1970'lerin başında David J. Gross atom çekirdeğinin gizli yapısını ortaya çıkardı. 1980'lerde sicim teorisinin yeniden keşfedilmesine yardımcı oldu. 2004 yılında Nobel Fizik Ödülü'nü paylaştı. Ve bugün, sicim teorisyenlerinin yerçekimi ve kuantum mekaniği denklemlerinin birbirine bağlanmasını umduğu Planck ölçeğinde (bir protondan milyarlarca kat daha küçük) doğanın temel güçlerini tanımlamak için büyük bir mücadele veriyor.
Gross, H. David Politzer ve Frank Wilczek, atom çekirdeğinin bileşenleri olan proton ve nötronları birbirine bağlayan ve halk arasında güçlü kuvvet olarak bilinen asimptotik serbestliği keşfettikleri için Nobel'e layık görüldüler. Kırk yıl önce yaptıkları sezgisel hesaplamalar, bilinen 61 temel parçacığı tanımlayan Standart Fizik Modeli'ndeki önemli bir boşluğu doldurdu. Bu teorik çalışma, neredeyse can çekişen kuantum alan teorisini yeniden canlandırdı ve güçlü etkileşimlerin teorisi olan QCD'yi (kuantum kromodinamiği) doğurdu.
Gross bugünlerde, 1997'den geçen yıl istifa edene kadar başında bulunduğu Ulusal Bilim Vakfı tarafından finanse edilen düşünce kuruluşu Kavli Teorik Fizik Enstitüsü'nde denklemleri tebeşirle çizerken genç fizikçilere meydan okumaktan hoşlanıyor. Genç bilim insanlarının kendi başarılarını aşmaları, şu anda parçacık fiziğini rahatsız eden, rakip teorilerin aynı fiziksel sonuçları öngördüğü ve bu nedenle evrenin ömrü boyunca deneysel doğrulamadan muaf olabileceği yetersiz belirleme çıkmazını aşmaları için sabırsızlanıyor.
Gross, teorik fiziği ezoterik spekülasyonlarla dolu, pratik sağlamlık ve teorik karışıklığın garip bir süperpozisyonu olarak nitelendiriyor. Fiziksel gerçekliğin simgesi olarak gösterilen "çoklu evrenler" ve sonsuz dünyaların "manzaralarının" popülerleştirilmesiyle ilgili sorunları var. Bazen bilimin, yeni veriler ya da devrimci bir fikir statükoyu yıkana kadar tıkanıp kaldığını söylüyor. Ancak iyimser: Deneyimler ona, kuarklar ve gluonlar gibi bir zamanlar doğrudan gözlemlenemeyen nesnelerin varlığının kanıtlanabileceğini söylüyor. Bir gün, belki de aynı şey sicimler, dallar ve fiziğin geleceğinin habercisi olan holografik sınırlar için de geçerli olacaktır.
Gross, indirgemeciliğin ölmediğinde ısrarlı.
Gross'la yapılan röportajın düzenlenmiş ve kısaltılmış bir versiyonu aşağıdadır.
Neden fizik, David?
13 yaşındayken Albert Einstein ve Leopold Infeld'in "Fiziğin Evrimi" adlı harika kitabını okudum. Evrenle ilgili temel soruları ele alma olasılığı beni son derece heyecanlandırmıştı.
1960'ların ortalarına doğru hızla ilerledik: Kaliforniya Üniversitesi, Berkeley'de yüksek lisans öğrencisiydim ve o zamanlar Berkeley, sicim teorisi olan S-matris teorisinin merkeziydi. Üniversitenin Rad Laboratuvarı'nda deneyciler ekipmanlarıyla sürekli yeni atomik parçacıklar keşfediyorlardı. Ancak teorisyenler bu keşif hızına ayak uydurmakta zorlanıyordu: Özellikle atom çekirdeğinin yapısı hakkında hiçbir bilgimiz yoktu.
Sorunun bir kısmı, kuantum alan teorisinin özel görelilik ve kuantum mekaniğini olağanüstü bir şekilde uzlaştırırken, parçacık fiziğindeki zor işlemleri yapmakta başarısız olmasıydı. Parçacıkların bileşik varlıklar mı yoksa temel birimler mi olduğunu bize söylemiyordu.
Laboratuvarda, atomun merkezindeki proton ve nötron yığınlarını birbirine bağlayan güçlü kuvvetin dinamiklerini çözmenin anahtarı olduğundan şüphelendiğimiz ve kuark adını verdiğimiz matematiksel yapıları ne görebiliyor ne de fiziksel olarak tanımlayabiliyorduk. Ve kuantum alan teorisi bunun nasıl olabileceğini hesaplamakta başarısız oluyordu.
