Sicim kuramının tarihi

Sicim kuramı, diğer fiziksel bilimlerin tarihinin aksine çekirdek bilimi ile daha alakalı bir tarihe sahiptir. Sicim kuramı, aslında fiziksel olarak test edilemeyen bir bilim olduğundan, fizik olup olmadığı tartışmaya açıktır, ancak kuramın türev paralelleri test edilebilir fiziktir. Dolayısıyla, kuramın gelişimini anlamak için kendi içindeki disiplinini anlamak oldukça işe yarayacaktır. Sicim kuramı, parçacık fiziğindeki noktasal parçacıkların yerini tek boyutlu sicim adında nesnelerin aldığını iddia eder kuramsal bir sistemdir. Birbirini izleyen girişimler bu kuramın özlü tarihi olmaktadır.

Sicim kuramı, Werner Heisenberg tarafından 1943 yılında başlatılmış bir araştırma programının doğal bir sonucu olarak ortaya çıkmış, ve birçok öncü kuramcı tarafından 1950’lerin sonunda ve 1960’ların başında sahip çıkılıp, araştırılmaya başlanmış, 1970’lerde önemsizleşip, 1980’lerde ortadan kaybolmuş bir kuramdır. Unutulmasının nedeni ise kuramdaki bazı fikirlerin yanlış olması, bazı matematiksel yöntemlerinin aşırı farklı olması ve kuantum kromodinamiğinin güçlü yaklaşımlarla kuramı yerinden etmesidir.

Bu programa S-Matris kuramı denmiştir, ve S-Matris kuramı, fiziksel bir kanun buluşunun köklü bir biçimde yeniden düşünülmesidir. 1940'lı yıllarda, proton ve nötronun, elektron gibi noktasal parçacıklar olmadığı oldukça belirginleşmiştir. Proton ve nötronun manyetik momentumları -1/2 dönüşe sahip noktasal ve yüklü parçacıklardan oldukça farklıdır. Etkileşimleri, noktadan ziyade küre şeklinde dağılmalarına neden olacak kadar büyüktür.

Heisenberg, güçlü bir etkileşim içinde olan nesnelerin geniş çağlı olduğunu söylemiş ve bu yüzden göreceli olarak genişleyen parçacık prensibinde bazı zorluklar ortaya çıkmış, bu konuda da Heisenberg uzay-zaman noktaları kavramını ve bu kavramın çekirdeksel ölçümlerde bozulduğunu söylemiştir.

Uzay ve zaman olmadan fiziksel bir kuramı formülleştirmek oldukça zordur. Heisenberg, bu problemin çözümünün ise gözlemlenebilir, deneysel olarak ölçülebilir, niceliklere odaklanmakla çözülebileceğine inanmıştır. Eğer bir deney, deneysel alanı saran klasik aletlerle bir olaylar dizisinin içinden mikroskobik niceliklere aktarılırsa sonuç verebilir. Bu nesnelerden sonsuza gidenler farklı momentum durumlarının süperpozisyon kuantumundaki durağan parçacıklarıdır.

Heisenberg, deneysel hazneden uzak tanımlanan momentum durumu kavramının, uzay ve zaman güvenilmez olduğu durumlarda bile işe yaradığını söylemiştir. Heisenberg’in önemli olduğunu düşündüğü bu fiziksel niceliğin, gelen parçacık gruplarının ürün parçacık gruplarına dönüşmesinin kuantum mekaniksel genliği olduğunu söylemiş ve arada başka bir adım olabileceğini kabul etmemiştir.

S-Matris ise gelen parçacıkların süper pozisyonlarının, ürün parçacıklarınınkine nasıl dönüştüğünü açıklayan bir niceliktir. Heisenberg, S-matris niceliğini uzay-zaman yapısı üzerinde herhangi bir varsayımda bulunmadan doğrudan çalışmayı önermiştir. Ancak, ara adımlar olmadan, başlangıçtan bir sona geçiş yaparak hesaplama yapmaya çalışmak oldukça zor olmuştur. Kuantum alan kuramında, ara adımlar alanların dalgalanması ya da sanal parçacıkların eşit olarak dalgalanmasıdır.

