu tür proton ömrünün nedeni bilinmemektedir.

16 - 10 17 yıl yaşadığı vadileri içermemesi için herhangi bir neden bilmememiz sorunu daha da karmaşık hale getiriyor . Potansiyel olarak, bu tür vadilerin sayısı, yaşam için daha elverişli olan vadilerin sayısını önemli ölçüde aşabilir.

Bütün bunlar ciddi endişelere neden oluyor, ancak büyük olasılıkla teori üzerinde çalışmayı durdurmayacak. Ne yazık ki, yaşanabilir vadilerinin yüzde kaçının bu kadar uzun ömürlü protonlar içerdiğini tahmin etmek için Peyzaj hakkında yeterli bilgiye sahip değiliz. Ancak iyimserlik için nedenler var. Standart Model, ek modifikasyonlar olmadan proton bozunmasına izin vermez. Bu yasağın antropik ilke ile hiçbir ilgisi yoktur. Proton bozunmasını yasaklayan Standart Model'in matematiksel bir özelliğidir. Tipik bir yaşanabilir vadi, Standart Modele benzer bir şey gerektiriyorsa, proton kararlılığı bununla birlikte bir bonus olarak gelebilir.

Ancak Standart Model'in eksik olduğunu biliyoruz. Yerçekimi içermez. Standart Model, temel parçacıkların davranışını çok iyi tanımlamasına rağmen, daha eksiksiz bir başka modelle değiştirilmelidir. Standart Modelin yerini alacak birçok yarışmacı var. Örneğin, iddialı adına rağmen çok umut verici görünen Büyük Birleşik Teori adlı bir teori. Standart Modelin Büyük Birleşik Teoriye en basit genellemesi, proton ömrünün 10 33 - 10 34 yıl mertebesinde bir tahminini verir.

Standart Model'in çok iyi geliştirilmemiş başka uzantıları da vardır. Bunlardan biri, süpersimetriye dayalıdır ve çok daha kısa bir proton ömrüne yol açar ve düzeltilmesi gerekir. Geniş kapsamlı sonuçlara varmadan önce çok daha fazla bilginin elde edilmesi gerekiyor. Neyse ki, yakın gelecekte parçacık fiziği deneyleri, umarız hem Standart Model'in geçerliliğine hem de protonun olağandışı kararlılığının nedenlerine ışık tutacaktır. Bizi izlemeye devam edin - birkaç yıl içinde devam etti.

Felsefi itirazlar
 

[68] "Antropik İlkeye Bilimsel Alternatifler" makalesinin ek açıklamasında şöyle yazar:

"Makale, antropik ilkenin neden herhangi bir yanlışlanabilir tahminde bulunamayacağını ve bu nedenle bilimin bir parçası olamayacağını ayrıntılı olarak açıklıyor."

Makalenin girişinde şöyle devam ediyor: “… Birçoğu saygı duyulan ve beğenilen bilim adamları olan aklı başında insanların bu yaklaşımı ne kadar desteklediğini görünce, yıllardır yaşadığım hayal kırıklığı hissini ifade etmek için kasıtlı olarak böylesine kışkırtıcı bir başlık seçtim. bilim dışı doğası çıplak gözle görülebilen kozmolojik soruna. Elbette antropik ilkeyi kastediyorum. Bilim dışı derken, bilimsel olarak kabul edilme hakkını iddia eden herhangi bir hipotez veya teorinin temel bir özelliği olan çok özel bir şeyi kastediyorum. Bu şeye yanlışlanabilirlik denir. [Filozof] Popper'a göre, bir teori, eğer temelinde, olası olumsuz sonuçları prensipte bu teorinin en az bir konumunun çürütülmesi olarak kabul edilebilecek, deneyler oluşturmak için kesin tahminler elde etmek mümkünse yanlışlanabilir. teori .

Richard Feynman bir keresinde şöyle demişti: "Filozoflar, bilim için kesinlikle gerekli olan şeyler hakkında çok konuşurlar ve bu, görülebildiği kadarıyla, her zaman oldukça safça ve muhtemelen yanlıştır." Feynman'ın aklında, diğerleri arasında, Popper vardı. Feynman gibi çoğu fizikçi, bir başkasının teorisinin bilim dışı olduğunu kanıtlamak için onu kullanmaya çalışmadıkça, genellikle felsefeye ilgi göstermezler.

Açıkçası, antropik ilkenin ürettiği felsefi söylemden kaçınmayı tercih ederim. Ancak haber bültenlerinde ve internet bloglarında neyin bilimsel neyin bilim dışı olmadığına dair popperazzi vaazları o kadar agresif hale geldi ki, ona cevap verme ihtiyacı hissettim. Bilimde katı felsefi kuralların değeri konusundaki görüşüm, Feynman'ınkiyle örtüşüyor. Edge.org'daki bir tartışmadan bir alıntı yapmama izin verin. Bunlar, Smolin'in çalışmasına yanıt olarak yazılan kısa mesajlardır. Smolin'in argümanlarından da alıntı yapıyorum çünkü bunlar düşündürücü ve ilginç.

Bir bilim adamı olarak uzun yıllara dayanan kariyerim boyunca, pek çok önemli ve ilginç fikirle ilgili olarak yanlışlanamazlık suçlamaları duydum ki, bir teori için böylesine maruz kalmaktan daha büyük bir değer olmadığı inancına yönelmeye başladım. eleştiri. Bazı örnekler vereceğim:

"Psikolojiden. Muhtemelen herkesin gizli bir duygusal yaşamı olduğu ifadesine herkesin katıldığını düşünüyorsunuz. BF Skinner aynı fikirde değil. Doğrudan gözlemlenemeyen her şeyi bilim dışı kabul eden davranışçılık denen bir bilim dalının gurusuydu. Davranışçılara göre psikolojinin tek konusu dışsal davranışlardır. Hastanın duygusal iç dünyasıyla ilgili iddialar, yanlışlanamaz ve bilimsel olmadığı gerekçesiyle dışlandı. Bugün çoğumuz bunun aptalca bir aşırılık olduğunu söyleriz. Modern psikoloji, duygular ve onların gelişimi ile derinden ilgilenir.

“Fizikten. Kuark teorisinin ilk günlerinde, muhaliflerinin çoğu teoriyi yanlışlanamaz olmakla suçladı. Kuarklar sürekli olarak protonlar, nötronlar ve mezonlar şeklinde birbirine bağlıdır. Ayrılamazlar ve ayrı ayrı kaydedilemezler. Tabiri caizse, sürekli olarak çeşitli türden perdelerin arkasına gizlenirler. Kuark fikrini eleştiren fizikçilerin çoğu, kuarkların uymadığı temel parçacıklar hakkında kendi fikirlerine sahipti. Ancak, şimdiye kadar hiç kimse serbest bir kuark kaydetmemiş olmasına rağmen, bugün hiç kimse kuark teorisinden şüphe duymuyor. Bugün kuark modeli, modern fiziğin temelinin bir parçasıdır.”

“Başka bir örnek, Alan Guth'un şişme kuramıdır. 1980'de, enflasyonist genişleme çağına bakmak ve bu fenomenin doğrudan kanıtlarını görmek imkansız görünüyordu. "Son saçılma yüzeyi" adı verilen aşılmaz bir perde, şişme sürecini görme girişimlerini engelledi. Birçoğumuz, şişme teorisini test etmenin iyi bir yolunun olmaması konusunda çok endişeliyiz. Genellikle rakip hipotezlerin yazarları olan bazıları, şişme teorisinin yanlışlanamaz ve dolayısıyla bilim dışı olduğunu savundu.

"Lamarck'ın muhafızlarının Darwin'i eleştirdiğini hayal edebiliyorum: 'Teorin yanlışlanamaz, Charles. Zamanda geriye gidemezsin, milyonlarca yıllık doğal seçilim. Her zaman yalnızca ikinci dereceden kanıtlara ve yanlışlanamaz hipotezlere sahip olacaksınız. Aksine, Lamarckçı teorimiz yanlışlanabilir olduğu için bilimseldir . Tek yapmamız gereken, her gün birkaç saatini spor salonunda ağırlık kaldırarak geçiren bir popülasyonu izole etmek ve birkaç nesil sonra çocukları zaten kasları pompalanmış olarak doğacak.” Lamarckçılar haklıydı: teorileri kolayca yanlışlanabilir - hem de fazlasıyla kolay. Ancak bu, onu Darwin'in teorisinden daha iyi yapmaz."

“Dünyanın 6000 yıl önce tüm jeolojik oluşumlarla, izotop bolluğuyla ve dinozor kemikleriyle yaratıldığını iddia edenler var. Hemen hemen tüm bilim adamları, Popper'ın çalışmasını işaret ediyor ve şöyle diyor: "Yanlışlanamaz!" Ve onlarla aynı fikirde olmaya hazırım. Ama sonuçta Evren'in bu şekilde yaratılmadığını iddia eden karşıt bakış açısı da yanlışlanamaz. Bu arada, yaratılışçıların söylediği de tam olarak bu. Katı yanlışlanabilirlik kriteri, bilimsel ve yaratılışçı yaklaşımları eşit derecede bilim dışı kılar."

Umarım bu pozisyonun saçmalığı okuyucu için açıktır.

“İyi bilimsel metodoloji, filozoflar tarafından dikte edilen soyut bir kurallar dizisi değildir. Bilimin kendisi ve bu bilimi yaratan bilim adamları tarafından şartlandırılır ve belirlenir. 1960'larda bir fizikçi için bilimsel kanıt olabilecek bir şey, yani izole edilmiş bir parçacığın keşfi, serbest bir kuark bulmayı ümit edemeyen modern bir kuantum kromodinamiği için uygun değildir. Arabayı atın önüne koymayalım. Bilim, felsefenin arabasını çeken attır."

"Tanımladığım her durumda -kuarklar, şişme, Darwinci evrim- suçlayanlar, insanın yaratıcılığını hafife alma hatasına düştüler. Oluşturulmasından sadece birkaç yıl sonra, kuark teorisi dolaylı olarak en yüksek doğrulukla doğrulandı. Gözlemlerin enflasyon teorisini desteklemesi 20 yıl sürdü. Ve 100 yıl, Darwin'in fikirlerinin deneysel olarak doğrulanmasını beklemek zorunda kaldı (bazı insanlar, Darwinizm'in kesin sınavının henüz gelmediğine inanıyor). Bir asır sonra biyologların kullanımına sunulan güçlü araştırma yöntemleri, Darwin'in zamanında kesinlikle düşünülemezdi. Sürekli enflasyon ve Peyzaj teorisini test etmek mümkün olacak mı? Elbette öyle düşünüyorum, ancak kuarklarda olduğu gibi, bu, istediğimizden daha büyük ölçüde tamamen teorik hesaplamalara dayanan yalnızca dolaylı bir kanıt olarak ortaya çıkacak.

Bu materyal yazıldıktan sonra, aşırı popperizmin birkaç örneğini daha hatırladım. En çarpıcı örnek, 1960'larda geçerli olan ve temel parçacıklar çok küçük olduğu için iç yapılarını açıklamaya çalışan herhangi bir teorinin yanlışlanamaz ve dolayısıyla bilim dışı olduğunu belirten S-matris teorisidir [69] . Yine, artık kimse bunu ciddiye almıyor.

19. yüzyılın sonlarından açıklayıcı bir örnek, ünlü bilim adamlarından biri olan Ernst Mach ile ilişkilidir. Mach bir fizikçi ve filozoftu. Çalışmaları Wittgenstein'a ve mantıksal pozitivistlere ilham verdi. Bilimsel faaliyetlerde aktif olarak yer aldığı zamanlarda, maddenin moleküler yapısı hipotezi hala kanıtlanmamış bir hipotezdi ve bu, Einstein'ın Brownian hareketi üzerine ünlü çalışmasını yayınladığı 1905 yılına kadar devam etti.

Boltzmann, gazların özelliklerinin atom teorisiyle açıklanabileceğini zaten göstermiş olmasına rağmen, Mach henüz kimsenin atomların gerçekliğini kanıtlayamadığı konusunda ısrar etti. Atom teorisinin yararlı bir matematiksel model olarak hizmet edebileceğini kabul etti, ancak inatla yanlışlamanın imkansızlığının onun gerçek bir bilimsel teori statüsünü baltaladığını savundu.

Yanlışlama, bence kırmızı ringa balığı, ancak doğrulama tamamen farklı bir hikaye (belki de Smolin'in aslında kastettiği buydu). Doğrulama derken, bir hipotezi çürütecek kanıtın yokluğunu değil, bir hipotez için doğrudan olumlu kanıtı kastediyorum. Bölüm 11'de açıklanan sonsuz genişleme teorisi ve çoklu cep evrenlerin varlığı, akıllı balıkların ihtiyotropik ilke versiyonlarını doğrulayabilecekleri şekilde doğrulanamaz. Mersin balıkları, doğa kanunlarını ihlal etmeden suyla dolu ağır hizmet gemileri inşa edebilir, içlerinde okyanusun yüzeyine çıkabilir ve diğer gezegenleri, yıldızları ve galaksileri gözlemleyebilir. Belki de bu gök cisimlerini ziyaret edebilir ve çok çeşitli farklı koşulların varlığını doğrulayabilirler. Ne yazık ki, cep evrenler için böyle bir araştırma programının önünde aşılmaz engeller var (bkz. Bölüm 12). Temel nokta, bizi diğer ceplerden ayıran kozmik ufukların varlığıdır. 11. ve 12. bölümlerde ufukları ve bunların gerçekten bilgi için aşılmaz bir engel olup olmadığını tartışacağız. Ancak, öngörülebilir bir gelecekte başka evrenleri doğrudan gözlemlemenin hiçbir yolu olmadan kendi cebimize tıkılıp kaldığımız yönündeki eleştiriler kesinlikle haklı. Kuarklarda olduğu gibi, doğrulama doğrudan olmayacak ve öncelikle teorik kanıtlara dayanacaktır.

Katı felsefi kurallar söz konusu olduğunda, birinin yanlışlanabilirlik hakkındaki felsefi sözlerini ihlal ettiği için bir fikri reddetmek aptallığın zirvesi olacaktır. Böyle bir şey olduğunda eleştirmenlere yanıt vermenin doğru yolu nedir? Bence söylenmesi gereken tek şey, etrafımızda gözlemlediğimiz kalıplara açıklamalar bulmak için elimizden gelenin en iyisini yaptığımızdır. Zaman iyi teorileri kötü teorilerden ayıracak ve bilimin bir parçası haline gelecekler. Kötü teoriler tarihin çöplüğünde hak ettikleri yeri alacaktır. Weinberg'in vurguladığı gibi, kozmolojik sabitin küçüklüğüne antropik argümandan başka bir açıklamamız yok. İnsancıl ilke bilimin bir parçası mı olacak yoksa rafa mı kaldırılacak? Ne katı felsefi kurallar ne de bilim adamları bu soruyu cevaplamaya yardımcı olamaz. Generallerin her zaman son savaşa hazırlanmaları gibi, filozoflar da her zaman yalnızca geçmiş bilimsel devrimlerle ilgilenir.

Bu bölümü bitirmek için, antropik ilkeye yönelik en popüler itirazlardan birini tartışmak istiyorum. Özü, antropik ilkenin yanlış olmaması, sadece aptalca bir totoloji olmasıdır. " Elbette dünya öyle bir yer olmalıdır ki, içinde hayat mümkün olsun. Hayat gözlemlenebilir bir gerçektir. Ve tabii hayatın olmadığı yerde Evreni gözlemleyecek ve bu aptalca soruları soracak kimse de yok. Ve bundan ne çıkar? Antropik ilkenin bize kendi varoluşumuz gerçeğinden başka yeni bir şey söylemediği .

Yeni bir ilke tanıtalım - buna holotropik diyeceğim . Holotropik Prensip, "Nasıl oluyor da bu kadar büyük ve güçlü bir beyne sahibiz?" sorusunu cevaplamak için tasarlanmıştır. İşte cevap şöyle geliyor:

"Biyolojik yasalar, en az 1400 cm3'lük son derece gelişmiş bir beyne sahip bir canlı gerektirir, çünkü böyle bir beyin olmadan kimse biyoloji yasalarının ne olduğuyla ilgilenmez."

Doğru olmasına rağmen bu son derece aptalca geliyor. Bununla birlikte, holotropik ilke gerçekte daha uzun ve daha ilginç bir hikayenin kısa bir kaydıdır. İki olası hikaye bile. İlk hikaye yaratılışçılar hakkındadır.

Tanrı insanı, insanın Tanrı'ya hamd etmesi ve O'na ibadet etmesi için yarattı. Bu hikayeyi unutalım. Bilimin görevi bu tür hikayeleri çürütmektir.

Diğer hikaye çok daha karmaşık ve umarım ilginçtir. Birkaç özelliği vardır. Her şeyden önce, Fizik ve Kimya Yasalarının zekayı gösterebilen bilgisayar benzeri sinir ağlarının varlığına nasıl izin verdiğinden bahsediyor. Başka bir deyişle, biyolojik yapılar manzarası, duyarlı olarak adlandırdığımız az sayıda çok özel yapılar içerir. Bu önemsiz değil.

Ancak hikayenin devam etmesi gerekiyor - bu taslak tasarımı deneysel bir çalışma modeline dönüştürme mekanizması. Darwin'in devreye girdiği yer burasıdır. Rastgele kopyalama hataları, doğal seçilimle birlikte, dalları, hayatta kalmaları zihinsel yetenekleri tarafından belirlenen yaratıkların nişleri de dahil olmak üzere, mevcut tüm nişleri dolduran bir ağaç veya çalı görünümüne yol açar. Bu mekanizma bir kez anlaşıldığında, "Sabahları neden bu kadar büyük bir beyinle uyanıyorum?" kesin bir holotropik yanıt alır: "Çünkü yalnızca büyük beyin soru sorar."

Antropik ilke de bir o kadar saçma gelebilir. "Fizik Yasaları yaşamın varlığına izin vermelidir, çünkü onlar yaşamın varlığına izin vermeselerdi, o zaman Fizik Yasalarının yaşamın varlığına neden izin verdiğini sorabilecek kimse olmazdı." Eleştirmenler haklı - kulağa aptalca geliyor, herhangi bir mekanizmayı, Fizik Yasalarının seçiminin varlığımız üzerindeki etkisini açıklamadan bariz gerçeğin basit bir ifadesi (biz varız, bu nedenle doğa yasaları varlığımıza izin vermelidir). Ancak antropik ilke, fevkalade zengin bir manzaranın mevcudiyetinin kısa bir kaydı ve onun yerleşim mekanizmasının (bkz. 11. Bölüm) cep evrenlerle açıklanması olarak algılanırsa, o zaman artık önemsiz görünmez. Sonraki birkaç bölümde, en iyi matematiksel teorimizin bize tam da böyle bir manzara sağladığına dair kanıtlar sunacağım.

Bölüm 7
 

Kozmolojik sabitin inanılmaz derecede ince ayarlanması da dahil olmak üzere önceki bölümlerde anlatılan çok sayıdaki mutlu tesadüfler, en azından onları kontrolden çıkarmamak için antropik argümanları dinlememiz için bize iyi bir neden veriyor. Ancak bahsedilen tesadüfler tek başına beni bu konuda kesin bir tavır almaya ikna etmez. Şişme teorisinin başarısı (şişme, devasa bir evreni ima eder) ve boşluğun düşük enerji yoğunluğunun keşfi, antropik prensibi çekici hale getirdi, ancak kişisel olarak benim için, "devenin sırtını kıran çöp", sicim teorisinin gerçek olduğunun anlaşılmasıydı. görünüşte kısır bir yönde ilerliyor. Tek bir benzersiz fizik kanunları sistemine yaklaşmak yerine, sürekli büyüyen bir Rube Goldberg makineleri hurdalığı yarattı. Tek, benzersiz bir sicim dünyasına ulaşma hedefinin bir serap gibi sürekli geri çekildiğini ve böyle benzersiz bir dünya arayan teorisyenlerin başarısızlığa mahkum olduğunu hissettim.

Ama yaklaşan felaketten yararlanmak için olağanüstü bir fırsat sezdim: sicim kuramı bize antropik ilkenin anlam ifade edeceği bir tür teknik çerçeve sağlayabilir. Tek sorun, sicim teorisi pek çok olasılık sunsa da yeterli bir teori olmamasıydı. Arkadaşlarıma sordum: “Calabi-Yau çeşitlerinin sayısının sadece birkaç milyon olduğundan emin misiniz?” Matematiksel jargonu bir kenara bırakırsak, sorum şuna indirgendi: "Sicim kuramındaki boşluğun farklı versiyonlarının sayısının (ya da aynı şey nedir, Peyzaj'ın farklı vadilerinin sayısının) birkaç milyon olarak tahmin edildiğinden emin misiniz? ” 120 ondalık basamağa indirgemenin okyanusta bir damladan daha az olduğunu açıklamaya çalışırken birkaç milyon olasılık.

Ancak 2000 yılında, Stanford Üniversitesi'nden genç bir "post-doc" Rafael Busso, Santa Barbara'daki California Üniversitesi'nden eski arkadaşı Joe Polchinski ile birlikte olası vakum sayısının nasıl bu kadar çok hale gelebileceğini açıklayan bir makale yayınladığında her şey değişti. 120 basamaklı tüm sayı uydurma seçeneklerini kolayca kapsayacak kadar büyük. Yakında Stanford'daki meslektaşlarım Shamit Kachru, Renata Kallosh, Andrey Linde ve Hintli fizikçi Sandeep Trivedi bu sonucu doğruladı. İhtiyacım olan buydu. Doğanın ince ayarının sicim kuramı ve bazı antropik argümanlarla tamamen rasyonel bir açıklamasının tamamen mümkün olduğu sonucuna vardım. Hala vızıldayan bir eşekarısı yuvasını karıştıran "Sicim Teorisinin Antropik Manzarası" adlı bir makale yazdım. Böylece, sicim teorisinin hikayesine adanmış üç bölümden (7, 8 ve 10) ilkine başlıyorum.

hadronlar
 

James Joyce, "Mr. Mark için üç kuark" diye yazmıştı. Murray Gell-Man, "Bir proton için üç kuark, bir nötron için üç kuark ve bir mezon için antikuarklı bir kuark" dedi. Fetiş gibi kelimelere düşkün olan Murry, yüksek enerji fiziğinin kelime dağarcığını "kuark", "tuhaflık", "kuantum kromodinamiği", "akım cebiri", "sekiz katlı yol" gibi terimlerle zenginleştirdi. Hadron tabirinin de ona ait olup olmadığından emin değilim. [70] Başlangıçta hadronlar, nükleonların (protonlar ve nötronlar) bazı özelliklerini birleştiren bir şey olarak tanımlandı. Bugün bir hadronun, kuarklar ve gluonlardan oluşan bir parçacık olarak kesin bir tanımına sahibiz. Başka bir deyişle, bunlar kuantum renk dinamiğinin tanımına konu olan parçacıklardır (bkz. Bölüm 1).

Hadron kelimesi ne anlama gelir ? Yunanca ἁδρός kelimesi "kaslı" veya "güçlü" anlamına gelir. Bu durumda, "güçlü" kelimesi parçacığın kendisine değil - bir protonu kırmak, örneğin bir elektronu kırmaktan çok daha kolaydır - hadronlar arasında hareket eden kuvvetleri ifade eder. Temel parçacık fiziğinin en eski başarılarından biri, aralarındaki dört tür etkileşimin keşfiydi. Bu etkileşimler arasındaki temel fark, parçacıkların birbirine etki ettiği kuvvettir. Parçacıklar arasındaki en zayıf etkileşim türü yerçekimidir . Bir sonraki güç, sözde zayıf etkileşim , ardından uzun süredir bilinen elektromanyetik ve son olarak , bazen nükleer olarak adlandırılan güçlü etkileşim .

Tüm kuvvetlerin en iyi bilineni olan yerçekiminin en zayıfı olması size garip gelebilir. Ama bir an için düşünün. Yerçekimi bizi yüzeyinde tutmak için Dünya'nın tüm kütlesini kullanmalıdır. Ortalama bir insanın yüzeyinde duran Dünya ile etkileşime girdiği kuvvet sadece 70 kilogramdır. Bu kuvveti insan vücudundaki atom sayısına bölün ve atom başına düşen kuvvetin ihmal edilebilir olduğu ortaya çıkar.

Ama elektrik kuvvetleri yerçekiminden çok daha güçlüyse, neden bizi Dünya'nın yüzeyinden uzağa atmıyorlar ya da tam tersine bizi ona bulaştırmıyorlar? Herhangi iki nesne arasında hareket eden yerçekimi kuvvetleri her zaman çekici kuvvetlerdir (kozmolojik sabitten sorumlu olan itici bileşen hariç). Vücudumuzdaki her elektron ve her atom çekirdeği, Dünya'nın her elektronunu ve her atom çekirdeğini çeker. Bu, bireysel parçacıklar arasında hareket eden kuvvetlerin son derece küçük olmasına rağmen, somut bir toplam çekici kuvvetin ortaya çıkmasına yol açar. Yerçekiminin aksine, elektrik kuvvetleri yüklerin işaretine bağlıdır ve hem çekici hem de itici kuvvetler olabilir. Bir elektron ve bir proton gibi zıt yükler birbirini çekerken, aynı isimli yükler, örneğin iki elektron veya iki proton birbirini iter. Ancak hem vücudumuz hem de tüm Dünya, elektrik çekim kuvvetlerinin itici kuvvetleri tamamen telafi etmesinin bir sonucu olarak, sayıları neredeyse aynı olan pozitif ve negatif yüklerden oluşur. Ancak geçici olarak tüm elektronları bedenlerimizden ve Dünya'nın tüm atomlarından uzaklaştırdığımızı varsayalım. Kalan pozitif yükler, karşılıklı yerçekimsel çekim kuvvetinden kat kat daha büyük bir kuvvetle itilecek. Ne kadar üstün? Yaklaşık 10 40 kez - bir kırk sıfır! Böyle bir kuvvetin etkisi altında, neredeyse ışık hızıyla anında Dünya yüzeyinden dışarı atılacaksınız. Gerçekte, bu asla olamaz. Vücudumuzdaki pozitif yükler birbirini o kadar güçlü bir şekilde itecek ki, anında paramparça olacağız. Ve aynı şey Dünya'nın başına gelecek.

Elektriksel kuvvetler yerçekimi olmayan kuvvetlerin ne en güçlüsü ne de en zayıfı değildir. Sıradan parçacıkların çoğu sözde zayıf kuvvet aracılığıyla etkileşime girer . İyi bir örnek, yalnızca zayıf (yerçekimi sayılmaz) etkileşimlere katılan nötrinolardır. Zayıf kuvvetler gerçekten o kadar zayıf değildir, ancak yalnızca çok kısa mesafelerde çalışırlar. Etkileşim için iki nötrino birbirine inanılmaz derecede yakın olmalıdır - bir protonun yaklaşık binde biri çapında. Eğer böyle bir mesafedeyseler, o zaman iki nötrino arasındaki zayıf etkileşimin büyüklüğü, iki elektron arasındaki elektromanyetik etkileşimin büyüklüğü ile yaklaşık olarak aynı olacaktır, ancak normal koşullar altında, zayıf etkileşimin gücü sadece küçük bir kısımdır. elektromanyetik olanın gücünden. Zayıf kuvvetler o kadar küçüktür ki, Güneş'in iç kısmında üretilen nötrinolar, Güneş'in tüm kalınlığı boyunca ve Dünya'nın içinden, gözle görülür bir bozulma olmadan kolayca geçer. Aslında, bir ışıkyılı kalınlığındaki bir kurşun tabakasından geçebilirler.

Son olarak, atom çekirdeğini oluşturan parçacıkları bir arada tutan tüm kuvvetlerin en güçlüsüne geldik. Çekirdek, elektriksel olarak nötr nötronlardan ve pozitif yüklü protonlardan oluşur. Çekirdekte negatif yük yoktur. Neden patlamıyor? Çünkü protonlar ve nötronlar, elektrostatik itmelerinden yaklaşık 50 kat daha büyük bir kuvvetle birbirlerini çekerler. Bireysel protonları oluşturan kuarklar, daha da büyük bir kuvvetle birbirlerini çekerler. Neden vücudumuzdaki protonlar ve nötronlar, Dünya'daki proton ve nötronlara aynı büyük kuvvetle çekilmiyor? Çünkü nükleer kuvvetler, zayıf olanlar gibi, kısa menzillidir. Protonların elektriksel itmesinin üstesinden ancak protonlar birbirine yakın olduğunda gelebilirler. Parçacıklar birbirinden birkaç proton çapından daha fazla uzaklaşır uzaklaşmaz, güçlü etkileşim önemsiz hale gelir. Güçlü etkileşim, hadronları oluşturan temel parçacıklar olan kuarklar arasında hareket eden kuvvetlere dayanır.

Temel parçacık fiziği hakkında "meslekten olmayanlara" bahsetmem gerektiğinde, genellikle bir rahatsızlık, bir tür utanç hissediyorum. Dışarıdan, bir çöplük gibi görünüyor, kütleleri herhangi bir yasaya uymayan temel parçacıkların heterojen bir koleksiyonu; ve her şeyi kontrol eden dört güç, sebeplerinde hiçbir anlam, hiçbir anlam olmayan, uygunsuz bir şekilde öne çıkıyor. Brian Green'in iddia ettiği gibi evren "zarif" mi? Anlayabildiğim kadarıyla hayır. Her neyse, Parçacık Fiziği Yasalarına bakıyorum. Ancak Megaevrenin sonsuz çeşitliliği bağlamında belirli bir düzenlilik vardır: tüm kuvvetler ve en temel parçacıklar kesinlikle gereklidir. Herhangi bir parçacığın yasalarından herhangi birini veya özelliklerinden herhangi birini biraz bile değiştirin ve bildiğimiz şekliyle yaşam imkansız hale gelir.

Sicim teorisinin kökeni
 

1960'lardaki teorik yüksek enerji fiziği çok alışılmadık bir ideolojiyle çalışıyordu. Bazı yönlerden bu ideoloji, davranışçılığın gurusu fizyolog B. F. Skinner'ın fikirleriyle uyumludur . Skinner'a göre bir fizyolog, bir kişinin içsel zihinsel durumuyla ilgilenmemelidir. İç psikolojik dünya diye bir şeyin olmadığını iddia edecek kadar ileri gitti. Fizyologun görevi, öznenin içsel hislerini, düşüncelerini veya duygularını yargılamaya çalışmadan, deneğin dış davranışını gözlemlemek, ölçmek ve kaydetmektir. Bir davranışçı için kişi, girdideki duyulardan gelen sinyalleri çıktıdaki davranışa dönüştüren bir kara kutudur.

S-matris teorisi denir . 1960'ların başlarında, ben hâlâ öğrenciyken, Berkeley'deki pek çok ileri düzey kuramcı, fizikçilerin hadronların iç işleyişini açıklamaya çalışmamaları, bunun yerine hadron fiziğinin yasalarını saçılma matrisi adı verilen bir kara kutu olarak ele almaları gerektiğini düşündüler. veya basitçe S-matris. . Davranışçılar gibi, S matrisinin savunucuları da teorik fiziğin kesinlikle deneysel veri alanıyla sınırlandırılmasını ve (o zamanlar inanıldığı gibi) saçma sapan küçük mesafelerde, örneğin bir odanın içinde meydana geldiği iddia edilen gözlemlenemeyen fenomenler hakkında spekülasyon yapılmamasını talep ettiler. proton.

Birbiriyle çarpışan belirli bir parçacık seti kara kutunun girişine beslendi. Protonlar, nötronlar, mezonlar ve hatta atom çekirdeği olabilir. Her parçacık, momentum, dönüş, elektrik yükü ve diğer bireysel özelliklerle karakterize edildi. Bu parçacıklar mecazi bir kara kutunun içinde kayboldu ve ardından çıktıda başka bir parçacık grubu kaydedildi - yine her biri kendi bireysel özelliklerine sahip olan bir çarpışmanın sonucu. Berkeley dogması, mekanizmasının yapısını bulmak amacıyla kara kutunun içine bakmayı yasakladı. Elimizdeki tek şey parçacıkların ilk ve son kümeleriydi. Girişte yüksek enerjili parçacık ışınlarına ve çıkışta çarpışma ürünlerini kaydeden detektörlerden gelen verilere sahip olan bu yaklaşım, hızlandırıcılardaki deneycilerin yaptıklarıyla tamamen tutarlıydı.

S-matrisi basitçe kuantum mekaniksel olasılıkların bir tablosudur. Bir girdiniz var ve S-matrisi size çıktı olarak ne elde edebileceğinizin olasılıklarını söylüyor. Olasılık tablosu, kara kutuya giren ve çıkan parçacıkların yönlerine ve enerjilerine bağlıdır ve 1960'ların ortalarındaki hakim ideolojiye göre, parçacık teorisi kesinlikle S-matrisinin bunlara bağımlılığının incelenmesiyle sınırlandırılmalıdır. değişkenler. Geri kalan her şey yasaktı. İdeologlar, bilim için neyin en iyi olduğunu en iyi bildiklerine karar verdiler ve bilimsel saflığın koruyucuları oldular. S-matris teorisi, fiziğin ampirik bir bilim olduğunu sağlıklı bir şekilde hatırlattı, ancak davranışçılar gibi, S-matris felsefesi de onları çok ileri götürdü. Benim için bu, inanılmaz derecede renkli bir dünyayı gri, donuk bir muhasebe tabloları sterilizatörüne doldurmak gibiydi. Ve isyan ettim. Ama isyana uygun bir teorim yoktu.

1968'de genç İtalyan fizikçi Gabriele Veneziano, İsrail'de Weizmann Enstitüsü'nde yaşıyor ve çalışıyordu. S-matris teorisi meselelerinde ideolojik olarak anlayışlı değildi, ancak S-matrisiyle ilgili bir matematik problemiyle meşguldü. S matrisinin karşılaması gereken belirli teknik gereksinimler vardı, ancak o zamana kadar hiç kimse bu gereksinimleri karşılayan tek bir matematiksel ifade yazamadı. Veneziano en az birini bulmaya çalıştı. Girişimi parlak bir başarı ile sona erdi. Bugün "Veneziano genliği" olarak bilinen son derece doğru bir sonuç elde etti. Ancak bu, bazı parçacıkların iç yapısının bir görüntüsü veya çarpışma süreçlerinin bir görselleştirmesi değildi. Veneziano genliği güzel bir matematiksel ifadeydi - zarif bir matematiksel olasılıklar tablosu.

Bir anlamda hala devam eden sicim teorisini keşfetme süreci, kaderin cilvesi, talihin ihanetleri ve sezgisel kavrayışlarla dolu olmuştur. Benim onunla olan ilişkim 1968'in sonlarında veya 1969'un başlarında başladı. Temel parçacıkların problemlerinden bıkmaya başladım; Kavramları yeni derin ilkeler açısından sunacak çok az şey varmış gibi görünen hadronlardan özellikle rahatsız olmuştum. S-matris yöntemini sıkıcı buldum ve kuantum mekaniği ile kütle çekimini birlikte ele almayı düşünmeye başladım. Mevcut tüm deneysel verilerin yalnızca hadronlarla ilgili olmasına rağmen, genel göreliliği kuantum mekaniğinin ilkeleriyle birleştirmek çok daha ilginç bir görev gibi görünüyordu. Ama tam o sırada New York'ta Veneziano'nun çalışmasından son derece ilham alan İsrailli arkadaşım Hector Rubinstein tarafından ziyaret edildim.

İlk başta, özellikle ilgilenmedim. Hadronları unutmak istediğim bir şeydi ama nezaketen Hector'u dinlemeyi kabul ettim.

Hector, İtalyan'ın fikirlerini bana anlatırken o kadar heyecanlıydı ki, detayları tam olarak anlayamadım. Anladığım kadarıyla, Veneziano iki hadron çarpıştığında ne olacağını açıklayan bir formül buldu. Sonunda Hector, ofisimdeki tahtaya Veneziano denklemini yazdı. Bu son akordu. Denklemin son derece basit olduğu ve bana şüpheli bir şekilde tanıdık gelen bazı özellikleri olduğu ortaya çıktı. Hector'a bu denklemin çok basit bir kuantum mekaniği sisteminin bir tanımını temsil edip etmediğini sorduğumu hatırlıyorum, çünkü harmonik osilatörlerle bir ilgisi varmış gibi görünüyordu. Hector bu denklemin arkasındaki fiziksel resmin ne olabileceğini bilmiyordu, ben de unutmayayım diye bir kağıda yazdım.

Kuantum yerçekimi hakkındaki düşüncelerimi bir kenara bırakıp hadronlara bir şans daha verecek kadar ilgimi çekmişti. Görünüşe göre, sonraki yıllarda yerçekimine dönmeye mahkum değildim. Arkasında gerçekte ne olduğunu görmeden önce bu denklemi birkaç ay düşündüm.

Harmonik osilatör terimi , fizikçiler tarafından titreyebilen, titreyebilen, salınabilen veya genellikle periyodik ileri geri hareketler yapabilen her şeye uygulanır. Salıncakta sallanan bir çocuk ve yayda sallanan ağırlık, tipik harmonik osilatör örnekleridir. Titreşen bir keman teli, hatta içinden bir ses dalgasının geçtiği hava da harmonik osilatörlerdir. Salınım sistemi çok küçükse, örneğin bir atom veya molekülse, davranışı kuantum mekaniğinin kanunları tarafından belirlenir ve böyle bir osilatörün enerjisi ancak ayrık kısımlarda değişebilir. Harmonik osilatörden Hector'a bahsettim çünkü Veneziano denklemi bana kuantum mekaniği harmonik osilatörün matematiksel özelliklerini hatırlattı. Bir yay ile birbirine bağlanmış iki ağırlık şeklinde, harmonik salınımlar yapan, yaklaşan ve uzaklaşan bir hadron hayal ettim. Temel bir parçacığın iç yapısını tasvir etmeye çalışarak yasak meyveyle oynadım ve bunun farkındaydım.

Cevabın yakınlığı ve onu kavramanın imkansızlığı hissinden yaşadığım tantal ızdırabı beni deli ediyordu. Veneziano denklemine uyan bir tane bulmak için kuantum mekaniksel osilatörlerin tüm seçeneklerini denedim. Yaylar üzerindeki farklı ağırlık modellerini tanımlayan Veneziano'nunkine çok benzeyen denklemler yazmayı başardım, ancak hepsi işe yaramadı. Bu süre zarfında, kendi zamanımın çoğunu evimin çatı katında çalışarak geçirdim. Oradan yorgun ve sinirli dönerek eşime küfrettim ve çocukları görmezden geldim. Öğle yemeğinde bile bu denklemi kafamdan çıkaramadım. Ve aniden, bir akşam, hiçbir sebep yokken, tavan arasında bana bir fikir geldi. Bu fikri hayata geçiren şeyin ne olduğunu bilmiyorum: sadece bir dakika önce bir yay hayal ediyordum ve aniden bunun yerine iki kuark arasında gerilmiş ve birçok farklı titreşim moduna sahip elastik bir ip gördüm. Bir anda, tüm hilenin matematiksel yayı sürekli gerilmiş bir iple değiştirmek olduğunu anladım. Aslında sicim kelimesi o zaman aklıma gelmemişti. Lastik halkayı düşündüm . Lastik bir halkayı keserseniz, iki serbest ucu olan elastik bir banda dönüşür. Her iki uca da zihinsel olarak bir kuark, daha doğrusu bir uca bir kuark ve diğer uca bir anti-kuark yerleştirdim.

İşe yarayacağını zaten bilmeme rağmen, fikri test etmek için not defterimde hızlıca bazı hesaplamalar yaptım. İnanılmaz derecede basitti. S matrisi için Veneziano denkleminin, iki lastik bandın çarpışmasının doğru bir tanımı olduğu ortaya çıktı. Bu düşünce neden daha önce aklımdan geçmemişti?

Hiçbir şey yeni keşifler kadar neşe getirmez. Bu, en büyük fizikçiler arasında bile nadiren olur. Kendi kendinize, “Şimdi gezegende bunu bilen tek kişi benim. Yakında dünyanın geri kalanı bunu öğrenecek ama şimdilik tek kişi benim ." Gençtim, bilinmiyordum ve şöhrete açtım. Ama ben tek değildim .

Aynı sıralarda Chicago'lu bir fizikçi de aynı hesaplamaları yaptı. Yoichiro Nambu benden çok daha yaşlıydı ve uzun zamandır dünyanın en seçkin fizikçilerinden biriydi. Japonya'da doğdu ve 2. Dünya Savaşı'ndan hemen sonra genç bir fizikçi olarak Chicago Üniversitesi'ne geldi. Nambu bir yıldızdı ve bazı şeyleri herkesten önce görebilmesiyle ünlüydü. Daha sonra, Danimarka'daki başka bir fizikçinin çok benzer fikirler düşündüğünü öğrendim. "Kauçuk" teorimde yalnız olmadığımı öğrendiğimde hayal kırıklığına uğradığımı inkar etmeyeceğim, ancak Büyük Nambu ile aynı şirkette olduğum düşüncesi gururumu okşadı.

Modern sicim kuramı, fizikçilerin 20. yüzyılın büyük bir bölümünde kolektif kafalarını boş yere yere vurduğu kuantum mekaniği ve yerçekiminin ulaşılamaz birleşimiyle ilgilenir. Başka bir deyişle, 10-33 santimetrelik inanılmaz derecede küçük Planck ölçeğinde dünyanın neye benzediğinin bir teorisidir . Daha önce de söylediğim gibi, çok daha mütevazı bir görevle başladı - hadronların iç yapısının tanımlanması. Bir sonraki bölümde, sicim kuramının nasıl çok daha derin bir temel kurama dönüştüğünü göreceğiz, ama önce onun enkarnasyonuyla başlayalım.

Hadronlar, atomlardan yaklaşık yüz bin kat daha küçük olan çok küçük nesnelerdir. Bir hadronun çapı yaklaşık 10-13 cm'dir. Kuarkları bu kadar küçük mesafelerde tutmak için muazzam kuvvetler gerekir. Hadron sicimleri -zihnimde lastik bantlar- mikroskobik olarak küçük olsalar da yine de inanılmaz derecede güçlüler. Bir mezonun (bir tür hadronun) bir ucunu bir arabaya, diğer ucunu bir vince bağlamak mümkün olsaydı, kuarkları mezonda tutan hadron ipi arabanın ağırlığını kolaylıkla taşıyabilirdi. Günümüz deneylerinde elde edilebilen ölçeklere göre, hadronik sicimler çok küçük değildir. Modern hızlandırıcılar, maddeyi yüz hatta bin kat daha kısa mesafelerde incelemeyi mümkün kılıyor. Sadece karşılaştırma için, lokomotifin önüne atlayayım ve modern enkarnasyonunda bir ipin gücünün ne olduğunu göstereyim. Parçacıkları Planck uzunluğu mertebesinde bir mesafede tutmak için, sicimin hadronik sicimden yaklaşık 1040 kat daha güçlü olması gerekir. Galaksinin tüm kütlesini bir şekilde dünya yüzeyinin yakınında toplamayı başarabilseydik, tek bir sicim tüm galaksimizin ağırlığını kaldırabilirdi.

Tüm hadronlar üç aileye ayrılır: baryonlar, mezonlar ve yapışkan toplar. En ünlü hadronlar nükleonlardır - sıradan protonlar ve nötronlar. İlk aileye aittirler - baryonlar. [71] Tüm baryonlar üç kuarktan oluşur. Kuarklar, sözde, bir gaucho bola tarzında üç tel ile birbirine bağlanır: merkezdeki uçlara üç tel ve serbest uçlara üç kuark bağlanır. Bolas analojisinde yanlış olan tek şey, hadron sicimlerinin, iplerin aksine, esnek olmaları, mükemmel bir lastik iplik gibi esneyebilmeleridir . Ancak sıradan protonlar ve nötronlar en düşük enerjili "bolas" konfigürasyonu olduklarından, çok kısa, uzayamaz liflerle birbirine bağlı üç kuark olarak kabul edilebilirler .

Sicimlerin ucundaki kuarklar birçok şekilde hareket edebilir. Örneğin, "bolas", sicimlerin uçlarının birleştiği merkezi nokta etrafında dönebilir, bu durumda merkezkaç kuvveti kuarkları birbirinden ayırır. Dönme enerji gerektirir (hatırlayın E = mc2 ), bu da dönen bir hadronun dönmeyen hadrondan daha ağır olacağı anlamına gelir. Fiziksel dilde, ek iç enerjiye sahip bir parçacığa uyarılmış parçacık denir . Kuarklar, dönmeden bir hadronun uyarılmış halini oluşturabilirler. Böyle bir duruma örnek, kuarkların merkez yönündeki salınım hareketidir. Ayrıca tellerin kendisi de gitar telleri gibi titreyebilir. Tüm bu hareketler veya en azından bu tür hareketlerin dolaylı kanıtları, nükleonlarla yapılan gerçek deneylerde düzenli olarak gözlemlenir. Baryonlar gerçekten de elastik bir kuantum bolası gibi davranırlar .

Bu durumda "kuantum" ne anlama geliyor? Kuantum mekaniği, herhangi bir salınım sisteminin enerjisinin (kütlesinin) yalnızca bölünemez ayrık kısımlarda eklenebileceğini veya çıkarılabileceğini ima eder. Deneysel hadron fiziğinin şafağında, araştırmacılar salınımlı bir sistemin farklı kuantum durumlarının aynı nesneyi temsil ettiğini varsaymadılar, bu nedenle bu seviyeleri farklı temel parçacıklar için alarak her enerji seviyesine kendi adını verdiler. Protonlar ve nötronlar en düşük iç enerjiye sahip baryonlardır. Daha büyük kütleli durumlar, karmaşık isimler aldılar ve bunların birçoğu artık modern genç fizikçiler için hiçbir şey ifade etmiyor, çünkü onlar için nötron ve protonun uyarılmış hallerinden başka bir şey değiller. Özü anlayan fizikçiler, daha önce var olan parçacıklar hayvanat bahçesinde nihayet işleri düzene soktular.

Sırada mezon var, 1969'da evimin tavan arasında incelediğim bir parçacık. Mezonlar baryonlardan çok daha basittir. Her mezon, tek bir dizi ile birbirine bağlanan bir kuark ve bir anti-kuarktan oluşur. Baryonlar gibi, mezonlar da dönme ve titreşim kuantum durumlarına sahiptir. O sırada tavan arasında yaptığım hesaplama, iki sicim mezonu arasındaki temel etkileşim sürecini tanımlıyordu.

İki mezon çarpıştığında, birkaç farklı olay meydana gelebilir. Kuantum mekaniği olayların yalnızca olasılıklarını tahmin ettiğinden, çarpışma hikayesinin hangi yolu izleyeceğini önceden tahmin etmek imkansızdır. En olası ve en ilginç olmayan seçenek, bu durumda kuarkları ve antikuarkları birbirine bağlayan dizilerin de birbirinden geçmesine rağmen, mezonların birbirinden geçmesi olacaktır. Ancak daha ilginç bir olasılık daha var: mezonlar birleşerek kuark ve antikuarkın daha uzun bir iple birbirine bağlandığı yeni bir mezon oluşturabilir.

Her ipi bir zincir oluşturmak için el ele tutuşan bir grup dansçı olarak hayal edin. Zincirin sonundaki dansçıların bir eli serbestken, zincirin ortasındaki dansçıların iki eli de meşgul. Şekilde birbirine doğru uçan iki zincir gösterilmektedir. Etkileşim kurabilmelerinin tek yolu, bir zincirin sonundaki dansçının diğerinin ucundaki dansçının serbest elini tutmasıdır. Bundan sonra, her iki dansçı grubu da tek bir zincir oluşturur. Bu konfigürasyonda dansçılar, zincirin ortasında bir yerde dansçılardan biri komşusunun elini bırakana kadar karmaşık bir dansta birbirlerine göre sallanırlar. Daha sonra zincir yine iki bağımsız zincire ayrılacak ve birbirlerinden uzaklaşarak yeni bir yönde hareketlerine devam edecekler. Daha kesin ama daha az tanımlayıcı bir tanım, bir dizinin sonundaki bir kuarkın diğerinin sonundaki bir antikuark ile birleşmesi şeklindedir. Bu durumda kuark ve anti-kuark, diğer parçacıklar ve anti-parçacıklar gibi yok olur ve geride kalan kuark ve anti-kuark uçlarda olmak üzere daha uzun bir dizi bırakır.

İki mezonun birleşmesinden kaynaklanan sicim, kural olarak, hem dönme hem de titreşim modları dahil olmak üzere uyarılmış bir durumda ortaya çıkar. Ancak bir süre sonra, ip, tıpkı bir dansçılar zinciri gibi, ikiye ayrılarak serbest uçlarda bir kuark ve bir antikuark oluşturur. Sonuç olarak, iki dizginin bir araya getirildiği ve daha sonra tekrar ikiye bölündüğü bir sürecimiz var.

Tavan arasında çözdüğüm problem şu şekilde formüle edildi: çarpışmadan önce iki mezonun (iki telin) belirli bir enerjiyle zıt yönlerde hareket ettiğini varsayalım. Bir çarpışmadan sonra oluşan yeni bir çift mezonun belirli bir yönde birbirinden ayrılmasının kuantum mekaniksel olasılığı nedir? Problem çok zor görünüyor ve çözülebilmesi sadece matematiksel bir mucize.

İdeal bir lastik kordonu tanımlamanın matematiksel problemi, 19. yüzyılın başlarında çözüldü. Salınım yapan bir dizi, her bir ayrı salınım tipi (mod) için bir tane olmak üzere, harmonik osilatörlerin bir koleksiyonu olarak görülebilir. Harmonik osilatör, çok basit lise düzeyinde matematikle tamamen analiz edilebilen birkaç fiziksel sistemden biridir.

Bir diziyi bir kuantum nesnesine dönüştürmek için bir kuantum mekaniği tanımı eklemek de kolaydır. Hatırlanması gereken tek şey, herhangi bir kuantum mekanik salınım sisteminin enerji seviyelerinin ayrık enerji değerlerine sahip olmasıdır (bkz. Bölüm 1). Bu basit düşünceler, titreşen tek bir sicimin özelliklerini anlamak için yeterlidir, ancak etkileşen iki sicimin tanımı çok daha karmaşıktır. Bunu yapmak için sıfırdan kendi kurallarımı geliştirmek zorunda kaldım, bu da karmaşık bir tanımlamayı yalnızca dizilerin birleştirildiği son derece küçük bir süre için yerelleştirmeyi mümkün kıldı. Bu olur olmaz, basit matematikle tanımlanan iki dizi tekrar bir olur. Kısa bir süre sonra ip kopar ve bu süreç yine karmaşık bir açıklama gerektirir, ancak yine yalnızca kısa bir süre için. Böylece, iki diziyi birleştirme sürecini ve sonuçta ortaya çıkan dizinin parçalanmasını büyük bir doğrulukla tanımlayabildim. Matematiksel hesaplamalarımın sonucunu Veneziano denklemiyle karşılaştırdım ve mükemmel bir doğrulukla uyuştular.

Bir baryon, bir "yıldız" ile birbirine bağlanan üç teldir, bir mezon bir açık teldir, fakat yapışkan top nedir? Dansçı zinciriyle başlayalım. Dansçıların, karmaşık danslarında hareket ederek zinciri iki ekstrem dansçı yan yana gelecek şekilde büktüklerini varsayalım. Aynı zincire ait olduklarının farkında olmadan el ele verebilirler. Sonuç, yarım kalmış uçları olmayan bir dansçılar kısır döngüsüdür. Aynı şey salınan mezon için de olabilir. Salınımlar ve dönüşler sürecinde mezon dizisinin uçlarının birbirine yakın olduğunu varsayalım. Bir uçtaki kuark, diğer taraftaki antikuark'ı görür ve aynı mezona ait olduğundan habersiz onu yılanın kendi kuyruğu gibi yakalar. Sonuç bir yapışkan toptur: uçlarında kuark olmayan kapalı bir sicim. Çoğu mezon ve baryon, sicim teorisinin yaratılmasından çok önce biliniyordu, ancak tutkal topları, tabiri caizse, sıfırdan onun tarafından tahmin edildi. Ve bugün bilinen parçacıkların listesine bakarsanız, yapışkan toplar ve kütleleri, baryonlar ve mezonlarla birlikte listelenecektir.

Meson bir tutkal topuna dönüşüyor

Tutkal topları, mezonlar ve baryonlar, birçok yönden dönebilen ve salınabilen karmaşık nesnelerdir. Örneğin, mezonun uçlarını birleştiren tel bir yay gibi, hatta bir keman teli gibi titreyebilir; hatta merkezi etrafında dönerek merkezkaç kuvvetinin etkisi altında gerilebilir ve bir tür hadron pervanesi oluşturabilir. Hadronların bu uyarılmış halleri, bazıları 1960'ların başlarında deneylerde keşfedilen bilinen nesnelere karşılık gelir.

Hadron sicimleri teorisi ile Fizik Yasaları arasındaki ve özellikle bunların Feynman diyagramları cinsinden formülasyonları arasındaki bağlantı hiçbir şekilde açık değildir. Sicim teorisini görselleştirmenin bir yolu, nokta parçacıklarını sicimlerle değiştirerek Feynman diyagramlarını genelleştirmektir. Feynman diyagramları, zaten Bölüm 1'de ele aldığımız temel unsurlardan oluşur: köşeler ve yayıcılar. Yayıcılar ve köşeler, kuantum alanlarının sonsuz küçük nokta parçacıklarını temsil etmek için iyidir. Örneğin tepe noktası, parçacık yörüngelerinin birleştiği noktadır. Parçacıkların kendileri nokta değilse, yörüngelerinin buluşma noktasının ne anlama geldiği tam olarak açık değildir. Peki yayıcıları ve sicim köşelerini nasıl anlamlandıracağız? Bir nokta parçacıkla uğraşırken , onun hareketini uzay-zamandaki bir çizgi olarak temsil ederiz. Parçacık zamanın her anında bir nokta ile temsil edilir, ancak hareketin bir sonucu olarak bu nokta eğri bir çizgi halinde açılır. Büyük Minkowski, bir parçacığın uzay-zamandaki yörüngesine dünya çizgisi adını verdi ve bu terim bilimde sağlam bir şekilde yerleşmiş oldu.

Şimdi uzay-zamandaki bir sicimin tarihinin nasıl görünebileceğini hayal edin. Sonu olmayan kapalı bir ip alın. Zamanın her belirli anında, böyle bir sicim uzayda kapalı bir eğri olarak temsil edilecektir. Bu ipin bir stroboskop tarafından aydınlatıldığını hayal edin. İlk flaş sırasında yüzüğü göreceğiz. Bir sonraki flaşta aynı yüzüğü sadece farklı bir yerde göreceğiz. Sonunda, ardışık dizi konumlarını temsil eden bir dizi halka göreceğiz.

Ancak gerçekte zaman sürekli akar ve bir ipin hareketinin tam bir geçmişini yapmak için birbirini izleyen görüntüler arasındaki boşlukları doldurmanız gerekir. Sonuç, uzay-zamandan geçen bir tüp: iki boyutlu silindirik bir yüzey.

Bir ipin halkasının boyutu zamanla değişebilir çünkü ip sıkışabilir, esneyebilir ve titreyebilir. Hatta bazen kendisiyle kesişebilir, bir tür sekiz oluşturabilir veya daha karmaşık şekiller alabilir. Bu durumda silindir deforme olacaktır ancak içindeki silindiri tanımak yine de mümkün olacaktır.

Halka tarafından süpürülen yüzey, dünya çizgisine benzetilerek çok uygun bir şekilde barış çubuğu olarak adlandırılabilir. Ama öyle oldu ki fizikte başka bir terim kök saldı: dünya sayfası veya dünya yüzeyi. Ama adını ne koyarsak koyalım, bu silindir noktasal parçacık yayıcının yerini almaya gelen bir dizi yayıcıdır.

İki kuarkla biten bir mezon da bir dünya sayfası olarak temsil edilebilir, ancak bu bir silindir değil, iki kenarlı bir şerit olacaktır. Flaş benzetmesine geri dönelim. Şimdi uçlarında kuarklar olan bir dizi açık dizi göreceğiz. Ardışık mezon görüntüleri arasındaki boşluğu doldurarak şerit şeklinde bir dünya sayfası elde ederiz.

Ancak çarpışan parçacıkların karmaşık etkileşimlerini açıklayabilecek ilginç bir teori için, yayıcılar tek başına yeterli değildir. Parçacıkların diğer parçacıkları yayabileceği ve emebileceği daha fazla köşeye, yol çatallarına ihtiyacımız var. Ve sicim teorisi bir istisna değildir.

Açık bir sicimin tepe noktası sıradan bir yol çatalı gibi görünmelidir: zamanın bir noktasında sicim ortadan kırılır, ortaya çıkan serbest uçlarda bir kuark ve bir antikuark oluşur ve şimdi iki sicim yolculuğuna devam eder. Kapalı diziler de ikiye ayrılabilir. Bu sürece karşılık gelen diyagram, bir su borusundaki Y şeklinde bir çatala benziyor.

Bu diyagramı aşağıdan yukarıya (geçmişten geleceğe) takip ederseniz, her biri farklı bir yönde hareket eden ikiye bölünmüş bir dizi göreceksiniz. Diyagramı çevirerek, iki diziyi bir dizide birleştirme sürecini elde edersiniz.

Buradaki fikir, olağan Feynman diyagramlarını, eski köşeleri değiştirmek için ip yayıcıları ve Y-biçimli çatallar gibi davranan bir su boruları ağıyla değiştirmektir. Teorisyenler, diyagramın silindirik yayıcılara ve Y eklemlerine bölünmesinin yapay olduğunu ve gerçekte teorinin herhangi bir şekil ve topolojiye sahip dünya sayfalarını içerdiğini çabucak anladılar. Diyagramlar, gelen ve giden ip benzeri yapışkan topları temsil eden delikler içerebilir, ancak genel olarak herhangi bir karmaşıklıkta olabilirler.

Hadronları bu şekilde temsil etmenin, sıradan Feynman diyagramlarına (yani nokta parçacıklarına) dayanan bir teori olan Standart Model ile ilişkilendirilmesi zordur. Mevcut Standart Model, ilk bakışta tamamen farklı bir hadron teorisi gibi görünen, kuantum renk dinamiği veya QCD olarak bilinen bir teori içerir.

QCD'ye göre hadronlar kuarklardan ve antikuarklardan oluşur. Bu konuda, QCD'nin Nambu ve benim geliştirdiğimiz sicim teorisiyle pek çok ortak noktası var. Ancak kuarkları bir arada tutan kuvvet - hadronları bir arada tutan yapıştırıcı - sicimlere hiç benzemez. Tıpkı elektronların fotonları yayması ve soğurması gibi, kuarklar da gluonları [72] yayar ve soğurur. Kuarkları hadronlarda tutan kuvvetler, kökenlerini kuarklar arasındaki gluon değiş tokuşuna borçludur.

Gluonların, onları fotonlardan daha karmaşık yapan bir özelliği vardır. Yüklü parçacıklar fotonları yayabilir ve emebilir, ancak fotonların kendileri bu yeteneğe sahip değildir. Aynı şeyi söylemenin başka bir yolu da, bir fotonun ikiye ayrıldığı köşelerin olmamasıdır. Öte yandan gluonlar, diğer gluonları yayabilir ve emebilir.

Üç gluonun bir köşede birleştiği bir köşe diyagramı vardır. Sonuçta bu, gluonları ve kuarkları elektronlar ve pozitronlardan çok daha "yapışkan" yapar.

Bütün bunlar, iki farklı hadron teorisi varmış gibi görünüyor: QCD ve sicim teorisi. Ama elbette, neredeyse sicim kuramının en başından beri, bu iki tanımın aslında aynı kuramın iki yüzü olduğu açıktı. Anahtar Aydınlatma, QCD'nin keşfinden birkaç yıl önceydi.

Sıradan Feynman diyagramları ile sicim kuramı arasındaki köprü, 1970'te parlak genç Danimarkalı fizikçi Holger Bech Nielsen'den bir mektup aldığımda sisin içinden ortaya çıktı. Lastik bant teorisi hakkındaki makalem onu heyecanlandırdı ve bazı fikirlerini paylaşmak istedi. Mektupta kendisinin de elastik ipe çok benzer bir şey düşündüğünü bildiriyor ve düşüncelerini biraz farklı bir açıdan sunuyordu.

[73] ile bağlama fikri, benim de uzun zamandır düşündüğüm şeyle uyumluydu. Nielsen konuyu derinlemesine inceledi ve sorunla ilgili kendi çok ilginç vizyonuna sahipti. Pürüzsüz, sürekli dünya sayfasının aslında ince bir çizgi ve düğüm ağı olduğunu öne sürdü. Başka bir deyişle, onun görüşüne göre dünya sayfası, çok sayıda yayıcı ve köşeden oluşan, sıradan ama son derece karmaşık bir Feynman diyagramıydı. Bu ağ, kendisine yeni köşeler ve yayıcılar eklendikçe daha pürüzsüz ve pürüzsüz hale geldi ve pürüzsüz bir dünya sayfasına gittikçe daha iyi yaklaştı. Hadron sicim teorisi de benzer şekilde formüle edilebilir.

Dünya levhaları, tüpler ve Y eklemleri, kuarkları ve çok sayıda gluonu içeren çok karmaşık Feynman diyagramları olarak düşünülebilir. Dünya sayfasına "uzaktan" baktığınızda pürüzsüz görünür. Ama "mikroskop altında" dünya sayfası bir balık ağına [74] ya da Feynman şemalarından dokunmuş bir basketbol sepetine benziyor. Balık ağının iplikleri nokta parçacıklarının yayıcılarını temsil ediyordu, düğümler Feynman partonları ya da Gell-Man kuarkları ve gluonlarıydı ve bu mikroskobik dünya çizgilerinden dokunan "kumaş" sürekli bir dünya sayfasıydı.

Bir ipi, bir inci dizisi gibi birbiri ardına dizilmiş bir dizi parton olarak düşünebilirsiniz. Feynman'ın parton teorisi, Gell-Man'in kuark teorisi ve benim "kauçuk" teorimin hepsi, kuantum renk dinamiğini temsil etmenin farklı yollarıdır.

Hadronların sicim veya "kauçuk" modeli hemen bir başarı olmadı. 1960'larda hadron fiziğine dahil olan birçok teorisyen, fenomeni görselleştirmeye çalışan herhangi bir teoriye karşı çok olumsuz bir tavır sergiledi. S-matris teorisinin gayretli savunucuları, çarpışmanın bilinemez bir "kara kutu" olduğunu savundular ve yeni teoriyi reddetmelerini neredeyse misyoner bir şevkle savundular. Tek bir emri kabul ettiler - "perdeyi yırtmayın", yani "çarpışma sürecinin" içine "bakmayın", devam eden süreçlerin mekanizmalarını keşfetmeye çalışın, böyle bir parçacığın yapısını anlamaya çalışmayın. bir proton." Veneziano denkleminin iki lastik bandın çarpışmasını tanımladığı fikrine karşı düşmanlık, bir gün Murray Gell-Mann'in onay damgasını vurana kadar devam etti.

Murray, 1970 yılında Coral Gables, Florida'da onunla ilk tanıştığımda fiziğin kralıydı. O zamanlar, teorik fizik sezonunun en önemli olayı Coral Gables'daki bir konferanstı. Ve konferansın doruk noktası, Murray'in dersiydi. Benim için Coral Gables, konuşmacı olarak değil, dinleyici olarak davet edildiğim ilk büyük konferanstı. Murray dersine , sorun yaşadığı problemlerden biri olan dilatasyonel simetrinin kendiliğinden kırılması konusuyla başladı . Dersin kendisini pek hatırlayamıyorum ama sonrasında olanları çok iyi hatırlıyorum: Murray ve ben bir asansörde mahsur kalmıştık.

O zamanlar, tüm fizik topluluğu Murray'i putlaştırırken, ben tamamen bilinmiyordum. Tabii ki, onunla asansörde mahsur kaldım, dilim tutulmuştu.

Bir şekilde bir konuşma başlatma ihtiyacı hisseden Murray, ne yaptığımı sordu. Şaşırarak cevap verdim, "Elastik bir bant gibi bir tür elastik kordon olan bir hadron teorisi üzerinde çalışıyorum." Asla unutmayacağım bir sonraki korkunç anda gülmeye başladı. Ve bu kısa bir kıkırdama değil, yüksek sesli bir Homeros kahkahasıydı. Kendimi aşağılık bir solucan gibi hissettim. Sonra asansör kapıları açıldı ve utanç verici bir şekilde yanan kulaklarla sürünerek uzaklaştım.

Ondan sonra, neredeyse iki yıl boyunca Murray'i görmedim. Bir sonraki toplantımız başka bir konferansta, Enrico Fermi Ulusal Hızlandırıcı Laboratuvarı, kısaca Fermilab'da gerçekleşti. Bu konferans çok temsiliydi: aralarında dünyanın her yerinden en etkili teorisyenler ve deneycilerin de bulunduğu yaklaşık bin katılımcı. Ve bu sefer yine dinleyici ben oldum.

