Egzotik madde

Egzotik madde, fizikte birkaç farklı anlamda kullanılan geniş bir terimdir. En dar ve en çok tartışılan anlamıyla, enerji yoğunluğu boşluğunkinden düşük, yani negatif olan ya da negatif kütle taşıyan varsayımsal maddeyi anlatır. Kütleçekim kuramlarında solucan delikleri ve ışıktan hızlı yolculuk fikirleri bu tür maddeye dayanır. Bugüne kadar böyle bir madde ne doğada bulundu ne de laboratuvarda üretildi; kavram tamamen kuramsaldır.

Nasıl işler?

Genel görelilik, madde ve enerjinin uzay-zamanı nasıl büktüğünü anlatır. Fizikçiler genellikle önce gerçekçi bir madde dağılımı seçer, sonra bunun yarattığı geometriyi hesaplar. Ama denklemler ters yönde de çalıştırılabilir: istenen geometri önce yazılır, sonra onu üretecek madde aranır. Bu yolla bulunan çözümlerin bir kısmı, "enerji koşulları" denen ve kabaca "bir bölgedeki enerji yoğunluğu negatif olamaz" diyen kuralları çiğneyen bir kaynak gerektirir. Egzotik madde tam olarak bu kaynaktır.

Negatif kütlenin davranışı sezgilere aykırıdır: böyle bir cisim itildiği yönün tersine hızlanırdı. Buna rağmen fikir matematiksel olarak tutarlıdır ve momentumun ya da enerjinin korunumunu bozmaz. Bilinen gerçek olaylar arasında buna en çok yaklaşan, kuantum alan kuramının öngördüğü ve ölçülmüş olan Casimir etkisidir; birbirine çok yakın iki metal levha arasında boşluğa göre negatif bir enerji yoğunluğu oluşur.

Örnekler

Kip Thorne ve öğrencisi Mike Morris 1988'de, boğazı küresel bir egzotik madde kabuğuyla açık tutulan geçilebilir bir solucan deliği modeli önerdi; bu nedenle bu türe Morris-Thorne solucan deliği denir. Miguel Alcubierre ise 1994'te geminin önündeki uzayı büzüp arkasındakini genişleten bir uzay-zaman "kabarcığı" tarif etti. Alcubierre sürücüsü de negatif enerji yoğunluğu ister. Alcubierre'nin ilk hesabına göre 200 metrelik bir gemiyi saracak kabarcık, gözlemlenebilir evrenin kütlesinden fazla egzotik madde gerektiriyordu. Sonraki çalışmalar bu miktarı büyük ölçüde düşürdü, ama gereken yoğunluklar hâlâ erişilemez görünüyor.

Bu düşüşün adımları dikkat çekicidir. Chris Van Den Broeck 1999'da kabarcığın geometrisini değiştirerek gereken toplam enerjiyi birkaç Güneş kütlesinin altına indirdi; Serguei Krasnikov 2003'te bu modeli biraz daha değiştirip gereken negatif kütleyi birkaç miligrama düşürdü. Harold White ve ekibi 2012'de, kabarcık duvarını kalınlaştırarak gereksinimin Jüpiter kütlesinden Voyager 1 aracının kütlesine (yaklaşık 700 kilogram) inebileceğini öne sürdü. Alcubierre ise bu tür deneylere kuşkuyla yaklaştı; ona göre bunu yapmanın yolu yok, olsa bile yüzyıllar alır. Ayrıca bu modellerde gereken madde, Planck uzunluğuna yakın, son derece ince bir kabuğa sıkıştırılmak zorundadır.

Terimin daha geniş kullanımında, varlığı bilinen ama alışılmadık durumlar da egzotik madde diye anılır: kuark-gluon plazması, Bose-Einstein yoğuşkanları ya da doğası henüz anlaşılmamış karanlık madde gibi. Işıktan hızlı gidecek "sanal kütleli" takiyonlar da bu sınıfta sayılır; onların da varlığı doğrulanmadı.

Neden önemli?

Egzotik madde, uzak yıldızlara pratik yolculuk ve zaman makinesi gibi fikirlerin fiziksel olarak mümkün olup olmadığını tartışmanın merkezindedir. Kuram onu kesin olarak yasaklamaz, ama kuantum alan kuramı negatif enerjinin hem miktarını hem süresini sıkı biçimde sınırlar. Roger Penrose gibi fizikçiler solucan deliklerini kurgudan öteye geçmeyen fikirler olarak görür. 2021'den beri yalnız pozitif enerjiyle çalışan warp geometrileri önerildi; bunlar da tartışmalıdır, çünkü eleştirmenlere göre tüm gözlemciler hesaba katıldığında enerji koşulları yine ihlal ediliyor.

İlgili terimler

• Negatif enerji
• Casimir etkisi
• Enerji koşulları
• Solucan deliği
• Takiyon
• Karanlık madde