Önerilmiş olan S-matris kuramında ise yerel hiçbir nicelik yoktur. Heisenberg, S-matrisini kararlaştırmak için birleştirme kullanımı önerisinde bulunmuştur. Hayal edilebilecek tüm durumlar içinde, genliklerinin karesinin toplamı 1’e eşit olmalıdır. Bu özellik, kuantum alan kuramına göre yörünge serilerini sıralamıştır; etkileşimler bir kere belirlendiğinde ve birçok kuantum alan kuramı genliği çok hızlı bir şekilde büyüdüğünde enerjileri S-matrisinde birleşme ortaya çıkarır. Ancak, yüksek enerji birleşimdeki fazladan tahminler olmadan saçılımı belirlemek yeterli değildir ve bu yüzden Heisenberg’in bu önerisi yıllarca dikkate alınmamıştır.

1950’li yılların sonunda, birkaç kuramcı Hendrik Kramers ve Ralph Kronig’in kavram nedensellik ilkesinin formülleştirilebileceğini, ve geçmiş ve geleceğin mikroskobik kavramlarının tam olarak tanımlanamasalar da gelecekteki olayların geçmişi etkileyemeyeceğini keşfetmesi gibi saçılım ilişkilerini fark ettiğinde Heisenberg’in önerisi tekrar göz önüne alınmıştır. Bu dağılım ilişkileri, S-matrisinin çözümsel özellikleri olmakla birlikte, birleşmeyi takip eden diğer düşüncelerden daha katı durumları olan kavramlardır. Bu yaklaşımın öne çıkan savunucuları ise Stanley Mandelstam ve Geoffrey Chew. 1958 yılında, Mandelstam çift dağılım ilişkilerini ve güçlü bir çözümleme türü keşfetmiş ve bunların kolay kontrol edilemeyen güçlü etkilişimlerin gelişiminde önemli bir anahtar olduğunu düşünmüştür.

Bu arada, daha yüksek dönüşlü birbiriyle etkileşen birçok parçacık da keşfedilmiş ancak daha sonra esas parçacıklar olmadıkları anlaşılmıştır. Japon fizikçi Shoichi Sakata bu parçacıkların, üç parçacığın –proton, nötron ve lambda bağ hali olduklarını söylemiştir ancak, Geoffrey Chew bu parçacıkların esas parçacıklar olmadığına inanmıştır. 1960’lı yıllarda, Sakata’nın yaklaşımı tekrar ele alınmış ve bunların gözlemlenebilen parçacıkları olduğu görüşü reddedilerek, varsayımsal kesirli bileşenlerinin yük meydana getirdiği düşünülmüş ve Murray Gell- Mann ve George Zweig kuark modeline dönüştürülmüştür. Chew’in yaklaşımı herhangi bir kesirli yük içermediğinden daha çok yaygınlaşmış ve sadece S-matris elementlerinin deneysel ölçülebilecek taraflarına odaklanılmış ve varsayımsal noktasal bileşenlere odaklanılmamıştır.

1958 yılında, genç İtalyan kuramsal fizikçi Tullio Regge, kuantum mekaniğindeki bağ hallerinin Regge yörüngeleri denen farklı açısal momentuma sahip gruplara ayrılarak düzenlenebileceğini keşfetmiştir. Bu düşünce, göreceli kuantum mekaniğine, yıllar önce Arnold Sommerfel ve Kenneth Marshall Watson tarafından keşfedilmiş matematiksel yöntemler kulanılarak, Mandelstam, Vladimir Gribov ve Marcel Froissart tarafından genellenmiştir.

Geofreyy Chew ve Steven Frautschi mezonların doğrusal çizgilerde Regge yörüngeleri çizerek hareket ettiğini yani bu parçacıklarının dağılımının oldukça farklı bir davranış biçimi izleyeceğini; yüksek açılarla hızlı bir şekilde üssel olarak düşeceklerini fark etmişlerdir. Bu kavrayış ile, kuramcılar, Regge yörüngelerindeki, Regge kuramının gerektirdiği asimtotsal türlerin birleşmiş parçacıkların kuramının olaşabileceğini ummuşlardır. Etkileşimler büyük açılarla hızlıca düştüğünden, dağılım kuramı oldukça bütünsel olacaktır: Noktasal bileşenleri dağılımı, yüksek enerjilerde büyük açısal sapmalara neden olur.

