Fizikçiler, Evrenimizle Çatışan Bir Kuantum Yasasını Yeniden Yazıyor

Geçmiş ve gelecek, geleneksel kuantum mekaniğinde sıkı bir şekilde bağlantılı. Bir ince ayar, uzay genişledikçe kuantum olasılıklarının artmasına izin verecek.

Fizikçiler 90 yıl boyunca hem kuantum mekaniğini hem de yerçekimini kapsayan bir uzlaşma, gerçekliğin daha temel bir tanımı aradılar. Ancak arayış çetrefilli paradokslarla karşılaştılar.

İlke olarak adlandırılan üniterlik, bir şeyin her zaman olduğunu söylüyor. Parçacıklar etkileşime girdiğinde, bütün sonuçların olasılığı yüzde 100 olmalı. Üniterlik, atomların ve atom altı parçacıkların andan ana nasıl evrimleşebileceğini ciddi şekilde sınırlıyor. Ayrıca değişimin iki yönlü bir yol olmasını sağlıyor: Kuantum ölçeğinde hayal edilebilecek herhangi bir olay, en azından kağıt üzerinde geri alınabiliyor. Bu gereklilikler, geçerli kuantum formülleri türetirken uzun süredir fizikçilere yol gösteriyor. 

Asıl sorun ise evrenin genişliyor olması. Bu genişleme, genel görelilik tarafından iyi bir şekilde tanımlanıyor. Ancak bu, kozmosun geleceğinin geçmişinden tamamen farklı göründüğü ve üniterliğin kuantum seviyesinde geçmiş ve gelecek arasında düzenli bir simetri gerektirdiği anlamına geliyor. 

Sabit Tutar Ne Olmslı?

Bir asır önce, kuantum mekaniğinin öncüleri, üniterliği sağduyudan kutsal bir ilkeye yükselten şaşırtıcı bir keşifte bulundular. Sürpriz, matematiksel olarak kuantum dünyasının olasılıklarla değil, genlikler olarak bilinen daha karmaşık sayılarla işlemesi oldu. Genlik, esas olarak bir parçacığın belirli bir durumda olma derecesi; pozitif, negatif ya da hayali bir sayı olabilir. Fizikçiler, bir parçacığı belirli bir durumda gerçekten gözlemleme olasılığını hesaplamak için, hayali ve negatif bitlerden kurtulan ve pozitif bir olasılık üreten genliğin karesini alıyor. Uzmanlar, bu olasılıkların toplamının 1'e eşit olması gerektiğini söylüyor. 

Parçacığın genlikleri, Hilbert uzayındaki koordinatlarına karşılık geliyor ve fizikçiler, koordinatlarını dönüştüren matris adı verilen matematiksel nesnelerle parçacıktaki değişiklikleri yakalıyor. Üniterlik, fiziksel olarak izin verilen bir değişikliğin, Hilbert uzayında parçacığın durumunu, koordinatlarının karelerinin toplamı 1'e eşit olacak şekilde döndürmeden özel bir "ünite0inr" matrise karşılık gelmesi gerektiğini belirtiyor. 

Kozmik Çatışma Nasıl Sonuçlanacak?

Galaksiler birbirinden çok daha uzağa uçuyor. Genişleyen evrenimiz, genel göreliliğin denklemleri için tamamen geçerli bir çözüm olsa da fizikçiler, parçacıklara nerede olmaları ve nasıl davranmaları gerektiğine dair genişleyen bir seçenekler yelpazesi sunuyor. 

Uzmanlar ise hem üniter hem de genişleyen bir evrende geçen paradoksal bir düşünce deneyi ile konuyu keskinleştiriyor. Geçmişe gidildikçe evren ve fotonların dalga boyu da küçülüyor. Gerçek evrenimizde bu bir sorun değil: Bir foton, ancak atom altı bir süreçle yaratıldığı ana kadar küçülüyor; bu sürecin tersine çevrilmesi onu ortadan kaldıracak. Ancak fazladan foton bu özel süreç tarafından yaratılmadı, bu yüzden zamanı geri aldığınızda kaybolmak yerine, dalga boyu sonunda inanılmaz derecede küçülecek ve enerjisini o kadar yoğunlaştıracak ki foton bir kara deliğe çökecek. 

