Graviton gerçekten var mı?
17. yüzyılın sonlarında Newton, yerçekimini sonsuz genişleyen bir alan olarak tanımlayan ve dünya gibi büyük nesnelerin hareketini açıklayan evrensel yerçekimi önerdi. Newton'un teorisi çok etkilidir, ancak kütleçekim alanının doğasını açıklamadı.
Einstein, genel görelilik teorisini önerdiği 1915 yılına kadar değildi, bizim yerçekimi dediğimiz şeyin aslında uzay ve zamanın bozulması olduğuna inanıyordu. Dünya, eliptik bir yörüngede güneşin yörüngesinde dönüyor gibi görünmektedir, ancak aslında eğri uzay-zamanda düz bir çizgide hareket etmektedir.
Devasa nesneler zamanı ve mekanı büker. (Resim kaynağı: T.Pyle / Caltech / MIT / LIGO Lab)
Einstein'ın yerçekimi teorisi, büyük nesnelerin davranışını açıklamada çok başarılıdır. Ancak birkaç yıl sonra, fizikçiler garip yeni bir dünyanın kapılarını açtı: kuantum dünyası. Bu, bilim adamlarının, evreni yöneten diğer üç temel kuvvetin aslında kuvvet taşıyan bir parçacığın (bozon adı verilir) değiş tokuşu ile üretildiğini keşfetmelerine yol açtı: fotonlar elektromanyetik kuvvet taşır, güçlü nükleer kuvvet gluonlar ve zayıf çekirdekler tarafından iletilir. Kuvvet taşıyan parçacıklar W ve Z bozonlarıdır. Bunlar deneylerle titizlikle kanıtlanmıştır.
Öyleyse, fizikçiler doğal olarak sormak zorundadır, yerçekimi de bir tür parçacık değişimiyle mi üretilir? Yerçekimi ve kuantum teorisini birbirine bağlamak için, fizikçiler yeni bir tür hayali parçacık gravitonu önerdiler. Bir gravitonu hiç görmemiş olmamıza rağmen, onun gerçek olup olmadığını zaten yeterince biliyoruz.
Graviton var mı? (Resim kaynağı: Christoph Zurbuchen)
Öncelikle, yerçekimi aralığı sonsuz olduğundan ve yerçekimi ters kare yasası (yani F 1 / r²) ile azaldığından, graviton sıfır kütle olmalıdır. Fotonun kütlesi varsa, indeksteki "2" yi değiştireceğini ve "2" nin kesinlikle deneylerle doğrulandığını biliyoruz [Belge 1]. Tıpkı fotonlar gibi, gravitonlar da ışık hızında hareket ederler.
Yerçekiminin ters kare yasası. (Resim kaynağı: Hiperfizik)
Genel görelilik olarak, evrendeki kütle ve enerjinin dağılımı, matematikçilerin ikinci dereceden tensör dediği 4 × 4 matris ile tanımlanır. Bu önemlidir, çünkü eğer tensör yerçekiminin kaynağıysa, gravitonun kuantum dönüşü 2 olan bir parçacık olması gerektiğini bulacağız (Weinberg [Ref. 2] 'de kanıt sağlamıştır). Döndürme 2 ile kütlesiz bir parçacık gözlemlerseniz, gravitonu bulmuşsunuzdur.
Öyleyse neden henüz gravitonu kimse bulamadı? Temel sorun, yer çekiminin çok zayıf olmasıdır.
Örneğin, bir hidrojen atomunda, bir elektron ile bir proton arasındaki elektromanyetik kuvvet, aralarındaki yerçekimi kuvvetinden 10 ^ 39 kat daha güçlüdür (yukarıdaki denklemde olduğu gibi). Daha sezgisel bir örnek, mıknatısların ve ataçların davranışıdır: Bir mıknatıs, tüm dünyanın çekim kuvvetine direnebilir ve ataçları çekebilir. Düşünürseniz, bunun ne anlama geldiğini anlayacaksınız Elinizde kolayca tutabileceğiniz bir mıknatıs atacı yukarı doğru çeker ve tüm gezegenin yerçekimi onu aşağı doğru çeker ve mıknatıs yine de kazanır. Başka bir deyişle, tek bir graviton çok, çok zayıftır, bu da bazı bilim adamlarının böyle bir gravitonu doğrudan tespit etmenin neredeyse imkansız olduğunu düşünmesine neden olur [Referans 3].