Pek çok insan hayal kırıklığına uğradı ve şöyle dedi: "Kuantum alan teorisi çalışmıyor. Fizik dışı. Atın gitsin!"
"Fizik dışı " derken neyi kastediyorlardı?
Bilim insanları fiziksel olarak gözlemlenemeyen bir şey hakkında konuşamazlar. Eğer kuantum alan teorisi parçacık davranışlarını önceki deneysel gözlemlere, yani hareket halindeki kuantum nesnelerinin fiziksel ölçümlerine dayanarak tahmin edemiyorsa, o zaman alan teorisinin bir araç olarak işe yaramayacağı söylenmiştir.
Bir cisim, kapladığı alanın her noktasında bir değere sahip olan dinamik bir nesnedir. Konumu ve iç yapısı olan bir nesne olarak düşünülebilir. Örneğin, bir mıknatısın etrafına demir talaşları serpildiğinde görülen kuvvet çizgileri, fiziksel uzaydaki bir alanın şeklini tasvir eder.
Kuantum mekanik teorilerinin görelilik kısıtlamalarıyla tutarlı olması için, yüklü parçacıklar arasındaki etkileşimleri bir kuantum mekanik alanından, uzaysal bir alandan akıyor gibi resmederiz. Alandaki dalgalanmalar elektromanyetik dalgalar, radyasyon ya da ışık olarak ele alınabilir. Ve bu dalgalanmalar aynı zamanda doğanın güçlerini uzayda ileten parçacıklar olarak da tanımlanabilir.
Ben Berkeley'deyken, kuantum alan teorisinin çerçevesi elektromanyetizmanın dinamiklerini hesaplayabiliyordu. Zayıf nükleer kuvvetin, radyasyonun hareketini kabaca tanımlayabiliyordu. Ancak güçlü etkileşim, yani bağlayıcı kuvvet konusunda duvara tosladı.
Teorisyenler temel parçacıklar için daha etkili bir teori mi arıyorlardı?
Danışmanım Geoffrey Chew daha da ileri gitti: temel parçacıkların olmadığını, yalnızca olasılık yasalarına uyan rastlantısal olarak bağlantılı etkileşimlerin olduğunu ilan etti. Böylece, S-matrisi çerçevesinde, parçacıklar parçacıkları yaratıyor ve hiçbir parçacık türü diğerlerinden daha temel olmuyordu. Chew bu kuramsızlığa "nükleer demokrasi" ya da "önyükleme" adını verdi.
Bazı insanlar için önyükleme devrimci bir yaklaşımdı - yeni bir fizik felsefesi. Bir protonla başlayıp başka parçacıklar üretilebilir ya da tam tersi yapılabilirdi. Ve Kaliforniya'daki lineer hızlandırıcılarda proton çarpışmalarından elde edilen verilerde bu fikri doğrulayan modeller ortaya çıkmaya başladı.
Devrim Berkeley ile sınırlı mıydı?
1920'lerde kuantum mekaniğinin kuruluşundan bu yana, teorik fizik son derece radikal bir geleneği beslemişti. Görelilik ve kuantum mekaniği fizikte devrim yarattığı için, hepimiz bir sonraki devrimin peşindeydik ve mevcut teorileri bir çırpıda feda etmeye hazırdık.
Devrim gençlere göre bir oyun muydu?
Hiç de değildi. En radikal olanlar yaşlı fizikçilerdi! Kuantum mekaniğinin kurucuları - Werner Heisenberg, Paul Dirac, Niels Bohr - nükleer kuvveti açıklamak için fiziğin temellerinde başka bir devrim olması gerektiğine ikna olmuşlardı. Her türlü çılgın fikir vardı: Uzay nükleer ölçekte parçalanmalıydı; kuantum mekaniği gerçekten doğrusal değildi.
Dikkat çekici bir şekilde, parçacıkların ve kuvvetlerin nasıl etkileşime girdiğine dair teori olan Standart Model'in inşası muhafazakârların başarısıydı. Temel düzeyde hiçbir devrim gerektirmedi. Normal fizik, yani deneyden deneye devam eden fizik, Standart Modeli üretti.
Asimptotik serbestliğin varlığından sizi ne haberdar etti?
Çaresizlik. Kuantum alan teorisini çürütmek için yola çıkmıştım - ve tam tersi oldu! Şok olmuştum.