Bu türdeki ilk kuram, ikili salınım modeli, 1968 yılında, Eular Beta fonksiyonunun 4-parçalı saçılım genlik bilgisinin Regge yörüngesinde kullanılabileceği düşüncesiyle Gabriele Veneziano tarafından düzenlenmiştir. Veneziano saçılım genliği, N-parçacık genliğine, Ziro Koba ve Holger Bech Nielsen tarafından çabukça genellenmiştir, ve Miguel Virasoro ve Joel A. Shapiro tarafından kapalı sicimler olarak yaygınlaşmıştır. Güçlü etkileşimler için ikili salınım modelleri 1968-1974 yılları arasında oldukça ünlü olan konular olmuştur.

1970 yılında, Yoichiro Nambu, Bech Nielsen ve Leonard Susskind, Euler’in formlüne tek boyutlu sicimler, titreşimler gibi nükleer kuvvetleri temsil etmesi açısından fiziksel yorumlamalarda bulunmuşlardır. Ancak, sicim esaslı güçlü kuvvetin tanımı deneysel bulgulara ters düşen çok fazla öngörüde bulunmuştur. Bu yüzden, 1974 yılında kuantum kromodinamiği kuramsal araştırmaların öncelikli odak noktası olurken, güçlü etkileşimlerin kuramı olan sicim kuramına olan ilgi ise kaybedilmiştir.

1974 yılında, John H. Schwarz ve Joel Scherk, ve bu iki isimden bağımsız olarak Tamiaki Yoneya, sicim titreşimlerinin bozonsal kalıbı üzerine çalışmalarda bulunmuş ve kütleçekimsel kuvvetin varsayımsal kurye parçacığı olarak düşünülen graviton ile aynı özelliklere sahip olduklarını fark etmişlerdir. Schwarz ve Scherk sicim kuramının ünlü olmamasının sebebinin fizikçilerin kuramın kapsamını küçümsemelerinden kaynaklandığını savunmuştur. Bu şu an birçok öğrenciye öğretilmekte olan bozonik sicim kuramının gelişmesini sağlamıştır.

Sicim kuramı, uzay-zamanda sicimlerin hareketini tanımlayan Polyakov eylemine göre formülleştirilmiştir. Teller gibi, sicimler de potansiyel enerjilerini en düşük seviyeye çekmeye çalışırlar, ancak enerjinin korunumu sicimleri yok olmaktan korur, ve bunun yerine sallanma hareketi yaparlar. Sicimlere kuantum mekaniğindeki düşünceleri uygulayarak, sicimlerin farklı şekillerde titreşim hareketlerini ortaya çıkarmak mümkündür, ayrıca her titreşim hali farklı bir parçacık olarak görünür. Her bir parçacığın kütlesi, ve parçacığın etkileşebileceği biçim sicimlerin titreşim hareketlerine –özünde, sicimlerinin sesinin notası- göre belirlenir. Notaların her bir çizelgesi, farklı çeşit bir parçacığa karşılık gelir ve bu kuramdaki tayf olarak belirlenmiştir.

İlk modeller çok farklı ve tam bir döngü sağlamaya çalışan birbirine yakın uç noktaları olan iki açık sicimi de kapsar. Sicimlerin farklı tayflar üreten iki çeşidi belli belirsiz farklı davranabilirler. Tüm modern sicim kuramları bu iki tipi kullanmazlar; bazıları kapalı bir çeşitliliği kapsarlar.

