Evren bir hologram mı? Fizikçilerin en güçlü fikri genişleyen uzayda duvara çarpıyor

Yarım asırdır kuramsal fiziğin en verimli fikirlerinden biri, uzayın bir bölgesindeki bütün bilginin o bölgeyi saran yüzeye kodlanabileceğini söylüyor. Holografi ilkesi adı verilen bu düşünce, belirli bir kurgu evrende matematiksel olarak defalarca doğrulandı. Ancak Quanta Magazine'de konuşan fizikçilerin de kabul ettiği gibi, bizim genişleyen evrenimiz için işleyen bir holografik kuram henüz yok; fikrin gerçek dünyaya uygulanıp uygulanamayacağı açık bir soru olarak duruyor.

Her şey kara deliklerle başladı

1970'lerde Jacob Bekenstein ve Stephen Hawking kara deliklerin entropisini hesapladığında şaşırtıcı bir sonuca ulaştı. Entropi, kabaca bir sistemin dışarıdan aynı görünen kaç farklı iç düzenlemesi olabileceğinin ölçüsü; başka bir deyişle sistemin barındırabileceği bilgi miktarı. Sağduyu bu miktarın hacimle büyümesini bekler: kutu ne kadar büyükse içine o kadar çok şey sığar. Kara delikte ise entropi hacimle değil, olay ufkunun yüzey alanıyla orantılı çıktı.

Bu sonucun kara deliklerle sınırlı kalmamasının nedeni basit. Uzayın herhangi bir bölgesine yeterince kütle sıkıştırırsanız orası kara deliğe dönüşür. Dolayısıyla kara deliğin entropisi, o hacmin taşıyabileceği en yüksek bilgi miktarı demektir. Bundan çıkan genelleme şu: uzayın her parçasının bilgi kapasitesi, o parçayı çevreleyen yüzeyle sınırlıdır.

Gerard 't Hooft 1993'te bu düşünceyi kuantum kütleçekimde boyut indirgemesi olarak formüle etti. Leonard Susskind 1995'te yayımladığı "The World as a Hologram" başlıklı makaleyle fikri daha da ileri taşıdı ve "holografi" adını kalıcılaştırdı. Buradaki iddia "gerçeklik sahte" değil; üç boyutlu bir bölgedeki bütün fiziğin, bir boyut eksik bir yüzeydeki başka bir fizikle eksiksiz eşleştirilebileceği.

Bu tür bir eşleşmenin neden elektromanyetizma için değil de yerçekimi için akla yattığı sorusunun yanıtı kütlenin doğasında yatıyor. Elektrik yüklerinin artısı ve eksisi var; bir kutunun içindeki zıt yükler birbirini götürebilir ve dışarıdan hiçbir şey fark edilmez. Kütlenin eksisi yok. Bir bölgede ne kadar kütle varsa, çevresindeki uzay-zaman eğriliği bunu dışarıya yansıtır. Perimeter Enstitüsü'nden Laurent Freidel'e göre holografiyi sezgisel olarak akla yatkın kılan da bu.

1997: kar küresi evren

Fikri belirsiz bir sezgiden hesaplanabilir bir matematiğe dönüştüren, Juan Maldacena'nın 1997'de ortaya koyduğu ve AdS/CFT diye anılan eşleşme oldu. Kısaltmanın bir yarısı anti-de Sitter uzayını, yani içinde yerçekimi ve madde bulunan, kendi üzerine kıvrılmış bir uzayı anlatıyor; bu uzayda sonsuz genişlik sonlu bir kar küresinin içine sığar gibi davranıyor. Diğer yarısı, konform alan kuramı, o kürenin sınırında yaşayan, bir boyut eksik ve yerçekimi içermeyen bir kuantum kuramı. Maldacena'nın gösterdiği, iki tarifin aynı fiziği anlattığıydı.

Columbia Üniversitesi'nden Sebastian Mizera bu eşleşmenin tuhaflığını iki ayrı sporun aynı maçı anlatmasına benzetiyor. Brandeis Üniversitesi'nden Brian Swingle ise eşleşmenin yerçekimi ile kuantum mekaniği arasındaki gerilime getirdiği bakış açısını vurguluyor: iki kuram karşıt değil, biri diğerinden doğuyor olabilir. AdS/CFT, o tarihten bu yana fizik literatürünün en çok atıf alan konularından biri hâline geldi ve kara deliklerdeki bilgi kaybı paradoksu gibi sorunlarda önemli ilerlemelere zemin hazırladı.

Bizim evrenimizin camı yok

Sorun şu ki anti-de Sitter uzayı bizim evrenimiz değil. Gözlemler evrenin hızlanarak genişlediğini, geometrisinin de ters işaretli, yani de Sitter türünde olduğunu gösteriyor. Böyle bir evrende hologramın yansıyacağı bir sınır yüzeyi bulunmuyor; kar küresinin camı yok. Bu yüzden AdS/CFT'nin doğrudan gerçek dünyayı anlattığını varsaymak için güçlü bir neden yok.

Susskind ve başka gruplar, sınırı olmayan genişleyen bir evren için holografik modeller üzerinde çalışıyor. Bu yaklaşımlar AdS/CFT'den kökten farklı: bilgiyi bir yüzeye yaymak yerine tüm serbestlik derecelerini tek bir kuantum sistemine sığdırmayı deniyorlar. Ancak fizikçiler bu biçimde çalışan eksiksiz bir kuram kurmaya henüz yaklaşmış değil; evrenimizin böyle işlediğine dair gözlemsel bir kanıt ise hiç yok.

Daha sade bir okuma

Holografi yorumunu herkes zorunlu görmüyor. Edinburgh Üniversitesi'nden Latham Boyle, alanla büyüyen entropinin iki ayrı türün karışımından kaynaklanabileceğini öne sürüyor: parçacık entropisi hacimle, kuantum dolanıklık entropisi ise bölgenin sınırını kesen bağlar yüzünden alanla büyüyor. Boyle bu yorumu daha az gizemli buluyor, ama kara delik entropisinin neden tam olay ufkunun alanına denk geldiğini sıradan bir yolla açıklayamadığını da kabul ediyor.

Eşleşme sağlamsa geriye felsefi bir soru kalıyor: iki tariften hangisi gerçek? Pennsylvania Üniversitesi'nden Vijay Balasubramanian'ın sıraladığı seçeneklere göre ya yüzeydeki kuantum kuramı asıldır ve üç boyutlu dünya ondan türeyen bir görüntüdür, ya yerçekimli hacim asıldır ve holografi şaşırtıcı bir matematik eşleşmesidir, ya da ikisi de daha derin bir kuramın yaklaşık hâlleridir. Susskind'in kendisi bu soruyu yanıtlamaya çalışmadığını söylüyor.

Bugün holografi, fizikte ender görülen bir konumda: bir yandan hesaplanabilir ve sayısız kez sınanmış bir matematik yapı, öte yandan gerçek evrene dair doğrudan kanıtı olmayan bir fikir. Önümüzdeki soru "evren hologram mı" değil, daha dar ve yanıtlanabilir bir soru: genişleyen, sınırı olmayan bir evren için de böyle bir eşleşme yazılabilir mi?