Gravitonlar nedir? Onları neden göremiyoruz?

Gravitonlar, yerçekimi “kuvvetini” taşıyan çok küçük parçacıklar olarak tasavvur ediliyor. Fizik dünyasında son zamanlarda yaygın bir biçimde kabul gören bir teoriye göre yeryüzünde zıpladığınızda sizi tekrar dünyaya çeken şeylerin aslında gravitonlar olduğu düşünülüyor. Fakat bu kadar temel bir işlevi olan gravitonların şimdiye kadar tespit edilememiş olmasının nedeni ne? Ve, onların ne olduğu anlayabilmek için neden oldukça karmaşık bir teori olan sicim kuramına (string theory) ihtiyaç duyuyoruz?
Fotonlar, gluonlar ve gravitonlar

Işık bize dalgalar hâlinde ulaşıyor. Bilim insanları bunun böyle olduğunu uzun bir süredir biliyorlar. Diğer yandan, ışığın ayrıca bir parçacık olduğu gerçeği herkesi oldukça şaşırttı, fakat bu da artık kabul gören bir gerçek. Bütün bu hikâyede genellikle atlanan şey ise ışığın yalnızca bizim etrafı görmemize yardımcı olmadığı. Zira fotonlar, yalnızca retinalarımıza çarpan parçacıklardan ibaret değiller. Onlar, kütlesi olmayan bir ağırlığa sahip ve elektromanyetizm adını verdiğimiz bir diğer çok iyi bildiğimiz fizik kuvvetini oluşturan şeyler.

Belirli bir enerjiye sahip bir foton bir atoma çarptığında, bu atomun dıştaki elektronunun bir düzey daha yukarıya çıktığı bilinen bir gerçek. Ve bu elektron tekrar eski düzeyine düştüğünde yine bu fotonu yaymaya başlıyor. Bu da ışık dediğimiz şeye neden olan parıldamaları tanımlıyor. Bununla birlikte bu durum, belirli bir dalga boyu ve belirli bir renk olarak da ifade edebileceğimiz, fotonların; elektronun zıplayışını gerçekleştirmesini sağlamak için neden belirli bir enerjiye sahip olması gerektiğini açıkladığı gibi neden yalnızca belirli renklerin ışıdığını da açıklıyor. Bu sürece daha derinden baktığımızda, fotonları oldukları gibi görebiliyoruz. Onlar etraflarındaki elektronları iten parçacıklar ve elektromanyetizma adı verilen “kuvveti” taşıyorlar.

Fotonlar, bir kuvvet taşıyan tek parçacık olma özelliğine sahip değiller. Atomun çekirdeğindeki protonları bir arada tutan bu güçlü nükleer kuvvet gluon adı verilen bir parçacık tarafından taşınıyor.

Bizim makro düzeyde “kuvvet” dediğimiz şey de mikro düzeyde parçacıklar tarafından iletiliyor. Yerçekiminin de bu parçacıklardan biri olması gerektiği düşünülüyor. Gravitonlarla ilgili sorun ise, -ya da daha açık bir biçimde belirtmek gerekirse, onlarla ilgili birçok sorundan biri- yerçekiminin aslında bir kuvvet olarak ele alınmadığı. Genel görelilik yerçekiminin uzay-zamanda bir sapma/eğilme olduğuna işaret ediyor. Yine de, genel görelilik yerçekimsel dalgalara olanak tanıyor. Buna göre, bu dalgaların tıpkı fotonların yaptığı gibi kesin ve belirli dalga boyutlarında gelmesi ve onların da gravitonlar olması mümkün.
Gravitonlar ve Sicim Kuramı

Bilim insanları daha gravitonları gözlemlemeden onlar hakkında şimdiden birkaç şey biliyor. Örneğin, yerçekimi sonsuz bir erişime sahip olan bir kuvvet olduğu için gravitonların kütlesiz olduklarını biliyorlar. Bu onları teknik olarak “ayar bozonları” dediğimiz şey yapıyor ve fotonlar ve gluonlara eşlik etmelerini sağlıyor. Bilim insanları ayrıca, gravitonların iki spin‘e (bir parçacığın açısal momentumu) birden sahip olduklarını biliyorlar, ki bu da onların parçacıklar arasında benzersiz olmalarını sağlayan şey. Biraraya gelen bu özellikler şu anlama geliyor: Bilim insanları hiçbir kütlesi olmayan ve iki spinli gizemli bir parçacıkla ilgili bir hadiseye tanık olurlarsa, bir gravitonla karşı karşıya olduklarını bilecekler.

