Felsefe ve fizik iki ayrı kariyer alanı olarak ayrılmadan çok önce, Antik Yunan’ın doğa filozofları her şeyin neyden oluştuğu konusunda tahminlerde bulunmuşlardır. Plato, Dünya üzerindeki her şeyin dört temel parçacıktan meydana geldiği bir kuram tasavvur etmiştir. Toprağın küp şeklindeki kararlı parçacıkları, ateşin sivri uçlu ve yakıcı dört yüzlü (tetrahedron) parçacıkları, havanın bir şekilde daha az sivri uçlu sekiz yüzlü (octahedron) ve suyun ise görece yuvarlak yirmi yüzlü (icosahedron) parçacıkları vardır. Modern parçacık fiziğinde olduğu gibi, Plato da bu parçacıkların oluşturulup yok edilebileceği görüşündeydi. Örneğin, sekiz yüzlü hava parçacığı iki tane dört yüzlü ateş parçacığı bir araya getirilerek oluşturulabilirdi, birinin kamp ateşi sönerken ortaya çıkan şeyi hayal edebileceği gibi.
Bizim doğa anlayışımız ise Plato’dan bu yana epey yol aldı. Dünya’nın pek çoğunun elementlerin periyodik tablosunda derlenmiş çeşitli atomlardan oluştuğunu öğrendik. Hatta atomların kendilerinin daha temel parçalardan meydana geldiğini de öğrendik. Bugün, her şeyin özünü neyin oluşturduğunu anlamakla ilgilenen filozoflar cevaplarını modern fizikte arıyor. Gelgelelim fizikte cevapları bulmak ders kitabı okumakla olacak kadar basit bir iş değil. Fizikçiler ellerindeki işe uyduğu sürece gerçeğin farklı resimleri arasında ustaca değişiklik yaparlar. Ders kitapları size fiziğin matematiksel araçlarını nasıl daha etkili kullanacağınızı öğretirken, denklemlerin neleri açıkladığından bahsetmezler. Doğada gerçekten nelerin olup bittiğine yönelik bir hikayeyi matematikten ayrıştırmak sıkı bir çalışma gerektirir. Bu tarz bir araştırma filozoflar tarafından yapıldığında “fiziğin felsefesi”, fizikçiler tarafından yapıldığında “fiziğin temellendirilmesi” olarak görülür.
Fizikçiler periyodik tabloda “standart model” adında bir ilerleme kaydettiler. Standart model çok önemli bir şeyi atlıyordu (yerçekimi) ve modelin açıkladığı parçaların daha temel şeylerden (titreşen dizgiler gibi) oluştuğuna dair bir sonuca dönüşebilirdi. Söylendiği kadarıyla standart model hiçbir yere gitmiyordu. Isaac Newton’ın yerçekimi teorisi ya da James Clerk Maxwell’in elektrodinamik teorisinde olduğu gibi, sıradaki şey ne olursa olsun standart modelin fiziğin önemli bir bölümü olarak kalacağını bekliyoruz.
Ne yazık ki, standart modeldeki periyodik tablonun atomlarının yerini neye bırakacağı çok da net değil. Gerçeğin temel yapı taşları kuantum parçacıkları mı, kuantum alanları mı, yoksa ikisinin bir karışımı mı? Böyle zor bir soruya takılmadan önce, klasik teorinin (kuantum olmayan) metinlerindeki parçacık ve alanlar arasındaki tartışma üzerine düşünelim: Maxwell’in elektrodinamik teorisi üzerine.
Albert Einstein’ın elektrodinamik üzerinde uğraştığı temel çalışmalar, 1905 Özel Görelilik Teorisi’ni de beraberinde getirdi. Özel göreliliği geliştirdikten sonra; Einstein, Walter Ritz ile klasik eletrodinamiği anlamak ve formülleştirmek üzerine fikir tartışmalarına girdi. Bu teoriye göre, birbirinin yakınında duran elektronlar karşıt yönlere doğru ayrılırlar. Her ikisi de negatif yüklü olduğundan birbirilerini iterler. Ritz ise bu olayı doğrudan iki elektronun birbirine dokunmasalar bile her birinin diğerini ittirdiği bir etkileşim olarak ele alır. Bu etkileşim, iki elektronu ayıran uzaydaki boşluk boyunca etki eder. Bu ilişki, zamandaki boşlukta da bu şekildedir. Kesin olmak gerekirse, her bir elektron bir diğerinin o anki durumuna göre değil, geçmiş hareketine göre tepki verir).
