Sicim teorisi

Sicim teorisinin çıkış fikri tek cümleyle söylenebilir: temel parçacıklar nokta değil, akıl almaz derecede küçük, titreşen tek boyutlu nesnelerdir. Bir sicim farklı kiplerde titreşir ve her titreşim kipi farklı bir parçacık olarak görünür. Kütle, yük ve spin, sicimin titreşim biçiminden çıkar.

Bu fikrin fizikteki ağırlığı estetik değil teknik bir sebepten geliyor. Nokta parçacıklar varsayıldığında kütleçekiminin kuantum kuramı sonsuzluklar üretir ve hesap yapılamaz hâle gelir. Sicimler "nokta" olmadığı için bu sonsuzluklar yumuşar. Dahası, kapalı sicimlerin titreşim tayfında kütlesiz, spini 2 olan bir parçacık kendiliğinden görünür — tam olarak gravitonun, yani kütleçekimi taşıyıcısının taşıması gereken özellikler.

Sicim teorisi bu yüzden kuantum kütleçekiminin en çok çalışılan adayıdır. Ama bu sayfanın bilimsel durumu "kuramsal" olarak işaretli: kuramın bugüne kadar sınanmış tek bir öngörüsü yok.

Tarihçe: güçlü kuvvetten kütleçekimine

Sicimler fizik sahnesine kütleçekimi için değil, güçlü nükleer kuvvet için girdi. 1960'ların sonunda hadronların davranışını açıklamak üzere geliştirilen "ikili rezonans modelleri", parçacıkları birbirine gerilmiş sicimler gibi ele alıyordu. Kuantum renk dinamiği 1973'te güçlü kuvveti çok daha iyi açıklayınca sicimler bu işten düştü.

Ama 1970'lerde iki şey oldu. Bozonik sicim kuramı geliştirildi; ardından süpersimetri eklenerek süpersicim kuramları kuruldu. Ve 1974'te Joël Scherk ile John Schwarz, kapalı sicimlerin tayfındaki kütlesiz spin-2 kipi tanımladı: bu bir graviton'du. Sicim teorisi, güçlü kuvvet kuramı olmaktan kütleçekimi kuramı olmaya geçti.

1984-1985'te "birinci süpersicim devrimi" yaşandı. Michael Green ve John Schwarz, kuramın matematiksel tutarlılığını bozan anomalilerin belirli durumlarda birbirini götürdüğünü gösterdi. Bu, alanın birden çok sayıda fizikçiyi çekmesine yol açtı. 1990'lara gelindiğinde beş tutarlı süpersicim kuramı bilinir hâle gelmişti: tip I, tip IIA, tip IIB ve iki heterotik kuram.

1994-1995'te "ikinci süpersicim devrimi" geldi. Önce dualite (ikilik) ilişkileri keşfedildi: S-dualite, T-dualite ve U-dualite, görünüşte farklı kuramların aslında aynı fiziği farklı dillerde anlattığını gösterdi. 1995'te Joseph Polchinski D-branları — açık sicimlerin uçlarının tutunduğu dinamik nesneleri — tanımladı. Aynı yıl Edward Witten, beş süpersicim kuramının tek bir on bir boyutlu kuramın farklı limitleri olduğunu öne sürdü: M-teorisi. Ayrıntısı M-teorisi ve ekstra boyutlar sayfasında.

Neden on boyut?

Sicim kuramlarının boyut sayısı keyfi bir seçim değil; matematiksel tutarlılığın gerektirdiği bir sonuç. Bozonik sicim kuramı 26 uzay-zaman boyutunda tutarlıdır; süpersimetri eklenmiş süpersicim kuramları 10 boyutta; M-teorisi 11 boyutta.

Gözlemle uzlaştırma yolu kompaktifikasyondur: fazladan altı boyutun, görülemeyecek kadar küçük ölçeklerde kendi üzerine kıvrıldığı varsayılır. Bu kıvrımlar genellikle altı boyutlu Calabi-Yau manifoldları olarak modellenir. Sicimlerin karakteristik boyutu Planck uzunluğu mertebesindedir — yaklaşık 10⁻³⁵ metre. Bu, LHC'nin eriştiği ölçeklerden on yedi mertebe küçüktür; sicimleri doğrudan görmenin neden gündemde olmadığının sebebi bu.

Kompaktifikasyonun fiziksel önemi büyük: kıvrılmış boyutların geometrisi, dört boyutlu dünyada hangi parçacıkların ve hangi kuvvetlerin görüneceğini belirler. Yani "neden bu parçacıklar?" sorusunun cevabı, kuramda geometriye devredilir. Sorun da burada başlar.

Başarıları: hesaplar nerede işe yaradı?

Sicim teorisi gözlemle sınanmadı, ama kuramsal fizikte somut sonuçlar üretti:

• Kara delik entropisi (1996). Andrew Strominger ve Cumrun Vafa, belirli türde aşırı yüklü kara delikler için Bekenstein-Hawking entropi formülünü sicim teorisinden türetti. Hawking'in yarı-klasik hesabının mikroskobik kökenini veren ilk ciddi hesap budur. Bu, kuramın kuantum kütleçekimi iddiasının en güçlü dayanağı.
• AdS/CFT karşılığı (1997). Juan Maldacena, belirli bir uzay-zamandaki kütleçekimli kuramın, o uzay-zamanın sınırındaki kütleçekimsiz bir alan kuramına tam olarak denk olduğunu öne sürdü. Bu fikir "holografik ilke"nin somut örneği oldu ve sicim teorisinin çok ötesine yayıldı: ağır iyon çarpışmalarındaki kuark-gluon plazmasından yoğun madde fiziğine kadar pek çok alanda hesap aracı olarak kullanılıyor. AdS/CFT bugün sicim teorisinin en çok atıf alan ürünü.
• Matematiksel verim. Ayna simetrisi, Calabi-Yau geometrisi ve düğüm kuramında sicim teorisinden çıkan sonuçlar matematikçiler tarafından bağımsız olarak kanıtlandı.

