Kuantum Fiziği dahilinde Kuantum Dalgalanma (veya Kuantum Çalkalanma, Quantum Fluctuation), uzayın belli bir noktasında, Werner Heisenberg'ün tanımladığı Belirsizlik İlkesi dahilinde, enerji miktarındaki geçici değişmedir. Bu olay, enerji korunumu ilkesinin ihlal edilebileceğini göstermektedir. Ancak bu ihlal; sadece çok küçük zaman aralıklarında olabilmektedir. Buna rağmen fizikçiler, bu ihlalin yapıldığı anda var olan koşullara bağlı olarak sürenin uzatılabileceğini ve hatta, Evren'i yaratabilecek bir baloncuğun yoktan oluşup genişleyebileceğini ileri sürmektedir. Buradaki yazımızda, bunun her türlü evren modeli için mümkün olduğunun matematiksel kanıtının yapılıp Science dergisinde yayınlandığına dair bir haber çevirisi paylaşmıştık. Peki ama kuantum dalgalanma nasıl hiçlikten enerji, dolayısıyla madde oluşumuna neden olabilir? Bunun evren algımız açısından değeri ve önemi nedir?

Kuantum Dalgalanma sonucunda sanal parçacıkların madde-antimadde çiftleri hiç yoktan var olabilmektedir. Sanal parçacıklar, Kuantum Alan Teorisi dahilindeki matematiğin bir sonucu olarak ortaya çıkan, henüz tam olarak anlaşılamamış bir konsepttir. Bu parçacıklar, doğrudan yapılan gözlemlerle tespit edilememektedirler. Matematiksel hesapların gözlenebilir ve tespit edilebilir kısımları üzerinde etkileri olmadığı için, bunlara "sanal" parçacık denmiştir. Ancak bu yapıların çok ilginç özellikleri vardır: İlk olarak, fiziğin temel ilkelerini ihlal edebilmektedirler. Örneğin zamanda geriye hareket edebilmektedirler, enerji korunumuna tabi değilmiş gibi davranmaktadırlar ve hatta ışıktan hızlı hareket edebilmektedirler. Bunların hiçbiri, gerçek parçacıklar tarafından yapılamaz. Sanal parçacıkların bunu yapabilmesinin nedeni, varlıklarının madde ve enerji üzerindeki toplam etkisinin her zaman sıfır olmasındandır. Gerçek bir madde, asla bu kuralları ihlal edemez, çünkü kendisinin sebep olduğu her şey, "bilgi değeri" taşır ve etrafındaki sistemi toplamda sıfır olmayacak şekilde etkiler. Sanal parçacıklar ise, her zaman kendilerini iptal eden karşıt sanal parçacıklarla bir arada oluştukları için, fiziğin tüm temel ilkelerini ihlal edebilirler. Burada uyaralım: Sanal parçacıklar, anti parçacıklar ile karıştırılmamalıdır; ayrı konulardır. Sanal parçacıklar olduğu gibi, sanal anti parçacıklar da bulunmaktadır. Bunların etkileri, maddenin karşıtı olan antimaddeden farklıdır.

Bu kulağa fantastik geliyor olabilir; ancak kuantum mekaniğinin en temel bulguları arasında yer almaktadır. Üstelik, gerçek madde ve enerji üzerinde tekil etkileri de tespit edilmiştir. Az önce, maddeye ve enerjiye etki edemeyeceklerini söylemiştik. Ancak bu, sanal parçacıkların toplam etkisidir. Sanal parçacık çiftlerinin tekil halleri, madde ve enerjiyle etkileşebilir. Ancak sanal parçacıkların sistemin toplamına etkisi sıfırdır. Sanal parçacıkların etkileri, sayısız defalar, çok çeşitli fiziksel araştırmalarda tespit edilmiştir. Coulomb kuvveti, dipoller arası manyetik kuvvet, elektromanyetik indüksiyon, zayıf çekirdek kuvveti, kuarklar arası güçlü çekirdek kuvveti, fotonların spontane saçılımı, vakum polarizasyonu, Casimir etkisi, atomik düzeydeki Lamb kayması, Hawking radyasyonu gibi sayısız olguda, sanal parçacıkların etkisi tespit edilebilmiştir. Kendileri doğrudan gözlenip tespit edilememektedirler; ancak doğru yere bakmayı bilirseniz, etkileri ayırt edilebilmektedir. Hatta günümüzde yapılan araştırmalar, bu sanal parçacıkların muhtemelen Evren'in her noktasında her an oluştuğunu ve sonrasında hemen yok olduklarını doğrulamaktadır.