Einstein, bu etkileşimi daha farklı yorumlar ve konuyu böyle bir uzaktan eylem (action-at-a-distance) ilişkisiyle açıklamaktan yana değildir. Ona göre, bu durumda sadece parçacıklardan ziyade alanlar gibi başka faktörler de rol oynamaktadır. Her bir elektron uzay boyunca yayılan elektromanyetik bir alan oluşturur. Elektronlar birbirinden boşluk boyunca doğrudan etkileştikleri için değil, her biri diğerinin alanından uygulanan kuvvet etkisiyle uzaklaşır.
Elektronlar kendi elektromanyetik alanlarından kuvvet hisseder mi? Her iki cevap da probleme yol açar. İlk olarak cevabın “evet” olduğunu varsayalım. Elektronun elektromanyetik alanı, siz elektrona yaklaştıkça güçlenir. Elektronu küçük bir top olarak düşünürseniz, topun her bir parçası bulunduğu konumda çok güçlü elektromanyetik alandan gelen dışarıya doğru büyük bir kuvvet hissedecektir ki bu da patlama yaratabilir. Henri Poincaré, elektronları tutan ve kendini itmelerine karşı direnç gösteren başka kuvvetlerin de olabileceğine dair şimdilerde “Poincare Sanıları” olarak adlandırılan varsayımında bulunmuştur. Eğer elektronu nokta büyüklüğünde düşünürseniz, sorun daha da büyük oluyor. Bu durumda alan ve kuvvet elektronun bulunduğu yerde sonsuz olacaktır.
Peki eğer elektron kendisiyle özetkileşime girmiyorsa, biz bu enerji kaybını nasıl açıklarız?
Bunun yerine, elektronun ürettiği alanı algılamadığını varsayalım. Buradaki sorun, elektronun kendi alanının farkında olduğuna dair kanıt olmasıdır. Elektron gibi yüklü parçacıklar, hızlandıklarında elektromanyetik dalgalar üretir. Bu da enerji gerektirir. Gerçekten de, bu dalgaları ürettiklerinde elektronların enerji kaybettiğini gözlemleyebiliriz. Elektronlar kendi alanlarıyla etkileşime giriyorsa, bu dalgaların içinden geçerken elektronla nasıl etkileştiklerini inceleyerek enerji kaybetme oranlarını doğru bir şekilde hesaplayabiliriz. Ancak, elektronlar kendi alanlarıyla etkileşime girmiyorsa, neden enerji kaybettikleri belirsizdir.
Ritz’in alanın olmadığı tümüyle parçacıkları ele alan önerisinde, elektron kendi alanı ile etkileşime girmeyecektir çünkü etkileşime gireceği böyle bir alan yoktur. Her elektron sadece diğer parçacıklardan kuvvet hisseder. Fakat, elektron özetkileşime girmezse, enerji kaybını nasıl açıklayabiliriz? İster Einstein gibi, hem parçacıklar hem de alanlar olduğuna ya da Ritz gibi, sadece parçacıklar olduğuna inanıyor olun, “özetkileşim problemi” ile karşı karşıyasınız.