Hikaye şu ki, deneyciler geçici "kuarklara" dair doğrudan kanıt bulmayı umarak protonları çarpıştırıyorlardı. Protonlar kuark torbalarıdır, ancak tek bir kuark diye bir şey yoktur. Onları ancak dolaylı olarak, proton çarpışmalarından ortaya çıkan enerjileri ve momentumları ölçerek görebiliyoruz.
Kuantum alan teorisini kullanarak, meslektaşlarım ve ben proton çarpışma kalıntılarında belirli örüntülerin ortaya çıkacağını başarıyla tahmin ettik. Şaşırtıcı bir şekilde, hesaplamalar görünmez kuarkların tamamen matematiksel soyutlamalar olmadığını, birbirlerine yakın olduklarında protonun içinde serbestçe hareket edebilen nesneler, parçacıklar olduğunu gösterdi. Ve şaşırtıcı bir şekilde, kuarklar arasındaki mesafe arttıkça, onları birbirine bağlayan kuvvetin de arttığını öğrendik. Bir lastik bandı germek gibi.
Tahminleriniz bir belirsizlik aralığında mıydı?
Muazzam bir belirsizlik, ama yine de doğruydular. Ve o zamandan beri, deneylerle defalarca doğrulandılar. Yeni keşifler sezgisel olma eğilimindedir, sadece inanılırlığın sınırında. Daha sonra, açık hale gelirler.
Yeni teorinin kabul edilmesi ne kadar zaman aldı?
Bazı insanlar için, çabucak. Çünkü güçlü kuvvetin hesaplanabilen tek açıklaması buydu. Diğerleri ise bir teoriyi gerçekten görülemeyen nesnelere dayandırmayı felsefi açıdan sakıncalı buluyordu. İki grup vardı: Steve Weinberg ve Lenny Susskind gibi buna hemen inanan genç fizikçiler ve son derece teknik olan kuantum alan teorisini pek bilmeyen bir grup yaşlı bilim insanı. Dolaylı gözlemlere dayanan bir teoriyi tamamen kabul etmeleri biraz zaman aldı.
Devrimi mi bekliyorlardı?
Kuantum mekaniği en son devrimimiz olmaya devam ediyor. Bununla birlikte, bazı bilim insanları indirgenemez bir nihai teori bekliyorlar. İndirgemeciliğin olağanüstü başarılı bir araştırma yöntemi olduğu kanıtlanmıştır. Standart Model çok kesin, indirgemeci bir teoridir. Ama radikal değildi.
2011'de 25. Solvay Konferansı'na başkanlık ettiğinizde, açılış konuşmanızda "fiziğin sınırlarında kafa karışıklığı" olduğunu gözlemlediniz. Neden?
Bilimsel bir "sınır" kafa karışıklığı durumu olarak tanımlanır. Bununla birlikte, büyük bir sorunumuz var: Fizik etrafımızdaki dünyayı inanılmaz bir hassasiyet ve genişlikle açıklıyor. Ancak daha fazla açıklama, halihazırda bilinenlerle oldukça kısıtlanmaktadır. Örneğin kuantum yerçekimi teorileri, mevcut teorik çerçevemize karşı ciddi meydan okumaları temsil ediyor.
Sicim teorisi dört temel kuvveti birleştirmeye çalışır: elektromanyetizma, radyasyon (zayıf), nükleer kuvvet (güçlü) ve yerçekimi.
Her şeyden önce sicim teorisi bir teori değildir. Standart Model bir teoridir. Sicim teorisi bir modeldir, bir çerçevedir, kuantum alan teorisinin bir parçasıdır. Tutarlı kuantum durumları oluşturmak için bir dizi kural ve püf noktasıdır.
Solvay'de, sicim teorisinin gerçekliğin benzersiz bir dinamik tanımını üreteceği umudunun bir "serap" gibi göründüğünü söylediniz.
Sicim teorisi bir zamanlar umduğumuz kadar devrimci değildi. İlkeleri yeni değil: Kuantum mekaniğinin ilkeleri bunlar. Sicim teorisi kuantum alan teorisinin bir parçasıdır.
Modern fiziğin teorik yapısı düşündüğümüzden çok daha büyük ve zengindir, çünkü Standart Model'e henüz entegre edilmemiş bir kuvvet olan kütleçekimini de içermesi gereken dinamik bir uzay-zaman teorisidir.
