Gravitonları Tespit Etmek İmkânsız Olabilir mi?

Gravitonları tespit etmek şu anki teknolojimiz ile mümkün değil. Ancak gravitonların keşfi, teknolojinin prensipte ulaşamayacağı bir nokta olabilir mi?

Modern fizikte, Evrendeki madde elektronlar, protonlar ve nötronlar gibi kuantalar veya “parçacıklar”dan oluşuyor. Bu parçacıkların, her biri fotonlar ve gluonlar gibi ilgili “alan kuantaları”ne sahip farklı kuvvetler veya alanlarla (güçlü, zayıf, kütleçekimsel) ve bunlar aracılığıyla etkileşimlere geçtikleri söylenebilir. Bu nicemler çoğunlukla alanları oluşturan parçacıklar olarak görülüyor, ve, gerçekte durum biraz daha karmaşık olmasına rağmen, temel düşünce çizgisi bu şekilde. Bu kuantalar hakkında çokça deneysel kanıtımız mevcut, fakat bir tanesi var ki, kendisiyle ilgili hiçbir deneysel kanıt henüz mevcut değil. Bu kuanta, graviton.

Kuantum alan teorisine giriş yapmak için temel yöntemlerden biri, daha sonra matematiksel formülasyonlar ile “kuantize” edebileceğiniz bir dalga biçimi ile başlamak. Bu şekilde, örneğin, fotonların elektromanyetik alandan ne şekilde kaynaklandığını gösterebilirsiniz. Aynı şey kütle çekimsel alan için de gerçekleştirilebilir. Kütle çekimsel dalgalardan başlayarak, bunları gravitonları türetmek için kuantize edebilirsiniz. Fakat bu yaklaşımda bazı sorunlar var. Kuantum alan teorisinde, tüm alanlar düz bir uzay-zaman zemininde etki ediyor (buna Minkovski uzayı diyoruz). Kütle çekimsel dalgalar, uzay ve zamanın kendisini büküyor, bu nedenle gravitonları elde etmek için çoğunlukla kütle çekimsel dalgaların Minkovski uzayı zemini içindeki dalgalanmalar olduğu var sayılıyor. Bu şekilde, kütle çekimine, kendisini kuantize edebilmek için, düz uzay içerisindeki bir alan dalgalanması şeklinde yaklaşılabiliyor.

Elbette, genel görelilik, kütle çekiminin bu şekilde işlemediğini anlatıyor. Kütle çekim, uzay-zamanın eğriliğinin sonucu ve bu nedenle kütle çekimini kuantize etmek için uzay-zamanın kendisinin kuantize edilmesi gerekiyor. Bunun ne şekilde yapılabileceği ise fizikte henüz çözülememiş büyük gizemlerden biri. Yani, gravitonların var olmama ihtimali var. Fakat genel olarak var oldukları düşünülüyor, çünkü çoğu fizikçiye göre, son tahlilde her şeyin merkezinde kuantum teorisi var. Kuantum kütle çekimi için, kuantum çekim döngüsü ve sicim kuramı gibi önemli güncel yaklaşımlar, basit “kuantize dalga” yaklaşımındaki ile aynı özelliklere sahip gravitonlar öngörüyorlar.

Gravitonlar var olsa bile, onları asla tespit edemeyecek olmamız muhtemel. Yakın zamanda bir makalede gösterildiği şekilde, gravitonlar kütle ile o kadar zayıf şekilde etkileşime geçecektir ki, elinizde bir nötron yıldızının yörüngesinde bulunan Jüpiter kütlesinde bir detektör olması gerekir. O zaman dahi, bir tek graviton tespit etmek on yıldan fazla vakit alır ve bu durumda dahi sinyal nötrinolar gibi parçacıkların yaratacağı gürültü arasında kaybolur. Gravitonları tespit etmek uygulamada mümkün değilse, bunlardan bir bilimsel model gibi bahsetmenin bir anlamı var mı?

Belki. Sağlam bir kuantum kütle çekim modeli içerisine dahil olabileceklerini varsayarsak, varlıklarını teyit etmenin dolaylı yolları olabilir. Ancak şimdilik, tamamen varsayımsallar.

oo

Tony Rothman ve Stephen Boughn’a ait Foundations of Physics’de yayımlanan makalenin özet bölümü şu şekilde:

Freeman Dyson, tek bir gravitonun keşfedilebilmesi için gerçek evrende düşünülebilir herhangi bir deneyin var olup olamayacağını sorgulamıştır. Eğer yoksa, gravitonlardan fiziksel varlıklarmış gibi bahsetmenin bir anlamı var mıdır? [Bu makalede] Dyson’un sorusuna cevap vermeye çalışıyoruz ve idealize bir akıl deneyi kurmanın mümkün olduğu sonucuna ulaşıyoruz; ancak gerçekçi fizikle ilgili herhangi bir şey hesaba katıldığında, [gravitonlara ait] tespit, Dyson’un varsayımının haklı olduğuna işaret eder şekilde imkânsız hale geliyor […]

oo

Rothman ve Boughn’un bahsettiği, Freeman Dyson’un Brian Greene’e ait “The Fabric of the Cosmos: Space, Time, and the Texture of Reality ” [Evrenin Dokusu – Uzay, Zaman ve Gerçekliğin Örüntüleri] adlı kitabı için yazdığı, “The World on a String” [Sicim Üzerindeki Dünya] başlıklı yazısının ilgili bölümü ise şu şekilde:

[…] Bir muhafazakar olarak, fiziğin büyük ve küçük [şeylere] ait ayrı teoriler olarak bölünmüş olmasının kabul edilemez olduğu fikrine katılmıyorum. Geçen seksen yıl boyunca, yıldızlara ve gezegenlere ait klasik dünya ile atomlar ve elektronlara ait kuantum dünyasına ait ayrı teorilere sahip bir şekilde yaşamış olduğumuz hayattan memnunum. Dogmatik bir şekilde [teorileri] birleştirme üzerine ısrar etmek yerine birleştirilmiş bir teorinin herhangi bir fiziksel anlamı olup olmadığı sorusunu sormayı tercih ediyorum. Tüm kuantum kütle çekim teorilerinin özünde, tıpkı fotonların ışığın kuantumları olması gibi, kütle çekimin kuantumu olan graviton isimli bir parçacık bulunuyor. Kuantum kütle çekimi için böyle bir parçacık gerekli, çünkü enerji kuanta adı verilen küçük ayrık paketler içerisinde taşınıyor ve kütle çekimsel enerjinin kuantumu da bir parçacık gibi davranacaktır.

Sormakta olduğum soru, tekil gravitonların varlığını tespit edebileceğimiz düşünülebilir herhangi bir yol olup olmadığıdır. Einstein’ın gösterdiği gibi, ışığın metallerin üzerine düşmesi ile dışarı atılan elektronların davranış şekillerini gözlemleyerek, tekil fotonları tespit etmek kolaydır. Fotonlar ile gravitonlar arasındaki fark ise, kütle çekimsel etkileşimlerin, elektromanyetik etkileşimlerden aşırı derecede daha zayıf olmalarıdır. Eğer tekil gravitonları metal yüzeylere çarpan kütle çekim dalgalarının kopardığı elektronlar aracılığı ile tespit etmeye çalışırsanız, kendinizi bir tek graviton görebilmek için muhtemelen evrenin yaşından daha uzun bir süre boyunca beklerken bulabilirsiniz. Gravitonların tespit etmek için farklı yöntemleri inceledim, ve işe yarayabilecek bir tane dahi bulamadım. Kütle çekimsel etkileşimin aşırı derecede zayıf olması, herhangi varsayımsal detektörün devasa olmasını gerektiriyor. Eğer detektör normal bir yoğunluğa sahip olursa, [detektörün] büyük kısmı graviton kaynağından [etkin bir şekilde ölçüm alabilmek için] fazla uzakta kalıyor, ve eğer kaynak etrafında yüksek bir yoğunluğa [ulaşacak şekilde] sıkıştırılırsa, karadeliğe dönüşüyor. Doğa, detektörü çalışmaktan alıkoyan bir komplo kuruyor gibi görünüyor.

Test edilebilecek bir hipotez olarak, tekil gravitonların varlığının prensip olarak gözlemlenemeyeceğini ileri sürüyorum. Bu hipotezin doğru olduğunu iddia etmiyorum, yalnızca karşıt bir kanıt bulamadığımı öne sürüyorum. Eğer tekil gravitonlar, düşünülebilecek herhangi bir deney ile gözlemlenemiyorsa, bu durumda fiziksel bir gerçeklikleri yoktur ve var olmadıklarını düşünebiliriz. [Gravitonlar], on dokuzuncu yüzyıl fizikçilerinin uzayı doldurduğunu düşündükleri elastik katı ortam olan Esîr gibiler. [19. yüzyılda] Elektrik ve manyetik alanların Esîr’deki gerilimler ve ışığın da Esîr’deki titreşimler olduğu düşünülüyordu. Einstein, görelilik teorisini Esîr olmadan inşa etti ve Esîr’in, eğer var olsaydı gözlemlenemez olacağını gösterdi. Esîr’den kurtulduğu için mutlu olmuştu, ve ben de gravitonlar için aynı şeyi hissediyorum.

Benim hipotezime göre, Einstein’ın Genel Görelilik Teorisi ile tarif edilen kütle çekim alanı, herhangi bir kuantum davranışı olmayan klasik bir alandır. Kütle çekimsel dalgalar vardır ve tespit edilebilir, fakat bunlar graviton yığınları değil, klasik dalgalardır. Eğer bu hipotez doğru ise, farklı teoriler ile tasvir edilen iki ayrı dünyamız var demektir; kütle çekimine ait klasik dünya ve atomlara ait kuantum dünyası. İki teori matematiksel olarak farklıdır ve aynı anda kullanılamazlar. Fakat teorilerin bir arada kullanılması ile herhangi bir tutarsızlık açığa çıkamaz, çünkü öngörüleri arasındaki farklılıklar fiziksel olarak tespit edilebilir değildir […]

oo

Bu yazının orijinali Futurism sitesinde yayımlanmıştır. Çeviren ve genişleten: Bilimvesaire.

 

Kaynaklar:

https://explorist.futurism.com/does-the-graviton-really-exist/

https://arxiv.org/abs/gr-qc/0601043

http://www.nybooks.com/articles/2004/05/13/the-world-on-a-string/