Ritz ve Einstein üç taraflı bir tartışmanın sadece iki tarafını belirttiler. Oysa üçüncü bir seçenek var: belki de parçacıklar yok, sadece alanlar var. 1844 yılında Michael Faraday bu seçeneği yayınlanmamış bir taslakta keşfetti ve kısaca “spekülasyon”1 olarak kamuoyuna açıkladı. Birbirleriyle çakışan ve birbirlerinden seken çeşitli şekil ve büyüklükteki sert, katı cisimlerin fiziğini açıklamanın zor olduğu düşünülebilir. Nitekim, iki yüklü parçacık (elektron gibi) elektriksel çekim veya itme ile etkileşime girdiğinde, aslında birbirine değmezler. Her biri diğerinin elektromanyetik alanına tepki gösterir. Bu nedenle parçacıkların boyutlarının ve şekillerinin, parçacıkları çevreleyen alanları değiştirmeleri dışında bu etkileşimle bir ilgisi yoktur. Bunun üzerine Faraday şu soruyu sordu: “Bir madde parçacığında böyle bir çekirdeğin olduğunu varsaymak için gerçek sebep nedir?“ Yani, neden parçacığın elektromanyetik alanının merkezinde sert bir çekirdeğin olduğunu düşünmeliyiz? Modern anlamda Faraday, parçacıkları bertaraf etmeyi ve sadece elektromanyetik alanları göz önünde bulundurmayı öneriyormuş gibi yorumlandı.
8 Ağustos 2019 tarihinde Prag’daki Uluslararası Mantık, Metodoloji ve Bilim ve Teknoloji Felsefesi Kongresi’nde, dört fizik filozofuyla beraber kısaca ifade etmek gerekirse “Parçacık mı, Alan mı, Her İkisi de mi?” konulu bir tartışmaya katıldım. Hannover Leibniz Üniversitesi’nden Mathias Frisch, Einstein ve Ritz arasındaki tartışmanın bir sunumuyla oturumumuzu açtı. Ardından, geri kalan üç konuşmacı Einstein, Ritz ve Faraday’ın olduğu tarafların güncellenmiş şekillerini temsil eden karşıt görüşlerini savundu.
İkinci konuşmacımız Caltech’ten Mario Hubert, Einstein’ın tanımladığı nokta büyüklüğündeki parçacıklar ve alanları, öz etkileşim sorunundan kurtarmaya çalıştı. Bunun nasıl yapılabileceğine dair birçok fikrin mevcut durumunu tartıştı. Böyle bir fikir, ilk kuantum fiziğine muazzam katkılarda bulunan bir matematik sihirbazı olan Paul Dirac‘tan geldi. Dirac’ın adı, standart modelin elektronları tanımlayan kısmında geçmektedir.
1938 yılı makalesinde; Dirac, klasik elektrodinamiğin öz etkileşim sorununu incelemek için kuantum fiziğinden bir adım geri gitti ve elektrodinamik yasalarında, alanların parçacıklara kuvvet uygulama şeklini değiştiren bir düzenleme önerdi. Nokta büyüklüğünde bir parçacık için, yeni denkleminde parçacığın kendi elektromanyetik alanıyla herhangi bir etkileşimini ortadan kaldırarak bizim de aslında gözlemlediğimiz öz etkileşime benzeyen türde, bir parçacığın dalga yayarken enerji kaybetmesine neden olan yeni bir terim ileri sürdü. Bununla birlikte, Dirac’ın önerdiği denklemin bazı garip özellikleri vardır. Örneğin, “hızlanma öncesi evresi”: Belli bir kuvvetle vuracağınız bir parçacık, siz vurmadan önce hareket etmeye başlayabilir.
1930’larda ve 40’larda, dört önemli fizikçi tarafından farklı bir strateji izlendi: Max Born (kuantum fiziğindeki olasılıkları nasıl hesaplayacağınızı anlatan ‘Born kuralı’ ile bilinir), Leopold Infeld (Einstein ile modern fizik üzerine popüler bir kitabı ortak yazdı: Fiziğin Evrimi The Evolution of Physics), Fritz Bopp (İkinci Dünya Savaşı sırasında Alman nükleer araştırma programının bir parçası olan ve savaştan sonra, Batı Almanya’da nükleer silahlara karşı çıkan ve nükleer enerjiyi savunan bir beyannamede ortak imzacılardan biri oldu.), ve Boris Podolsky (Erwin Schrödinger’i ‘dolanıklık’ (entanglement) terimini adlandıran ve esrarengiz kedisini tanıtmaya cesaretlendiren makalenin ortak yazarı). Bu fizikçiler, nokta parçacıkları tarafından üretilen alanların sonsuz güçlü hale gelmemesi için parçacıkların elektromanyetik alanları nasıl ürettiğini belirten yasaları değiştirmenin yollarını öneri olarak sundular.