Konferansın açılış gününde, ben ve bir grup arkadaş ilk dersin başlamasını beklerken, Murray yavaşça yanımıza geldi. Herkesin önünde, “O gün asansörde sana güldüğüm için özür dilerim. Üzerinde çalıştığınız problemin harika olduğunu düşünüyorum ve dersimin çoğunu ona ayıracağım. Boş bir dakikamız olduğunda bir yere oturup konuşalım." O anda bir solucandan bir prense dönüştüm: kralın kendisi bana iyiliğini gösterdi!

Bundan birkaç gün sonra, Murray ile tanıştığımda, "Konuşma zamanımız gelmedi mi?" diye sordum. Ve her seferinde bazı önemli toplantılara atıfta bulunarak reddetti.

Konferansın son gününde seyahat acentesinin önünde uzun bir kuyrukta bekledim. Uçak biletimi değiştirmem gerekiyordu ve bir saatten fazladır sırada bekliyordum. Sonunda önümde sadece iki veya üç kişi kaldığında, Murray bana şu sözlerle yaklaştı: “Özgürüm! Şu anda konuşabiliriz. On beş dakikam var." "Tamam," dedim kendi kendime. - Bu senin şansın. Doğru yap ve sen bir prenssin. Yanlış bir şey yaparsan balık yemi olursun."

Boş bir masaya oturduk ve yeni "lastik" teorimin onun ve Feynman'ın fikirleriyle nasıl bağlantılı olduğunu açıklamaya başladım. Bir balık ağı şemasıyla başlayacaktım. "Partonlarla başlayacağım" dediğimi hatırlıyorum.

"Partonlar mı? Partonlar... Partonlar da ne? Cephane? Pistonlar mı? Benim için bir piston yerleştirmek ister misin? Ne olmuş?" Affedilemez bir hata yaptığımı fark ettim ama ne olduğunu çözemedim. Açıklamaya çalıştım ama aldığım tek cevap “Cephane mi? Ne olduğunu?" Bana ayrılan on beş dakikanın on dördü bu şekilde geçti, ta ki "Kartuşlar - yükleri var mı?" evet diye cevap verdim "SU(3) grubuna mı aitler?" Yine olumlu cevap verdim. Sonra yüzü aydınlandı: "Ah, demek kuarkları kastediyorsun!" Hadronların bileşenlerini Murray'in değil, Feynman'ın bulduğu bir kelimeyle adlandırarak ölümcül bir günah işledim. Bu iki Caltech titanı arasındaki şiddetli rekabetten habersiz olan gezegendeki tek fizikçi gibi görünüyordum.

Her neyse, düşüncelerimi özetlemek için hala bir iki dakikam kalmıştı ve ardından Murray saatine baktı ve şöyle dedi: "Tamam, teşekkürler. Dersimden önce konuşmam gereken önemli bir kişiyle randevum var .

Çok yakın ve bir o kadar da uzaktım. Ne yazık ki, kraliyet onurları benim için değil, benim için toprak ve toprak. Ama sonra beni hayata döndüren bir şey duydum. Ona anlatmayı başardığım her şeyi bir grup meslektaşına yeniden anlatan Murray'i gördüm. "Susskind şunu söylüyor... Susskind şunu söylüyor... Susskind sicim teorisini yapmalıyız..." Ardından Murray, konferanstaki son konuşmasında benim fikrimden bahsetti. Sicim teorisi konuşmanın sadece küçük bir parçası olmasına rağmen, Murray'in onayını aldı ve kendimi bir rollercoaster yolculuğundaymış gibi hissettim.

Murray bir sicim teorisyeni olmamasına rağmen, zihni yeni fikirlere açıktı ve Murray, onları ilerletmede etkili oldu. Hiç şüphe yok ki, sicim teorisinin bir hadron teorisi olarak ve daha sonra Planck ölçeğinde bir fenomen teorisi olarak potansiyel önemini ilk fark edenlerden biriydi.

Sicim teorisinin birçok çeşidi vardır. 70'lerin başındaki versiyonlarımız matematiksel olarak çok kesindi - fazlasıyla kesindi. Modern bir bakış açısından hadronların sicim olduğu kesinlikle açık olsa da, teorinin gerçek baryonları ve mezonları tanımlayabilmesi için bir dizi metamorfozdan geçmesi gerekiyordu.

Sicim teorisinin orijinal versiyonunu rahatsız eden üç büyük problem vardı. Bunlardan biri o kadar garipti ki, muhafazakarlar ve özellikle S-matrix meraklıları onu bir şaka kaynağı buldu. Çok fazla boyutun sorunuydu. Tüm fiziksel teoriler gibi sicim teorisi de uzay ve zamanla ilgilenir. Einstein'dan önce uzay ve zaman kendi başlarına vardı, ancak daha sonra Minkowski'nin etkisi altında, tek bir uzay-zamanda birleştiler - her olayın dört koordinatla temsil edildiği dört boyutlu bir dünya: üç uzamsal ve bir zamansal. Einstein ve Minkowski, zamanı "dördüncü boyuta" dönüştürdüler. Ancak uzay ve zaman tamamen eşit değildir. Uzay ve zamanı karmaşık matematiksel dönüşümlerle karıştıran genel görelilikte bile, iki varlık farklıdır. Farklı "hissediyorlar". Bu nedenle, dört boyutlu uzaydan bahsetmek yerine, genellikle 3 + 1 boyutludan bahsediyoruz, bu da üç uzaysal ve bir zaman koordinatına sahip olduğumuzu gösteriyor.

Uzayın daha fazla boyutu olabilir mi? Evet ve bu modern fizikte yaygın bir olaydır. Üçten fazla uzamsal boyutu olan bir mekanda hareketi hayal etmek göründüğü kadar zor değil. Üçten daha az uzamsal boyuta sahip bir dünya hayal etmek daha da kolaydır. Örneğin, Edwin Abbott'ın ünlü kitabı Flatland, yaşamı yalnızca iki uzamsal boyutu olan bir dünyada anlatır. Ancak henüz hiç kimse az ya da çok tek bir zaman boyutuna sahip bir dünya hayal edemiyor. Hiç mantıklı görünmüyor. Bu nedenle fizikçiler, çok boyutlu uzayları ele alırken, her zaman 4 + 1, 5 + 1 vb. boyutları olan bir uzayı kastederler, bu da uzayın birçok uzamsal boyuta sahip olabileceğini, ancak her zaman yalnızca bir zaman boyutuna sahip olabileceğini ima eder. Fizikçiler her zaman bir gün dünyamızın neden 2, 7 veya 84 değil de tam olarak 3 uzamsal boyuta sahip olduğunu açıklayabileceklerini ummuşlardır. Bu nedenle, sicim kuramcıları matematiklerinin yalnızca belirli sayıda boyutta doğru çalıştığını görmekten mutluydu . Tek sorun, bu sayının 3 + 1 değil, 9 + 1 olduğu ortaya çıktı. İşlemi için gereken uzamsal boyutların sayısı, bizim evrenimizdeki boyutların sayısının üç katından fazla çıkıyorsa, matematiğin bir yerinde bir sorun vardır. sıradan bir dünya! Sicim teorisyenlerinin alay konusu gibi görünüyordu.

Bir fizik öğretmeni olarak, öğrencilere bir şey anlatıp sonra da açıklayamayacağımı iddia etmekten nefret ederim. Çok mu karmaşık yoksa çok mu özel? Karmaşık şeyleri basit terimlerle nasıl açıklayacağımı bulmak için çok zaman harcıyorum. En büyük hayal kırıklıklarımdan biri, sicim teorisinin neden sadece 9 + 1 boyutta tam bir mutluluğa ulaşabildiğine dair hiçbir zaman basit bir açıklama bulamamış olmamdır. Ve başka kimse de yok. Söyleyebileceğim tek şey, her şeyin sicimlerin indirgenemez kuantum dalgalanmalarıyla ilgili olduğu. Bu kuantum dalgalanmaları, belirli, çok ince koşullar karşılanmadıkça birikebilir ve tamamen kontrolden çıkabilir. Ve bu şartlar ancak 9+1 ölçüleri olan bir mekanda sağlanmaktadır.

Üç katlık bir hata, kozmoloji için o kadar büyük bir sorun değildir, ancak temel parçacık fiziği için bu sadece bir felakettir. Parçacık fizikçileri kesin sayılara alışkındır. Ve uzamsal boyutların sayısında olduğu kadar emin olacakları başka bir sayı yoktur. Altı uzamsal koordinatın kaybını hiçbir deneysel hata açıklayamaz. Kısacası bu tam bir fiyasko. Uzay-zaman hem geçmişte hem de şimdi 3 + 1 boyuta sahipti ve bu boyuta hiç şüphe yok.

Sicim kuramı, uzayın boyutları hakkında bir hata yaparak kesinlikle çok kötü bir şey yaptı, ama daha da kötüsü, hadronlar arasındaki nükleer kuvvetleri yöneten yasayı tahmin etme konusunda da hata yaptı. Teori, kısa menzilli nükleer kuvvetler yerine, elektromanyetik veya yerçekimsel kuvvetlere benzer şekilde uzayda sonsuza kadar uzanan uzun menzilli kuvvetleri öngördü. Kısa menzilli nükleer kuvvet doğru değere ayarlanırsa, elektrik kuvveti 100 kat ve yerçekimi kuvveti 10 40 kat daha güçlü olur. Bu uzun menzilli kuvvetlerin gerçek yerçekimi veya elektrik kuvvetleriyle özdeşleştirilmesi söz konusu bile olamazdı.

Yerçekimi, elektrik veya nükleer olsun, dünyadaki tüm kuvvetler aynı niteliktedir. Merkezi bir çekirdek etrafında dönen bir elektron hayal edin. Zaman zaman bir elektron fotonlar yayar ve bu fotonlar nereye gider? Atom uyarılırsa, foton uçup gidebilir ve atom daha düşük bir enerji seviyesine gidebilir. Ancak atom zaten en düşük enerji durumundaysa, foton enerjinin bir kısmını yanında taşıyamaz. Bir fotonun tek çıkış yolu, başka bir elektron veya pozitif yüklü bir çekirdek tarafından emilmektir. Böylece gerçek bir atomda elektronlar ve çekirdekler, sirk hokkabazları gibi fotonlar tarafından sürekli olarak etrafa fırlatılır. Bu parçacık değişimi, bu durumda fotonlar, doğadaki tüm kuvvetlerin kaynağıdır. Herhangi bir kuvvet - elektrik, manyetik, yerçekimi - sonunda bizi, kuantumların bir parçacıktan diğerine uçtuğu Feynman değişim diyagramlarına götürür. Elektrik ve manyetik kuvvetler için bu tür değişim nicelikleri fotonlardır; yerçekimi kuvvetleri için aynı iş gravitonlar tarafından yapılır. Sen ve ben, bedenlerimizin parçacıkları ile gezegenimizin parçacıkları arasında değiş tokuş edilen gravitonlarla Dünya'ya zincirlendik. Ancak çekirdekte protonları ve nötronları bir arada tutan kuvvetler için, bu tür değişim nicelikleri pi-mezonlardır (pionlar). Protonların ve nötronların içine bakarsak, onları oluşturan kuarkların birbirleriyle gluon değiştirdiğini görürüz. Kuvvetler ile bu kuvvetlere karşılık gelen değiş tokuş parçacıkları arasında bir bağlantı kurmak, 20. yüzyıl fiziğinin en büyük başarılarından biriydi.

Nükleer, elektromanyetik ve yerçekimi kuvvetlerinin doğası aynıysa, neden bu kadar farklılar? Elektromanyetik ve yerçekimi kuvvetleri uzun menzillidir, bu da yerçekiminin gezegenleri yörüngelerinde tutmasına izin verirken, nükleer kuvvetler bir protonun çapı mertebesinde mesafelerde kaybolur. Kuvvetler arasındaki farkların, bu kuvvetleri yaratan değiş tokuş parçacıklarının bazı bireysel özellikleriyle bağlantılı olduğunu düşünüyorsanız, o zaman kesinlikle haklı olacaksınız. Herhangi bir kuvvetin uzun menzilli etkisindeki belirleyici faktör, bu kuvveti yaratan değişim parçacığının kütlesidir: parçacık ne kadar hafifse, kuvvet o kadar uzun menzillidir. Yerçekimi ve elektriğin uzun menzilli etkisinin nedeni, graviton ve fotonun kütlesiz parçacıklar olmasıdır. Ancak aksine, pion çok büyük - kütlesi elektronun kütlesinden 300 kat daha büyük. Etkileşim taşıyıcısının kütlesinin etkileşimin doğası üzerindeki etkisini, aşırı kilonun sporcunun başarısı üzerindeki etkisiyle karşılaştırabilirsiniz. Ne kadar ağırsa, başka bir parçacığa ulaşmak için atlayabileceği mesafe o kadar kısadır.

Sicim teorisi aynı zamanda bir kuvvetler teorisidir. Dansçılar ile benzetmeye geri dönelim. El ele tutuşan iki dansçı zincirinin birbirine nasıl yaklaştığını hayal edin. Tüm bu süre boyunca, kısa bir süre dışında, tek zincir halinde bağlandıklarında farklı danslar yaparlar. Buluşmadan önce, bir grup dansçı zincirlerden birinden ayrılır ve üçüncü bir kısa zincir oluşturur. Bu üçüncü zincir ikinci gruba gider ve ona bağlanır.

Böylece iki orijinal grup sürekli olarak kısa zincirler değiş tokuş ediyor ve bu, aralarında etki eden bir kuvvete yol açıyor.

Uzaktan bakıldığında, bu değiş tokuşu anlatan dünya sayfası "H" harfine benziyor ama "mikroskop altında" bu harfi oluşturan çizgiler bir tür su borularına dönüşüyor. "H" harfinin enine çubuğu, dikey çubuklar arasında ileri geri hareket eden ve aralarında hareket eden bir kuvvet oluşturan bir değişim dizisinin bir dünya sayfasıdır. Sicim kuramının ilk günlerinde, onu hadronlarla ilgili her şeyi açıklamak için kullanmayı uman bizler, protonları ve nötronları çekirdekte tutan nükleer kuvvetleri açıklama olasılığından memnunduk.

Ne yazık ki umutlarımız çok çabuk tükendi. İlk hesaplamalar yapıldığında, sicimler arasındaki kuvvetleri tanımlayan yasanın, nükleonları bir arada tutan kuvvetlere uyan yasa ile hiçbir ilgisi olmadığı ortaya çıktı. Kısa menzilli nükleer kuvvetler yerine, daha önce bahsettiğim elektromanyetik veya yerçekimsel kuvvetlere benzeyen uzun menzilli kuvvetler elde ettik. Bunun nedenini bulmak kolaydı. Parçacık benzeri titreşen sicimler arasında çok özel özelliklere sahip iki nesne vardı. Birincisi mezonları tanımlayan açık diziler, ikincisi ise yapışkan topları tanımlayan kapalı dizilerdir. Bu nesnelerin her ikisi de kütleleri olmadığı için farklıydı - tıpkı fotonlar ve gravitonlar gibi! Bu nesneler değiş tokuş edildiğinde, parçacıklar arasında kuvvetler ortaya çıktı - yükler arasındaki elektrik kuvvetleri veya kütleler arasındaki yerçekimi kuvvetleri ile hemen hemen aynı. Açık sicimler fotonlar gibi davrandılar, ama benim için en büyük sürpriz, kapalı yapışkan topların tam olarak anlaşılması zor gizemli gravitonların teoride davranması gerektiği gibi davranmasıydı. Yeni bir yerçekimi ve elektromanyetizma teorisi kuracak olsaydık, tüm bunlar sonsuz bir neşe kaynağı olabilirdi, ama bu bizim hedefimizden çok uzaktı. Ne de olsa nükleer kuvvetleri tarif etmek istedik ve bu anlamda tüm girişimlerimiz ezici bir başarısızlıkla sonuçlandı. Bir çıkmazdayız.

Sicim teorisinde başka bir zorluk daha var. Hem "her şeyin teorisi" hem de "hiçliğin teorisi". Teorinin asıl amacı hadronları tanımlamaktı, başka bir şey değil. Elektronlar, fotonlar ve gravitonlar nokta parçacıklar olarak kaldı. Uzun süreli deneyler, elektronların ve fotonların herhangi bir boyutu varsa, hadronlardan çok daha küçük olduklarına bizi ikna etti. Tabiri caizse, noktalar da olabilirdi. Öte yandan, hadronların nokta olamayacağı da açıktı. Bir nokta kendi ekseni etrafında dönemez. Dönen bir nesneyi düşündüğümde, bir pizza şefinin çevirdiği bir hamur parçasını veya bir basketbolcunun parmağında döndürülen bir basketbol topunu düşünürüm. Ancak sonsuz derecede küçük bir noktanın dönüşünü hayal etmek imkansızdır. Bir hadrona dönüş vermek çok kolaydır: hızlandırıcılar üzerinde yapılan deneylerde hadronların uyarılmış dönme durumları düzenli olarak gözlemlenir. Hadronlar matematiksel bir noktadan çok bir hamur parçası gibi olmalıdır. Ancak henüz hiç kimse bir elektronu veya bir fotonu döndürmeyi başaramadı. [75]

Gerçek hadronlar nokta parçacıklarla etkileşime girebilir ve girerler. Bir proton, tıpkı bir elektronun yaptığı gibi fotonları soğurma ve yayma yeteneğine sahiptir. Ama sicim benzeri bir hadronun bir fotonla etkileşime girdiği bir teori oluşturmaya çalıştığımız anda her şey cehenneme dönüyor. Birbiri ardına gelen matematiksel çelişkiler, tüm girişimlerimizi mahveder.

Ve sonra hemen birçok kişinin aklına bariz bir fikir geldi. Salınımlı bir sicim kesinlikle bir nokta değildir, ancak biz her zaman sicimin uçlarında nokta kuarkları olduğunu varsaydık. Neden sicimin tüm elektrik yükünün de bu kuarklarda yoğunlaştığını varsaymıyorsunuz? Bundan sonra, sadece fotonların nokta yüklerle etkileşimini hesaplamak kalır - bir çocuğun görevi. Ama bildiğiniz gibi bazen en iyi planlar bile ters gider.

Sorun, sicim teorisindeki sicimlerin son derece güçlü kuantum titreşimlerine sahip olmasıdır. Son derece yüksek frekanslı kuantum dalgalanmaları o kadar vahşi ve kontrol edilemez hale geliyor ki, bir ipin ucundaki kuarklar evrenin en ucuna kadar varabiliyor . Aptalca gelebilir, ancak ipin bazı kısımları o kadar güçlü titreşir ki, çok kısa bir süre içinde sonsuz derecede uzağa gidebilirler!

Dizelerin bu sezgisel davranışını basit bir örnekle açıklamaya çalışacağım. Bir gitar teli hayal edin. Sicim teorisi tellerinden biraz farklıdır, esas olarak gitar tellerinin uçlarının boyun ve gövdenin uçlarına sabitlenmesidir. Ama şimdi önemli değil. Her iki türdeki tellerin de farklı titreşim kiplerine sahip olabilmesi önemlidir. Bir gitar teli, bir çocuğun atlama ipi gibi hareket ederek bir bütün olarak titreyebilir. Bu titreşim modu uyarıldığında, tel temel bir ton gibi ses çıkarır.

Ancak, herhangi bir gitaristin bildiği gibi, teller daha yüksek harmoniklerin armonilerinde de ses verebilir. Bu durumda, sicim tek bir bütün olarak değil, uçlarıyla seri bağlanmış bir veya birkaç sicim olarak titreşir. Örneğin, birinci harmonik modda, dize sanki ikiye bölünmüş gibi salınır: dizinin ortası sabit kalır.

Prensipte, sonsuz derecede ince ideal bir tel, sonsuz sayıda titreşim moduna sahip olabilir ve sonsuz derecede yüksek harmoniklerin armonilerini yayabilir, ancak pratikte, sürtünme ve diğer faktörler, daha yüksek harmoniklerin titreşimlerini azaltarak, heyecanlanmalarını bile engeller.

Şimdi Bölüm 1'deki kuantum mekaniği dersini hatırlayalım. Herhangi bir osilatörün giderilemez sıfır salınımları vardır. Bunun mükemmel bir tel için oldukça dramatik sonuçları vardır: tüm olası titreşimler, tüm sonsuz titreşim modları seti, aynı anda ses, çılgın bir beyaz gürültü senfonisi yaratır. Tek bir tel parçası için tüm titreşim modlarının katkısını özetlersek, titreşiminin maksimum genliğinin sonsuz olduğunu buluruz.

Bu çılgın kakofoni neden sıradan bir gitar telinin sesiyle oluşmuyor? Bunun nedeni, sıradan sicimlerin, sicimin uzunluğu boyunca atomlardan oluşmasıdır. Bir ip üzerindeki duran dalganın düğüm noktaları arasındaki mesafenin komşu atomlar arasındaki mesafeden daha az olduğu titreşim modlarının hiçbir anlamı yoktur. Ancak matematiksel olarak mükemmel bir sicim atomlardan oluşmaz ve sabit uzunlukta bir sicim üzerinde herhangi bir sayıda düğüm olabilir, bu nedenle tamamen kontrol edilemez bir şekilde titreyecektir.

Sicim teorisinin belki de en şaşırtıcı matematiksel mucizesi, her şeyi doğru hesaplarsanız , sicimlerin on boyutlu uzay-zamanda eşzamanlı olarak salındığı ve hiçbirinin diğerine göre sonsuza uçmadığı ortaya çıkar. Yani sizin ipiniz ve benim ipim evrenin bir ucundan diğer ucuna titreşebilir ama dünya on boyutlu ise mucizevi bir şekilde bu titreşimleri algılayamayız.

Ancak bu mucize, ancak dünyadaki her şey sicimlerden oluşuyorsa çalışır. Foton bir nokta parçacık ve proton bir dizi ise, korkunç bir çarpışma olacaktır. Bu nedenle, yalnızca bir dizi diğer dizilerle etkileşime girebilir! Sicim kuramının her şeyin kuramı ya da hiçbir şeyin kuramı olduğunu söylediğimde tam da bunu kastetmiştim.

Salınımı evrenin sınırlarına ulaşan şiddetli sicim kuantum titremesi o kadar kasvetli bir olasılık gibi görünüyordu ki, sicim kuramının esnek olmayan matematiğiyle ilgili tüm düşünceleri on yıldan fazla bir süre bir kenara bıraktım. Ama sonunda, sicimlerin bu çılgın davranışı, modern teorik fiziğin en ilginç ve tuhaf gelişmelerinden birinin temeli oldu. 10. Bölüm'de, dünyanın uzayın kenarlarında bir tür kuantum hologram olduğunu söyleyen holografik ilkeyle tanışacağız. Bir dereceye kadar, bu ilkenin keşfi, sicimlerin aşırı kuantum titremesinden ilham aldı. Ancak holografik ilke, nükleer fiziğin değil, yerçekiminin kuantum mekaniksel tanımının bir özelliğidir.

Bazı teoriler matematiksel olarak o kadar kesindir ki esnekliklerini kaybederler. Teori başarılı olursa iyi olur. Ancak teoride bir şey istediğimiz gibi çalışmıyorsa, katılık bir engel haline gelir. Sicim teorisinin 70'lerde, 80'lerde ve 90'ların çoğunda var olan versiyonları, sicim olmayan nesnelerin etkileşimini açıklamaya izin vermiyordu. Amacınız hadronların etkileşimini tanımlamaksa, o zaman böyle bir teori sizin için pek umut verici değildir. Çok fazla boyut, kütlesiz gravitonlar ve fotonlar ve daha küçük nesnelerle etkileşmenin imkansızlığı... Genel olarak sicim kuramı, en azından hadronlar kuramı olarak ciddi zorluklar yaşadı. Yine de hadronların uçlarında kuarklar bulunan elastik sicimler gibi davrandıklarını kimse inkar edemezdi. Sicim teorisinin yaratılmasından bu yana geçen 35 yıl içinde, hadronların sicim doğası iyice doğrulanmış deneysel bir gerçek haline geldi. Ama aynı zamanda sicim teorisi başka bir hayatın içinde buldu kendini. Bir sonraki bölüm, sicim kuramının kuantum mekaniği ile genel göreliliği birleştiren temel bir kuram olarak nasıl yeniden doğduğu hakkındadır.

Bölüm 8
 

Hadronik sicim teorisi en kesin matematiksel biçiminde başarısız olsa da, bazı gözü pekler bu çöküşte uğurlu bir an gördüler. "Dağ Muhammed'e gitmezse, Muhammed dağa gider." Eğer sicim teorisini kütleçekimi teorisi gibi davrandığı için hadronları tarif edemiyorsak, bırakın yerçekimi sicim teorisiyle tanımlansın. Neden her şeyi tanımlamak için kullanmıyorsunuz: yerçekimi, elektromanyetizma, kuarklar ve diğer her şey? Bir önceki bölümde açıklanan ikinci ve üçüncü problemler bu durumda ortadan kalkar: tahmin edilen tüm kuvvet spektrumu artık gerçeğe karşılık gelir ve her şey sicimlerden yapılmıştır. Teorinin katılığı, bir yükümlülükten bir varlığa gider. Evrenin bir ucundan diğer ucuna salınan tek boyutlu enerji ipliklerinden örülmüş, radikal olarak yeni bir dünya görüşü, eski nokta malzeme parçacıkları paradigmasının yerini alıyor.

Sicim kuramındaki bu dönüşümün bir resmini çizmek için, fenomenin ölçeğinden biraz bahsedelim. Hadronların boyutları 10 -13 -10 -14 cm aralığındadır, bazı farklılıklar vardır, ancak mezonlar, baryonlar ve yapışkan toplar büyüklük sırasına göre yaklaşık olarak aynı boyuttadır. 10-13 santimetrelik bir boyut yok denecek kadar küçük görünür, bir atomun çapından 100.000 kat daha küçüktür, ancak modern parçacık fiziği standartlarına göre bu çok fazla. Hızlandırıcılar, bin kat daha küçük nesneleri incelemeyi mümkün kılıyor ve hızlandırıcıların en güçlüsü, bir hadronun boyutundan 10.000 kat daha küçük mesafelere yaklaşmaya başlıyor.

Bir gravitonun doğal boyutu çok daha küçüktür. Ne de olsa gravitonlar, yerçekimi teorisi ile kuantum mekaniğinin bir karışımıdır ve hangi kuantum seviyesinde çalışırsanız çalışın, her zaman Planck'ın 1900'de yaptığı şeyin aynısını elde edersiniz: doğal bir uzunluk birimi, çok, çok küçük bir uzunluk birimi. uzunluk birimi - 10 -33 cm olan Planck uzunluğuna Fizikçiler gravitonun tam olarak bu boyutta olmasını bekliyorlar.

Bir graviton bir protondan ne kadar küçüktür? Graviton'u Dünya'nın boyutuna yükseltirsek, o zaman proton bildiğimiz tüm evrenle aynı boyuta sahip olacaktır. John Schwartz ve Joel Sherk, hadron teorisi rolünde başarısız olan aynı sicim teorisini kullanarak, aynı anda birkaç büyüklükte bir "kurbağa zıplaması" [76] yapmayı önerdiler . General MacArthur'un Pasifik taktikleri gibi, bu girişim de pekâlâ kahramanca ya da aptalca olabilir.

Kuvvetlerin uzun menzilli etkileşimiyle ilgili herhangi bir sorun yoksa, o zaman teorinin matematiksel tutarlılığı için gerekli olan uzay boyutu yine de dokuz uzamsal artı bir zaman boyutuydu. Ancak yeni bağlamda, bir nimet olduğu ortaya çıkacaktı. Standart Model'deki temel parçacıkların (nokta benzeri olduğu varsayılan parçacıklar) listesi çok uzundur. 36 farklı tür kuark, 8 gluon, 6 tür lepton içerir: elektron, müon ve tau lepton artı bunlara karşılık gelen antiparçacıklar, iki tür W bozonu, Z bozonu, Higgs bozonu, foton ve nötrino. Her türden bir parçacık, başka türden parçacıklardan temel olarak farklıdır. Her birinin bireysel özellikleri vardır. Ama eğer tüm parçacıklar sadece noktalarsa, bireysel özelliklerini nereden alıyorlar? Basit bir nokta nasıl olur da spin, isospin, tuhaflık, tılsım, baryon sayısı, lepton sayısı ve renk gibi kuantum sayılarına sahip olabilir? [77] Parçacıkların, çok uzak mesafeden görünmeyen bazı iç mekanizmaları olması gerektiği açıktır. Nokta benzeri görünümleri şüphesiz geçici bir fenomendir, en iyi "mikroskoplarımızın", yani hızlandırıcılarımızın sınırlı çözünürlüğünün bir sonucudur. Ancak hızlandırıcının çözünürlüğünü artırmak ancak hızlandırılmış parçacıkların enerjisini artırmakla mümkündür ve bu enerjiyi artırmanın tek yolu hızlandırıcının boyutunu artırmaktır. Çoğu fizikçinin inandığı gibi, temel parçacıkların iç mekanizmaları Planck uzunluğundaysa, onları dikkate almak için galaksi büyüklüğünde bir hızlandırıcı inşa etmek gerekir! Bu yüzden, gerçekler içlerinde kesinlikle bir şeyler olduğunu söylese de, parçacıkları noktalar olarak düşünmeye devam ediyoruz.

Ancak sicim kuramı nokta parçacıklar kuramı değildir. Bir teorisyenin bakış açısından, sicim teorisi parçacıkların özelliklerini nasıl elde ettiğini açıklayabilir. Diğer şeylerin yanı sıra, sicimler farklı modlarda titreşebilir. Gitar çalan herkes, bir gitar telinin farklı harmoniklerde titreyebileceğini bilir. Bir ip, bir bütün olarak veya ortasından bir düğümle ayrılmış iki parça olarak titreşebilir. Ayrıca, bir dizi harmonik yayarak üç veya daha fazla farklı parça olarak titreşebilir. Aynısı sicim teorisindeki sicimler için de geçerlidir. Farklı türdeki sicim titreşimleri, farklı parçacık türlerine yol açar, ancak bu, elektronlar ve nötrinolar, fotonlar ve gluonlar veya u-kuarklar ve c-kuarklar arasındaki farkları açıklamak için hala yeterli değildir.

Sicim teorisyenlerinin, eskiden belirsizliklerine neden olan şey için parlak bir uygulama buldukları yer burasıdır. Domuzun kulağından ipek bir çanta yapmayı başardılar - çok fazla boyut. Hadronların tanımına bu kadar müdahale eden ek altı boyutun, temel parçacıkların çeşitli özelliklerini açıklamanın anahtarı olduğu ortaya çıktı: elektrik yükü, renk, tuhaflık, izospin ve diğerleri.

İlk bakışta, bu özellikler ile ekstra boyutlar arasında belirgin bir bağlantı yoktur. Ekstra altı boyuttaki hareket, elektrik yükünü veya farklı kuark türleri arasındaki farklılıkları nasıl açıklar? Yanıt, Einstein'ın genel görelilik kuramında tanımladığı uzayın doğasındaki derin değişikliklerde, yani uzayın veya onun bir kısmının kompaktlaşma olasılığında yatıyor.

 Sıkıştırma
 

Kompaktlaşma olgusunu açıklamanın en kolay yolu, iki boyutlu bir yüzey örneğidir. Uzayı, her yöne sonsuza kadar uzanan düz bir kağıt parçası olarak hayal edin. Ancak bu, iki boyutlu uzayın varyantlarından yalnızca biridir. Einstein Evreni ve Friedmann Evreni hakkında konuşurken, uzayı bir kürenin yüzeyi olarak nasıl temsil ettiğimizi hatırlayın - böyle bir uzayda hangi yönde hareket ederseniz edin, sonunda başlangıç noktasına geri döneceksiniz.

Einstein ve Friedman, uzayı milyarlarca ışıkyılı boyunca aynı galaksiyle iki kez karşılaşmayacağınız kadar büyük devasa bir küre olarak hayal ettiler. Ama şimdi bu küreyi sıkıştırmaya başladığımızı hayal edin: ve şimdi gittikçe küçülüyor, bir kişi ona zar zor sığabiliyor. Küreyi bir molekül, atom, proton boyutuna küçültmeye devam edelim... Sonunda böyle bir küre artık bir noktadan - içinde hareket edilebilecek tek bir boyutu olmayan bir uzaydan - ayırt edilemez hale gelecektir . Bu, uzay sıkıştırmanın en basit örneğidir.

Tek boyutlu uzay gibi görünmesi için iki boyutlu uzay için bir şekil seçebilir miyiz? İki boyutlu bir kağıdın iki boyutundan birini gizlemek mümkün mü? Kolay. Başlangıç olarak, sonsuz düz bir kağıttan x yönünde sonsuz uzunlukta , ancak y yönünde 10 cm gibi sonlu genişlikte bir şerit keselim . Şimdi bu şeridi, silindirin ekseni x yönünde olacak şekilde sonsuz bir silindir haline getirelim . Ortaya çıkan silindir, y yönünde kompakt (sonlu) ve x yönünde sonsuz olacaktır .

Şeridi bir silindire yuvarlamak

10 cm genişliğinde bir şerit yerine 1 mikron (1/10.000 cm) genişliğinde bir şeridi bir silindire yuvarlarsak, o zaman böyle bir silindir çıplak gözle bakıldığında tek boyutlu bir uzay gibi görünecektir. sonsuz ince "saç". Ve ancak mikroskop altına koyarak bu silindirin yüzeyinin aslında iki boyutlu olduğundan emin olabiliriz. İşte iki boyutlu uzayın tek boyutlu olarak nasıl gizlenebileceğine dair bir örnek.

Ayrıca, silindirin çevresini Planck uzunluğuna indirdiğimizi varsayalım. Bu tür boyutlar için artık ikinci boyutu çözebilecek bir mikroskop yoktur. Tüm pratik amaçlar için, bu alan tek boyutlu olacaktır. Boyutlardan bazılarını kompakt hale getirirken geri kalanını sonsuz bırakma işlemine kompaktlaştırma denir .

Şimdi resmi biraz karmaşıklaştıralım. Üç koordinat ekseni olan üç boyutlu bir uzayı ele alalım: x, y ve z . x- ve y - koordinatlarını sonsuza kadar uzatarak bırakalım ve z - koordinatını katlayalım. Hayal etmesi zor, ancak temelde bir şeridi silindir haline getirmekten farklı değil. x veya y yönünde hareket ederek sonsuza kadar gidebilirsiniz, ancak z yönünde hareket ederek bir miktar mesafe gittikten sonra başlangıç noktasına döneceksiniz. Bu mesafe mikroskobik olarak küçükse, ortaya çıkan alan iki boyutlu gibi görünecektir.

Biraz daha ileri gidelim ve iki boyutu sıkıştıralım: y ve z . Bir süreliğine x boyutunu unutalım ve diğer ikisini ele alalım. Başlangıç olarak, onları 2-küreye daraltabiliriz. Bu durumda, x yönünde keyfi olarak uzağa hareket edebilirsiniz ve y ve z koordinatları boyunca seyahat etmek bir kürenin yüzeyinde seyahat etmek gibi olur. Yine, eğer bu "küre" mikroskobik boyutlara sahipse, ortaya çıkan uzayın mikroskop olmadan tek boyutludan ayırt edilmesi zor olacaktır. Gördüğünüz gibi, bu şekilde hareket ederek, istediğiniz sayıda boyutu kompakt bir uzaya daraltabilirsiniz.

2-küre, iki boyutu sıkıştırmanın tek yolu değildir. Başka bir basit yol da bu amaç için bir simit kullanmaktır . 2-küre topun yüzeyiyse simit de halkanın yüzeyidir. Kompaktlaştırma için kullanılabilecek birçok başka topolojik form vardır, ancak simit en genel durumdur.

Silindire geri dönelim ve yüzeyinde hareket eden bir parçacık hayal edelim. Bu parçacık, sanki tek boyutlu bir uzaymış gibi , x ekseni boyunca herhangi bir yönde sonsuza kadar hareket edebilir. Bunu yaparken, parçacığın hareket ettiği hızı hesaplayabiliriz. Ancak bir parçacık sadece x ekseni boyunca değil, katlanmış y ekseni boyunca da hareket edebilir . Bu gizli mikroskobik yönde, parçacığın da bir miktar hızı olacaktır. Yani bir parçacık x yönünde, y yönünde veya aynı anda her iki yönde hareket edebilir. İkinci durumda, parçacığın hareketi, x ekseni etrafına sarılmış mikroskobik bir tirbuşon şeklinde olacaktır . Parçacık, aynı anda etrafında dönerken x yönünde hareket edecektir. Aletleri y yönündeki hareketi gözlemlemek için yetersiz çözünürlüğe sahip bir gözlemci için , bu ek hareket parçacığın bazı özel özellikleri olarak görünür. Ek olarak y yönünde hareket eden bir parçacık, yalnızca x yönünde hareket eden bir parçacıktan farklıdır , ancak bu farkın nedeni y - boyutunun küçüklüğü ile bizden gizlenir. Bu yeni parçacık özelliğini nasıl yorumlayabiliriz?

Uzayda gözlemlenemeyen ek yönlerin varlığı fikri kesinlikle yeni değil. İlk olarak 20. yüzyılın başında, Einstein'ın genel görelilik kuramını tamamlamasından kısa bir süre sonra ortaya çıktı. Einstein'ın çağdaşı Theodor Franz Eduard Kaluza tam olarak şu soruyu sordu: Ek bir küçük boyutun varlığı fiziksel olguları nasıl etkiler? O günlerde iki temel fiziksel etkileşim biliniyordu: elektromanyetik ve yerçekimi. Pek çok yönden benzerler, ancak Einstein'ın yerçekimi teorisi Maxwell'in elektrodinamiğinden daha derine inmiş gibi görünüyordu. Einstein'ın yerçekimi, uzay-zamanın geometrik bir bozulmasına indirgenirken, Maxwell'in teorisi, tam olarak böyle olması için temel bir nedeni olmayan fiziksel dünya üzerinde gelişigüzel bir üstyapı gibi görünüyordu. Ancak uzay-zaman geometrisi, yalnızca yerçekimi alanının özelliklerini tanımlar, daha fazlasını değil. Elektrik ve manyetizmanın yerçekimi ile bir şekilde birleşmesi için, uzayın temel geometrik özelliklerinin Einstein'ın hayal ettiğinden daha karmaşık olması gerekirdi.

Kaluza inanılmaz bir keşif yaptı. Olağan 3 + 1 boyutlara bir katlanmış boyut daha eklenirse, uzay-zamanın geometrisi yalnızca Einstein'ın yerçekimi alanını değil, aynı zamanda Maxwell'in elektromanyetik alanını da içerecektir: yerçekimi, elektrik ve manyetizma, her şeyi kapsayan tek bir teoride birleştirilebilir. .

Kaluza'nın parlak fikri, bundan tamamen memnun olan Einstein'ın dikkatini çekti. Kaluza'ya göre parçacıklar yalnızca olağan üç boyutta değil, aynı zamanda dördüncü, gizli boyutta da hareket edebilirler. İki parçacık bu ekstra boyutta hareket ederse, aralarında etkili olan yerçekimi kuvvetinin değiştiğini ve en şaşırtıcı şeyin, yerçekimi kuvvetine yapılan bu eklemenin, iki yüklü parçacık arasındaki elektriksel etkileşimle aynı olması olduğunu buldu. Üstelik her bir parçacığın elektrik yükü, ekstra bir boyuttaki bir momentum bileşeninden başka bir şey değildir. Parçacıklar bu kompakt boyutta aynı yönde dönerlerse birbirlerini iterler. Zıt yönlerde dönerlerse çekerler. Ancak iki parçacıktan en az biri ekstra bir boyutta dönmüyorsa, aralarında yalnızca olağan yerçekimi etkileşimi kalır. Hava açıkça, elektronlar gibi bazı parçacıkların elektrik yüküne sahipken diğerlerinin, örneğin nötrinoların neden olmadığını açıklama olasılığının kokusunu alıyordu. Yüklü parçacıklar basitçe uzayın kompakt bir boyutunda hareket ederken, nötr parçacıklar hareket etmez. Bu, elektron ile onun antiparçacığı olan pozitron arasındaki farkları açıklamayı bile mümkün kıldı. Bir elektron kompakt bir boyutta bir yönde, örneğin saat yönünde döner ve bir pozitron saat yönünün tersine döner.

Bir sonraki içgörü kuantum mekaniğinden geldi. Diğer herhangi bir salınım hareketi gibi, kompakt y - koordinatı yönündeki hareket nicemlenir. Bir parçacık, y ekseni üzerinde keyfi bir momentum izdüşüm değeri ile y ekseni boyunca hareket edemez . Bohr'un atom teorisindeki harmonik osilatörde veya elektronda olduğu gibi, yalnızca ayrık değerler alabilir. Ve bu da, y boyutunda moment ve buna bağlı olarak elektron yükünün keyfi değerler alamayacağı anlamına gelir. Kaluza'nın teorisindeki elektrik yükü kuantize edilir, yalnızca elektron yükünün bir tamsayı ile çarpımı olarak ifade edilebilir. Bir parçacığın yükü, bir elektronun yükünün iki veya üç katı olabilir, ancak ondan örneğin 1,88 veya 0,067 kat farklı olamaz. Ve memnun. Gerçek dünyada, kesirli (elektron yükü birimleri cinsinden) yükü olan tek bir nesne bulunamadı: elektrik yüklü tüm cisimlerin yükü, elektron yükünün katı olan bir yüke sahiptir.

Ancak bu şaşırtıcı keşif, Kaluza'nın hayatının geri kalanında "ilginç bir fikir" olarak kaldı. Ancak kitabımız için kilit önemdedir. Kaluza'nın teorisi, parçacık özelliklerinin ekstra uzamsal boyutlardan nasıl ortaya çıkabileceğini gösterdi. Gerçekten de, sicim kuramının fazladan altı boyut gerektirdiğini keşfettiklerinde, sicim kuramcılarına Kaluza'nın fikirleri hatırlatıldı. Temel parçacıkların iç mekanizmasını içlerindeki hareketle açıklamak için altı ek boyutu doğru bir şekilde çökertmek yeterlidir.

Sicim kuramının olanakları, nokta parçacıklar kuramından çok daha zengindir. Silindire geri dönelim ve yüzeyi boyunca küçük, kapalı bir ipin hareket ettiğini varsayalım. Çevresi çıplak gözle görülebilecek kadar büyük olan bir silindirle başlayalım. Küçük bir kapalı sicim, bir nokta parçacıkla aynı şekilde hareket edebilir: silindirin generatriksi boyunca veya ekseni etrafında. Bu durumda, sicimin hareketi bir nokta parçacığın hareketinden temel olarak farklı değildir. Ama bir sicimin yapabileceği bir şey var ama bir nokta parçacığı değil. İp, bir karton boru üzerindeki kauçuk bir halka gibi silindirin etrafına sarılabilir. Bir silindirin etrafına sarılmış bir ip, sarılmamış bir ipten farklıdır. Lastik halka, kırılana kadar iki kez, üç kez vb. Bu düşünce deneyi bizi, nokta parçacıklarının prensipte sahip olmadığı, sicimlerin yeni bir özelliğine, bükülme sayısı adı verilen bir özelliğe götürür . Bu sayı bize kompakt boyutun etrafına kaç tur ipin sarıldığını söyler.

Burulma sayısı, bir parçacığın, mikroskobumuz kompakt bir boyutun boyutuyla karşılaştırılabilir ayrıntıları çözecek kadar güçlü olmadığı sürece anlaşılamayacak bir özelliğidir. Artık anladığınız gibi, temel parçacıkların karmaşık özelliklerini açıklamak için gerekli olduklarından, ekstra boyutların sicim teorisi için bir lanetten çok bir nimet olduğu kanıtlanmıştır.

İki boyutlu bir silindiri çizmek yeterince kolaydır, ancak altı boyutun küçük bir altı boyutlu uzaya toplandığı dokuz boyutlu bir dünya hayal edebileceğinden şüpheliyim. Ancak bir kağıda resimler çizmek veya kafanızda modeller hayal etmek, sicim teorisinin altı boyutlu geometrisi üzerinde işlem yapmanın tek yolu değildir. Genellikle geometri, okulda denklemler kullanarak daire veya çizgi gibi çeşitli geometrik şekilleri tarif ettiğiniz gibi cebire indirgenebilir. Bununla birlikte, en güçlü matematiksel yöntemler bile genellikle altı boyutlu geometriye teslim olur.

Örneğin, sicim teorisinin altı boyutlu geometrisinde bir topun bir yüzey üzerinde alabileceği olası yolların sayısı milyonlarla ifade edilir. Bu uzayları tarif etmeyeceğim, sadece çalışmalarına çok çaba harcayan iki matematikçinin onuruna Calabi-Yau uzayları veya manifoldları olarak adlandırıldıklarını söyleyeceğim. Matematikçilerin birdenbire bu manifoldlarla neden ilgilenmeye başladıklarını bilmiyorum ama sicim teorisyenleri için son derece faydalı olduklarını kanıtladılar. Neyse ki, malzemenin geri kalanını anlamak için bu boşluklar hakkında bilmeniz gereken tek şey, halka delikleri gibi yüzlerce deliği ve diğer özellikleri olan çok karmaşık yapılar olduklarıdır.

İki boyutlu silindire geri dönelim. Bir silindirin çevresi, sözde kompaktlaştırma ölçeğini karakterize eder . Bir karton silindir için bu ölçek birkaç santimetredir; sicim teorisi için birkaç Planck uzunluğu mertebesinde olmalıdır. Bu ölçeğin, genellikle yaptığımız şeyler için herhangi bir anlam ifade edemeyecek kadar küçük olduğuna karar verirseniz, o zaman çok yanılıyorsunuz. Bu kadar küçük şeyleri gözlemleyemesek de ölçemesek de sıradan fizik için belirleyici bir öneme sahipler. Kaluza'nın teorisindeki kompaktlaştırma ölçeği, bir elektron gibi bir parçacığın elektrik yükünün büyüklüğünü belirler. Başka bir deyişle, kompaktlaştırma ölçeği, olağan doğa kanunlarında bulunan çeşitli sabitlerin büyüklüğünü belirler. Silindirimizin boyutu değiştiğinde Fizik Kanunları da değişir. Bölüm 1'de bahsettiğim sayısal alanların büyüklüklerini değiştirirseniz, Fizik Yasaları da değişir. Burada herhangi bir bağlantı var mı? şüphesiz! Ve şimdi bunun hakkında konuşacağız.

Bir silindirin özelliklerini ayarlamak için sıkıştırma ölçeği değerini ayarlamak yeterlidir, ancak bu diğer şekiller için yeterli değildir. Örneğin, bir simidi tanımlamak için üç parametre belirtmeniz gerekir. Hayal etmeye çalışalım. İlk parametre simidin dış boyutudur. Bir simit, şeklini değiştirmeden büyütülebilir veya küçültülebilir. Ek olarak, simit bir halka gibi "ince" veya bir çörek gibi "kalın" olabilir. Simidin kalınlığını karakterize eden parametreye en-boy oranı denir . En boy oranı, torusun büyük yarıçapının (dış boyutu belirleyen) borunun yarıçapına oranı olarak tanımlanır. İnce bir simit için en-boy oranı büyüktür, kalın bir simit için birlik olma eğilimindedir. Şekilde tasvir edilmesi oldukça zor olan başka bir parametre daha vardır. Bir silindir elde etmek için simidi kestiğimizi hayal edin, ardından silindirin uçlarından birini alarak silindirin eksenine göre döndürmeye başladık ve ardından silindiri kesim boyunca tekrar bir simit içine bağladık. astar. Silindiri döndürdüğümüz açı üçüncü parametredir. Bunu üçüncü resimde göstermeye çalıştım.

Matematikçiler simidin şeklini ve boyutunu belirleyen bu parametrelere modüller adını verirler . Bir torusun üç modülü vardır, bir silindirin yalnızca bir modülü vardır, ancak tipik bir Calabi-Yau manifoldunun yüzlerce modülü vardır. Bunun neye yol açtığını tahmin etmiş olabilirsiniz, ancak değilse, o zaman açıklayacağım: bu, inanılmaz derecede çeşitli ve karmaşık bir manzaraya yol açar.

Çok önemli konulardan biri, mekan bileşeninin boyutunu ve şeklini bir noktadan diğerine değiştirebilme yeteneğidir. Eğri bir şekilde yapıştırılmış bir silindir hayal edin. Bu silindirin yüzeyi boyunca hareket ederken eğriliğinin sürekli değiştiğini varsayalım. Silindir bazı yerlerde daha kalın, bazılarında daha incedir.

Silindir çok ince olsa bile, bu kompakt boyutu algılamak için çok ince olsa bile, bu boyutun boyutu yine de çeşitli bağlantı sabitlerini ve kütlelerini belirleyecektir. Açıkçası, böyle bir silindir boyunca hareket ederek, doğa kanunlarının bir noktadan diğerine değiştiği bir dünyadan geçeceğiz. Kıvrılmış boyutu tespit edemeyen sıradan fizikçi bu durumda ne diyecek? Uzayda farklı noktalardaki koşulların farklı olduğunu söyleyecektir. Ona göre, elektronun yükünün büyüklüğünü ve parçacıkların kütlelerini kontrol eden bazı skaler alanların varlığı gibi görünecek ve bu alanlar noktadan noktaya değişecektir. Başka bir deyişle, modüller bir tür manzara oluşturuyor - yüzlerce boyutta bir manzara.

Calabi-Yau uzayı, bir silindirin dairesel bölümünden çok daha karmaşıktır, ancak prensip aynıdır: Sıkıştırılmış bir uzayın boyutu ve şekli, sanki bizi yöneten yüzlerce skaler alanımız varmış gibi, uzaydaki konumuna bağlı olarak değişebilir. fizik kanunları! Sicim teorisi manzarasının neden bu kadar karmaşık olduğunu şimdi anlamaya başlıyoruz.

 Zarif bir süpersimetrik evren mi?
 

Sicim kuramının altında yatan gerçek ilkeler büyük bir gizemle örtülmüştür. Teori hakkında bildiğimiz hemen hemen her şey, süpersimetri adı verilen bir özellik sayesinde matematiğin inanılmaz derecede basitleştirildiği manzaranın belirli bir bölümünü içerir . Peyzajın süpersimetrik bölgeleri, tam olarak sıfır yükseklikte, mükemmel derecede düz bir ova oluşturur ve özellikleri o kadar simetriktir ki, tüm manzarayı bilmeden birçok şey hesaplanabilir. Birisi sadelik ve zarafet arıyorsa, süper sicim teorisi olarak da bilinen süpersimetrik sicim teorisinin düz düzlüğü tam olarak bakmaları gereken yer. Gerçekten de birkaç yıl önce sicim teorisyenlerinin dikkat ettiği tek yer burasıydı. Ancak bazı fizikçiler bu büyüleyici saplantıdan çoktan kurtulmuş ve süper dünyanın zarif basitleştirmelerinden kurtulmaya çalışıyorlar. Nedeni basit: gerçek dünya süpersimetrik değil.

Standart Modeli ve sıfır olmayan küçük bir kozmolojik sabiti içeren bir dünya, sıfır yükseklikte bir düzleme yerleştirilemez. Tepeler, vadiler, yüksek yaylalar ve dik yamaçlarla Arazinin engebeli bir bölgesinde bir yerde bulunur. Ancak vadimizin Peyzajın süpersimetrik kısmına yakın olduğuna ve matematiksel bir süper mucizenin bazı kalıntılarının ampirik dünyanın özelliklerini anlamamıza yardımcı olabileceğine inanmak için nedenler var. Bu bölümde inceleyeceğimiz bir örnek, Higgs bozonunun kütlesidir. Aslında, bu kitabı gün ışığına çıkaran tüm keşifler, süpersimetrik düzlüğün güvenliğinden uzaklaşmaya yönelik ilk ürkek girişimlerdir.

Süpersimetri bize bozonlar ve fermiyonlar arasındaki farklılıkları ve benzerlikleri anlatır. Modern fizikteki diğer pek çok şey gibi, süpersimetri ilkeleri de Einstein'ın erken dönem çalışmalarına kadar izlenebilir. 2005 yılında, modern fiziğin mucizeler yılı olan anno mirabilis'in yüzüncü yılını kutladık. Einstein bu yıl iki devrim başlattı ve üçüncüsünü tamamladı. [78] Kesinlikle özel göreliliğin yılıydı. Ancak çok az kişi 1905'in "izafiyet yılı"ndan çok daha fazlası olduğunu biliyor. Aynı zamanda, modern kuantum mekaniğinin başlangıcı olan fotonların doğuşunu da işaret ediyordu.

1905'ten beri verilen her Nobel Ödülü'nün Einstein'ın keşiflerinin yankılarını taşıdığını düşünmeme rağmen, Einstein Fizik alanında yalnızca bir Nobel Ödülü aldı. Nobel Ödülü, Einstein'a görelilik teorisini yarattığı için değil, fotoelektrik etkiyi açıkladığı için verildi. Einstein'ın fiziğe en radikal katkısı, ışığı oluşturan enerji kuantumu olan foton kavramını ilk kez ortaya koyduğu fotoelektrik etki teorisiydi. Fizik, özel görelilik teorisini doğurmaya çoktan hazırdı, yaratılması sadece an meselesiydi, oysa ışığın foton teorisi maviden bir şimşek gibi gürledi. Einstein, genellikle dalga fenomeni olarak düşünülen bir ışık huzmesinin ayrık bir yapıya sahip olduğunu gösterdi. Işığın belirli bir rengi (dalga boyu) varsa, o zaman tüm fotonlar adım adım ilerliyor gibi görünür: her foton diğeriyle aynıdır. Aynı anda aynı kuantum durumunda olabilen parçacıklara Hintli fizikçi Shatyendranath Bose'dan sonra bozonlar denir.

Yaklaşık yirmi yıl sonra, Einstein'ın döşediği binayı tamamlayan Louis de Broglie, her zaman parçacık olarak algılanan elektronların aynı zamanda dalgalar gibi davrandığını gösterecek. Dalgalar gibi, elektronlar da yansıtılabilir, kırılabilir, kırılabilir ve girişime uğrayabilir. Ancak elektronlar ve fotonlar arasında temel bir fark vardır: fotonların aksine, iki elektron aynı anda aynı kuantum durumunda olamaz. Pauli dışlama ilkesi, bir atomdaki her elektronun kendi kuantum durumuna sahip olmasını ve başka hiçbir elektronun önceden yapılmış bir yere burnunu sokmamasını sağlar. Bir atomun dışında bile, iki özdeş elektron aynı yerde olamaz veya aynı momentuma sahip olamaz. Bu tür parçacıklara İtalyan fizikçi Enrico Fermi'den sonra fermiyonlar denir , ancak adalet içinde paulion olarak adlandırılmaları gerekir. Standart Modeldeki tüm parçacıkların yaklaşık yarısı fermiyonlardır (elektronlar, nötrinolar ve kuarklar) ve diğer yarısı bozonlardır (fotonlar, Z ve W bozonları, gluonlar ve Higgs bozonu).

Fermiyonlar ve bozonlar dünya resminde farklı roller oynarlar. Genellikle maddenin atomlardan, yani elektronlardan ve çekirdeklerden oluştuğunu düşünürüz. İlk yaklaşımda, çekirdekler, nükleer kuvvetler tarafından bir arada tutulan proton ve nötronlardan oluşur, ancak daha derin bir seviyede, protonlar ve nötronlar, kuark adı verilen küçük yapı taşlarından toplanır. Bu parçacıkların tümü -elektronlar, protonlar, nötronlar ve kuarklar- fermiyonlardır. Madde fermiyonlardan oluşur. Ancak bozonlar olmadan atomlar, çekirdekler, protonlar ve nötronlar basitçe parçalanırdı. Başta fotonlar ve gluonlar olmak üzere bu bozonlar, her şeyi bir arada tutan çekici kuvvetler yaratarak fermiyonlar arasında gidip gelirler. Fermiyonlar ve bozonlar dünyayı olduğu gibi yapmak için kritik öneme sahip olsalar da, her zaman "farklı bir cinsin hayvanları" olarak kabul edilmişlerdir.

Ancak 1970'lerin başlarında, sicim kuramının ilk başarılarından esinlenen kuramcılar, fermiyonların ve bozonların gerçekte o kadar da farklı olmadığına dair yeni matematiksel fikirlerle oynamaya başladılar. Bir fikir, tüm parçacıkların, birinin bir fermiyon ve diğerinin bir bozon olması dışında her yönden özdeş olan mükemmel tek yumurta ikizleri oluşturduğuydu. Tamamen çılgın bir hipotezdi. Gerçek dünya için geçerliliği, fizikçilerin bir şekilde tüm temel parçacıkların yarısını laboratuvarlarında tespit etmeyi başaramayarak kaybetmeyi başardıkları anlamına gelir. Örneğin, bu hipoteze göre, bir elektronla tamamen aynı kütleye, yüke ve diğer özelliklere sahip, sadece bir fermiyon değil, bir bozon olan bir parçacık olmalıdır. Stanford veya CERN hızlandırıcılarında böyle bir parçacık nasıl gözden kaçabilir? Süpersimetri, bir foton için kütlesiz nötr bir fermiyon ikizinin yanı sıra elektronlar ve kuarklar için bozon ikizlerinin varlığını ima eder. Yani, hipotez gizemli bir şekilde eksik olan bütün bir "karşıtlar" dünyasını öngördü. Aslında, tüm bu çalışmalar sadece matematiksel bir oyundu, tamamen yeni bir simetri türünün teorik çalışmalarıydı - var olmayan ama var olabilecek bir dünya.

Özdeş ikiz parçacıklar yoktur. Fizikçiler ortalığı karıştırmadı ve tüm paralel dünyayı kaçırmadı. O halde bu matematiksel spekülasyonun ne ilgisi var ve bu ilgi son 30 yılda neden birdenbire arttı? Fizikçiler her zaman her türlü matematiksel simetriyle ilgilendiler, sorulabilecek tek makul soru şu olsa bile: "Doğada bu simetri neden yok?" Ancak hem gerçek dünya hem de onun fiziksel tanımı çeşitli simetrilerle doludur. Simetri, teorik fizik cephaneliğindeki en uzun menzilli ve güçlü silahlardan biridir. Modern fiziğin tüm dallarına ve özellikle kuantum mekaniği ile ilgili olanlara nüfuz eder. Çoğu durumda, fiziksel bir sistem hakkında bildiğimiz tek şey simetrinin türü, ancak simetri analizi o kadar güçlü bir tekniktir ki, çoğu zaman bize bilmek istediğimiz hemen hemen her şeyi söyler. Simetriler genellikle fizikçilerin teorilerinden estetik tatmin buldukları bir bahçedir. Ama simetri nedir?

Kar tanesi ile başlayalım. Herhangi bir çocuk iki kar tanesinin aynı olmadığını bilir, ancak aynı zamanda hepsinin ortak bir özelliği vardır, yani simetri. Kar tanesinin simetrisi hemen göze çarpar. Bir kar tanesi alıp onu herhangi bir açıyla döndürürseniz, orijinal görünümünden farklı görünecektir - döndürülmüş. Ama kar tanesini tam olarak 60° döndürürseniz kendisi ile çakışacaktır. Bir fizikçi, bir kar tanesinin 60° dönmesinin bir simetri olduğunu söyleyebilir.

Simetriler, bir deneyin sonucunu etkilemeden bir sistem üzerinde gerçekleştirilebilen işlemler veya dönüşümlerle ilişkilidir. Bir kar tanesi söz konusu olduğunda, bu işlem 60°'lik bir dönüştür. İşte başka bir örnek: Dünya yüzeyindeki serbest düşüş ivmesini ölçmek için bir deney düzenlediğimizi varsayalım. En basit seçenek, bilinen bir yükseklikten bir kayayı düşürmek ve düşme süresini ölçmek olacaktır. Cevap: saniyede yaklaşık 10 metre. Lütfen taşı nereye attığımı size söylemekten çekinmediğimi unutmayın: Kaliforniya'da veya Kalküta'da. Çok iyi bir tahminle, cevap Dünya yüzeyinin herhangi bir yerinde aynı olacaktır: tüm deneysel ekipmanla birlikte dünya yüzeyindeki bir yerden başka bir yere hareket ederseniz, deneyin sonucu değişmeyecektir. Fiziksel dilde, bir şeyi bir noktadan başka bir yere kaydırmaya veya taşımaya çeviri denir . Bu nedenle, Dünya'nın yerçekimi alanı hakkında "öteleme simetrisine" sahip olduğunu söyleyebiliriz. Elbette bazı yan etkiler deneyimizin sonuçlarını bozabilir ve simetriyi bozabilir. Örneğin çok büyük ve masif maden yatakları üzerinde deney yaparsak diğer yerlere göre biraz daha yüksek bir değer elde ederiz. Bu durumda, simetrinin sadece yaklaşık olduğunu söyleyebiliriz. Yaklaşık simetri aynı zamanda kırık simetri olarak da adlandırılır . Ayrı ayrı ağır mineral birikintilerinin varlığı "öteleme simetrisini ihlal eder."

Bir kar tanesinin simetrisi bozulabilir mi? Hiç şüphe yok ki bazı kar taneleri kusurludur. İdeal olmayan koşullarda bir kar tanesi oluşuyorsa, bir tarafı diğerinden farklı olabilir. Yine altıgene yakın bir şekle sahip olacak ama bu altıgen kusurlu olacak, yani simetrisi bozulacak.

Uzayda, her türlü rahatsız edici etkiden uzakta, iki kütle arasındaki çekim kuvvetini ölçebilir ve Newton'un evrensel çekim yasasını elde edebilirdik. Deney nerede yapılırsa yapılsın, teoride aynı cevabı almalıyız. Böylece, Newton'un evrensel çekim yasası öteleme değişmezliğine sahiptir .

İki cisim arasındaki çekim kuvvetini ölçmek için onları birbirinden belli bir mesafeye yerleştirmek gerekir. Örneğin, iki nesneyi, onları birleştiren çizgi belirli bir koordinat sisteminde x eksenine paralel olacak şekilde konumlandırabiliriz. Eşit başarı ile nesneleri y eksenine paralel düz bir çizgi üzerinde düzenleyebiliriz . Ölçtüğümüz çekim kuvveti, bu nesneleri birleştiren düz çizginin yönüne mi bağlı olacak? Prensip olarak evet, ancak yalnızca doğa yasaları bizim sahip olduğumuzdan farklıysa. Doğada, evrensel çekim yasası, çekim kuvvetinin kütlelerin çarpımı ile orantılı ve aralarındaki mesafenin karesiyle ters orantılı olduğunu ve bir nesnenin diğerine göre yönüne bağlı olmadığını belirtir. Yön bağımsızlığı, dönme simetrisi olarak adlandırılır . Öteleme ve dönme simetrileri, içinde yaşadığımız dünyanın en önemli temel özellikleridir.

Aynaya bak. Yansıman sana benzeyen iki damla su gibidir. Pantolonunuzun ayna görüntüsü, pantolonun kendisinden farklı değildir. Sol eldivenin yansıması tam olarak sol eldiveni tekrarlıyor.

Durmak. Burada bir şeyler yanlış. Tekrar dikkatlice bakalım. Sol eldivenin ayna görüntüsü, sol eldivenle tamamen aynı değildir. Doğru eldivenle aynıdır! Ve sağ eldivenin ayna görüntüsü sol eldivenin aynısı.

Şimdi kendi yansımanıza daha yakından bakın. Sen değilsin. Sol yanağınızdaki ben, sağdaki yansımanızın üzerindedir. Ve kendi göğsünüzü açsaydınız, yansımanızın kalbinin tüm normal insanlarda olduğu gibi solda değil, sağda olduğunu görürdünüz. Ayna kişiyi arayalım - .

Tek tek atomlardan istediğimiz herhangi bir nesneyi bir araya getirmemize izin veren fütürist bir teknolojiye sahip olduğumuzu varsayalım. Bu teknolojiyi kullanarak, aynadaki görüntüsü tam olarak sizi tekrar edecek bir kişi inşa edeceğiz: solda bir kalp, solda bir çil vb .

