M Teorisi Nedir? M Teorisi Tarihi

M Teorisi nedir? M Teorisi evrenin 11 ya da daha küçük boyutta bir uzay-zamanın içinde bir ada olabileceği ve bu uzay-zamanda benzeri birçok evren olabileceği hakkında geliştirilmiş bir kuramdır.

Bu yazımızda M Teorisi nedir? M Teorisi’nin ortaya çıkışı ve gelişimi nasıl olmuştur? sorularını tüm ayrıntılarıyla yanıtladık. Yazımızda M Teorisi’nin kısaca ne olduğuna değindik. Teorinin ortaya çıkış ve gelişme süreçlerini detaylı bir şekilde inceleyerek açıkladık.

M Teorisi Nedir?

İngilizcedeki açılımı “membrane theory” olan M Teorisi, Türkçeye zar kuramı olarak çevrilebilir. M Teorisi, günümüzde “Her şeyin teorisi” olmaya adaydır. Bu teori kısaca anlatılacak olunursa kuantum mekaniği ile genel görelilikteki yer çekimini birleştirmektedir. M Teorisi, süper sicim teorisinin tüm tutarlı versiyonlarını birleştiren bir fizik teorisidir. Aynı zamanda bu teori, evrenin 11 boyutlu bir zar yani membrandan oluştuğunu öne sürmektedir. Bu yazımızda M Teorisi’nin nasıl ortaya çıktığından, gelişiminin nasıl olduğundan, bugün teorinin ne durumda olduğundan ve sicim teorisi ile tarihsel ilişkisinden bahsedilecektir.

M Teorisi Tarihi

M Teorisi, Princeton Üniversitesi’nden Edward Witten tarafından 1995 yılında, Güney Kaliforniya Üniversitesi’ndeki bir söyleşide verdiği söylevle ortaya çıkmıştır. Edward Witten’ın konuşması, ikinci süper sicim devrimi olarak bilinen bir araştırma faaliyetinin telaşını başlattı. Edward Witten’ın 1995’te bulduğu M Teorisi’nin temelleri geçmişteki araştırmalara, çalışmalara dayanmaktadır.

M Teorisi’nin İlk Defa Ortaya Çıkışı

1995’te Güney Kaliforniya Üniversitesi’ndeki sicim teorisi konferansında konuşan Edward Witten, sicim teorisinin beş farklı versiyonunun farklı bakış açılarından görülen aynı şeyi açıklıyor olabileceğini öne sürdü. “M”nin spesifik olarak tanımlanmadığı ancak genel olarak “zar” anlamına geldiği anlaşılan “M Teorisi” adlı birleştirici bir teori önerdi. M Teorisi tüm sicim teorilerini bir araya getirdi. Bunu, dizelerin 11 boyutlu uzay-zamanda titreşen iki boyutlu bir zarın gerçekten tek boyutlu dilimleri olduğunu iddia ederek yaptı. Daha yüksek boyutlu nesnelerin titreşimleri (üç boyutlu titreşen damla veya küre veya hatta daha olası boyutlarda olduğu gibi) M Teorisi’nin bir parçasıdır.

Tarihte M Teorisi’nin Gelişimine Katkı Sağlayan Önemli Fikirler

Kaluza-Klein Teorisi

1919’da Theodor Kaluza’nın çalışması, beş boyutlu uzay-zamana geçilerek, yer çekimi ve elektromanyetizmanın tek bir kuvvet halinde birleştirilebileceğini gösterdi. Bu fikir, Kaluza tarafından önerilen ek boyutun yaklaşık 10-30 cm yarıçaplı bir daire şeklini alabileceğini öne süren fizikçi Oskar Klein tarafından geliştirildi. Kaluza-Klein teorisi ve ardından Einstein’ın birleşik alan teorisi geliştirme girişimleri hiçbir zaman tamamen başarılı olamadı. Bunun nedeni kısmen Kaluza-Klein teorisinin var olduğu gösterilmemiş bir parçacığı tahmin etmesiydi. Kısmen de bir elektron kütlesinin yüküne oranını doğru bir şekilde tahmin edemediği içindi.

İkinci Süper Sicim Devrimi

Edward Witten’ın 1995’teki duyurusunu takip eden önemli gelişmelerden biri Witten’in 1996’da string teorisyeni Petr Hořava ile yaptığı çalışmaydı. Witten ve Hořava, iki adet on boyutlu sınır bileşeniyle özel bir uzay-zaman geometrisi üzerinde M Teorisi çalıştı. Çalışmaları, M Teorisinin matematiksel yapısına ışık tuttu. M Teorisini gerçek dünya fiziğine bağlamanın olası yollarını önerdi.