Geçen yıl uzmanlardan biri olan Strominger, zamanını kuantum yerçekimi araştırması ve kuantum bilgi teorisi arasında geçiren Cotler ile bir iş birliği başlattı. İkili, kuantum bilgi teorisinde genişleyen evrene benzeyen iyi çalışılmış bir şema olduğunu fark etti: Kuantum hata düzeltmesi, kuantum hallerinden yapılan küçük bir mesajın daha büyük bir sistem içinde fazladan kodlandığı bir şema. Belki de genç evrenin içeriğinin modern kozmosun şişmiş biçimine benzer şekilde dikildiğini düşündüler.

Evren, gerçek uzay genişledikçe sürekli çoğalan çok sayıda boyuta sahip bir Hilbert uzayına sahip olacak. Kavramın daha basit bir kanıtı olarak Strominger ve Cotler, uzaklaşan bir aynada biten çizgiden oluşan oyuncak evrenin genişlemesini incelediler. Evrenin bir uzunluktan diğerine büyüme olasılığını hesapladılar. Bu tür hesaplamalar için, kuantum uygulayıcıları genellikle bir kuantum sisteminin zaman içinde nasıl geliştiğini tahmin eden Schrödinger denklemini kullanıyor. 

Ancak Schrödinger denkleminin dikte ettiği değişiklikler tamamen tersine çevrilebiliyor. Strominger ve Cotler, Richard Feynman tarafından hayal edilen kuantum mekaniğinin ‘yol integrali’ adı verilen alternatif bir versiyonunu kullandılar. Bir kuantum sisteminin bir başlangıç noktasından bir son noktaya kadar izleyebileceği tüm yolların çetelesini içeren bu yöntem, yeni yaratılmasını sağlamakta hiçbir sorun yaşamaz. 

İzometrinin sorunu neden çözdüğünü görmek için Cotler, biri 0 veya 1 olmak üzere iki olası başlangıç durumundan birinde doğan oyuncak bir evreni tanımlıyor. Bu evrenin genişlemesini yönetmek için izometrik bir kural uyduruyor: Ardışık her anda, her 0, 01 olur ve her 1, 10 olur. Evren 0'dan başlarsa, ilk üç anı şu şekilde büyüyecek: 0 → 01 → 0110 → 011010011’den başlarsa, 10010110 olacak. Dizi, bu evren hakkındaki her şeyi, örneğin bütün parçacıklarının konumlarını yakalıyor. 0'lar ve 1'lerin üst üste binmelerinden oluşan oldukça uzun bir dizi muhtemelen gerçek evreni tanımlıyor.

İzometriye ve Dahasına 

Bu tür deneysel kanıtlar gelecekte birikebilirken, yakın zamanda, izometriye ilişkin kanıtların, uzay-zamanın işlenebilirliğini kuantum teorisinin genlikleri ile birleştirmeye olanak sağladığını gösteren teorik çalışmalardan ve düşünce deneylerinden gelmesi daha olası.

Üniterliğin dikkat çekici göründüğü bir düşünce deneyi, uzay-zamanı bir çıkmaza sokan yoğun madde konsantrasyonları olan kara delikleri içeriyor. Stephen Hawking 1974'te kara deliklerin zamanla buharlaştığını ve içine düşen her şeyin kuantum durumunu sildiğini hesapladı. Cotler ve Strominger'in varsaydığı gibi, kara deliklerin izometrik olarak olgunlaşan Hilbert uzayları varsa, fizikçiler düşündüklerinden biraz daha farklı bir bulmacayla karşı karşıya kalabilirler. Strominger konuyla ilgili olarak şunları söylüyor: "Bunu dikkate almayan bir çözüm olabileceğini düşünmüyorum.”

Diğer bir yanı, yalnızca kozmosun nasıl büyüdüğünü değil, her şeyin en başta nereden geldiğini açıklayan ayrıntılı bir kuantum teorisi olacaktı. 

Kuantum mekaniğinin Isaac Newton'ın hareket yasalarından açık bir kopuş olması gibi, bundan sonra hangi teori gelirse gelsin tamamen yeni bir biçim alacağından şüpheleniyor. 

Parçacıkların uzayda ve zamanda nasıl hareket ettiğine dair herhangi bir varsayım da yok. Parçacık fiziğinin bu tamamen geometrik formülasyonunun başarısı, şu anda çatışan aziz ilkelerden arınmış, gerçekliğe yeni bir bakış açısı olasılığını artırıyor. Araştırmacılar, farklı parçacıklara ve kuantum teorilerine ait ilgili geometrik şekilleri keşfetme yaklaşımını yavaş yavaş ilerletiyor.