Normal çalışacak mı ? Nefes alacak mı? Kalbi atacak mı? Ona şeker verirseniz, içindeki şekeri emer mi? Bu soruların çoğuna verilen yanıtlar olumludur. Temel olarak , bir insanla tam olarak aynı işlevi görecektir . Ancak metabolizmasında sorunlar olacaktır. Normal şekeri sindiremez. Bunun nedeni, şekerin sağ ve sol eldiven gibi iki ayna formunda bulunmasıdır. Bir kişi, şekerin ayna formlarından yalnızca birini emebilir. Ve sadece asimile edebilir . Moleküller - şeker ve - sağ ve sol eldivenlerle aynı şekilde birbirinden farklıdır. Kimyagerler, bir kişinin D-izomerlerini (Latince dekstra - sağdan) emebildiği sıradan şekerleri ve yalnızca emebildikleri ayna olanları - L-izomerleri (Latince lævum'dan - sol) olarak adlandırır.

ayna simetrisi veya eşlik denir . Aynalamanın sonuçları prensipte açıktır, ancak daha önemli bir şeyi tekrarlayalım: dünyadaki her şeyin yerini aynadaki görüntüsü alırsa, o zaman bu dünyanın davranışı hiçbir şekilde değişmeyecek ve davranıştan farklı olmayacaktır. bizim dünyamızın

Gerçekte, ayna simetrisi kesin değildir. Kırık simetriye iyi bir örnektir. Bir şey, nötrinonun ayna görüntüsünün orijinalinden birçok kez daha ağır olmasına neden oluyor. Bu, çok daha az ölçüde de olsa, diğer tüm parçacıklar için de geçerlidir. Sanki büyük dünya aynası biraz yamuk, yansımayı biraz bozuyor. Ancak bu bozulma o kadar önemsizdir ki, pratikte sıradan maddeyi etkilemez. Ancak ayna dünyasındaki yüksek enerjili parçacıkların davranışında çok önemli değişiklikler meydana gelebilir. Ancak şimdilik doğadaki ayna simetrisinin kesin olduğunu varsayalım.

Parçacıklar arasında simetri ilişkisi vardır derken ne demek istiyoruz? Özetle, bu, her parçacığın çok benzer özelliklere sahip bir eşi veya ikizi olduğu anlamına gelir. Ayna simetrisi için bu, eğer doğa kanunları sol eldivenin varlığına izin veriyorsa, sağ eldivenin varlığının da mümkün olduğu anlamına gelir. D-glikozun varlığının saptanması, L-glikozun da var olması gerektiği anlamına gelir. Ve eğer ayna simetrisi bozulmamışsa, aynısı tüm temel parçacıklar için geçerli olmalıdır. Her parçacığın ayna görüntüsüne kadar kendisiyle aynı olan bir ikizi olmalıdır. Bir kişi aynalandığında, vücudunu oluşturan her temel parçacık ayna ikiziyle değiştirilir.

yük eşlenik simetrisi adı verilen başka bir simetri türüdür . Simetri, her şeyi simetrik muadili ile değiştirmeyi içerdiğinden, yük konjugasyon simetrisi, her parçacığın antiparçacığıyla değiştirilmesini içerir. Protonlar gibi pozitif elektrik yüklerini negatif olanlara, bu durumda antiprotonlara dönüştürür. Benzer şekilde, negatif yüklü elektronların yerini pozitif yüklü pozitronlar alır. Hidrojen atomları, pozitronlardan ve antiprotonlardan oluşan anti-hidrojen atomları ile değiştirilir. Bu tür atomlar gerçekten de laboratuvarlarda elde edilir, ancak çok küçük bir miktarda, onlardan antimoleküller oluşturmak için bile yeterli değildir. Ancak hiç kimse antimoleküllerin mümkün olduğundan şüphe duymuyor. Benzer şekilde anti-insan da olabilir ama anti-food ile beslenmeleri gerekeceğini unutmayın. Anti-insanları ve sıradan insanları birbirinden uzak tutmak aslında daha iyidir. Madde antimadde ile karşılaştığında birbirlerini yok ederek fotonlara dönüşürler. Bir anti-insanla yanlışlıkla el sıkışırsanız oluşacak patlama, bir hidrojen bombasının patlamasından daha güçlü olacaktır.

Anlaşıldığı üzere, yük eşlenik simetrisi de biraz bozuldu. Ancak, ayna simetrisinde olduğu gibi, çok yüksek enerjili parçacıkları hesaba katmazsanız, bu ihlalin etkisi oldukça önemsizdir. Şimdi fermiyonlara ve bozonlara geri dönelim. Nambu ve benim geliştirdiğimiz orijinal, ilk sicim teorisine bozonik sicim teorisi denir , çünkü onun tanımladığı tüm parçacıklar bozonlardır. Hadronları tanımlamak için pek uygun değil çünkü sonuçta bir proton bir fermiyondur. Aynı şekilde, her şeyin teorisinin rolü için uygun değildir. Elektronlar, nötrinolar, kuarklar hepsi fermiyonlardır. Ancak fazla zaman geçmedi ve sicim teorisinin yalnızca bozonları değil aynı zamanda fermiyonları da içeren yeni bir versiyonu ortaya çıktı. Ve bu sözde süper sicim teorisinin harika matematiksel özelliklerinden biri de süpersimetriydi - bozonlar ve fermiyonlar arasında bir simetri, her fermiyonun tam olarak aynı özelliklere sahip bir ikiz bozona sahip olmasını ve bunun tersini gerektiriyordu.

Süpersimetri, sicim teorisyenleri için vazgeçilmez ve son derece güçlü bir matematiksel araç olduğunu kanıtladı. Onsuz, matematik o kadar karmaşık hale gelir ki, teorinin tutarlı olduğu gerçeğini tespit etmek çok zordur. Gerçek dünyayı tanımladığını iddia eden neredeyse tüm güvenilir teoriler süpersimetriktir. Ancak daha önce de vurguladığım gibi, doğadaki süpersimetri tam bir simetri değildir. En iyi ihtimalle, bu, dünyanın son derece kavisli bir aynadaki yansımasını anımsatan, oldukça ciddi şekilde kırılmış bir simetridir. Şimdiye kadar, bilinen temel parçacıkların hiçbiri için süper eş bulunamadı. Doğada bir elektronla aynı kütle ve yüke sahip bir bozon olsaydı, çok daha önce keşfedilmiş olurdu. Bununla birlikte, bir web tarayıcısı açıp İnternette parçacık fiziği ile ilgili makaleler ararsanız, 1970'lerin ortalarından beri, makalelerin büyük çoğunluğunun şu veya bu şekilde süpersimetri kullandığını göreceksiniz. Neden? Niye? Teorisyenler neden süpersimetriyi süper sicim teorisiyle birlikte çöpe atmadı? Bunun birkaç nedeni var.

teorik ve fenomenolojik olmak üzere iki disipline ayrılmıştır . Tarayıcınızın adres çubuğuna http://arXiv.org URL'sini girerseniz, fizikçilerin makalelerinin ön baskılarını yayınladıkları bir siteye yönlendirileceksiniz. Çeşitli disiplinler burada nükleer fizik, yoğun madde fiziği vb. olarak alt bölümlere ayrılmıştır. Yüksek enerji fiziği (hep) bölümüne giderseniz, orada iki ayrı arşiv bulacaksınız: biri (hep-ph) fenomenolojik, ikincisi ise fenomenolojik içerir. (hep-th) – teorik ve matematiksel makaleler. Bu arşivlere bakarsanız, hepph bölümünün geleneksel parçacık fiziği üzerine ya yapılan deneylerin sonuçlarını ya da planlanan deneylerin açıklamalarını içeren makaleler içerdiğini göreceksiniz. Genellikle bu makaleler çok sayıda tablo ve grafik içerir. Buna karşılık, hep-th bölümü çoğunlukla sicim teorisi ve yerçekimi üzerine makaleler içerir. Matematiksel hesaplamalarla doludurlar ve deneylerle çok az ilgileri vardır. Ancak son yıllarda bu iki disiplin arasındaki sınırlar giderek bulanıklaştı ki bu bence iyiye işaret.

Ancak her iki bölümde de makalelerin çoğu bir şekilde süpersimetri ile ilgili. Herkesin bunu yapmak için kendi nedenleri vardır. Saf teorisyenler için matematik böyle bir nedendir - süpersimetrinin kullanılması, matematiksel hesaplamaların çarpıcı bir şekilde basitleştirilmesine yol açar ve diğer yöntemlerle başa çıkması inanılmaz derecede zor olan sorunlara çözüm bulmanızı sağlar. Bölüm 2'de, tüm parçacıkların süpersimetrik ortakları olsaydı kozmolojik sabitin nasıl tam olarak sıfır olacağından bahsetmiştim. Bu, süpersimetrik teorilerde ortaya çıkan matematiksel harikalardan biridir. Onları burada tarif etmek istemiyorum, ama asıl mesele, süpersimetrinin kuantum alan teorisi ve sicim teorisindeki hesaplamaları o kadar basitleştirmesidir ki, teorisyenlerin aksi takdirde zorlukla çıkarabilecekleri şeyler elde edilebilir hale gelir. Ve gerçek dünya süpersimetrik olmasa da, süpersimetri karadelikler gibi bazı mevcut olguları anlamamızı sağlar. Yerçekimini içeren herhangi bir teori aynı zamanda kara delikleri de tanımlar. Daha sonra bahsedeceğimiz paradoksal ve gizemli özelliklere sahipler. Bu paradoksların olası çözümlerini geleneksel teorilerde test etmek çok zordur. Ve burada, sanki sihirle, süpereşlerin varlığı, kara deliklerin incelenmesini olağanüstü derecede basit hale getiriyor. Bu basitleştirme özellikle sicim teorisyenleri için değerlidir. Sicim teorisinin matematiği, şimdi kabul edildiği şekliyle, neredeyse tamamen süpersimetriye dayanmaktadır. Kuarkların ve gluonların davranışına ilişkin eski kuantum mekaniği hesaplamalarının çoğu bile, süpereşlerin eklenmesiyle büyük ölçüde basitleştirildi. Süpersimetrik dünya gerçek dünya değildir (en azından cep evrenimizde değil), ancak bu dünya, onun çalışmasından yerçekimi ve parçacık fiziği hakkında pek çok ders çıkaracak kadar bizimkine yakındır.

"Hepferler"in ve "hepterler"in [79] nihai hedefleri aynı olsa da, fenomenologların ve sicim teorisyenlerinin mevcut görevleri farklıdır. Fenomenologlar, 20. yüzyılın büyük bir bölümünde anlaşıldıkları şekliyle Fizik Yasalarını açıklamak için eski teorik fizik yöntemlerini ve bazen de sicim kuramından yeni fikirleri kullanırlar. Kural olarak, doğruluğunun tek teyidi matematiksel tamlığı olan bir teori inşa etmeye çalışmazlar. Birleşik bir teori inşa etmeye de çalışmıyorlar. Süpersimetri, onları yalnızca, daha sonra laboratuvar deneylerinde keşfedilebilecek bir şeyi aramak için doğanın kırık simetrisine bir yaklaşım olarak ilgilendirir. Onlar için en önemli keşif, kayıp süper eşlerin keşfi olacaktır.

Hatırladığınız gibi, kırık simetri mükemmel değildir. Mükemmel bir aynada, nesne ve yansıması, sağdan sola doğru değişene kadar tamamen aynıdır, ancak eğlence odasındaki çarpık aynada simetri kusurludur. Böyle bir yansıma, belki de yalnızca bir nesneyi tanımlamak için uygundur, ancak aynı zamanda oldukça bozuk bir kopyadır. Zayıf bir kişinin böyle bir aynadaki görüntüsü, zayıf muadilinden birkaç kat daha ağır olan şişman bir adamın görüntüsü gibi görünebilir.

Evrenimiz olarak adlandırılan kavisli aynaların çekiminde, süpersimetri aynası parçacıkların yansımasına çok büyük bozulmalar getirir, o kadar büyük ki, sıradan parçacıkların süpereşleri onun içinde inanılmaz derecede şişman görünürler. Varsa, sıradan parçacıklardan çok daha ağır olmaları gerekir. Şimdiye kadar tek bir süpereş keşfedilmedi: ne elektronun süpereşi, ne fotonun süpereşi, ne de kuarkın süpereşi. Bu, hiç var olmadıkları ve süpersimetrinin işe yaramaz bir matematik oyunu olduğu anlamına mı geliyor? Öyle olması mümkündür, ancak aynı zamanda bozulmanın o kadar büyük olduğu ve süpereşlerin çok ağır olduğu ve modern parçacık hızlandırıcılarının enerjisinin onları tespit etmeye yetmediği anlamına da gelebilir. Herhangi bir nedenle süpereş kütleleri birkaç yüz proton kütlesini aşarsa, yeni nesil hızlandırıcılar inşa edilene kadar gerçekten de tespit edilemeyecekler.

Tüm süper eşlerin normal ikizlerininkine benzer adları vardır. Kuralı biliyorsanız, bu adları hatırlamanız kolaydır. Sıradan bir parçacık, bir foton veya bir Higgs bozonu gibi bir bozon ise, süper eşinin adı " ino " soneki eklenerek oluşturulur . Örneğin, fotino, higsino veya gluino. Orijinal parçacık bir fermiyon ise, o zaman süpereşin adı " c " öneki eklenerek oluşturulur , örneğin elektron, smuon, snötrino, skuark vb. fizikte bulunabilir.

Bilimde, kelimenin tam anlamıyla "köşede" yeni keşiflerin bizi beklediğine dair köklü bir görüş var. Birkaç yüz proton kütlesi bölgesinde süpereş bulma girişimleri başarısız olursa, tahminler büyük olasılıkla gözden geçirilecek ve süperpartiküllerin keşfi, bin proton kütlesi kütleli parçacıklar üretebilen hızlandırıcıların inşasına kadar ertelenecek ... veya on bin proton kütlesi. Bu bir temenni gibi görünmüyor mu? Ben öyle düşünmüyorum. Süpersimetri, Higgs parçacığının gizeminin anahtarı olabilir ve sorunun kendisi, tüm fiziksel sorunların Anası ve yerçekimi etkileşiminin açıklanamaz zayıflığının gizemiyle ilgili olabilir.

Açıklanamayacak kadar yüksek vakum enerjisine yol açan aynı kuantum titremesi, temel parçacıkların kütlelerinden de sorumlu olabilir. Bir parçacığı titreşen bir boşluğa yerleştirdiğimizi varsayalım. Kuantum dalgalanmalarıyla etkileşime giren parçacık, bulunduğu yerin hemen yakınında onları tedirgin edecek. Bazı parçacıklar kuantum dalgalanmalarını azaltırken, diğerleri onları güçlendirecektir. Net etki, bu dalgalanmaların enerjisindeki bir değişiklik olabilir. Parçacığın varlığından kaynaklanan bu ekstra enerji, bir miktar ekstra kütle olarak yorumlanabilir ( E = mc2'yi düşünün ). En karakteristik örnek, Higgs bozonunun kütlesinin bu şekilde hesaplanmaya çalışılmasıdır. Bu durumda, bir vakumun enerjisini tahmin etme girişiminin sonucuna benzer, tamamen saçma bir sonuç elde edilir. Higgs bozonunun çevresindeki vakum titremesi, Planck kütlesi mertebesinde bir ilaveye yol açar!

Bu bizi neden bu kadar rahatsız ediyor? Teorisyenler genellikle yalnızca Higgs bozonuna odaklansa da, açıklanan problem foton ve graviton dışında tüm temel parçacıklar için geçerlidir. Dalgalanan bir vakuma yerleştirilen herhangi bir parçacık, anormal derecede büyük bir kütle kazanır. Ancak tüm parçacıklar kütlelerini arttırırsa, o zaman Evrenin tüm maddesi birçok kez daha ağır hale gelecek ve cisimler arasında hareket eden yerçekimi kuvvetleri birçok büyüklük sırasına göre artacaktır. Ve yerçekimi sabitindeki küçük bir artışın bile tamamen ıssız bir evrene yol açacağını hatırlıyoruz. Bu ikilem genellikle Higgs kütle problemi olarak anılır ve teorisyenlerin çözmeye çalıştıkları Fizik Yasalarının ince ayarının başka bir problemidir. Higgs kütlesi sorunu, kozmolojik sabitin küçüklüğü sorununa çok benzer. Peki bu iki sorunun da süpersimetri ile ne ilgisi var?

İkinci bölümde fermiyonların ve bozonların vakum dalgalanmalarının enerjisine nasıl zıt katkılar yaptıklarından bahsettiğimi hatırlayın ve katkıları eşitlenebilseydi, bu vakum enerjisi sorununu çözebilir miydi? Bu, istenmeyen ek parçacık kütleleri için de geçerlidir. Süpersimetrik bir dünyada, kuantum dalgalanmalarının büyük katkısı, parçacık kütlelerini olduğu gibi bırakarak ehlileştirilebilir. Üstelik, bu kırılma çok güçlü olmasaydı, kırılmış süpersimetri bile sorunu hafifletebilirdi. Parçacık fizikçilerinin süpersimetrinin hemen köşede olduğunu ummasının ana nedeni budur. Bununla birlikte, kırık süpersimetrinin, kozmolojik sabitin bu kadar inanılmaz derecede küçük bir değerini hala açıklayamayacağına dikkat edilmelidir.

Higgs kütle problemi, vakum enerjisi problemine başka bir şekilde benzer. Weinberg, çok fazla boşluk enerjisi olan bir dünyada yaşamın var olamayacağını ve aynı şeyin çok ağır temel parçacıklara sahip bir dünya için de geçerli olduğunu gösterdi. Belki de Higgs kütle sorununun çözümü süpersimetride değil, Peyzajın muazzam çeşitliliğinde ve bu kütlenin küçük bir değerine yönelik antropik ihtiyaçta yatmaktadır. Birkaç yıl içinde, süpersimetrinin bizi gerçekten "köşede" mi beklediğini yoksa yaklaştıkça sürekli uzaklaşan bir serap mı olduğunu öğrenebileceğiz.

Teorisyenlere sorulması uygunsuz olan sorulardan biri şudur: “Eğer süpersimetri bu kadar harika, zarif ve matematiksel olarak mükemmelse, dünya neden süpersimetrik değil? Neden sicim teorisyenlerinin dünyadaki her şeyden çok sevdiği o kadar zarif bir evrende yaşamıyoruz? Bunun nedeni antropik ilke olabilir mi?

Kusursuz süpersimetrik bir evrende hayata yönelik en büyük tehdit kozmolojiden değil, kimyadan gelir. Süpersimetrik bir evrende, her fermiyonun tamamen aynı kütleye sahip bir bozon ikizi vardır ve sorun da budur. Suçluları, elektron ve fotonun süper ortaklarıdır. Seelectron (öf, dilini kır!) ve fotino adı verilen bu iki parçacık, tüm sıradan atomları yok etmek için işbirliği yapar.

Bir karbon atomu alalım. Karbonun kimyasal özellikleri esas olarak dış kabuktaki en gevşek bağlı elektronlar olan değerlik elektronları tarafından belirlenir. Ancak süpersimetrik bir dünyada, bir dış elektron bir fotono yayabilir ve bir selektöre dönüşebilir. Kütlesiz bir fotono, atomdaki sıradan bir elektronun yerini alacak bir elektron bırakarak ışık hızında uçup gider. Ve bu büyük bir problem: Bir bozon olan elektron, Pauli dışlama ilkesine uymuyor ve en düşük yörüngeye düşüyor. Çok kısa bir süre içinde, tüm elektronlar ko-elektron haline gelecek ve en düşük yörüngede son bulacaklardır. Elveda, karbonun kimyasal özellikleri, elveda, yaşam için gerekli diğer tüm moleküller! Süpersimetrik bir dünya çok zarif olabilir, ancak yaşamı destekleyemez - en azından bildiğimiz yaşam türü değil.

http://arXiv.org web sitesine döndüğünüzde, orada iki arşiv daha bulacaksınız: Genel Relativite ve Kuantum Kozmolojisi (Genel Görelilik ve Kuantum Kozmolojisi) ve Astrofizik (Astrofizik). Bu bölümlerde yayınlanan makalelerde, süpersimetri daha az önemli bir rol oynamaktadır. Dünya süpersimetrik değilse, bir kozmolog neden süpersimetriye dikkat etsin? Cevap, Bill Clinton'ın değiştirilmiş ifadesi olabilir: "Bu Manzara, seni aptal!" [80] Küçük ev vadimizde simetri az ya da çok kısmen kırılmış olsa da, bu, Peyzajın her köşesinde simetrinin bozulduğu anlamına gelmez. Sicim teorisi manzarasının en iyi keşfettiğimiz kısmı, süpersimetrinin kesin ve kesintisiz olduğu bölgedir. Süpersimetrik modül uzayı (veya süper modül uzayı) olarak adlandırılan alan, her fermiyonun kendi bozonuna ve her bozonun kendi fermiyonuna sahip olduğu manzaranın bir parçasıdır. Sonuç olarak, süper modüllerin tüm uzayında vakum enerjisi kesinlikle sıfıra eşittir. Topografik olarak, bu, manzaranın bu kısmının sıfır yükseklikte uzanan düz bir ova olduğu anlamına gelir. Sicim kuramı hakkında bildiklerimizin çoğu, bu ovayı keşfetmekle geçen 35 yıllık deneyimimizden geliyor. Elbette bu, Megaevrenin bazı ceplerinin süpersimetrik olması gerektiği anlamına da gelir. Ama hiçbir süper sicim teorisyeni bu ceplerden birinde hayattan zevk alamazdı.

Sihirli, gizemli ve şaşırtıcı M-teorisi
 

1985'ten bu yana, şimdi süper sicim kuramı olarak adlandırılan sicim kuramının [81] beş versiyonu mevcuttur. Bunlardan ikisi, kapalı (kapalı) dizelerle birlikte açık olanları da (iki serbest uçlu dizeler) içerir ve diğer üçü yalnızca kapalı olanları içerir. Bu beş teorinin isimleri özellikle anlamlı değil, ama onları listeleyeceğim. İki açık sicim teorisi tip I teorileri olarak adlandırılır . Yalnızca kapalı sicimleri içeren geriye kalan üç tanesi tip IIa teorisi, tip IIb teorisi ve heterotik sicim teorisi olarak bilinir. Aralarındaki farklar çok teknik ve korkarım açıklamaları okuyucu için sıkıcı olacak. Ancak tüm bu teorilerde ortak olan bir şey, farklılıkların her birinden çok daha ilginçtir. Bazı teoriler açık dizeler içerirken bazıları içermese de, beş versiyonun tümü kapalı diziler içerir.

Bunun neden bu kadar ilginç olduğunu tam olarak anlayabilmeniz için, önceki tüm teoriler hakkında araştırmacıları hayal kırıklığına uğratan şeyin ne olduğunu açıklamalıyım. Geleneksel teorilerde - örneğin, kuantum elektrodinamiğinde veya Standart Modelde - yerçekimi bir "seçenek", bir "eklenti" olarak eklenmiştir. Ya yerçekimini görmezden gelebilir ya da bitmiş yemeğe bir baharat gibi ekleyebilirsiniz. Tarif basit: Standart Modeli alın ve ona bir parçacık daha ekleyin - graviton. Graviton kütlesiz olsun. Ayrıca herhangi bir parçacığın graviton yayabilmesi için Feynman diyagramına bazı yeni köşeler ekleyin. Çanak hazır. Ancak ortaya çıkan teori pek iyi çalışmıyor. Matematik karmaşık ve küçük düzensizliklere karşı çok hassas çıkıyor ve sonunda graviton içeren Feynman diyagramları hesaplamalardan kıymaya dönüşüyor: tüm sonuçlar sonsuz çıkıyor ve bu teoriyi mantıklı kılmanın hiçbir yolu yok.

Bana öyle geliyor ki, kolay yolun çıkmaza girmesi bir bakıma iyi. İçinde temel parçacıkların özelliklerinin açıklanmasına dair hiçbir ipucu yok. Standart Model'in neden böyle olduğu hakkında herhangi bir açıklama yapmıyor ve kozmolojik sabitin veya Higgs kütlesinin ince ayarı hakkında hiçbir şeyi açıklığa kavuşturmuyor. Açıkçası, işe yarasaydı, çok hayal kırıklığı yaratırdı.

Ancak beş sicim kuramı bunu çok net bir şekilde ortaya koyuyor: yerçekimi olmadan basitçe formüle edilemezler. İçlerindeki yerçekimi keyfi bir üst yapı değil, kaçınılmaz bir sonuçtur. Sicim kuramının tutarlı olması için gravitonları ve taşıdıkları kuvvetleri içermesi gerekir . Nedeni basit: graviton kapalı bir sicim, mümkün olan en hafif. Açık diziler teori için gerekli değildir, ancak kapalı diziler her zaman mevcuttur. Diyelim ki sadece açık diziler içeren bir teori yaratmaya çalışıyoruz. Başarılı olsaydık, yerçekimi olmayan bir sicim teorimiz olurdu. Ama asla başaramayacağız çünkü açık bir ipin iki ucu her zaman birbirini bulup kapanabilir. Sıradan teoriler ancak yerçekimi olmadığında kendi içinde tutarlıdır , oysa sicim teorileri ancak yerçekimini içeriyorsa tutarlıdır . Bu gerçek, sicim teorisyenlerine doğru yolda oldukları konusunda diğerlerinden daha fazla güven veriyor.

1970'lerde Tip I ve Tip II olarak adlandırılan dört teori geliştirildi. Ve her birinin, iç matematiksel tutarlılıkla değil, teorilerin deneysel verilerle uyumuyla ilgili ölümcül bir kusuru vardı. Teorilerin her biri olası bir dünyayı tanımlıyordu. Ancak bu dünyaların hiçbiri bizim gerçek dünyamıza karşılık gelmiyordu. Bu nedenle, 1985 yılında Princeton'da geliştirilen beşinci versiyon, büyük bir kafa karışıklığına neden oldu. Bu versiyona heterotik sicim teorisi adı verildi ve görünüşü, teorisyenlerin tüm hayallerinin somutlaşmış haliydi. Gerçek dünyanın gerçek bir teorisi gibi görünüyordu. Başarısı kaçınılmaz olarak müjdelendi.

Ancak o zaman bile bu teoriye bir takım iddialar ileri sürmek için sebepler vardı. İlk olarak, hala çok fazla boyut sorunu vardı: dokuz uzamsal ve bir zamansal. Ancak teorisyenler, fazladan altı boyutla ne yapacaklarını zaten biliyorlardı. Onlara emrettiler: "Toplanın!" Bununla birlikte, her biri tutarlı bir teoriye götüren milyonlarca olası Calabi-Yau manifoldu varyantı vardı. Daha da kötüsü, belirli bir Calabi-Yau çeşidini seçtikten sonra bile, şeklini ve boyutunu belirleyen yüzlerce modül serbest parametre olarak kalır. Ve bu modüller de kuramcının kendisi tarafından seçilmelidir. Ek olarak, bilinen tüm teoriler süpersimetrikti: her biri, bildiğimiz gibi gerçek dünyada bulunmayan ikiz parçacıklar içeriyordu.

Bununla birlikte, sicim teorisyenlerinin gözleri, belirsizlik miti tarafından o kadar kör edilmişti ki, 1980'ler boyunca ve 1990'ların başlarında sicim teorisinin sadece beş versiyonu olduğunu tartışmaya devam ettiler. Hayal güçlerine göre, manzara çok seyrekti - sadece beş nokta içeriyordu! Tabii ki, bu tamamen saçmalıktı, çünkü her kompaktlaştırma çok sayıda değişken modülle karakterize ediliyor, ancak yine de fizikçiler, yalnızca beş farklı teori olduğu şeklindeki sabit fikre nadir bir azim ile bağlı kaldılar. Gerçekten sadece beş olası teori olsa bile, gerçek dünyayı tanımlayan teori hangi temelde seçilmelidir? Hiçbir fikir yoktu. Ancak 1995'te gerçek dünyayı betimlemek için teorinin doğru versiyonunu bulmakta değil, farklı versiyonlar arasındaki bağlantıyı anlamakta bir ilerleme oldu.

Kuzey Karolina Üniversitesi, 1995
 

Her yıl ilkbaharın sonlarında ve yazın başlarında, dünyanın sicim teorisyenleri yıllık şenlik için bir araya gelirler. Amerikalılar, Avrupalılar, Japonlar, Koreliler, Hintliler, Pakistanlılar, İsrailliler, Hispanikler, Çinliler, Müslümanlar, Ortodoks Yahudiler, Hindular, inananlar ve ateistler, hepimiz bir hafta boyunca birbirimizi dinlemek ve yeni fikirler paylaşmak için bir araya geliyoruz. Ve neredeyse dört beş yüz katılımcının tamamı birbirini tanıyor.

Eski neslin bilim adamlarının hepsi, kural olarak, eski arkadaşlardır. Buluştuklarında, fizikçilerin her zaman yaptığı şeyi yaparlar: en yakıcı problemlerle ilgili dersleri okuyup dinlerler. Sonra bir ziyafet verirler.

1995 benim için en azından iki nedenle unutulmaz bir yıl oldu. Birinci sebep, ziyafette konuşmacı olmamdı. İkinci sebep, orada toplanan insanlar için tarihi öneme sahip bir olaydı: Ed Witten, araştırmamızdaki etkileyici ilerleme hakkında bir konferans verdi ve tamamen yeni yönlerden oluşan devasa bir alanı tasvir etti. Ne yazık ki, Witten'ın dersi, katılamayacağım için değil, yaklaşan ziyafet konuşmamı düşünmekle meşgul olduğum için beni geçti.

Söylemek üzere olduğum şey, 19. yüzyılın sonundan bu yana hiçbir yeni deney yapılmamış olsa bile, bugünün fizikçilerinin devrim niteliğinde teoriler üretebileceklerine dair çirkin hipotezle akşamı havaya uçurmaktı. Amacım kısmen seyirciyi eğlendirmek, kısmen de biz sicim teorisyenlerini bekleyen olasılıkların ana hatlarını çizmekti. Buna 9. bölümde geri döneceğim.

Konuşmamı düşünürken kaçırdığım şey, Peyzaj konseptimin en önemli parçası olabilecek yeni bir fikirdi. Ed Witten sadece büyük bir matematiksel fizikçi değil, aynı zamanda saf matematikçiler arasında uzun süredir sicim teorisinin gelişiminin arkasındaki itici güç olan ana figürlerden biridir. O bir profesör (hatta bir Profesör diyebilirim) ve Albert Einstein ve John Robert Oppenheimer'a ev sahipliği yapan, yeniden canlanan Princeton İleri Araştırmalar Enstitüsü'nde baş bilim adamı. Witten, bilimin dırdırını kasıtlı olarak ileri götüren herkesten daha fazlaydı.

1995'e gelindiğinde, sicim kuramının tanımladığı boşluğun kesinlikle tek boşluk olmadığı anlaşıldı. Teorinin, her biri farklı Fizik Yasalarına yol açan birkaç versiyonu vardı. Bu bir erdem olarak değil, teorinin bir eksikliği olarak görüldü. Ne de olsa, on yıl önce, Princeton sicim teorisyenleri, yalnızca tek olmayı vaat etmekle kalmayıp, aynı zamanda doğayı tanımlayan nihai, gerçek teori olduğunu iddia eden bir teori ortaya attılar. Witten'in asıl kaygısı, sicim kuramının belki de biri hariç tüm versiyonlarının matematiksel olarak tutarsız olduğunu kanıtlamaktı. Ama bunun yerine Peyzaj'ı veya daha doğrusu Manzara'nın sıfır yükseklikteki bölgesini, yani Manzara'nın süpersimetrik kısmını keşfetti.

Aşağıdaki şekilde oldu. Bazı hayali fizikçilerin elektronları ve fotonları tanımlayan iki teori keşfettiklerini hayal edin: sıradan kuantum elektrodinamiği ve başka bir teori. İkinci teoride, elektronlar ve pozitronlar, üç boyutlu uzayda serbestçe hareket etmek yerine, örneğin x ekseni boyunca yalnızca bir yönde hareket edebilirler . Başka bir yöne hareket edemezlerdi. Aynı zamanda, fotonlar her zamanki gibi hareket etme yeteneğini koruyacaktı. İkinci teori, teorisyenlerin kafasını karıştırabilir. Anlayabildikleri kadarıyla bu teori, atomların ve fotonların gerçek dünyasını tanımlayan kuantum elektrodinamiği gibi matematiksel olarak tamamen kendi içinde tutarlıydı, ancak onların gerçek dünya hakkındaki fikirlerinde yeri olmayacaktı. Hiçbiri, biri gerçek dünyayı, diğeri çöplükteki bir yeri tanımlayan, eşit derecede kendi içinde tutarlı iki teorinin varlığı olgusunu uzun süre açıklayamadı. Birinin bir hatayı, istenmeyen teoriyi bir kenara atmalarına izin verecek matematiksel bir çelişkiyi keşfetmesini ve başka bir dünya mümkün olmadığı için dünyanın başka türlü değil, bu şekilde düzenlendiğine inanmaları için sebep vermesini umar ve dua ederlerdi.

Araştırmacılar, ikinci teorinin içsel tutarsızlığını keşfetmeye çalışırken bazı ilginç gerçeklerle karşılaşabilirler. Herhangi bir çelişki bulmamakla kalmayacak, söz konusu iki teorinin aynı teorinin parçaları olduğunu anlamaya başlayacaklardı. İkinci teorinin, uzayın son derece güçlü bir manyetik alana sahip bir bölgesindeki olağan teorinin özel bir durumu olduğunu anlayacaklardı - sanki bir tür manyetik rezonans süpertomografisinin içindeymiş gibi. Herhangi bir fizikçi size çok güçlü bir manyetik alanın yüklü parçacıkların yalnızca bir yönde hareket etmesine neden olacağını söyleyecektir: manyetik alan çizgileri boyunca. Ancak foton gibi yüksüz parçacıkların hareketi manyetik alana bağlı değildir. [82] Başka bir deyişle, sadece bir teori, sadece bir denklem seti, ancak iki çözüm olduğunu anlayacaklardı. Ayrıca, manyetik alanın büyüklüğünü sürekli değiştirerek, iki sınırlayıcı durum arasındaki tüm çözümler elde edilebilir. Bu kurgusal fizikçiler sürekli bir manzara keşfedecek ve onu incelemeye başlayacaklardı. Elbette, tüm çözüm yelpazesinden doğru olanı seçmelerine izin verecek mekanizma hakkında, gerçek dünyada neden güçlü bir arka plan manyetik alanı olmadığını açıklayacak mekanizma hakkında hiçbir fikirleri olmayacaktı. Ancak bunu daha sonra açıklamayı umuyorlardı.

Bu, Witten'ın 1995'te Los Angeles'ta verdiği dersin sonunda bize bıraktığı konumun tamamen aynısı. Sicim kuramının beş versiyonunun hepsinin tek bir kuramın çözümleri olduğu ortaya çıktı: pek çok kuramımız değil, pek çok çözümümüz vardı. Hepsi başka bir üyeyi içeren bir aileye aitti - Witten buna M-teorisi adını verdi. Ek olarak, modüllerin bazı uç değerleri, Peyzajın en ücra köşelerini tanımlayan altı teoriye karşılık gelir. Manyetik alan örneğinde olduğu gibi, modüller sürekli olarak değiştirilebilir ve her teori bir diğerine dönüştürülebilir! "Bir Teori, Birçok Çözüm" yol gösterici sloganımız haline geldi.

"M" harfinin ne anlama geldiği hakkında birçok spekülasyon var. İşte bunlardan bazıları: Anne, mucize (Mucize), Zar, Büyü, tasavvuf ve Usta . Daha sonra bu listeye Matrix tarafından eklendi . Witten'ın "M-teorisi" terimini kullandığında tam olarak ne demek istediğini kimse bilmiyor gibi görünüyor. Daha önce bilinen beş teorinin aksine, yeni kuzenleri dokuz uzamsal ve bir zamansal boyutu olan bir teori değildir. Bunun yerine, M-teorisi on uzamsal ve bir zamansal boyutta çalışır. Daha da rahatsız edici olanı, M-kuramının sicim kuramı olmamasıdır: tek boyutlu lastik bantlar yerine, M-kuramının ana nesneleri zarlardır - bir şekilde elastik kauçuk yüzeyleri anımsatan iki boyutlu enerji levhaları. İyi haber şu ki, M-kuramı, on uzamsal boyuttan biri veya daha fazlası sıkıştırıldığında sicim kuramının farklı versiyonlarının ortaya çıktığı birleştirici bir temel sağlayabiliyor gibi görünüyor. Bu, tüm sicim teorileri için ortak bir temelin inşasına yol açacağını vaat eden gerçek bir ilerlemeydi. Ama bir de karanlık tarafı vardı. On bir boyutlu genel göreliliğin kuantum mekaniği ile nasıl birleştirileceği hakkında neredeyse hiçbir şey bilinmiyordu. Zarların matematiği, sicimlerin matematiğinin çok ötesinde, korkunç derecede karmaşıktır. M-kuramı, herhangi bir sicim-öncesi kuantum yerçekimi kuramı kadar gizemli ve anlaşılmazdı. Sanki bir adım ileri iki adım geri gitmişiz gibi hissettim.

Ancak kafa karışıklığı uzun sürmedi. Daha 1996 yazında sicim teorisyenlerinin bir sonraki toplantısında, üç arkadaşımla birlikte M-kuramının sırrını keşfettiğimizi duyurma zevkini yaşadım. Teorinin altında yatan nesneleri bulduk ve onları yöneten denklemlerin inanılmaz derecede basit olduğu ortaya çıktı. Thomas Banks, Willy Fischer, Steven Schenker ve ben, M-kuramının ana varlıklarının zarlar değil, daha basit nesneler, yeni türden bir tür "partonlar" olduğunu bulduk. Bir bakıma, Feynman'ın eski parçaları gibiler - bu yeni bileşenler, her türden nesneyi oluşturmak üzere birbirine yapışma konusunda inanılmaz bir yeteneğe sahipti. En temel temel parçacık olarak kabul edilen gravitonun birçok parçadan bir araya getirildiği ortaya çıktı. Partonlar farklı bir şekilde birleştirilirse membranlar elde edilirdi. Yine başka bir şekilde toplanan partonlar, kara delikler oluşturdu. Yeni teorinin denklemlerinin sicim teorisinin denklemlerinden çok daha basit olduğu, hatta genel görelilik denklemlerinden bile daha basit olduğu ortaya çıktı. Yeni teori, matris teorisi olarak adlandırıldı . Bazen adı M-teorisi ile bağlantıyı vurgulamak için M(atrix) teorisi olarak yazılır .

Witten, on bir boyut teorisi ile sicim teorisi arasındaki bağlantıyı düşünen ilk kişi değildi. Birkaç yıl boyunca, bazı fizikçiler teorik topluluğun dikkatini zarları içeren on bir boyutlu teoriye çekmeye çalıştılar. Texas A&M Üniversitesi'nden (şu anda Imperial College London'da) Mike Duff, fikirlerin çoğunu birkaç yıl önce ortaya atmıştı, ancak sicim teorisyenleri onları kabul etmedi. Zarlar çok karmaşık görünüyordu, matematikçiler onları, Duff'ın zihinlerine ekmeye çalıştığı tohumları ciddiye alacak kadar iyi anlamadılar. Ama otorite Witten'dı ve M-kuramına sarılan sicim kuramcıları onu bir daha asla bırakmadı.

Peki fizikçilerin hayal gücünü bu kadar büyüleyen bu M-teorisi nedir? Bu sicim teorisi değil. Tek boyutlu olmayan enerji iplikleri onun on bir uzay-zaman boyutundan oluşan dünyasında yaşar. Öyleyse neden teorisyenler birdenbire iki boyutlu enerji tabakalarıyla - kendi adlarıyla zarlarla - bu kadar ilgilenmeye başladılar? Bu bilmecelerin cevapları, kompaktlaştırmanın gizemi kisvesinin altında saklıdır.

Sonsuz silindire geri dönelim ve onu nasıl elde ettiğimizi hatırlayalım. Sonsuz bir kağıt parçasıyla başladık ve ondan birkaç santimetre genişliğinde sonsuz bir şerit kestik. Şeridin kenarlarının iki boyutlu bir odanın zemini ve tavanı olduğunu hayal edin. Oda çok büyük, x yönünde sonsuzca uzanıyor ama y yönünde yukarıdan ve aşağıdan zemin ve tavanla sınırlanıyor. Bir sonraki adımda zemini tavana bağlayıp bir silindir elde ediyoruz.

Bahsedilen sonsuz odada uçan bir parçacık hayal edin. Bir noktada, parçacık tavanla çarpışır. Bundan sonra ne olacak? Şerit bir silindir haline getirilirse, sorun olmaz: parçacık, tavandan geçerek ve zeminden çıkarak yoluna devam edecektir. Kağıt şeridi silindir şeklinde yuvarlamamıza gerek yok: tavandaki her noktanın zemindeki tek bir noktaya karşılık geldiğini bilmek yeterli, böylece bir parçacık bir kenarın üzerinden geçtiğinde anında son buluyor. diğer kenar. Şeridi yuvarlayabilir veya düz bırakabiliriz: sadece her tavan noktasının, onunla kenara aynı dik olan bir zemin noktası ile tanımlandığı kuralını izlememiz gerekir.

Şimdi işleri biraz karmaşıklaştıralım: diyelim ki odamız tıpkı gerçek bir oda gibi üç boyutlu, ancak bu kez x yönünde ve z yönünde olmak üzere iki yönde sonsuzca uzanıyor . Ancak dikey y yönünde yine zemin ve tavanla sınırlıdır. Daha önce olduğu gibi, bir parçacık tavandan geçtiğinde anında zeminden çıkıyor. Üç boyutlu uzay, iki boyuta sıkıştırılabilir. Odanın yüksekliği yani y ekseni boyunca olan uzaklığı mikroskobik boyutlara indirilirse ortaya çıkan mekan iki boyutlu olarak algılanacaktır.

Dediğim gibi, M-teorisinde sicim yoktur, sadece zarlar vardır. Sicim teorisi ile nasıl uzlaştırılır? Genişliği odanın yüksekliğiyle tamamen aynı olan bir şerit düşünün. Bu bandı odanın içine kenarları yere ve tavana değecek şekilde yerleştirelim. Aynı zamanda, bandın kendisi herhangi bir şekle sahip olabilir, herhangi bir şekilde bükülerek oda boyunca kıvrılabilir. Tek şart, bu kenardan görünen bandın her yerde zemine ve tavana değmesi ve tam olarak dikey olmasıdır. Aslında bandın artık bir kenarı yoktur ve bu açıdan kağıt silindire benzer. Ancak onu görselleştirmenin en kolay yolu, zemini ve tavanı yukarıda açıklanan kuralla birbirine bağlanan sonsuz bir odanın içinden kıvrılan uzun bir sarmal şerit gibidir.

Artık iki boyutlu bir zar olan bir bandın tek boyutlu bir sicimi nasıl taklit edebildiğini anlıyorsunuz. Sıkıştırılmış boyut mikroskop olmadan görülemeyecek kadar küçükse, o zaman tüm pratik amaçlar için bant bir sicim olarak kabul edilebilir. Bant bir halka şeklinde kapalıysa, kapalı bir diziden ayırt edilemez olacaktır: tam olarak IIa dizeleri yazın .

M-kuramıyla sicim kuramı arasındaki bağlantı budur. Sicimler aslında genişliklerini temsil eden koordinatlar sıkıştırıldığında ince sicimler gibi görünen çok ince şeritler veya zarlardır. Gördüğünüz gibi, o kadar da zor değil.

Ancak daha da ileri gidebilir ve kompaktlaştırmaya doğru bir adım daha atabiliriz: şimdi iki boyutu, diyelim ki z ve y'yi kompaktlaştırıyoruz . Bu süreci görselleştirmek için sonsuz bir oda değil, sonsuz bir koridor düşünelim. Solda ve sağda duvarlar, üstte ve altta bir tavan ve zemin var. Ancak koridor boyunca bakarsanız, bakış keyfi olarak herhangi bir yöne nüfuz eder. Daha önce olduğu gibi, bir nesne tavandan geçerse yerden çıkacaktır. Peki ya nesne duvarlardan birini geçerse? Muhtemelen cevabı zaten biliyorsunuzdur: karşı duvardan, ilk duvara dokunduğu yerin tam karşısından çıkar.

Tam olarak aynı numara M-kuramının on boyutlu uzayında yapılabilir, ancak bu kez "koridor" on uzamsal yönün sekizinde sonsuz bir mesafeye uzanır. Tahmin edebileceğiniz gibi, tavanın genişliği ve yüksekliği çok küçüldüğünde, beceriksiz büyük ölçekli gözlemci, sekiz uzamsal boyuttan (artı bir zaman) oluşan bir dünyada yaşadığına inanmaya başlar.

Sicim teorisinin şok edici ve garip sonucu burada devreye giriyor. Koridorun genişliği ve yüksekliği belirli bir boyutun altına düştüğü anda, birdenbire yeni bir boyut büyüyor. Bu yeni uzamsal yön, başladığımız yönlerden hiçbiri değil. Sicim teorisinin dolaylı matematiksel kanıtları sayesinde bunu biliyoruz. Orijinal uzamsal boyutları ne kadar küçültürsek , yenisi o kadar büyür . Sonunda, koridorun yüksekliği ve genişliği sıfıra indirilirse, yeni boyutun boyutu sonsuz olur. İki uzamsal boyutun sıkıştırılmasının çarpıcı bir sonucu, sonuç olarak sekiz değil, dokuz açılmış uzamsal yön elde etmektir. On eksi ikinin dokuza eşit olduğu şeklindeki bu oldukça tuhaf gerçek, sicim kuramının beklenmedik sonuçlarından biridir. Uzayın geometrisi her zaman Öklid'in ve hatta Einstein'ın hayal ettiği gibi değildir. Açıkçası, küçük mesafelerde uzay, fizikçilerin ve matematikçilerin en çılgın rüyalarında bile hayal edebilecekleri her şeyden farklıdır.

Sürekli "sicim teorisi" ve "M-teorisi" isimlerini görünüşte aynı şeylerle bağlantılı olarak kullanmam biraz kafa karıştırıcı olabilir. Sicim teorisyenlerinin de terminoloji konusunda kafaları sürekli karışır. Örneğin, zarları içeren ancak sicimleri içermeyen on bir boyutlu bir teori sicim teorisinin bir parçası olarak kabul edilebilir mi? Zarların sicimlere dönüştürüldüğü M-kuramının sıkıştırılmış versiyonu hâlâ M-kuramı mı? Korkarım bu kitap terminolojik tartışmalar için doğru yer değil. Bana gelince, sicim teorisinden yıllar önce yaratılan orijinal sicim teorisinden doğan her şey olarak bahsediyorum. Bu, bugün M-teorisi olarak adlandırılan şeyi içerir. On bir boyutlu teoriden bahsettiğimizi vurgulamak istediğimde "M-teorisi" terimini kullanıyorum.

10. Bölümde, sicim teorisi tartışmama devam edeceğim, ama şimdi bir ara vermek ve sicim teorisinin karmaşık teknik yönlerinden bir mola vermenizi ve her ciddi fizikçiyi ilgilendiren bir problemden bahsetmenizi istiyorum. Aslında sadece fizikçileri değil, genel olarak doğayı en derin düzeyde anlamakla ilgilenen herkesi ilgilendirir.

 Bölüm 9
 

Temel fiziksel ilkelerin araştırılması çok riskli bir iştir. Bununla birlikte, bilinmeyene yapılan herhangi bir dalış gibi: başarı garantiniz yok, aksine, fiyasko olasılığı çok yüksek. Deneysel veriler, fizikçiler için her zaman yol gösterici olmuştur, ancak şimdi daha önce hiç olmadığı kadar büyük zorluklarla elde edilmektedir. Hepimiz (fizikçiler) maddenin yapısına ne kadar derinlemesine girmeye çalışırsak, deneylerimizin o kadar karmaşık ve pahalı hale geldiğinin gayet iyi farkındayız. Planck ölçeğine, yani 10-33 cm'ye dalmaya izin verecek bir hızlandırıcı inşa etmek için , tüm dünya ekonomisinin tüm GSYİH'sının yüz yıl içinde yeterli olmayacaktır. Ve günümüz teknolojisini kullanarak, galaksi büyüklüğünde bir hızlandırıcı alma riskini alıyoruz! Ve gelecekte birisi hızlandırıcının boyutunu daha kullanılabilir bir boyuta nasıl indireceğini bulsa bile, saniyede bir trilyon varil petrol yakılarak üretilen enerjiyi tüketecektir.

O zaman ne umuyoruz? Bizi doğru yolda tutacak deneysel testler olmadan girişimimiz çok riskli bir girişim haline gelir. Öte yandan, belki de sicim kuramı, niteliksel bir sıçrama yapmamıza ve deneysel zorlukları göz ardı etmemize izin vererek, Fizik Yasalarını o kadar doğru bir şekilde tanımlayacak ve doğruluğu konusunda kimsenin şüphesi olmayacak yeni bir kuram yaratacaktır. Sorun şu ki, bunun mümkün olup olmadığını bile bilmiyoruz. Başladığımız şey o kadar görkemli ki hiçbir tarihsel emsali yok. Bazıları bunu Kişotvari, aptalca bir arayış olarak görüyor, çünkü bunu yapanlar bile nihai başarıdan şüphe ediyor. Ölçeği deneylerde bize sunulanlardan 16 kat daha küçük olan dünyayı yöneten doğa yasalarını kehanet etmek için, sadece zeka ve sebat değil, aynı zamanda küstahlık da gereklidir!

İnsan ırkı yeterince zeki mi? Kolektif akıldan bahsediyorum, bireysel akıldan değil. Birleşik insan düşüncesi, varlığımızın en büyük gizemini çözebilecek mi? İnsan aklı, doğru yolda yönlendirilse bile, evreni anlayabilir mi? En büyük fizikçilerin ve matematikçilerin birleşik zihinsel çabalarının nihai teorinin yaratılmasına yol açması ihtimali, görevin kapsamıyla karşılaştırıldığında deneysel yeteneklerimiz önemsiz kalırken?

1995 yılında bir akşam bir ziyafette meslektaşlarımla bu soruları tartışacaktım. Bana öyle geliyor ki, okuyucuya 21. yüzyılda fiziğin karşılaştığı zorluklar hakkında bir fikir vermek için de olsa, bu sorular da bu kitapta tartışılmalı. Biraz perspektif vermek için, biraz küstahça, aşağıdaki düşünce deneyini öneriyorum. Deneysel fiziğin 31 Aralık 1899'da sona erdiğini ve o zamandan beri herhangi bir yeni deneysel veri almadığımızı varsayalım. Bu durumda fizik teorisi nasıl gelişir? Çoğu insan, bu durumda teorinin hızla çıkmaza gireceğini ve bazı açılardan haklı çıkacaklarını söyleyecektir. Ama belki de sadece hayal gücünden yoksundurlar.

Kesin olmak gerekirse, o ziyafette tartışmak istediğim soru şuydu: "Yirminci yüzyılın teorik fizikçileri, deneyin yol gösterici ve yol gösterici rolü olmadan ne kadar ileri gidebilirler? Bugün bildiklerimizin tamamını veya en azından bir kısmını keşfedebilirler miydi? Tüm bunları başaracaklarını iddia etmedim, ancak mevcut teorik keşiflerin çoğunun hala yapılmış olacağını kanıtlayan bir dizi argümanım vardı. Bölümün geri kalanında sizi buna ikna etmeye çalışacağım.

20. yüzyıl fiziğinin dayandığı iki sütun görelilik kuramı ve kuantum mekaniğidir. Bu teorilerin her ikisi de yirminci yüzyılın ilk yıllarında yaratıldı. Planck sabitini 1900'de keşfetti ve 1905'te Einstein, Planck'ın fikrini fotonlar açısından yorumladı. Planck'ın keşfi, ısıtılmış cisimlerin radyasyon özelliklerinin bir tanımından başka bir şey değildi (tamamen siyah bir cismin radyasyon yasası). 1900'deki fizikçiler siyah cisim radyasyonuna sadece yüzeysel olarak aşina değillerdi, aksine teorideki çelişkilerden derinden endişe duyuyorlardı. Matematiksel teori, siyah bir cismin radyasyon gücünün sonsuz olması gerektiğini öngördü. Bireysel dalga boyu başına düşen enerji miktarı sınırlıydı, ancak 19. yüzyıl fiziğine göre, tüm bu enerjileri, en kısası da dahil olmak üzere, olası tüm dalga boylarının sonsuz bir kümesine eklemek, sonsuz bir miktarla sonuçlandı. Bu paradoks, "ultraviyole felaketi" olarak adlandırıldı. Bir bakıma, bu problem tüm fiziksel problemlerin anası ile aynı türdendi: çok fazla enerji kısa dalga boylarındaydı. Einstein, bu sorunu (termal radyasyon sorunu), ışığın bireysel kuantumlardan oluştuğu radikal ama geçerli bir hipotezin yardımıyla çözmeyi başardı. Aynı zamanda, varsayımlarına 20. yüzyılın başından sonra elde edilen herhangi bir deneysel veriye güvenmedi.

Foton yılı aynı zamanda özel görelilik teorisinin yılıydı. Dünya'nın esire göre hareket hızını belirlemenin imkansızlığını gösteren Michelson-Morley deneyi, 20. yüzyılın başından 13 yıl önce sahnelendi. [83] Aslında Einstein'ın bu çalışmadan haberi olup olmadığı bile bilinmiyor. Kendi anılarına göre, özel görelilik teorisinin yaratılmasının anahtarı, 1860'larda yaratılan Maxwell'in elektrodinamiğiydi. Düşünce deneylerinin ustası Einstein, on altı yaşında (yani 1895'te) kendi kendine şu soruyu sordu: "Bir ışık huzmesi, onunla ışık hızında hareket eden bir gözlemciye nasıl görünür?" Bu kadar genç yaşta bile sonucun bir çelişki olduğunu anladı. Bu nedenle, büyük keşfi deneysel zeminde gelişmedi.

19. yüzyılın sonunda fizikçiler elektronların ve atomların mikroskobik dünyasını keşfetmeye başladılar. Hollandalı büyük fizikçi Hendrik Anton Lorenz elektronun varlığını öne sürdü ve 1897'de İngiliz fizikçi J. J. Thomson elektronu keşfetti ve özelliklerini inceledi. Roentgen ünlü ışınlarını 1895'te keşfetti ve bir yıl sonra Becquerel radyoaktiviteyi keşfetti ve araştırdı.

Ancak o zamanlar bilinmeyen ve birkaç yıl sonra keşfedilen bir takım fenomenler de vardı. Böylece, Robert Milliken elektron yükünü ancak 1910'da ölçtü ve Rutherford'un atom çekirdeğinin keşfine yol açan deneyleri [84] daha sonra yapıldı, ancak bu konuda bazı spekülasyonlar 19. yüzyılın sonlarında vardı. ve atomlarla ilgili modern fikirler John Dalton'a ve on dokuzuncu yüzyılın başına kadar uzanıyor.

Rutherford'un atomun "gezegenimsi" yapısını -ağır çekirdeklerin yörüngesinde dönen hafif elektronları- keşfi çok önemliydi. İki yıl sonra, Bohr'u nicelenmiş yörüngeler teorisini yaratmaya itti. Ancak Rutherford'un keşfi, Bohr'un teorisinin yaratılması için kesinlikle gerekli miydi? Şüpheliyim. Geçenlerde Heisenberg tarafından üstlenilen kuantum mekaniğini oluşturmaya yönelik ilk başarılı girişimlerden birinin atom kavramıyla çalışmadığını öğrenince şaşırdım. [85]

Matris mekaniğinin ilk uygulaması, sözde harmonik osilatörler olan basit salınımlı sistemler teorisiydi. Aslında, Planck-Einstein teorisi tam da böyle bir teoridir - radyasyon alanının harmonik salınımları (salınımları) teorisi. Ve bireysel osilatörlerin enerjisini yalnızca sabit kısımlarda değiştirme olasılığı, bizi ayrık Bohr yörüngeleriyle bir analojiye götürür. Bu arka plana karşın, ara deneysel bir keşif olarak Rutherford'un atomu, kuantum mekaniğinin yaratılması için gerekli görünmüyor.

Geriye atomla ilgili bir problem daha kalıyor. Yapısının güneş sisteminin yapısına benzediğini tahmin etmek mümkün mü? Hubble'ın galaksilerin hızlarını belirlemek için kullandığı spektral çizgilerin incelenmesi olan spektroskopinin burada önemli bir rol oynayabileceğini düşünüyorum. 19. yüzyılda, çok büyük miktarda spektroskopik veri birikti. Hidrojenin spektrumu her ayrıntısıyla incelenmiştir. Başka bir deyişle, bir atomun elektronlardan ve bazı pozitif yüklü nesnelerden oluştuğu fikri, 1900'den birkaç yıl önce zaten havadaydı. Geçenlerde bir Japon arkadaşımdan, atomun gezegen modeli hakkındaki ilk fikirlerin Japon fizikçi Hantaro Nagaoka tarafından ortaya atıldığını öğrendim. Nagaoka ve atomunun portresini içeren bir Japon posta pulu bile var.

Nagaoka'nın internette bulunan makalesi 1903 tarihli, yani Rutherford'un deneylerinden sekiz yıl önce çıktı. Rutherford'un deneyleri, zengin spektroskopik veriler, osilatörlerin kuantum davranışı ve Nagaoka'nın fikirleri olmasaydı, parlak genç bilim adamları Heisenberg ve Dirac'ı pekâlâ kaçınılmaz "eureka" anına getirebilirdi: "Aha! Herşey çalışıyor! Merkezde pozitif bir yük ve onun etrafında ayrık yörüngelerde dönen elektronlar!” Belki de Bohr buna kendi başına gelirdi. Modern fizikçiler, hadronların spektroskopisinden sicim teorisi türeterek, çok daha büyük olmasa da benzer bir buluş yaptılar.

Peki, izafiyet teorisi hakkında ne söylenebilir? 20. yüzyılda yapılan deneyler olmadan yaratılabilir miydi? şüphesiz! Einstein'ın tek ihtiyacı olan, onu eşdeğerlik ilkesini keşfetmeye götüren bir düşünce deneyiydi. Geriye sadece eşdeğerlik ilkesini özel görelilik kuramıyla birleştirmek kaldı.

Bugün, belki de, birbiriyle uyumsuz görünen iki teoriyi birleştirmeye çalışmayacak tek bir ciddi fizikçi yoktur. Tabii ki kuantum mekaniği ve genel göreliliği kastediyorum. 1920'lerin sonlarında çok benzer bir sorun vardı: kuantum mekaniği ile özel göreliliği nasıl uzlaştırabiliriz? Dirac, Pauli ve Heisenberg ölçeğindeki fizikçiler, özel görelilik kuantum mekaniği ile bağdaşmaz kaldığı sürece kendilerine yer bulamadılar. Sonuç olarak, bir elektronun elektromanyetik alanla etkileşimini tanımlayan göreli bir kuantum teorisi doğdu. Burada her şey zaten yeterince açıktı. Kuantum elektrodinamiği yaratmaya yönelik ilk çabalar, Dirac'ın kuantum mekaniğini ve özel göreliliği birleştirme arzusundan daha az motive olmadı. Ama Dirac, Dirac'ın denkleminin doğru olduğunu nasıl bilebilirdi?

Ve bu dramatik anda, Pauli yasaklama ilkesiyle sahneye giriyor. Pauli'nin keşfinin kökenleri kimya alanında, yani periyodik sistemde ve farklı kimyasal elementlerin atomlarındaki farklı yörüngelerdeki elektronların düzenlenme modellerini açıklamaya çalışır. Pauli, elektronların yörüngelerini neden belirli bir sırayla doldurduklarını açıklamak için elektronun yeni bir özelliğini, yani spini tanıtmak zorunda kaldı. Döndürme fikri nereden çıktı? 20. yüzyılda yapılan yeni deneylerden değil, 19. yüzyılda toplanan spektroskopik verilerden. Yeni bir spin serbestlik derecesinin eklenmesi, Pauli'nin zıt spinlerle her yörüngeye iki elektron yerleştirebileceği anlamına geliyordu. Yani bir helyum atomunda iki elektron aynı Bohr yörüngesindedir. Bu varsayım, Mendeleev'in periyodik sisteminin anahtarı oldu. Ama eğer Pauli'nin fikri aslında 19. yüzyıl kimyasına dayanan bir tahminse, o zaman Dirac'ın görelilik kuramı dönüşün gizemli özelliklerini zekice açıklıyordu.

Ancak Dirac'ın teorisinin ciddi bir kusuru vardı. Gerçek dünyada, her parçacıkla ilişkilendirilen enerjinin pozitif bir değeri vardır ve Dirac'ın teorisinin ilk versiyonu bu bariz gerçekle aynı fikirde değildi: Elektronların negatif enerjiye sahip olduğu ortaya çıktı! Negatif enerjiye sahip parçacıklar çok kötü bir işarettir. Bir atomdaki elektronların daha yüksek yörüngelerden daha alçak yörüngelere hareket etme sürecinde fotonlar yayarak en düşük enerji durumunu işgal etme eğiliminde olduklarını hatırlayın. Elektron, Pauli dışlama ilkesi tarafından yasaklanmayan en düşük enerji durumunu "arar". Ancak elektronun enerjisi negatifse, o zaman en düşük enerji durumu yoktur: elektron alçalıp alçalacak ve enerjisi eksi sonsuza gitme eğiliminde olacaktır. Bu basamaklı düşüşte salınan enerji, sonsuz sayıda foton olan fotonlar tarafından taşınacaktır. Elektronların bu davranışı, elektronların sonsuza dek negatif enerji uçurumuna düşmesini engelleyen bir şey olmadığı sürece, tüm teoriyi tamamen başarısızlık tehlikesine sokar. Pauli, yasaklama ilkesiyle durumu yeniden kurtarır. Boşluğun aslında negatif enerjili elektronlarla dolu olduğunu varsayalım. Böyle bir dünya nasıl görünürdü? Buna belirli sayıda pozitif enerjili elektron ekleyelim - artık bu elektronlar artık daha düşük enerji durumlarına giremezler çünkü zaten negatif enerjili elektronlar tarafından işgal edilmişlerdir. Artık yalnızca pozitif enerjili elektronları güvenle düşünebiliriz, çünkü negatif enerji bölgesine düşmeleri, negatif enerjili elektronlarla dolu Dirac denizinin varlığıyla güvenilir bir şekilde engellenir. Dirac sorunun çözüldüğünü ilan etti ve gerçekten de çözüldü.

Bu fikir beklenmedik bir sonuca yol açtı. Sıradan bir atomda, bir elektron bir fotonu emebilir ve daha yüksek bir enerji durumuna geçebilir. [86]

Ve sonra Dirac tüm ihtişamıyla kendini gösterdi. Doğal olarak, negatif enerjiye sahip ve boşluğu dolduran elektronlarda benzer bir şeyin olabileceğini öne sürdü: bir foton, Dirac denizinden bir elektronu fırlatabilir ve pozitif enerji elde eder. Elektron onu terk ettikten sonra negatif enerji denizinde ne kalacak? Delik. Negatif enerji denizinde bir elektronun olmaması, elektrona benzer, yalnızca pozitif yüklü bir parçacığın varlığı gibi görünecektir. Böylece Dirac, negatif değil pozitif olması gereken elektrik yükü dışında, elektronla her şeyde özdeş bir parçacığın varlığını tahmin etti. Bunlar, Feynman'ın daha sonra zamanda geriye doğru hareket eden elektronlar olarak yorumladığı aynı pozitronlardır. Dirac, onları negatif enerjili bir elektron denizindeki delikler olarak yorumladı. Ayrıca pozitronların elektronlarla aynı anda doğması gerekir, asıl mesele fotonun bunun için yeterli enerjiye sahip olmasıdır.

Dirac'ın antimaddenin varlığına ilişkin tahmini, fizik tarihinin en büyük anlarından biriydi. Bu sadece pozitronun daha sonraki deneysel keşfine yol açmakla kalmadı, aynı zamanda fizikte yeni bir yönün doğuşunu da işaret etti - daha sonra Feynman diyagramlarının ortaya çıkmasına ve sonunda Standart Modelin yaratılmasına yol açan kuantum alan teorisi. Ama tarihin lokomotifinin önüne geçmeyelim.

Dirac, göreli elektronların kuantum mekaniği davranışını tanımlayan ünlü denklemini türettiğinde deneysel doğrulamayı düşünmedi. O yalnızca göreli olmayan Schrödinger denklemini Einstein'ın özel görelilik kuramıyla nasıl bağdaştıracağıyla ilgileniyordu. Dirac denklemini aldıktan sonra, kuantum elektrodinamiğine kapıyı açan anahtarı aldı. Kuantum elektrodinamiğini inceleyen teorisyenler, elbette, çeşitli yeniden normalleştirmelerle "yapıştırdıkları" tutarsızlıklar buldular. Bu tutarsızlıklar, modern bir alan teorisinin yaratılmasına engel olmadı. [87] Fizikçiler sonsuz boşluk enerjisini merak etmeye ve onun neden bir yerçekimi alanı yaratmadığını merak etmeye devam ettiler. Şu soru sorulabilir: "Fizikçiler, teorilerinin doğruluğunun deneysel teyidini almadan teorilerini geliştirebilirler mi?" Veya şu soruyu sorun: "Genç bilim adamları, deneyden çıkış yolu olmayan tamamen teorik çalışmalara katılmaya hazırlar mı?" Ancak teorik fiziğin daha da geliştirilmesi olasılığı sorununun gündemde olacağını düşünmüyorum. Buna ek olarak, sicim kuramının 35 yıllık tarihi, kuramcıların kuramlarını süresiz olarak geliştirebileceklerini, yeter ki onlara para ödemeye istekli biri olduğunu doğruluyor.