Membranlar ve Beş Zar

Sicim teorisi, sıfır boyutlu nokta parçacıklarını dizeler adı verilen tek boyutlu nesnelerle değiştirerek sıradan parçacık fiziğini genişletir. 1980’lerin sonlarında, teorisyenler parçacıkların yerini iki boyutlu süper zarlar veya membran adı verilen daha yüksek boyutlu nesnelerle değiştiren diğer uzantıları formüle etmeye çalışmışlardır. Bu tür nesneler, Paul Dirac tarafından 1962 gibi erken bir tarihte ele alınmıştır. 1980’lerde küçük ama hevesli bir fizikçi grubu tarafından yeniden değerlendirilmiştir.

1987 yılında Ergin Sezgin, Paul Townsend ve Eric Bergshoeff 11 boyutlu süper yer çekiminin iki boyutlu membran içerdiğini gösterdiler. Sezgisel olarak, bu nesneler 11 boyutlu uzay-zaman boyunca yayılan tabakalar veya zarlar gibi görünür. Bu keşiften kısa bir süre sonra, Paul Howe, Kellogg Stelle, Michael Duff ve Takeo Inami, boyutlardan biri bir daire şeklinde kıvrılmış olarak 11 boyutlu süper yer çekiminin belirli bir yoğunlaştırılmasını değerlendirdiler. 1990’da Andrew Strominger benzer bir sonuç yayınladı. 10 boyutta güçlü etkileşim halindeki dizelerin zayıf etkileşimli beş boyutlu zarlar açısından eşdeğer bir tanıma sahip olabileceğini öne sürdü. Başlangıçta fizikçiler bu ilişkiyi iki önemli nedenden dolayı kanıtlayamadılar. Bir yandan, Montonen-Olive ikiliği hala kanıtlanmamıştı ve bu nedenle Strominger’in varsayımı daha zayıftı. Öte yandan, beş boyutlu zarların kuantum özellikleriyle ilgili birçok teknik sorun vardı. Bu sorunlardan ilki, 1993 yılında Ashoke Sen’in, Montonen ve Olive’in çalışmaları tarafından öngörülen hem elektrik hem de manyetik yüklü nesnelerin varlığını gerektirdiğini belirlediği zaman çözüldü.

Membranlar ve Beş Zar Arasındaki İlişkinin Sonucu

Sicimler ve beş boyutlu zarlar arasındaki ilişki tahmini kaldı çünkü teorisyenler zarları nicelendiremediler. 1991’den başlayarak Ramzi Khuri, Michael Duff, Ruben Minasian ve Jianxin Lu’nun da dahil olduğu bir araştırma ekibi, 10 boyuttan dördünün kıvrıldığı sicim teorisinin özel bir sıkıştırmasını değerlendirdi. Bu ekstra boyutların etrafına sarılmış beş boyutlu bir zar düşünülürse, o zaman zar tek boyutlu bir ip gibi görüneceğini öne sürdüler. Bu şekilde, sicimler ve branşlar arasındaki varsayılan ilişki, sicimler ve sicimler arasındaki bir ilişkiye indirgenmiştir.

Süper Yer Çekimi Üzerine Erken Çalışma

1970’lerin ortalarında, fizikçiler genel görelilik ile süper yer çekimi teorileri denen süpersimetriyi birleştiren yüksek boyutlu teoriler üzerinde çalışmaya başladılar. Aynı yıl, École Normale Supérieure’den Eugene Cremmer, Bernard Julia ve Joel Scherk, süper yer çekiminin yalnızca 11 boyuta kadar izin vermekle kalmayıp, aslında bu maksimum sayıda boyutta en zarif konumda olduğunu gösterdi. Başlangıçta, birçok fizikçi 11 boyutlu süper yer çekimini yoğunlaştırarak, dört boyutlu dünyamızın gerçekçi modellerini oluşturmanın mümkün olabileceğini umuyordu. Bu şemadaki çeşitli kusurlar keşfedildikçe, 11 boyutlu süper yer çekimine olan ilgi kısa sürede azaldı. 1984’teki ilk süper sicim devriminde, birçok fizikçi birleşik bir parçacık fiziği ve kuantum yer çekimi teorisi olarak sicim teorisine yöneldi. Sicim teorisinin 1980’lerde ve 1990’larda birçok fizikçinin ilgilendiği bir başka özelliği de yüksek derecede benzersizliğiydi.