Bu tür yasaları değiştirdiğinizde, aslında birçok şeyi de beraberinde değiştirmiş olursunuz. Hubert’in de kendi sunumunda dile getirdiği gibi, hiçbir zaman bu değişikliklerin sonucunu tamamen anlamıyoruz. Özellikle de Born-Infeld ve Bopp-Podolsky önerilerinin öz-etkileşim problemini çözüp çözemeyeceği ve parçacıkların hareketleri hakkında doğru tahminler yapıp yapamayacağı hala belli değil. Tüm bu klasik fizik konuşmasının bizi çok uzak bir konuya sürüklediğini hissedebilirsiniz. Standart kuantum fiziği modelinin bize söylediği her şeyin neyden yapıldığını anlamaya çalışmıyor muyuz?
Bir zaman yolculuğu filminde olduğu gibi, gelecek geçmişi etkileyebilir.
Standart modelin elektronları ve elektromanyetik alanı tanımlayan kısmına klasik elektrodinamiğin kuantum versiyonu olduğu için ‘kuantum elektrodinamiği’ denir. Bu iki konunun temelleri birbiriyle yakından ilişkilidir. Richard Feynman; Caltech’teki efsanevi derslerinin bir bölümünde Dirac, Born, Infeld, Bopp ve Podolsky tarafından yapılan klasik elektrodinamikte değişikliklerin nasıl tartışıldığını şöyle anlatıyor:
Maxwell teorisinin fikirleriyle ilişkili, çözülmeyen ve kuantum mekaniği ile doğrudan ilişkili olmayan zorluklar vardır. ‘Belki bu zorluklardan endişe etmenin bir faydası olmadığını, kuantum mekaniği elektrodinamik yasalarını değiştireceğinden, değişikliklerden sonra hangi zorlukların olduğunu görmek için beklememiz gerektiğini’ söyleyebilirsiniz. Nitekim, elektromanyetizma kuantum mekaniğine katıldığında, bu zorluklar yine devam etmektedir. Bu nedenle, bu zorlukların ne olduğuna bakmak zaman kaybı olarak sayılmayacaktır.
Aslında, Feynman bu konuların merkezi öneme sahip olduğunu düşünüyordu. Kuantum elektrodinamiği üzerine 1965 yılında Nobel Ödülü’nü aldıktan sonra verdiği derste, zamanının çoğunu klasik elektrodinamiği tartışarak geçirmeyi seçmiştir. Wheeler ve Feynman – Ritz gibi – elektromanyetik alan teorisinden uzaklaşmış ve sadece parçacıkların tarafında yer almışlardır. Daha önce de bahsettiğim gibi, Ritz’in alandan bağımsız teorisinde, her bir parçacığın diğerlerinin geçmiş durumlarına göre karşılık vermesi için parçacıklar uzay ve zamandaki boşluklarda etkileşime girerler. Wheeler ve Feynman’ın teorisinde ise parçacıklar birbirlerinin hem geçmişlerine hem de geleceklerine karşılık verirler. Tıpkı zaman yolculuğu filmlerindeki gibi, gelecek geçmişi etkiler. Başta çok sert gelebilir ama görünüşe bakılırsa geçerli bir iddaadır. Uygun koşullarda, bu düzeltme, herhangi bir gerçek özetkileşim olmadan parçacıkların hareketleri hakkında doğru tahminler verir.