Peki ya çekirdekler, minyatür atomik gezegen sistemlerinin merkezindeki mikroskobik pozitif yüklü "güneşler"? Proton ve nötronun varlığını teorik olarak çıkarsayabilir miyiz? Bir proton bulmak büyük bir anlaşma olmaz. Bu yöndeki ilk adım, 1808'de Dalton tarafından, tüm atomların kütlelerinin tamsayılar olarak birbiriyle ilişkili olduğunu keşfettiğinde atıldı ve bundan doğal olarak atom çekirdeğinin bir dizi özdeş tuğladan inşa edildiğini takip etti. Ek olarak, çekirdeğin yükü hemen hemen her zaman atom kütlesinden daha az olduğu için, çekirdeği oluşturan yapı taşlarının hepsinin aynı yüke sahip olmadığını varsaymak mantıklıdır. En basit çıkarım, çekirdeği oluşturan parçacıkların pozitif yüklü ve nötr olmak üzere iki tür olabileceği ve pozitif yüklü ve nötr parçacıkların kütlelerinin aynı olduğu varsayımıdır. Akıllı teorisyenler bu sonuca hemen varırlar.

Yoksa yapmazlar mı? Kafalarını karıştırabilecek bir şey var ve ne kadar süreceğini bilmiyorum. Çekirdeğin yapısının, protonların ve nötronların var olduğu varsayımından daha basit bir açıklama olasılığı vardır - bu açıklama, yeni bir parçacığın eklenmesini hiç gerektirmez. Çekirdek, sayıları proton sayısından daha az olan, içinde sıkışmış elektronları olan bir dizi proton olarak temsil edilebilir. Örneğin, 12 protonluk bir demette 6 elektronun sıkışması, artık 6 proton ve 6 nötrondan oluştuğu bilinen bir karbon atomunun çekirdeği olarak yorumlanabilir. Bir nötronun kütlesi, bir proton ve bir elektronun toplam kütlesine yakındır. Tabii ki, yeni bir tür kuvvetin tanıtılması gerekecekti: bir elektron ve bir proton arasında etki eden olağan elektrostatik kuvvetler, fazladan protonları çekirdekte tutacak kadar güçlü değiller; elektronlar. Yeni bir kuvvet için, bu etkileşimin yeni bir parçacık taşıyıcısını icat etmek gerekir. Belki de sonunda bunun o kadar da kötü bir fikir olmadığına karar vererek nötrona geri döneceklerdi.

Bu sırada Einstein yerçekimi teorisini geliştirdi ve meraklı fizikçiler onun denklemlerini araştırmaya başladılar. Burada yine her şeyin nasıl olabileceğini tahmin etmemize gerek yok çünkü tarih zaten bizim için her şeyi önceden tahmin etti. Karl Schwarzschild, daha teorisini geliştirmeden önce Einstein'ın denklemlerine çözümler buldu. Schwarzschild'in çözümü bugün kara delik olarak biliniyor. Einstein, sonunda graviton fikrine yol açan yerçekimi dalgalarının varlığını kendisi çıkardı. Bu çözümlerin çoğu, elde etmek için herhangi bir deney veya gözlem gerektirmez. Genel görelilik kuramının sonuçları, bu kuramın doğru olup olmadığına, deneysel doğrulaması olup olmadığına bakılmaksızın türetilmiştir. Bu kitabın onuncu bölümünde karşılaşacağımız modern kara delik kuramı bile, kuantum alan kuramının en basit fikirleriyle birlikte yalnızca Schwarzschild çözümünü kullanır.

Teorisyenler Standart Modelin tüm yapısını tahmin edebilir miydi? Protonlar ve nötronlar konusunda az çok açıktır, peki ya kuarklar, nötrinolar, müonlar ve diğer her şey? Onlara giden bir yol göremiyorum. Ancak temel teorik temeller - Yang-Mills teorisi - ile ilgili olarak, bana öyle geliyor ki, hiç şüphe yok. Bu zamana kadar gerekli tüm deneyler kurulmuştu ve tüm veriler elde edilmişti. 1953'te, Kaluza'nın teorisini başka bir ekstra boyuta genellemekten başka bir motivasyonu olmayan, tarihin en büyük fizikçilerinden biri, bugün Abelian olmayan ayar teorisi olarak adlandırılan bir matematik teorisi yarattı . Kaluza'nın üç uzamsal boyuta yeni bir boyut eklediğini ve böylece yerçekimi ve elektrodinamiğin birleşik bir tanımını elde ettiğini hatırlayın. Pauli, toplam 5 + 1 boyutlu uzaya bir boyut daha eklemek için fazladan iki boyutu küçülterek 2-küreye indirdi. Peki ne aldı? Ekstra iki boyutun, elektrodinamiğe benzer, ancak yeni özelliklere sahip yeni bir tür teoriye yol açtığını buldu. Parçacık listesi artık bir foton yerine üç foton benzeri parçacık içeriyordu. Ve ilginç bir şekilde, her foton bir yük taşıyordu: diğer iki fotondan birini yayabilirdi. Yang-Mills teorisinin bir prototipi olan, Abelian olmayan ayar teorisinin ilk versiyonuydu. [88] Bugün, Abelian olmayan ölçü teorilerinin tüm Standart Modelin temeli olduğunu düşünüyoruz. Gluonlar, fotonlar, Z-bosonlar ve W-bosonlar, foton benzeri üç Pauli parçacığının basit genellemeleridir.

Dediğim gibi teorisyenlerin kuarklar, müonlar ve nötrinolar ve Higgs bozonları içeren bir Standart Model oluşturma şansı olmayacaktı. Ve böyle bir şey bulsalar bile, büyük olasılıkla düzinelerce benzer, ümit vermeyen hipotezden biri olarak kalacaktı. Ama bence temel teorik içerikleri bulma ihtimalleri var.

Sicim teorisini inşa edebilecekler miydi? Sicim teorisinin yaratılması, teorisyenin zihinsel çalışmasının iç işleyişini gösteren iyi bir örnektir. Yine, kesinlikle hiçbir deneysel temeli olmayan sicim teorisyenleri, anıtsal bir matematiksel yapı inşa ettiler. Sicim kuramının inşa tarihi rastlantılarla doludur, bu yüzden ona birçok başka yoldan ulaşılmış olabilir. İp benzeri nesneler, Abelian olmayan ayar teorilerinde önemli bir rol oynar. Sicim teorisinin ortaya çıkmasının bir başka olası yolu, onu sıvıların akışını tanımlayan teori olan hidrodinamikten türetmektir. Banyodan inen suyun oluşturduğu huninin neye benzediğini hatırlayın. Huninin merkezinde, dönen sudan bir ipe benzeyen uzun yılan benzeri bir tüp oluşturulmuştur. Başka bir örnek, dönen havanın oluşturduğu bir kasırganın "gövdesi" dir. Başka bir örnek, hava girdabının kapalı bir döngü oluşturduğu, sigara içen biri tarafından yayılan duman halkasıdır. Bu tür girdap hareketlerini açıklamaya çalışan hidrodinamikçiler, sicim kuramına benzer bir şey yaratabilirler mi? Asla bilemeyeceğiz, ancak bu, böyle varsayımsal bir olasılığı reddetmek için bir sebep değil. Modern fizikçiler, hidrodinamik yöntemlerini yerçekiminin kuantum teorisine uygulamaya çalışmalı ve bir graviton gibi davranan kapalı bir girdap sicimi gibi bir şey elde etmeye çalışmamalı mı? Neden olmasın.

Öte yandan, şüpheciler bana itiraz edebilir, her umut verici fikir için genellikle yüzlerce çıkmaz vardır. Teorisyenleri disipline edecek deneyler yapmadan, onların çılgın fantezilerini sınırlandırmadan, bu entelektüel kaostan doğru fikirleri seçmek imkansızdır.

Şüphecilerin pozisyonu çok güçlü. Haklı olmaları mümkündür. Ancak Darwinci seçilimi teorik fikirlere uygulama olasılığı vardır: iyi fikirler hayatta kalırken, kötü olanlar yok olur. İyi fikirler yeni iyi fikirlere, kötü fikirler ise çıkmaz sokaklara yol açar. İyi bir teori için kriterlerden biri matematiksel tutarlılığı olabilir. Belki de böyle bir kriter, deneyin onları üzerinde tuttuğu zinciri kıran teorisyenleri bir dereceye kadar disipline edebilirdi.

Yüz yıldır deney yapmadan yaşayan fizikçiler, ana hatlarını çizdiğim yolu izleyebilecekler mi? Kim bilir... Fizik böyle gider demiyorum, böyle gidebilir diyorum. Eminim ki insan zekasının sınırlarını belirlemeye çalışırken, sınırlarını abartmaktansa hafife almaya eğilimliyiz.

Bugün geriye dönüp baktığımda, 1995'te çok ciddi bir hayal gücü eksikliği yaşadığımı fark ediyorum, sadece teorisyenlerin yaratıcılığından bahsediyorum. O ziyafette kendimi ve diğer fizikçileri yeni deneysel veriler elde etme konusundaki zayıf beklentiler konusunda teselli etmeye çalışırken, deneycilerin ustalığını, hayal gücünü ve yaratıcılığını büyük ölçüde hafife aldım. O zamandan beri, yeni kozmolojik verilerin elde edilmesinde, 5. Bölüm'de zaten yazdığım devrim niteliğinde atılımlar yaptılar. Bu kitabın son bölümünde, yakın gelecekte gerçekleştirilmesi beklenen diğer ilginç deneylerden bahsedeceğim, ancak şimdi sicim teorisine geri dönelim ve onun nasıl devasa bir olasılıklar manzarası yarattığını görelim.

10. Bölüm
 

Şimdi konunun özüne geliyoruz. Evreni açıklamak için antropik ilkenin bir biçimine başvurulması yeni değildir. Bilim camiasında patlayan, fizikçiler arasında hararetli bir tartışmayı ateşleyen ve bu kitabın yazılmasına yol açan gerçekten yeni fikir, sicim teorisi manzarasının çok çeşitli vadiler içerdiği fikriydi. 20. yüzyıl boyunca hakim olan QED (fotonlar ve elektronlar teorisi) ve QCD (kuarklar ve gluonlar teorisi) gibi daha önceki teoriler çok sıkıcı manzaraları tanımlıyordu. Standart Model, ne kadar karmaşık olursa olsun, vakumun yalnızca bir versiyonunu içerir. Bu teoriler bize içinde yaşadığımız boşluğu seçme seçeneği bırakmadı.

Eski teorilerdeki boşluk çeşitliliğinin bu kadar az olmasının nedenini anlamak zor değil. Peyzajlı kuantum alan teorilerinin matematiksel olarak imkansız olması değildi. Standart Modele Higgs alanı gibi yüz veya iki gözlemlenemeyen alan eklenerek devasa bir manzara oluşturulabilir. Standart Modelin boşluğunun benzersiz olmasının nedeni, daha önce Bölüm 4'te bahsettiğim bazı özel matematiksel zarafetlerde de yatmıyor. kendi dünyamızın kalıpları. Deneysel verilere dayanarak yaratıldılar ve yalnızca kendi boşluğumuzu açıkladılar, ancak açıklamadılar. Bu teoriler, tasarlandıkları iş için oldukça başarılıydı, ama bundan fazlası değil. Akıllarında bu kadar sınırlı hedefler olan teorisyenler, manzarayı çeşitlendirmek için bir teoriye bir grup ekstra yapı eklemek için hiçbir neden görmediler. Andrey Linde ve Alexander Vilenkin gibi hayalperestler dışında 20. yüzyılın çoğu fizikçisi, zengin bir manzarayı bir avantajdan çok bir dezavantaj olarak görür.

Yakın zamana kadar, sicim kuramcılarının gözleri, kuramın betimlediği boşluğun benzersiz olmasını gerektiren bu eski paradigma tarafından kör edilmişti.

Sicim kuramında bulunan ekstra boyutları kompakt hale getirmek için kullanılabilecek en az bir milyon farklı Calabi-Yau manifoldu olmasına rağmen, önde gelen araştırmacılar, biri hariç tüm ekstra seçenekleri ortadan kaldırabilecekleri bazı matematiksel prensipler bulabileceklerini umut etmeye devam ediyorlar. . Ancak, tek bir boşluk seçme ilkesini bulmak için harcanan tüm çabalara rağmen, böyle bir şey ortaya çıkmadı. En son umudun öldüğü söylenir, ancak son zamanlarda artan sayıda teorisyen doğru teorinin umdukları gibi olmayabileceğinden şüphelenmeye başladı. Bu teori, bir "benzersizlik teorisi" olarak değil, bir "çeşitlilik teorisi" olarak görüldüğünü iddia ediyor.

Ya zengin ve çeşitli bir manzara oluşturan sicim kuramı tam da aradığımız kuramsa? Bu soruyu cevaplamak için, fazladan altı veya yedi uzamsal boyutu gizleyen inanılmaz derecede karmaşık minik katlanmış geometriler düşünülmelidir. Ancak bu karmaşıklıklara dalmadan önce, bunlardan birini daha basit bir örnekle göstermek istiyorum. Bu örnek aslında "Peyzaj" teriminin ortaya çıkmasında bir ilham kaynağı olmuştur.

"Peyzaj" terimi, sicim teorisinden veya kozmolojiden gelmedi. 2003 yılında sicim teorisinin birçok boşluğunu tanımlamak için ilk kez kullandığımda, onu daha eski bir bilim alanından ödünç almıştım: büyük moleküllerin fiziği ve kimyası. Yüzlerce veya binlerce atomdan oluşan büyük moleküllerin olası konfigürasyonları, uzun süredir manzaralar veya - bazen - enerji manzaraları olarak tanımlanıyor. Sicim teorisinin manzarası, kuantum alan teorisinin zayıf manzaralarından çok, büyük moleküllerin "konfigürasyon uzayı" ile çok daha fazla ortak noktaya sahiptir. Sicim kuramına dönmeden önce bu noktada duracağım.

Bir atomla başlayalım. Bir atomun uzaydaki konumunu tanımlamak için, atomun koordinatları olan x, y ve z olmak üzere üç sayı ayarlamak gerekir . x, y ve z'den hoşlanmıyorsanız , bunun yerine boylam, enlem ve rakımı kullanabilirsiniz. Bu nedenle, tek bir atomun olası konfigürasyonları, sıradan üç boyutlu uzaydaki noktalardır.

Atomlardan inşa edilebilecek en basit sistem iki atomlu bir moleküldür: iki atomdan oluşan bir molekül. İki atomun konumlarını ayarlamak için altı sayı gereklidir: x 1 , y 1 , z 1 ve x 2 , y 2 , z 2 . 1 ve 2 indeksleri, sırasıyla birinci ve ikinci atomun koordinat setini belirtir. Bu altı sayı, 3B uzayda iki noktayı temsil eder, ancak bunların 6B uzayda bir noktanın konumunu temsil ettiğini de hayal edebiliriz. Böyle bir altı boyutlu uzay, iki atomlu bir molekülü tanımlayan bir manzaradır.

Şimdi 1000 atomdan oluşan bir molekül hayal edin. İnorganik kimya için bu çok büyük bir moleküldür, ancak organik ve hatta biyokimya için bu büyüklükte bir molekül oldukça yaygındır. Böyle bir moleküldeki tüm atomların konumu nasıl açıklanır? Soru kesinlikle akademik değil: Bir protein molekülünün uzamsal bir yapıya nasıl katlandığını ve protein denatürasyonunun nasıl gerçekleştiğini anlamaya çalışan biyokimyacılar ve biyofizikçiler, moleküler bir manzara kavramını ortaya attılar.

Açıkçası, 1000 atomun konumunu belirtmek için, 3000 boyutlu bir manzara üzerinde bir noktanın koordinatları olarak temsil edebileceğimiz 3000 sayıya ihtiyaç vardır - bir molekülün tüm olası durumlarının bir manzarası.

Bir dizi atom, atomlar göreceli konumlarını değiştirdiğinde değişen potansiyel bir enerjiye sahiptir. Örneğin, iki atomlu bir molekülün potansiyel enerjisi, atomlar birbirine yaklaşırsa artacaktır. Kendi haline bırakılan atomlar, sistemin potansiyel enerjisi minimum olacak şekilde kendilerini düzenleme eğilimindedir. Elbette, 1000 atomun potansiyel enerjisini görselleştirmek çok zordur, ancak genel prensip aynıdır: Bir molekülün potansiyel enerjisi, biz arazide hareket ettikçe değişir. Bölüm 3'te, potansiyel enerjiyi yükseklik olarak sunduk. Peyzajımız dağlar, vadiler, sıradağlar ve ovalarla karmaşık bir araziye sahiptir. Bu karmaşık manzarada ilerleyerek, sonunda yerel minimum potansiyel enerjiye karşılık gelen kararlı bir molekül konfigürasyonuna geleceğiz, yani kendimizi vadilerden birinin dibinde bulacağız.

En çarpıcı olan, bu vadilerin çok sayıda olmasıdır: Atom sayısı arttıkça katlanarak büyür. Büyük moleküller için, bireysel yerel vadilerin sayısı milyonlarca hatta milyarlarca değildir. 1000 atomlu bir molekülün manzarası yaklaşık 10.100 vadi içerir. Tüm bunların sicim teorisindeki boşluk manzarasıyla ne ilgisi var? Yanıt, sicim kuramının hem moleküllerinin hem de yoğunlaştırmalarının çok sayıda "hareketli parçaya" veya daha doğrusu serbestlik derecelerine sahip olmasıdır . Bu "parçalardan" bazıları bizimle daha önce tanışmıştı. Kompaktlaştırma modülleri, Calabi-Yau manifoldlarının çeşitli geometrik özelliklerinin boyutlarını ve şekillerini tanımlayan sayılardır. Bu bölümde, sicim teorisi manzarasının neden bu kadar karmaşık ve çeşitli olduğunu anlamak için bazı "hareket eden parçaları" inceleyeceğiz.

D-zarlar
 

Bölüm 8'de, Ed Witten'in 1995'te çoklu sicim teorilerini tek bir büyük M(aster) teorisinde birleştirme fikrini nasıl bulduğunu anlattım. Ancak yeni teorinin ciddi bir sorunu vardı: teori, önceki sicim teorilerinde olmayan yeni nesnelerin getirilmesini gerektiriyordu. Sicim teorilerinin her birinin, matematiksel aygıtının bağırsaklarında derinden gizlenmiş, önceden bilinmeyen nesneler içermesi gerektiği ortaya çıktı. Teorinin bir versiyonundaki temel sicimler, başka bir versiyondaki temel sicimlerden tamamen farklı nesnelerdi. Ancak modülleri değiştirerek, teorinin bir versiyonunun manzarası boyunca diğerine geçebilirken, bir teorinin A nesneleri diğerinin B nesnelerine dönüşecektir. Bir örnek, M-kuram zarlarının tip IIa kuram dizilerine dönüştürülmesidir. Witten'in fikri çekici ve hatta inandırıcıydı, ancak yeni nesnelerin doğası ve teorinin matematiksel çerçevesindeki yerleri, Joseph Polchinski tarafından zarları keşfedene kadar tam bir sır olarak kaldı .

Joe Polchinski çok genç görünüyor ve bir "erkek arkadaş" gibi davranıyor. Yemekten bahsetmişken, Joe bir keresinde şöyle demişti: "Yalnızca iki tür yiyecek vardır: çikolata sosuyla yenenler ve ketçapla yenenler." Ancak çocuksu görünüm, son yarım yüzyılda fiziksel sorunlara saldırmak için en derin ve en güçlü beyinlerden birini saklıyor. Witten, M-teorisini sunmadan önce bile Joe, sicim kuramında yeni bir fikir deniyordu. Ciddi bir çalışmadan çok bir matematik oyunu gibi, uzayda iplerin koptuğu özel yerler olabileceğini öne sürdü. Çocuğun ipi nasıl farklı yönlerde çekerek hareketli dalgalar oluşturduğunu hayal edin. Dalgalar ipin uzak ucuna kadar yayılır, ancak onlara ne olacağı ipin diğer ucunun sabit veya serbest olmasına bağlıdır. Polchinski'den önce, açık tellerin her zaman uzayda "sallanan" serbest uçları olduğuna inanılıyordu. Joe'nun yeni fikri, uzayda tellerin serbest uçlarının titremesini engelleyen özel "çapaların" var olabileceğiydi. Çapa uzayda sadece bir nokta olabilir: Bu aşağı yukarı, ipin diğer ucunun daha yaşlı bir yoldaşın güçlü eli tarafından sallanmasının engellendiği duruma benzer. Ama başka seçenekler de var. Halatın ucunun dikey çubuk boyunca yukarı ve aşağı kayabilen bir halkaya bağlı olduğunu varsayalım. Son, olduğu gibi kısmen sabittir, ancak bir dereceye kadar serbestçe hareket edebilir. Çubuğa takılan uç, onun üzerinde serbestçe kayabilmesine rağmen, bu hareket sadece çubuk boyunca mümkündür. "İp ve halter analojisini neden sicim teorisine uygulamıyorsunuz? Polchinski savundu. – Uzayda neden iplerin serbest uçlarının bağlı olduğu özel çizgiler olmasın? Bir halter boyunca kayan bir atlama ipi gibi, ipin ucu çizgi boyunca serbestçe kayabilir ve çizgilerin kendisi kavisli olabilir. Ancak noktalar ve çizgiler tüm olasılıkları tüketmez. İpin ucu bir yüzeye, bir tür zara iliştirilebilir. Zarın yüzeyi boyunca herhangi bir yönde serbestçe kayan ipin ucu aynı anda onu terk edemez.

Bir dizinin bitebileceği bu noktalar, çizgiler ve yüzeyler bir şekilde adlandırılmalıydı. Joe onlar için "Dirichlet branes" adını veya kısaca D-branes'i icat etti . Dirichlet, sicim teorisiyle hiçbir ilgisi olmayan, 19. yüzyılda yaşamış bir Fransız matematikçiydi. Ancak 150 yıl önce dalgaların matematiğini, özellikle de durağan nesnelerden dalga yansıması yasalarını inceledi. Adil olmak gerekirse, yeni nesnelerin Polchinski zarları olarak adlandırılması gerekirdi, ancak "P-zarları" terimi, sicim teorisyenleri tarafından zaten farklı türden nesneler için kullanılmıştı.

Joe benim iyi arkadaşım. 25 yıl boyunca bir dizi fizik projesinde yakın işbirliği yaptık. D-brane'ları ilk kez Austin, Teksas'taki Quackenbush Intergalactic Cafe'de kahve içerken duydum. Sanırım 1994 yılıydı. Fikir bana eğlenceli göründü ama devrimci değildi. D-zarlarının önemini hafife alan tek kişi ben değildim. O günlerde teorisyenlerin yapılacaklar listesinde değillerdi ve bence Joe'nun kendi yapılacaklar listesinde bile yok. 1995'te Witten'in dersinden sonra D-branes teorisyenlerin beynini patlattığında durum dramatik bir şekilde değişti.

"D-brane'lerin Witten'in dersiyle nasıl bir ilişkisi var?" diye soruyorsunuz. Bundan birkaç ay sonra, Kasım ayında Joe, teorik fiziğin tüm alanlarında büyük etkileri olan bir makale yazdı. Witten'in ihtiyaç duyduğu yeni nesnelerin Joe'nun D-zarları olduğu ortaya çıktı. D-brane'lerle donanmış fizikçiler, sonunda Witten'in görünüşte farklı olan birkaç teoriyi tek ama birçok çözümle değiştirme projesini tamamlamayı başardılar.

 Her boyutta kepek
 

Dizeler hakkında bu kadar özel olan ne? Teorisyenlere bu liflerin tüm maddenin yapı taşları olduğuna dair güven veren tek boyutlu bir enerji lifi hakkında ne var? Sicim teorisi hakkında ne kadar çok şey öğrenirsek, bazılarımız sicimlerle ilgili özel bir şey olmadığına o kadar çok ikna oluyoruz. Sekizinci bölümde Büyülü Mistik Matematiksel Onbir Boyutlu M-Teorisi ile karşılaştık. Bu teori hiç sicim içermez. Zarları, 5-zarları ve gravitonları vardır, ancak sicimleri yoktur. Gördüğümüz gibi, sicimler yalnızca M-teorisi sıkıştırıldığında ortaya çıkarlar ve o zaman bile bunlar, sıkıştırılabilir boyutun boyutu yeterince küçüldüğünde sicime benzeyen zarların uç durumlarından başka bir şey değildir. Başka bir deyişle, Sicim Teorisi, Peyzajın bazı sınırlı bölgelerinde sadece sicim teorisidir.

Uzamsal boyutları olan bir dünyada, sicim teorisyenlerinin zar dediği üç tür nesne vardır. Bunların en basiti bir nokta parçacıktır. Bir noktanın herhangi bir yönde boyutu olmadığı için, bir noktayı 0 boyutlu bir uzay olarak düşünmek yaygındır . Noktadaki hayat çok sıkıcı çünkü keşfedilecek bir yönünüz yok. Sicim teorisyenleri, bir nokta parçacığına 0-zar olarak atıfta bulunur; burada 0, nesnenin boyutunu belirtir. İp uçlarının bağlı olduğu 0-branlara kendi jargonlarında D0-branlar denir .

0-zarları 1-zarlar veya diziler takip eder. Bir dize yalnızca bir yönde uzanır. İpte yaşayanların yetenekleri hâlâ çok sınırlıdır, ancak yaşamak için ellerinde en az bir boyut vardır. Sicim teorisinde iki tür 1-zar vardır: orijinal sicimler ve D1-dizgiler, her ikisi de sıradan sicimlerin bitebileceği tek boyutlu nesnelerdir.

Son olarak, 2 zar veya kauçuk benzeri zarlar, 3B uzayda var olabilir. 2-zar üzerindeki yaşam sonsuz çeşitliliktedir, ancak yine de üç boyutlu uzaydaki kadar ilginç değildir. Aslında dünyamıza 3B 3-zar diyebilirdik ama 0, 1 ve 2-zarlardan farklı olarak uzayda bir 3-zarı hareket ettiremeyiz çünkü o uzaydır. Ancak, dört uzamsal boyutu olan bir dünyada yaşadığımızı varsayalım. Ekstra uzamsal yön, 3-zara hareket özgürlüğü verecektir. Dört uzamsal boyutu olan bir dünyada 0, 1, 2 ve 3-zar olabilir.

Peki ya sicim teorisinin 9+1 boyutlu dünyası? İçinde tüm boyutlarda zarların bulunması oldukça olasıdır: 0 zardan 8 zara kadar. Ancak olasılığın kendisi, bu dünyanın aslında bu tür nesneleri içerdiği anlamına gelmez . Maddenin temel "tuğlalarına" ve bunların birbirlerine nasıl "bağlandıklarına" bağlıdır. Öte yandan bu, bu tür zarların var olabilmesi için yeterli boyutlara sahip olduğumuz anlamına gelir. Ve M-kuramının on uzamsal boyutu, başka tür bir zarı - 9-zarı dahil etmek için yeterlidir.

Ancak yine de, on uzamsal boyutta on farklı zar türünün inşa edilebilmesi, M-kuramının aslında tüm bu zar türlerini olası nesneler olarak içerdiği anlamına gelmez. Gerçekte M-teorisi, gravitonlar, zarlar ve 5-zarlardan oluşan bir kuramdır. İçinde başka zar türü yoktur. Bunun neden böyle olduğunu açıklamak bizi yüksek matematiğin ve süpersimetrik genel göreliliğin çok uzaklarına götürür, ama oraya gitmemize gerek yok: 11-boyutlu süperçekimi (anlamda: 10 + 1-) bilmek yeterlidir. boyutsal), graviton alışverişi yaparak etkileşime giren zarlar ve 5-zarlar teorisidir.

Her on boyutlu sicim kuramının kendi D-zarları vardır. Tip IIa sicim teorisi olarak adlandırılan bir versiyon, çift boyutlu zarlara sahiptir: D0, D2, D4, D6 ve D8-zarlar. Tip IIb teorisi, tek boyutlu zarlar içerir: D1, D3, D5, D7 ve D9-zarlar.

Birden çok atlama ipinin tek bir çubuğa bağlanabilmesi gibi, herhangi bir sayıda ip bir D-brane üzerinde sonlanabilir. Ayrıca, aynı çubuğa her iki uçta bir atlama ipi bağlanabildiği gibi, D-brane'nin her iki ucuna da tek bir ip takılabilir. İpin bu uçları zar boyunca serbestçe hareket edecek, ancak ondan kopamayacak. Sanki D-brane'de ömür boyu hapis cezasına çarptırıldılar.

Bu tür sicimler, temel parçacıklarla aynı şekilde davranmaları bakımından ilginçtir. Örneğin, D3-zarları ele alalım. Zarın her iki ucuna bağlanan kısa ipler, D3 zarının tüm üç boyutlu hacmi boyunca serbestçe hareket etme kabiliyetine sahiptir. Daha büyük bir sicim oluşturmak için birleşebilir, titreşebilir ve tekrar ayrılabilirler. Önceki sicim teorilerinin açıklamak için uydurduğu parçacıklar gibi hareket eder ve etkileşime girerler. Ancak şimdi bu parçacıklar zarın üzerinde yaşıyor.

D-brane, davranışı gerçek temel parçacıkların davranışına benzer olan temel parçacıklara sahip bir dünya modelidir. D-zarında eksik olan tek şey yerçekimidir. Bunun nedeni, gravitonun sonu olmayan kapalı bir sicim olması ve uçları olmayan sicimin bir zar üzerinde son bulamamasıdır ve dolayısıyla onun üzerinde yaşayamaz.

Elektronların, fotonların ve diğer tüm temel parçacıkların yanı sıra atomların, moleküllerin, insanların, yıldızların ve galaksilerin gerçek dünyası (yerçekimi dışında) bir zara tamamen sığabilir mi? Bu problem üzerinde çalışan teorisyenlerin çoğu için bu olasılık çok muhtemel görünüyor.

 Zarlar ve Kompaktlaştırma
 

Zarlardan her şey yapılabilir. Bir D2 zarı - bir zar - alın ve onu 2 küre şeklinde sarın. Topun yüzeyini alın. Sorun şu ki, zarın yüzey gerilimi bu topu hızla bir noktaya sıkıştıracaktır. Bir küre yerine, bir D2-zarından bir simit sarmaya çalışılabilir, ancak aynı hızla çökecektir.

Ama şimdi evrenin bir ucundan diğer ucuna uzanan bir zar hayal edin. Görselleştirilebilecek en basit örnek, sonsuz bir ip gibi tüm evren boyunca uzanan sonsuz bir D1-zarıdır. Sonsuz bir D-zarı küçülüp çökemez. Bu zarın uçlarını tutan iki kozmik devi hayal edebilirsiniz, ancak D-zarı sonsuz olduğu için devler de sonsuz uzaktadır.

Kendimizi D1 zarlarıyla sınırlamaya gerek yok: evren boyunca uzanan sonsuz bir tabaka da sabittir, ancak bu sefer bu levhanın kenarlarını tüm çevre boyunca tutmak için birçok deve ihtiyacımız var, ama yine, onlar sonsuz olacak uzak. Sonsuz zar, kendi Evrenimizin iki boyutlu bir benzeri olan fantastik Düzülkeyi, temel parçacıkların dünyasını temsil edebilir. Zarda yaşayan canlıların başka boyutların var olduğu sonucuna varamayacaklarını düşünebilirsiniz, ancak bu tamamen doğru değildir. Bir ipucu, yerçekimi kuvvetlerinin özellikleridir. Yerçekimi etkileşiminin, nesneler arasındaki graviton alışverişinden kaynaklandığını hatırlayın. Ancak gravitonlar sonu olmayan kapalı sicimlerdir, dolayısıyla zar üzerinde kalmaları için bir neden yoktur. Aksine, tüm uzayda serbestçe hareket ederler. Hala zar üzerinde bulunan nesneler arasındaki yerçekimi etkileşiminin taşıyıcılarıdır, ancak aynı zamanda ek boyutlar boyunca seyahat edebilirler ve ardından zara geri dönebilirler. Yerçekimi, bir bilimkurgu romanından kozmik bir vahiy gibi, düz dünya varlıklarına başka boyutların varlığını ve bu varlıkların iki boyutlu bir yüzeye hapsedildiğini anlatacaktır.

Gözlemlenemeyen yerçekimi ölçümlerinin tespit edilmesi aslında çok kolay olacaktır. Çarpışan büyük kütleler, gravitonları, çarpışan yüklü elektronların fotonları yaymasıyla aynı şekilde yayar. Ancak yayılan gravitonların neredeyse tamamı uzaya uçacak ve asla zara geri dönmeyecek. Zardan uzaklaşan gravitonlar, yanlarında enerji taşıyacaklar. Enerji sürekli olarak zardan dağılacaktır. Yassıülkeliler, tüm enerjinin ısıya dönüştürülmediğini, potansiyel veya kimyasal enerjinin bir kısmının basitçe yok olduğunu keşfedecekler.

Şimdi, uzayın her zamanki üç boyutumuzdan daha fazla boyuta sahip olduğunu hayal edin. Sonsuz D3-zarları, D2- veya D1-zarları ile aynı şekilde uzayda gerilebilir. 3-zar üzerinde, dünyamızın tüm olağan şeyleri var olabilir, tek bir şey dışında: yerçekimi yanlış davranacaktır. Yerçekimi yasaları, gravitonun uzayda üç boyuttan daha büyük hareket ettiği gerçeğini yansıtacaktır. Yerçekimi, olduğu gibi, ek boyutlarda "seyreltilmiş", "çözünmüş" olacaktır. Dünyamız için sonuçlar felaket olacak. Yerçekimi kuvveti çok daha zayıf olacak ve galaksiler, yıldızlar ve gezegenler onun tarafından yörüngelerinde tutulamayacak. Üstelik yerçekimi o kadar zayıf olacak ki bizi Dünya yüzeyinde bile tutamaz.

Ama bu ekstra boyutları - keşfedemeyeceğimiz ama gravitonun geçebileceği boyutları - alalım ve onları mikroskobik olarak küçük, kompakt bir alana katlayalım. Üç düzenli uzamsal boyut, sonsuz bir oda oluşturur, ancak ek boyutlar "duvarlar", "tavanlar" ve "zeminler" üzerinde durur. Karşılıklı duvarlardaki veya tavandaki ve yerdeki noktalar, Bölüm 8'de anlattığım gibi birbirine karşılık gelir.

Bunu daha iyi görselleştirmek için, bir boyutu yuvarlayarak 3B uzayı sıkıştırdığımız örneğe geri dönelim. Her bir tavan noktasının, tavandaki bir noktanın hemen altındaki zemindeki bir noktayla eşlendiği sonsuz bir odayla başlayalım. Ama şimdi yerde her yöne sonsuza kadar uzanan bir halı var. Halı bir D-brane. Dikey olarak yükselen bir halı zarı hayal edin. Binbir Gece Masallarındaki sihirli bir halı gibi yavaşça yerden kalkar, tavana değene kadar yükselmeye ve yükselmeye devam eder. Ve o anda: "Abra-mop-kadabra!" - ve halı anında yerde belirir.

Şimdiye kadar, gravitonlar halı zarına bağlı değildi, ancak artık çok uzağa uçamıyorlar: ekstra boyutta hareket etmeleri için çok az yer kaldı. Ekstra boyut mikroskobik olarak küçükse, gravitonun zarın üzerinde mi yoksa yakınlarda bir yerde mi olduğunu belirlemek çok zordur. Sonuç olarak, yerçekimi kuvvetleri, gravitonların zarı hiç terk etmediği durumdan pratik olarak ayırt edilemez olacaktır. Ve tabii ki, zarı daha yüksek boyutlu bir uzayda bir D3-zar ile değiştirirsek, temelde yeni hiçbir şey bulunmayacaktır. Sicim teorisinin dokuz boyutlu uzayındaki bir D3-zarı, fazladan altı boyut sıkıştırılmış olsaydı, bizim dünyamıza çok benzer olurdu.

Pek çok sicim teorisyeni, gerçekten de uzayda yüzen ve fazladan altı boyuta sahip bir zar dünyasında yaşadığımıza inanıyor. Ve belki de yakın çevrede önemsiz bir mesafede yüzen ama bizim göremediğimiz başka zarlar da vardır, çünkü bizim zarımızda yayılan fotonlar oradan ayrılıp komşu zara giremezler ve aynı şekilde komşu zarda yayılan fotonlar Bizimkine gelme. Komşu zarların görünmez olması, tespit edilemeyecekleri anlamına gelmez. Kapalı sicimler olan gravitonlar, zarlar arasındaki boşluğu doldurabilir. Kendilerini, çekimsel çekimi Evrenimizdeki galaksilerdeki yıldızları tutan aynı karanlık maddenin etkisi şeklinde göstermiyorlar mı? Polchinski'nin D-zarları bize her türlü yeni boyutun kapılarını açıyor. Bizim açımızdan, yan yana barış içinde bir arada var olan birçok zardan oluşan Evren, Manzara için olası seçeneklerden sadece bir tanesidir. İnanılmaz derecede karmaşık Calabi uzayları - Yau, yüzlerce modül, dünya zarları, akışlar (onlardan daha sonra bahsedeceğiz) - evren, yalnızca Rube Goldberg'in annesinin isteyeceği bir dünya gibi görünmeye başlar. Ünlü deneysel fizikçi Isidor Isaac Rabi'nin şu sözünü yeniden yorumlamak istiyorum: "Peki, bütün bunları kim emretti?" [89]

Bununla birlikte, bir Rube makinesinin içerebileceği tüm karmaşık mekanizmaları henüz tüketmedik. İşte bir tane daha: zarlar sıkıştırılmış bir alanda yüzebilmelerinin yanı sıra sıkıştırılmış boyutlardan birinin etrafına da sarılabilirler. En basit örnek, sonsuz bir silindirin etrafına sarılmış bir D1 zarıdır. Bir D1 zarının ipin yerini alması dışında, bir silindirin etrafına sarılmış bir ip gibi görünecektir. Çok uzak bir mesafeden böyle bir nesne, tek boyutlu bir çizgi üzerinde bir nokta parçacık gibi görünecektir. Veya sıkıştırılmış uzayın sıradan bir 2-küre olduğunu varsayalım. Humpty Dumpty'nin etrafındaki bir kemer gibi kürenin ekvatorunun etrafına bir ip veya bir D1-zarı sarmayı deneyebiliriz. Ancak kemer küresel Humpty'den kayabilir. Bir kürenin etrafına sarılmış bir ip veya D1 zarı kararsızdır, üzerinde uzun süre kalmaz. Sidney Coleman'ın mecazi ifadesiyle: "Basketbolu kementleyemezsin."

Şimdi çörek yüzeyi olan torusa geçelim. Bir D1-zarını, sabit kalması için bir torusun etrafına sarmak mümkün müdür? Evet ve tek yol değil. Bir simidi "kuşatmanın" iki yolu vardır. Bunlardan biri, kayışı delikten geçirmektir. Kendiniz deneyin: bir simit alın, bir kemer geçirin... veya delikten bir kravat geçirin ve bağlayın. Artık kayamıyor. Torusu bağlamanın ikinci bir yolunu düşünebilir misin?

Simidin topolojisi belirleyici faktör olarak ortaya çıkıyor. Topoloji, küreleri tori veya daha karmaşık uzaylardan ayıran bir matematik dalıdır. Simit kavramının ilginç bir uzantısı, iki delikli bir yüzeydir. Bir parça kil alın ve ondan bir top yapın. Bir kürenin yüzeyi bir küredir. Şimdi bu topa bir açık delik açın: yüzeyi simit olan bir simit elde edersiniz. Topakta başka bir delik açın. Yüzeyi bir torusun genelleştirilmesi olan bir figür elde edeceksiniz. Yeni bir figür üç farklı şekilde kuşaklanabilir. Matematikçiler küreye 0 cinsinin yüzeyi, torusa cins 1 yüzeyi ve iki delikli torusa cins 2 yüzeyi adını verirler. Açıkçası, çok sayıda delik açarak herhangi bir tür yüzey elde edebilirsiniz. Bir yüzeyin cinsi ne kadar yüksekse, bir zar o kadar çok şekilde etrafına sarılabilir.

Sicim kuramının üzerinde çalıştığı dokuz boyuttan altısı, kompaktlaştırmayla gizlenmiştir. Altı boyutlu uzay, iki boyutlu uzaydan çok daha karmaşıktır. Donutların yüksek boyutlu versiyonları, yalnızca D1-brane'leri değil, aynı zamanda D2, D3, D4, D5 ve D6-brane'leri de yüzlerce farklı şekilde sarmanıza olanak tanır.

Şimdiye kadar tek bir zar üzerinde ameliyat yaptık. Ama aslında, bütün bir zar yığınını alabiliriz. Sonsuz odadaki halıya geri dönelim. İçine iki halıyı üst üste koymaktan bizi alıkoyan nedir? Bir İran çarşısında olduğu gibi birçok halıyı üst üste koyabilirsiniz. Ve tıpkı halıların birbirinin üzerinde serbestçe yüzebilmesi gibi, bir D-zar yığını bağımsız serbest yüzen zarlara bölünebilir. Ancak zarlar daha çok yapışkan halılara benzer; onları bir araya getirdiğinizde, bir Rube Goldberg makinesi oluşturmak için size pek çok seçenek sunan bileşik bir zar oluşturmak üzere birbirine yapışırlar. Örneğin, çok çeşitli özelliklere sahip dünyalar inşa etmek için alan bırakan, zeminden farklı mesafelerde birkaç halı yığını düzenleyebilirsiniz. İkili ve üçlü yapıştırılmış beş halı yardımıyla, Standart Model'e çok benzeyen Fizik Kanunları ile bir dünya kurabileceğiniz ortaya çıktı!

Zarların sıkıştırılmış uzayda düzenlenme şekli, evren için çeşitli tasarım seçeneklerini hesaplarken modül eklemek için yeni bir serbest parametredir. Sıkıştırılmış boyutların boyutunun önemsiz olduğu mesafelerde, zarlar Manzarayı tanımlayan ek skaler alanlar olarak görünür.

 Canlı Yayınlar
 

Akarsular Peyzajın en önemli bileşenlerinden biri olarak ortaya çıkmıştır. Onlar, her şeyden çok, manzarayı inanılmaz derecede büyük kılıyorlar. Akışlar, zarlardan biraz daha soyut ve hayal edilmesi zor varlıklardır. Sicim teorisinde çok büyük bir rol oynarlar, ancak özünde çok basittirler. "Uzaktan" başka tür bir skaler alan gibi görünürler. Akışların en ünlü örnekleri, Faraday ve Maxwell'in elektrik ve manyetik alanlarıdır. Faraday bir matematikçi değildi ama görselleştirme konusunda harika bir yeteneği vardı. Deney düzeneklerinde kelimenin tam anlamıyla elektromanyetik alanlar gördü. Faraday'ın dünya resminde manyetik alan, mıknatısın kuzey kutbundan güneye doğru akan çizgiler şeklinde sunuldu. Uzayın her noktasında, kuvvet çizgileri olarak da adlandırılan bu çizgiler, manyetik alanın yönünü gösterir ve çizgilerin yoğunluğu (birbirlerine ne kadar yakın oldukları) alanın gücünü belirler.

Faraday ayrıca elektrik alanlarını da aynı şekilde hayal etti: pozitif yüklerden çıkan ve negatif olanlara giren çizgiler şeklinde. İzole edilmiş bir pozitif yükü çevreleyen ve ondan her yönden çıkan ve sonsuza giden çizgilerle hayali bir küre hayal edin. Tüm kuvvet çizgileri kaçınılmaz olarak yükü çevreleyen küreyle kesişmelidir. İşte bir yüzeyden akan basit bir alan örneği.

Faraday, bu akışın ölçüsünün yüzeyden geçen kuvvet çizgilerinin sayısı olduğunu düşündü. Matematiksel analizi bilseydi, akışı yüzey üzerindeki alan kuvvetinin büyüklüğünün bir integrali olarak tarif ederdi, ancak kuvvet çizgilerinin sayısı fikri, Faraday'ın sahip olabileceğinden bile daha başarılı oldu. hayal Bir yüzeyden geçen akış, kuantum mekaniğinin bize kuantumlaştırıldığını söylediği şeylerden biridir . Bir akı kuantumu, bir fotonla aynı şekilde daha küçük parçalara bölünemez. Akış sürekli değişemeyeceği için, onu sonlu sayıda çizgi olarak göstermek, yüzey integrali olarak göstermekten daha doğrudur.

Genellikle elektrik ve manyetik alanlar üç boyutlu uzayda vektörler olarak temsil edilir, ancak bu alanları altı ek kıvrımlı boyutta akışlar olarak temsil etmek de mümkündür. Altı boyutlu uzayda akışın matematiksel açıklaması çok zor olsa da, onu yine de Calabi-Yau uzayında girift şekillerde sarılmış ve yüksek deliklerden geçen bir dizi kuvvet çizgisi veya kuvvet alanı olarak düşünebilirsiniz. boyutlu çörekler.

Calabi-Yau uzayındaki akışların davranışının daha derin bir şekilde anlaşılması, modern geometri ve topolojinin iyi bir şekilde anlaşılmasını gerektirir, ancak en önemli sonuçlar oldukça basittir. Manyetik ve elektrik alanlarda olduğu gibi, çok boyutlu halka deliklerden akan akımlar kuantize edilir. Her zaman bazı temel akışların ve bir tamsayının ürünüdürler. Bu, akışı tam olarak belirtmek için yalnızca her bir delikten akışın kaç temel biriminin geçtiğini söyleyen bir tamsayılar kümesi belirtmenin gerekli olduğu anlamına gelir.

Calabi-Yau uzayındaki akışı tanımlamak için kaç sayı gerekir? Bu boşlukta kaç delik olduğuna bağlıdır. Calabi-Yau uzayı, basit bir simitten çok daha karmaşıktır ve tipik olarak birkaç yüz delik içerir. Akış açıklamasındaki her delik bir tamsayıya karşılık gelir. Akışı tanımlayan bu birkaç yüz tamsayı, Arazideki bir noktanın konumunun genel bir açıklamasının parçasıdır.

 konifold tekillikler
 

Dolayısıyla, kompakt bir uzayın boyutunu ve şeklini tanımlayan tipik sayı dizimiz, zarların göreli konumunu tanımlayan birkaç yüz modül ve akışları tanımlayan birkaç yüz sayı daha içerir. Rube Goldberg makinemize başka neler eklenebilir?

Aslında pek çok şey ama bu kitabı devasa boyutlara şişirmemek için sadece konifold tekilliğinden bahsedeceğim . Futbol topunun yüzeyi bir küredir. Malzemenin dokusunu ve ek yerlerini göz ardı ederseniz, bu küreyi pürüzsüz olarak kabul edebilirsiniz. Öte yandan, bir Amerikan futbolunun yüzeyi, konik bir tepede toplandığı uçlar dışında her yerde pürüzsüzdür. Pürüzsüz bir yüzeyde sonsuz keskin çıkıntıya tekillik denir . Bir Amerikan futbol topunda, topun uçlarının bir koniye dönüşmesi, böyle bir tekilliğe bir örnek sağlar. Bu tür tekilliğe konik tekillik denir .

Yüksek boyutlu uzaylardaki tekillikler - uzayın pürüzsüz olmayı bıraktığı yerler - daha karmaşıktır. Daha karmaşık bir topolojiye sahipler. Conifolds, Calabi-Yau uzayında var olabilecek böyle bir tekilliktir. Adından da anlaşılacağı gibi koninin tepesine benziyor.

Tanıtım amaçlı olarak, konifoldları yüzeydeki sivri konik çıkıntılar olarak düşünmeniz yeterlidir.

En ilginç sonuçlar, aynı Calabi-Yau uzayında konifoldlar ve akışların birleştirilmesiyle elde edilir. Yüzeyin herhangi bir homojensizliğine etki eden akış, onu bir karıncayiyenin burnu gibi gösterecek şekilde germeye eğilimlidir. Bu tür pek çok homojensizlik varsa, o zaman akışların etkisi altında, tüm Calabi-Yau uzayı kısa sürede konifold tekilliklerle kaplanacak ve altı boyutlu bir deniz kestanesi gibi olacaktır.

Artık Rube Goldberg'in yeterince detayı var. Ne kadar çılgın bir araba yapabilir? Bir çok seçenek var ama bunlardan birini tarif etmek istiyorum, adı verilen KKLT tasarımı . [90] K, K, L ve T, Calabi-Yau uzayından başladı. Calabi-Yau uzayında başlamanın milyonlarca farklı yolu var. Bu yöntemlerden hangisini seçtiğinizin bir önemi yoktur. Bu uzayda bir yerde, bir karıncayiyenin burnuna benzeyen, kozalaklı bir tekillik var. Daha sonra CCLT'ler olası tüm delikleri akışlarla doldurdu: her delik için bir tamsayı akış. Bu, yaklaşık 500 farklı parametre belirledikleri anlamına geliyordu: modüller ve iş parçacıkları. Sonuç, Arazide bir vadidir, ancak daha önce bahsettiğimiz gibi değil. Ölüm Vadisi ortaya çıktı - ama sıcak olduğu için değil, "deniz seviyesinin" altında olduğu ortaya çıktığı için. Yüksekliğinin negatif olduğu ortaya çıktı, bu da vakum enerjisinin ve sonuç olarak kozmolojik sabitin negatif olduğu anlamına geliyordu - Evrenimiz için kötü bir işaret. Negatif bir kozmolojik sabit, evreni genişletmek yerine büzülmesine, hem de çok hızlı bir büzülmeye neden olacaktır.

Ancak CCLT'nin Rube Goldberg makinesi için başka bir mekanizması daha vardı. İçine anti-branes eklediler. D-zarlar parçacıklar gibidir. Ve her parçacığın kendi antiparçacığı olduğu gibi, her zarın da kendi anti-zarı vardır. Ve tıpkı bir parçacığın karşı parçacığıyla karşılaştığında yok olması gibi, zarlar ve karşı zarlar da karşılaştıklarında yok olurlar ve muazzam miktarda enerji açığa çıkarırlar. Ancak CCLT, tasarımlarına yalnızca anti-zarlar koydu.

Anlaşıldığı üzere, anti-zar, onu konifold tekilliğinin tepesine doğru çeken bir kuvvetle karşılaşır ve eklenen bu anti-zarın kütlesi, vadi yüksekliğini pozitif yapmak için sisteme yeterli enerjiyi ekler. Böylece CCLT, her şeyden biraz karıştırarak yarattıkları manzaranın çok küçük bir pozitif kozmolojik sabite sahip olmasını sağlamayı başardı - gerçek Evrenimizi anımsatan türünün ilk yapısını elde ettiler.

Rube Goldberg CCLT Makinesi

Bununla birlikte, CCLT tarafından keşfedilen vadinin önemi, kendi evrenimize benzemesi değildir. Parçacık fiziğinin Standart Modelinden yoksundur ve orijinal haliyle şişmeyi tanımlamak için gerekli bileşenleri içermez. Önemi, süpersimetrik ovalardan uzaklaşmak ve "deniz seviyesinden yüksek" bir vadi bulmak için ilk başarılı girişim olması gerçeğinde yatmaktadır. Sicim teorisi manzarasının küçük bir pozitif kozmolojik sabite sahip vadiler içerebileceğine dair kanıt sağladı.

KKLT'nin tasarımı, karmaşıklığı açısından Rube Goldberg makinesine benziyor, ancak Rube'nin kendisine asla izin vermeyeceği bir özelliği var. Bileşenlerinden biri aynı anda iki görevi yerine getirir. Anti-zarlar sisteme ek enerji getirmekle ve kozmolojik sabiti pozitif yapmakla kalmaz, aynı zamanda çok önemli bir iş daha yaparlar. Dünyamız, içinde yaşadığımız dünya süpersimetrik değil. Fotonların kütlesiz fermiyon süpereşlerinden ve elektronların bozonik ikizlerinden yoksundur. Yazarlar, anti-zarları konifoldların boğazlarından aşağı itmeden önce, QKLT sistemi hala süpersimetrikti. Ancak anti-zar, süpersimetrik aynayı bükerek süpersimetri kırılmasına neden olur. Aynı parçayı iki farklı işlev için kullanmak Goldberg'e hiç uygun değil.

Manzaradaki bir KKLT noktası bizim dünyamız değildir. Ancak birkaç tane daha zar ekleyerek Standart Modeli içine inşa etmek o kadar da zor değil. Anti-brane'den uzağa yerleştirilmiş beş ek D-brane, makinemiz için gerekli işlevselliği sağlayacaktır.

 Busso ve Polchinski'nin Takdiri
 

CCLT sadece bir tane değil, oldukça geniş bir vadi seti buldu. Polchinski ve genç bir Stanford yüksek lisans öğrencisi olan Rafael Busso, çoğu fizikçi tarafından göz ardı edilen bir makalede ana fikri ortaya koymuştu. Sıkıştırmanın nasıl çok sayıda boşluğa yol açabileceğini anlamak için Busso ve Polchinski, olası Calabi-Yau geometrilerinden birine odaklandı ve şu soruyu sordu: "Yüzlerce çörek deliğini akışlarla doldurmanın kaç farklı yolu vardır?"

Bir Calabi-Yau manifoldunun, içinden akışların geçebileceği 500 halka delik içerecek kadar karmaşık bir topolojiye sahip olduğunu varsayalım. Her delikten akan akı bir tamsayı olarak ifade edilir. Bu nedenle, bu akışları tanımlamak için 500 tamsayıya ihtiyacımız var.

Teorik olarak, bu sayıların büyüklüğü üzerinde herhangi bir sınır yoktur, ancak pratikte her bir delikten akan çok büyük akışların olmaması istenir. Çok büyük akışlar, çeşitliliği genişletme eğiliminde olacağından istenmeyen sonuçlara yol açacaktır. O halde bazı kısıtlamalar getirelim. Her akış 9'u geçmeyen bir sayı olarak ifade edilsin. O zaman herhangi bir akışın değeri 0'dan 9'a kadar bir tamsayı olacaktır. Kaç seçenek elde edeceğiz?

Calabi-Yau manifoldunun parçası

Basit bir örnekle başlayalım. Beş yüz yerine sadece bir deliğimiz olduğunu varsayalım. Bu delikten akan akış miktarı 0 ile 9 arasında değerler alabilirse, o zaman sadece on seçenek elde ederiz: 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 ve 9. bu seçeneklerden her birinin kendi vakumunu belirlemesidir - kendi bireysel doğa kanunlarına ve kendi vakum enerjisine sahip bir ortam. Ve on farklı vakum, 20. yüzyılın kuantum alan teorisi açısından çok fazla olsa da, vakum enerji değerindeki virgülden sonraki 119 sıfırı açıklama açısından son derece küçüktür. Öyleyse devam edelim.

Şimdi, her biri 0 ila 9 arasında bir akış değerine sahip olabilen iki deliğimiz olduğunu varsayalım. Farklı seçeneklerin sayısı 10 2 veya 100'e yükselecek. Bu zaten daha iyi, ancak yine de oldukça mütevazı. Ancak, her yeni delik eklediğimizde, olası seçeneklerin sayısının on kat arttığını unutmayın. Altı delik bize bir milyon seçenek verecek, on iki delik bir trilyon. 500 delikli bir manifold çok sayıda olası konfigürasyona sahip olacaktır: 10.500 . Ayrıca, bu akıl almaz listedeki her vadinin kendi vakum enerjisi olacaktır ve hiçbir vadi birbirine benzemeyecektir.

Kozmolojik sabitin tüm olası değerlerini grafiksel olarak gösterelim. Bir kağıt alın ve yatay bir çizgi çizin. Bu satırın ortasına "0" etiketini ve sağ uca "1" etiketini koyun. "1" noktası, 1 Birime eşit vakum enerjisini gösterecektir. Sonra bu düz çizgiye eşit olarak 10.500 işaret daha uygulayın ... Çok keskin bir kalemle bile, sürekli bir şerit halinde birleşerek üst üste binmeye başlamadan önce 1000'den fazla işaret yapamazsınız.

Belki de daha fazla kağıt almak daha iyi olur. Ancak Empire State Binası büyüklüğünde bir kağıt bile birkaç milyon marktan fazlasını yapmanıza izin vermez. Bir galaksi büyüklüğünde bir kağıt alarak, yaklaşık 10 24 işaret yapabilirsiniz. Bu sayıların hiçbiri 10.500'e yakın bile değil . Bitişik işaretler arasındaki mesafe Planck uzunluğu mertebesinde olsa ve bir kağıt yaprağı bilinen Evrenin boyutunda olsa bile, üzerine en fazla 10 60 işaret yerleştirebileceksiniz. 10.500 sayısı o kadar büyük ki, onu grafiksel olarak temsil etmenin bir yolunu hayal edemiyorum.

Kesirli ve irrasyonel sayılar da dahil olmak üzere, belirli bir aralıktaki olası tüm sayıların kümesine süreklilik denir . Ancak hattımızdaki etiketler bir süreklilik oluşturmaz: yoğunlukları hayal edilemeyecek kadar yüksek olsa da ayrık etiketler olarak kalırlar. Sicim teorisyenleri Busso ve Polchinski, böylesine inanılmaz derecede büyük ve yoğun bir değerler kümesini tanımlamak için , pratikte onu bir süreklilikten ayırt etmenin zor olduğu, ayrık bir kümeyi ifade eden ayrık kelimesini türettiler.

Ama en önemlisi, kozmolojik sabitin rastgele seçilen birçok değeri arasında, Weinberg tarafından hesaplanan küçücük "yaşam penceresine" düşen çok sayıda olacaktır. Bu nedenle, kozmolojik sabite ince ayar yapmaya gerek yoktur - yaşam penceresine düşen seçeneklerin sayısı, toplam seçenek sayısına kıyasla inanılmaz derecede küçük olsa da - yaklaşık 10.120'de 1 , bu sayı kendi içinde çok olacaktır. büyük - yaklaşık 10.380 .

Sicim teorisinin başlangıcından bu yana geçen yıllarda Peyzaj'ın inanılmaz büyümesi, çoğu sicim teorisyeni için sürekli bir baş ağrısı oldu. Peyzajın yalnızca bir noktadan, ya da en kötü ihtimalle, bir elin parmaklarında sayılabilecek nokta sayısından oluştuğu o uzak ve mutlu günlerde, teorisyenler, o dönemde bilinen birçok teorinin aslında birer teori olduğunu keşfetmekten büyük mutluluk duyuyorlardı. gerçekten sadece aynı teoriye farklı çözümler. Ancak Peyzaj endişe verici bir hızla büyümeye başladığında, teorisyenler dehşete kapıldı. Hayal edilemeyecek kadar büyük bir manzara, çok sayıda farklı çözüm olduğu anlamına gelir. Ama umarım bir süre sonra aynı teorisyenler Peyzaj'ı teorilerinin tek, en önemli ve zorlayıcı özelliği olarak algılamaya başlarlar. Biri şöyle sorabilir: “Çözülemeyen bir sorunu başka bir sorunla mı değiştiriyoruz? Artık kendimize kozmolojik sabitin neden bu kadar ince ayarlı olduğunu sormamıza gerek yok. Belki de manzara o kadar çeşitlidir ki aradığımız her şeyi bulabiliriz. Ancak hangi fiziksel ilke, 10.500 diğer vadi arasından bizim yaşanabilir vadimizin seçilmesini sağlıyor ? Bir sonraki bölümde ulaşacağımız cevap, ilke olmadığı ve sorunun kendisinin yanlış olduğudur.

Bölüm 11
 

Bir teorinin fizik kanunları için çok sayıda olasılık doğurduğunu iddia etmek bir şey, doğanın aslında tüm bu olasılıkları kullandığını iddia etmek başka bir şeydir. Pek çok olası koşuldan hangisi gerçekte gerçek dünyalar biçiminde gerçekleşir? Fizik denklemlerinin çözümleri arasında, saf altından yapılmış devasa "yıldızların" etrafında dönen paslanmaz çelikten devasa küresel yapıları tanımlayanlar vardır. Daha doğrusu: teorik olarak bu tür çözümler var. Fakat evrende böyle nesneler var mı? Muhtemelen hayır ve bunun nedenleri evrenin gelişim tarihinde yatmaktadır. Evrenin gelişim mekanizmasında, Büyük Patlama'nın kozmolojisinde, bu tür nesnelerin nasıl ortaya çıkabileceğini açıklamamıza izin verecek hiçbir şey yoktur. Matematiksel varoluş, fiziksel varoluşla özdeş değildir. Peyzajın karşılık gelen parçalarının nasıl var olabileceğini anlamazsak , sicim kuramıyla 10.500 olası çözümün keşfi, dünyamız hakkında bize hiçbir şey açıklamaz.

, Peyzajın birçok noktasından birini, yani Evrenimize karşılık gelen noktayı seçmenize izin veren bir tür vakum seçim ilkesi olması gerektiğinden emindir. Böyle bir ilke, eğer varsa, matematiksel olmalıdır - belki de olası çözümlerden yalnızca birinin matematiksel olarak tutarlı olduğunun bir kanıtı olmalıdır. Ancak ne olursa olsun, sicim teorisinin matematiği diğer yöne gidiyor - giderek daha fazla benzersiz olmayana doğru. Vakum seçimi ilkesinin kozmolojik olması gerektiği fikrini duydum: Evrenin doğuşu yalnızca bir şekilde mümkündür ve bu, benzersiz bir dizi fiziksel sabite yol açar. Bununla birlikte, vakum seçim ilkesi Loch Ness canavarına benzer - herkes onun var olduğunu iddia eder, ancak onu hiç kimse görmemiştir. Çoğumuz bu ilkenin hiç var olmadığından şüphelenmeye başlarız. Böyle bir mekanizma var olsa bile, işleyişi sonucunda Fizik Yasalarının varlığımız için gerekli olan inanılmaz hassasiyetle ayarlanmış olma olasılığı yine de önemsiz kalacaktır. Şahsen, vakumlu bir seçim ilkesinin varlığının gerçek bir felaket olacağını düşünüyorum.

Alternatif nedir? Cevap, doğanın bir şekilde tüm olasılıkları kullanması gerçeğinde yatabilir. Megaevreni tüm olası koşullarla "doldurmayı" mümkün kılan, onları matematiksel olasılıklardan fiziksel gerçekliklere dönüştüren herhangi bir doğal mekanizma var mı? Ben dahil çoğu fizikçi böyle bir mekanizmanın var olduğuna inanıyor. Ben buna nüfuslu manzara diyorum . [91]

Bu bölümde, nüfuslu peyzajın ana fikrinden bahsedeceğim: Peyzajın tüm olası vadilerini temsil eden çok büyük ve hatta sonsuz sayıda cep evrenine yol açan, iyi test edilmiş fiziksel ilkelere dayanan mekanizmalar.

Nüfuslu manzaranın altında yatan mekanizmalar, yalnızca genel görelilik ilkelerine ve kuantum mekaniğinin genel kabul görmüş ilkelerine dayanmaktadır. Bir peyzajın nasıl yerleşime dönüştüğünü anlamak için iki temel fiziksel kavramı dikkate almalıyız. Birincisi , vakumun metastabilitesidir . Bir boşluğun özelliklerinin "savaş ilanı olmaksızın" önemsiz bir etkiden aniden değişebileceği gerçeğini yansıtıyor. İkinci kavram, uzayın kendisini klonlamasıdır .

Stabilite ve metastabilite
 

Fizikçi Felix Hoenikker, Kurt Vonnegut'un karanlık bilimkurgu hicvi Kedinin Beşiği'nde buz dokuz adlı yeni bir kristal su modifikasyonu keşfeder. Ice-nine'ın kristal yapısı sıradan buzdan biraz farklıdır. Atomları istiflemenin yeni bir yolunu temsil ederek, buz-dokuzun yalnızca +45.8 ° C sıcaklıkta eridiği kadar kararlı bir kristal kafes oluşturur. Vonnegut'un romanında, Dünya'daki tüm suyun şimdiye kadar normal kalmasının nedeni, yeni bir kristalin küçücük çekirdeğinin, su moleküllerine kendilerini daha kararlı buz-dokuz kafesinde bir araya getirmeleri için "öğretilmesi" gerekmesidir. Buz dokuzun böylesine küçük bir kristal öğretmeni, herhangi bir su kütlesine düşerek, şu ya da bu şekilde dünyanın sularıyla iletişim kurarak, hızla buz dokuza dönüşmesine ve dolayısıyla Dünya'daki yaşamın ölümüne yol açabilir. Hoenikker'den önce hiç kimse bir buz dokuz kristali yaratmamıştı, bu nedenle Dünya'nın tüm suyu şimdiye kadar sıradan buzun ölümcül kuzeni tarafından "kirlenmemiş" kaldı.