gravitonlar 2

Yine de ortada büyük bir problem var. Bu da fotonlar ve elektronlarla ilgili. Bir elektron bir düzeyden diğerine düştüğünde, ortaya bir foton çıkıyor. Bu fotonlar düştüğünde ya da farklı bir biçimde hareket ettiklerinde ikinci bir foton üretmiyorlar. Fotonları üreten şey elektron hareketi. Fotonların hareketi daha fazla foton üretilmesini sağlamıyor. Fotonların ara sıra da olsa sıradışı şeyler yaptığı oluyor. Bir elektron ve positronu parçalarına ayırabiliyorlar ve bu da daha fazla fotonun üretilmesini sağlıyor, ve böylece sonrasında da yeniden bir fotonda birleşiyorlar. Parçacıkların bu patlayışı heyecan verici bir gelişme olsa da, dallanıp budaklanabilen bir foton zinciri üretmiyorlar. Bundan dolayı, fotonlar ve elektron etkileşimlerinin yeniden normalleştirilebilir olduğu söyleniyor. Tuhaf şeyler yapabiliyor olsalar da, bunu sonsuza kadar devam ettiremiyorlar.

Gravitonlar çok da ehlileştirilebilir parçacıklar değiller. Fotonlar elektronların hareketi sonucunda ortaya çıkarken, gravitonlar enerji ve kütlenin birleşiminin ürünü. Gravitonlar kütlesizler, fakat enerjiyi taşıyabiliyorlar. Bu da bir gravitonun daha fazla gravitonlar yaratabileceği anlamına geliyor.

Diğer kuantum parçacıkları gibi, gravitonlar da küçük bir alanla sınırlandıklarında birçok enerji ya da momentum taşıyabiliyorlar. Ve bir graviton bir diğer gravitonun ortaya çıkmasını sağladığında, küçük bir alanla sınırlanıyor. Böyle bir anda, iki graviton küçücük bir alanda yan yana konumlanıyorlar. Yüksek miktardaki bu enerji, yeni yaratılmış gravitonun yine başka bir graviton yaratmasına neden oluyor. Graviton üretiminin bu sonsuz çemberi de gravitonları yeniden normalleştirelemez hâle getiriyor.

Böyle durumlarda, bir anlamda yeniden normalleştirilemeyen gravitonlar nokta hâlinde oldukları için sicim kuramına başvuruluyor. Sicimler, noktalardan daha uzun yapıdalar ve sicimsel bir gravitonun yaratılması da zaman ve uzayla o denli sınırlandırılmış değil. Bu küçük alan da, bir gravitonun yaratılışının fazla enerjik olmamasını sağlıyor ve hemen bir diğer gravitonun yaratılmasını engelleyerek teorinin yeninden normalleştirilebilir olmasını mümkün kılıyor.
Gravitonları nasıl bulabiliriz?

Yerçekimi dalgalarını arayan birçok kuruluş var, fakat bunlar arasında bu daglaları bulmak için en çok umut veren yer Büyük Hadron Çarpıştırıcısı (Large Hadron Collider). İlk olarak, CERN aslında orada olmayan bir şeyi arıyor olabilir. Parçacıklar arasındaki çarpışmaların bir dengede tutulması gerekiyor. Bir çarpışmayı ve onun sonuçlarını incelerken bütün momentum, kütle, enerji ve spin’in göz önünde bulundurulması lazım. Kütlenin bir doğrultuda ilerlemesi; ona denk miktarda bir kütlenin bir başka doğrultuda ilerlemediği sürece olanaksızdır.

gravitonlar 3

Meseleyi zorlaştıran şey ise gravitonların diğer boyutlarda birikme olasılığı. Bu da şimdiye kadar onları göremeyişimizin nedeni olabilir. CERN’deki bilim insanlarının aramakta olduğu şey gerçek bir graviton yerine, bir boşluktan başka bir şey olmayabilir. Bir çarpışmadan sonra enerji ve momentumda tuhaf bir dengesizlik olması gerekir. Bu enerji ve momentum, kaçmış olan ve diğer boyutlara doğru gitmeden önce onu kısaca titreştiren gravitonun toplamına eşit olacaktır. Nihayetinde, başka boyutların da var olduğu gerçeği gravitonların keşfini gölgeleyebilir, ama zaten gravitonların da bir ün peşinde koştuklarını söylemek zor.

Yazar:

Disiplinler ve kültürlerarası bir içerik deneyimi; en güncel felsefe, sanat, müzik, sinema, edebiyat, bilim ve teknoloji haberleri...