Peki bunun evrenin var oluşuyla ilgisi nedir? Bu çok kapsamlı bir konu ve üzerine cilt cilt kitaplar yazıldı, yazılıyor ve yazılacak. Ancak çok kısa bir düşünce zinciri, bizi şu noktaya getirmektedir: Evrendeki bütün maddenin ve enerjinin toplam enerjisi sıfırdır. En azından birçok ayrı bilim insanının (Stephen Hawking ve Michio Kaku gibi) analizleri bunu göstermektedir. Eğer ki toplam enerji sıfırsa evren, hiçlikten var olabilen kuantum dalgalanmanın bir ürünü olabilir! Yani kocaman bir sanal parçacık içerisinde yaşıyor olabilir miyiz? Ancak sanal parçacık çiftlerinin çok kısa bir süre için var olabildiğini, sonrasındaysa yok olmak zorunda olduğunu söylemiştik. Bu ne olacak?

Sorunun cevabı, Büyük Patlama Teorisi ve alt başlıklarında gizli. Modern fiziğin anlaşmaya vardığı en temel noktalardan birisi, Büyük Patlama'nın bir noktada, müthiş küçük bir hacimde ve bir anda gerçekleştiği ve sonrasında müthiş hızlı bir genişleme (enflasyon) dönemine girildiğidir. Bugün, Mikrodalga Artalan Işıması ve kütleçekim dalgaları gibi bulgular, bu görüşleri doğrulamaktadır. Bir diğer önemli nokta da, bu genişlemenin başlaması için çok çok çok küçük bir miktar enerjinin yeterli olduğudur. Tıpkı bir orman yangını gibi, ufacık bir "enerji", her şeyi başlatabilir. Çünkü başlangıç çok küçüktür ve sonrasında var olan her şeyin toplam enerjisi sıfırdır. Kuantum dalgalanma olayı Evren içinde de, muhtemelen Evren'in oluşmasından önce de, sürekli gerçekleşen bir olay olabilir. Bir diğer deyişle, tıpkı Evren'imiz içerisinde var olduğu gibi, hiçlik içerisinde de kuantum dalgalanma durmadan süregeliyor olabilir. Bunların enerji dengesi ve özellikleri her seferinde birbirinden farklıdır ve o kadar çok sayıda meydana gelir ki, içlerinden biri, doğru şartlarda meydana gelirse, Evren'in başlangıcını tetikleyecek genişlemeyi yaratabilir!

Bunun mümkün olabileceğini de, yukarıda verdiğimiz haberdeki araştırmacılar matematiksel olarak göstermiş oldular: Wheeler-DeWitt Denklemlerinin özel bir alt küme çözümü... Bu denklem, modern fiziğin iki mihenk taşı olan Kuantum Mekaniği ile Genel Görelilik Teorisi'ni birbirine bağlamaya çalışan bir denklemdir. Eğer bu başarılabilirse, Kuantum Kütleçekim Teorisi inşa edilebilecektir. Denklemin kendince sorunları vardır (zaman problemi gibi), ancak yine de önemli bir matematiksel ifade olarak görülmekte ve yaygın olarak kullanılmaktadır. Çünkü, işe yaramaktadır!

Kuantum dalgalanma sonucu hiçlikten oluşan varlık, Science dergisinde yayımlanan makaleye göre, evrenin herhangi bir şekil modelinde oluşabilmektedir. Matematiksel olarak yapılan bu ispattan önce, evrenin sadece dümdüz olması halinde kuantum dalgalanmanın hiçlikten bir evren yaratabileceği, çünkü ancak o zaman sanal parçacıkların toplam etkisinin sıfır olabileceği düşünülüyordu. Ancak yapılan araştırma, evrenin şekli ne olursa olsun (açık, kapalı veya düz), kuantum dalgalanmanın hiçlik içerisinden toplam enerjisi sıfır olan bir varlığı, kendiliğinden ve durup dururken yaratabileceğini doğrulamış oluyor.