Ancak, Hoenikker tarafından icat edilen bir buz parçası, cüce ada ülkesi San Lorenzo'nun diktatörü Papa Monzano'nun eline düşene kadar öyle kaldı. Papa Monzano, bir parça ice-dokuz yalayarak intihar eder ve sistemindeki tüm suyu istikrarsızlaştırır. Saniyeden çok daha kısa bir sürede ölümcül buz dokuza dönüşür ve tüm vücudu anında donar. Monzano kalesi üzerine düşen bir uçak sonucu çöktüğünde, diktatörün bedeni denize atılır ve zincirleme bir reaksiyonla Dünya'daki tüm sular buz dokuza dönüşür.

Tabii ki, buz dokuz bir kurgu. 0 °C'nin üzerinde katı kalan suda herhangi bir değişiklik olmaz. "Cat's Cradle", nükleer silahlarla dolu bir dünyanın çılgınlığı ve istikrarsızlığı hakkında öğretici bir alegorik hikaye. Ancak, fantastik olay örgüsüne rağmen, ice-nine'ın hikayesi ciddi fiziksel ve kimyasal ilkelere, özellikle metastabilite kavramına dayanmaktadır .

İstikrar, rastgele dış etkilere karşı belirli bir derecede direnç anlamına gelir. Dikey olarak aşağı sarkan bir sarkaç çok kararlıdır. Buna karşılık, bir nokta üzerinde duran bir kalem son derece dengesizdir ve öngörülemeyen bir yönde düşebilir. Metastabilite, bu iki uç nokta arasında bir yerde bulunur.

Bazı sistemler, uzun süre kararlı bir durumu koruma gibi dikkate değer bir özelliğe sahiptir ve sonra aniden, görünürde bir sebep olmaksızın yıkıcı değişikliklere uğrar. Bu tür sistemlere yarı kararlı denir.

Gerçek dünyada, oda sıcaklığında kapalı bir kaptaki su kararlıdır. Ancak Felix Hoenikker ve Papa Monzano'nun kurgusal dünyasında yarı kararlıdır. Gerçek su da yarı kararlı olabilir, ancak oda sıcaklığında olamaz. Şaşırtıcı bir şekilde, su yavaşça donma noktasının altına soğutulursa veya kaynama noktasının üzerine ısıtılırsa, kazara bir dış etki suyun anında donmasına veya kaynamasına neden olana kadar oldukça uzun bir süre sıvı kalabilir. Garip bir şekilde, sicim teorisindeki boşluk genellikle yarı kararlıdır. Bununla birlikte, yarı kararlı suya veya yarı kararlı boş uzaya dalmadan önce, yarı kararlılıkla ilgili basit bir örnek daha vermek istiyorum.

Bazı olaylar imkansızın düzleminde yer alır. Ne kadar beklersen bekle, asla olmayacaklar. Diğer olaylar pek olası değildir, ancak yeterince uzun süre beklerseniz, sonunda gerçekleşir. Aşağıdaki örnek, klasik fizik açısından imkansız olan bir olguyu göstermektedir. Tek boyutlu bir manzara üzerinde yuvarlanan küçük bir top hayal edin. Yani yuvarlanmaz, iki yüksek dağın arasındaki vadinin aşağı kısmında yer alır. Dağın diğer tarafında başka bir vadi var ama top ona vuramıyor. Dağı aşmak ve başka bir vadinin dibine ulaşmak için topun, vadinin dibi ile dağın tepesi arasındaki yükseklik farkına karşılık gelen potansiyel enerjiyi telafi edecek yeterli kinetik enerjiye sahip olması gerekir. Top vadinin dibinde duruyorsa, dağın eteğine tırmanmak için bile enerjisi yoktur. Topu fazladan itmeden başka bir vadiye gitmek sadece olası değil, aynı zamanda tamamen imkansız. Bu, mükemmel kararlılığın bir örneğidir.

Ama şimdi sistemimize biraz ısı ekleyelim. Vadideki hava sıcaksa, top sürekli olarak düzensiz hareket eden hava molekülleri ile bombalanacaktır - tabiri caizse küçük bir termal titreme olacaktır. Sabırlı olursak ve yeterince uzun süre beklersek, o zaman bir gün olağanüstü derecede enerjik birkaç molekül, topa dağın üzerinden komşu vadiye yuvarlanması için yeterli momentumu verebilecek. Böyle rastgele bir olayın bir saat içinde meydana gelme olasılığı son derece düşüktür. Ancak olasılık ne kadar küçük olursa olsun sıfıra eşit değildir, bu da topun er ya da geç komşu vadide olacağı anlamına gelir.

Fakat bekle! Kuantum titremesini unuttuk. Sisteme ilave ısı eklenmese bile -mutlak sıfırda bile- top, kuantum titreşiminden dolayı küçük dalgalanmalar yaşar. Termal enerjinin yokluğunda bile, kuantum dalgalanmalarının sonunda topa dağın üzerinden yuvarlanmasına yetecek kadar sert "tekme atacağı" ortaya çıktı. Bir vadideki kuantum mekaniksel bir top, kesinlikle kararlı bir sistem değildir: Dağın diğer tarafında son bulma ihtimali çok düşüktür. Fizikçiler bu garip, öngörülemeyen kuantum davranışını "kuantum sıçraması" veya tünelleme olarak adlandırıyorlar . Kuantum tünelleme, genellikle, bir odaya kapatılmış maymunların daktiloların tuşlarına rastgele basarak bir Shakespeare oyunu yazma olasılığına benzer, oldukça olasılık dışı bir olaydır.

Gerçekten kararlı olmayan, ancak çok uzun süre kararlı durumda kalabilen bu tür sistemlere yarı kararlı denir . Fizik ve kimyada yarı kararlı sistemlerin pek çok örneği vardır: bu tür sistemler kararlı görünürler, ancak sonunda, tünellemenin bir sonucu olarak, konfigürasyonlarını aniden değiştirebilirler. Vonnegut'un yergisinde, oda sıcaklığındaki sıradan su benzer bir metastabil sistemdir. Er ya da geç, içinde bir buz-dokuz kristalinin küçük bir tohumu oluşacak - sadece moleküllerin rastgele hareketi yoluyla bile - ve ardından metastabil sıvı suyu daha kararlı buz-dokuz halinde yeniden düzenleyen bir zincirleme reaksiyon başlayacak. Birazdan göreceğimiz gibi, en sıradan su ve buzun bile oluşturduğu yarı kararlı durumların gerçek örnekleri vardır. Ancak bizim için en önemli şey, vakumun da yarı kararlı olabilmesidir. Uzay baloncukları, sıradan uzayın özelliklerinden farklı garip özelliklerle içinde oluşabilir ve büyüyebilir. Kendiliğinden yükselen ve genişleyen bu kabarcıklar, tıpkı buz dokuzun Dünya'daki tüm suyu bozduğu gibi, uzayı "bozar". Bu, manzaranın nasıl kalabalıklaştığını ve evrenin nasıl çeşitlendiğini açıklıyor.

Gerçek bir buz felaketi
 

Su 0 santigrat derecede donar. Ancak çok saf suyu sıvı halde kalması için daha düşük bir sıcaklığa soğutmak mümkündür ancak bu çok yavaş ve dikkatli yapılmalıdır. Sıfır donma noktasının altındaki bir sıcaklıktaki sıvı suya aşırı soğutulmuş denir .

Aşırı soğutulmuş su, 0 °C'nin altındaki sıcaklıklarda çok uzun süre sıvı halde kalabilir. Ancak küçük bir sıradan buz parçasının böyle bir suya düştüğünü hayal edin. Bu, suyun aniden etrafında kristalleşmesine ve hızla büyüyen bir buz parçası oluşturmasına neden olacaktır. Tıpkı buz dokuzun dünyayı yok etmesi gibi, bir parça gerçek buz da tüm aşırı soğutulmuş suyu hızla buza çevirecektir.

Bir buz kristalini aşırı soğutulmuş suya koymak, bir dağın tepesinde küçük bir delikte duran ve hafifçe itilen bir topa benzer. Bu olay topu deliğin kenarına doğru iter. Top söz konusu olduğunda, bu itme topu delikten dışarı yuvarlayacak kadar güçlü olmalıdır. Çok zayıf bir itme hedefe ulaşmayacaktır: top basitçe orijinal konumuna geri dönecektir. Aynı şey aşırı soğutulmuş su için de geçerlidir. Bir buz kristali belirli bir kritik boyuttan daha küçükse, onu çevreleyen sıvının aşırı soğutulmuş olmasına rağmen basitçe eriyecektir. Örneğin, birkaç molekül büyüklüğündeki bir buz kristali, donma zincirleme reaksiyonuna neden olamaz.

Bununla birlikte, aşırı soğutulmuş suya bir parça buz eklemeden bile, sıvı hali sonsuza kadar sürmeyecek. Bunun nedeni, su moleküllerinin sürekli titreşmesi, birbirinden sekmesi ve yer değiştirmesidir. Bu hareket hem termal hem de kuantum titreşimden kaynaklanmaktadır. Zaman zaman, bir molekül grubu oldukça rastgele ve kendiliğinden küçük bir kristal halinde birleşir. Çoğunlukla, bu tür kristaller çok küçüktür ve çabuk bozulur.

Ancak çok, çok nadiren, dondurucu suyun zincirleme reaksiyonuna neden olacak kadar büyük kristaller oluşur. Bu fenomene kabarcık çekirdeklenmesi denir ve büyüyen buz kristali, balonun genişlemesi olarak düşünülebilir. Aşırı ısıtılmış suda, yani kaynama noktasının üzerinde ısıtılan sıvı suda çok benzer şeyler olur. Tek fark, bu durumda bir buz kristalinin değil, hızla büyümeye başlayan bir buhar kabarcığının ortaya çıkmasıdır.

Katı buz ile sıvı su (veya su ile buhar arasındaki) arasındaki sınıra alan duvarı denir . İki farklı fazı ayıran bir zar gibidir. [92] Bu duvar, kabarcığı sıkıştırma eğiliminde olan yüzey gerilimi gibi kendi özelliklerine sahiptir. Bir alan duvarının başka bir örneği, sıradan su ve hava arasındaki sınırdır. Çocukken, çelik bir iğnenin suyun yüzeyinde yüzdüğü deneyim beni şok ettiğini hatırlıyorum. Hava ve suyu ayıran alan sınırı, bir sıvıyı kaplayan deri gibidir. Örneğin, daha önce bahsedilen bir iğne deneyinde tespit edilebilen bir yüzey gerilimine sahiptir. Pozitif kozmolojik sabite sahip bir vakum, aşırı soğutulmuş veya aşırı ısıtılmış bir sıvıya güçlü bir şekilde benzer. Yarı kararlıdır ve kabarcık çekirdeklenmesi ile bozunabilir. Her boşluk, Peyzajda belirli bir yüksekliğe veya enerji yoğunluğuna sahip bir vadiye karşılık gelir. Ancak boşluk, kaba duyularımıza sakin ve pürüzsüz görünse de, kuantum dalgalanmaları sürekli olarak, uzayın özelliklerinin komşu vadilerdekiyle aynı olduğu küçük baloncuklar yaratıyor. Genellikle kabarcıklar hızla çöker ve kaybolur. Ancak komşu vadi bizimkinden "alçak" ise, er ya da geç büyümeye başlayacak kadar büyük bir balon olacaktır. Tüm alanımızı yutacak mı? Bunu yakın gelecekte öğreneceksiniz.

Balonu ortamdan ayıran alan duvarı, iki boyutlu zar benzeri bir yüzeydir. Ancak bu tam olarak daha önce karşılaştığımız zar değil. 10. Bölümde Polchinski'nin D-brane'lerini öğrendik. Çoğu durumda, etki alanı duvarları D2 zarlarından başka bir şey değildir.

 uzay klonlama
 

Cep evrenlerdeki kozmik baloncuklar ile aşırı soğutulmuş bir sıvıdaki buz kristalleri arasındaki analojide eksik olan bir şey var, o da uzayın genişleme eğilimi. Peyzajın her noktasının kendine özgü kozmolojik sabiti vardır. Kozmolojik sabitin pozitif değerinin, maddeyi farklı yönlere çekerek evrensel itmenin ortaya çıkmasına yol açtığını hatırlayın. Genel görelilikte modern bir uzman, uzayın kendisinin genişlediğini veya dedikleri gibi şiştiğini ve maddenin basitçe "onun üzerinde hareket ettiğini" söyleyebilir.

Einstein'ın kozmolojik sabiti denemeye yeni başladığı o günlerde, Hollandalı astronom Willem de Sitter genişleyen uzayı incelemeye çoktan başlamıştı. De Sitter tarafından keşfedilen (bugün onun adını taşıyan) uzay veya daha doğrusu uzay-zaman, Einstein'ın enerji veya yerçekimi maddesinin olmadığı, yalnızca boşlukta vakum enerjisi veya benzeri bir şeyin olduğu denklemlerinin bir çözümüdür. aynısı kozmolojik sabittir. Einstein gibi, de Sitter de kozmolojik sabitin pozitif olduğunu varsaydı. Yaptığı şey, uzayın zaman içinde katlanarak genişlemesi gerektiğiydi. Üstel genişleme, eğer uzayın boyutu belirli bir zaman diliminde iki katına çıkarsa, bir sonraki aynı zaman diliminde uzayın boyutunun ikiye katlanacağı, bir sonrakinde iki katına çıkacağı ve bu şekilde devam edeceği anlamına gelir. sonra dörtte, sekizde , on altı yaşında - yeniden yatırıma tabi olan banka sermayesinin büyümesiyle aynı süreç. %5 mevduat oranı ile yeniden yatırılan sermaye 14 yılda ikiye katlanacak. Kozmolojik sabit, denklemdeki banka ilgisinin rolünü oynar - kozmolojik sabit ne kadar büyük olursa, uzayın boyutu o kadar hızlı iki katına çıkar. Genişleyen herhangi bir uzay gibi, de Sitter uzayı da Hubble yasasını karşılar - uzaydaki bir noktanın diğerinden uzaklaşma hızı, noktalar arasındaki mesafeyle orantılı olarak artar.

Genişleyen evreni görselleştirmek için şişen bir balon benzetmesini kullandık. Ancak genişleyen bir de Sitter uzayı ile şişen bir balon arasında önemli bir fark vardır. Balon şişirildikçe, yapıldığı kauçuk giderek incelir. Nihayetinde, gücünün sınırına ulaştığında top patlar. Ancak de Sitter uzayının dokusu asla değişmez, sanki kauçuk moleküller sürekli çoğalıyormuş gibi - balon şişerken klonlanarak kauçuk kabuğun kalınlığı sabit tutuluyor.

Elbette gerçek kauçuk molekülleri bu şekilde davranmazlar ama uzay tam tersine genişleme sırasında boşalan boşluğu doldurmak için sürekli olarak yeni boşluk yaratır. Uzayın sürekli olarak kendini klonladığını söyleyebiliriz - uzayın her küçük hacmi yeni çocuk uzay hacimlerini doğurur ve bu süreç katlanarak gelişir.

Bir gözlemcinin de Sitter uzayında olduğunu ve genişleme sürecinde uzayla birlikte hareket ettiğini hayal edin. Etrafında ne görüyor? Görünüşe göre etrafındaki evrenin zamanla değişmesi dışında özel bir şey yok - gittikçe büyüyor. Şaşırtıcı bir şekilde, durum böyle değil. Gözlemci geriye baktığında, uzayın Hubble yasasına göre genişlediğini görecektir: yakın nesneler yavaşça, uzaktaki nesneler ise hızla uzaklaşır. Gözlemciden biraz uzakta, uzay zaten ışık hızında ondan uzaklaşacaktır. Ve daha da büyük bir mesafede, alan daha da büyük bir hızla kaldırılacaktır! Bu alanlardaki boşluk o kadar hızlı uzaklaşacak ki, bu alanlardan gelen ışık sinyalleri asla gözlemciye ulaşamayacak çünkü sinyal ışıktan daha hızlı hareket edemez. Sonuç olarak, bu uzak alanlarla herhangi bir temas imkansız olacaktır. Uzayda hala gözlemlenebilen en uzak noktalar kümesi, yani gözlemciden ışık hızıyla uzaklaşan noktalar, genellikle ufuk veya daha kesin olarak olay ufku olarak adlandırılır .

Kozmik olay ufku kavramı - gözlemlerimizin önünde aşılmaz bir engel veya geri dönüşü olmayan bir nokta - evrenin hızlanan genişlemesinin en büyüleyici çıkarımlarından biridir. Dünyanın ufku gibi, uzayın sonundan çok uzaktır. Bu sadece görebildiklerimizin sonu. Bir nesne ufku geçtiğinde, bize sonsuza dek veda eder. Bazı nesneler başlangıçta ufkun altında olabilir. Gözlemci onlar hakkında hiçbir bilgi elde edemez. Ancak bu tür nesneler, onları herhangi bir şekilde tespit etme yeteneğimizin kalıcı olarak dışındaysa, gerçekten varlar mı? Ufkun ötesindeki alanları bilimsel teoriye dahil etmek için herhangi bir gerekçe var mı? Bazı filozoflar, bu tür alemlerin bilimsel teoriye cehennem, araf ve cennet kavramlarından daha fazla anlam ifade etmeyen metafizik yapılar olduğunu iddia eder. Bunların varlığı, teorinin test edilemeyen ve dolayısıyla bilim dışı unsurlar içerdiğinin veya en azından filozofların iddia ettiğinin bir işaretidir.

Kozmolojik sabitin etkisiyle hızla genişleyen Evren'de, olay ufkuna olan mesafenin hiç değişmemesi ilginçtir. Kozmolojik sabitin değeri ile belirlenir - kozmolojik sabit ne kadar büyükse, ufka olan mesafe o kadar küçük olur. Gözlemci, bir olay ufku ile çevrili, sonlu yarıçaplı, değişmeyen bir dünyada yaşar, ancak tıpkı dünyanın ufkunun ona yaklaşmaya çalışanları gözden kaçırması gibi, de Sitter uzayının ufkuna da orada yaşayanlar erişemez. Onlardan her zaman aynı sonlu uzaklıkta, ama biri ona yaklaşmaya çalıştığında, orada hiçbir şey olmadığını görüyor! Bununla birlikte, de Sitter uzayının dışında olarak, ona tabiri caizse yandan bakarsak, tüm uzayın zamanla katlanarak genişlediğini görürdük.

Metastabil de Sitter uzayı
 

Yarı kararlı maddeler hakkındaki sohbete biraz farklı bir bakış açısıyla geri dönmek istiyorum. Düşündüğümüz maddenin şişirilmiş olduğunu varsayalım. Genişleyen yarı kararlı bir madde hayal etmek için, aşırı soğutulmuş sudan oluşan sonsuz sığ bir göl hayal edin. Uzayın klonlanmasını simüle etmek için, gölün dibine sürekli olarak daha fazla aşırı soğutulmuş su sağlayan borular yerleştireceğiz. Yeni bir sıvıya yer açmak için su sürekli olarak yatay yönde yayılır - herhangi iki su molekülü sürekli olarak birbirinden uzaklaşır ve tüm taban boyunca döşenen borulardan yeni moleküller aralarında boşalan boşluğa girer. Gölün yüzeyinde iki tekne varsa, onlar da tamamen temaslarını kaybedene kadar birbirlerinden sürekli uzaklaşacaklardır. Göl tam olarak bir de Sitter alanı gibi şişer.

Bu şişen aşırı soğutulmuş sıvıda, sürekli kendiliğinden kabarcık çekirdeklenmesi meydana gelecektir. Ortaya çıkan kabarcık veya bu durumda kristalleşmenin çekirdeği yeterince büyükse, büyümeye başlayacak ve genişleyen bir buz adasına dönüşecektir. Ancak yoğuşma çekirdekleri her yöne yayılan sıvı ile birlikte taşındığından, birbirlerinden o kadar hızlı uzaklaşacaklar ki asla birbirleriyle buluşamayacaklar. Oluşan buz adaları arasındaki su yüzeyi genişleyerek tüm gölün bir buz monolitine dönüşmesini engeller. Buz adalarının kendilerinin de sonsuza kadar büyümesine rağmen, adalar arasındaki su her zaman yükselir ve sıvı kalır. Bununla birlikte, su akışıyla yüzen herhangi bir gözlemci sonunda buzla çevrili olacaktır: yeterli bir süre sonra, gözlemcinin yakınında sürekli oluşan küçük buz kristalleri, sonunda gözlemciyi yutan buz oluşumuna yol açacaktır. Bu biraz paradoksal, ama doğru: gölümüzde her zaman sonsuz miktarda su olacak, ancak bu suyun keyfi olarak seçilen herhangi bir hacmi er ya da geç buza dönüşecek.

sürekli şişme adı verilen bir fenomen için tam bir benzetmedir : sürekli şişen bir uzay denizinde büyüyen alternatif boşluk adaları. Ve bu fikir hiçbir şekilde yeni değil. En büyük düşünürlerden biri olan Stanford'daki meslektaşım Andrei Linde, birçok modern kozmolojik fikrin yaratıcısıdır. Onunla tanıştığımdan beri ve onu Rusya'dan Amerika Birleşik Devletleri'ne taşındığından beri tanıyorum, yani yaklaşık 15 yıldır, sürekli genişleyen bir Evren doktrinini vaaz etmekten asla yorulmadı, sürekli olarak çok çeşitli vakum kabarcıkları üretiyor. türleri. [93] Başka bir Rus-Amerikalı bilim adamı, Alexander Vilenkin, kozmolojiyi çok çeşitli evrenler oluşturan süper-etkileyici bir Megaevrene doğru ilerletme çabalarıyla da tanınır. Ancak fizikçilerin çoğu yakın zamana kadar bu fikirleri görmezden geldi. Ancak en şaşırtıcı olan şey, sicim kuramındaki son değişikliklerin -her şeyin kuramına yönelik umutlarımız- daha önce ifade edilen bu kozmolojik fikirlerle çok yakından ilişkili olmasıdır.

Genel görelilik kuramını alıp ona kuantum mekaniğini ekler ve bunları Evrenin başlangıçtaki aşırı yoğun durumuna uygular, onu sicim kuramının manzarasıyla tatlandırırsanız, sonuç kaçınılmaz olarak sonsuza kadar şişen yarı kararlı bir Evren olacaktır.

 sonsuz enflasyon
 

Bu kitabı evrenin kökeni sorusuna kesin bir yanıt bulmayı umarak aldıysanız, korkarım hayal kırıklığına uğrayacaksınız. Bunun cevabını ne ben ne de bir başkası biliyor. Bazı insanlar Evren'in bir tekillikle başladığını düşünüyor - sonsuz enerji yoğunluğuna sahip sonsuz küçük bir hacim. Diğerleri, özellikle de Stephen Hawking ve takipçileri, sıfırdan kuantum tünellemeye inanıyor. Bildiğimiz tek bir şey var: Evren bir zamanlar başladı. Ve geçmişte bir noktada, çok yüksek bir enerji yoğunluğu durumundaydı ve şişkin bir genişleme geçirmiş olabilir. Neredeyse tüm kozmologlar, Evrenin genişlemesinin şişme aşaması hipotezinin birçok kozmolojik gizemi çok iyi açıkladığına "inanırlar". 4. bölümde, bu inancın altında yatan gözlemsel gerçekleri zaten tartışmıştım.

gözlemlenen tarihinin yaklaşık 14 milyar yıl önce, enerji yoğunluğunun uzayın en az 10-20 kat şişmesini sağlamak için yeterli olduğu bir noktada başladığından eminiz . Ayrıca, bu değer büyük olasılıkla hafife alınmıştır. Bu çağdaki enerji yoğunluğu inanılmaz derecede büyüktü - ne kadar büyük olduğunu söyleyemeyiz, ancak kesinlikle en güçlü parçacık hızlandırıcılarda ulaşılabilen enerji yoğunluğundan kıyaslanamayacak kadar büyük. Görünüşe göre, o zamanlar Evren henüz Peyzaj'ın vadilerinden birine hapsolmamıştı, ancak nispeten pürüzsüz ve hafif eğimli bir plato üzerinde duruyordu. Şişme sürecinde, uzay cebimiz (gözlemlenebilir evrenimiz), hafif bir eğimi olan bu plato boyunca yavaşça ilerledi ve ucunda dik bir uçurum vardı. Bir uçurumdan düşerken, Evrenimizin potansiyel enerjisi, daha sonra yıldızların ve galaksilerin oluştuğu maddeye yol açan ısıya ve temel parçacıklara dönüştürüldü. Evrenin madde ile dolduğu bu olaya yeniden ısınma denir . Ardından varlığımıza göre ince ayarlı kozmolojik sabit değeriyle vadimizin dibine doğru yuvarlandı. Tüm kozmolojimiz, Evrenin vakum enerjisinin bir değerinden diğerine düşüşünün bu kısa dönemine tam olarak atıfta bulunur. Gözlemlenebilir Evren tarihindeki en ilginç olayların tümü bu dönemde gerçekleşti.

Evrenimizin bir cebi nasıl bir uçurumun kenarına geldi? Bunu bilmiyoruz. Ancak Evrenin burada başladığını düşünmek çok uygundur. Platodaki yüksek enerji yoğunluğunun neden olduğu şişme olmasaydı, evren, bizi çevreleyen maddeyle dolu evrene dönüşemezdi: yeterince büyük, yeterince pürüzsüz, yeterince homojen ve aynı zamanda tam olarak aynı dereceye sahip. yaşamın ortaya çıkışına en uygun olan heterojenlik.

Zamanın başlangıcında bizi bir uçurumun kenarına koyan teorinin sorunu, bunun çok sayıda olası başlangıç noktasından sadece biri olmasıdır. Bu noktanın diğerlerinden tek farkı, yaşamın gelişmesi için potansiyel bir fırsat sunmasıdır. Evreni Peyzajda rastgele böylesine şanslı bir noktaya yerleştirmek, akıllı tasarım kavramına başvurmadan dünyamızın kökenini açıklamak isteyen bir araştırmacı için en iyi argüman değildir. Ancak daha sonra tartışacağım gibi, dev bir manzara içeren bir teori herhangi bir seçim gerektirmez. Bence bu kesinlikle kaçınılmaz, üstelik manzara çok çeşitliyse, o zaman manzaranın bizim için başarılı olan bir noktasına kadar gelişen bir uzay parçasının her zaman olacağı matematiksel olarak kanıtlanabilir. Ancak herkes buna katılmıyor.

Princeton kozmologu Paul Steinhardt antropik ilkeyi eleştirdi: "Antropik ilke, birçok evrenin varlığıyla ilgili çok sayıda varsayıma izin veriyor ... Pek çok farklı özelliğe sahip sonsuz sayıda evrenin varlığına ilişkin tüm bu hipotezler neden? Sadece kendi varlığımızı açıklamak için mi?” Cevap, temelsiz hipotezler yapmamıza gerek olmadığıdır - bunlar doğal olarak görelilik teorisi ve kuantum mekaniğinin genel kabul görmüş ilkelerini takip eder.

Paradoksaldır, ancak kendi çalışmasında Steinhardt, sonsuz enflasyon fikrinin tohumunu formüle etti ve aynı yerde, benim açımdan, sonsuz enflasyonun kaçınılmaz olduğu gerçeğinin lehine tanıklık eden argümanlar verdi. . Evren, yeni açılmış bir şişe şampanyadaki baloncuklar gibi görünen ceplere sonsuzca bölünmüştür. Bunun neden olduğuna dair sadece iki varsayım var: Peyzajın varlığından ve Evrenin çok yüksek enerji yoğunluğuna sahip bir durumdan veya aynı şekilde Peyzajın yüksek irtifasından başlamasından dolayı. Dahası, görünüşe göre ilk varsayım matematiksel olarak kanıtlanabilir ve bu anlamda hiç de bir varsayım değildir. Her şey, Peyzaj'ın varlığının kaçınılmaz olarak sicim teorisinin matematiğinden kaynaklandığı gerçeğine dayanıyor. İkinci varsayıma gelince, başlangıçtaki yüksek enerji yoğunluğu pratik olarak gözlemlenebilir bir gerçektir, kendini, kendine saygılı herhangi bir kozmolojinin başladığı aynı Büyük Patlama şeklinde gösterir. Diğer birçok kozmologla birlikte sonsuz şişme fikrini neden çok zorlayıcı bulduğumu açıklamama izin verin.

Her şeyden önce, bunun benim fikrim olmadığını itiraf etmeliyim. İlk olarak kozmologlar Alan Guth, Andrey Linde, Paul Steinhardt ve Alexander Vilenkin tarafından ifade edildi ve ardından benim kuşağımın en büyük fizikçilerinden biri olan Sidney Coleman tarafından geliştirildi. Öyleyse, evrenle, hatta sadece Peyzaj üzerinde rastgele bir noktada bulunan bir uzay bölgesiyle başlayalım. Bu nokta için tek şart: içindeki enerji yoğunluğunun yeterince büyük olması. Herhangi bir mekanik sistem gibi, uzay bölgemiz de Peyzajın potansiyel enerjinin daha düşük olduğu kısmına doğru gelişmeye başlayacak. Everest'in tepesinden yuvarlanan bir bowling topu hayal edin. Hint Okyanusu kıyısına yuvarlanma ve yol boyunca bir yere takılmama olasılığı nedir? Hafifçe söylemek gerekirse, çok yüksek değil. Topun dağın yakınındaki bir vadide durması çok daha olasıdır. Dahası, başlangıç koşullarını -topun yuvarlanmaya başladığı tam yeri ve ilk hızının tam değerini- bilmek, topun tam olarak nerede takılıp kalacağını tahmin etmemize pek yardımcı olmaz.

Bir bowling topunun başına gelenin aynısı bizim uzay bölgemizde de olacak: büyük olasılıkla bir vadinin dibine düşecek ve orada şişmeye başlayacak. Bu şişme sürecinde devasa hacimlerde uzay klonlanacak ve tamamı bu vadide kalacak. Elbette, uzay baloncuğumuzun sıkışıp kaldığı vadinin altında başka vadiler de var ama onlara ulaşmak için Evren, yüksekliği vadinin yüksekliğinden çok daha yüksek olan dağ geçitlerini aşmak zorunda kalacak ve bunu yapamaz çünkü zaten sahip olduğu enerji yeterli olmayacaktır. Bu nedenle, Evrenimiz vadisinde sonsuza kadar şişkin kalacaktır.

Ama bir şeyi unuttuk. Vakumun kuantum titremeleri vardır. Tıpkı aşırı soğutulmuş suyun termal titremesinin yoğunlaşma merkezlerinin kendiliğinden ortaya çıkıp kaybolmasına neden olması gibi, bir vakumun kuantum titremesi de hemen kaybolan alternatif bir vakumun küçük kabarcıklarını yaratır. Bu baloncukların içi, bizimkinin altındaki komşu vadinin koşullarına karşılık gelebilir. Kabarcık oluşumu her zaman meydana gelir, ancak çoğunlukla daha fazla büyümek için çok küçüktürler. Alan duvarının yüzey gerilimi, balonu vakumun geri kalanından ayırır ve sıkıştırır. Ancak tıpkı aşırı soğutulmuş su gibi, er ya da geç uzayımızda büyümeye başlayacak kadar büyük bir balon oluşacaktır.

Genişleyen bir evrende böyle bir baloncuğun oluşumunun matematiksel açıklaması epeydir biliniyordu. 1977'de Sydney Coleman ve Frank de Lucia, klasik olmaya aday bir makale yayınladılar. Genişleyen bir evrende bu tür baloncukların oluşma hızını hesapladılar ve oran (birim hacim başına birim zamanda oluşan kabarcık sayısı) çok küçük olsa da, kesinlikle sıfır değildir. Hesaplamalarında, çoğu fizikçinin kaya kadar güvenilir olduğuna inandığı kuantum alan teorisinin yalnızca en güvenilir ve kanıtlanmış yöntemleri kullanıldı. Bu nedenle, temel teorilerimizde çok yanlış bir şey olmadıkça, şişen boşluk, içlerindeki koşullar komşu vadilerdeki koşullara karşılık gelen, büyüyen baloncuklar üretmelidir.

Baloncukların çarpışması, sonunda evrenin tüm alanının komşu vadilerden birinde olacağı gerçeğine yol açabilir mi? Veya başka bir deyişle: baloncuklar arasındaki boşluk, çarpışmalarını ve birleşmelerini önleyecek kadar hızlı genişliyor mu? Cevap, iki parametre arasındaki rekabete bağlıdır: kabarcık oluşum hızı ve yeni uzayın yeniden üretim hızı - klonlama hızı. Baloncuklar çok hızlı büyürse çarpışacaklar ve sonunda tüm alan Peyzajdaki yeni bir vadiye "taşacak". Ancak yeni alanın yaratılma hızı, baloncukların büyüme hızından daha yüksekse, o zaman enflasyon galip gelir ve balonlar asla bir araya gelmez. Aşırı soğutulmuş bir sıvının taşan gölündeki buz adaları gibi, baloncuklar izole bir şekilde gelişecek ve birbirlerinin olay ufkunun dışında son bulacaklar. Alanın ana kısmı sonsuz şişmesine devam edecek.

Öyleyse ne kazanır: kabarcık çekirdeklenmesi mi yoksa uzay klonlaması mı? Genel durumda, soru açık kalır. Diğer tüm tünel açma süreçleri gibi kabarcık çekirdeklenmesi de nadir görülen ve olası olmayan bir olgudur. Genel bir kural olarak, geri çökmek yerine genişleyecek kadar büyük bir balonun oluşması çok çok uzun zaman alır. Öte yandan, uzay klonlamanın hızı, yani vakum enerjisinden kaynaklanan katlanarak büyümesi, kozmolojik sabit önemsiz olmadığı sürece son derece yüksektir. Çoğu durumda, en uç noktalar dışında, uzay kendini katlanarak klonlamaya devam ederken, Peyzaj'ın bitişik vadilerinde yavaşça kabarcıklar oluşur. Uzay klonlama yarışımızı büyük bir farkla kazanıyor.

Şimdi baloncuklardan birinin içine bakalım. Ne göreceğiz? Büyük olasılıkla kendimizi, içine baktığımız vadinin yüksekliğinden biraz daha az olan bir vadide bulacağız. Balonun içindeki boşluk da büyür. Sadece balonu genişletmekten bahsetmiyorum, içindeki alanı klonlamaktan bahsediyorum. Böylece tarih tekrar tekrar tekerrür edecektir. Yeni uzay alanı şu anda yeni bir vadide bulunuyor. Ancak daha da alçak başka vadiler de var. Birinci nesil balonun içinde, içindeki alan daha da aşağıda bulunan komşu bir vadiye karşılık gelecek olan ikinci nesil bir balon oluşabilir. Ve bu balonun kritik boyuttan daha büyük olduğu ortaya çıkarsa, büyümeye başlayacak ve büyüyen bir balonun içinde büyüyen bir balon elde edeceğiz.

Genellikle fizikte biyolojik benzetmelerden kaçınmaya çalışırım çünkü insanlar onları kelimenin tam anlamıyla alma eğilimindedir. Ama şimdi hala onlardan birini kullanıyorum. Lütfen evrenlerin, kara deliklerin veya elektronların gerçekten canlı olduğunu ve Darwinci seçilime katıldığını veya seks yaptığını düşündüğümü düşünmeyin.

Megaverse'yi klonlayarak çoğalan bir organizma kolonisi olarak düşünün. Bir kez daha "organizma" derken canlı bir varlığı değil, uzayın kendi kendini üreten bir bölgesini kastettiğimi vurguluyorum. Klonlar ebeveynlerinin tıpatıp aynısı olduğu için, Peyzaj'ın aynı vadisinde bulunduklarını varsaymakta haklıyız. Peyzajın kendisini bir dizi biyolojik organizma olarak bile hayal edebilirsiniz: her vadi ayrı bir biyolojik türe karşılık gelecektir. Organizmaların birbirinin yoluna çıkması konusunda endişelenmenize gerek yok: Fantastik dünyamızda herkese yetecek kadar yer var. Kendisini oluşturan alanın özelliklerinden farklı özelliklere sahip bir baloncuk oluşur oluşmaz, yavruları hemen komşu vadiyi işgal eder. Balonun içindeki boşluk da şiştiğinden, yavruları iki sürece katılacak: klonlama sürecinde ve yeni nesil baloncuklar üreterek yeni vadileri doldurma sürecinde. Bu şekilde mecazi kolonimiz Peyzaj boyunca yayılacak. Kozmolojik sabitin daha önemli olduğu yüksek vadilerde bulunan uzay bölgeleri en hızlı şekilde yeniden üretilecektir. Peyzajın bu tür yerlerinde, klonlama süreci en hızlı şekilde ilerler ve bu tür vadilerde "yaşayan" popülasyonlar en hızlı şekilde artar. Ancak daha yüksek vadilerde yaşayan organizmalar daha alçak vadileri "besler" ve ikincisinin nüfusu da zamanla artar. [94] Sonunda, Peyzajdaki her niş, katlanarak artan bir nüfusla doldurulacak. Bu benzetmedeki tek kusur, gerçek organizmaların rekabet sırasında vadileri aşırı kalabalıklaştığında birbirlerini öldürmeye başlamasıdır. Cep evrenler rekabet mekanizmasından yoksundur, dolayısıyla her vadinin nüfusu süresiz olarak artmaya devam edecektir. Bu organizmaları tamamen görünmez ve birbirleri için algılanamaz olarak hayal edebilirsiniz.

Baloncuklar nasıl ölür? Tam olarak sıfır kozmolojik sabite sahip bir balon belirirse, şişemez ve üzerindeki üreme süreci kesintiye uğrar. Sadece bu tür boşluklar, Peyzajın süpersimetrik parçalarıdır. Dolayısıyla Peyzajın süpersimetrik bölgeleri, en az iki anlamda evrenlerin mezarlığıdır. Birincisi, bildiğimiz şekliyle yaşam süpersimetrik dünyalarda var olamaz ve ikincisi, böyle bir alan yeni baloncuklar üretemez.

Analojiler genellikle konunun bir tarafını daha iyi anlamaya yardımcı olur, ancak konuyu bir bütün olarak ele aldığımızda yanlış oldukları ortaya çıkar. Böylece, şişen uzay ile canlıların evrimi arasındaki analoji, bazı ayrıntılarda, örneğin, gelişen biyosistemlerin doğasında her zaman var olan, şişen baloncuklar arasında rekabet olmaması gerçeğinde yanlış çıkıyor. Ek olarak, Darwinci evrim, özelliklerin ebeveynlerden yavrulara kalıtıldığını varsayar. Beş milyon yıl önceki rezil "kayıp halka"dan bana veya size kadar bir dizi primat fotoğrafı oluşturabilseydik, işaretlerde sürekli bir dizi değişiklik görürdük. Bireylerin bireysel farklılıklarını göz ardı edersek, her yeni neslin bir öncekine ne kadar benzediğine şaşırırız. Bu fotoğraflara bakıldığında sadece binden fazla neslin birikmiş değişimleri göze çarpacak. Aynı şey her tür yaşam için geçerli olacaktır. Büyük yapısal değişiklikler çok nadirdir ve meydana geldiklerinde neredeyse her zaman evrimsel bir çıkmaza yol açarlar. İki başlı, üç bacaklı veya böbreksiz olarak doğan herhangi bir insan (modern tıp çağrılmadığı sürece) çok uzun yaşamayacak ve bu tür yaratıkların rekabetçi yavrular bırakma şansı çok düşük.

Biyolojik evrim ile kozmik manzaranın evrimi arasındaki radikal fark budur. Yeni bir balon doğup şiştiğinde meydana gelen manzara değişikliği artımlı değildir. Bu sürece jeoloji açısından bakalım. Jeolojik olarak, komşu vadiler farklıdır. Rocky Dağları'ndaki Aspen Vadisi, Bağımsızlık Geçidi'nin diğer tarafındaki İkiz Göller'den 600 metreden daha alçakta, 2.400 metrede yer almaktadır. Bu yerler yükseklik farkının yanı sıra doğası gereği de farklılık göstermektedir. Aspen Vadisi'ne, içinde bulunduğumuzda fark etmeyeceğimiz kadar benzeyen başka bir vadi varsa, o zaman büyük olasılıkla ondan çok uzaktadır.

Aynısı uzay manzarası için de geçerlidir. Komşu vadilerin yükseklikleri tam olarak aynı değildir. Ve bu, komşu vadilerin, temel parçacıklar listesinde, temel sabitlerin diğer değerlerinde ve hatta uzayın boyutlarında farklılıklara yol açacak olan zar veya akış setinde farklılık göstermesine yol açabilir. . Bir vakum ebeveyni bir çocuk balonu ürettiğinde, sonuç, küçük bir artımlı farktan çok canavarca bir mutasyondur.

Her türden yeni dünyaların sayısız baloncuklarını yaratan sonsuz şişme, vahşi bir fantazmagorik halüsinasyon değil mi? Ben öyle düşünmüyorum. Uzayın katlanarak genişlemesi, hiçbir kozmologun tartışmadığı, oldukça sağlam bir şekilde kanıtlanmış bir gerçek gibi görünüyor. Genişleyen baloncukların daha düşük rakımlı alanlara yuvarlanacağı kesin olduğu gibi, birden fazla vadi olasılığı teori açısından hiçbir şekilde olağandışı değildir. Bu genellikle bugün kabul edilmektedir.

Yeni olan, sicim kuramının içlerinde çeşitli vakum özelliklerine sahip çok sayıda vadinin var olma olasılığı için bize matematiksel bir gerekçe sağlamasıdır. Birçok fizikçi bu gerçek hakkında çok endişeli. Ancak en ciddi sicim teorisyenleri, bu argümanın yeterince sağlam göründüğünü kabul ediyor. [95]

Modern şişme çağından hemen önceki, uzay parçamızın kozmik evriminin son aşamalarını, ardından gelen ısınmayı ve yaşamın ortaya çıkışını ele alalım. Enflasyonist uçurumdan düşmeden önce nereden geldik? En makul cevap: daha yüksekte bulunan komşu vadiden. Bu vadinin bizimkinden ne farkı var? Sicim kuramı da bu soruya cevap verebilir: akışların farklı anlamları vardı, zarlar farklı şekilde düzenlenmişti ve yoğunlaştırma modülleri bizimkinden farklıydı. Belki de dağları aşıp uçuruma inerken zarların bir kısmı birbirini yok etti, bir kısmı yeniden düzenlendi, akışlar değişti ve yüzlerce modül değişerek Rube Goldberg makinesinin yeni bir versiyonunu oluşturdu. Ve yeni düzen ile birlikte yeni Fizik Kanunları da geldi.

Çocuklar ve ebeveynler arasındaki paradoksal ilişki
 

Einstein'ın genel görelilik kuramına, çeşitli geometrik şekilleri ve bunların ilişkilerini temsil etme yeteneğimizi zorlayan çözümler olabilir. Böyle bir çözümün çarpıcı bir örneği kara deliklerdir. Bir başka son derece ilginç ve merak uyandıran örnek ise, şişen baloncukların içindeki uzayın geometrisidir. Dışarıdan, balon, bir alan duvarı veya zarla çevrili genişleyen bir küre gibi görünür. Balonun içinde meydana gelen işlemler nedeniyle açığa çıkan enerji, hızla hızlanan bir alan duvarının kinetik enerjisine dönüştürülür. Bir süre sonra balon neredeyse ışık hızında genişleyecektir. Balonun içindeki bir gözlemcinin, her an genişleyen bir duvarla sınırlanan sonlu bir dünya görmesi beklenebilir. Ama değil. Balonun içinden görünüm tamamen beklenmedik.

Beşinci bölümde genişleyen evrenin üç ana türüyle tanıştık: Alexander Friedman'ın kapalı ve sınırlı evreni, düz evren ve negatif uzay eğriliğine sahip açık evren. Üç standart evren türü de homojendir ve hiçbirinin kenarı veya duvarı yoktur. Bir balon sakininin genişleyen bir etki alanı duvarı keşfedeceği ve evreninin üç standart türden hiçbirine ait olmadığı sonucuna varacağı düşünülebilir. Bu hatalı bir varsayımdır, çünkü aslında balonun sakini, çevresinde negatif bir uzay eğriliğine sahip sonsuz bir açık evren gözlemleyecektir! Sonlu genişleyen bir balon, sonsuz bir evrenin içinden nasıl görünebilir?! Bu, Öklidçi olmayan Einsteincı geometrinin şaşırtıcı paradokslarından birine bir örnektir.

Size bu paradoksun nasıl çözüldüğüne dair bir fikir vermeye çalışacağım. Dünya haritası ile başlayalım. Dünyanın küresel yüzeyi, bozulma olmadan bir düzlemde görüntülenemez. Örneğin, bir Mercator projeksiyonunda, Grönland neredeyse Kuzey Amerika kadar büyük ve Güney Amerika ve Afrika'dan çok daha büyük görünüyor. Elbette bu kıtalar kadar büyük değil. Ancak Dünya'nın yüzeyini bir düzlemde görüntülemek için böyle bir ölçek bozulması gereklidir.

Negatif eğriliğe sahip bir yüzeyi bir düzleme eşlemeye çalışırsak aynı şey olur. Böyle bir alanı çizmek kolay değil ama neyse ki ünlü bir sanatçı bu işi çoktan yaptı. Escher'in "Melekler ve Şeytanlar"ı, düz bir kağıt üzerinde negatif eğrilikle tasvir edilen bir boşluktan başka bir şey değildir. Orijinal uzayda tüm melekler aynı boyuttadır ve aynı şey iblisler için de geçerlidir.

Melekler yerine galaksileri hayal edin ve negatif eğriliğe sahip bir evren fikrine sahip olun. Böyle bir evreni bir düzlemde tasvir edebilmek için, ölçeğin bozulması, kenardaki nesnelerin merkezdeki nesnelerden daha küçük hale getirilmesi gerekiyordu.

Aslında, uzayın merkezinden sınıra olan mesafe sonsuzdur. Kenara ulaşmak için sonsuz sayıda şeytanın (veya meleğin) yanından geçmelisiniz. Ve her iblis diğerleriyle aynı boyutta olduğundan, mesafe de sonsuzdur. Bununla birlikte, tüm bu sonsuz boşluk, bir düzleme eşlendiğinde dairenin içine sığar. Bunu göz önünde bulundurarak, sonsuz geometrilerin sonlu baloncuklara sığdığını hayal etmek o kadar da zor değil.

Bir astronom genişleyen alan duvarlarını incelemek isterse, bunların sonsuz derecede uzakta olduklarını bulması özellikle garip görünüyor. Balonun içinde, herhangi bir anda dışarıdan bir gözlemcinin balonu sınırlı bir küre olarak görmesine rağmen, uzayın sınırsız olduğu ortaya çıkıyor. Bu, balonun içindeki bir gökbilimcinin etki alanı duvarından gelen ışığı algılayamayacağı anlamına gelmez, çünkü bu ışık uzayın sınırından değil, zamanın sınırından gelir - yayılma anı şu ana karşılık gelir uzak geçmişte meydana gelen Big Bang'in. Bu en paradoksal durumdur - sonlu genişleyen bir balonun içinde sonsuz genişleyen bir evren.

Negatif eğriliğe sahip açık bir evrende yaşadığımızı bilerek, cep evrenimizin geçmişte katlanarak genişleyen uzayda bir balon olan bir şeyden evrimleştiğini varsayabiliriz. Bu ifade oldukça mantıklı ve tutarlı görünüyor, ancak bunu doğrulamak imkansız görünüyor. Gözlemlenebilir evren çok büyük ve şimdiye kadar onun sadece küçük bir bölümünü gördük. Eğri mi yoksa düz mü olduğunu kesin olarak söylemek için yeterli veriye bile sahip değiliz.

Bugün evrenimiz hakkında ne söylenebilir? Evrenimizin içinde genişleyen bir alternatif boşluk balonu ortaya çıkıp onu yutabilir mi? Ve böyle bir balon tarafından yutulursak bize ne olur? Bugün sicim teorisinin sunduğu cevap, kendimizi birdenbire hayatın imkansız hale geleceği bir ortamda bulacağımızdır. Hatırladığınız gibi, tüm gözlemsel veriler, kozmolojik sabitin ve buna bağlı olarak dünyamızdaki boşluk enerjisinin son derece küçük olduğunu gösteriyor. Ancak Evrenimizin içinde daha da düşük vakum enerjisine sahip bir baloncuğun ortaya çıkmaması için hiçbir neden yoktur. Peyzajda evrenlerin mezarlıkları gibi yerler olduğunu da biliyoruz: kozmolojik sabitin sıfıra eşit olduğu süpersimetrik bölgeler. Yeterince uzun süre beklersek, kendimizi böyle bir boşlukta bulacağız. Ne yazık ki, 7. Bölüm'de açıkladığım gibi, süper sicim teorisyenleri gibi uzaylı yaşam formları bile muhtemelen süpersimetrik bir dünyada hayatta kalamayacaktı. Süpersimetrik bir evren son derece zarif olabilir, ancak böyle bir dünyada Fizik Yasaları sıradan kimyanın varlığına izin vermez. Süpersimetrik bir dünya, yalnızca Evrenin mezarlığı değil, kimyasal temelde herhangi bir yaşam için bir ölüm cezasıdır.

Sonunda düşmanca bir süpersimetrik ortam tarafından yutulma olasılığı kaçınılmazsa, en azından bu ne kadar sürer? Yarın, gelecek yıl, bir milyar yıl sonra olabilir mi? Herhangi bir kuantum dalgalanması gibi, her an gerçekleşebilir. Kuantum mekaniği sadece bu an için ortalama bekleme süresinden ya da yakın gelecekte gerçekleşme olasılığından bahseder. Aslında, bunun önümüzdeki milyar, trilyon veya katrilyon yılda gerçekleşmesi pek olası değil. En iyi tahminler, dünyamızın en azından bir googolplex [96] yıl daha ve muhtemelen daha uzun süre var olacağını gösteriyor.

Tarihe iki bakış açısı
 

Kanıtlanmış ilkeleri takip ettiği için nüfuslu bir peyzaj kavramının yanlış olabileceğini hayal etmek zor. Bununla birlikte, onu ilgilendiren ciddi itirazlar var. Nüfuslu manzaraya yönelik tüm eleştirilerin bir genellemesi olarak hizmet edebilecek belki de en rahatsız edici soru şu şekilde formüle edilebilir:

"Diğer tüm cep evrenlerinin ufkun ötesinde olduğunu iddia ediyorsun. Tanım olarak ufuk, dünyayı birbiriyle hiçbir şekilde bilgi alışverişi yapamayan, yani birbirleri için kesinlikle gözlemlenemeyen iki bölgeye ayırır. Bu, diğer ceplerin temelde tespit edilemez olduğu anlamına mı geliyor ? Eğer öyleyse, bizim için onların varlığı ile yokluğu arasındaki fark nedir? Bizimle hiçbir bağlantısı olmayan, hiçbir zaman bilemeyeceğimiz ve üzerimizde hiçbir etkisi olmayan dünyaları neden var sayalım? Bu bağlamda, nüfuslu bir manzara fikri, fizikten çok metafiziğe aittir.”

Bu sorunun son derece önemli olduğunu düşündüğüm için, sonraki bölümün tamamını ona ayırdım. Aslında, olay ufku üzerine bir kitabın tamamını kolayca yazabilirim ve muhtemelen yakında yazacağım. Ama şimdilik, evrenin tarihini anlatmanın iki yolunu karşılaştıralım. İlk yöntem, sıradan gözlemlerle yakından ilgilidir. Dünya yüzeyinde bulunan teleskoplar yardımıyla Evreni içeriden gözlemliyoruz. Uzaydan, bir uydudan yapılan gözlemlerde bile, gözlemlerin sonuçları yine de analiz için Dünya'ya geri gönderilir.

Dünyadan yapılan gözlemler, ufka kadar bulunan nesnelerle sınırlıdır. Ufkun ötesini görmediğimiz gibi, ufkun ötesindeki hiçbir şeyin de üzerimizde bir etkisi olamaz. Öyleyse neden kapsamını bizim sıradan gözlemlenebilir uzayımızla sınırlayan bir teori inşa etmeyelim? Bu harika pragmatik bir görüş ve bunu tüm kalbimle onaylıyorum.

Tipik bir karasal gözlemcinin bakış açısından evrenin tarihi nedir? İyi bir başlangıç noktası, bazı yüksek dağ vadilerinde potansiyel olarak kapana kısılmış bir alan parçasıdır. Son derece yüksek vakum enerjisi, dünya çapında, protonlar gibi atom altı parçacıkları bile anında parçalayacak kadar güçlü bir itme kuvveti ile sonuçlanır. Orijinal dünyamızın son derece sert olduğunu görüyoruz. Ek olarak, çok küçüktür: olay ufku, içinde proton yarıçapından daha büyük olmayan bir mesafede bulunur ve gözlemcinin kullanabileceği mesafeler mikroskobiktir; Planck uzunluğundan çok daha büyük olmayabilirler. Açıkçası, hiçbir gerçek gözlemci bu ortamda hayatta kalamaz, ancak şimdilik bu gerçeği görmezden gelelim.

Bir süre sonra, balon gözlem için mevcut alan bölgesini artırarak şişmeye başlar. Gözlemci kendisini biraz daha dostça bir çevre ile çevrelenmiş olarak bulur: kozmolojik sabit azalır ve ufuk artar. Bununla birlikte, yeni vadideki kozmolojik sabit, rahat bir yaşam için hala çok büyük. Ancak balon tekrar şişer ve bu da kozmolojik sabitte daha fazla düşüşe yol açar. Bu tür sert değişiklikler birkaç kez meydana gelebilir. Gözlemci sürekli olarak yaşam için uygun olmayan bir dizi dünyadan geçer. Sonunda balon, tamamen süpersimetrik bir dünyada, sıfır vakum enerjisiyle sıfır yükseklikte sona erer. Balon, negatif eğriliğe sahip açık bir dünyaya evrilir ve bu, gelişimini tamamlar. Balonun, başlangıç durumundan evrenler mezarlığına kadar olan evrim sürecinde, yaşamın ortaya çıkmasına uygun bir durumdan geçme olasılığı son derece düşüktür.

Ancak baloncuğun yine de süpersimetrik bir mezarlığa düşmeden önce evrenin evriminde bizimkine yakın bir aşamadan geçtiğini varsayalım. Bizi tatmin eden vadilerin ne kadar nadir olduğu göz önüne alındığında bu pek olası değil ama olabilir. Hayatı geliştirecek mi? Bu, büyük ölçüde, uzay parçamızın yaşam için uygun bir vadide nasıl sona erdiğine bağlıdır. Çok sayıda seçenekten biri, balonu şişen uçurumdan vadiye boşaltmak. Bu iyi. Enflasyon misafirperver bir evren yaratır. Ancak uzay parçası vadiye farklı bir şekilde girerse, o zaman bahsimiz kaybedilir. Baloncuk bir süre uçurumun kenarında kalmadıkça, evren büyük olasılıkla yıldızları, galaksileri, gezegenleri ve nihayetinde yaşamı oluşturmak için yeterli ısı ve maddeyi asla elde edemeyecek.

Evrenler mezarlığında sona eren bir dizi koşulu gören bir gözlemcinin bakış açısından, yaşamın meydana gelme olasılığı son derece küçüktür. Ama şimdi Evrenimizin dışında olabileceğimizi ve Megaevreni bir bütün olarak görebileceğimizi hayal edelim. Megaverse'den bakıldığında, tarih bir olaylar dizisi değildir . Megaverse'nin tarihi, çok sayıda paralel süreç, gelişen birçok paralel cep evrenidir. Megaverse geliştikçe, cep evrenleri tüm Peyzajı doldurur. Bu nedenle, bu evrenlerin çok küçük de olsa bir kısmının gelişim sürecinde bir uçurumun üzerinde sona ermesi, buradan düşerek kendisini yaşama uygun bir vadide bulması, süreç içinde dolması tamamen kaçınılmaz görünmektedir. madde ve enerji ile düşme. Her şeyin kötü biteceği dünyaların geri kalanı kimin umurunda? Hayat, mümkün olduğu yerde ve sadece mümkün olduğu yerde ortaya çıkacaktır.

Biyolojik analojinin yararlılığı hakkında bir kez daha. Her dalı farklı bir türü temsil eden bir hayat ağacı hayal edin. Bu ağaca, gövdesinden başlayıp her bir çatalda rastgele dönerek tırmanırsanız, türün yok oluşunu simgeleyen son dalın sonuna çok çabuk ulaşırsınız. Herhangi bir tür er ya da geç ölür, ancak yeni türlerin ortaya çıkma hızı onların yok olma hızını aşarsa, ağaç yaşamaya ve büyümeye devam eder. Belirli bir türün kökeninden neslinin tükenmesine kadar herhangi bir belirli yolunu incelerken, büyük olasılıkla akıllı yaşamın ortaya çıkma olasılığının sıfır olduğu sonucuna varacaksınız. Ancak ağacı bir bütün olarak büyüyen ve gelişen bir organizma olarak düşünürsek, er ya da geç zeki bir türün bir dalına yol açacağını güvenle söyleyebiliriz. Gördüğümüz gibi, evrimin paralel temsili çok daha iyimser sonuçlara yol açıyor.

çoklu dünya
 

Almanya İkinci Dünya Savaşını kazanırsa ne olur? Ya da 65 milyon yıl önce dinozorları öldüren asteroit Dünya'nın yakınından geçseydi bugün hayat nasıl görünürdü? Tarihsel süreçte kritik noktalarda farklı yollar boyunca birbirinden ayrılan paralel dünyalar fikri, bilimkurgu yazarlarının gözde bir temasıdır. Bununla birlikte, gerçek bilimde, bu tür fikirleri her zaman anlamsız saçmalıklar olarak reddetmişimdir. Ve aniden, kendimi bu tür şeyler hakkında konuşurken ve düşünürken buldum. Aslında, kitabımın tamamı paralel evrenler hakkında: Megaevren, birbirlerinin ufkunun dışında oldukları için birbirlerinden izole edilmiş bir cep evrenler dünyasıdır.

Gerçekliğin -bu kelimenin anlamı ne olursa olsun- bizimkine ek olarak, bizimkinden farklı geçmişlere sahip çok sayıda alternatif dünya içermesi olasılığını ciddi olarak düşünen ilk fizikçiden çok uzağım. Bu soru, kuantum mekaniğinin yorumlanması hakkında bugüne kadar devam eden tartışmanın bir parçasıdır. 1950'lerin ortalarında, genç bir yüksek lisans öğrencisi olan Hugh Everett III, kuantum mekaniğinin o zamanlar kabul edilenden kökten farklı bir yorumunu önerdi ve buna birçok dünya yorumu adını verdi . Everett'in hipotezi, tarihteki her kavşakta, dünyanın her biri kendi alternatif tarihine sahip birçok paralel evrene ayrıldığını belirtir. Bu çılgın bir spekülasyon gibi görünse de, zamanımızın en büyük fizikçilerinden bazıları, kuantum mekaniğinin tuhaflıkları tarafından Everett'in fikirlerini kabul etmeye itildi. Bunlar arasında Richard Feynman, Murray Gell-Mann, Steven Weinberg, John Wheeler ve Stephen Hawking var. Birçok dünya yorumu, ilk olarak 1974'te Brandon Carter tarafından formüle edilen insancıl ilkenin ilham kaynağıydı.

İlk bakışta, Everett'in çok dünyalı yorumunun Megaevrenin sürekli şişmesiyle çok az ilgisi var. Ancak, pratikte aynı şey olduğunu düşünüyorum. Kuantum mekaniğinin, bir sistemin gelecekteki davranışını geçmişteki durumuna göre tahmin etmediğini defalarca vurguladım. Bunun yerine, deneyin şu veya bu sonucunun gerçekleşme olasılığını veya daha doğrusu gözlem sonucunun olasılığını tahmin eder. Bu olasılık, kuantum mekaniğinin temel matematiksel nesnesi olan dalga fonksiyonu ile tanımlanır .

Kuantum mekaniğine biraz aşinaysanız ve Schrödinger'in elektronların davranışını tanımlayan dalga denklemini keşfettiğini biliyorsanız, dalga fonksiyonunu duymuşsunuzdur. Bütün bunları unutmanı istiyorum. Schrödinger dalga fonksiyonu çok daha genel bir kavramın çok özel bir halidir ve şimdi dikkatinizi bu daha genel fikre odaklamak istiyorum. Her an, örneğin şu anda dünyada, sevgili okuyucu, ay altı aleminde gözlemlenebilecek çok şey var. Masamın üzerindeki pencereye bakıp ayın yükselip yükselmediğini görebilirdim. Veya oturup çift yarık deneyini tasarlayabilir (bkz. 1. Bölüm) ve ardından ekrandaki noktaların yerlerini gözlemleyebilirim. Başka bir deney, belirli bir zamanda, diyelim ki on dakika önce "pişmiş" bir nötronu gözlemlemek olabilir. Bölüm 1'den hatırladığınız gibi, bir çekirdeğe bağlı olmayan nötronlar kararsızdır. Ortalama olarak (ancak yalnızca ortalama olarak), bir nötron on iki dakika içinde bir protona, bir elektrona ve bir antinötrinoya bozunur. Bu durumda, gözlemin özü, nötronun on dakika sonra bozunup bozulmadığını veya hala orijinal halinde olup olmadığını belirlemek olabilir. Bu deneylerin her biri birden fazla olası sonuca işaret ediyor. En genel anlamda, dalga fonksiyonu, söz konusu sistemin durumlarının tüm olası gözlemlerinin tüm olası sonuçları için olasılıkların bir listesidir. Daha kesin olmak gerekirse, tüm bu olasılıkların kareköklerinin bir listesidir.

Nötronun bozunması, dalga fonksiyonu hakkında konuşmaya başlamak için iyi bir örnektir. Mantığı basitleştirmek için, nötronu gözlemleme deneyinin yalnızca iki sonucu olabileceğini varsayıyoruz: nötron bozunmuş ya da bozulmamış. Bu durumda olasılık listesi çok kısa olacaktır - dalga fonksiyonu için sadece iki giriş olacaktır. Nötron başlangıçta bozulmamış durumdaysa, dalga fonksiyonunun değer listesi iki girişten oluşacaktır: 1 ve 0. Diğer bir deyişle, nötronun başlangıçta bozulmamış durumda olma olasılığı 1'dir ve bozunma olasılığı 0'dır. Ancak kısa bir süre sonra nötronun bozunma olasılığı çok düşüktür. Şimdi listemizdeki iki dalga fonksiyonu girişi 1 ve 0'dan farklı olacaktır. İlk değer 1'den biraz küçük, ikinci değer 0'dan biraz büyük olacaktır. On dakikadan biraz fazla bir süre içinde bu olasılıklar eşit olacaktır. ve bir on dakika daha sonra yer değiştirecekler: nötronun bozulmadan kalma olasılığı sıfıra, bir protona, bir elektrona ve bir antinötrinoya bozunma olasılığı bire yönelecek. Kuantum mekaniği, dalga fonksiyonunun zaman içindeki gelişimini hesaplamak için bir dizi kural içerir. En genel haliyle, dalga fonksiyonu her şeyi içeren bir sistemi tanımlar: deneyleri yürüten gözlemciler de dahil olmak üzere tüm gözlemlenebilir evren. Bu sistemde gözlemci olarak adlandırılabilecek birden fazla madde yığını olabileceğinden, teori tüm gözlem süreçlerinin tanımı açısından kendi içinde tutarlı olmalıdır. Dalga fonksiyonu, sistemin tam bir kuantum mekaniği tanımını içerir ve bu nedenle, örneğin iki gözlemcinin gözlemlerinin sonuçlarını tartışmak için aynı yerde buluştuğu durum için teorinin tutarlılığını kanıtlamamız gerekir.

En ünlü düşünce deneyini düşünün, ünlü (ya da "rezil" mi demeliyim?) Schrödinger'in kedi deneyini. Düşünün ki öğlen saat 12:00'de bir kedi, bir nötron ve bir silahla birlikte kapalı bir kutuya konuyor. Nötron bozunduğunda (kazara), ortaya çıkan elektron, kediyi öldüren bir tabanca atışını tetikleyen bir devreyi etkinleştirir.

Pratik bir kuantum mekaniği - hadi ona S diyelim - bir dalga fonksiyonu - çeşitli sonuçlar için olasılıkların bir listesi - yazarak bir deneyi analiz etmeye çalışır. Sh., tüm evreni hesaba katamaz, bu nedenle sistemin açıklamasını yalnızca kutunun içindeki nesnelerle sınırlar. Sadece bir giriş öğlen saatine karşılık geliyor: "Kedi yaşıyor, nötron sağlam, silah dolu." Bundan sonra Sh., denklemi çözmek ve sonra ne olacağını öğrenmek için bazı matematiksel işlemler yapar. Ancak yaptığı hesaplamaların sonucu, kedinin diri mi yoksa ölü mü olacağına dair kesin bir tahmin değildir. Sonuç, şimdi iki girişten oluşan dalga fonksiyonunun yeni değeri olacaktır: "Kedi yaşıyor, nötron bozulmamış, tabanca dolu" ve "Kedi öldü, nötron çürüdü, silah öldü. işten çıkarmak." Dalga fonksiyonu, tarihin akışını "canlı" ve "ölü" olmak üzere iki kola ayırır ve sayısal değerleri, bu iki sonucun olasılıklarının karekökleridir.