M Teorisi’nin Dayandığı Temellerden Biri Olan Yer Çekimi

İlk olarak en temelden başlamak gerekirse yer çekimini ele almak gerekir. İlk yer çekimi düşüncesini Sir Isaac Newton, 1687 yılında ortaya koymuştur. Bu düşünüşün temelinin meşhur elma hikayesine dayandığı düşünülmektedir. Newton, boşluktaki iki maddenin birbirlerini kütleleri ile doğru orantılı ve aralarındaki mesafe ile ters orantılı olacak şekilde çektiğini düşünmüştür. Sir Isaac Newton, teorisinde uzay-zamanı salt ve daimî kabul etmiştir. Fakat daha sonra Einstein’ın uzay-zamanın göreceli olduğu görüşü kabul görmüştür. Einstein’a göre; madde ve enerji birbirine dönüşebilmekle beraber uzay ve zaman da eğilip bükülen, yamulan, uzayan, kısalan “elastik bir branda” gibidir. Bu yüzden günümüzde yer çekimi kanunu Einstein’ın özel görelilik kuramına göre şekillenmiştir. Bu da demek oluyor ki cismin kütlesinin cismin hızına bağlı olduğu kabul edilmiştir.

Genel göreliliğe değinilecek olursa Einstein’ın genel görelilik kuramı ve denklemleri uzaydaki maddelerin kütlelerinin uzay-zamanı büktüğünü, eğdiğini söylemektedir. Einstein, ivmeli hareketin ve kütlenin aynı olduğu görüşündedir. Sonuç olarak, ivmeli hareket ve kütle uzay-zamanda aynı etkiyi yaratıyordu. Genel göreliliği ve özel göreliliği birlikte düşünüldüğünde yer çekimiyle ilgili bir fikre ulaşılmış olur.

M Teorisi’nin Dayandığı Temellerden Biri Olan Kuantum Mekaniği

Yer çekiminden sonra M Teorisi’nde ele alınan bir diğer konu olan kuantum mekaniği incelenecektir. Kuantum mekaniği 1925 yılında Michael Faraday, Werner Heisenberg, Erwin Schrödinger, Pascual Jordan, Louis de Broglie, Max Born ve diğer pek çok bilim insanının katkılarıyla ortaya çıkmıştır. Kuantum mekaniğine göre elektron, nötron, proton, kuark, müon nötrino gibi atom altı parçacıklar ve bu parçacıklar arasında kuvvet taşıyan gluon, zayıf ayar bozonu, foton, graviton gibi haberci parçacıklar, hatta evrendeki tüm parçacıklar ve bu parçacıklardan oluşmuş maddesel yapılar belirli bir olasılık denklemine göre dalga özelliği göstererek hareket etmekteydi. Kuantum mekaniği ve yer çekimi ilkeleri yani görelilik birbirleriyle birçok alanda çelişmekteydi. Bu iki alan da evrenin ifade edilmesinde büyük bir rol oynamıştır. Bilim insanları da bu iki alanın birleşmesiyle her şeyin teorisini bulabileceklerini düşünmüşlerdir.

Her Şeyin Teorisi Yolunda Atılan Adımlar

Fizikçiler uzun zamandan beri her şeyin teorisini bulmaya çalışmışlardır. Evrenin teorisini bulmada ilk adım 1966’da bulunan Süpersimetri kuramı olmuştur. Süpersimetri kuramı; Standart Modelde, parçacıkların kütleye sahip olduğunun sebebini açıklamak için her parçacığa eşit bir parçacık olduğunu öngörür. Süpersimetri, 1970’li yıllarda evrenin teorisi olarak görülüyordu fakat kuramda hatalar ve problemler mevcuttu. Daha sonra 1984’te Süper Sicim kuramı dönemin her şeyin teorisi olmuştur. Süper sicim teorisi, tüm parçacıkları ve doğanın temel kuvvetlerini küçük süpersimetrik sicimlerin titreşimleri olarak modelleyerek tek bir teoride açıklama girişimidir. Bu kuramda evrenin yapı taşlarının küçük, farklı frekanslarda titreşimleri olan sicimler olduğu ileriye sürülmüştür. Buna ek olarak, Süper sicim teorisi (bilinen x, y ve z eksenlerindeki boyutların ve zaman boyutunun) dört boyutun yanı sıra ek olarak 6 farklı boyut olduğu düşünülmektedir.