Buna kesin gözüyle bakmak çok doğru olmaz; halen doğrulanması, tekrarlanması ve gözlenebilir kanıtlarla desteklenmesi gerekiyor. Bunları elde etmek için epey bir beklememiz gerekebilir. Fakat ola ki bu hesap doğruysa ve deneysel olarak gösterilirse, evrenin nasıl var olduğunun sorusu nihai olarak çözülmüş olabilir. En azından o yöne doğru büyük bir adım atmış olabiliriz. Hatta bu keşfin, "Evren'in dışında ne var?" sorusuna da cevap veriyor olması muhtemel: kuantum dalgalanmalar ile örülü devasa bir hiçlik. Bunun içerisinde, çok sayıda var olmuş ve var olan evren... Bizim evrenimiz, hiçlik içerisinde sürekli yanıp sönen noktacıklar gibi olan kuantum dalgalanmalarının içinde var olabilmiş, sıradan bir genişleme olabilir. Ancak o zaman neden bu kadar karmaşık ve girift bir içeriğe sahip? Madde ile antimadde birbirinden nasıl ayrıldı? Toplam enerji sıfırsa, belli lokalitelerde bu enerji nasıl öbeklendi? Bu ve bunun gibi sorularla bu sahadaki bulgular bilim camiası tarafından heyecanla, merakla ve eşit derecede şüpheyle karşılanıyor.

Son olarak... Bu bulgu ve evrenin olası bu modeli, aslında bizim "yok olduğumuz" anlamına mı geliyor? Hayır, bu hatalı bir yorum olurdu. Çünkü biz, maddden oluşan varlıklar olarak, neysek oyuz. Yani evrenin toplam enerjisinin sıfır olması veya hiçlikten var olduğumuz gerçeği, bizim "hiç" olduğumuz anlamına gelmiyor. Çünkü nasıl var olduğumuzu keşfetmemiz, var olduğumuz gerçeğini değiştirebilen bir keşif değil. Biz, evrenin pozitif madde-enerji tarafında bulunan yapılarız. Bunu hiçbir bulgu değiştirmeyecek. Ancak bu keşif, bizim varlığımızın "devasa" bir hiçlik içerisinde olduğunu doğrulayabilir. Bunun sonucunda, hiçlik içerisinde sonsuz sayıda evrenler oluşabileceği fikrine de kapı aralanmış olur. Zaten çoklu evrenlere yönelik bulguların ve bilgilerimizin giderek arttığı günümüzde (buradan ve buradan bakabilirsiniz), bunu keşfetmek de büyük bir atılım olurdu.

Henüz bir yargıya varmak ve kesin gözüyle bakmak için çok ama çok erken. Bu yaklaşımla ilgili olası sorunlar da (Doğallık Sorunu, Hiyerarşi Sorunu, vb.) ileri sürülüyor (bir örnek buradan okunabilir). İleri sürülen bu sorunların hiçbiri, modeli yanlışlamıyor, sadece kapsamını daraltma potansiyeline sahip soru işaretleri ileri sürülüyor. Bu konuda araştırmalar halen devam ediyor. Ancak evrenin var oluşunun mekanistik bir modelle açıklanmasına yönelik atılan bu adımlar, bilimin gelecekte ne kadar güçlü bir yol gösterici haline geleceğinin sinyallerini veriyor. Bekleyip göreceğiz.

Görsel: Ana görselde gördüğünüz çizim, konuyu güzel bir şekilde özetliyor. En alt tabakadaki ızgaralar, aslında var olan şeyler değildir. Hiçlik, hayali bir ızgara olarak tanımlanmaktadır (bilgisayar çizim eğitimi almış olanlar bunu iyi bileceklerdir). Bunun içerisinde durmaksızın ve her noktada dalgalanmalar olur. Bu sırada hiçlikten var olan parçacıklar, anlık olarak var olup yok olurlar. Bazen (eğer ki bu yaklaşıma yöneltilen eleştirileri dikkate alacak olursak, çok çok nadiren demeliyiz), bu dalgalanmalardan bir tanesi anlık olarak oluşup yok olmaz ve hızla genişlemeye başlar. İşte Büyük Patlama anı, bu an olabilir. Sonrasında ise, devasa bir "sıfır" şişip genişler ve kendi içinde madde ve anti-madde oluşmaya başlar. Hayal etmesi her kuantum mekaniği konusunda olduğu gibi çok zor, farkındayız. Ancak bu, gerçeklik değerini değiştiren bir sorun değil.

Kaynaklar ve İleri Okuma:

Physical Review Letters, Physical Review, and Review of Modern Physics
Astro Society
A Universe From Nothing
Inflation for Beginners
Prof. Matt Strassler

Link: kuantum dalgalanma