Sh kutuyu açıp kedinin canlı olup olmadığını kontrol edebilir. Kedi yaşıyorsa, Sh. dalga fonksiyonunun dalını güvenli bir şekilde atarak kedinin ölümüne yol açabilir. Bu dal, zamanla devam ettirilirse kedinin vurulduğu dünyayla ilgili tüm bilgileri içerecektir, ancak S kediyi canlı bulduğu için artık bu bilgiye ihtiyacı yoktur. Gözlem eylemi sırasında dalga fonksiyonunun yan dallarının kaybolması süreci için bir terim vardır. Buna dalga fonksiyonu indirgemesi denir . Bu, fizikçinin yalnızca daha sonra ilgisini çekebilecek şeylere odaklanmasını sağlayan çok kullanışlı bir numaradır. Örneğin, "canlı" dal, Sh'ın ilgisini çekebilecek bilgiler içerir. Bu dalı geleceğe doğru izlerse, silahın daha sonra yanlışlıkla ateş etme ve Sh.'yi kendisinin vurma olasılığını belirleyebilir (bu, onun cezası olacaktır). kediye zorbalık). Her gözlem eyleminde ortaya çıkan dalga fonksiyonunun indirgenmesi, Niels Bohr'un ünlü Kopenhag kuantum mekaniği yorumunun anahtarıdır.

Ancak dalga fonksiyonunun indirgenmesi, kuantum mekaniğinin matematiksel aygıtının bir bileşeni değildir. Bu, Bohr'un bir gözlemin sonucunu açıklamak için getirdiği ek bir matematiksel kuraldır. Bu gönüllü kural, fizikçilerin birkaç nesli için bir baş ağrısı olmuştur. Çoğunlukla sorun, Sh.'nin açıklanan sistemi yalnızca kutudaki nesnelerle sınırlandırmasıdır, ancak deneyin sonunda Sh.'nin kendisi bir gözlem eylemi gerçekleştirerek sistemin bir parçası haline gelir. Bugün, tutarlı bir tanımlamanın Sh.'yi mutlaka sistemin bir parçası olarak içermesi gerektiğine şüphe yoktur. İşte nasıl görünmesi gerektiği.

Dalga fonksiyonu artık kutudaki her şeyi ve W dediğimiz bir fiziksel madde parçasını tanımlıyor. silah dolu, nötron bozulmamış, Sh. kedinin sağlığı hakkında hiçbir şey bilmiyor.” Bir süre sonra Ş. kutuyu açar. Şimdi dalga fonksiyonu iki girişten oluşuyor: “Kedi yaşıyor, silah dolu, nötron bozulmamış, S. kedinin yaşadığını biliyor” ve “Kedi öldü, silah ateşlendi, nötron bozuldu, S. ... kedinin öldüğünü biliyor.” Gördüğünüz gibi, dalga fonksiyonu indirgeme fikrini kullanmadan Sh'yi sistemin açıklamasına dahil etmeyi başardık.

Ama şimdi başka bir gözlemcimiz olduğunu varsayalım - ona B. B diyelim. Sh. flayer deneyini yürütürken odada yoktu. B. laboratuvarda neler olup bittiğini görmek için kapıyı açtığında iki sonuçtan birini görür. Gerçekleşmemiş dalın izlenmesinin bir anlamı olmadığından, B.'nin ortaya çıkmasının dalga fonksiyonunun azalmasına yol açtığı ortaya çıkıyor. Görünüşe göre bu ekstra operasyondan kaçınamayız. Ama B'yi de dalga fonksiyonuna dahil etmeye çalışalım.Başlangıç noktası, kutudaki her şeyi ve S. ve B olarak adlandırılan iki madde kümesini içeren bir sistem olacaktır.Sistemin ilk durumu şimdi aşağıdaki gibi açıklanacaktır. : "Kedi yaşıyor, silah dolu, nötron bozulmamış, S. kedinin sağlığı hakkında hiçbir şey bilmiyor ve B. kedinin sağlığı hakkında hiçbir şey bilmiyor." S. kutuyu açtığında dalga fonksiyonu iki kola ayrılır: "Kedi canlıdır, tabanca dolu, nötron sağlamdır, S. kedinin canlı olduğunu bilir ve B. kedinin sağlığı hakkında hiçbir şey bilmez." kedi” ve “Kedi öldü, silah ateşlendi, nötron çöktü, S. kedinin öldüğünü biliyor ve B. kedinin sağlığı hakkında hiçbir şey bilmiyor.” Son olarak, B. odaya girdiğinde, dalga fonksiyonunun ilk dalı şu hale gelir: "Kedi canlıdır, tabanca doludur, nötron sağlamdır, S. kedinin canlı olduğunu bilir ve B. kedinin canlı olduğunu bilir. yaşıyor." Kalan dalların açıklamasını formüle etmeyi okuyucuya bırakacağım. Önemli olan, dalga fonksiyonunun indirgenmesini içermeden deneyi tanımlayabilmiş olmamızdır.

Şimdi E adında başka bir gözlemci olduğunu varsayalım. Sorun değil. İzlenecek modeli muhtemelen zaten anlamışsınızdır: dalga fonksiyonunun indirgenmesini önlemenin tek yolu, gözlemlenebilir Evrenin tamamını ve dalga fonksiyonunun tüm dallarını kuantum tanımına dahil etmektir. Önerilen yorum, dalga fonksiyonunu indirgeyerek herhangi bir deneyin tanımını tamamlamayı gerektiren pragmatik Bohr kuralına bir alternatiftir.

Everett'in dalga fonksiyonunu temsil etme yolu, olası sonuçların sonsuz bir dallanma ağacını tanımlar. Fizikçilerin çoğu - Bohr'un takipçileri - gözlem eyleminden sonra kalan tek bir dal dışında, dalga fonksiyonunun dallarını matematiksel bir kurgu olarak hayal ettiler. Dalga fonksiyonu indirgeme, gereksiz dalları kesmek için yararlı bir araçtır, ancak birçok fizikçi bu kuralı, kuantum mekaniğinin temel matematiksel aygıtına dayanmayan bir dış gözlemcinin keyfi bir müdahalesi olarak kabul eder. Tek rolleri son aşamada bir kenara bırakılacaksa, matematik neden tüm olası dalları açıklamaya dahil etsin?

Birçok dünya yorumunun destekçilerine göre, dalga fonksiyonunun tüm dalları eşit derecede gerçektir. Her çatalda dünya, sonsuza dek yan yana var olmaya devam eden iki veya daha fazla alternatif evrene ayrılır. Everett'in görüşüne göre, gerçeklik sürekli dallanıyor, ancak bir uyarı var: Farklı dallar, ayrıldıktan sonra asla birbirleriyle etkileşime girmiyor. "Canlı" dalda, ölü bir kedinin ruhu asla S.'ye kabuslarda musallat olmaz. Bohr kuralı, gelecekte gözlemci üzerinde hiçbir etkisi olmamasına rağmen, gerçekten var olan fazladan dalları kesmek için bir numaradır.

Bir şeyi daha belirtmekte fayda var. Zamanla, tarihin belirli bir aşamasında, inanılmaz derecede dallanmış bir dalga işlevi elde ederiz ve açıklamasında, olası her senaryonun hayal edilemeyecek sayıda kopyası vardır. Odaya girmeden önce zavallı B.'yi düşünün. S. kutuyu açtığı anda dallanan dalga fonksiyonu, B. de dahil olmak üzere sistemin tanımına dahil olan tüm nesnelerin geçmişini iki dala ayırır ve B.'nin bu dalların her birindeki durumu aynı. Bu kitabı okuduğunuz dalların sayısı neredeyse sonsuzdur. Bu bağlamda, olasılık kavramı yalnızca farklı sonuçların göreli sıklığı olarak anlam ifade eder. Daha fazla dalda mevcutsa, bir sonuç diğerinden daha olasıdır.

Deney açısından bakıldığında, birçok dünya ve Kopenhag yorumları arasında hiçbir fark yoktur. Kopenhag dalga fonksiyonu indirgeme kuralının pratikte deneysel sonuçların doğru olasılıklarını verdiğine kimse itiraz etmez. Ancak iki yorum, bu olasılıkların felsefi anlamı bakımından derinden farklıdır. Kopenhaglılar, olasılığın çok sayıda tekrarlanan deneyler yürütürken belirli bir sonuç elde etme olasılığının bir ölçüsü olduğuna inanarak muhafazakar bir görüşe bağlı kalıyorlar. Bir madeni para hayal edin. Madeni para "doğru" ise, sonucun (tura veya yazı) olasılığı bir buçuktur. Bu, bir madeni parayı yeterince fazla sayıda atarsanız, zamanın yaklaşık yarısında yazı geleceği ve zamanın yarısında tura geleceği anlamına gelir. Ne kadar çok atış olursa, sonuç ideal oran olan 50'ye 50'ye o kadar yakın olacaktır. Benzer mantık, zar atmak için de geçerlidir. Yeterince fazla sayıda atışa sahip kalıbın yüzlerinin her biri, altıda bir sıklıkta (bir hataya kadar) düşecektir. Genellikle hiç kimse tek bir madeni para veya zar rulosuna istatistik uygulamaz. Ancak birçok dünya yorumu tam da bunu yapar. Tek tek olayları, komedisi özellikle yazı tura atmada belirgin olacak şekilde ele alır. Yazı tura atıldığında dünyanın iki paralel dünyaya -turaların dünyası ve yazıların dünyası- bölünmesi fikri pek umut verici görünmüyor.

Fizikçiler neden kuantum mekaniğindeki olasılıklar konusunda bu kadar endişeliler ki, birçok dünya yorumu gibi garip fikirlere yönelmek zorunda kalıyorlar? Einstein neden "Tanrı zar atmaz"da bu kadar ısrar etti? Kuantum mekaniğinin neden olduğu şaşkınlığı anlamak için kendimize şu soruyu sormakta fayda var: "Mutlak kesinliğin Newtoncu dünyasında yine de istatistiksel yöntemlere başvurmak neden gerekli hale geliyor?" Cevap basit: Newton fiziğinde olasılıklar, bir deneyin tam başlangıç koşullarını neredeyse hiçbir zaman bilmememiz gibi basit bir nedenle ortaya çıkar. Madeni para atma deneyinde, deneyi yapanın elinin yapısı ve hareketi, odadaki tüm hava akımları ve deneyin sonucunu etkileyen diğer tüm faktörler hakkında doğru bilgilere sahip olsaydık, buna ihtiyaç duymazdık. herhangi bir olasılık. Her atış çok kesin bir sonuca götürürdü. Olasılık, deneyin ayrıntıları konusundaki cehaletimizi telafi etmek için kullanışlı bir numaradır. Olasılık, Newton yasalarında temel bir rol oynamaz.

Ancak kuantum mekaniğinde durum temelde farklıdır. Belirsizlik ilkesi nedeniyle, bir deneyin sonucunu doğru bir şekilde tahmin etmenin bir yolu yoktur - prensipte yoktur. Kuantum teorisinin temel denklemleri dalga fonksiyonunun evrimini belirler, başka bir şey değil. Olasılık, kuantum teorisinin temelinde yatmaktadır. Bu, bilgi eksikliğini telafi etmek için kullanılan uygun bir numara değildir . Ayrıca, dalga fonksiyonunun evrimini yöneten denklemler gereksiz dalları aniden kesmez. Dalga fonksiyonunu azaltmak sadece kullanışlı bir numaradır.

Bu sorun özellikle kozmolojik bağlamda şiddetli hale gelir. Bölüm 1'de anlattığım çift yarık deneyi gibi sıradan deneyler, tıpkı yazı tura atmak gibi defalarca tekrarlanabilir. Deney düzeneğinden geçen her foton ayrı bir deney olarak değerlendirilebilir. Sorun, çok büyük miktarda istatistiksel veri biriktirme ihtiyacı değildir. Kozmik ölçekte gerekli istatistikleri toplayamayacağımız gerçeğinden oluşur. Sonuçlarla ilgili istatistik toplamak için Big Bang'i birçok kez tekrarlamamız pek olası değil. Bu nedenle birçok kozmolog, çok dünyalı yorum felsefesine yönelir.

Carter'ın antropik ilkeyi birçok dünya yorumuyla birleştirme konusundaki öncü fikri şuydu: dalga fonksiyonunun yalnızca bir elektronun konumu, bir nötronun bozunması veya yaşam ve bir kedinin ölümü, ancak her dalda farklı Fizik Kanunları işliyor. Tüm dalların eşit derecede gerçek olduğunu varsayarsak, o zaman farklı boşluklara sahip birçok dünya olduğu ortaya çıkar. Modern bir dille, Peyzaj üzerindeki her noktanın kendi kolu olduğunu söyleyebiliriz. Geri kalan her şey, bu kitapta daha önce söylediklerimden farklı değil, tek fark, Megaevrenin farklı alanları yerine, gerçekliğin farklı versiyonlarından bahsedeceğiz. Ana fikri açıklığa kavuşturmak için 1. Bölümden alıntı yapacağım ve ardından içindeki birkaç kelimeyi değiştireceğim. Orijinal alıntı şöyledir: "Megaverse'te bir yerde bu sabit bu değere sahiptir ve bir yerde bu değere sahiptir. Sabitlerin değerlerinin bizim yaşam türümüzün var olabileceği şekilde olduğu küçük bir cepte yaşıyoruz. Ve işte değiştirilmiş alıntı: “Dalga fonksiyonunun bazı dallarında, bu sabitin böyle bir değeri vardır ve bazılarında - bu. Sabitlerin değerlerinin, türümüzün yaşamının var olmasına izin verecek şekilde olduğu ayrı bir dalda yaşıyoruz. İki alıntı benzer görünse de, alternatif evrenlerin varlığı hakkında tamamen farklı iki fikir taşıyorlar. Görünüşe göre, insancıl argümanı anlamlandırabilecek bir evren çeşitliliği elde etmenin başka bir yolu daha var. Antropik ilkenin farklı savunucularının, paralel evrenler kuramının hangi versiyonunun doğru olduğu konusunda farklı görüşlere sahip olduğunu da ekleyebilirim. Fikrimi bilmek ister misin? Her iki seçeneğin de aynı varlığın tamamlayıcı tanımları olduğuna inanıyorum.

Durumu daha ayrıntılı olarak ele alalım. Bu bölümün başlarında, sürekli şişmenin paralel ve seri olmak üzere iki temsilini tanımlamıştım. Paralel görünüm, birbirinden ufuklarla ayrılmış, birbirleriyle etkileşime girmeyen sayısız cep evrenle dolu devasa bir Megaevrenin varlığını kabul ediyor. Bu temsil, Everett'in birçok dünya yorumuyla uyumludur. Peki sıralı sunum?

Bir örneği ele alalım. Özellikleri Peyzaj vadilerinden birindeki konumuna göre belirlenen, oluşturulmuş bir uzay baloncuğu hayal edelim. Kolaylık sağlamak için tüm komşu vadilere isim vereceğiz. Balonun bulunduğu vadi Merkez Vadi olarak adlandırılsın. Doğusunda ve batısında, her biri Merkez'den biraz daha alçak olan Doğu ve Batı vadileri bulunur. Batı Vadisi'nden, biri Shangri La, diğeri - Ölüm Vadisi olarak adlandıracağımız yakınlardaki iki vadiye daha ulaşabilirsiniz. Ölüm Vadisi aslında bir vadi değil, sıfır yükseklikte bulunan düz bir platodur. East Valley'in ayrıca ulaşması kolay birkaç komşusu var ama biz onların isimleriyle uğraşmayacağız.

Cep evreniniz şişerken Central Valley'de olduğunuzu hayal edin. Aşağı vadilerin yakında olması nedeniyle, vadi vakumunuz yarı kararlıdır: her an içinde bir baloncuk oluşabilir ve sizi yutabilir. Böylece etrafa bakar ve çevrenizdeki uzayın özelliklerini inceliyorsunuz. Hâlâ Central Valley'de olduğunuzu görebilir veya Doğu ya da West Valley'e çoktan geçiş yaptığınızı fark edebilirsiniz. Şu anda içinde bulunduğunuz vadi, tıpkı kuantum mekaniğinin Schrödinger'in kedisinin kaderini belirlemesi gibi, kuantum mekaniğinin kanunları tarafından rastgele belirlenir.

Şimdi kendinizi Western Valley'de bulduğunuzu varsayalım. Dalga fonksiyonunuzun East Valley dalını da bırakabilirsiniz. Geleceğin için önemli değil. Bir süre sonra, eğer şanslıysanız, yaşam dostu Shangri La Valley'in mekan özelliklerini belirlediği bir balon tarafından yutulabilirsiniz. Ama sonunda Ölüm Vadisi'ne de gidebilirsin. Her yol ayrımında, Bohr ve Kopenhag çetesi size her sonucun olasılığını nasıl hesaplayacağınızı söyleyecektir. Ardından, denemenizin sonucuna uymayan dalların fazla bagajından kurtulmak için dalga fonksiyonunu azaltmanızı söyleyecekler. Bu sıralı görünümdür.

Benim fikrim şimdiye kadar sizin için açık olmalı. Sürekli olarak cep evreninizin ufku içinde kaldığınız, olayları gözlemlediğiniz ve gereksiz yüklerden kurtulduğunuz sıralı temsil, Bohr'un kuantum mekaniği yorumudur. Megaverse'nin birbiriyle etkileşime girmeyen birçok cep evreniyle dolu paralel temsili, Everett'in yorumuyla tutarlıdır. Bu yazışmada hoş bir mantık buluyorum. Belki de sonunda kuantum mekaniğinin yalnızca dallanan bir Megaevren bağlamında anlamlı olduğunu ve Megaevren'in yalnızca Everett'in yorumunun dallanan bir gerçekliği olarak anlam ifade ettiğini bulacağız.

İster Megaevrenin dilinden isterse Çok-Dünya Yorumu dilinden konuşalım, paralel temsil, sicim kuramının devasa manzarasıyla birlikte, bize antropik ilkeyi aptalca bir totolojiden güçlü bir bilgi aracına dönüştürebilecek iki unsur verir. Ancak paralel görüş, akla gelebilecek herhangi bir gözlem aracının her zaman ulaşamayacağı uzay ve zaman bölgelerinin var olduğu gerçeğinin varsayımına dayanmaktadır. Bazı insanlar için bu bir kaygı hissine neden olur. Beni de endişelendiriyor. Cep evrenlerinin sınırsız denizi gerçekten ulaşılamaz ufukların ötesinde uzanıyorsa, o zaman paralel temsil gerçekten de bilimden çok metafizik gibi görünüyor. Bir sonraki bölüm tamamen ufuklara ve bunların gerçekten aşılamaz engeller olup olmadığı sorusuna ayrılacak.

Bölüm 12
 

Diğer günler kahvaltıdan önce bir düzine imkansızlığa inanacak zamanım oluyordu!

Lewis Carroll (çeviren N. M. Demurova)

“Sıcaklık sizi kucaklarken sadece çaresizce izleyebilirsiniz. Yakında değerli vücut sıvılarınız kaynamaya başlayacak ve sonra buharlaşacaktır. O kadar ısınacak ki, vücudunuzdaki atomlar birbirinden ayrılmaya başlayacak. Ama önceden bildirildiği gibi, eninde sonunda bize saf ışık ve parlaklık olarak döneceksiniz.

Ama korkma. Acı çekmeden, acı çekmeden diğer tarafa geçeceksiniz. Şu anki halinle bizim için sonsuza dek kaybolacaksın, seninle bir daha asla iletişim kuramayacağız, en azından yollarımız tekrar kesişene kadar. Ama dostum, şu anki oturduğun yerden bizi her zaman görecek ve sensiz nasıl yaşadığımızı bileceksin. İyi şanlar".

Şehitlik ve diriliş tarihi? Kapüşonlu bir adam bir oto dafeden önce bir şehidi teselli ediyor mu? Yaşamı ölümden ayıran çizgiyi geçmek mi? Hiçbir şey böyle değil. Bu, bir kara deliğe dalmaya ve ufkunun ötesinde bizden saklanmaya karar veren yıldızlararası bir gezgin hakkında, ancak var olma hakkına sahip bir kurgu. Ve eylem bir kilise şapelinde değil, rahminde bir teorik fizikçi taşıyan bir yıldız gemisinde gerçekleşir.

Bu özel kitabın konusuna bağlıysanız, o zaman sürekli esen Evrenin kozmik ufkunu geçmekten bahsedebiliriz. Ancak kozmik ufuklara biraz sonra döneceğiz.

Spiritüalistler, ölülerle iletişimin mümkün olduğuna inanırlar: bunun için gerekli olan tek şey, karanlık bilimlerde bir usta olan doğru ortamdır. Bu konuda ne düşündüğümü tahmin edebilirsiniz, ama ironik bir şekilde, Kara Delik Savaşı'nda olay ufkunun diğer tarafında yaşayan ölümsüzlerle iletişim kurma olasılığına dair tezi savunan başlıca savaşçılardan biri bendim. Savaş çeyrek asır sürdü ama artık her şey bitti.

Bu dramanın kahramanları bir yanda Stephen Hawking ve onun Relativist Generals [97] ana ekibi , diğer yanda Gerard 't Hooft ve bendik. Bu ilk on beş yıl boyunca devam etti. Daha sonra bir grup sicim teorisyeni tarafından desteklendik.

Gerard 't Hooft Hollandalıdır. Bilime toplam katkı açısından, Hollandalılar açık ara dünyanın en büyük fizikçileridir. Christian Huygens, Hendrik Anton Lorentz, Willem de Sitter, Heike Kamerling-Onnes, George Uhlenbeck, Jan Diederik van der Waals, Gerhard Casimir Hendrik, Martinus Veltman, Gerard 't Hooft en büyük isimlerden sadece birkaçı. Lorentz ve 't Hooft belki de tarihin en büyük fizikçileridir. Gerard 't Hooft, Lorentz'in, Einstein'ın ve Bohr'un fiziğinin ruhunu herkesten daha fazla somutlaştırıyor.

't Hooft benden altı yaş küçük olmasına rağmen ona her zaman hayranlık duymuşumdur.

Gerard sadece savaşımızın bir kahramanı değil, aynı zamanda harika bir arkadaşım. Benden çok daha güçlü bir fizikçi olmasına rağmen, genel olarak bilime ve özel olarak fiziğe bakış açılarımız her zaman çok yakın olmuştur. Yıllar geçtikçe kendimizi sık sık aynı bulmacaları çözerken, aynı paradokslar için endişelenirken bulduk ve hatta şu ya da bu sorunu nasıl çözeceğimize dair tahminlerimiz bile örtüştü. Bana öyle geliyor ki hem Gerard hem de ben, ancak diğer tüm yollar çıkmaza girerse radikal bir çözümü kabul edecek çok muhafazakar fizikçileriz. Ve son olarak, o korkusuz!

fizikten gerçek bir Evel Knievel'dir [98] . Pervasızlık derecesinde cesur olan Stephen, tekerlekli sandalyesini üniversite yollarında bir yarış arabası hızında yararak Cambridge sakinleri için küçük bir tehdit oluşturmuyordu. Ve fizikteki tarzı, pek çok yönden tekerlekli sandalyedeki tarzına benziyor; pervasız, tüyler ürpertici maceralar. Ancak Evel Knievel gibi Steven da bazen felakete uğradı.

Stephen kısa süre önce altmış yaşına bastı. Doğum gününün kutlanması, 60 yaşındaki bir fizikçinin doğum gününe en az benziyordu. Fizik üzerine seminerler ve dersler - açıktır: onlarsız nerede? Ama buna müzik, dans, U2'den ünlü rock yıldızı, Marilyn Monroe doppelgänger ve fizikçilerden oluşan koroyu ekleyin. Çok büyük bir medya olayıydı.

Beni onunla uzun yıllar birbirine bağlayan ilişki hakkında size bir fikir vermesi için, bu tatilde verdiğim bir tebrik konuşmasından alıntı yapacağım:

"Hepimizin bildiği gibi Stephen, evrendeki en inatçı ve dolayısıyla çileden çıkaran kişidir. Onunla olan bilimsel ilişkimin bir yüzleşme olarak adlandırılabileceğine inanıyorum. Kara delikler, bilgi ve bunun gibi şeylerle ilgili konularda derinden anlaşamıyoruz. Bazen hüsrandan saçımı yolmamı sağladı - ve şimdi sonucu açıkça görebilirsiniz. Sizi temin ederim, yirmi yılı aşkın bir süre önce tartışmaya başladığımızda, kafamın tamamı saçlarla kaplıydı.

O anda, Stephen'ı o muzip gülümsemesiyle salonun arkasında gördüm ve devam ettim:

“Tanıdığım tüm fizikçiler arasında benim ve düşünce tarzım üzerinde en büyük etkiye sahip olduğunu da söyleyebilirim. 1983'ten beri düşündüğüm hemen hemen her şey, bir kara deliğe düşen bilginin kaderi hakkındaki en derin sorusuna şu ya da bu şekilde cevap verdi. Cevabının yanlış olduğuna kesinlikle inanmakla birlikte, Stephen'ın sorusunun kendisi, ikna edici bir cevap talebiyle birleştiğinde, bizi fiziğin temellerini yeniden düşünmeye zorladı. Sonuç, bugün şekillenmekte olan tamamen yeni bir paradigmaydı. Burada Stephen'ın muazzam katkısını ve özellikle de parlak inatçılığını takdir edebildiğim için derinden onur duyuyorum."

Bu üç yıl önceydi ama Stephen Hawking hâlâ kendisinin haklı olduğuna ve Hooft ile benim yanıldığımıza inanıyor.

Savaşın ilk günlerinde, konumu ne olursa olsun, kazananın yanında olmaya çalışan birçok sığınmacı vardı. Ama Stephen, kredisine göre, daha fazla direniş artık sadece yararsız değil, imkansız olana kadar silahlarını bırakmadı. Sonra zarafetle ve kayıtsız şartsız teslim oldu. Ve dürüst olmak gerekirse, Hawking daha az fanatizmle savaşsaydı, muhtemelen kara delikler hakkında bugün bildiğimizden çok daha az şey biliyor olurduk.

Hawking'in bakış açısı basit ve anlaşılırdı: Bir kara deliğin ufku, "geri dönüşü olmayan noktadır". Ufuktan geçen her şey kapana kısılır. Ufkun altından geri dönebilmek için ışık hızını aşmak gerekir ve Einstein'a göre bu tamamen imkansızdır. İnsanlar, atomlar, fotonlar, mesaj taşıyabilen herhangi bir sinyal, ışık hızını aşamaz. Tek bir nesne veya sinyal ufkun altından dış dünyaya çıkamaz. Bir kara deliğin ufku mükemmel hapishane duvarıdır. Bu hapishaneden haber bekleyen bir gözlemci sonsuza kadar bekleyebilir ama tek bir bilgi bile alamayacaktır. En azından Hawking'in düşündüğü buydu.

Genel göreliliğin karmaşık matematiksel detaylarına girmeden bir kara deliğin fiziği hakkında bir fikir edinmek için iyi bir analojiye ihtiyacımız var. Neyse ki bizde var. İlk kimin kullandığını hatırlamıyorum ama Kanadalı fizikçi Bill Unruh'tan öğrendim. Evrenin şişmesini göstermek için önceki bölümde zaten kullandığımız sonsuz sığ göle geri dönelim. Ancak şimdi tüm tabanın altında bulunan su temini için borulara ihtiyacımız yok. Bunun yerine, merkezde bir drenaj inşa edeceğiz. Gölün dibindeki bir delik, suyun dışarı akmasına, muhtemelen çok yükseklerden taşmanın altındaki keskin, ölümcül kayaların üzerine düşmesine izin verirdi. Gözlemcili bazı tekneleri de ekleyelim. Gözlemciler iki kurala uymak zorundadır. İlk olarak, yalnızca yüzey dalgalarını, yani bir gölün yüzeyindeki dalgalanmaları kullanarak iletişim kurabilirler. Örneğin, dalgalar oluşturmak için parmaklarını suda hareket ettirebilirler. İkinci kural, suya göre hareket hızının sınırlandırılmasıdır. Teknenin hiçbir koşulda yüzey dalgalarından daha hızlı hareket etmesine izin verilmez.

Su hareketinin algılanamadığı merkezden uzakta bulunan gözlemcilerle başlayalım. Bu, suyun orada hiç hareket etmediği anlamına gelmez: gölün merkezine doğru çok yavaş hareket eder, ancak gözlemciler bunu pek fark etmez. Ancak drenaj deliğine yaklaştıkça su akışı hızlanır ve drenajın hemen yakınında suyun hareket hızı yüzey dalgalarının hızından daha büyük olur. Bu bölgeden gelen dalgalar, drenden ters yönde yayılsalar bile, su akışıyla drene emilecektir. Açıkçası, dikkatsizce bu yere düşen herhangi bir tekne, drenaj deliğine çekilmeye ve aşağıdaki kayalara çarpmaya mahkumdur. Aynı zamanda, suyun hareket hızının yüzey dalgalarının hızına tam olarak karşılık geldiği belirli bir sınır vardır. Bu sınır sözde geri dönüşü olmayan noktadır (buradaki "nokta" kelimesi elbette felsefi bir metafor anlamına gelir, geometrik bir nesne değil). Sınırı bir kez geçtikten sonra, sizin için geri dönüş yolu yoktur. Dışarıda kalanlara bir mesaj iletecek bir yol bile yok. Bir kara deliğin ufku öyle bir geri dönüşü olmayan noktadır ki, karadelik söz konusu olduğunda artık su değil, uzay-zamanın kendisi karadeliğe ışık hızıyla düşer. Einstein'ın mümkün olan maksimum hız olarak varsaydığı ışık hızını aşmadan hiçbir sinyal ufuktan ayrılamaz. Şimdiye kadar, Steven'ın bir kara deliğin ufkunun altına düşen bilginin, dışarıda kalan herhangi biri tarafından geri alınamayacak şekilde kaybolduğundan neden bu kadar emin olduğunu anlamış olmalısınız.

Ancak Stephen, kendisine karşı dönen bir silah yarattı. Stephen, Yaakov Bekenshtein'ın kapsamlı çalışmasını temel alarak 1970'lerin başında kara deliklerin sıfır olmayan bir sıcaklığa sahip olduğunu gösterdi. Daha önce fizikçilerin düşündüğü gibi kesinlikle soğuk değiller. Kara delik ne kadar büyükse sıcaklığı o kadar düşüktür, ancak kara delik ne kadar büyük olursa olsun sıcaklığı asla mutlak sıfır olmayacaktır. Örneğin, Hawking'e göre bir yıldızın çökmesi sonucu oluşan bir kara delik, mutlak sıfırın yalnızca on milyonda biri kadar bir sıcaklığa sahip olacaktır. Ama sıfır değil!

Hawking, sıfır olmayan diğer herhangi bir nesne gibi bir kara deliğin de enerji yayacağını düşündü. Şömineden çıkarılan kızgın bir maşa turuncu veya kırmızı ışık yayar. Sıcak nesneler, insan gözüyle görülemeyen kızılötesi aralıkta yayar. Bir nesne ne kadar soğuk olursa olsun, sıcaklığı mutlak sıfır değilse elektromanyetik dalgalar şeklinde enerji yayar. Bir kara delik söz konusu olduğunda, bu radyasyona Hawking radyasyonu denir . Bu, Hawking'in en büyük keşiflerinden biriydi.

Ayrıca: yayılan her şey enerji kaybeder. Ancak Einstein'a göre kütle ve enerji aynı varlığın iki yüzüdür. Zamanla kara deliklerin kütle kaybettiği ortaya çıktı ve bu, tamamen buharlaşıp geride yalnızca Hawking radyasyonunun fotonlarını bırakana kadar oluyor.

Merakla, bir kara deliğe düşen herhangi bir nesnenin kütlesi kaçınılmaz olarak Hawking radyasyonu şeklinde geri yayılır. Cesurca ufku aşan cesur bir yıldızlararası yolcunun enerjisi, sonunda "saf ışık ve parlaklık" biçiminde geri döner.

Ancak Hawking'e göre, sinyal yayılma hızı ışık hızını geçemeyeceği için, bir kara deliğin karnından gelen hiçbir bilgi Hawking radyasyonu ile birlikte ufuktan kaçamaz. Bu bilgi hapsedilir - kara delik buharlaştığında kaybolur.

Bunu ilk kez 1980'de Steven, Gerard ve ben San Francisco'da küçük bir konferansa katılırken duydum. Gerard ve ben, Stephen'ın vardığı sonuçlardan derinden rahatsız olduk ve onun yanıldığına inandık. Ama hiçbirimiz onun muhakemesinde neyin yanlış olduğunu tam olarak anlayamadık. Derin bir rahatsızlık hissettim. Çok ciddi boyutlara sahip bir paradoksla karşı karşıyaydık: Bu paradoksun çözülmesi, yerçekimi ve kuantum mekaniği arasındaki anlaşılması zor bağlantının daha derin bir şekilde anlaşılması için umutları sonunda açabilirdi.

Sorun, Hawking'in türetmesinin fiziğin temel taşlarından birini ihlal etmesiydi. Hawking bunu kesinlikle anladı. Bu nedenle, bir kara delik buharlaştığında bilgi kaybetme sorununu çok heyecan verici buldu. Ancak 't Hooft ve ben, bilginin korunumu ilkesinin, kara delik gibi garip bir nesnenin varlığında bile onu iptal edemeyecek kadar fiziğin mantıksal temellerine gömülü olduğunu hissettik. Eğer haklıysak, o zaman bir kara deliğin ufkunun altına düşen bir parça bilginin Hawking radyasyonuyla geri dönmesine izin veren ve böylece bir kara deliğin göbeğinde sıkışıp kalmış mahkumların bir mesaj çıktı.

Elbette hiç kimse bilginin bir kara delikten kolayca algılanabilir bir biçimde geri geldiği fikrini savunmadı. Öyle bir şekilde çıkıyor ki, deşifre etmek neredeyse imkansız. Ancak tartışma pratik yönlerle ilgili değildi. Doğa yasalarını ve fizik ilkelerini gözlemlemekle ilgiliydi.

Özellikle tanınmayacak şekilde şifrelenmişse, bilgi tam olarak nedir? Bunu anlamak için hapishane benzetmesine bakalım. Diyelim ki hapisteki bir mafya babası, vahşi doğadaki adamına bir mesaj göndermek istiyor. Önce bir mesaj yazar: "Piranha kardeşlere Kid'e on bin bahse girmelerini söyleyin." Sansürün işini zorlaştırmak için, örneğin Encyclopedia Britannica'dan birkaç sayfalık metin gibi bir dizi sahte mesajı sonuna ekler. Lider daha sonra mesajı her kartta bir harf olacak şekilde bir dizi karta yazar. Kartları doğru sırayla sıralarsanız, hem baştaki mesajın içeriğini hem de sonunda Britannica'dan gelen metni okuyabilirsiniz. Bundan sonra lider mesajı şifreler. Bunun için özel bir algoritması var. Kart destesini karıştırmaya başlar, ancak rastgele değil, belirli bir kurala göre. Bundan sonra, aynı kuralın rehberliğinde desteyi tekrar karıştırır. Bu prosedürü on milyondan fazla kez tekrarlıyor. Mesaj daha sonra bir suç ortağına iletilir.

Bireysel haritalar, bir kara delik tarafından yayılan Hawking radyasyonunun bireysel fotonlarına benzer.

Suç ortağı mesajı aldıktan sonra ne yapar? Kartları karıştırmanın kurallarını bilmiyorsa, elinde herhangi bir bilgi taşımayan anlamsız, rastgele bir harf dizisinden başka hiçbir şey yoktur. Ancak yine de bu kart setinde bilgi var. Karıştırma algoritmasını on milyon kez ters sırayla uygulayarak, suç ortağı orijinal sırasını alabilir ve bundan sonra kartlara yazılan harfler anlamlı bir metin oluşturur. Bu bilgi, şifrelenmiş olsa bile destede bulunuyordu. Suç ortağı karıştırma kurallarını bilmiyorsa, bilgi yine destede mevcut olacaktır.

Başka bir durumu ele alalım. Bir hapishane sansürcüsünün iradeye teslim edilen bir desteye baktığını, onu yere düşürdüğünü ve kartların rastgele sırayla düştüğünü varsayalım. Sonra kartları topladı ve desteyi rastgele katladı. Ve böylece - on milyon kez ... Şimdi, suç ortağı özgür olsa ve karıştırma algoritmasını bilse bile, orijinal diziyi geri yükleyemeyecektir. Böyle bir destedeki bilgiler bu sefer gerçekten kayboluyor. Rastgele karıştırma, mesajı yalnızca şifrelemekle kalmaz, aynı zamanda içerdiği bilgileri de tamamen yok eder.

Hawking, 't Hooft ve benim aramdaki anlaşmazlığın konusu, bir kara deliğin ufkunun altından alınan mesajları kurtarmanın pratik yöntemlerinin tartışılması değildi. Anlaşmazlığımız, bu tür yöntemlerin varlığının temel olasılığıyla ilgiliydi. Gerard ve ben, doğanın bilgiyi şifrelediğini ama asla yok etmediğini savunduk. Öte yandan Steven, kara deliklerin herhangi bir sürece temelde geri alınamaz bir rastgelelik unsuru kattığı ve Hawking radyasyonu biçiminde kara deliği terk etmeden önce herhangi bir bilgiyi yok ettiği görüşündeydi. Bir kez daha dikkatinizi çekiyorum ki, konunun özü teknik değil, temel, temel bir bilgi kurtarma olasılığı veya imkansızlığıdır.

Dikkatli okuyucu birkaç bariz soru sorabilir. Kuantum mekaniği, doğa kanunlarına bir şans unsuru sokmaz mı? Kuantum titremesinin bilgiyi yok etmesi gerekmez mi? Açıklaması çok kolay değil ama ikinci sorunun cevabı "Hayır". Kuantum bilgisi, klasik sembol dizisi kadar ayrıntılı değildir ve kuantum mekaniğindeki rastgelelik çok özel bir türdür. Hawking ise, kuantum mekaniğinin standart yasalarının izin verdiği olağan belirsizliğe ek olarak, fiziğin diğer alanlarında benzeri olmayan bir kara deliğin derinliklerinde tamamen yeni bir tür belirsizliğin ortaya çıktığını savundu.

Hapishane analojisini geliştirelim. Bir suç ortağının hapishaneye bazı benzersiz bilgiler içeren bir mesaj gönderdiğini hayal edin. Aslında hapishaneye sürekli bir mesaj akışının girdiğini bile hayal edebiliriz. Ancak hapishane kauçuk değildir. Süresiz olarak giren tüm kağıt akışını içeremez. Bir noktada, gardiyanlar tüm bu atık kağıtları bir çöp kutusuna atıp hapishanenin dışına çıkarmak zorunda kalacaklar. Hawking'e göre hapishaneye anlamlı mesajlar gelir, hapishaneden çöp kutuları çıkar ama hapishanenin kendisinde, gelen mesajların içerdiği bilgiler bu yeni tür belirsizlikle yok edilir. Ama Hooft ve ben, "Hayır! Çöp kutusundaki iletiler yine de bilgi içerebilir. O yok edilemez." Bir kara deliğe düşen kuantum bitlerinin [99] , yalnızca kurtarma algoritmasını biliyorsanız her zaman kurtarılabileceğini savunduk.

Ancak Hooft ve benim savunduğumuz pozisyon bizi başka bir soruna getiriyor. Bilginin ufkun altından geri dönebileceği konusunda ısrar ettik, ancak ışık hızını aşmayı gerektiriyorsa bu nasıl olabilir?

Bunu hangi mekanizma sağlayabilir? Açık cevap şudur: bu asla olamaz.

Yıldızlararası bir gezgini işe alacağımız bir kurye ile kara deliğe bir mesaj gönderelim. Genel görelilik yasalarına göre, mesaj, gezginle birlikte ufkun altında sonsuza dek kaybolmak zorundadır. Öte yandan, kuantum mekaniğinin temel ilkelerini kurtarmak için Hooft ve ben, bu mesajın bilgi parçalarının, gezgin ufku geçmeden hemen önce Hawking radyasyonu tarafından dışarıya iletileceğini tartıştık. Sanki mesaj kuryenin elinden son anda cezaevi kapısında koparılmış ve kurye geri dönülmez noktayı geçmeden hemen oradan çıkarılan çöp kutusuna aktarılmış gibidir.

Bu ilke çatışması çok ciddi bir ikilem yarattı. Bir yandan genel görelilik, ufkun altına düşen bitlerin bir kara deliğin bağırsaklarına doğru yollarına devam etmesi gerektiğini söylüyor. Öte yandan, kuantum mekaniğinin kuralları, dış dünya için bilgi kaybına izin vermez. Ancak bu ikilemi çözmenin bir yolu vardı. Hapishane benzetmesine geri dönelim. Cezaevi kapılarının önünde elinde fotokopi makinesiyle oturan ve gelen her mesajı birer birer kopyalayan bir gardiyan olduğunu varsayalım. Bir nüshayı cezaevine verir, ikinci nüshayı şifreleyip geri gönderir. Böyle bir açıklama herkesi tatmin etmiş gibi görünüyordu. Hapishanedekiler, gelen mesajları şifrelenmemiş biçimde alacak ve suç ortakları, hapishaneye gönderdikleri bilgilerin kaybolmamasını sağlayacak.

herkes haklı
 

eğlence burada başlıyor. Bir kuantum fotokopi makinesinin imkansız olduğunu söyleyen kuantum mekaniğinin temel bir ilkesi vardır. Kuantum bilgisi tam olarak kopyalanamaz. Bir makine bazı bilgileri kopyalamada ne kadar iyi olursa olsun, diğerlerini kopyalamada her zaman kötü olacaktır. Ben buna kuantum kopyalanamazlık ilkesi diyorum . Kuantum bilgi uzmanları buna klonlama yok teoremi diyor . Bu teorem, rastgele bilinmeyen bir kuantum durumunun mükemmel bir kopyasını yaratmanın imkansız olduğunu söylüyor.

Kuantum kopyalanamazlık ilkesini anlamak için tek bir elektron düşünün. Heisenberg Belirsizlik İlkesi, bir elektronun konumunu ve hızını aynı anda tam olarak bilmenin imkansız olduğunu söyler. Şimdi, belirli bir kuantum fotokopi makinesinin bir elektronun durumunu tam olarak kopyalayabildiğini varsayalım. Bundan sonra, durumun bir kopyasındaki bir elektronun konumunu (hızını ihmal ederek) kesinlikle doğru bir şekilde ölçebilir ve ikinci kopyadaki bir elektronun hızını kesinlikle doğru bir şekilde ölçebilir, böylece belirsizlik ilkesi tarafından yasaklanan bilgiyi elde edebiliriz.

Dolayısıyla yeni bir ikilemle karşı karşıyayız: Genel görelilik bize bilginin ufukta kara deliğin merkezine doğru düşmesi gerektiğini söylerken, kuantum mekaniği aynı bilginin kara deliğin dışında kalmasını gerektirir. Bu durumda, klonlama yok teoremi, her bitin yalnızca bir kopyasının mümkün olduğunu belirtir. Bu, Hawking ve 't Hooft olarak kendimizi içine soktuğumuz çıkmaz sokaktı. 1990'ların başında durum tamamen anlaşılmaz hale geldi: kim haklı? Kuantum mekaniğinin ilkelerine uymayı bekleyen dışarıdan bir gözlemci, hangi bilgi bitlerinin ufkun hemen üzerinde geciktirilmesi, şifrelenmesi ve Hawking radyasyonu biçiminde geri döndürülmesi gerekir? Ya da ufukta bir kara deliğe düşen ve haklı olarak cebindeki mesajın sağ salim kara deliğin merkezine ulaşmasını bekleyen bir gözlemci?

Paradoksun çözümü nihayetinde, Hooft ve benim 1990'ların başında açıkladığımız iki yeni fizik ilkesinin getirilmesini gerektirdi. Bu ilkelerin ikisi de çok garip, Hawking'in bilginin geri dönüşü olmayan bir şekilde kaybolabileceği fikrinden çok daha garip, o kadar garip ki Hooft ve ben dışında kimse onlara ilk başta inanmadı. Ancak Sherlock Holmes'un bir keresinde Dr. Watson'a dediği gibi: "İmkansız olan her şeyi reddet - geriye kalan, ne kadar inanılmaz olursa olsun cevaptır."

Kara deliklerin tamamlayıcılığı
 

Niels Bohr, modern fiziğin tüm babaları arasında en felsefi olanıydı. Kuantum mekaniğinin yaratılmasına eşlik eden felsefi devrim, Bohr'u ünlü tamamlayıcılık ilkesini formüle etmeye yöneltti . Kuantum mekaniğinin tamamlayıcılığı, uygulamalarının çoğu için bir manifesto haline geldi, ancak Bohr'un en sevdiği örnek, Einstein'ın foton kavramını ortaya koymasından sonra fizikte ortaya çıkan dalga-parçacık ikiliğiydi. Işık parçacıklar mı yoksa dalgalar mı? Bu iki temsil o kadar farklı görünüyor ki uyumsuz görünüyorlar.

Yine de ışık hem dalga hem de parçacıktır. Ya da daha doğrusu, bazı deneylerde ışık, bir parçacık akışı gibi davranır. Bir flüoresan ekrana düşen çok zayıf bir ışık demeti, üzerinde küçük noktalı noktalar bırakır - ışığın bölünemez fotonlardan oluşan ayrık doğasının kanıtı. Öte yandan, bu noktalardan yeterince varsa, ekranda bir girişim deseni oluştururlar - bu, yalnızca dalgalar için anlamlı olan bir olgudur. Her şey ışığı nasıl kaydettiğinize ve deney sırasında neyi ölçmek istediğinize bağlıdır.

Bu açıklamaların her ikisi de tamamlayıcıdır ve çelişkili değildir.

Tamamlayıcılığın bir başka örneği de Heisenberg belirsizlik ilkesidir. Klasik fizikte, bir parçacığın durumunun tanımı, uzaydaki konumunun ve momentumunun tam olarak atanmasını içerir. Ancak kuantum mekaniğinde, bir parçacığın konumunu veya momentumunu tam olarak belirleyebilirsiniz ve asla ikisini aynı anda belirleyemezsiniz. "Parçacığın tam bir konumu ve momentumu vardır" ifadesi, "parçacığın tam bir konumu veya tam bir momentumu vardır" ifadesi ile değiştirilmelidir. Buna göre ışık, parçacıklar veya dalgalardır. Açıklamalardan birinin veya diğerinin kullanılması, deneyin amacına bağlıdır.

Kuantum mekaniğinin genel görelilik kuramıyla birleşimi, yeni bir tür tamamlayıcılığa - kara deliklerin tamamlayıcılığına - yol açar . “Kim haklı: kara delik ufkunun dışında kalan ve ufkun hemen üzerinde uzanan bir yüzeyden kendisine gelen tüm bilgileri kaydeden bir gözlemci mi yoksa yanında bir mesaj taşıyan bir gözlemci mi?” sorusunun kesin bir yanıtı yok. , kara deliğin merkezine doğru mu ilerliyor? Her biri kendi bağlamında doğrudur: kanıtları, iki farklı deneyin tamamlayıcı açıklamasıdır. Bir yandan, kara deliğin dışında kalan bir deneyci karadeliğe nesneler fırlatabilir ve ufkun biraz üzerindeki bir yüzeyden gelen fotonları kaydedebilir, kara deliğin yerçekimi alanının ufka yakın uçan parçacıkların yörüngeleri üzerindeki etkisini gözlemleyebilir, vb. Öte yandan, laboratuvarında deney hazırlayan ikinci deneyci daha sonra laboratuvarla birlikte kara deliğin içine düşerek ufku aşarak karadeliğin merkezine giderken deneylerine devam edebilir.

ek açıklamaları o kadar radikal bir şekilde farklıdır ki, öne sürdüğümüz ilkenin geçerliliği hakkında şüphe uyandırırlar. Dışarıdan bir gözlemci [100] maddenin ufka düştüğünü, yavaşladığını ve hemen üzerinde donduğunu görür. Ufkun yakınında, madde bireysel parçacıklara ayrılır ve sonunda Hawking radyasyonu şeklinde geri döner. Aslında, dışarıdan bir gözlemci çaresiz meslektaşının nasıl buharlaştığını ve ışık ve ışıltı olarak geri döndüğünü görür.

Ancak dışarıdan bir gözlemcinin deneyiminin, serbest düşen bir gözlemcinin deneyimiyle hiçbir ilgisi yoktur. Serbest düşen bir gözlemci, farkına bile varmadan ufku güvenle geçer. Şok yok, yüksek sıcaklık yok, "dönüşü olmayan noktayı" geçtiğine dair başka bir kanıt yok. Kara delik yeterince büyükse, diyelim ki birkaç milyon ışıkyılı yarıçapında, hiçbir rahatsızlık hissetmeden milyonlarca yıl karadeliğin içine düşecek. En azından yerçekimi alanının homojen olmamasından kaynaklanan gelgit kuvvetlerinin o kadar güçlü hale geldiği kara deliğin merkezine ulaşana kadar ... hayır, ona ne olacağını düşünmemek daha iyidir.

Bu tür iki farklı tanım, çözülemez bir çelişki izlenimi veriyor. Ancak Bohr, Heisenberg ve onların takipçilerinden öğrendiğimiz gibi, hesaba katılması gereken tek çelişki türü, iki farklı tanımlamanın aynı deney için farklı sonuçların tahminine yol açmasıdır. Temel olarak uyumsuz iki deneyden bahsediyorsak, açıklamaların tutarsızlığı konusunda endişelenmek için hiçbir neden yoktur. Bir kara deliğe serbestçe düşen bir gözlemci, dışarıda kalanlarla asla deneyim alışverişinde bulunamaz: ufku başarıyla geçtikten sonra, diğer tarafta kalan tüm gözlemcilerle teması kesilir. Bu nedenle, kara deliklerin tamamlayıcılığı, ne kadar garip görünürse görünsün, tamamen meşru bir fiziksel şeydir.

Fizikteki kuantum mekaniği devriminden bahsetmiştim. 20. yüzyılın başlarındaki bir başka büyük devrim, Einstein'ın görelilik kuramıydı. Bazı fenomenler, gözlemcinin hareketinin doğasına bağlıdır. Örneğin, uzamsal bir boşlukla ayrılmış iki olayın aynı anda gerçekleştiğini kesin olarak iddia edemeyiz. Sıraları, birbirine göre hareket eden farklı gözlemciler için farklı olabilir. Diyelim ki bir gözlemci arka arkaya iki ışık parlaması görüyor, diğeri ise bunların aynı anda olduğunu iddia ediyor.

Kara deliklerin tamamlayıcılık ilkesi, göreliliğin yeni ve daha güçlü bir ilkesidir. Bir kez daha: olayların tanımı, gözlemcinin hareket durumuna bağlıdır. Kara deliğin dışında yalnız kalan tek bir resim görüyorsunuz. Serbestçe bir kara deliğin içine düşerken, aynı olayları tamamen farklı bir şekilde görürsünüz.

Tamamlayıcılık ve görelilik - 20. yüzyılın en büyük beyinlerinin meyveleri - şimdi uzay, zaman ve bilgiye dair radikal ve yeni bir vizyonda birleşiyor.

Holografik ilke
 

Belki de Hawking'in yaptığı hata, bir parça bilginin belirli bir uzamsal yerelleştirmeye sahip olduğunu hayal etmesidir. Kuantum bitinin basit bir örneği, bir fotonun polarizasyonudur. Her fotonun, fotonun hareket yönü üzerindeki izdüşümüne sarmallık adı verilen bir dönüşü vardır . Bir fotonun elektrik alanını, hareket yönüne dik bir ok şeklinde hayal edin. Bu okun ucu, uzayda sarmal bir sarmal çizerek, fotonun hareket yönüne dik bir düzlemde dönmektedir. Bu spiral, bir vidadaki sağ veya sol diş gibi hem saat yönünde hem de saat yönünün tersine bükülebilir. İlk durumda, ışık huzmesini oluşturan fotonlar denir sağ , ikinci durumda - sol . Günlük yaşamda kullanılan vidalar ve vidalar neredeyse her zaman sağ elini kullanır, ancak bu bir doğa kanununun bir tezahürü değildir, yalnızca insan popülasyonunda sağ elini kullananların sol elini kullananlara üstün gelmesinin bir sonucudur. Fotonlar eşit olasılıkla hem sağda hem de solda olabilir. Bu fenomene fotonların dairesel polarizasyonu denir .

Tek bir fotonun polarizasyonu, tek bir kuantum biti bilgi içerir. Mors alfabesiyle iletilen mesajlar, noktaları ve çizgileri kodlayan farklı polarizasyonlara sahip bir foton dizisi olarak gönderilebilir.

Yani her foton, kendisiyle birlikte bir bitlik bilgi taşıyabilir. Bu bilgi parçasının uzayda yerelleştirilmesi hakkında ne söylenebilir? Kuantum mekaniğinde bir fotonun konumu belirlenemez çünkü bir fotonun konumu ve momentumu eşit doğrulukta belirlenemez.

Bu, bir parça bilginin uzayda belirli bir yerinin olmadığı anlamına mı geliyor?

Bir fotonun tam olarak nerede olduğunu bilmeyebilirsiniz, ancak böyle bir deneysel problem kurarsanız, onun tam yerini saptayabilirsiniz. Bir fotonun tam yerini ve momentumunu aynı anda belirlemek kesinlikle imkansızdır . Bir fotonun yerini belirlediğinizde, taşıdığı bilgi parçasının tam olarak nerede olduğunu bileceksiniz. Sıradan kuantum mekaniği ve görelilik teorisi çerçevesinde, herhangi bir gözlemci sizinle aynı fikirde olacaktır. Bu anlamda, bir kuantum bit bilgisinin belirli bir konumu vardır. En azından her zaman böyle düşünülmüştür.

Ancak kara deliklerin tamamlayıcılık ilkesi, bu anlamda bile bilginin yerinin kesin olmadığını belirtir. Gözlemcilerden biri ufkun derinlerinde bir yerde bilgi parçacıkları bulur ve diğeri aynı parçacıkların ufkun hemen üzerindeki yüzeyden geri yayıldığını görür. Her şey sanki bilginin uzayda belirli bir yeri yokmuş gibi görünüyor.

Bu sorunu sunmanın alternatif bir yolu var. Bu görüşte, bilgi parçalarının bir konumu vardır, ancak sandığınız yerde değildir. Bu, kara delikler düşünülerek oluşturulmuş holografik bir doğa görüntüsüdür. Holografik prensip nasıl çalışır?

Bir çizim, bir fotoğraf ya da bir tablo temsil ettiği gerçek dünya değildir. Bu, üç boyutlu derinlikten yoksun, gerçek dünyanın düz, eksik bir projeksiyonudur. Çizimi önünüze çevirin, ona farklı bir açıdan bakın - üzerinde zaten tasvir edilenin ötesinde yeni bir şey görmeyeceksiniz. Gerçek dünya üç boyutluyken o iki boyutludur. Algının özelliklerini ve perspektif yasalarını kullanan sanatçı, beyninizi var olmayan bilgileri düşünmeye ve hayal gücünüzde üç boyutlu bir resmi yeniden yaratmaya zorlayarak sizi kandırdı. Tasvir edilen figürün uzaktaki bir dev mi yoksa yakındaki bir cüce mi olduğunu belirlemenin bir yolu yok. Tasvir edilen kişinin etten kemikten bir yaratık mı yoksa bir balmumu figürü mü olduğunu belirlemenin hiçbir yolu yoktur. Beyin, tuval üzerindeki çok renkli vuruşlarda veya fotoğraf kağıdının yüzeyindeki gümüş taneciklerinde gerçekten yer almayan bilgileri tahmin eder.

Bilgisayar ekranındaki görüntü de parlak piksellerle dolu iki boyutlu bir yüzeydir. Bilgisayarın belleğinde depolanan gerçek veriler, tek tek piksellerin rengi ve yoğunluğu hakkında bilgi içerir. Bir tablo veya fotoğraf gibi, bir bilgisayar ekranı da gerçek bir 3B sahnenin çok zayıf bir temsilidir.

Üç boyutlu bir nesne hakkındaki eksiksiz bilgileri, iç kısımları hakkındaki bilgiler de dahil olmak üzere güvenilir bir şekilde korumak için ne yapılmalıdır? Cevap açık: düzlemi dolduran bir dizi piksel yerine, bir dizi uzamsal öğeye ihtiyacımız var - görüntülenen sahnenin hacmini dolduran vokseller .

Alanı voksellerle doldurmak, bir yüzeyi piksellerle doldurmaktan çok daha zor bir iştir. Örneğin, bir bilgisayar ekranı bine bin piksel çözünürlüğe sahipse, onu doldurmak için bir milyon piksele ihtiyacınız vardır. Ancak hacmi aynı çözünürlükle doldurmak istiyorsak, bir milyar voksele ihtiyacımız var.

Bununla birlikte, görüntüleri kaydetmenin holografik yöntemi bizi şaşırtıyor. Hologram, iki boyutlu bir görüntüdür - tam teşekküllü üç boyutlu görüntüleri net bir şekilde geri yüklemenizi sağlayan bir filmdeki görüntü. Yeniden oluşturulan holografik görüntünün etrafında dolaşabilir ve her açıdan görüntüleyebilirsiniz. Nesnelerden hangisinin daha yakın ve hangisinin daha uzak olduğunu net bir şekilde belirleyebiliyorsunuz. Kendi konumunuzu değiştirerek, uzaktaki bir nesneyi yaklaştırabilir ve yakındaki bir nesneyi uzaklaştırabilirsiniz. Bir hologram 2 boyutlu bir görüntüdür, ancak 3 boyutlu bir sahne hakkında tüm bilgileri içerir. Bununla birlikte, hologram görüntüsü olan fotoğraf plakasına sadece bakarsanız, anlamlı bir şey görmezsiniz: gerçek dünyanın holografik plaka üzerindeki görüntüsü şifrelenmiştir.

Hologram üzerindeki bilgiler, şifrelenmiş olsa da, tek tek pikseller biçiminde tutulabilir. Tabii ki, her şey için ödeme yapmanız gerekiyor: 1000x1000x1000 voksel hacmini tanımlamak için bir hologramın bir milyar pikselden oluşması gerekir.

Modern fiziğin sürprizlerinden biri, dünyanın bir tür holografik görüntü olduğunun keşfi olmuştur. Ancak daha da şaşırtıcı olanı, hologramın içerdiği piksel sayısının, açıklanan sahneyi çevreleyen yüzey alanıyla orantılı olması ve hacmiyle orantılı olmamasıydı. Sanki bir milyar vokselden oluşan üç boyutlu bir hacim, onu tam olarak tanımlamak için düz bir bilgisayar ekranında yalnızca bir milyon piksele ihtiyaç duyuyormuş gibi! Kendinizi duvarlar, zemin ve tavanla çevrili büyük bir odada hayal edin. Ya da kendinizi büyük bir kürenin içinde hayal edin. Holografik ilke, bir odadaki her şeyin, bu odayı çevreleyen iki boyutlu yüzeye kaydedilmiş holografik bir görüntü olduğunu belirtir. Yani aslında siz ve odadaki diğer tüm eşyalar , hacmi sınırlayan yüzeye kaydedilmiş kuantum hologramsınız . Bu hologram, her biri Planck uzunluğu mertebesinde olan vokseller değil, iki boyutlu minik pikseller dizisidir! Tabii ki, bir kuantum hologramının doğası ve 3D verileri kodlama şekli, sıradan hologramların çalışma şeklinden çok farklıdır. Ancak ortak bir noktaları var: üç boyutlu dünyanın görüntüsü tamamen şifreli.

Şimdi kara deliklerle nasıl başa çıkacağımızı anlıyoruz. Büyük bir küresel odanın merkezine bir kara delik yerleştirelim. Her şey - bir kara delik, bir uzay gezgini, harici bir gözlemciye sahip bir ana gemi - sahneyi çevreleyen küresel bir yüzeye kaydedilen holografik bilgi olarak saklanır. Karadelik tamamlayıcılık ilkesiyle bağdaştırmaya çalıştığımız iki farklı resim, aynı hologramın farklı algoritmalar kullanan iki farklı rekonstrüksiyonundan başka bir şey değil!

Hooft ve ben onu 1990'ların başında öne sürdüğümüzde holografik ilke pek iyi karşılanmadı. Benim kişisel görüşüm, bu ilkenin doğru olduğuydu, ancak kuantum mekaniği ve yerçekimi hakkında onun geçerliliğini kanıtlayacak kadar bilgi sahibi olmamız on yıldan fazla zaman alacaktı. Ancak, sadece üç yıl sonra, 1997'de genç fizikçi Juan Maldacena "Süperuyumsal Alan Teorisi ve Süperçekimde Büyük N Limiti" başlıklı makalesiyle fiziksel dünyayı havaya uçurduğunda her şey değişti. Bu kelimelerin anlamı ne olursa olsun, asıl mesele şu ki, Maldacena, sicim teorisini Polchinski'nin D-zarları ile ustaca birleştirerek, bizim dünyamızın değilse de, bu tasviri inandırıcı kılacak kadar bizimkine yeterince benzer bir dünyanın eksiksiz bir holografik tasvirini keşfetti. holografik bir ilke lehine argüman. Kısa bir süre sonra Ed Witten, Maldacena ile birlikte "Anti-de Sitter uzayı ve holografi" makalesini yayınlayarak holografik ilkeye onay damgasını vurdu. Bundan sonra, holografik ilkenin modern teorik fiziğin temel taşlarından biri rolü için olgunlaştığını söylemek güvenliydi. İlk bakışta kara deliklerle ilgisi olmayan sorunları çözmek için kullanılmıştır.

Holografik ilkenin kara deliklerin tamamlayıcılığıyla ortak noktası nedir? Cevap: "Her şey!" Hologramlar, şifresi çözülmek üzere inanılmaz derecede şifrelenmiş bir veri kümesidir. Kod çözme, matematiksel işlemlerle veya hologramın lazer ışığıyla aydınlatılmasıyla yapılabilir. Fiziksel düzeyde tutarlı lazer radyasyonu matematiksel bir algoritma uygular.

Büyük bir kara delik ve içine düşebilecek çeşitli nesnelerin yanı sıra dışarı sızan radyasyon içeren bir sahne hayal edin. Tüm bu sahne, sahneyi içeren alanı çevreleyen uzak bir yüzeyde lokalize edilmiş bir kuantum hologramı kullanılarak tanımlanabilir. Ama şimdi hologramın kodunu çözmek için iki olası yolumuz var - iki algoritma. İlk algoritma, sahneyi kara deliğin ufkunun dışında kalan ve ufkun altına düşen tüm parçaları geri getiren Hawking radyasyonunu gözlemleyen bir gözlemciye göründüğü gibi yeniden yaratıyor. İkinci algoritma, sahneyi kara deliğe düşen birinin görebileceği gibi geri yükler. Bir hologramımız var ama onu eski haline getirmenin iki yolu var.

etrafımızdaki baloncuklar
 

Üç boyutlu dünyanın tam bir yanılsama olduğunu söylemek muhtemelen fazla umursamazlık olur. Ancak, bilgi parçalarının ille de olmasını beklediğiniz yerde olmadığı varsayımı artık geniş çapta kabul görüyor. 11. bölümdeki ani evren için sonuçları nelerdir? Geçen bölümün sonunda nerede kaldığımızı hatırlatayım.

Size tarihi sunmanın iki yolundan bahsetmiştim: sıralı ve paralel. Tutarlı görüşe göre, her gözlemci çevresinde Megaverse'nin küçük bir bölümünü görüyor. Geri kalan parçaları, süper-luminal bir hızla çıkarıldıkları için asla gözlem için uygun olmayacak. Görülebilen ile görülemeyen arasındaki çizgi ufuktur. Ne yazık ki, Megaverse'nin geri kalan cep evrenleri - tüm bu Neverland'ler - ufkun ötesinde bizden sonsuza kadar saklandı. Genel göreliliğin klasik ilkeleri açısından bakıldığında, bu diğer dünyaların varlığı ve özellikleri hakkında istediğimiz kadar hayal kurabiliriz, ancak onlar hakkında hiçbir zaman hiçbir şey bilemeyeceğiz. Bizim için hiçbir pratik anlamları yoktur ve bilimsel bir bakış açısıyla hiçbir anlam ifade etmezler.

Bunlar fiziğin değil, metafiziğin konusudur.