Kuantum alan teorisinde çözüm bekleyen sinir bozucu teorik sorunlar var, ancak 10500 çözümden oluşan sicim teorisi " tablosu" bana mantıklı gelmiyor. Evrenimizin neden belirli fiziksel parametrelere sahip olduğunu açıklama iddiasında olan çoklu evren kavramı ya da antropik ilke de mantıklı gelmiyor. Bu modeller kavramsal olarak sıkışıp kaldığımızı varsayıyor.
Fizikte bir kriz mi var?
Mevcut durumu bir kriz olarak değil, keşiflerin eninde sonunda aşacağı kabul edilebilir bir bilimsel kafa karışıklığı olarak görüyorum.
Uzay-zamanın ortaya çıkan bir olgu olduğunu söylemek ne anlama geliyor?
[Bu çok sofistike bir kavramdır ve kavranması doğumdan iki yaşına kadar sürer. Uzay-zamanı gerçekten deneyimlemiyoruz; bu bir model. Şuradaki halının üzerinde duran yiyecek parçasını emekleyerek nasıl alacağımızı tarif eder.
Einstein tarafından değiştirilen uzay-zaman modelimiz son derece kullanışlıdır, ancak belki de temel değildir. Türetilmiş bir kavram olabilir. Sicim teorisi ve kuantum alan teorisi tarafından çizilen matematiksel resimleri besleyen daha temel bir fiziksel süreçten ortaya çıkıyor gibi görünüyor.
Sicim teorisini/kuantum alan teorisini yanlışlamak mümkün müdür? Yoksa bu tamamen felsefi bir soru mu?
Teorilerimizin doğru mu yanlış mı ya da yanlışlanabilir mi olduğuna nasıl karar verdiğimiz sorusunun felsefi bir yönü vardır. Ancak ampirik verilerin yokluğunda, bir teorinin geçerliliğini gerçekten yargılayabilir miyiz? Belki de. Felsefe tek başına böyle bir ontolojik ikilemi çözebilir mi? Bundan şüpheliyim. Fiziğin oluşumuna katkıda bulunan filozoflar, aslında fizikçilerdir!
Geçen yüzyılda Ernst Mach, Bohr ve Einstein gibi büyük fizikçiler aynı zamanda bilgi teorileri geliştirmekle ilgilenen filozoflardı. Einstein, Heisenberg'i, görülemeyen varlıklar için dolaylı kanıtlar varken, yalnızca gözlemlenebilir varlıklara odaklandığı için eleştirmesiyle ünlüdür. Sicim teorisi için de aynı şey geçerli olabilir.
Devrim kapıda mı?
Bu oyunda yer alan bizler, mevcut bir teorik çerçeve içinde mantıksal olarak tutarlı olmaya dikkat edildiği takdirde, oldukça ileri gitmenin mümkün olduğuna inanıyoruz. Bu yöntemin ne kadar başarılı olacağı ise yoruma açık bir soru.
Geniş halk kitleleri bilimde belirsizliğin rolünü anlıyor mu?
Kamuoyu genellikle belirsizliği çılgınca bir tahminle eş tutmaktadır. Oysa bir bilim insanı için Standart Model gibi bir teori inanılmaz derecede kesin ve olasılıkçıdır. Bilimde hiçbir zaman tamamen emin olmamak esastır. Ve bu ders her bilim insanına ve bilim tarihi okuyucusuna aşılanmıştır. Bilim insanları belirsizliği olasılık teorisi ve istatistik kullanarak ölçerler. Ve tahminlerde bulunurken konfor alanlarımız, hata paylarımız vardır. Belirsizlikle yaşamak bilimin önemli bir parçasıdır ve kolayca yanlış anlaşılabilir.
İnsan bilincinden bağımsız nesnel bir gerçeklik var mıdır?
Dışarıda gerçek bir dünya olduğuna ve bizim modellemelerimiz ve teorilerimiz ile onun gölgelerini gördüğümüze inanıyorum.
Matematiğin var olduğuna inanıyorum. Fiziksel anlamda tamamen gerçek olabilir; ideal olan "şeyler" de içerebilir. Ancak, açık olmak gerekirse, insan zihni fiziksel bir nesnedir. Gerçek moleküller ve kuarklar tarafından bir araya getirilmiştir.
Not: Peter Byrne tarafından gerçekleştirilen bu röportaj, https://www.quantamagazine.org// adlı siteden alınmış ve www.felsefearenasi.com.tr editörleri tarafından Türkçeye çevrilmiştir:
https://www.quantamagazine.org/david-j-gross-waiting-for-the-next-revolution-in-physics-20130524/
Comments