Sonraki yıllarda yine Süpersimetri kuramındaki gibi Süper sicim kuramında da sorunlar ortaya çıkmıştır. En büyük sorun, kuramın bir pertübasyon teorisi olması nedeniyle tek bir sonuca ulaşılamamasıdır. Witten, “pertürbasyon yönteminin” ötesine nasıl geçilebileceğine ilişkin bir strateji buldu. Geliştirdiği M-Kuramı ile, bu çok dilli sözlükteki kelimelerin karşılıkları araştırıldı. Beş süpersicim kuramıyla 11 boyutlu süperçekim kuramının, daha temel bir kuramın özel durumları olduğunu gösterdi. M Teorisi’nde ise Süper sicim teorisindeki boyutlara ek olarak 7 tane boyut daha ön görür bu da demek oluyor ki M Teorisi 11 boyutlu bir evren şeması olduğunu öne sürmektedir. Bu 11 boyutu göremememizin, hissedemememizin nedeni bu boyutların gizlenmiş olduğuna bağlanmaktadır. Madde, atom altı parçacıklar ve tüm evrendeki diğer bütün maddeler, bu sarmal, saklanmış boyutların matematiksel geometrilerine bağımlıdır. M Teorisi, kuantum mekaniğini ve Einstein’ın görelilik denklemlerini birleştirmektedir. Witten, bu fikirlerden başta da bahsedildiği gibi 1995 yılında Güney Kaliforniya Üniversitesi’nde bahsetmiştir. M Teorisinin ilk temelinin Edward Witten tarafından atıldığı söylenebilir.

M Teorisi’nin Gelişimi

M Teorisi’nin gelişimine ilk katkı sunan kişi Kaliforniya Üniversitesi’nden Joseph Polchinski’dir. Polchinski, 1996’da beş süper sicim teorisinden üçünün (tip I, IIA, IIB) sicimler dışında daha yüksek boyutlu nesnelerin de olduğunu gözler önüne serdi. Joseph Polchinski’nin katkılarıyla oluşan M Teorisi’nin yeni versiyonunun en büyük katksı, kara deliklerin D-zar kullanarak modellenmesi olmuştur. D-zarlar aynı zamanda kuramsal yüksek enerji fiziğinde ve diğer birçok alanda kullanılmıştır. Joseph Polchinski’nin teoriye katkılarından sonra Harvard Üniversitesi’nden Juan Maldacena, 1997 yılında Harvard Üniversitesi’nden Juan Maldacena, kâinatın hiperbolik bir uzay-zamanın (Antide Sitter (AdS)) D-membran teknolojisini kullandığını öne sürdü. Maldacena’ya göre M Teorisi’nin 11 boyutlu bir evren yaratması ve bizim 4 boyutlu bir evrende yaşamamız önemli değildir. Maldacena’ya göre M Teorisi 11 boyutludur. 4 boyutlu AdS üzerindeki izdüşümü (hologram) bize 4 boyutlu birleşik yansımasını verebilir.

Birkaç yıl sonra Boston Üniversitesi’nden Raman Sundrum ve Massachusetts Teknoloji Enstitüsü’nden Lisa Randall, kâinatın 5 boyutlu düz veya hiperbolik bir uzay-zamanda 4 boyutlu D-membranlardan oluştuğu fikrini savundular. Lisa Randall ve Raman Sundrum, 5 boyutlu evrenin esas özelliklerinin 4 boyutlu evrende hala yanıtlayamadığımız bazı temel soruları çözebileceğini savunuyorlar.

M Teorisi’nin Günümüzdeki Durumu

M Teorisi şu anda tamamlanmamıştır ancak yaklaşımın matematiği çok detaylı bir şekilde araştırılmıştır. Bununla birlikte, şu ana kadar M Teorisinin deneysel bir desteği yoktur. Bazı fizikçiler, bu yaklaşımın temel sorunlar nedeniyle gerçek dünyamızı tanımlayan bir fiziksel teoriye yol açacağından şüpheleniyorlar. Yine de bazı kozmologlar matematiksel zarafeti ve göreceli basitliği nedeniyle M Teorisine çekiliyorlar. Bu da basitliğin dünyamızı tanımlayabilmesinin bir nedeni olduğu umudunu tetikliyor.