Ancak öte yandan, bir kara deliğin ufku ile ilgili olarak tamamen aynı sonucun hatalı olduğu ortaya çıktı. Aslında, sürekli hareket eden bir evrenin kozmik ufku, matematiksel olarak bir kara deliğin ufkuna çok benzer. Kayıklar ve seyircilerle dolu uçsuz bucaksız göle geri dönelim. Kara delik tehlikeli bir batağa çok benziyordu, ufuk - geri dönüşü olmayan bir noktaya. Bu modeli, içinde yüzen gözlemciler Hubble yasasına göre birbirlerinden uzaklaştıklarında, tüm dip boyunca döşenen borulardan oluşan bir sistemle beslenen, sürekli genişleyen bir göl modeliyle karşılaştıralım. Göle sabit bir oranda su beslenirse, sonsuz şişmenin en doğru analojisini elde ederiz.

Her bir tekne, drenajın yakınındaki ufka benzer bir sınırla çevrelenecektir. Ana geminin etrafında yüzen tekneler hayal edin. Kazara veya tasarımla bunlardan biri geri dönülemez noktayı aşarsa, geri dönemez ve hatta ana gemiyle mesaj alışverişinde bulunamaz. Bir kara deliğin ufku ile genişleyen uzayın kozmik ufku arasındaki tek fark, bir durumda ufkun dışında, diğerinde ise ufkun içinde olmamızdır. Ancak bunun dışında bir kara deliğin ve şişirilmiş uzayın ufukları aynıdır.

Kara deliğin dışındaki biri için kara deliğin içine giren kaşifin hayatındaki tüm olaylar ufkun ötesindedir. Ancak bu olaylar metafiziğin değil, fiziğin konusudur. Hawking radyasyonu tarafından holografik kodlu omlet olarak dışarıya doğru telgrafla gönderilirler. Mahkumların hapishaneden ilettiği mesaja gelince, kodu bilip bilmememiz önemli değil - mesaj, iletilen kart destesinde hala mevcut.

Kozmik ufkun ötesindeki milyarlarca cep evrenden bize gelen böyle "haritalar" var mı? Kozmik ufuklar, kara delik ufukları kadar iyi anlaşılmamıştır. Ancak ikisi arasındaki bariz benzerlik bir ipucuysa, o zaman kozmik ufukların ötesinden bize gelen haritalar, Hawking radyasyonunu oluşturan fotonlarla aynı olmalıdır. Şimdiye kadar, bunların bize her zaman her yönden gelen kozmik mikrodalga arka plan radyasyonunun fotonları olduğunu tahmin etmişsinizdir umarım. Kozmik ufkun ötesinden gelen bu haberciler bize tüm Megaevrenden mesajlar getiriyor.

SPK'nın keşfinde öncülerden biri olan George Smoot, bir keresinde aşırı bir coşkuyla SPK haritasını Tanrı'nın yüzüne benzetmişti. Ama bana öyle geliyor ki, meraklı zihinler için, sonsuz cep evrenlerinin şifrelenmiş hologramı, bu resmin çok daha ilginç ve doğru bir yorumu.

 Bölüm 13
 

Sloganlar
 

Feynman diyagramlarından kaynayan evrenlere uzanan uzun ve dolambaçlı turumuzda bir tema işliyor - kendi evrenimiz, varlığımız için fevkalade iyi inşa edilmiş gibi görünen olağanüstü bir yer. Bu eşsizlik tesadüfe bağlanabilecek bir şey değildir. Bu pek olası değil. Bu bariz tesadüf bir açıklama gerektiriyor.

Sadece genel halk arasında değil, aynı zamanda birçok bilim adamı arasında [101] son derece popüler olan açıklama, bazı "süpermimarların" Evreni belirli bir hayırsever tasarımla yarattığıdır. Bu bakış açısının - akıllı tasarımın - savunucuları, bunun oldukça bilimsel olduğunu ve tüm kozmolojik ve biyolojik gerçeklerle mükemmel bir uyum içinde olduğunu savunuyorlar. Rasyonel yaratıcı, planı için yalnızca mükemmel Fizik Yasalarını seçmekle kalmadı, aynı zamanda bakterilerden Homo sapiens'e kadar çıkmaz dalları atlayarak biyolojik evrimi de yönetti. Ancak bu açıklama, duygusal olarak yatıştırıcı olsa da, entelektüel olarak tatmin edici değildir. Demiurge'u kimin yarattığı, demiurge'nin evrimin gidişatına müdahale etmek için hangi mekanizmayı kullandığı, demiurge hedeflerine ulaşmak için Fizik Yasalarını ihlal ediyor mu, demiurge kuantum mekaniği yasalarına uyuyor mu gibi soruları cevapsız bırakıyor.

Yüz elli yıl önce, Charles Darwin, modern biyolojinin mihenk taşı haline gelen yaşam bilimine bir cevap önerdi - ne bir amaç ne de bir demiurge gerektiren bir mekanizma. Rastgele mutasyonlar, üreme için rekabetle birleştiğinde, zekalarıyla hayatta kalan canlılar da dahil olmak üzere, sonunda tüm ekolojik nişleri dolduran türlerin tüm çeşitliliğini açıklar. Ancak fizik, astronomi ve kozmoloji henüz böyle bir başarıya sahip olamaz. Darwinizm, insan beyninin kökenini açıklayabilir, ancak Fizik Kanunlarının benzersizliği hala bir muammadır. Bu bilmece, Darwin'in teorisinin biyolojide oynadığı rolün aynısını fizikte oynayacak olan fizik teorisinin baskısı altında sonunda çözülebilir.

Bu kitapta tartıştığım fiziksel mekanizmaların Darwin'in teorisiyle iki temel benzerliği var.

Bunlardan ilki, büyük bir olasılıklar manzarası - her türden tasarımın son derece zengin bir alanı. [102] 10.000'den fazla kuş türü, 300.000'den fazla böcek türü ve milyonlarca bakteri türü vardır. Olası türlerin toplam sayısı kuşkusuz ölçülemeyecek kadar fazladır.

Olası türlerin sayısı, farklı evrenlerin sayısı kadar mıdır? Olası türlerle tam olarak neyi kastettiğimize bağlı. Tüm olası biyolojik yapıların sayısını belirlemenin bir yolu, büyük bir DNA molekülündeki nükleotit çiftlerinin dizilerinin tüm varyantlarını saymaktır. İnsan DNA molekülü yaklaşık bir milyar baz çifti içerir ve her baz için dört varyant vardır. Olası seçeneklerin toplam sayısı inanılmaz derecede büyük: 4.1.000.000.000 (veya yaklaşık 10.600.000.000 ). Bu, 10.500'den çok daha fazladır - sicim teorisyenleri tarafından olası tüm akış konfigürasyonlarının numaralandırılmasıyla hesaplanan Manzara'daki olası vadilerin sayısı. Ama elbette, DNA dizilerinin varyantlarının çoğu geçerli değildir. Öte yandan, 10.500 vakumun çoğu da yaşanmaz durumda. Her durumda, her iki sayı da o kadar büyük ki, onları temsil etme yeteneğimizin çok ötesinde.

İkinci temel benzerlik, her türden "çizimin" "donanımda" somutlaştırılması için süper verimli mekanizmadır. Darwinci mekanizma çoğaltma, rekabet içerir ve çalışması için çok sayıda karbon, oksijen ve hidrojen atomu kullanır. Sürekli şişme mekanizması aynı zamanda üstel çoğaltmayı da içerir, ancak - uzayın hacmi.

Bölüm 11'de tartışıldığı gibi, bir araziyi yerleştirme sürecinin biyolojik evrimle benzerlikleri vardır, ancak aynı zamanda en az iki çok büyük farkı vardır. Bunlardan ilki 11. Bölüm'de ele alınmıştı. Belirli bir filum boyunca biyolojik evrim, birbirini izleyen neredeyse ayırt edilemez bireysel organizmalardan oluşur ve farkı keşfetmek için, birbirinden çok nesiller uzakta olan organizmaları karşılaştırmak gerekir. Ancak birkaç kuşak baloncuğun soyağacının izini sürersek, sonraki her kuşakta vakum enerjisinde, parçacık kütlelerinde ve diğer Fizik Yasalarında büyük farklılıklar bulacağız. Çocuklar ebeveynlerinden çok farklı olsaydı, bu Darwinci evrimi imkansız hale getirirdi. Mutant canavarların sayısı, normal yavruların sayısından o kadar fazla olacak ki, türlerinin diğer türlerle rekabet halinde hayatta kalması imkansız hale gelecektir.

Öyleyse, aynı koşullar altında biyolojik evrim durma noktasına gelirse, Megaevren nasıl farklı "türler" açısından bu kadar zengin oldu? Cevap, iki tür evrim arasındaki ikinci büyük farkta yatıyor: Farklı cep evrenleri, güneş altında bir yer ve yiyecek kaynakları için birbirleriyle rekabet etmez. Biyolojik evrimin, kaynakların o kadar sınırsız olduğu ve organizmaların var olmak için savaşmasına gerek duymadığı bir ortamda gerçekleştiği hayali bir dünyaya bakmak ilginç olurdu. Böyle bir dünyada akıllı yaşam doğar mı? Darwinci evrimin çoğu modelinde, var olma mücadelesi kilit bir faktördür. O olmadan ne olurdu? Özel bir durumu ele alalım: kendi türümüzün gelişimindeki son adım. Yaklaşık 100.000 yıl önce, Cro-Magnons, Neandertallerle birlikte var olmak için savaştı. Cro-Magnon'lar daha akıllı, daha büyük, daha güçlü ve daha seksi oldukları için kazandı. Bu, insan ırkının gen havuzunda bir iyileşmeye yol açmıştır. Ancak kaynakların sınırsız olduğunu ve üreme için cinselliğin gerekli olmadığını varsayalım. Bu, Cro-Magnon popülasyonunda bir azalmaya yol açar mı? Tabii ki değil. Varoluş mücadelesi koşullarında hayatta kalan herkes, yokluğunda daha da fazla hayatta kalacaktı. Üstelik bu mücadelede ölenlerin birçoğu da hayatta kalacaktı. Ama aynı zamanda daha fazla Neandertal olacaktı. Her ikisinden de daha fazlası olurdu ve hatta belki üçüncüsü olurdu. Nüfusun tamamı katlanarak artacaktı. Sınırsız kaynaklara sahip bir dünyada, rekabetin olmaması zeki varlıkların evrimini yavaşlatmaz, aksine birden fazla türe yol açardı.

Fizik ve biyolojiden sonra, aynı iki bileşenin - Peyzaj ve Megaevren - varlığımız için son derece önemli olduğu bir üçüncü bağlam vardır. Doğada, çok çeşitli gezegen türleri ve diğer astronomik cisimler vardır: sıcak yıldızlar, soğuk asteroitler, dev toz bulutları ve çok daha fazlası. Bu bağlamda olasılıklar manzarasının son derece zengin olduğu bir kez daha ortaya çıkıyor. Yalnızca ana yıldızdan gezegene olan mesafedeki farklılıklar bize çok çeşitli çevresel koşullar verir. Olasılığı gerçeğe dönüştüren mekanizmaya gelince - Büyük Patlama ve ardından maddenin kütleçekimsel yoğunlaşması - o zaman Evrenin yalnızca gözlemlenebilir kısmında, bu mekanizma, en karamsar tahmine göre, yaklaşık 10 22 gezegen yaratmış olmalıdır.

Bu durumların her birinde, kendi varoluşumuzun cevabı tamamen aynıdır: birçok varlık/gezegen/cep evren ve diğer birçok olası yapı vardır. Sayıları o kadar fazla ki, tamamen istatistiksel olarak, bazıları zeki yaşamın ortaya çıkması için geçerli olacak / uyarlanacak. Çoğu varlık/evren/göksel cisim yaşam için uygun/uygun değildir. Biz sadece şanslıyız. Antropik ilkenin anlamı budur. Sihir yok, doğaüstü yaratıcı yok, sadece büyük sayıların en yaygın yasası var.

Tanıdığım en bilge fizikçilerden biri olan arkadaşım Steve Schenker, tezlerini slogan biçiminde formüle etmeyi sever. Önemli ve ciddi bir fikir birkaç kısa cümle şeklinde formüle edilemiyorsa, o zaman böyle bir fikrin ilgiyi hak etmediğine inanıyor. Bana öyle geliyor ki o haklı. İşte fiziğin gelişimini gösteren bazı slogan örnekleri.

Newton mekaniği:

Özel görelilik teorisi:

ve

Genel görelilik teorisi:

Kuantum mekaniği:

kozmoloji:

Ancak bildiğim en iyi bilimsel slogan fizik ve kozmolojiye değil, evrim teorisine atıfta bulunur:

Doğal seçilim

Bu kitabı tek bir slogana indirgemek zorunda kalsaydım, o zaman kanımca biyoloji ve kozmolojide ortak olan tek bir ilkeyi ifade ederdi:

Fırsat ortamı, Megaverse'nin alaka düzeyiyle doludur

Evrimin biyolojik veya gezegensel mekanizması ile Peyzajı dolduran sonsuz şişme arasında talihsiz bir fark var. İlk iki durumda, evrim mekanizmasının sonuçlarını doğrudan gözlemleyebiliyoruz. Çevremizdeki gezegenlerin biyolojik formlarının ve türlerinin çeşitliliğini kendi gözlerimizle görüyoruz.

Astronomik nesneleri gözlemlemek, Dünya'daki hayvan ve bitki dünyasını incelemekten daha zor olsa da, teleskop yardımı olmadan bile gezegenleri, Ay'ı ve yıldızları görebiliriz. Bununla birlikte, sonsuz şişmenin yarattığı devasa bir cep evrenler denizi, kozmik olay ufkunu bizden saklıyor. Sorun, elbette, Einstein'ın maksimum hız sınırıdır. Işık hızını aşabilseydik, o zaman uzak cep evrenlere gidip gelmek sorun olmazdı. Tüm Megaevrende sörf yapabiliriz. Ama ne yazık ki, uzayda uzaktaki bir cep evrenine bir solucan deliği açmak, temel fiziksel ilkeleri ihlal eden bir fantezidir. Diğer cep evrenlerin varlığı bir hipotez olarak kalır ve her zaman da öyle kalacaktır, ancak bu hipotez dünyanın yapısının açıklanmasıyla ilgili olarak muazzam bir güce sahiptir.

Uzlaşma?
 

Ana hatlarıyla belirttiğim fikirlerin doğru olduğu ortaya çıkarsa, o zaman dünya görüşümüz, Megaverse'nin uçsuz bucaksız denizindeki uzak eyaletin çok ötesine geçerek çok daha büyük bir şeye doğru genişleyecektir: daha fazla alan, daha fazla zaman ve daha fazla olasılık. Her şey doğruysa, paradigma değişimi ne kadar sürer? Meşhur orman gibi, paradigma değişimleri en iyi uzaktan görülür. Güvendiğimiz ilkelerin değişim dönemlerinde, her şey çok kafa karıştırıcı görünüyor, su çok bulanık hale geliyor ve önümüzdeki birkaç yıl için bile herhangi bir perspektifi net bir şekilde görmemize izin vermiyor. Böyle zamanlarda dışarıdan bir gözlemcinin kimin fikirlerinin dikkate değer, kimin boş spekülasyonlar olduğunu anlaması neredeyse imkansızdır. İçeridekileri bile öngörmek zor. Bu kitabı yazmamın amacı okuyucuyu kendi bakış açımın doğruluğuna ikna etmek değil. Bilimsel tartışmalar en iyi bilimsel dergilerin sayfalarında ve seminer odalarında yapılır. Amacım, yeni fikirlerin savaşında güçlerin uyumunu göstermek, böylece sıradan okuyucular bu savaşa dahil olduklarını hissedebilsinler, savaşa içeriden bakabilsinler, savaşın heyecanını ve benim hissettiğim keşif sevincini hissedebilsinler.

Yeni bilimsel fikirlerin ortaya çıkışı ve gelişimiyle ilgili hikayeler beni her zaman büyülemiştir. Geçmişin büyük ustalarının keşiflerine nasıl geldiklerini anlamaya çalıştım. Ancak, tüm büyük ustalar ölmedi. Şu anda - tam şimdi, bu harika zamanda - Weinberg, Witten, 't Hooft, Polchinski, Maldacena, Linde, Vilenkin gibi titanlar yaşıyor ve yaratıyor ... Yeni bir paradigma için savaşmalarını izleyebildiğim için mutluyum . Bu olayların doğrudan bir katılımcısı olduğum için, onların düşünce tarzlarını yeniden yaratma özgürlüğüne sahip olacağım. Fizikçilerle başlayalım.

Steven Weinberg, parçacık fiziğinin Standart Modeli'nin keşfinden belki de diğer tüm fizikçilerden daha fazla sorumludur. Steve hızlı kararlar vermez ve eminim o da herkes kadar tüm kanıtları çapraz kontrol eder. Yazılarından ve derslerinden, nihai gerçek olarak kabul etmese de, en azından insan ilkesinin bazı varyantlarının Fizik Yasalarının kaderinde belirli bir rol oynayabileceği olasılığını reddetmediği açıktır. . Bununla birlikte, bazı çalışmaları "kayıp paradigma" konusundaki üzüntüsünü dile getiriyor. 1992'de yayınlanan Dreams of a Final Theory adlı kitabında şöyle yazar:

“Kozmolojik sabitin bizim için olumlu değeri gözlemlerle doğrulanırsa, o zaman evrenin neden böyle olduğunu açıklamada kendi varlığımızın önemli bir rol oynadığı sonucuna varmak mantıklı olacaktır. Değeri ne olursa olsun, umarım değildir. Bir fizikçi olarak, belirli sabitlerin yaşam için az ya da çok elverişli bir aralıkta olması gerektiğine dair belirsiz ifadeler yerine doğru tahminler yapabildiğimizi görmek isterim. Umarım sicim teorisi gerçekten de nihai teorinin temelini oluşturur ve bu teori kozmolojik sabit de dahil olmak üzere tüm temel sabitlerin değerlerini hesaplamamızı sağlayacak kadar yeterli tahmin gücüne sahip olur. Gelecek gösterecek..."

Weinberg, bu kelimeleri heterotik sicim teorisinin keşfinden ve Calabi-Yau manifoldlarının sıkıştırılmasından esinlenerek yazdı. Ama artık sicim kuramının antropik ilkeye bir alternatif olacağına dair beklentileri karşılamadığını biliyor.

Ed Witten dünyanın en büyük matematikçilerinden biri ve özünde bir Pisagorcu. Kariyerini sicim teorisinden doğan zarif ve güzel matematik üzerine kurdu. Matematiksel derinliklere dalma yeteneği nefes kesici. Fizik Yasalarının seçiminde ve temel parçacıkların özelliklerinde keyfiliği öldürecek o büyülü matematiksel "gümüş kurşun" arayışından vazgeçmeyi inatla reddeden meslektaşlarımdan biri olması şaşırtıcı değil. Böyle bir mermi varsa, onu bulma şansı Witten'a aittir. Peyzajı incelemek için gereken matematiksel araçları yaratmak için herkesten daha fazlasını yapmasına rağmen, uzun bir süre arayışı başarısız oldu. Teorinin şu anki gidişatından hiç hoşlandığını sanmıyorum.

Witten, sicim teorisinin matematiksel aygıtının geliştirilmesinin arkasındaki itici güçse, Joe Polchinski de bu devasa makinenin "parçalarının" ana tedarikçisiydi. Parlak genç Stanford fizikçisi [103] Rafael Busso ile birlikte Joe, büyük bir ayrık boşlukla bu ayrıntılardan bir Peyzaj modeli oluşturmak için ilk girişimi yaptı. Pek çok tartışmada Joe, yerleşik Manzara'nın alternatifi olmadığı konusunda ısrar etti.

Eski silah arkadaşım Gerard 't Hooft, sicim teorisinin "her şeyin teorisi" olduğu iddialarına her zaman şüpheyle yaklaşmıştır ve yakın zamanda bana şunları yazdı:

10.100 tane içerdiğini söylemenin ne anlama geldiğini kimse bana açıklayamaz. vakum ülkeleri. Böyle bir açıklama yapmadan önce, sicim teorisinin ne olduğuna dair kesin bir tanım vermelisiniz ve bizde böyle bir tanım yok. Ve bu boşluklardan kaç tane var: 10.500 veya 10.10.000.000.000 ? Bu tür "ayrıntılar" hâlâ havada olduğu için, antropik tartışmalardan son derece rahatsız oluyorum.

Bununla birlikte, antropik ilkenin bazı varyantlarını dışlamıyorum. Ne de olsa, tam olarak antropik nedenlerle Mars, Venüs veya Jüpiter'de değil, Dünya'da yaşıyoruz. Ancak bu, ayrık antr'yi ayırt etmemi sağlıyor. süreklilikten ilke. Ayrık, şuna benzer bir anlama gelir: ince yapı sabiti, bir tamsayının tersidir ve 1/137'ye eşittir, bu da daha yüksek dereceli düzeltmeler gerektirir. Süreklilik, bu sabitin 1/137.018945693459823497634978634913498724082734… vb. olduğu anlamına gelir ve tüm bu ondalık basamaklar antr ile tanımlanır. prens. Bunu kabul edilemez buluyorum. Bana öyle geliyor ki sicim teorisi, ilk 500 ondalık basamağın antropik ve geri kalanının matematiksel olduğunu söylüyor. Bence bu tür varsayımlarda bulunmak için çok erken."

Hooft'un ayrık antropik ilke ile ne kastettiğini açıklığa kavuşturmak gerekir. Bu, Peyzajın, aralarında herhangi bir fiziksel sabit değeri olan bir boşluk bulabilecek kadar çok boşluk içermemesi gerektiği anlamına gelir. Başka bir deyişle, farklı olasılıkların sayısı sınırlı olduğu ortaya çıkarsa, antropik muhakemeyi kısmen kabul etmeye hazırdır.

Gerard'ın şüpheciliğine rağmen antropik bir açıklamayı dışlamadığını, ancak aynı zamanda kozmolojik sabitin inanılmaz derecede ince ayarlanması gerçeği için alternatif bir açıklama sunmadığını belirtmekte fayda var. Bununla birlikte, nihai "her şeyin teorisi" konusundaki şüphelerinde haklı olduğunu düşünüyorum.

Tom Banks başka bir şüpheci. Tom, fizik dünyasının derin düşünürlerinden biridir ve zihni her zaman yeni fikirlere açıktır. Onun şüpheciliği, 't Hooft'unki gibi, antropik argümanla ilgili değil, sicim teorisinin Peyzaj tanımıyla ilgili. Tom bu teoriye birçok önemli katkı yaptı, ancak kendi görüşüne göre Yarı Kararlı Boşluk Manzarası bir yanılsama olabilir. Tom, Manzara'nın matematiksel bir gerçeklik olduğunu kesin olarak ifade etmek için sicim teorisi ve sürekli şişme teorisinin henüz iyi anlaşılmadığını savunuyor. Kriter kesinlik ise, buna katılıyorum. Ancak Banks, sicim kuramının matematiğinin yalnızca eksik değil, hatta yanlış olabileceğini düşünüyor. Şimdiye kadar, argümanları ikna edici görünmüyor, ancak ciddi endişelere neden oluyor.

Ve genç fizikçiler tüm bunlar hakkında ne düşünüyor? Genel olarak yeni fikirlere açıktırlar. Otuzlu yaşlarının başındaki Juan Maldacena, kuşağının tüm teorisyenleri üzerinde muazzam bir etkiye sahipti. Çalışmaları, holografik prensibi pratik bir araca dönüştürdü. Witten gibi o da büyük matematiksel içgörülerle sık sık ziyaret edilir; Polchinski gibi, matematiksel sonuçların fiziksel yorumu üzerinde büyük bir etkisi oldu. Arazi ile ilgili olarak, bir keresinde şöyle demişti: "Umarım bu doğru değildir." Witten gibi, Maldacena da hem Fizik Yasalarının hem de Evren tarihinin benzersizliğini umuyor. Ancak ona Peyzaj'ın gerçekten var olmadığına dair herhangi bir umudunun olup olmadığını sorduğumda, "Hayır. Korkarım hayır".

Stanford Üniversitesi'nde - benim evim - Peyzajın var olduğu konusunda, en azından fizikçiler arasında, aşağı yukarı hemfikir bir görüş var. Onun kaşifleri olmalı, içinde gezinmeyi öğrenmeli ve haritasını çıkarmalıyız. 30 yaşında iki liderimiz var: Shamit Kachru ve Eva Silverstein. Her ikisi de Peyzajda dağlar, vadiler ve uçurumlar inşa etmekle meşgul. Birine günümüzün Rube Goldberg'i demek isteseydim, bu kesinlikle Shamit olurdu. Sadece beni yanlış anlama. Kötü arabalar yaptığını söylemek istemiyorum. Aksine Shamit, bu makinelerin girift ayrıntılarını Peyzaj modellerini oluşturmak için uyarlamada diğer tüm sicim teorisyenlerinden daha iyidir. Peki ya antropik ilke? Peyzaj ile birlikte gelir. Stanford Üniversitesi'ndeki genç ve yaşlı tüm en yakın meslektaşlarım için çalışma geçmişinin ayrılmaz bir parçasını oluşturuyor.

Ülke genelinde, New Jersey'de teorik fizik için dünyanın en büyük iki merkezi vardır: fizik bölümüyle Princeton ve İleri Araştırma Enstitüsü. Ancak yirmi mil kuzeyde, New Brunswick'te fiziği ileriye götüren başka bir güç merkezi var: Rutgers Üniversitesi. İlgi çekici yerlerinden biri de Michael Douglas adında bir yıldız. Witten gibi, Douglas da hem parlak bir fizikçi hem de ciddi bir matematikçidir. Ama hikayemiz için daha da önemlisi, o aynı zamanda Arazinin cesur bir kaşifidir. Douglas, tek tek vadilerin özelliklerini incelemek yerine, Peyzajın istatistiklerini inceleme görevini üstlendi. Hangi özelliklerin en yaygın olduğunu, vadilerin yüzde kaçının belirli bir yükseklikte olduğunu, üstel olarak süpersimetrik bir duruma eğilimli bir vadinin yaşanabilir olma olasılığını tahmin etmek için matematiksel istatistik yöntemlerini kullanır. "Antropik ilke" terimi yerine "istatistiksel yaklaşım" terimini kullanmayı tercih etse de, Douglas'ın barikatın antropik tarafında olduğunu söylemek doğru olur.

Kozmologlar bu konuda eşit olarak bölünmüş durumdalar. Princeton Üniversitesi'nden Jim Peebles, Amerikan kozmolojisinin atası. Peebles, her kozmolojik keşifte öncüydü. 1980'lerin sonlarında, kozmolojik verilerin sıfır olmayan bir kozmolojik sabit gibi bir şeyin varlığını gösterdiğinden şüphelenen ilk kişilerden biriydi. Dikkat edin, bu 1980'lerin sonundaydı! Onunla kozmolojik sorunları tartışırken, onun görüşüne göre evrenin birçok özelliğinin ancak antropik argümanlarla açıklanabileceği şeklindeki masum itiraf beni şaşırttı.

İngiliz Kraliyet Astronomu Sir Martin Rees, Terrain, Megaverse ve antropik ilkenin takıntılı bir meraklısıdır. Martin, önde gelen bir Avrupalı kozmolog ve astrofizikçidir. İnsan ilkesini haklı çıkarmak için kullandığım argümanların birçoğunu ondan ve Amerikalı kozmolog Max Tegmark'tan öğrendim.

Andrey Linde ve Alexander Vilenkin'e zaten aşinasınız. Rees ve Tegmark gibi onlar da antropik kampa aittir. Linde bunu şöyle ifade etti:

“İnsancıl ilkeden hoşlanmayanlar, onu genellikle durup dururken reddederler. Tabii ki, bu ilke evrensel bir silah değildir - yalnızca, onları diğer her şeyden ayırarak, antropik bir çözümü olabilecek temel fiziksel sorunlara odaklanmak için yararlı bir araçtır. İnsancıl ilkeyi sevebilir ya da nefret edebilirsiniz, ama eminim ki eninde sonunda onu kullanmak zorunda kalacaksınız."

Stephen Hawking, Cambridge'de Martin Rees ile birlikte çalışıyor, ancak onun görüşlerinin benimkine çok benzediğinden hiç şüphem yok. İşte Stephen tarafından 1999'da verilen bir konferanstan bir alıntı:

"M-kuramına dayanan kuantum kozmolojisi için olası bir temel olarak gördüğüm şeyi açıklayacağım. Kendimi spekülasyonla sınırlamayacağım ve M-kuramının izin verdiği tüm çözüm hayvanat bahçesinden evrenimizi temsil edecek bir çözüm seçmede antropik ilkenin önemli olduğunu tartışmaya girişeceğim.

Bu, Steven ve benim sonunda bir konuda hemfikir olduğumuzu gösteriyor.

Ancak tüm kozmologlar buna katılmıyor. Alanında en tanınmış Amerikalılar arasında yer alan Paul Steinhardt ve David Spergel, antropik ilkenin kokusunu alan her şeyin en ateşli muhalifleridir. Duygularını aşağı yukarı temsil ettiğim Steinhardt, Manzara'dan nefret ettiğini iddia ediyor ve bu hipotezin er ya da geç çürütüleceğini umuyor. Ancak Maldacena gibi o da bunu nasıl yapacağını hâlâ çözememiştir. İşte Steinhardt'ın çalışmasından bir alıntı:

"Önümüzdeki yıllarda fizikçilerin gerçekten bilimsel bir 'nihai teori' hayallerini nihayet gerçekleştireceklerini ve insancıl ilke için mevcut çılgınlığı milenyumun çılgınlığı olarak göreceklerini umuyorum."

Şişme teorisinin babası Alan Guth tarafsızlığını koruyor. Alan, yoğun nüfuslu Manzaraya gerçek bir inanandır. "Cep evreni" terimini icat eden oydu. Ancak bir sicim teorisyeni olmamakla birlikte, bir ayrıklık fikrine hâlâ sempati duyuyor. Başka bir deyişle, olası boşluk durumlarının sayısının katlanarak fazla olduğu fikrine daha az bağlı. Antropik ilke söz konusu olduğunda, Alan'ın gizli bir inanan olduğundan şüpheleniyorum. Onu ne zaman görsem kararsız olup olmadığını soruyorum, o da her zaman [104] henüz karar vermediğini söylüyor.

Eski dostum David Gross'u sona sakladım. David ve ben kırk yılı aşkın süredir arkadaşız. Bütün bu süre boyunca, bazen şiddetle ama her zaman birbirimizin fikirlerine büyük saygı duyarak, boğukluğa kadar tartışarak birbirimizle savaştık. İki iğrenç yaşlı homurtu olduğumuzda, yine de savaşmaya devam edeceğimizi düşünüyorum. Belki de çoktan onlar olduk.

Hiç şüphesiz, David dünyanın en büyük fizikçilerinden biridir. En çok kuantum kromodinamiğinin, yani hadron dinamiğinin ana mimarlarından biri olarak bilinir. [105] Ancak, uzun süredir sicim teorisyenleri ordusundaki en kıdemli generallerden biri konumunda olması önemlidir. 1980'lerin ortalarında Princeton'da profesör olan David ve meslektaşları Jeff Harvey, Emil Martinek ve Ryan Rohm heterotik sicim teorisini keşfederek bir sansasyon yarattılar. Sicim teorisinin bu yeni versiyonu, öncekilerden çok temel parçacıkların gerçek dünyasına benziyordu. Aynı zamanda Ed Witten, işbirlikçileri Andy Strominger, Gary Horowitz ve Philip Candelas ile birlikte Calabi-Yau manifoldlarının (yine Princeton'da) kompaktlaştırılmasını icat etti. Bu çalışmalar yayınlandığında, fizik dünyasının nefesi kesildi: Sonuçlar o kadar gerçekçi görünüyordu ki, bizi nihai, eksiksiz, benzersiz temel parçacıklar teorisinden sadece birkaç ay ayırmış gibiydi. Dünya nefesini tuttu... ve hala nefes almıyor... ve çoktan maviye döndü.

Kader kötüydü. Zaman geçtikçe, Princetoncuların coşkusunun en iyi ihtimalle erken olduğu daha açık hale geliyor. Ancak David, bu coşkuyu haklı çıkaracak gümüş kurşunun çabucak keşfedileceği umudunu asla beslemedi. Bana gelince, heterotik teorinin sonunda dev Rube Goldberg makinesi için çok önemli bir detay olacağından şüpheleniyorum. Standart Model ile olan benzerliği etkileyici. Ama gerekli olan tek detayın bu olmadığını da düşünüyorum. Akışlar, zarlar, tekillikler ve diğer hileler, heterotik manzarayı orijinal teorinin yazarlarının hayal bile edemediği seviyelere genişletebilir.

Daha önce de söylediğim gibi, Gross çok çetin bir entelektüel hasımdır ve antropik ilkeye çok şiddetle karşı çıkar. Sebepleri bilimsel olmaktan çok ideolojik olsa da tartışılmalıdır. Din ile benzetme konusunda endişeli. Bu dünyanın Tanrı tarafından yaratılıp yaratılmadığını kim bilebilir? Ancak bilim adamları - gerçek bilim adamları - evrenin başlangıcı da dahil olmak üzere doğal olayları ilahi müdahale ile açıklama cazibesine direnmelidir. Neden? Niye? Çünkü bilim adamları olarak, insanın inanması için acil bir ihtiyaç olduğunu, rasyonel yargıları kolayca gölgede bırakan tesellilere ihtiyaç duyduğunu anlıyoruz. Rahatlatıcı bir masalın baştan çıkarıcı tuzağına düşmek çok kolaydır. Bu nedenle, dünyayı Fizik Yasaları, matematik ve olasılık dışında herhangi bir şeye dayanarak açıklamaya yönelik tüm girişimlere karşıyız.

Pek çok teorisyenin yanı sıra David, din gibi antropik ilkenin fazla rahatlatıcı ve basit bir açıklama olduğu endişesini dile getiriyor. Antropik ilkenin kapısını, hatta aralığını bile açarsak, bizi yanlış inançlara sürükleyeceğinden ve geleceğin genç fizikçilerini sihirli değnek arayışından uzaklaştıracağından korkuyor. David, Winston Churchill'in okulunun öğrencilerine yaptığı çağrıdan güzel bir şekilde alıntı yapıyor: “Asla, asla, asla, asla, asla, asla, asla, asla pes etmeyin! Asla pes etme! Asla pes etme! Asla pes etme!" Ancak fiziğin savaş alanı, ne zaman pes edeceğini bilemeyen inatçı yaşlı adamların cesetleriyle dolu.

Endişe bana çok gerçek görünüyor ve tehlikeyi küçümsemek istemiyorum ama yine de onun iddia ettiği kadar kötü olmadığını düşünüyorum. Yükselen nesil hakkında bir an bile endişelenmiyorum - tuzaktan kaçınmak için yeterli ahlaki güce sahipler. Nüfuslu bir manzara fikri yanlış çıkarsa, eminim anlayacaklardır. 10.500 boşluğun varlığına işaret eden argümanlar yanlışsa, genç sicim teorisyenleri ve matematikçiler bunu keşfedeceklerdir. Eğer sicim kuramı yanlışsa, belki de matematiksel bir tutarsızlık yüzünden, yolun kenarında bırakılacak ve sicim kuramının manzarası da onunla birlikte çöpe atılacaktır. Ancak bu olursa, Evrenin akıllı tasarımı yanılsaması için herhangi bir mantıklı açıklamadan mahrum kalacağız.

Öte yandan, sicim kuramı doğruysa ve Arazi varsa, yeni ve geliştirilmiş matematiksel veya fiziksel yöntemler kullanarak vadimizin varlığını kanıtlayabileceğiz. Komşu yerlerin özelliklerini öğrenebileceğiz ve düştüğümüz şişkin uçurumu inceleyebileceğiz. Son olarak, matematiksel yöntemlerin titizlikle uygulanmasının, yaşanamaz yaşam alanı dışında bizimkinden biraz farklı olan diğer vadileri keşfetmemize yol açacağını kanıtlayabileceğiz. David argümanlarımı reddetmiyor, ancak doğrudan bir cevaptan kaçınıyor çünkü böyle bir cevap, aynı zamanda bir tür din olan ilk umutlarımıza aykırı olacaktır.

Gross'un başka bir argümanı var. Şöyle soruyor: "Hayatın sadece bildiğimiz gibi - karbon, su vb. dayalı - olabileceğine inanmak çok kibirli değil mi? Bize tamamen yabancı koşullarda, bize tamamen yabancı yaşamın var olamayacağını nasıl bilebiliriz? » Yıldızlararası uzayda, kozmik tozda, yıldızlararası gaz bulutlarında, Jüpiter veya Satürn gibi dev gezegenlerin atmosferlerinde bazı garip yaşam biçimlerinin gelişemeyeceğini kim iddia etmeye hazır? Bu durumda mersin balıklarının ihtiyotropik prensibi tüm anlamını yitirecektir. Hayatın var olması için sıvı su ve dar bir sıcaklık aralığının gerekli olduğu argümanı da başarısız olacaktır. Aynı şekilde tartışarak, yaşam galaksiler olmadan ortaya çıkabiliyorsa, o zaman Weinberg'in kozmolojik sabitin küçüklüğüne ilişkin açıklamasının da gücünü kaybedeceği sonucuna varacağız.

Bence bu eleştiriye verilecek doğru yanıt, " Hayat son derece hassas bir şeydir ve özel koşullar gerektirir " diyen antropik ilkenin doğasında var olan bir varsayımın var olduğudur . Bunu kanıtlayamam. Bu, antropik ilkeye açıklayıcı gücünü veren hipotezin bir parçasıdır. Belki de argümanı tersine çevirmeli ve Weinberg'in tahmininin başarısının, akıllı yaşamın varlığının galaksileri veya en azından yıldızları ve gezegenleri gerektirdiği hipotezini desteklediğini söylemeliyiz.

Nüfuslu peyzaj paradigmasının alternatifi nedir? Kanımca, doğaüstü etkeni ortadan kaldırdığımızda, doğanın şaşırtıcı derecede ince ayarlamalarını açıklayacak hiçbir şey kalmadığı yönünde. Nüfuslu manzara, fizik ve kozmolojide, Darwinci evrimin biyolojide oynadığı rolün aynısını oynar. Rastgele kopyalama hataları ve doğal seçilim, sıradan bir maddeden göz kadar karmaşık bir organın nasıl oluşabileceğinin tek doğal açıklamasıdır. Sicim teorisinin öngördüğü nüfuslu manzara ve zengin çeşitlilik, evrenimizin varoluşumuzun koşullarını yaratan olağanüstü benzersiz özelliklerinin tek doğal açıklamasıdır.

Bu kitap hakkında yapılabilecek potansiyel eleştirilere, yani sorunun tek taraflı ele alındığı suçlamalarına bir ara verip yanıt vermenin zamanı geldi. Kozmolojik sabitin değeri için alternatif açıklamalar nerede? Devasa bir manzaranın varlığına karşı bir argüman yok mu? Peki ya sicim teorisi dışındaki diğer teoriler?

Sizi temin ederim ki alternatif bakış açılarını göz ardı etmiyorum. Onlarca yıldır, en ünlü fizikçiler de dahil olmak üzere birçok kişi, kozmolojik sabitin neden çok küçük, hatta sıfır olması gerektiğini açıklamaya çalıştı. Bilim adamlarının ezici çoğunluğu, bu girişimlerin hiçbirinin başarılı olmadığı konusunda hemfikir. Sana bu konuda söyleyecek hiçbir şeyim yok.

Peyzaj'ı çürütmeye yönelik ciddi matematiksel girişimlere gelince, ben yalnızca bir tanesini biliyorum. Bu girişimin yazarı parlak bir matematiksel fizikçi ve bildiğim kadarıyla QKLT yapısına yönelik eleştirisinin geçerliliğinden hâlâ emin. İtirazı, tekil Calabi-Yau manifoldlarının son derece karmaşık matematiksel analizine dayanmaktadır. Bazı yazarlar eleştirisine itiraz ettiler, ancak artık önemi kalmadı. Michael Douglas ve meslektaşları bu sorunu ortadan kaldıran pek çok örnek bulmuşlardır. Bununla birlikte, durumun dürüst bir şekilde değerlendirilmesi adına, Peyzajın sadece matematiksel bir serap olma olasılığını göz ardı etmemeliyiz.

Son olarak, sicim kuramına alternatiflerle ilgili olarak. "Döngü yerçekimi" adı verilen popüler bir teori var. Bu çok ilginç bir teori ama sicim teorisi kadar gelişmiş değil. Her halükarda, döngü yerçekiminin en ünlü savunucusu Lee Smolin bile bunun sicim teorisine gerçek bir alternatif olmadığına, ancak sicim teorisinin alternatif bir formülasyonu olarak değerlendirilebileceğine inanıyor .

Kitabı alternatif açıklamalar sunarak dengelemek istesem de, herhangi bir açıklama bulamıyorum. Karşıt argümanlar ya antropik ilkenin organik reddine (“bundan nefret ediyorum”) ya da ideolojik itirazlara (“kabul edilemez”) indirgenir.

Tanınmış fizikçilerin yakın zamandaki popüler bilim kitaplarına iki özel argüman konu oldu, ancak bence her ikisi de başarısız oldu. Nedenini açıklamak için biraz daha zamanınızı alacağım.

Doğanın kanunları ortaya çıkıyor
 

Bu, bazı yoğun madde teorisyenlerinin favori fikridir. Basit atom ve moleküllerden oluşan malzemelerin özelliklerini incelerler. Bu fikrin ana ustası, Nobel ödüllü Robert Laughlin'dir. [106] Aslında bu, boşluğun bir tür özel maddi ortam olduğunu belirten eski eter teorisidir. Eter fikri, Faraday ve Maxwell'in elektromanyetik alanları eterdeki voltajlar olarak temsil etmeye çalıştıkları 19. yüzyılda popülerdi. Ancak Einstein'dan sonra eterin itibarı sarsıldı. Laughlin, süperakışkan helyuma benzer özelliklere sahip maddeyle dolu evreni hayal ederek eski fikri canlandırmak istedi. Süperakışkan helyum, yalnızca çok sayıda atom makroskopik miktarlarda bir araya geldiğinde ortaya çıkan (ortaya çıkan) özel, ortaya çıkan , yani "ortaya çıkan" özelliklere sahip bir madde örneğidir . Süperakışkan haldeki sıvı helyum inanılmaz özellikler sergiler. Örneğin sürtünme olmadan akabilir. Bir süperakışkan, boşluğu dolduran ve parçacıklara özelliklerini veren Higgs sıvısına çok benzer. Özetle, Laughlin'in teorisi böyle bir maddeyle dolu bir uzayda yaşadığımız söylenerek ifade edilebilir. Daha doğrusu, uzayın kendisi böyle ortaya çıkan bir maddedir! Ayrıca Laughlin, yerçekiminin de ortaya çıkan bir fenomen olduğuna inanıyor.

Modern fiziğin ana konularından biri, ortaya çıkan fenomenlerin hiyerarşik yapısının incelenmesidir. Küçük bir atom veya molekül grubuyla başlayalım. Daha büyük bir yapıda bir araya gelerek, orijinal tuğlaların sahip olmadığı yeni özelliklere sahip bir nesne oluşturuyorlar. Bu yeni nesnenin özelliklerini öğrenerek nereden geldiğini unutabilir ve benzer nesnelerden daha büyük, daha karmaşık yapılar inşa etmeye başlayabilirsiniz. Ve yine, bu yapılar, bileşenlerinde olmayan yeni özelliklere sahip olacak. Nihai makroskopik nesnenin özelliklerine gelene kadar orijinal nesnelerin vb. özelliklerini tekrar unutabilirsiniz. Bu tür sistemlerin en ilginç özelliklerinden biri, hangi mikroskobik yapıyla başlarsanız başlayın, ortaya çıkan davranışta herhangi bir farklılığa yol açmamasıdır: nihai makroskopik nesnenin özellikleri, belirli sınırlar dahilinde her zaman aynı olur. [107] Bu nedenle Laughlin, doğanın temel nesnelerini aramanın bir anlamı olmadığına inanıyor, çünkü bu tür temel nesnelerin özelliklerini geniş bir aralıkta değiştirmek yine aynı Fizik Yasalarına - yerçekimi, Standart Model'e yol açacaktır. , vb. - bizim büyük ölçekli dünyamızda. Gerçek makroskopik malzemelerde, davranış olarak temel parçacıklara benzeyen çeşitli uyarılma türleri vardır, ancak gerçekte atomların toplu hareketleridir. Örneğin ses dalgaları, fonon adı verilen kuantumlardan oluşuyormuş gibi davranır. Ve bu fononların davranışı şüpheli bir şekilde fotonların ve diğer parçacıkların davranışına benziyor.

Doğa kanunlarının ortaya çıkan maddelerin kanunlarına benzer olduğundan şüphe etmek için iki iyi sebep vardır. İlk sebep, yerçekiminin özel özellikleridir. Bunu göstermek için, süperakışkan helyumun özelliklerini düşünün, ancak başka herhangi bir malzeme de alınabilir. Süperakışkan bir sıvıyla pek çok ilginç şey olur. Sayısal alanlar gibi davranan dalgalara sahip olabilir ve kasırga gibi görünen girdap adı verilen nesneler sıvı içinde hareket eder. Ama içinde kara deliklere benzeyen hiçbir şey yok. Ve bu tesadüf değil. Kara delikler, varlıklarını Einstein'ın genel görelilik kuramı tarafından tanımlanan yerçekimi kuvvetlerine borçludur. Ancak genel göreliliğin uzay-zamana verdiği özelliklere hiçbir malzeme sahip değildir. Bunun için çok iyi sebepler var. Karadelikleri anlattığım 10. Bölüm'de, kuantum mekaniğinin ve göreliliğin egemen olduğu bir dünyanın özelliklerinin, yalnızca sıradan maddenin üretebileceği her şeyden kökten farklı olduğunu gördük. Özellikle, modern kara delikler anlayışının temel dayanağı olan holografik ilke, benim bildiğim yoğun maddede görmediğim tamamen yeni bir madde davranışı gerektiriyor gibi görünüyor. Aslında Laughlin de bunu kabul ediyor, ancak bu gerçeği, kara deliklerin Hawking radyasyonu gibi kendilerine atfedilen özelliklerin çoğuna sahip olamayacakları bir bakış açısı lehine kullanıyor, oysa çoğu fizikçi kara deliklerin gerçekliğinden şüphe duymuyor. ikincisi.

Ancak birisinin tam olarak istediğimiz özelliklere sahip acil bir sistem bulmayı başardığını varsayalım. Acil sistemlerin özellikleri çok esnek değildir. Bu tür sistemler, çok çeşitli ilk mikroskobik durumlara dayanabilir, ancak daha önce de söylediğim gibi, bu mikro durumlar oldukça sınırlı bir nihai makro durumlar kümesine yol açar. Örneğin, helyum atomunun yapısını ve özelliklerini oldukça geniş bir aralıkta değiştirebilirsiniz, ancak bu, helyumun oluşturduğu süperakışkan sıvının özelliklerinde önemli bir farka yol açmaz. Önemli olan tek şey, helyum atomlarının birbiriyle çarpışan ve seken bilardo topları gibi davranmasıdır. İlk mikroskobik duruma karşı duyarsızlık, fizikçilerin ortaya çıkan sistemler hakkında en çok sevdikleri şeydir. Ancak, az sayıdaki olası sabit son durumlardan birinin, dünyamızın inanılmaz derecede ince ayarlanmış özelliklerine sahip bir durum olma olasılığı son derece düşüktür. Özellikle Laughlin, bu ince ayarlamaların en dramatik olanı olan küçük ama sıfır olmayan kozmolojik sabit için bir açıklama sağlamada başarısız oluyor. Yoğun maddenin ortaya çıkan özelliklerine dayanarak Evreni inşa etme fikri bana bir çıkmaz sokak gibi görünüyor.

Doğal seçilim ve evren
 

Lee Smolin, dünyanın belirli özelliklerini - antropik özellikleri - doğrudan Darwinci evrime benzeterek açıklamaya çalıştı [108] , daha önce verdiğim analojimdeki gibi genel bir olasılıksal anlamda değil, ama çok daha dar, daha özel bir anlamda . Smolin'in kredisine göre, sicim teorisinin devasa bir dizi olası evreni tanımlayabileceğini hemen fark etti ve bu gerçeği teorisini inşa etmek için kullanmaya çalıştı. Smolin'in fikrinin çıkmaza girdiğini hissetsem de, devasa çabalarının daha ciddi bir analizi hak ettiğine inanıyorum. İşte onun teorisinin özü.

Yerçekimi olan herhangi bir evrende kara delikler oluşabilir. Smolin, kara deliklerin içinde, özellikle de tekillik noktasında neler olabileceğinden bahsediyor. Bana göre tamamen asılsız olan, uzayın tekillik noktasında çökmesi yerine evrenin yeniden dirilişinin gerçekleştiğine inanıyor. Kara deliklerin içinde yeni evrenler doğuyor. Smolin, eğer bu doğruysa, o zaman evrenlerde kara deliklerin oluştuğuna ve evrenlerde oluşan kara deliklerin içinde oluştuğuna inanıyor - ve bu, evrenlerin maksimum uyumluluğuna doğru evrime yol açıyor . Fitness ile Smolin, çok sayıda kara delik üretme ve dolayısıyla çok sayıda yavru üretme yeteneğini anlıyor. Smolin daha sonra evrenimizin mümkün olan en yüksek uygunluğa sahip olduğunu, yani cebimizdeki doğa kanunlarının mümkün olan maksimum sayıda kara deliğe yol açacak şekilde olduğunu öne sürer. Buradan antropik ilkeye gerek olmadığı sonucuna varır. Evren yaşam için ideal değil, kara deliklerin üretimi için ideal.

Fikir dahiyane ama neyi açıkladığını anlamıyorum. İki önemli sorunla karşı karşıyayız. Birincisi, Smolin'in fikri Darwin'inkine çok benziyor ve bir neslin diğerinden çok küçük artımlı değişikliklerle farklılık göstermesini gerektiriyor. Daha önce de belirttiğim gibi, sicim kuramı manzarasının sunduğu model tam tersi şekilde çalışıyor. Smolin'i gerekçelendirirken, Peyzaj hakkındaki tüm bilgilerimizin teorisini yayınladıktan sonra elde edildiğini söylemeliyim. Smolin teorisini geliştirdiği sırada, sicim teorisyenlerinin çalışma paradigması, tüm değişikliklerin çok küçük adımlarla meydana geldiği düz, süpersimetrik bir manzara bölgesiydi.

İkinci sorun kozmolojiktir ve sicim kuramıyla çok az ilgisi vardır. Kara deliklerin üretimi için azami ölçüde uyarlanmış bir evrende yaşadığımıza inanmak için hiçbir neden yok. Smolin, evrenimizdeki doğa kanunlarındaki herhangi bir değişikliğin, içinde oluşan kara deliklerin sayısında bir azalmaya yol açacağını kanıtlamaya çalışan bir dizi argüman ileri sürüyor, ancak bu argümanları inandırıcı bulmuyorum. 5. Bölüm'de bunun tam tersinin doğru olduğunu ve evrenimizin karadeliklerden arınmış olmasının gerçekten bir mucize olduğunu açıkladım. İlk aşamada maddenin homojensizliğindeki nispeten küçük bir artış, Evrenin tüm maddesinin yıldızların ve galaksilerin oluşumundan çok önce kara deliklere çökmesine yol açacaktır. Ek olarak, temel parçacıkların kütlelerindeki bir artış, madde yerçekimsel çekime daha duyarlı olacağından, yine kara deliklerin sayısında bir artışa yol açacaktır. Aslında soru farklı bir şekilde sorulmalı: “Evrende neden bu kadar az kara delik var?” Bana en doğal gelen cevap, cep evrenlerin birçoğunun, hatta belki de çoğunun bizimkinden çok daha fazla karadeliğe sahip olduğu, ancak bunlar yaşamın oluşamayacağı çok elverişsiz koşullara sahip yerler olduğudur.

Genel olarak, kendi yeniden üretimine azami ölçüde uyarlanmış bir dünyada yaşadığımız argümanının bence önemli eksiklikleri var. Uzay yeniden üretir - şişmenin iyi çalışılmış mekanizması buna dayanır - ancak yeniden üretime azami ölçüde uyarlanmış bir evrenin bizim kendi dünyamızla hiçbir ilgisi yoktur. Smolin'in anlayışına göre en uygun evren, kendisini en hızlı kopyalayan evrendir ve bu, büyük bir kozmolojik sabit gerektirir. Ancak üremeye uygunluk ile akıllı yaşamı sürdürmeye uygunluk arasında hiçbir benzerlik yoktur. Evrenimiz, ultra küçük kozmolojik sabiti ve kara deliklerin bulunmayışıyla, kopyalama için çok uygun değildir.

Hayat ağacı benzetmesine dönersek, biyolojide maksimum üremeye uygunluk ile düşünmeye uygunluğun da kesişmediğini görüyoruz. Bu anlamda en uyumlu canlılar insanlar değil bakterilerdir.

Bakteriler o kadar hızlı çoğalırlar ki, tek bir hücre 24 saatte on trilyondan fazla yavru üretebilir! Bazı tahminlere göre Dünya'daki toplam bakteri sayısı bin milyar milyar milyardan fazladır. İnsan, belki bazı açılardan daha fazla uyarlanmıştır, ancak üreme ile ilgili olarak değil. Yaşamı destekleyebilen bir dünya da çok uygundur, ancak yine üreme yeteneği açısından değil.

Diğer yoldan gidelim. Gregor Samsa'nın o uğursuz günde dev bir hamamböceği kılığında uyandığını hayal edin. [109] Uykunun sisinden uyanarak kendi kendine sorar: "Ben nasıl bir yaratığım?" Smolin'in mantığına göre, cevap şöyle olmalıdır: "Yüksek olasılıkla, üremeye en çok uyarlanmış ve bu nedenle doğada en yaygın olan canlılar sınıfına ait olmalıyım. Bu nedenle ben bir bakteriyim."

Ancak birkaç saniye sonra aynadaki yansıması ona ilk varsayımının yanlışlığını gösterecektir. Descartes'ın sözleriyle şu sonuca varabilir: "Düşünüyorum, öyleyse ben bir bakteri değilim. Olağanüstü zihinsel yeteneklere sahip özel, harika bir yaratığım. Ben sıradışıyım. Alışılmışın ölçütünden çok uzağım. Ayrıca sıradan olmadığımızdan, ortalama bir şeye ait olmadığımızdan bir an bile şüphe duymuyoruz. Üreme için en uygun Megaverse şubesine ait değiliz. "Bence, yani kozmolojik sabit çok küçük olmalı" diyebilen daldanız.

Smolin'in fikirlerine tepkim oldukça sertti. Ancak bu katılık, Smolin'in genel felsefesiyle değil, belirli teknik sorunlarla ilgiliydi. Bana öyle geliyor ki Smolin birçok önemli başarı için büyük saygıyı hak ediyor. Smolin, sicim kuramındaki boşluk çeşitliliğinin, dünyanın neden böyle olduğunu açıklamada önemli bir olumlu rol oynayabileceğini ilk fark eden kişiydi. Ayrıca, dünyamızın benzersiz özelliklerini açıklamak için bu çeşitliliği kullanmaya çalışan ilk kişiydi.

Ama en önemlisi, cevaplanması gereken yakıcı soruyu formüle etti: "Modern fiziğin en derin ve en güçlü fikirlerini kullanarak, akıllı tasarımın apaçık kanıtlarına nasıl gerçekten bilimsel bir açıklama getirilebilir?" Sicim teorisyenlerinin önyargılarına şiddetle karşı çıktı ve bence o zaman onlardan daha haklıydı.

Defalarca vurguladığım gibi, cebimizin özel nitelikleri için, nüfuslu manzara dışında, doğaüstü güçlerin dahil edilmesini gerektirmeyen açıklamalar dışında tatmin edici bir açıklama bilmiyorum. Ancak, nüfuslu manzaraya ilişkin mevcut anlayışımızla ilgili gerçek sorunlar var ve bunların bazıları oldukça ciddi. Kanımca, en büyük sorun sürekli enflasyonla nasıl başa çıkılacağıdır - manzarayı doldurmak için tasarlanmış bir mekanizma. Ne uzayın klonlanması ne de yarı kararlı boşluğun baloncuklarının şişmesi ciddi problemler değildir. Bu fenomenlerin her ikisi de genel göreliliğin ve kuantum mekaniğinin en güvenilir ilkelerine dayanmaktadır. Ancak hiç kimse, bu fenomenlere dayanarak Evrenimiz hakkında herhangi bir tahminde bulunmanın veya en azından istatistiksel varsayımların nasıl yapılacağına dair net bir anlayışa sahip değil.

Sonsuz cep evrenleriyle dolu Megaverse için antropik ilke, Evrenimizin rolü için aday listesinden çoğunu seçmek ve ortadan kaldırmak için etkili bir araçtır. Bizimki gibi yaşamın varlığına izin vermeyen evrenler çöp kutusuna atılabilir. Bu formülasyondaki antropik ilke, "Kozmolojik sabit neden bu kadar küçük?" gibi soruları yanıtlamak için güçlü bir açıklama gücüne sahiptir. Ancak antropik ilkeyi çevreleyen tartışmaların çoğu, daha iddialı bir fikri gündeme getiriyor: Çevresindeki tüm dünyanın özelliklerini tahmin etmede gümüş merminin yerini alabileceği umudu.

Bu beklentiler temelsizdir. Doğanın her özelliğinin yaşam olasılığı tarafından belirlenmesi için hiçbir neden yoktur. Bazı özellikler titiz matematiksel akıl yürütmeden, bazıları antropik ilkeden ve bazıları da tamamen şanstan türetilebilir.

Her zaman olduğu gibi, akıllı balıkların dünyası (bkz. Bölüm 6), olası bakış açılarını değerlendirmek için uygun bir analojidir.

Bakalım bu balıklar dünyalarını nasıl keşfediyor.

Zamanla, mersin balığı bilim adamları, diğer balıkları yaşadıkları gezegenin, suyu ısıtmak için enerji sağlayan bir yıldız olan kırmızı-sıcak ışıklı bir nükleer reaktör etrafında döndüğüne ikna etmeyi başardılar. Şimdi en iyi beyinlerini saplantı haline getiren soru yepyeni bir ışık altında ortaya çıktı. Okyanusun sıcaklığının yıldıza olan uzaklığa bağlı olduğunu fark ederek yeni bir bilmece formüle ettiler: "Gezegenimizin ısı kaynağına olan yörünge mesafesi neden bu kadar ince ayarlanmış?" Ama mersin balığının cevabı aynıydı: “Evren büyük. İçinde birçok yıldız ve gezegen var ve bu gezegenlerin çok küçük bir kısmının, şans eseri, yıldızlarından sıvı su ve balıkların varlığına elverişli bir mesafede olduğu ortaya çıktı.

Ancak bazı cipsler bu cevapla yetinmedi. Haklı olarak, gezegenin yüzeyindeki sıcaklığın yalnızca yörünge mesafesine bağlı olmadığını belirttiler. Bir yıldızın parlaklığı, yani enerji yaydığı yoğunluk da denkleme girmelidir. "Küçük, sönük bir yıldızın yakınında veya parlak bir devin uzağında olabiliriz. Bir dizi seçenek var. İktiyotropik ilke burada başarısız olur. Gezegenimizin neden bu noktada olduğunu ve yıldızdan farklı bir mesafede olmadığını hiçbir şekilde açıklayamaz.

Ama mersin balıklarının amacı hiçbir zaman doğanın her özelliğini açıklamak olmadı. Evrenin çok çeşitli doğal koşulları içerecek kadar büyük olduğu iddiaları geçerliliğini koruyor. İktiyotropik ilkenin her şeyi açıklayamayacağı argümanı, parçalayıcılar tarafından onu çürütmek için uydurulmuş bir mantıksal hileden başka bir şey değildir.

Bu hikaye ile antropik ilke arasında çok yakın bir paralellik vardır. Örneğin, erken evrenin kozmolojik sabitini ve heterojenlik derecesini ele alalım. 2. Bölüm'de, Weinberg'in kozmolojik sabitin küçüklüğünü nasıl açıkladığını tartıştım. Çok daha büyük olsaydı, erken Evren'de var olan homojensizlikler galaksilere dönüşemezdi. Ancak başlangıçtaki homojensizliğin biraz daha büyük olduğunu varsayalım. Bu durumda kozmolojik sabitin biraz daha büyük bir değeri de bize uyacaktır. Bir yıldızın yörünge mesafesi ve parlaklığı durumunda olduğu gibi, yaşamın veya en azından galaksilerin ortaya çıkmasına yol açan kozmolojik sabitin ve heterojenlik derecesinin birbirine bağlı bir dizi değeri vardır. Antropik ilke, bu anlam çiftleri arasında seçim yapma konusunda kendi başına güçsüzdür. Bazı fizikçiler bunu antropik ilkeye karşı bir argüman olarak kabul etmeye hazırlar. Bir kez daha, bunu bir mantık oyunu olarak görüyorum.

Cipsleri olan mersin balığı sonunda daha yapıcı bir diyaloga geçmeyi başarmış olabilir. Bunu yapmak için, yıldızların oluşumu ve evrimi konusunda uzmanlar olan astrofizikçileri davet ettiler. Bu balık bilim adamları, dev gaz bulutlarından yıldız oluşum sürecini incelediler ve beklendiği gibi, ortaya çıkan yıldızların çok geniş bir parlaklık yelpazesine sahip olduğunu buldular. Çeşitli yıldızların parlaklığını doğrudan ölçemeyen astrofizikçiler, yine de, parlaklığı belirli bir aralıkta olan yıldızların diğerlerinden daha yaygın olması gerektiği sonucuna vardılar. Astrofizikçiler, en uzun ömürlü yıldızların 1026 ila 1027 watt arasında bir parlaklığa sahip olması gerektiğini hesapladılar . Yıldızları bu aralığa giriyor gibi görünüyor.

Şimdi mersin balıkları devraldı. Bir yıldızın bu kadar parlaklığıyla, gezegenin ikliminin ılıman olması ve yüzeyinde yeterince sıvı su bulunması için gezegenin ondan yaklaşık yüz milyon mil uzakta olması gerekirdi. Bu tahmin, istedikleri kadar doğru değildi. Herhangi bir olasılıksal sonuç gibi, yanlış olduğu ortaya çıkabilir. Yine de hiç öneri olmamasından iyiydi.

Bu iki durumun -sıvı suyun varlığı ve galaksilerin oluşumu- ortak noktası, insancıl (veya ihtiyotropik) düşüncelerin tek başına dünyadaki her şeyi açıklamak veya tahmin etmek için yeterli olmamasıdır. Peyzajda yaşanabilir koşullara sahip birden fazla vadi varsa bu kaçınılmazdır ve peyzaj 10.500 vadiden oluştuğunda birçok yaşanabilir vadinin olma olasılığı oldukça yüksek görünmektedir. Hayatın varlığına uygun bir boşluğa antropik olarak kabul edilebilir diyelim . Antropolojik olarak kabul edilebilir bir vadideki olağan fizik ve kimya bizimkine çok benzer olabilir. Elektronlar, çekirdekler, gezegenler, yıldızlar, galaksiler ve yerçekimi yasaları neredeyse bizim dünyamızdaki gibi var olabilir. Farklılıklar yalnızca yüksek enerjili fizikçileri ilgilendiren şeylerde bulunabilir. Örneğin, doğada pek çok parçacık vardır: t-kuark, tau-lepton ve özelliklerinin sıradan dünya üzerinde ciddi bir etkisi olma olasılığı düşük olan diğerleri. Dev parçacık hızlandırıcıların yardımı olmadan bu tür dünyalar arasındaki farkları tespit etmek çok zor olacaktır. Bu boşluklardan bazıları (bizimki de dahil), geleneksel fizik üzerinde çok az etkisi olan veya hiç etkisi olmayan birçok yeni parçacık türü içerebilir. Neden bu antropik olarak kabul edilebilir boşluklardan herhangi birinde yaşadığımızı açıklamanın bir yolu var mı? Açıkçası, antropik ilke bu konuda bize yardımcı olmuyor, çünkü tüm bu tür boşluklar yaşamın varlığına izin veriyor.

Bu sonuç hayal kırıklığı yaratıyor. Teoriyi, bilim adamlarının özellikle hassas olduğu, tahmin gücünden yoksun olduğu yönündeki ciddi suçlamalara açık bırakıyor. Bu sorunu çözmek için, birçok kozmolog antropik ilkeyi ek olasılıksal varsayımlarla tamamlamaya çalıştı. Örneğin, bir t kuarkının kütlesinin neden belirli bir değere sahip olduğunu sormak yerine, bir t kuarkının kütlesinin belirli bir aralıkta olma olasılığının ne olduğu sorulabilir.