“Neden Alan Teorisi Alanların Teorisi Değildir?2 başlıklı bir konuşmada, tartışmamızın üçüncü konuşmacası, Lausenne Üniversitesi’nden Dustin Lazarovici, Ritz, Wheeler ve Feynmam’ın tarafını tuttu. Bu fizikçilerin ortaya attığı uzaktan eylem teorilerinde, sadece diğer parçacıkların ne yaptığına bakarak, bir parçacığın belli bir zamanda ne yapacağını söyleyemezsiniz. Parçacığın geçmişteki hareketine (ve belki gelecekte ne yapacağına) de bakmanız gereklidir. Lazarovici, elektromanyetik alanın, dünyada olan gerçek bir şey olmadığını, ancak geçmiş ve gelecek hakkındaki bu bilgiyi kodlayan yararlı, matematiksel bir defter tutma aracı olduğunu savundu. Dolayısıyla Lazarovici klasikten kuantum elektrodinamiğine geçmiş oldu. Birçok başka fizik filozofu gibi, kuantum elektrodinamiğinin formüllerini bir bakıma tatmin edici bulmaz çünkü bu formüller doğada ne olduğuna dair net bir tanımlama yapmaz. Bu teoriyi düzenlemek için yaptığı araştırmada, standardın dışında birakım elementler vardır.
Öncelikle, Lazarovici kuantum elektrodinamiğinin kuantumun ölçüm problemleri ile ilgili sorununun farkındadır ve buna karşın David Bohm tarafından önerilen kuantum dalga fonksiyonundan farklı nokta parçacıklarının varlığını gösteren bir çözümü benimsememiz gerektiğini öner sürer. İkincisi, alanların olmadığı bir klasik elektrodinamik versiyonundan parçacıkların birbiriyle doğrudan etkileşide olduğu (Wheeler ve Feynman’da olduğu gibi) kuantum elektrodinamiği geliştirmek ister. Üçüncü olarak, Dirac’ın uzayın uçsuz bucaksız bir elektron denizinden oluştuğu fikrini benimsemiştir. Bu Dirac denizi, ilk kuantum elektrodinamik araştırmalarının temelini oluşturmuş olsa da yasanın en modern sunularında gözden düşmüştür.
Bu fikirler birbiriyle örtüşmektedir. Lazarovici ise bu fikirlerin bizi kuantum elektrodinamiğinde karşımıza çıkan kesin ve çıkmaz sonsuzluklardan kurtarabileceğini umuyor. Bu yaklaşımın bizi nereye götüreceğini merak ediyorum. Ana akımdan sapan araştırmalar lehine, Feynman (Nobel dersinin sonunda) fizikteki ilerlemenin tuhaf ve olağandışı bir bakış açısıyla kendine kuantum elektrodinamiği öğreten, örneğin kendisi için bir şey icat etmesi gereken, biri tarafından gerçekleşebileceğini söyledi.
Tartışmaya sunduğum katkıya gelecek olursak, kuantum elektrodinamiği hakkında farklı bir bakış açısını savundum. Faraday’ı takiben, parçacık fikrinden kurtulmamız ve yalnızca alanların olması gerektiğini savundum. Yine de tek başına elektromanyetik alanın yeterli olduğunu düşünmüyorum. Başka bir alana daha ihtiyacımız var: Dirac alanına. Bu alan da elektronun (ve tabii onun antiparçacığının yani pozitronun) bir sonucudur. Klasik elektrodinamikte bu yaklaşım, nokta elektron parçacığının yerine Dirac alanında dağılmış enerji yığınını ve yükü koyar. Yük yayıldığı için bu yük sonucunda oluşan elektromanyetik alan uzayda hiçbir noktada sonsuz güçlenmeyecektir. Bu da özetkileşim probleminin zorluğunu azaltır fakat yine de çözmez. Eğer elektronun yükü dağılıyorsa, neden elektronun çeşitli parçaları birbirini itmiyor da böylece elektron hızla patlamıyor? Bu benim hâlâ anlamak için üzerine çalıştığım bir konu.
Elektronun küçük bir top olduğu fikri sonucunda bu soruyla daha önce karşılaştık. Bu yeni öneri ise oldukça farklı. Buradaki amaç elektronun bir modelini icat etmek yerine varolan kuantum elektrodinamiği denklemleri arasında bir model bulmaktır. Bu tümüyle-alanlar tanımına özetkileşim sorununu çalışmak için sürüklenmedim ama başka iki şeyi göz önünde bulundurdum. Birincisi, bu yaklaşımı elektronun dönüş hareketi denen kavramı etraflıca anlamak için yararlı buldum. Kuantum fiziğinde standart bir inanış vardır. Elektron dönen bir vücut gibi birçok şekilde hareket eder fakat gerçekten dönmez. Yani döner ama dönmez.