İlk bulunan ve sadece bozonları kapsayan sicim modeli bazı sorunlara sahiptir. En önemli sorun, kuramın uzay-zaman bozulmasının sonucu olarak çok büyük bir düzensizliğe sahip olmasıdır. Ek olarak, isminden de anlaşılabileceği gibi, parçacıkların tayfları foton gibi parçacıkların hallerine benzer davranışlar gösteren, bozonları içerirler. Bozonlar Evren’in önemli unsurlarına olmasına rağmen, Evren’in tek bileşenleri değillerdir.Sicim kuramının fermiyon tayflarını nasıl içerdiğini araştırmak, bozonlar ve fermiyonlar arasındaki matematiksel ilişkiyi izleyen süpersicim kuramının bulunmasına vesile olmuştur. Fermiyonik titreşimleri içeren sicim kuramları, birçok çeşidi keşfedilmiş olan süpersicim kuramları olarak bilinirler.

İlk süpersicim devrimi, 1984-1986 yılları arasındaki keşiflerden oluşan bir zaman çizelgesidir. Bu devrimle birlikte sicim kuramının tüm temel parçacıkları ve bu parçacıklar arasındaki etkileşimleri açıklayabilecek kadar kapsamlı bir kuram olduğu keşfedilmiştir.

Yüzlerce fizikçi, fiziksel kuramların birleşimi olarak düşünülmeye başlanan sicim kuramı üzerinde çalışmaya başlamıştır. Bu yenilikler, 1984 yılında, Green-Schwarz mekanizması aracılığıyla tip I sicim kuramındaki bir anormallik iptalinin keşfi ile başlamıştır. 1985 yılında bulunan heterotik sicimlerde bazı çığır açan keşiflerden biridir. Ayrıca, 1985 yılında, Calabi-Yau dağıtıcısına N=1 süpersimetrisi uygulandığında altı fazladan boyutun da sıkıştırılması gerektiği fark edilmiştir. "Discover" Dergisi’nin 1986’daki Kasım sayısında ise, Gary Taubes sicim kuramını "Artık Her Şey Sicimlere Bağlı" adlı kapak konusu hikâyesi ile halka açıklamaya çalışmıştır.

1990’lı yılların başında, Edward Witten ve diğer bilim adamları 11-boyutun farklı sınırları olan M-kuramı adındaki farklı süpersicim kuramlarını keşfettiler. Bu keşifler 1994 ve 1997 yılları arasında gerçekleşen ikinci bir süpersicim devrimini tetikledi. Süpersicim kuramlarının yeni versiyonları umulduğu gibi yeni eşitliklerle birleştirildiler. Bunlar S-ikililiği, T-ikililiği, U-ikililiği, ayna simetrisi ve genel manifold geçişleridir. Aynı zamanda 11-boyutlu M-kuramına sicimlerin farklı kuramları da eklendi. 1990’lı yılların ortalarında, Joseph Polchinski daha fazla boyuta ihtiyaç duyan D-membranı adında bir kuram keşfetti. Bu gelişmeler süpersicim kuramına çok fazla matematiksel yapı eklemiş, aynı zamanda kurama gerçekçi kozmolojik model eklenmesi ihtimalini de arttırmıştır.

Bu çözümlemeler- özellikle özel membranlar olan D-membranlarının çözümlemeleri- AdS/CFT benzerliğinin yolunu açmış, kara deliklerin termodinamik ölçülerini mikroskobik anlama da yardımcı olmuş ve birçok farklı gelişme konusunda katkı sağlamıştır. 1997 yılında, Juan Maldacena sicim kuramı ve N=4 süpersimetrik Yang-Mills kuramı da denilen ölçüm kuramı arasında bir ilişki tahmin etmiştir. Bu tahmin, AdS/CFT uyumu olarak adlandırılmış ve kuramın alanında çok fazla ilgi uyandırmış ve kabul edilmiştir. Bu holografik prensip kara delikler hakkında oldukça fazla çıkarımlarda bulunabilmeyi sağlayan, kütleçekimsel etkileşimin doğası için ve fizikteki yerelsellik ve bilgi için oldukça önemli ve somut bir kavrayışıdır.

2000'li yıllarda sicim kuramının doğasının keşfiyle, sicim kuramında birçok sayıda eşitsiz vaka bulunduğu ve bu durumun sicim kuramının, sonunda evrenbilimini kapsayabileceği anlamına geldiği düşünülmüştür.