Ama yerçekimi hakkında bazı yeni fikirlerimiz var. Graviton tespit edilebilir olabilir, bu da evreni anlamak için yeni bir yola sahip olmamızı gerektirir.
Bazı bilim adamları, yerçekiminin yalnızca yaşadığımız üç boyutlu dünyada zayıf göründüğüne inanıyor. Diğer temel kuvvetlerin aksine, yerçekimi aslında ek boyutlara yayılabilir. Ancak bu ekstra boyutlar o kadar küçük kıvrılmış ki onları tespit edemiyoruz. Şimdi sıkı bir ip hayal edelim Bir ip cambazı için ip boyunca sadece ileri ya da geri yürüyebilir İp tek boyutludur. Ancak karıncalar için, iki boyutlu görünen ipin çevresi boyunca sürünebilirler. İnsanlar için tek boyutlu bir iptir, ancak küçük yaratıklar için iki boyutludur.
Zaman ve uzaydaki her noktanın ek bir kıvrımlı boyutu vardır. (Resim kaynağı: Literatür 3)
Kuantum mekaniği bize tüm parçacıkların aynı zamanda titreşim dalgaları olduğunu söyler Fizikçiler, gravitonların bu ek boyutlarda titreşebileceğine inanırlar.Bu boyutların bükülmesi, ince bir bilek etrafındaki bileklik gibidir. Bununla birlikte, ekstra boyutların döngüsel doğası, gravitonun nasıl titreştiğine dair kısıtlamalar da getirir. Ekstra boyutta yalnızca tamsayı dalga boyları eşit olarak yayılabilir.
Theodor Kaluza (solda) ve Oskar Klein (sağda). (Resim kaynağı: Literatür 3)
Bu aynı zamanda bazı ilginç sonuçlar da getirdi. Teorik olarak, ekstra boyutta birden fazla graviton türü vardır ve farklı tam sayı dalga boyları farklı bir gravitondur. Ne kadar titreşimli gravitonun kütlesi olabilirse, bu tür parçacıklara Kaluza-Klein gravitonları denir. Theodor Kaluz ve Oskar Klein, ek uzamsal boyutlar öneren ilk bilim adamlarıydı (ayrıntılar için bakınız KK teorisi, literatür [4]). Çok küçük bir ölçekte Kaluza-Klein gravitonları kütleye sahip olabilir; ancak büyük ölçekte, klasik teoriye göre sıfır kütle haline gelecektir.
Aslında, sicim teorisinin ortaya çıkmasına kadar KK teorisindeki ekstra boyut fikri göz ardı edildi. Sicim teorisi şu anda en umut verici kuantum yerçekimi teorisidir ve en çok kuantum teorisi ile genel göreliliği birleştirmek için umut vericidir. Sicim teorisinde, evren 10 uzamsal boyuta ve 1 zaman boyutuna sahiptir. Günümüzde pek çok fizikçi graviton arıyor.Örneğin, Büyük Hadron Çarpışmasının (LHC) amaçlarından biri, ek sarmal boyutlar bulmaktır. Ancak şimdiye kadar hiçbir şey bulamadılar.
Dolayısıyla, birinin "gravitonlar yerçekimi üreten parçacıklardır" dediğini duyarsanız, bunun makul bir ifade olduğunu, ancak geniş çapta kabul gören bir fikir olmadığını unutmayın. Bilim adamlarının nihai amacı, kuantum mekaniğini ve genel göreliliği birleştirebilmektir, bu nedenle gravitonların varlığını kesin olarak kanıtlamak uzun zaman alacak gibi görünse de, gravitonların hayati rolünü aramaya devam ederler.
Referanslar
[1]
2 Phys. Rev. 138 (1965), B988-B1002
[3] https://arxiv.org/pdf/gr-qc/0601043v3.pdf
[4]