Elektronları bir alan olarak düşünüyorsanız, fotonları aynı şekilde düşünebilirsiniz.
Elektron nokta büyüklüğündeyse, elbette onu gerçekten dönüş hareketi olarak düşünmek mantıklı değildir. Elektron bunun yerine çok küçük bir top olarak düşünülürse, ‘dönü’ (spin) kelimesini kullanmamıza neden olan özellikleri hesaba katmak için ışık hızından daha hızlı dönmesi gerektiğine dair sorunlar ortaya çıkar. Işıktan daha hızlı dönme konusundaki bu sorun, 1920’lerde dönüş hareketini keşfeden fizikçileri, sonuçlarını yayınlamak konusunda rahatsız etti.
Eğer elektron Dirac alanında yeterince geniş bir enerji ve yük yığını ise, ışıktan daha hızlı hareket etmesine gerek yoktur. Enerjinin ve yükün hareket etme şeklini, merkezi bir eksen etrafında dairesel bir şekilde akıp akmadığını ve elektronun dönüp dönmediğini görmek için inceleyebiliriz, ki elektron döner. Beni tümüyle-alanlar tarifine götüren ikinci düşünce, fotonu kuantum elektrodinamiğinde bir parçacık olarak ele alma yolumuzun olmadığının farkına varmaktı. Dirac, tek bir elektronun kuantum davranışını tanımlayan bir denklem kurdu. Foton için ise benzer bir denklemimiz yok.
Elektronları parçacıklar olarak düşünüyorsanız, fotonları farklı şekilde düşünmelisiniz – ya onları ortadan kaldırmak (Lazarovici’nin hikayesi) ya da bir alan gibi davranmak (Hubert’in hikayesi). Öte yandan, elektronları bir alan olarak düşünüyorsanız, fotonları da aynı şekilde düşünebilirsiniz. Bu tutarlılığı tümüyle-alan önermesinin bir değeri olarak görüyorum. Bu işler devam ederken, Einstein, Ritz ve Faraday arasındaki üç taraflı tartışma henüz çözülmedi. Kesinlikle bir ilerleme kaydettik, ancak kesin bir cevabımız hâlâ yok. Klasik ve kuantum elektrodinamiğinin bize gerçeklik hakkında ne anlattığı henüz belli değil. Her şey parçacıklardan, alanlar veya her ikisinden mi oluşmuş? Bu soru çağdaş fizik araştırmalarının merkezinde ve gündeminde değildir. Teorik fizikçiler, genellikle üzerinde çalışılacak kuantum elektrodinamiği hakkında yeterince iyi bir uzlaşıya sahip olduğumuzu düşünmektedir. Şimdi yeni teoriler geliştirmek ve bunları deneyler ve gözlemler yoluyla test etmenin yollarını bulmak için çalışmak gereklidir.
İleriye giden yol bu olabilir. Yine de, bazen fizikteki ilerleme, çoktan bildiğimiz önceki teorileri yeniden incelemek, yeniden yorumlamak ve yeniden gözden geçirmek için gereklidir ve bu tür bir araştırma yapmak için, binlerce yıl önce Antik Yunan’da yapıldığı gibi fizikçilerin ve filozofların rollerini harmanlayan akademisyenlere ihtiyacımız vardır.
1 Spekülasyon: Faraday’ın kendi ifadesidir. Bahsedilen görüşünü 1844 yılında “Speculation touching Electric Conduction and the Nature of Matter” ( Elektrik İletimi ve Maddenin Doğası Üzerine Bir Spekülasyon) başlığı adı altında yayınlamıştır.
2 ‘Why Field Theories are not Theories of Fields?’
Kaynak: Charles Sebens, “What’s everything made of?”, Aeon, 24 Eylül 2019, Editör: Nigel Warburton, https://aeon.co/essays/is-everything-made-of-particles-fields-or-both-combined (erişim: 15 Şubat 2020), Çeviren: Gökçe Yetkin