Günümüzde M Teorisi’nin tam bir matematiksel formülü bilinmemekle birlikte teoriyi destekleyecek ya da kanıtlayacak deneysel bir kanıt üretilememiştir. M Teorisi’ni formüle etmeye yönelik modern girişimler tipik olarak matris teorisine veya AdS / CFT yazışmasına dayanır. M Teorisi’yle ilgili şu anda sonlanmamış iki tane deney sürmektedir. Bunlardan birincisi, M Teorisinin kanıtlanması için gerekli olan Süper simetrinin varlığı, 2010’a kadar İsviçre’deki CERN laboratuvarında yapılan deneylerle sorgulanacaktır. Bir diğer deney, bu deney günümüzde de devam etmektedir. 4 boyuttan farklı olarak başka gizlenmiş, çok küçük büyüklükte bilinen boyutlardan daha yüksek boyutların varlığıyla ilgili olan bir deneydir. M Teorisi’ni deneye bağlama girişimleri, tipik olarak dört boyutlu dünyanın aday modellerini oluşturmak için ekstra boyutlarını sıkıştırmaya odaklanır. Ancak şimdiye kadar hiçbirinin yüksek enerjili fizik deneylerinde gözlendiği gibi fiziğe yol açtığı doğrulanmamıştır.

M Teorisi ile Sicim Teorisi Arasındaki Tarihsel İlişki

20. yüzyılın ilk yıllarında, uzun zamandır maddenin en küçük yapı taşı olduğuna inanılan atomun, atom altı parçacıklar olarak bilinen protonlar, nötronlar ve elektronlar olarak adlandırılan daha küçük bileşenlerden oluştuğu kanıtlandı. 1960’lardan başlayarak, diğer atom altı parçacıklar keşfedildi. 1970’lerde, protonların ve nötronların (ve diğer hadronların) kendilerinin kuark adı verilen daha küçük parçacıklardan oluştuğu keşfedildi. 1980’lerde, sicim teorisi adı verilen teorik fiziğin yeni bir matematiksel modeli ortaya çıktı. Bilim tarafından bilinen tüm farklı atom altı parçacıkların varsayımsal tek boyutlu “sicimler”, yalnızca uzunluk boyutuna sahip olan ancak yükseklik veya genişliğe sahip olmayan sonsuz küçük yapı blokları tarafından nasıl oluşturulabileceğini gösterdi. 1990’ların başlarında, sicim teorisi biraz teorik bir karışıklık içindeydi. On yıllardır teorisyenler, gerçekliğin temel yapı taşlarının küçük, titreşen sicimler olduğu fikrine kalplerini ve zihinlerini döktüler. Bu, doğanın tüm güçlerini ve maddenin tüm yapı taşlarını tek ve uyumlu bir resimde birleştirebilen potansiyel olarak devrimci bir fikirdi.

İşin püf noktası, sicim teorisi için her biri diğerlerinden kökten farklı görünen beş bağımsız aday olmasıydı. Sicim teorisinin matematiksel olarak tutarlı olması için, sicimler on boyutlu bir evrende olmalıdır. Bu, gerçek evrenimizin dört boyuta sahip olduğu deneyimiyle çelişiyor. Üç uzay boyutu (yükseklik, genişlik ve uzunluk) ve bir zaman boyutu. Bu nedenle, sicim kuramcıları teorilerini “kurtarmak” için, ilave altı boyutun var olduğu ancak doğrudan tespit edilemeyeceği açıklamasını ekledi. Witten, öne sürülen beş farklı teorinin aslında aynı yönlerinin olduğunu ve bunların bir teoriye indirgenebileceğinden bahsediyordu. Hepsinin temelindeki “Her Şeyin Teorisi”ne dikkat çekiyordu. Witten, beş teorideki farklılıkların yanı sıra tüm modellerin tek bir teorinin yönleri olduğu görüşündeydi. Daha sonra boyutların sayısı, beş kısmi teoriye yol açan 10 boyutlu teorinin çeşitli yorumlarına dayanarak 11’e çıkarıldı. Süper yer çekimi teorisi de 11. boyutun gerekliliğini belirlemede önemli bir rol oynadı. Sonra, sicim teorisi bir problemle karşılaştı. Denklemlerin başka versiyonları keşfedildi. Sonunda, beş ana dizi teorisi geliştirildi.

Sicim Teorisi’nden M Teorisi’ne

Teoriler arasındaki temel farklar, esas olarak dizelerin geliştiği boyutların sayısı ve karakteristikleriydi. Bazıları açık döngülerdi, bazıları kapalı döngülerdi. Dahası, tüm bu teoriler uygulanabilir görünüyordu. Bilim adamları, aynı şeyi açıklamak için birbiriyle çelişen beş denklem setinden memnun değildi. Bahsedilen “kurtarılmış” Sicim Teorisi, M Teorisi’ni ifade etmektedir.

Not: Bu konuyla ilgili olarak Evren Nedir? Evren Modelleri Nelerdir? Tarihte Evren Algısı başlıklı yazımızı da inceleyebilirsiniz.