Verileri göster

1960'lar sonu	İkili rezonans modelleri
1974	Scherk-Schwarz: tayfta graviton
1984	Green-Schwarz: anomali iptali
1995	Witten: M-teorisi, 11 boyut
1995	Polchinski: D-branlar
1996	Strominger-Vafa: kara delik entropisi
1997	Maldacena: AdS/CFT
2003	KKLT ve sicim manzarası

Karşı görüşler ve açık sorunlar

Manzara problemi

Sicim teorisinin en ciddi sorunu, çok az değil çok fazla çözüm vermesi. Fazladan boyutların kıvrılma biçimleri sayılamayacak kadar çoktur ve her biri farklı bir alçak enerji fiziği üretir. Bu olası vakumlar kümesine sicim manzarası (string landscape) denir.

Sayı tahminleri bir dönem 10⁵⁰⁰ olarak dolaştı (Douglas, Ashok-Douglas, 2003); daha sonra 10²⁷²·⁰⁰⁰ gibi akıl almaz tahminler verildi ve gerçek sayının daha da büyük olabileceği kabul edildi. 2003'te Shamit Kachru, Renata Kallosh, Andrei Linde ve Sandip Trivedi'nin önerdiği KKLT mekanizması, akı kompaktifikasyonuyla vakumların nasıl kararlı kılınabileceğini gösterdi — ama bu, manzaranın büyüklüğünü daha da artırdı.

Eğer kuram neredeyse her şeye izin veriyorsa, hiçbir şeyi öngörmüyor demektir. Bazı fizikçiler bu noktada antropik akıl yürütmeye başvuruyor: Steven Weinberg'in 1987'de kozmolojik sabit için yaptığı gibi, gözlenen değerin "çok daha büyük olsaydı yaşam mümkün olmazdı" diye seçildiği savunuluyor. Karşı taraf bunu bilimsel bir açıklama saymıyor.

Sınanabilirlik eleştirisi

David Gross — kendisi sicim teorisi çevresinden bir Nobel ödüllü — manzara fikrinin "doğası gereği bilimsel olmayan, yanlışlanamaz ya da erken" olduğunu söyledi. Lee Smolin ile Leonard Susskind arasındaki tartışma bu ayrışmanın simgesi oldu. Eleştirilerin teknik çekirdeği şu: manzara üzerinde olasılık dağılımı tanımlamak gerekiyor ama "önsel olasılık fonksiyonları sicim teorisinde tamamen bilinmiyor"; basitleştirilmiş yaklaşımların "öngördüğü" değerler gözlenenden 10 ile 1000 mertebe arasında sapıyor.

Buna karşılık kuramın içinden bir disiplinleme programı da doğdu: bataklık (swampland) programı, görünüşte tutarlı ama aslında hiçbir sicim kuramından türetilemeyen alçak enerji kuramlarını ayıklamaya çalışıyor. Amaç, manzaranın sınırlarını çizerek sınanabilir sonuçlar üretmek.

Deneysel durum

Sicim teorisinin ayırt edici bir öngörüsü deneysel olarak sınanmadı. Süpersimetrinin LHC'de bulunması dolaylı bir destek sayılacaktı; bulunamadı. Ekstra boyutların büyük olduğu senaryolar kütleçekimi dalgası gözlemleriyle sıkıştırıldı. Kuramın karakteristik ölçeği olan Planck uzunluğu, öngörülebilir gelecekte hiçbir hızlandırıcının erişemeyeceği bir yerde.

Bugün nerede duruyor?

Sicim teorisi bugün iki ayrı şey olarak yaşıyor. Birincisi, "her şeyin kuramı" iddiası: bu cephede ilerleme yavaş ve eleştiri yoğun. İkincisi, kuramsal fizik için bir araç kutusu: AdS/CFT ve holografi, kuantum alan kuramından yoğun madde fiziğine kadar sicim teorisine inanmayan fizikçiler tarafından bile kullanılıyor.

Alanın kendi içindeki en dürüst özeti şu: kuram matematiksel olarak zengin ve iç tutarlılığı etkileyici, ama gözlenen evreni öngörmekten uzak. Döngü kuantum kütleçekimi gibi rakip programlar aynı sorunu — kuantum mekaniği ile kütleçekimini birleştirme sorununu — tamamen farklı bir yerden tutuyor; ikisi de deneysel desteksiz.

Kısaca

• Sicim teorisi, temel parçacıkları titreşen tek boyutlu sicimler olarak ele alır; titreşim kipi parçacığın özelliklerini verir.
• 1960'ların sonunda güçlü kuvvet için geliştirildi; 1974'te tayfta graviton bulununca kütleçekimi kuramına döndü.
• Matematiksel tutarlılık, süpersicimler için 10 uzay-zaman boyutu gerektirir; fazladan boyutlar Calabi-Yau manifoldlarında kıvrılmış varsayılır.
• Sicim ölçeği Planck uzunluğu mertebesinde (yaklaşık 10⁻³⁵ m) — doğrudan gözlem öngörülebilir gelecekte imkânsız.
• En güçlü kuramsal sonuçları: kara delik entropisinin türetilmesi (1996) ve AdS/CFT karşılığı (1997).
• En büyük sorunu "manzara": kuram, sayılamayacak kadar çok olası evren verince öngörü gücünü yitiriyor.
• Deneysel olarak sınanmış tek bir ayırt edici öngörüsü bulunmuyor; bu yüzden kuramsal statüde duruyor.