İşte o varsayımlardan biri. Sonunda, belirli bir aralıkta kütlelere sahip t-kuarkların kaç tane vadi içereceğini hesaplamak için Manzarayı yeterince iyi inceleyeceğiz. Bazı kütle aralıklarında çok sayıda vadi bulunurken bazılarında az sayıda vadi bulunur. Dahası, açıktır: daha fazla sayıda vadiyi açıklayan t-kuarkın kütlesinin değeri daha olasıdır. Ancak böyle bir araştırma programını uygulamak için Peyzaj hakkında bugün bildiğimizden çok daha fazlasını bilmemiz gerekiyor. Ancak kendimizi, olası tüm boşlukların akla gelebilecek herhangi bir özellik kümesiyle çizildiği ayrıntılı bir Peyzaj haritasına sahip olan geleceğin araştırmacılarının yerine koyalım. En doğal varsayım, herhangi bir sabitin seçilen iki değerinin göreceli olasılığının, sabitin seçilen değerlere sahip olduğu boşluk sayısının oranına karşılık gelmesi olacaktır. Örneğin, bir parçacığın kütlesinin M1 olduğu boşluk sayısı, o parçacığın kütlesinin M2 olduğu boşluğun sayısının iki katı ise, o zaman parçacığın M1 kütlesine sahip olma olasılığının, parçacığın M1 kütlesine sahip olma olasılığının, o parçacığın kütlesinin M1 olma olasılığının iki katı olduğu sonucu çıkar. parçacığın kütlesi M2'dir. Şanslıysak, t-kuark kütlesinin belirli bir değerinin en fazla sayıda vadiye karşılık geldiğini görebiliriz. Bu doğrultuda tartışarak, bunun tam olarak dünyamızda t-kuarkın sahip olması gereken kütle değeri olduğunu varsayabiliriz.

Olasılığa dayalı bu tür tek bir tahmin bir teoriyi doğrulayamaz veya çürütemez, ancak birçok başarılı istatistiksel tahmin güvenimize daha fazla ağırlık verebilir.

Fikir cazip, ancak böyle bir mantığı sorgulamak için iyi nedenler var. Peyzajın sadece bir olasılıklar alanı olduğunu unutmayın. Hileci olsaydık, benzer şekilde her türlü gezegenin manzarasını düşünebilir, aralarında Fizik Yasalarının izin verdiği herhangi bir seçeneği, örneğin çekirdeği saf altından oluşan gezegenleri bulmayı umabilirdik. Fizik denklemleri hem altın hem de demir topların varlığına izin verir. [110] Bu mantığı izleyerek parçalayıcılar, gezegenlerinin demir çekirdeğe sahip olma olasılığının [111] altın çekirdeğe sahip olma olasılığıyla tamamen aynı olduğu sonucuna varabilir, ancak bu bariz bir hatadır.

Aslında, olası gezegen türlerinin sayısını değil, her türden gerçekte var olan gezegenlerin sayısını bilmek istiyoruz. Bunu yapmak için soyut bir olasılık hesabından daha fazlasına ihtiyacımız var. Yıldızların içlerinde meydana gelen termonükleer süreçlerde demir ve altının nasıl ve hangi oranlarda sentezlendiğini bilmeliyiz.

Demir, tüm kimyasal elementlerin en kararlısıdır. Tüm atom çekirdekleri arasında, bir demir çekirdeğinden bir proton veya nötron çıkarmak en zordur. Sonuç olarak, yıldızların içlerinde meydana gelen termonükleer füzyon süreçleri, hidrojenden helyumun, ardından lityum, berilyum, bor, karbon ve demire kadar daha ağır elementlerin sentezine yol açacaktır. Sonuç olarak, demir, altın da dahil olmak üzere daha ağır olanlarla ilişkili olarak evrendeki en yaygın kimyasal element olacaktır. Bu nedenle demir nispeten ucuzken, altının onsu bin dolardan fazladır. Altın, demirden çok daha nadir bulunan bir elementtir. Hemen hemen tüm karasal gezegenlerin altın değil, demir çekirdeği olmalıdır. Demir çekirdekli bir gezegen bulma olasılığıyla karşılaştırıldığında, altın çekirdekli bir gezegen bulma olasılığı sıfıra meyillidir. Bu nedenle olasılıkları değil gerçekleri saymayı öğrenmemiz gerekiyor .

Cep evrenlerini sayarken, gezegenleri sayarken kullandığımız mantıkla hareket etmeliyiz. Ve burada korkunç sonsuz enflasyon sorunuyla karşılaşıyoruz. Sonsuzluğu nedeniyle, sonsuz şişme, en azından bizim anladığımız şekliyle, sonsuz sayıda cep ve buna bağlı olarak sonsuz çeşitlilikte cep evrenleri üretir. Bu bizi eski bir matematik problemine getiriyor: iki sonsuz nasıl karşılaştırılır.

Sonsuzluklardan hangisi daha büyük ve ne kadar?

Sonsuz sayıları karşılaştırma sorunu, 19. yüzyılın sonunda kendi kendine şu soruyu soran Georg Cantor'un çalışmasına kadar uzanır: Her biri sonsuz sayıda eleman içeren iki küme nasıl karşılaştırılır? İlk olarak, sıradan sayıları nasıl karşılaştırdığımızı bulalım. Bir demet elmamız ve bir demet portakalımız olduğunu hayal edin. Açık cevap, her kümedeki meyve sayısını almak ve saymaktır, ancak yalnızca hangi yığının daha büyük olduğunu bilmek istediğimiz için, sayabilmemizi bile gerektirmeyen daha basit bir yöntem kullanabiliriz. Elmaları bir sıraya koyun, ardından portakalları yanlarına koyun, böylece her elmanın yanında bir portakal olur. Bazı elmalar dışarıda bırakılırsa, o zaman portakallardan daha fazla elma vardır. Fazladan portakal varsa, o zaman elmadan daha fazla portakal vardır. Her elma tam olarak bir portakala karşılık geliyorsa, o zaman elma ve portakal sayısı aynıdır.

Cantor, aynı şeyin sonsuz (onları sonlu ötesi olarak adlandırdı) kümelerle yapılabileceğini savundu. Örneğin, çift ve tek doğal sayılar kümesini ele alalım. Her biri sonsuz sayıda element içerir, ancak bu sonsuz sayılardan hangisi daha büyüktür? Bu kümelerin elemanlarını alt alta yazalım ve her bir çift sayı bir tek sayıya karşılık gelecek şekilde düzenleyip düzenleyemeyeceğimize bakalım. Matematikçiler buna bire bir yazışma diyorlar .

Bu iki listenin sonunda tüm çift ve tüm tek sayıları içermesi gerektiğini unutmayın. Ek olarak, her iki kümenin de sonsuz olmasına rağmen, Cantor'un çift sayıların sayısının tek sayıların sayısına eşit olduğu sonucuna varmasına dayanarak, tam olarak öğe öğe çakışırlar.

Peki ya doğal sayıların toplam sayısı? İlk bakışta, doğal sayıların toplam sayısı, çift sayıların sayısının iki katı gibi görünüyor. Ancak Kantor, bu sonuca kategorik olarak karşı çıktı. Çift sayılar kümesi, tüm doğal sayılar kümesiyle birebir eşlenebilir.

Cantor tarafından oluşturulan sonsuz sayıların matematiksel teorisine göre, çift sayıların sayısı tüm doğal sayıların sayısıyla tamamen aynıdır! Dahası, 10 - 10, 20, 30, 40, vb.'nin katları kümesi, doğal sayılar kümesiyle tamamen aynı boyutta sonsuz bir kümedir. Doğal sayılar, çift veya tek sayılar, ona bölünebilen sayılar, matematikçilerin sonsuz sayılabilir kümeler dediği [112] örneklerdir ve hepsi aynı boyuta sahiptir.

Sonsuz sayılarla bir düşünce deneyi yapalım. Kağıt parçaları üzerine yazılmış tüm doğal sayıları içeren sonsuz bir çanta hayal edin. İlk olarak, tüm kağıt parçalarının düzgün bir şekilde karışması için çantayı iyice sallayın. Şimdi elinizi içine sokun ve bir parça kağıt çıkarın. Kağıtta yazan sayının çift olma olasılığı kaçtır?

Müstehcen cevap: yüzde 50. Torbadaki sayıların yarısı çift olduğuna göre çift sayı gelme olasılığı 1/2 olmalıdır. Ama gerçek dünyada böyle bir deney yapamayız çünkü hiç kimse doğal sayılar için sonsuz bir çanta yapamaz. Teoriyi test etmek için küçük bir numaraya başvurabilir ve örneğin ilk bin doğal sayıyı içeren sonlu bir çanta kullanabiliriz. Deneyi birçok kez tekrarlarsak, çift sayı çekme olasılığının gerçekten de yarıya yakın olduğunu görürüz. Daha sonra aynı deneyi ilk on bin doğal sayıyı içeren bir çanta ile yapabiliriz. Yine, çift sayı çekme olasılığının bir buçuk olduğunu bulduk. İlk 100.000 doğal sayıyla, ilk milyon doğal sayıyla, ilk milyarla vb. deneyler yaparak, her seferinde yarıya eşit bir olasılık elde edeceğiz. Deneyimizin sonucunu sonsuz sayıda doğal sayıya tahmin etmek ve olasılığın yine de yarıya eşit kalacağını varsaymak mantıklıdır.

Fakat bekle. Poşetin içeriğini aşağıdaki şekilde değiştirebiliriz. Birinci deneyde ilk bin çift sayıyı ve ilk iki bin tek sayıyı torbaya koyalım . Şimdi torbada çift sayıların iki katı tek sayı vardır ve çift sayı çekme olasılığı üçte birdir. İlk 10.000 çift ve ilk 20.000 tek sayı ile deneyi tekrarlayalım ve yine üçte bire eşit bir olasılık elde edelim. Önceki deneyde olduğu gibi, bu sonucu sonsuz sayıda sayıya tahmin edebilir ve istenen olasılığın üçte bir olduğu sonucuna varabiliriz. Aslında, deneyin koşullarını değiştirerek herhangi bir olasılık değeri elde edebiliriz.

Sonsuza dek şişen Evren, yalnızca sayılarla dolu kağıt parçalarıyla değil, cep evrenleriyle dolu sonsuz bir çantadır. Bu, evrenin önceden belirlenmiş herhangi bir versiyonunun - Manzara'nın herhangi bir vadisinin - sonsuz sayıda sayılabilecek sayıda bulunduğu bir çantadır. Bir cep evren türünün örnek sayısını diğeriyle karşılaştırmanın ve birinin diğerinden daha olası olduğunu beyan etmenin açık bir matematiksel yolu yoktur. Bu gerçeğin anlamı çok rahatsız edici: antropolojik olarak kabul edilebilir çeşitli boşlukların göreli bolluğunu belirlemenin hiçbir yolu yok gibi görünüyor.

Ölçü sorunu (kozmolojide ölçü, çeşitli boşlukların meydana gelişlerinin göreli sıklığıdır), birçok büyük kozmolog, özellikle de Vilenkin ve Linde için büyük endişe kaynağıdır. Sürekli enflasyonun Aşil topuğu olabilir. Bir yandan, ilginç bir manzara içeren herhangi bir teoride sonsuz enflasyondan nasıl kaçınılacağını anlamak çok zordur. Öte yandan, ortaya çıkan teorinin geleneksel bilimsel anlamda herhangi bir şeyi tahmin etmek için nasıl kullanılacağını anlamak da aynı derecede zordur.

Geçmişte fizik, sonsuz sayılarla ilişkili çok sayıda sorunla karşılaştı: Max Planck tarafından başarılı bir şekilde önlenen ultraviyole felaketi veya kuantum alan teorisinin ilk versiyonlarındaki sapmalar. Hawking ve 't Hooft'un tartıştığı kara delik problemleri bile sonsuzlukla ilişkilidir. Hawking'in hesaplamalarına göre, bir kara deliğin ufku, geri dönüşü olmayan bir şekilde sonsuz miktarda bilgiyi soğurma yeteneğine sahiptir. Bunların hepsi, sonlu olmayan veya sonsuz sayıların derin sorunlarıydı. Ve her durumda, herhangi bir ilerleme kaydedilmeden önce yeni fiziksel ilkelerin bulunması gerekiyordu. Planck'ın durumunda, kuantum mekaniği, yani Einstein'ın ışığın kuantumlardan oluştuğunu keşfiydi. Kuantum alan teorisini rahatsız eden sonsuz sayılar ancak Kenneth Wilson'ın yeniden normalleştirme ilkesini keşfetmesinden sonra yenildi. Kara deliklerle ilgili hikaye bugüne kadar devam ediyor, ancak sorunun çözümünün ana hatları, holografik bir ilke şeklinde zaten belirlenmiş durumda. Her durumda, klasik hesaplama yöntemlerinin dünyayı tanımlayan serbestlik derecesi sayısını fazla tahmin ettiği ortaya çıktı.

Arazi hakkında nasıl tahminde bulunacağımızı anlamadan önce, ölçüm konusunun da büyük yeni fikirler gerektireceğine inanıyorum. Herhangi bir varsayımda bulunmam istenseydi, burada holografik bir ilke gibi bir şey olmalı ve ufkumuzu aşan bilgilerin SPK'da kendi cebimizde olduğunu söylerdim. Ama eğer nüfuslu manzaranın bir rakibi olsaydım, saldırımın hedefi olarak bu sonsuz enflasyon kavramsal sorununu seçerdim.

Ölçme sorununa ek olarak, deney veya gözlemle test edilebilecek tahminlerin elde edilmesindeki pratik zorluklarla ilgili çok ciddi sorunlar da vardır. Ama bence durum umutsuz olmaktan çok uzak. Yakın gelecekte test edilebilecek birkaç tahmin var.

 Enflasyonun başlangıcı
 

5. Bölüm'de, erken evrende (SPK olarak gözlemlenen), uçurumdan vadimize düşüşü sona erdiren şişmenin son aşamasının madde dağılımında nasıl son derece yüksek bir tekdüzeliğe ulaştığını açıkladım. Kalan zar zor fark edilen homojensizlikler, galaksilerin büyüdüğü tohumlar haline geldi. Küçücük kozmik toz tanelerinden, gökyüzünün neredeyse yarısını kaplayan devasa oluşumlara kadar tüm ölçeklerde Evren'deki madde dağılımının topaklı yapısını gözlemliyoruz. Şu anda gördüğümüz kozmik yığınlar ve karışıklıklar, çeşitli dönemlerin fosil kalıntılarıdır. Basit bir kuralı hatırlamak önemlidir: heterojenliğin ölçeği ne kadar büyükse, o kadar eski bir çağdan kalır.

Eğer çok, çok şanslıysak, o zaman kozmik mikrodalga arka plan radyasyonunun dağılımında gözlemlenen homojensizliklerin belki de en büyüğü, Evrenin şişme aşamasının başlamasından hemen önceki durumu hakkında, başka bir deyişle, o an hakkında bilgi taşır. Evren, şişen uçurumun üzerinde asılı kaldı. Eğer öyleyse, o zaman en büyük yama, enflasyon zaten bir süredir devam ederken ortaya çıkan daha küçük yamalardan biraz daha az düzensiz olmalıdır. Ve öyle görünüyor ki, gerçekten de en büyük homojensizliklerin diğerlerinden daha yumuşak olduğuna dair gözlemsel kanıtlar var. Bu çok büyük ölçekli homojensizliklerin, şimdikinden daha büyük bir kozmolojik sabite sahip bir çağda balonumuzun oluşumu hakkında bilgi taşıyabileceğini varsaymak oldukça cesurca olurdu.

Şişmenin uzayın başlangıçtaki eğriliğine dair kanıtları yok edecek kadar uzun sürmediği için yeterince şanslıysak, baloncuğumuz o dönemin izlerini taşımalıdır. Cep evrenimiz kabarcık çekirdeklenme sürecinde doğduysa, eğriliği negatif olmalıdır - kozmik üçgenin açılarının toplamı her zaman 180 derece olmalıdır.

Gözlemlerimizin şu anki doğruluk düzeyinde, henüz Evrenimizin negatif eğriliğine dair herhangi bir kanıt bulamadık. Bir yandan, enflasyonist faz çok uzun süre devam ederse, o zaman herhangi bir negatif eğrilik bulamayız. Ancak öte yandan, negatif bir eğrilik bulursak, bu, Evrenimizin mevcut olandan daha büyük bir kozmolojik sabite sahip bir boşlukta küçük bir baloncuk şeklinde doğduğunun tartışılmaz bir kanıtı olacaktır.

Gökyüzündeki süper sicimler
 

Evreni incelemek için tüm olanaklarımızı tükettik. Süper sicimleri tespit etmek gerçekten mümkün mü? Açıkçası, deneysel yöntemlerimiz için çok küçükler. Ancak aynı şey, şişme fazı sırasında meydana gelen mikroskobik kuantum dalgalanmaları için de söylenebilir, ancak 5. Bölüm'de Evren'in genişlemesinin ve yerçekiminin bu mikroskobik düzensizlikleri şaşırtıcı bir şekilde oldukça gözlemlenebilir etkilere dönüştürdüğünü gördük ve SPK'nın eşit olmayan dağılımında ortaya çıktı. arka plan ve sonunda, bugün gökyüzünde görülebilen galaksilerin ve yıldızların ortaya çıkmasına neden olan onlardır. Bugün, mikroskobik kuantum dalgalanmalarının sonuçlarına, çılgın bir noktacı ressam tarafından resmedilen devasa bir genişleyen cennet mahzeni biçimindeki sonuçlarına tanık oluyoruz ve bu, kuantumu algılamaya alışkın çoğu fizikçi için tam bir sürpriz olarak gelen gerçekten inanılmaz bir gerçektir. sadece mikro kozmosta içkin bir şey olarak etkiler. Bu nedenle, belki de, süper sicimler gibi küçük nesnelerin böyle bir şey üretemeyeceği - örneğin gökyüzünü dev bir Jackson Pollock tuvaline çeviremeyeceği fikri göz ardı edilmemelidir.

Thibault Damour, Alexander Vilenkin, Joe Polchinski ve diğerlerinin çalışmalarından yararlanan teorisyenler, şişme aşamasıyla ilişkili yeni, son derece heyecan verici fenomenleri keşfetmeye başladılar. Şişmenin nedeni, mevcut olandan önce gelen vakumun enerjisidir. Bu enerji, Evren potansiyel bir uçurumdan bugünkü Manzara Vadimize düştükten sonra hiçbir yerde kaybolmadı, ancak daha basit enerji biçimlerine - Evrenimizi oluşturan radyasyona ve maddeye dönüştü.

Ancak enerji başka şekillerde de var olabilir. Enerjinin bir kısmı, bir kedinin pençelerine düştükten sonra, bir yün çilesini andıran, aşırı derecede birbirine dolanmış bir sicim topunun potansiyel enerjisine dönüştürülebilir. Bu arapsaçı yalnızca sıradan sicim kuramı sicimlerini değil, aynı zamanda Polchinski'nin D-sicimlerini de içerebilir.

Böyle bir düğüm erken Evren'de ortaya çıktıysa, sonraki genişleme sürecinde de büyük bir ölçeğe şişecektir: küçük mikroskobik halkalar ve nodüller yüz milyonlarca ışıkyılı boyuta ulaşacaktır. Ama iplerin bir kısmı, evrenin uçsuz bucaksızlığında rüzgarda dev bir çamaşır ipi gibi dalgalanarak bugüne kadar hayatta kalacak. Bu teller optik veya radyo teleskoplarda gözlemlenmeyecek, ama neyse ki onları tespit etmenin başka bir yolu var. Damour ve Vilenkin, bu tür kozmik sicimlerin, belki de önümüzdeki on yıl içinde düzeltilebilecek olan yerçekimi dalgalarını (kütleçekimsel alanın dalga benzeri bozulmaları) yayacağını göstermiştir.

Yıldızlar arasında böyle sicimler bulmak, sicim teorisi için bir zafer olurdu.

Bu kozmik süper sicimleri inceleyerek, eğer gerçekten varsalar, Peyzajın tamamı hakkında değilse de en azından yakın çevremiz hakkında çok şey söyleyebiliriz. Polchinski ve meslektaşları, bir ip topunun evrensel bir ağa dönüştüğü koşulları dikkatle inceledi. Bu koşullar, Arazinin boyutları, sıkıştırılmış boyutlarda zarların ve akışların varlığı gibi şeylere karşı çok hassastır. Belki de, her zamankinden daha devasa parçacık hızlandırıcıları inşa etmek yerine, yukarıdaki yıldızlı gökyüzüne daha yakından bakmalıyız. kafalarımız?

Yüksek enerji fiziği
 

Astronomik ve kozmolojik gözlemler muhtemelen geleceğin işidir ve bugün laboratuvar deneylerinde yeteneklerimizin sınırlarına henüz ulaşmadık. Kısa vadede Fizik Yasaları hakkında yeni devrimci bilgiler elde etmek için en büyük umutlar, her zaman yüksek enerji fiziği ve onun temel parçacık hızlandırıcılarına bağlandı. Halihazırda yeteneklerimizin sınırına yaklaşıyor olabiliriz, ancak bilgimizin sınırlarını en az bir büyüklük sırası daha zorlayabileceğimize şüphe yok. Dünyanın en büyük hızlandırıcısı ve muhtemelen bize çok fazla yeni bilgi verecek kadar büyük olan tek hızlandırıcı, İsviçre'nin Cenevre kenti yakınlarındaki CERN'de (Avrupa Nükleer Araştırma Merkezi) bulunmaktadır. Buna Büyük Hadron Çarpıştırıcısı veya LHC denir. Başlangıçta Higgs bozonunu incelemek amacıyla tasarlandı, ancak aynı zamanda temel parçacıkların süpersimetrik ikizlerini tespit etmek için ideal bir makineyi temsil ediyor.

8. Bölüm'de, birçok fizikçinin süpersimetrinin kelimenin tam anlamıyla köşede olduğuna inandığından bahsetmiştim. 25 yıl önce bile, süpersimetrinin varlığının, boşluktaki dev kuantum dalgalanmalarının, Standart Modeli çökertecek olan devasa Higgs bozon kütlesinin oluşmasına yol açmayacağını garanti ettiği öne sürülmüştü. Belki de süpersimetri gerçekten bizi bekliyor, en yakın köşede değilse de bir sonraki köşede. Çoğu fizikçi, durumun böyle olmasını bekler veya en azından, konuyla ilgili yayınların sayısına bakıldığında edinilen izlenim budur.

Ama başka bir olasılık daha var. Vakum enerjisinde (veya kozmolojik sabitte) olduğu gibi, çok fazla Higgs bozon kütlesi, cep evrenimizde yaşamın oluşmasını imkansız hale getirir. Bu nedenle, belki de çözüm süpersimetri değil, antropik ilkeye başvurmaktır. Dünya yeterince büyükse ve Arazi yeterince çeşitliyse, o zaman Megaevrenin bazı belirli bölgelerinde Higgs bozonunun kütlesi, yaşamın ortaya çıkma olasılığını önleyecek kadar büyük olmayacaktır. Kozmolojik sabit durumunda olduğu gibi, bu durumda süpersimetriye başvurmak gereksiz olacaktır.

Bu iki açıklama zorunlu olarak birbirini dışlamaz. Bir vadideki Higgs bozonunun kütlesinin küçük olmasının koşulu, onun yanında, şimdi kelimenin tam anlamıyla "köşeyi dönünce" başka bir süpersimetrik vadinin varlığı olabilir. Bu durumun, küçük bir Higgs bozonu kütlesine sahip tüm vadilerin özelliği olması bile mümkündür.

Veya tam tersi, küçük bir Higgs bozonu kütlesine sahip boşlukların büyük çoğunluğunun herhangi bir süpersimetriden tamamen yoksun olduğu ortaya çıkabilir. Peyzaj çalışması henüz emekleme aşamasında ve bu sorunun cevabını bilmiyoruz. Benim kişisel varsayımım, süpersimetriye ihtiyaç olmadığı yönünde ve bundan makalelerden birinde bahsetmiştim. Ama o zamandan beri fikrimi iki kez değiştirdim ve büyük olasılıkla son kez değil.

Süpersimetriyi bulmanın ve bulmamanın göreli olasılığını tahmin etme girişiminde yine ölçüm sorununa geliyoruz. Belki de orada durmalıyız, ancak engelleri aşmaya ve aşmaya çalışmak için güçlü bir ayartma var. Michael Douglas, Shamit Kachru ve diğerleri gibi teorisyenler, Peyzajdaki farklı özelliklere sahip farklı yerlerin sayısını saymak için yöntemler geliştirmekle meşguller. Gerçek cep evrenlerinin sayısını değil, olasılıkların sayısını kastediyorum. Başka herhangi bir bilgi olmadan, antropolojik olarak kabul edilebilir, bozuk süpersimetriye sahip boşlukların sayısı, hiç süpersimetri olmayan boşlukların sayısından çok daha fazlaysa, o zaman dünyamızda kırık süpersimetrinin varlığının çok muhtemel olduğu sonucuna varabiliriz. Ama ölçü meselesi, odadaki başka bir dev filin sessizce bize kıkırdaması.

Peyzajın varlığı, ebedi enflasyon ve antropik ilke hipotezini test etmenin gerçek zorluklarına rağmen, teoriyi doğrulamanın birçok yolu vardır. Matematiksel tutarlılık pragmatik deneycileri etkilemeyebilir, ancak hafife alınmamalıdır. Kuantum mekaniğini ve genel göreliliği birleştiren tutarlı teoriler henüz yaratılmadı, bu nedenle sicim teorisinin neredeyse hiç rakibi yok. Ve eğer alternatif yoksa ve sicim teorisi zengin bir manzaranın varlığını öngörüyorsa, o zaman nüfuslu manzara varsayılan olur - tabiri caizse, "adımları belirleyen teori."

Ancak teorinin daha doğrudan bir şekilde test edilmesi ihtimalinden vazgeçmek elbette erkendir. Teori ve deneyin genellikle el ele gittiği doğrudur, ancak bu her zaman böyle değildir. Alan Guth'un enflasyon teorisinin gözlemlerle doğrulanması yirmi yıldan fazla zaman aldı ve ilk başta neredeyse herkes onun fikrini ilginç, ancak tamamen test edilemez olarak kabul etti. Bence Alan'ın kendisi bile teorisinin doğrulanma olasılığı konusunda şüpheciydi.

Darwin'in teorisi kendisini daha da hassas bir durumda buldu. Doğal dünyanın genel gözlemlerine ve çok ileri görüşlü bir önseziye dayanıyordu. Ancak evrim teorisinin doğrudan deneysel olarak doğrulanması, araştırmacıyı milyarlarca değilse bile milyonlarca yıl boyunca hareket ettirebilecek bir zaman makinesinin varlığı olmadan tamamen imkansız görünüyordu. Aslında, parlak biyologların ve kimyagerlerin teoriyi deneysel olarak test etmenin bir yolunu bulmaları yaklaşık yüz yıl sürdü. Bazen teori, yolu aydınlatmak için yol göstermelidir.

sonsöz
 

Bizi Punta Arenas'taki Şili Antarktika istasyonundan alması gereken dev Hercules'e binmeden hemen önce, Victor ve ben kucaklaştık. Yine de Ruslar çok duygusal ve duygusaldır. Victor, ayrılmamıza çok üzüldü. Kar fırtınasına çıkmadan önce ona sordum: "Victor, Antarktika'yı güzel buluyor musun?" Kısa bir süre düşündü ve sonra gülümsedi ve usulca şöyle dedi: "Evet, o bazı kadınlar gibi - güzel ve acımasız." Victor, Evrenimizi ve onun Fizik Yasalarını güzel bulup bulmadığımı sorsaydı, "Hayır, o güzel değil, aksine güzel" diye cevap verebilirdim.

Bu kitapta güzelliği, benzersizliği ve zarafeti aldatıcı seraplar olarak damgaladım. Fizik yasaları (1. Bölüm'de tanımladığım anlamda) ne benzersiz ne de zariftir. Dünya ya da en azından bizim parçamız devasa bir Rube Goldberg makinesi gibi görünüyor. Ama itiraf etmeliyim ki, tüm meslektaşlarım gibi ben de netliğin ve zarafetin cazibesine karşı koyamıyorum. Ayrıca, herhangi bir cep evrenin yasalarının ötesine geçen tüm ilkelerin ana ilkesinin açık, zarif ve şaşırtıcı derecede basit olduğuna inanmak istiyorum. Ancak bu ilke uygulanarak elde edilen sonuçların zarif olması gerekmez. Atomların mikroskobik dünyasına hakim olan kuantum mekaniği, konuları hakkında söylenemeyecek kadar zariftir. Basit kuantum mekaniği yasaları, sıvıları, gazları ve katıları oluşturan moleküllerin son derece karmaşık davranış kalıplarına yol açarak hem yabani otların hem de güllerin ortaya çıkmasına neden olur. Ne olduklarını bilseydim, sicim teorisinin altında yatan ilkeleri zarif bulabilirdim.

Sık sık şaka yaparım, eğer en iyi teoriler minimum sayıda temel denklem ve varsayım içerenlerse, o zaman sicim teorisi açık ara en iyisidir - henüz hiç kimse tek bir temel denklem bulamadı ve tek bir formül formüle edemedi. varsayım! Sicim kuramı, diğer tüm fizik kuramlarının gıpta edeceği, kendi içinde tutarlılığı en üst düzeyde olan çok zarif bir matematiksel yapı olduğunu düşünmek için her türlü nedeni sunar. Ama temel ilkelerinin ne olduğunu kimse bilmiyor. Ana "yapı taşlarının" ne olduğunu kimse bilmiyor.

Yapı taşları, diğer her şeyin inşa edildiği en basit nesnelerdir. Bir inşaatçı için bunlar tuğladır. Yapı taşları ve onlardan oluşan nesneler arasındaki ilişki asimetriktir: tuğlalardan bir ev inşa edebilirsiniz, ancak yalnızca ciddi bir algı bozukluğu olan akıl hastası bir hasta evlerden tuğla yapmaya karar verir.

Bilimin temel yapı taşları, bilgimizin bağlamına ve durumuna bağlıdır. 19. yüzyılda maddenin yapı taşları periyodik tabloda listelenen atomlardı. 92 element, molekül adı verilen sonsuz çeşitlilikte daha karmaşık nesneler oluşturabilir. Daha sonra atomların daha küçük parçacıklardan oluştuğu keşfedildi ve bunlar yerini elektronların, protonların ve nötronların yapı taşlarına bıraktı. Doğa bize daha büyük şeylerin daha küçük şeylerden oluşmasını beklemeyi öğretti. Doğa kanunlarının derinliklerine inen fizikçi, bilimin gelişiminin bu aşamasında yapı taşı sayılan nesnelerde mevcut yöntemlerle gözlemlenemeyen bir alt yapının varlığını bekler. Bugün sıradan maddenin kuarklardan ve elektronlardan oluştuğuna inanılıyor. Hem sıradan insanlar hem de bilim adamları sık sık şu soruyu soruyorlar: "Daha fazla temel yapı taşının keşfedilmesinin sonsuza kadar devam edeceğini mi düşünüyorsunuz yoksa en küçük yapı taşı var mı?" Bu günlerde, bu soru genellikle şu şekilde oluyor: "Planck uzunluğundan daha küçük bir şey var mı?" veya: "Sicimler en temel nesneler midir yoksa daha küçük parçalardan mı oluşurlar?".

Belki de bunlar yanlış sorulardır. Sicim teorisinin çalışma şekli daha inceliklidir. Peyzajın belirli bir bölgesine odaklanırsak, buradaki her şeyin belirli bir dizi yapı taşından inşa edildiğini görürüz. Peyzajın bazı bölgeleri açık ve kapalı sicimler içerebilir, diğerlerinde tüm madde D-brane'lerden oluşur, diğerlerinde temel bina nesneleri, sicimler, zarlar, kara delikler ve çok daha fazlası halinde bir araya getirilmiş sıradan kuvvet alanı niceliklerine benzer. Temel sınıfına tahsis edilen tüm nesnelerle ilgili olarak, teorinin diğer nesneleri, atomların ve moleküllerin elektronlardan, protonlardan ve nötronlardan oluşmasıyla aynı anlamda bileşik olarak davranır .

Ancak Peyzaj'da bir yerden başka bir yere geçerken garip şeyler olmaya başlıyor. Yapı taşları, onlardan oluşturulan nesnelerle rolleri değiştirir. Herhangi bir bileşik nesne, sanki temel bir yapı taşıymış gibi daha basit ve daha basit davranmaya başlar. Aynı zamanda, o zamana kadar bir yapı taşı olan nesne, karmaşık bir iç yapının varlığını gösteren davranışlar sergilemeye başlar. Manzara, içinde ilerledikçe tuğlaların ve evlerin rol değiştirdiği fantastik bir manzaraya dönüşüyor. Buradaki her şey temeldir ve hiçbir şey temel değildir .

Ve teorinin temel denklemlerindeki sorun nedir? Ana yapı taşlarının hareket denklemlerini esas almamızı engelleyen nedir? İşte cevap: Hangi bloklar temel olarak alınmalıdır? Dizeleri aç? Kapalı diziler mi? zarlar? D0-zarlar? Cevap, Peyzajın şu anda ilgilendiğimiz bölgesine bağlıdır. Ve iki farklı tanımlama türü olan bölgeler arasında uzanan bir bölgede, yapı taşlarının ve temel denklemlerin seçimi genellikle belirsizdir. Görünüşe göre, ana hükümlerden sonuçlar çıkarmaya dayanan geleneksel yaklaşımın dikiş yerlerinde parçalandığı yeni bir tür matematiksel teori ile karşı karşıyayız. Veya 't Hooft haklı ve gerçek yapı taşları aslında daha derinlerde gizli. Bu arada, sicim kuramının tüm matematiksel yapılarını nasıl tanımlayacağımızı ve hangi yapı taşlarının daha temel, hangilerinin daha az olduğunu bilmediğimizi belirtmek gerekir.

Şimdilik hala, sicim kuramının ilkelerinin ya da bunların arkasında yatan şeyin, kuramcıların hasretini çektiği zarafete, sadeliğe ve güzelliğe sahip olacağını umuyorum. Ancak denklemler fizikçilerin estetik kriterlerini karşılasa bile bu, çözümlerinin basit ve zarif olacağı anlamına gelmez. Açıklanamayan 30 parametre, parçacıkların nesillerinin açıklanamayan kopyalanması, karmaşık şekillerde değişen kuvvetler içeren Standart Model o kadar karmaşıktır ki, karşılık gelen sicim teorisi neredeyse kesinlikle bir Rube Goldberg makinesinin karmaşıklığına ve fazlalığına sahip olacaktır.

Kendi zevkime göre zarafet ve sadelik bazen hiç denklem olarak yazılamayan ilkelerde bulunabilir. Darwin'in teorisinin altında yatan iki ilkeden daha zarif bir denklem bilmiyorum: rastgele mutasyon ve doğal seçilim. Bu kitap aynı güçlü ve basit ilke hakkındadır. Bence zarif olarak adlandırılmayı hak ediyor, ama tekrar söyleyeceğim: Onu bir denklem olarak nasıl yazacağımı bilmiyorum, belki bir slogan dışında: " Olasılıklar manzarasında Megaevrenin gerçekleri yaşıyor . "

Ve son ve en önemli soruyla baş başa kalıyoruz: "Evreni kim veya ne yarattı ve neden?"

Bunda bir amaç var mı? Cevapları bildiğimi iddia etmiyorum. İnsani ilkeyi, iyiliksever bir yaratıcının varlığının delili olarak görenler, kitabımın son sayfalarıyla yetinmeyeceklerdir. Büyük sayılar yasasıyla birlikte yerçekimi yasaları, kuantum mekaniği ve zengin manzara, evrenimizdeki uygun fizik yasalarını açıklamak için ihtiyacımız olan tek şey.

Ancak öte yandan, bu kitapta belirtilen hiçbir şey, Evren'in bazı akıllı varlıklar tarafından kendi amaçları doğrultusunda yaratılmış olma olasılığını azaltmaz. Varoluşçu soru: "Neden bir şey var da hiçbir şey yok?" sicim teorisi hakkında herhangi bir şey duymadan öncekinden ne daha fazla ne de daha az cevap şansı var. Eğer bir yaratılış anı varsa, o zaman Big Bang'den önceki şişme perdesi tarafından gözlerimizden ve teleskoplarımızdan gizlenmiştir. Eğer Tanrı ise, o zaman yaratma eylemine katılımını saklamaya çalıştı.

Bu kitabı, Pierre Simon Laplace'ın başladığım sözleriyle bitirmeme izin verin:

"Bu hipoteze ihtiyacım yok" .

 

notlar

notlar
 

1
 

Susskind, sıcaklığı Fahrenheit cinsinden verir: -20 °F = -29 °C. - Not. başına.

 2
 

– 60°F = –51°C. - Not. başına.

 3
 

Kurt Callan, Princeton'da profesördür.

 dört
 

Çift yıldız, ortak bir kütle merkezi etrafında dönen iki yıldızın yerçekimsel olarak bağlı bir sistemidir.

 beş
 

Samuel Wilberforce, kilise tartışmalarındaki kayganlığı nedeniyle Sabunlu Sam lakaplı bir Anglikan piskoposudur. Thomas Huxley, canlı polemik konuşmaları nedeniyle "Darwin'in Bulldog'u" lakaplı bir İngiliz zoolog, bilimi popülerleştirici ve Charles Darwin'in evrim teorisinin savunucusudur. Sabunlu Sam alaycı bir şekilde Huxley'e atalarından hangisinin, büyükanne ve büyükbabasının maymun olduğunu sordu. Huxley cevap verdi: "Yozlaşmış bir konuşmacı olmaktansa bir maymunun soyundan olmayı tercih ederim."

 6
 

Romalılar 1:20. Sinodal çeviri. - Not. başına.

 7
 

Davis veya Greenstein'ın dini inançlarının farkında değilim, ancak onların ifadelerini harfi harfine almaktan çekinirim. Fizikçiler genellikle "tasarım", "aracı" ve hatta "Tanrı" gibi terimleri bilinmeyen için mecaz olarak kullanırlar. Popüler bir makalede "ajan" terimini kullandım ve hala pişmanım. Einstein sık sık şöyle derdi: "Tanrı kurnazdır ama kötü niyetli değildir", "Tanrı zar atmaz", "Tanrı'nın dünyayı nasıl yarattığını bilmek istiyorum." Yorumcuların çoğu, Einstein'ın "Tanrı" terimini düzenli bir doğa yasaları kümesi için bir metafor olarak kullandığına inanıyor.

8
 

Bu cümle dini sitelerden birinde bağlamından koparılacak mı? Umarım olmaz.

 dokuz
 

Uzmanlar için: yerçekimi kuvvetlerinin zayıflığı, sıradan temel parçacıkların hafifliğine eşdeğerdir. Parçacık kütlelerinin küçüklüğü sorununa ayar hiyerarşisi sorunu denir . İlginç fikirlerin varlığına rağmen, çözümü konusunda henüz bir fikir birliği yok.

 10
 

Rube Goldberg makinesinin tanımı için Bölüm 4'e bakın.

 onbir
 

"Karanlık enerji" olarak da bilinir.

 12
 

Alfred Russel Wallace (1823-1913) İngiliz doğa bilimci, kaşif, coğrafyacı, biyolog ve antropolog, Darwin'in çağdaşı ve doğal seçilim mekanizmasının ortak kaşifiydi. Darwin'i çalışmasını yayınlamaya sevk eden, Wallace'ın notlarıyla tanışıklığıydı.

 13
 

Richard Dawkins'in kitabının başlığındaki kör saatçi, saatlerin kendiliğinden ortaya çıkamayacağını, ancak rasyonel bir varlığın (saatçi) faaliyetinin sonucu olarak ortaya çıktığını savunan William Paley'in bir incelemesinden alınmıştır. Dawkins kitabında, basit ilk biçimlerin kendiliğinden varyasyonları üzerinde körü körüne işleyen doğal seçilimin, daha az karmaşık olmayan tasarımlara yol açabileceğini gösteriyor. Bu metafor, kozmosu yaratma sürecine kolayca genişletilebilir.

 on dört
 

Bir ışık yılı, tahmin edebileceğiniz gibi ışığın bir yılda aldığı mesafedir. Yaklaşık on trilyon kilometredir.

 15
 

veya çoklu evren terimi , Mega Evren teriminden daha yaygın olarak kullanılmaktadır , ancak ben kişisel olarak Mega Evren'i daha sesli bir terim olarak tercih ediyorum. Çoklu evren meraklılarından özür dilerim.

 on altı
 

Bizim dünyamızda atom çekirdeği elektronlardan binlerce kat daha ağırdır.

 17
 

Momentum, bir nesnenin kütlesinin ve hızının ürünü olarak tanımlanır.

 on sekiz
 

ħ harfi ile gösterilir ve sayısal değeri 6.626068 × 10 -34 m 2 kg / s'dir.

 on dokuz
 

Brian Green, Zarif Evren.

20
 

İndirgemeciliğin zihin çalışmasına uygulanabilir olup olmadığı tartışmalıdır. Benim bakış açıma göre, canlı maddenin davranışı, cansız maddenin davranışıyla aynı fizik yasalarına tabidir. Aksine herhangi bir kanıt bilmiyorum. Öte yandan, şu ana kadar hiç kimse bilinç olgusunu indirgemecilik açısından tam olarak açıklayamamıştır.

 21
 

Benjamin Franklin, The Simpleton Richard's Almanac ve Declaration of Independence'ın yazarlığının yanı sıra 18. yüzyılın önde gelen bilim adamlarından biri olarak da bilinir.

 22
 

Yogi Berra Amerikalı bir beyzbol oyuncusudur. Berra, evine nasıl gidileceğini anlatan kitabede geçen cümleyi söyledi. Yolda bir çatal var ve hangi yolu seçerseniz seçin onun evine varacaksınız. - Not. başına.

 23
 

Elektrostatik kuvvetler genellikle Coulomb kuvvetleri olarak adlandırılır.

24
 

"İnce yapı" terimi, hidrojen atomunun spektrumunun ayrıntılarını inceleyen optik fiziğine getirildi. İnce yapı sabiti, bu spektrumu açıklayan teoride ilk kez ortaya çıktı.

 25
 

Yanıt olarak Bohr itiraz etti: "Einstein, Tanrı'ya ne yapacağını söyleme."

 26
 

İngilizce'de, kuarkları ifade eden harfler İngilizce kelimelere karşılık gelir: yukarı, aşağı, garip, çekicilik, alt ve üst, ancak yukarı ve üst kelimeleri Rusça'ya "yukarı" ve aşağı ile aynı şekilde çevrildiğinden ve alt - " daha düşük" olarak, o zaman Rus dili literatüründe karışıklığı önlemek için, Latin harfleriyle, belki de garip ve tılsımlı olanlar dışında tüm kuarkları belirtmek gelenekseldir. - Not. başına.

 27
 

Tuhaf bir kuarkın varlığının nükleonların özellikleri üzerinde çok az etkisi vardır, ancak diğer kuarkların herhangi bir katkısı yoktur.

 28
 

"Gluon" adı, İngilizce yapıştırıcı - yapıştırıcı kelimesinden gelir. - Not. başına.

 29
 

Bu sadece gerekli bir minimumdur ve kozmoloji için gerekli sayısal parametreleri veya Standart Modelin bazı uzantılarını içermez. Tüm ek sabitleri eklerseniz, sayıları kolayca yüzü aşacaktır.

 otuz
 

Spektral çizgiler Bölüm 5'te tartışılmaktadır.

 31
 

Aslında Magellan Avrupa'ya dönmedi. Filipinler'de öldü, ancak ekibinin hayatta kalan üyeleri dünyayı dolaşmayı başardılar ve böylece onun gerçekten bir top olduğunu kanıtladılar.

 32
 

Yüz inç, bir teleskopun boyutu için mütevazı geliyor, ancak aletin genel boyutunu değil, yalnızca ışığı toplayan aynanın çapını ifade ediyor. Aslında, Mount Wilson Gözlemevi teleskopu, 1949'da 200 inçlik Mount Palomar Gözlemevi teleskopu inşa edilene kadar dünyanın en büyüğüydü.

 33
 

Özellikle gazetecilerin çok sevdiği bu terimin bir diğer adı da karanlık enerjidir.

 34
 

Antropik Kozmolojik İlke. John D. Barrow & Frank J. Tipler, Oxford University Press, 1986 (J. Barrow ve F. Tipler, The Anthropic Cosmological Principle).

 35
 

Anakronizm için özür dilerim. Diğer galaksiler 1900'de bilinmiyordu.

 36
 

Bölüm 8, gezginin neden süpersimetriden korktuğunu açıklıyor.

 37
 

Peter Higgs'in kendisine ek olarak, Higgs alanının teorik keşfine birçok kişi daha dahil oldu. Bunların arasında, böyle bir alanı tanıtmanın gerekliliğine ilk işaret eden Fransız Robert Braut ve Belçikalı François Engler de var.

 38
 

Parçacık o kadar önemlidir ki fizikçi Leon Lederman onun hakkında Tanrı Parçacığı adlı bir kitap yazdı (Lederman kitaba Tanrı'nın Alanı adını da verebilirdi ama bence Tanrı Parçacığı başlığı onu daha iyi tanımlıyor).

39
 

Hava durumu metaforunda bile enerji kavramı vardır. Bir metreküp atmosferik havadaki tüm moleküllerin enerjisi sıcaklık ve basınca bağlıdır. Böylece, yükseklik kavramını hava durumuna da ekleyebiliriz. Tabii ki, normal yükseklikle hiçbir ilgisi olmayacak.

 40
 

Her salınım döngüsünün sıfırdan başladığını, ardından alanın arttığını, ardından tekrar sıfıra düştüğünü, negatif bölgeye gittiğini, en büyük negatif değere ulaştığını ve ardından tekrar sıfıra döndüğünü unutmayın. Böylece, bir salınım döngüsünde, elektrik ve manyetik alanlar sıfırdan iki kez geçecektir.

 41
 

Evren bir dağın zirvesindeyken, boşluk enerjisi evrenin genişlemesine neden olur ve kozmolojik sabit olarak tezahür eder. Evrenin genişlemesi, kozmik sürtünme adı verilen bir tür dirence yol açar.

 42
 

Bu hususlar yalnızca mühendislik, matematiksel ve fiziksel basitlik kriterleri için geçerlidir. Müzikte, şiirde veya başka herhangi bir sanatta basitlik ve karmaşıklığı yargılayamam.

 43
 

Bir elektromanyetik alandaki bozulmaların yayılmasını açıklayan denklemler, bir ortamın yoğunluğundaki bozulmalar olan ses dalgalarının yayılmasını açıklayan denklemlere veya bir dalganın gerilmiş bir ip veya ip boyunca yayılmasını açıklayan denklemlere çok benzer. . Hepsinin ortak bir adı var: dalga denklemleri.

 44
 

Çoğu durumda geçerli olan ve deneyime dayalı genel bir pratik kural (katı bir kuraldan ziyade). - Not. başına _

 45
 

Görünüşe göre, herkes şunu yazan Walt Whitman ile aynı fikirde değil:

"Bilgili astronomu dinlediğimde
Ve önümde bilge figürlerden oluşan sütunlar çizdi
Ve göksel haritalar, yıldızları ölçmek için çizelgeler gösterdi
, seyirciler arasında oturdum ve onu dinledim ve herkes onu alkışladı,
Ama yakında - ben kendim dondum . Nedenini anlamıyorum - kendimi çok sıkıcı ve sıkıcı hissettim,
Ve ne kadar mutluydum, kayıp giderken ve
tam bir sessizlik içinde tek başıma yürürken
, Rutubetli gizemli gecenin ortasında
Ve bazen yıldızlara baktım.

( Çeviren: K. Chukovsky )

Şahsen, Alexander Pope'un kitabesini Newton'a tercih ederim:

"Bu dünya sonsuz karanlığa büründü:
"Işık olsun!" Ve işte Newton geliyor.

 46
 

Düzenli bir çokyüzlü, tüm yüzleri aynı düzgün çokgenlerden oluşan bir çokyüzlüdür. Tetrahedronun, oktahedronun ve ikosahedronun yüzleri eşkenar üçgenlerden, küpün yüzleri karelerden ve dodecahedronun yüzleri beşgenlerden oluşur.

 47
 

Bu açıklama 1994 baharında yazılmıştı, ancak bir yıl sonra, "Kozmik Manzara" üzerindeki çalışmamı bitirdiğimde akbabalar bir şekilde yatışmıştı.

 48
 

Karanlık madde 5. Bölümde tartışılacak.

 49
 

Tekne, su yüzeyindeki dalgalardan daha yavaş hareket etmelidir.

 50
 

Renkte gözle görülür bir değişiklik için, bir limonun ışık hızının önemli bir kısmı olan bir hızda hareket etmesi gerekir.

 51
 

Hubble katsayısı için "sabit" teriminin kullanılması, zamanla değiştiği için biraz kafa karıştırıcıdır. Uzak geçmişte, Hubble sabiti şimdi olduğundan çok daha büyüktü.

 52
 

İki boyutlu uzayın şekli derken, tabii ki yüzeyin şeklini kastediyorum.

 53
 

Şu anda kozmolojik sabitin varlığını tamamen görmezden geliyorum. Daha sonra göreceğimiz gibi, sıfır olmayan bir kozmolojik sabitin varlığı vardığımız sonuçları temelden değiştirecektir.

 54
 

Karanlık madde ile karanlık enerji karıştırılmamalıdır. Karanlık enerji, vakum enerjisinin bir tezahürüdür.

 55
 

Parlaklık, bir nesnenin ışık şeklinde enerji yayma hızının bir ölçüsüdür. Bir ampulün parlaklığı watt cinsinden ölçülür. İki nesne aynı parlaklığa sahipse, daha yakın olan daha parlak görünür. Dünya'dan görülebilen Tip I süpernovaların parlaklığı ölçülerek, bulundukları mesafeler belirlenebilir.

 56
 

Plazma iyonize atomlardan oluşan bir gazdır. Yani plazmadaki elektronların bir kısmı atomlarından ayrılarak bağımsız bir yaşam sürerler.

57
 

Şekil, tek boyutlu bir manzarayı tasvir ediyor, ancak gerçekte elbette çok boyutlu. Çok daha karmaşık çok boyutlu bir resmin tek boyutlu bir dilimini çizdiğimi hayal edin. En yakın benzetme, gerçek bir iki boyutlu dünya yüzeyinden geçen tek boyutlu bir yolun yükseklik profili olacaktır.

 58
 

Bu hikaye daha sonra 1 Kasım 2003'te The New Scientist'te yayınlandı.

 59
 

Bu konu Bölüm 7'de sicim kuramı bağlamında yeniden tartışılacaktır. Atomların, moleküllerin ve yaşamın varlığı tamamen ilginç bir olgu olan fotonun kütlesinin olmamasına bağlıdır.

 60
 

İngilizce'de kuarklar yukarı (yukarı), aşağı (alt), garip (garip), tılsımlı (tılsımlı), alt (alt) ve üst (üst) olarak adlandırılır. Literatürde, son iki kuarkın isimlerinin varyantları vardır: güzellik (çekici) ve doğru (gerçek). Kuarklar genellikle adlarının ilk harfleriyle gösterilir. Çeviride, karışıklığı önlemek için kuarkların tek harfli isimleri kullanılır. - Not. başına.

 61
 

Daha kesin olarak, nükleonlar arasındaki güçlü etkileşim, bir kuark ve bir antikuarktan oluşan parçacıklar olan pionların değiş tokuşu ile sağlanır. U- ve d-kuarkların kütleleri artarsa, pionun kütlesi de artacaktır, bu da nükleonlar arasında etkili olan kuvvetlerde keskin bir değişikliğe yol açacaktır.

 62
 

"Elementler" dediğimde atom çekirdeğini kastediyorum. Elektronları çok sonra aldılar.

 63
 

Hidrojen en basit kimyasal elementtir - çekirdeği tek bir protondan oluşur.

 64
 

Karbon sentezi olasılığının çeşitli sabitlerin değerlerine duyarlılık derecesi kapsamlı tartışma konusu olmuştur. Bazıları, sabitlerin güvenli değişim aralığının yüzde birkaç olduğuna inanıyordu, diğerleri, Steven Weinberg de dahil olmak üzere, sabitlerin yüzde onlarca değiştirilebileceğine inanıyordu, ancak herkes, karbon sentezi olasılığının oldukça hassas bir ayar gerektirdiği konusunda hemfikirdi. temel sabitler.

 65
 

Fizikçiler buna ayar hiyerarşisi sorunu diyorlar , ancak buna hala tatmin edici bir çözüm yok.

 66
 

Kozmik Manzara'yı yazmayı bitirdiğimde, Dean antropik ilkenin ana savunucularından biri haline geldi ve doğanın bazı özelliklerinin büyük ihtimalle dışsal bir nedenden kaynaklandığına ve yalnızca antropik ilkenin bakış açısından anlaşılabileceğine inanıyordu. . Bankalar şüpheci olmaya devam ediyor.

67
 

Yirmi ile on milyar yıl arasındaki fark, tartışmamız için temel değil. Bir protonun ömrü 10 milyar (10 10 ) yıl olsaydı, bu on milyar protondan birinin bir yıl içinde bozunacağı anlamına gelirdi. İnsan vücudunu oluşturan 1028 protonun on milyarda birini çarparsak , bir yıl içinde bozunan proton sayısını elde ederiz - 1028/1010 = 1018 .

68
 

Birisi Smolin ve benim düşman olduğumuz izlenimine sahipse, o zaman durum hiç de öyle değil. Aslında Smolin, bende büyük hayranlık uyandıran iyi bir arkadaşım. Ancak bu özel konuda, görüşlerimiz büyük ölçüde farklılık gösteriyor.

 69
 

7. bölüme bakın.

 70
 

Hadron terimi, 1962'de CERN'deki Uluslararası Yüksek Enerji Fiziği Konferansı'nda Sovyet fizikçi L. B. Okun tarafından önerildi. - Not. başına.

 71
 

Yunanca "bari" öneki "ağır" anlamına gelir. Temel parçacıkların isimleri icat edildiğinde, nükleonlar ve yakın akrabaları bilinen en ağır parçacıklardı. "Meson" kelimesi aradaki bir şeyi ifade eder. Mezonlar nükleonlardan daha hafif ama elektronlardan çok daha ağırdır.

 72
 

"Gluon" kelimesi İngilizce yapıştırıcı - yapıştırıcı kelimesinden gelir. - Not. başına.

 73
 

"Parton" terimi, İngilizce part - part kelimesinden gelir. Hadronları oluşturan nokta parçacıklar olan Partonlar, hadronların elektronlar ve diğer hadronlar tarafından elastik olmayan saçılması üzerine yapılan deneylerde keşfedildi. Parton modeli, 1969'da Richard Feynman tarafından önerildi. Daha sonra, partonlar kuarklar ve gluonlarla tanımlandı. - Not. başına.

74
 

Nielsen, diyagramları için "balık ağı" adını kullandı.

 75
 

Bu ifade, elektronların veya fotonların spin gibi bir özelliğine aşina olan bazı okuyucuların kafasını karıştırabilir. Ancak temel bir parçacığın dönüşünün bir topun, bir hamur parçasının veya bir hadronun dönüşüyle hiçbir ilgisi yoktur. Örneğin bir elektronun dönüşü asla değiştirilemez ve her zaman Planck sabitinin yarısına eşittir, halbuki bir basketbolun veya hadronun dönüşü açısal momentumu değiştirilerek yavaşlatılabilir veya hızlandırılabilir.

 76
 

General MacArthur tarafından geliştirilen "kurbağa atlama" taktiği, Japonya'nın Pasifik'teki tüm ada üslerini birer birer ele geçirmekti. - Not. başına.

 77
 

Bunların hepsi, elbette, 1970'lerden bu yana 40 yıllık bir süre içinde keşfedilen, gerçek renk veya çekicilik ile hiçbir ilgisi olmayan, temel parçacıkların çeşitli özellikleri için icat edilmiş isimlerdir.

 78
 

Einstein tarafından 1905'te tamamlanan devrim, maddenin moleküler teorisiyle ilgiliydi. Brownian hareketi hakkındaki makalesinde, moleküllerin kesinlikle var olduğunu saptadı ve onları nasıl sayacağını gösterdi.

 79
 

Bu, hep-ph ve hep-th bölümlerinde (hep-phers ve hep-thers) makaleler yayınlayan kişileri ifade eder. - Not. başına.

 80
 

1992 seçim kampanyası sırasında rakibi George W. Bush'un politikalarını eleştiren Bill Clinton, "Sorun ekonomi, aptal!" - Not. başına.

 81
 

"Süper" öneki, tüm bu teorilerde bozon-fermiyon ikizleri olduğunu ve sonuç olarak tüm bu teorilerin süpersimetriden doğduğunu gösterir.

 82
 

Manyetik kuvvet çizgileri, yüzeyine demir tozu serpilmiş bir kağıdın altına bir mıknatıs yerleştirilerek kolayca görülebilir. Talaş, tarla çizgileri boyunca sıralanacak ve şekillerini görselleştirecektir.

 83
 

19. yüzyılın fiziksel kavramlarına göre eter, tüm dünya alanını dolduran ve herhangi bir maddeye nüfuz eden elastik bir ortamdır ve ışık dalgaları, eter parçacıklarının titreşimleridir. Böylece esire göre hareket eden bir gözlemci için ışık hızının onun hareketine bağlı olması bekleniyordu.

 84
 

Rutherford, altın atomlarını alfa parçacıklarıyla (helyum çekirdeği) bombardımana tuttu ve alfa parçacıklarının sapmasının doğasına dayanarak, atomun ağır bir çekirdek etrafında dönen hafif elektronlardan oluştuğu sonucuna vardı. Temel parçacık fiziği alanında gerçek bir modern deneydi.

 85
 

Abraham Pais, Niels Bohr's Times, Oxford University Press, 1991.

 86
 

Bu süreç, 19. yüzyılın başlarında bilinen spektrumdaki soğurma çizgilerinin ortaya çıkmasıyla kendini gösterir.

87
 

Kuantum elektrodinamiği ciddi bir matematiksel tutarsızlıktan muzdariptir. İçindeki hesaplama kurallarına sıkı sıkıya bağlı kalmak, anlamsız sonsuz sonuçlara yol açar. Bu tutarsızlık için geçici bir tedavi olarak, 1950'lerde yeniden normalleştirme icat edildi. Bu, Kenneth Wilson'ın bu tutarsızlıktan arınmış daha derin bir teori geliştirdiği 1970'lerin başına kadardı.

 88
 

Chz. Young ve R. Mills, Pauli'nin çalışmasından bir yıl sonra birbirlerinden bağımsız olarak Abelian olmayan bir ayar teorisi geliştirdiler. Teorilerine hikayemde yer vermememin tek nedeni, Young ve Mills'in çalışmalarında atom çekirdeği hakkında 1 Ocak 1900'e kadar bilinmeyen bazı ampirik gerçekleri kullanmalarıdır.

 89
 

Rabi, müonun (elektrona benzer, ancak kütlesinin 200 katı olan temel bir parçacık) keşfini şu sözlerle yorumladı: "Peki, bunu kim emretti?" Rabi'nin aklında, o zamanlar temel parçacıklar dünyasında hüküm süren düzensizlik vardı.

 90
 

KKLT adı, böyle bir yapının ilk kez tanımlandığı makalenin yazarlarının adlarının ilk harflerinden oluşur - Shamit Kachru, Renata Kallosh, Andrei Linde ve Sandip Trivedi.

 91
 

Nüfuslu bir manzara fikri, Linde, Vilenkin ve Gut gibi kozmologlara en yakın olanıdır - uzun yıllardır bunu veya buna benzer bir şeyi savunmaktadırlar.

 92
 

Fizikçiler ve kimyagerler genellikle buz, su ve buhardan aynı maddenin üç farklı faz hali olarak bahsederler ve bazen onlara sadece fazlar adını verirler: katı, sıvı ve gaz.

 93
 

Andrey Linde orijinal çalışmasında "kendini yeniden üreten evren" terimini kullanmıştır. Bu konuyla ilgili literatürde daha yaygın olduğu için "sürekli enflasyon" terimini kullanmayı tercih ediyorum.

 94
 

İlginç ve önemli bir konu da Peyzajda "merdivenlerin" var olma olasılığıdır. Başka bir deyişle, hayali organizmalarımızdan herhangi biri daha yüksek bir vadiye yükselebilir mi? Kuantum mekaniğinin kurallarının dikte ettiği cevap evet: Olabilecek her şey ters yönde de olabilir.

 95
 

Evrensel bir mutabakat olduğunu söylemek istemiyorum. En azından çok deneyimli ve saygın bir sicim teorisyeni olan Tom Banks, Peyzaj hakkındaki argümanların ikna edici olmadığını savunuyor.

 96
 

"googol" sayısı 10 100 yani bir ve yüz sıfır olarak tanımlanır. Bir googolplex, bir googolün on katıdır.

 97
 

Görececi genel, tercüme edilemez bir kelime oyunudur. Susskind, genel görelilik uzmanlarını bu şekilde ifade eder. - Not. başına.

 98
 

Robert Craig "Evel" Knievel, riskli motosiklet gösterileriyle dünya çapında ün kazanmış Amerikalı bir dublördür. - Not. başına.

 99
 

Bit, bir bilgi birimi için teknik bir terimdir. Kabaca söylemek gerekirse, bir bilgi biti, yalnızca iki olası yanıtı olan bir sorunun yanıtını içerir: evet veya hayır.

 yüz
 

Görmek kelimesini fiziksel anlamda kullanıyorum. Bunun anlamı: Olayları bir dizi deneysel veriden, bu durumda Hawking radyasyonundan yeniden oluşturmak. Böyle bir yeniden yapılanma inanılmaz derecede zordur, ancak prensipte imkansız değildir. Ne de olsa, çevremizdeki nesnelerden yansıyan ve gözümüze giren ışık temelinde gerçek dünyayı yeniden inşa edebiliyoruz.

 101
 

Bakınız, örneğin, Paul Davies, God and the New Physics (1983).

102
 

Bu bölümü yazdıktan oldukça uzun bir süre sonra, kitabın redaksiyonunun son aşamalarındayken, Richard Dawkins'in "Darwin Muzaffer" başlıklı bir makalesini okudum. Ben burada kullanıyorum. Kavramlarından bazılarının benim bu kitapta sunduğum kavramlara o kadar benzediği ortaya çıktı ki, ilk başta Dawkins'in bir şekilde bilgisayarımdaki dosyalara erişim sağladığını düşündüm. Ama çalışmamı çaldıysa, Darwin Muzaffer 1991'de yazıldığına göre, zamanda yolculuk sorununu çözmüş olmalı.

103
 

Bugün Busso, Berkeley'deki California Üniversitesi'nde profesördür.

 104
 

Bu kitabın son halini editöre teslim etmek üzereydim ki, Guth bir makale yayınladı ve şöyle yazdı: "Gözlediğimiz fizik yasalarının bazı temel yasalar tarafından değil, yalnızca birinin onları incelemek genellikle antropik ilke olarak adlandırılır. Bu ilke bazı bağlamlarda açıkça dini görünse de, şişme kozmolojisini sicim teorisi manzarasıyla birleştirmek antropik ilkeyi oldukça geçerli kılıyor . Alan, dün mü doğdun?

105
 

Ben bu kitabı yazarken, Gross ve iki meslektaşının QCD yarattıkları için Nobel Ödülü aldıklarını bildirmekten mutluluk duyuyorum.

 106
 

Robert Laughlin, "Başka Bir Evren" (Farklı Bir Evren, 2005).

 107
 

Tabii ki, başlangıçtaki mikroskobik durumdaki çok büyük değişiklikler, tamamen farklı bir makroskopik sonuca yol açabilir - örneğin, bir süperakışkan sıvı yerine bir kristale.

108
 

Lee Smolin, Kozmosun Hayatı.

 109
 

Franz Kafka, Dönüşüm.

 110
 

Fizik denklemlerinin tetrahedra, küp ve hatta deniz kestanesi şeklindeki gezegenlere de izin verdiği düşünülebilir. Ama değil. Gezegen bir atmosferi tutacak kadar büyükse, yerçekimi onu hızla bir top haline getirecektir. Yani belki her şey değil.

111
 

Dünyanın çekirdeği çoğunlukla demirden oluşur.

 112
 

Cantor'a göre, tüm sonsuzluklar aynı değildir. Doğal sayılar, çift sayılar, tek sayılar sonsuz bir sayılabilir küme oluşturur. Tüm olası kesirler, irrasyonel ve aşkın sayılar dahil olmak üzere gerçek sayıların sayısı, doğal sayılar kümesinin elemanlarına kıyasla elemanları bire bir olamayacak kadar çok daha büyük bir kümedir. Ancak tüm sonsuz sayılabilir kümeler aynı boyuta sahiptir! Cep evrenler, sayılabilmeleri bakımından doğal sayılara benzerler.

Not: Bazen Büyük Dosyaları tarayıcı açmayabilir...İndirerek okumaya Çalışınız.

Benzer Yazılar